Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Фундаментальные основы компьютерного инжиниринга мембранных наносистем на основе наночастиц графена

Отношение к критическим технологиям:
-


Контактная информация

Название организации
ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"


ФИО руководителя организации
Ситников Александр Андреевич


Юридический адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


Почтовый адрес
656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46


ФИО руководителя проекта:
Жуковский Марк Сергеевич


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Основной целью проекта на 2011 год являлось развитие фундаментальных основ компьютерного инжиниринга мембранных наночастиц графена в условиях их перфорации и субфемтосекундной активации излучением (УФ, мягкий рентген) и ионной имплантацией в термостатированной при различных температурах конденсированной среде с помощью математических моделей теории квантовой релаксации сильнонеравновесных физико-химических наносистем биомиметического (биоподобного) типа. Дополнительной целью проекта на 2011 год являлась дальнейшая разработка на основе проведеной НИР учебно-методических комплексов «Компьютерный наноинжирниринг» и «Компьютерная нанотехнология», а также новых образовательных программ в области индустрии наносистем.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Открытие в 2004 году автономных монослоев графена поставило только «запятую» в вопросе о принципиальной возможности существования двумерных кристаллов. Но вопрос о причинах стабильности этих двумерных систем в различных физико-химических условиях их процессинга не снят с повестки дня. Его разрешение и является в настоящее время предметом многих теоретических и экспериментальных исследований в России и за рубежом. Наиболее актуальной фундаментальной задачей является оценка стабильности графеновых мембран в процессе их процессинга, включающего перфорацию и субфемтосекундную активацию излучением (УФ, мягкий рентген) и ионной имплантацией в термостатированной при различных температурах конденсированной среде. В настоящее время имеются существенные препятствия для создания на практике экстремальных излучений и ионных потоков, реализующих условия процессинга графена с использованием действия лазерного импульсного излучения в диапазоне ультрафиолета (вакуумный, экстремальный) и мягкого рентгена, а также ионной имплантации. На ближайшее будущее это – передний край экспериментальных исследований во всём мире. Пока не созданы необходимые технологии для точечного действия экстремальных импульсных пучков света и частиц – нет и экспериментальной основы исследования поведения наносистем графена в этих условиях высокой неравновесности. Кроме того, сейчас у ведущих исследовательских групп нет единой сложившейся теории механизмов управления этими экстремальными многовременными (атто- фемто- пико-секундными) процессами синтеза адаптивных (биомиметических) материалов с заранее заданными параметрами и свойствами. Выполненный нами проект направлен на расширение существующих и создание новых потенциальные областей применения экстремальных импульсных нанотехнологий процессинга нанографена в области мембранных нанотехнологий (ионные и молекулярные сита; элементы топливных элементов; материал для опреснения и деконтаминации) на базе систематизированной теоретической основы У предлагаемого проекта такая основа есть. Это – методы квантово-полевой химии наносистем, опубликованные нами в конце 80-х в СССР и в начале 90-х годов в журналах США и ЕС. Вместе с тем, эффективность новых нанотехнологий базируется на прецизионном самоконтроле и самоуправления нанопроцессами средствами самих наносистем. Эти вопросы начинают энергично рассматриваться в экспериментальном плане. В области компьютерного моделирования управления процессами наносинтеза материалов только формируются точки роста. Одну из таких успешно развивающихся точек роста в России в области мультиструктурного наноинжиниринга графена должен создать данный проект. Развитие компьютерных нанотехнологий получения функциональных материалов химико-технологических мембранных наносистем на основе графена и его нанослоевых аналогов является основной задачей данного проекта. Основные направления проекта в образовательной части соответствует современным тенденциям в ведущих центрах России и мира. На базе развития междисциплинарности и компетенционности в высшем профессиональном образовании в проекте реализовано: • содействие подготовке магистров в области нанонаук, нанотехнологий и наноматериалов; • cодействие краткосрочной переподготовке специалистов в области нанонаук, нанотехнологий и наноматериалов с выдачей соответствующих сертификатов. В течение 2011 года года были разработаны образовательные программы с целью использования полученных результатов НИР в следующих учебных процессах: • подготовки магистров по магистерской программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» по направлению магистерской подготовки 020100.68 «Химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов по направлению 02.00.04 – «Физическая химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов и докторантов по направлению 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул). • переподготовки научных сотрудников и профессорско-преподавательского состава по программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет – базовом вузе по программе переподготовки ППС МинОбрНауки РФ.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
