Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования наноструктурных сорбентов на основе органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками, и процессов адсорбции в них

Докладчик: Меньшутина Наталья Васильевна

Должность: Руководитель МУНЦ, д.т.н, проф.

Цель проекта:
Разработка программно-вычислительного комплекса, позволяющего моделировать структуру и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на примере органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками с повышением на 20-25 % точности совпадения характеристик моделируемого сорбента со свойствами реального сорбента, который будет использоваться учеными, работающими в области разработки новых материалов, и позволит резко сократить время и стоимость экспериментальных исследований.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения НИР будет разработан программно-вычислительный комплекс, который позволит предсказывать процесс адсорбции твердых модельных веществ и модельных газов в нанопорах органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками. Программный комплекс будет обладать удобным пользовательским интерфейсом и модулем визуализации результатов моделирования, что позволит упростить восприятие результатов моделирования учеными-исследователями. Кроме этого в ходе НИР будет разработана программная документация согласно ЕСПД. После разработки программного комплекса будет проверена адекватность моделей полученным экспериментальным данным; будут проведены численные эксперименты и даны рекомендации по ведению процесса адсорбции в наноструктурных сорбентах на примере органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками.

Поставленные задачи будут решаться с использованием следующих подходов и методов:
1. Для моделирования структур высокопористых аэрогелей будут развиты и реализованы алгоритмы для генерации трехмерных структур с использованием
•метода слабоперекрывающихся сфер;
•алгоритма агрегации, ограниченной диффузией с множеством центров кристаллизации.
Для вычисления распределения пор в сгенерированных структурах будет создан и реализован собственный алгоритм с использованием геометрических построений, а для вычислений удельной внутренней площади поверхности будет использован метод Монте-Карло.
Каждая задача будет анализироваться на возможность распараллеливания, будут выявлены ключевые шаги алгоритмов, требующие наибольшее вычислительное время. Будет использована технология CUDA для развития высокоточных параллельных вычислений. Будут использованы приемы оптимизации вычислительных задач и использованы мелкозернистые вычисления CUDA, крупнозернистый параллелизм технологии PThreads. Это позволит получить не только количественный прирост производительности вычислений (а, следовательно резкое уменьшение времени счета), но и совершить качественный переход к новым моделям и новым размерам моделируемых сорбентов.
2. Задача моделирования процессов диффузии и адсорбции в порах аэрогелей будет решаться с использованием клеточного автомата с окрестностью Марголуса, дополненного правилами для учета взаимодействия между адсорбируемым веществом и сорбентом. При учете межмолекулярных адсорбционных взаимодействий будут учтены энтальпийный и энтропийный члены в энергетических взаимодействиях клеток. Будет введена неравнозначность сторон для учета функциональных групп. Клеточно-автоматная модель процессов диффузии позволяет проводить параллельные вычисления.
3. Для получения аэрогелей будет использована технологии сверхкритических флюидов, в которой одной из стадий является процесс сверхкритической сушки в реакторе высокого давления. Сушка проходит в сверхкритическом диоксиде углерода (СКДУ), что позволяет предотвратить слипание пор и полностью сохранить пористую структуру высушиваемого вещества. Внедрение углеродных нанотрубок происходит на этапе приготовления геля с последующей сушкой в сверхкритическом диоксиде углерода. Для исследования конечной структуры полученных аэрогелей различной природы будут использованы такие методы анализа, как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), азотная порометрия, методы измерения электрохимических и реологических свойств. В ходе НИР будет оценена сорбционная способность различных аэрогелей по отношению к различным веществам.
4. Программно-вычислительный комплекс будет создан с использованием современных языков программирования, таких как C#, С++. Преимущества использования данных языков программирования заключается в их высоком быстродействии, возможности использования технологий параллельных вычислений и простоте написания программного кода. На этапе прототипирования ПВК будет использован
язык программирования Python, который позволяет создать работающий полнофункциональный прототип приложения в максимально сжатые сроки. Такой подход позволяет проверить функционал ПВК, не разрабатывая его полную версию, что значительно снижает риск критических архитектурных ошибок, позволяет проверить и отработать предлагаемые решения различных задач. Это ведет к ускорению разработки основного кода.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый ПВК позволит значительно сократить время и стоимость экспериментальных исследований для создания наноструктурных сорбентов нового поколения. Создаваемые сорбенты могут быть использованы в следующих областях: 1) Адсорбированные твердые модельные вещества могут выступать в роли активных фармацевтических ингридиентов. При создании композиции "сорбент-активное вещество" можно достичь более высоких показателей растворимости и биодоступности активных веществ, что значительно снижает стоимость готовой продукции и увеличивает ее терапевтическое действие. 2) Сорбенты с внедренными углеродными нанотрубками могут выступать в роли индикаторов для газов, что может быть применено как в гражданской сфере (тяжелая и металлургическая промышленность, оценка экологических условий в населенных пунктах, добыча полезных ископаемых, МЧС), так и военной сфере, как индикаторы на боевые отравляющие вещества.

Разрабатываемый программный комплекс может быть использован в высших учебных заведениях, профильных научно-исследовательских институтах, научных центрах, которые занимаются проблемами создания сорбентов нового поколения.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения первого этапа ПНИ были разработаны планы дальнейших экспериментальных исследований, методики получения органических и неорганических аэрогелей проведена оценка влияния условий получения аэрогелей на их свойства. Кроме этого, изучены свойства углеродных нанотрубок. Проведен анализ и выбор языков программирования для разработки ПВК, определены требования к интерфейсу и структурам входных и выходных данных.