1.Методы математического моделирования синергетики трёх процессов: аттосекундного активирования, фемтосекундного диссипативного наноструктурирования и пикосекундной самоорганизации в графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. Частично новый результат. 2.Алгоритмы компьютерного моделирования процессов многовременной самосборки и самоорганизации графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. ЧАстично новый результат. 3.Модель компьютерной имитации, контроля и управления синергетикой многовременных процессов получения мембранных наносистем на основе графена. Частично новый результат. 4.Методы компьютерного наноинжиниринга химических мембранных наносистем на основе графена путём многовременной (атто-фемто-пико-секундной) самоорганизации адаптивных наноэлементов материалов (полностью оригинальный результат). 5.Методики выполнение компьютерных экспериментов на кластере ЭВМ ЦКП «Нано-Био-Инжиниринг» АлтГУ при использовании собственного уникального комплекса прошедших госрегистрацию программ «Компьютерная нанотехнология» и «Компьютерный наноинжиниринг» (частично оригинальный результат). 6.База данных по результатам теоретического исследования задач в области компьютерной имитации многовременных (атто-фемто-пико- секундных ) механизмов самосборки и самоорганизации мембранных наносистем на основе графена. Полностью новый результат. 7.Исследована роль эффектов множественного рождения и уничтожения составных сопряжённых по заряду и спину электронно-дырочных пар в неравновесной субфемтосекундной самоорганизации квантовых диссипативных наноструктур мембранных частиц нанографена. Частично новый результат. 8.В рамках развитой теории квантовой релаксации биомиметических (биоподобных) наносистем методами математического моделирования и компьютерного эксперимента показано, что деривативная атто-фемтосекундная кинетика приводит к стабилизации биомиметического нанографена в энергонасыщенных аттракторах со слабовыраженной «горно-долинной» морфологией, в среднем, за время порядка десятков пикосекунд при длительности стадий фемтосекундных экситонных диссипаций в окружающую среду около 6 фс. Полностью новый результат. 9.Обнаружено, что с ростом температуры в диапазоне 300 К - 3500 К вдвое возрастает время выхода на устойчивый аттрактор (от 10 пс до 20 пс), а также длина продольных (с 2.5 нм до 5.0 нм) и амплитуда поперечных ( с 0.1 нм до 0.2 нм) искажений мембранных (перфорированных) листов нанографена. При этом величина энергонасыщенности увеличивается с 1 до 15 кДж/моль, а флуктуации энергии растут с 0.5 до 5 кДж/моль по сравнению с основным стационарным состоянием при температуре 0 К. Полностью новый результат. 10.Выявлено, что число вакансий в слабо перфорированных мембранных наносистемах графена влияет на их энергонасыщенность и уровень флуктуаций энергии, но мало изменяет геометрические параметры искажений листа нанографена. Обнаружено, что при высоких температурах предплавления ( Т= 3500 К) возникает стабилизация нанолистов биомиметического графена за счёт формирования би-вакансий при сильной энергетической неустойчивости одиночных вакансий и трёх вакансионных комплексов. Полностью новый результат. 11.Показано, что в условиях активирования в неравновесном нанографене субфемтосекундных процессов рождения и диссипации электрон-дырочных пар под действием лазерного импульсного излучения в диапазоне ультрафиолета (вакуумный, экстремальный) и мягкого рентгена, а также ионной имплантации, на фемтосекундной стадии не активируются каналы вибрационной диссипации, что обеспечивает отсутствие значительных искажений формы нанолистов графена за счёт развития неустойчивости мод поперечных колебаний. Полностью новый результат. 12.Программа внедрения результатов исследований в образовательный процесс. Инновации образовательных программ на основе компетенционного подхода и использования результатов НИР в образовательном процессе (частично новый результат): • подготовки магистров по магистерской программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» по направлению магистерской подготовки 020100.68 «Химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов по направлению 02.00.04 – «Физическая химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов и докторантов по направлению 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул). • переподготовки научных сотрудников и профессорско-преподавательского состава по программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет – базовом вузе по программе переподготовки ППС МинОбрНауки РФ.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Выполненный нами проект направлен на расширение существующих и создание новых потенциальные областей применения экстремальных импульсных нанотехнологий процессинга нанографена в области мембранных нанотехнологий (ионные и молекулярные сита; элементы топливных элементов; материал для опреснения и деконтаминации) на базе систематизированной теоретической основы


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
В рамках концепции термополевой динамики ТПД [1] и квантово-полевой химии КПХ [2] ранее было показано наличие квантово-полевого механизма наноструктурирования неравновесного конденсированного состояния [3-5]. Механизм заключается в том, что в сильно неравновесном конденсированном состоянии топологические сингулярности нелинейного физического вакуума релятивистских заряд-спин сопряжённых составных квантово-запутанных электрон-дырочных пар (е-е+) порождают субфемтосекундную самосборку атомов в системы компактных наночастиц. Это, так называемый, эффект спонтанного нарушения динамической симметрии ядерно-электронной плазмы в концепции термополевой динамики конденсированного состояния. Развитый подход к проблеме структурной устойчивости нанографена в концепции ТПД и КПХ позволяет проводить компьютерные имитации процессов испытаний мембранных наносистем графена в условиях их критического «нагружения» механическими напряжениями, электромагнитными, термическими и химическими воздействиями. Значительную роль в решении этой задачи играют модельные построения и расчеты, способные предоставить ценную информацию для реальных натурных экспериментов в целях создания химико-технологических мембранных наносистем на основе графена. Компьютерный эксперимент проводился с помощью разработанных пакетов мультимедийных комплексов «Компьютерных нанотехнологий» и «Компьютерного наноинжиниринга»[6, 7], в рамках которых нами были реализованы развитые в проекте методы и алгоритмы квантовой кинетики биомиметических наносистем графена. Они подробно изложены вместе с полученными результатами расчётов в 9 работах 2011 г. [8-16]. Для решения задач исследования процессинга биомиметических (биоподобных) наносистем графена нами в качестве моделей были взяты различные листы нанографена, отличающиеся формой, нуклерностью, числом вакансий, температурой термостата конденсированной среды. Рассмотрим, для примера, постановку и результаты компьютерного эксперимента со свободным листом нанографена прямоугольной формы 14 нм х 8 нм, содержащий 5000 атомов и от одной до трёх вакансий при различных температурах от Т = 300 К до Т = 3500 К и начальных энергиях внешней активации при процессинге (радиация, ионная имплантация) вплоть до энергии диссоциации листа на атомы. Введение данных в эти программные комплексы задаётся с помощью известных процедур построения связей атомов углерода в графене с помощью определения матриц смежности Sij = 1 для связанных атомов i и j, Sij = 0 для несвязанных атомов, а также задания силового потенциала в парном приближении. В модели были учтены две первые конфигурационные сферы взаимодействия атомов углерода. Потенциал изотропной части парного взаимодействия атомов углерода был рассчитан методом нелокального функционала плотности.Отсутствие анизотропной части в энергии связи пар атомов является достаточным приближением при описании ненаправленных металлических связей. Однако для графена пренебрегать жесткостью на изгиб связей нельзя. В этом случае учет анизотропии потенциала вводился в виде угловой добавки, с точностью до членов второго порядка малости в разложении энергии изгибных деформаций в ряд Тейлора по углам.Вариационный тестовый расчёт идеального графена при T = 0 K приводит к выводу о сохранении планарности монослоя с точной нижней границей Emin=?6.40 эВ/ат для множества возможных энергий связи в графене. Это с точностью до сотых эВ/ат воспроизводит данные квантово-химических расчётов из первых принципов для основного состояния планарной сетки атомов углерода. Для графенового монослоя 5000 атомов углерода квантовая кинетика фемтосекундная пошаговая релаксация из активированного состояния при T=0 K приводит к аттрактору, вырожденному с точной нижней границей энергии, но с малоамплитудными атомными смещениями от базовой плоскости z=0. Кинетика изменения полной энергии связи на атом за счет изменения длин связей и энергии изгибных деформаций в фемтосекундном диссипативном процессе релаксации неравновесного нанографена при двух температурах Т = 300 К и Т = 3500 К и одной вакансии показана на рисунке 1. Видно, что выход изначально активированного монослоя нанографена на «плато» аттрактора сильно зависит от температуры. При этом квантовая стохастическая эволюция неравновесного нанографена достигает релаксации за разное время: t(300K) ? 15 пс и t(3500K) ? 8 пс. Длительность фемтосекундных актов релаксации по механизму диссипации квантово-запутанных электрон-дырочных пар |e+e–> флуктуирует в интервале от 4 до 8 фс. Из рисунка 1 видно, что при высокой температуре насыщенность энергией (- 6.2 эВ/ат) и амплитуда флуктуаций энергии (0.2эВ/ат) устойчивого состояния нанографена с одной вакансией значительно выше, чем при комнатной температуре (-6.39эВ/ат и 0.02эВ/ат, соответственно). Но при этой отдаленности от состояния термодинамического равновесия, режим релаксационного движения в аттракторе в течение длительного (десятки пикосекунд) времени эволюции сохраняется квазистационарным. Компьютерные эксперименты показали, что в режиме фемтосекундной пошаговой нанодинамики листа графена при различных температурах конденсированного состояния происходит формирование нанорельефа деформации углеродной матрицы. Из таблицы 1 видно, что релаксированные наноструктуры графена при температуре предплавления 3500 К имеют запас энергии от 0.1 до 0.2 эВ/ат выше, чем при температуре 300 К. Параметры энергии связи при комнатной температуре лишь на сотую электрон-Вольт на атом выше, чем при Т = 0К. На рисунках 2, 3 показаны типичные топографии релаксированных структур нанографена с одной вакансией при Т = 300 К и Т = 3500 К, соответственно. Их вид даёт ясное представление о текстуре релаксированного графена с одной вакансией в центре нанолиста.Видны масштабные, протяженностью несколько нанометров, деформационные искажения нанолиста с малой амплитудой нормальных атомных смещений. С помощью анализа этих топографических карт поверхности рассматриваемого монослоя в различных температурных условиях получены масштабы возникающих шероховатостей: протяженности L поверхностных «волн» и амплитуды h нормальных отклонений. Исследование наноструктуры образца при T = 300 K показало, что пространственная протяженность L деформационных образований достигает 2 - 3 нм (рисунок 2), а средняя высота h поперечных отклонений: 0.124 - 0.126 ?, что составляет около одной десятой Ван-дер-Ваальсова радиуса атома углерода. При T = 3500 K амплитуда возрастает, в целом, вдвое: h ? 0.236?0.249 ?, а протяженность шероховатостей увеличивается в среднем до 4?6 нм (рисунок 3). Из данных таблицы 2 видно, что условия неравновесной диссипативной нанодинамики нанолиста графена с малым числом вакансий мало отражаются на значении средней высоты h отклонений. При этом, в целом, как показывает модельный расчет, графеновые мембраны сохраняют форму и стабильность при таких высоких температурах. Подобное поведение характерно для «адаптивных» биомиметических наносистем. Вместе с тем, таблица 3 ясно показывает, что энергия образования вакансий в релаксированном нанографене критически зависит от параметров процесса. При температуре Т = 300 К нет аномалий: энергия растёт монотонно с ростом числа удалённых атомов. Тогда как, при температуре близкой к температуре плавления (Т = 3500 К) наблюдаются аномальные скачки энергии образования вакансий. Диапазон скачков энергии образования вакансий в энергонасыщенной фемтосекундно-флуктуирующей матрице нанолиста графена с 5000 атомов (см. рисунок 1) свыше сотен электрон-Вольт. При этом аномальную «устойчивость» в стационарном неравновесном аттракторе приобрел бивакансионный «дефект». На основе общего комплекса проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы: 1. Компьютерное моделирование идеального нанолиста графена углерода при нуле Кельвина в изотропной среде показало, что рассчитанный методом нелокального функционала плотности межатомный потенциал электронных связей атомов в мономере графена правильно воспроизводит его энергию атомизации – 6.40 эВ/ат при учёте не менее двух координационных сфер. Жёсткость на изгиб С–С связей была учтена, ограничиваясь членами второго порядка в разложении энергии по углу изгибных деформаций, добавкой, вычисленной ранее для бензола. 2. Квантовая релаксация по механизму активированного нанолиста графена в однородной диссипативной системе конденсированного состояния формирует устойчивый аттрактор со слабовыраженной «горно-долинной» морфологией, в среднем, за время порядка 10 пс при длительности стадий фемтосекундных диссипации около 6 фс. Это типичные временные характеристики квантовой релаксации двумерного листа углерода диаметром порядка 10 нм. 3. Выявлены эффекты влияния температуры. С ростом температуры от Т = 300 К до Т = 3000 К время выхода на аттрактор увеличилось приблизительно в два раза, значение минимальной энергии возбуждения в аттракторе по сравнению с энергией основного состояния нанолиста графена при Т = 0 К возросло с1 кДж/моль до 20 кДж/моль, при этом уровень флуктуаций увеличился с 2 кДж/моль до 20 кДж/моль. Амплитуда искажений нанолиста в устойчивом аттракторе также возрастает с температурой, так средняя высота поперечных отклонений увеличивается приблизительно в два раза от 1.2х10-2 нм до 2.5х10-2 нм, что составляет десятую долю диаметра атома углерода. 4. Амплитуда искажений в устойчивом аттракторе биомиметической квантовой релаксации плоского листа нанографена на порядок меньше, чем при акустической (фононной) диссипации энергии. Это обеспечивается тем, что при фемтосекундном ритме экситонных диссипаций энергии когерентное движение ядерного каркаса графена не имеет характера движения волн и за фемтосекунды ядра смещаются не существенно. При акустической эмиссии фононов время смещений на два порядка больше (пикосекунда) и ядерная система успевает существенно исказиться. 5. Выявлены некоторые эффекты влияния точечных дефектов вакансий на энергетические характеристики аттракторов биомиметической релаксации при отсутствии заметного их влияния на геометрические параметры. При этом обнаружено, что добавление вакансий в идеальный лист нанографена приводит к появлению сложного совместного действия степени дефектности и температуры. Так, при нормальной температуре Т = 300 К с добавлением вакансий имеет место линейный рост энергонасыщенности перфорируемого листа нанографена в аттракторе, что указывает на отсутствие эффектов взаимодействия расположенных рядом в центре листа вакансий между собой. Однако, при высокой температуре Т = 3500 К обнаружен эффект такого сильного взаимодействия, выраженного в стабилизации би-вакансии из-за понижения энергии возбуждённого аттрактора при появлении в листе нанографена би-вакансии. Энергии моновакансии и тривакансии лежат существенно выше энергии бивакансии, стабилизируя её от распада 1. Х. Умэдзава, Х. Мацумото, М. Татики Термополевая динамика и конденсированные состояния/ Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 504 с. 2. S.A. Beznosjuk, B. F. Minaev, R. D. Dajanov, Z. M. Muldakhmetov. Approximating Quasiparticle Density Functional Calculations of Small Active Clusters: Strong Electron Correlation Effects //Int. J. Quant. Chem.- V. 38.- N. 6.-1990.- pp. 779-797. 3. С.А. Безносюк, А.И. Потекаев, М.С. Жуковский, Т.М. Жуковский, Л.В. Фомина Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества /Томск: Изд-во НТЛ, 2005, 264 с. 4. М.С. Жуковский, С.А. Безносюк Би-ионные и би-радикальные релятивистские субфемтосекундные квантовые флуктуации неравновесных наносистем // Ползуновский Вестник. 3 (2009) 19-23.(Издание из списка ВАК РФ). 5. М.С.Жуковский, С.А.Безносюк. Метод матриц плотности в теории процессинга открытых неравновесных наносистем // Известия АГУ. – 2010. –N 1.Физика. – с. 127-131. (Издание из списка ВАК РФ). 6.Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостенков М.Д. Теоретические основы компьютерного наноинжиниринга биомиметических наносистем. Томск: Изд-во Научно-Техническая Литература. – 2011. 236 с. 7. «Компьютерная нанотехнология» (КомпНаноТех). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009613043 от 10 июня 2009 г. (авторы: Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В., Лерх Я.В.) 8. «Компьютерный наноинжиниринг». – Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010612461 от 07.04.2010 г. (авторы: Безносюк С.А., Жуковский М.С., Важенин С.В.) 9. Жуковский М.С., Безносюк С.А., Ладыгин Ю.И. Компьютерный наноинжиниринг функциональных биомиметических материалов и устройств// Нанотехника.- №1(25).- 2011.- с. 80-85 10. Жуковский М.С., Шмаков И.А., Жуковская Т.М., Безносюк С.А., Старостенков М.Д. Компьютерное моделирование квантовой биомиметической релаксации перфорированного листа нанографена // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2011. т.8. №2. С. 57-61 11. Жуковский М.С., Безносюк С.А. Фемтосекундный процессинг наносистем: теория и компьютерное моделирование квантовых диссипативных наноструктур// Известия АлтГУ. – 2011. – N 3/1(71). – С.108-112 12.Жуковский М.С., Шмаков И.А., Затонская Л.В., Важенин С.В., Безносюк С.А. Компьютерное моделирование фемтосекундного процессинга перфорированного листа нанографена // Известия АлтГУ. -2011. № 3/1(71). – С. 113-117 13.Zhukovsky M.S., Beznosyuk S.A. Nonequilibrium Femtosecond Processes of Nanographene Quantum Relaxation Organizers //Тезисы 5 международной конференции Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy NGC – 2011 14.Безносюк С.А., Жуковский М.С. Наноинжиниринг биомиметических наносистем //Тезисы второй международной конференции "Образование для сферы нанотехнологии: современные подходы и перспективы." Москва, 25-27 мая - 2011 15.Безносюк С.А., Жуковский М.С., Ладыгин Ю.И. Компьютерный наноинжиниринг функциональных биомиметических материалов и устройств // Тезисы докладов к Международному семинару-выставке "Nanotechnology" . Bratislava, 19-23 September - 2011- С.16 16.Fomina L.V., Beznosyuk S.A. Modelling of double-layer structures of graphite and transition metal // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: тезисы докладов III Международной конференции. – 2011 - с. 87


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
1. Главный специалист Отдела анализа кредитных проектов региональной сети
2. Специалист по продажам розничных банковских продуктов


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Данный вопрос не рассматривался


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
1.Методы математического моделирования синергетики трёх процессов: аттосекундного активирования, фемтосекундного диссипативного наноструктурирования и пикосекундной самоорганизации в графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. 2.Алгоритмы компьютерного моделирования процессов многовременной самосборки и самоорганизации графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. 3.Модель компьютерной имитации, контроля и управления синергетикой многовременных процессов получения мембранных наносистем на основе графена. 4.Методы компьютерного наноинжиниринга химических мембранных наносистем на основе графена путём многовременной (атто-фемто-пико-секундной) самосборки адаптивных наноэлементов материалов (полностью оригинальный результат). 5.Методики выполнение компьютерных экспериментов на кластере ЭВМ ЦКП «Нано-Био-Инжиниринг» АлтГУ при использовании собственного уникального комплекса прошедших госрегистрацию программ «Компьютерная нанотехнология» и «Компьютерный наноинжиниринг» (частично оригинальный результат). 6.База данных по результатам теоретического исследования задач в области компьютерной имитации многовременных (атто-фемто-пико- секундных ) механизмов самосборки и самоорганизации мембранных наносистем на основе графена. 7.Исследована роль эффектов множественного рождения и уничтожения составных сопряжённых по заряду и спину электронно-дырочных пар в неравновесной субфемтосекундной самоорганизации квантовых диссипативных наноструктур мембранных частиц нанографена. 8.В рамках развитой теории квантовой релаксации биомиметических (биоподобных) наносистем методами математического моделирования и компьютерного эксперимента показано, что деривативная атто-фемтосекундная кинетика приводит к стабилизации биомиметического нанографена в энергонасыщенных аттракторах со слабовыраженной «горно-долинной» морфологией, в среднем, за время порядка десятков пикосекунд при длительности стадий фемтосекундных экситонных диссипаций в окружающую среду около 6 фс. 9.Обнаружено, что с ростом температуры в диапазоне 300 К - 3500 К вдвое возрастает время выхода на устойчивый аттрактор (от 10 пс до 20 пс), а также длина продольных (с 2.5 нм до 5.0 нм) и амплитуда поперечных ( с 0.1 нм до 0.2 нм) искажений мембранных (перфорированных) листов нанографена. При этом величина энергонасыщенности увеличивается с 1 до 15 кДж/моль, а флуктуации энергии растут с 0.5 до 5 кДж/моль по сравнению с основным стационарным состоянием при температуре 0 К. 10.Выявлено, что число вакансий в слабо перфорированных мембранных наносистемах графена влияет на их энергонасыщенность и уровень флуктуаций энергии, но мало изменяет геометрические параметры искажений листа нанографена. Обнаружено, что при высоких температурах предплавления ( Т= 3500 К) возникает стабилизация нанолистов биомиметического графена за счёт формирования би-вакансий при сильной энергетической неустойчивости одиночных вакансий и трёх вакансионных комплексов. 11.Показано, что в условиях активирования в неравновесном нанографене субфемтосекундных процессов рождения и диссипации электрон-дырочных пар под действием лазерного импульсного излучения в диапазоне ультрафиолета (вакуумный, экстремальный) и мягкого рентгена, а также ионной имплантации, на фемтосекундной стадии не активируются каналы вибрационной диссипации, что обеспечивает отсутствие значительных искажений формы нанолистов графена за счёт развития неустойчивости мод поперечных колебаний. 12.Программа внедрения результатов исследований в образовательный процесс. Инновации образовательных программ на основе компетенционного подхода и использования результатов НИР в образовательном процессе: • подготовки магистров по магистерской программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» по направлению магистерской подготовки 020100.68 «Химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов по направлению 02.00.04 – «Физическая химия» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» (г. Барнаул). • подготовки аспирантов и докторантов по направлению 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул). • переподготовки научных сотрудников и профессорско-преподавательского состава по программе «Наноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов» в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет – базовом вузе по программе переподготовки ППС МинОбрНауки РФ.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
1. Дальнейшее развитие основ теории и методов компьютерного моделирования синергетики многовременных процессов атто-фемто-пикосекундной самоорганизации в неравновесных графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. Задача выполнена полностью. 2. Дальнейшее развитие современных имитационных компьютерных моделей механизмов многовременной самосборки и самоорганизации графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. Задача выполнена полностью. 3. Разработка методов и методик компьютерного моделирования синергетики многовременных атто-фемто-пико-секундных процессов формирования графеновых нанослоях и мембранных наносистем на их основе. Задача выполнена полностью. 4. Разработка компьютерной имитации многовременных режимов получения наномембранных наноуглеродных матриц. Задача выполнена полностью. 5. Исследование многовременных параметров синергетических процессов самоорганизации активированных молекул, сорбированных поверхностью мембранных наносистем на основе графеновых нанослоёв. Задача выполнена частично, так как не реализована имитация процессов самоорганизации активированных молекул на нанографене в связи с алгоритмическими сложностями проведения необходимых в этих случаях параллельных вычислений на суперкомпьютере. 6. Построение математических и имитационных компьютерных моделей многовременных (атто- фемто- пико- секундных ) механизмов самосборки и самоорганизации мембранных наносистем на основе графеновых нанослоёв и наночастиц полупроводников, переходных и благородных металлов. Задача выполнена частично, так как не реализована имитация процессов самоорганизации композитных наносистем нанографена и наночастиц полупроводников, переходных и благородных металлов в связи с алгоритмическими сложностями проведения необходимых в этих случаях параллельных вычислений на суперкомпьютере. 7. Теоретические исследования задач в области компьютерной имитации многовременных (атто- фемто- пико- секундных ) механизмов самосборки и самоорганизации мембранных наносистем на основе графеновых нанослоёв и водорода. Задача выполнена частично, так как не реализована имитация процессов самоорганизации композитных наносистем нанографена и водорода в связи с алгоритмическими сложностями проведения необходимых в этих случаях параллельных вычислений на суперкомпьютере. 8. Обобщение результатов исследования методами компьютерного инжиниринга нанотехнологических возможностей многовременной (атто-фемто-пико-секундной) самосборки и ассемблирования мембранных наносистем на основе графеновых нанослоёв, водорода и наночастиц полупроводников, переходных и благородных металлов. Задача выполнена полностью для наносистем графена. Для остальных многокомпонентных наносистем разработаны математические модели, но они не реализованы в виде компьютерных алгоритмов для необходимых в этих случаях параллельных вычислений на суперкомпьютере. 9. Обобщение результатов прогнозирования методами компьютерного эксперимента с использованием вычислительных комплексов «Компьютерный наноинжирниринг» и «Компьютерная нанотехнология» возможностей контроля наноинжиниринга многовременной (атто-фемто-пико-секундной) самосборки мембранных наносистем на основе графеновых нанослоёв. Задача выполнена полностью. 10. Разработка образовательных программ и учебно-методических комплексов на основе проведенных НИР. Задача выполнена полностью. 11. Подготовка и сдача итогового технического отчета. Задача выполнена полностью.


Срок реализации Проекта (месяцев)
12


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
100000


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-