Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования структурных, сорбционных и электронных свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок и процессов адсорбции

Докладчик: Бутырская Елена Васильевна

Должность: профессор, профессор

Цель проекта:
1.Проект направлен на решение проблемы эффективного выбора углеродных наночастиц для допирования сорбентов и полимеров с целью повышения их эксплуатационных свойств и выявления путей совершенствования адсорбционных технологий на базе программно-вычислительного комплекса, позволяющего проводить направленный выбор углеродных наночастиц для решения практических задач. Цели проекта: - Разработка программно-вычислительного комплекса (ПВК), позволяющего моделировать структуру, электронные и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на примере фуллеренов и углеродных нанотрубок и процессов адсорбции с повышением точности совпадения характеристик моделируемого сорбента со свойствами реального сорбента по сравнению с существующими моделями. - Проведение экспериментальных исследований адсорбционных свойств углеродных наночастиц к различным неорганическим и органическим химическим соединениям. - Разработка технологии допирования полимеров углеродными нанотрубками на примере эпоксидного лакокрасочного материала и цеолитов и сравнительный анализ свойств допированного и недопированного материалов. - Исследование условий формирования функциональных бионаноструктур с УНТ на примере гибрида глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si и исследование их функциональных свойств. 2.Реализация проекта позволит осуществлять направленный выбор углеродных наночастиц для получения новых наноматериалов с заданными функциональными свойствами.

Основные планируемые результаты проекта:
1.
а) Программно-вычислительный комплекс (ПВК) для моделирования, анализа и накопления структур, электронных и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов различной конфигурации на примере фуллеренов и углеродных нанотрубок, включающий:
- программный модуль расчета координат атомов углерода в углеродных наночастицах различной структуры;
- программный модуль интерпретации и анализа данных, описывающих свойства углеродных наночастиц (плотность заряда, потенциал, молекулярные орбитали и др.), рассчитанные с помощью программы Gaussian, представленные в виде массива значений в пространственных точках;
- программный модуль визуализации функций электронной плотности, электронного потенциала и молекулярных орбиталей, рассчитанных программой Gaussian;
-) программный модуль администрирования, позволяющий осуществлять визуализацию и публикацию данных и результатов расчетов в табличном и графическом виде, в том числе сети Интернет;
- базу данных структуры и свойств углеродных наночастиц и других сорбентов.
б) результаты моделирования структуры углеродных наноструктурированных сорбентов на примере фуллеренов и УНТ различной структуры в программе Gaussian с интерпретацией результатов моделирования методами молекулярной механики, PM3, AM1, MM3, DFT и их чувствительности к допущениям, сделанным при построении модели, описанием ключевых достоинств и недостатков программного обеспечения;
в) модели электронной структуры углеродных наночастиц различной геометрии;
г) закономерности изменения сорбционных свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок при изменении их структуры, выявленные с использованием ПВК;
д) результаты экспериментального исследования сорбционных свойств углеродных наночастиц к неорганическим и органическим химическим соединениям;
е) образцы новых наноматериалов, допированных углеродными нанотрубками (эпоксидные лакокрасочные материалы, клиноптилолитовый сорбент, бионаноструктура глюкоамилаза-УНТ SiO2) с улучшенными функциональными свойствами;
ж) результаты сравнительного анализа свойств допированных и недопированных материалов;
з) описание механизма изменения эксплуатационных свойств исследуемых полимеров углеродными нанотрубками;
и) требования к алгоритмам и архитектуре ПВК и к условиям моделирования;
к) результаты сравнительной оценки данных, полученных в результате компьютерного моделирования с использованием ПВК, и теоретических данных о составе, структуре, свойствах углеродных наноструктурированных сорбентов на примере фуллеренов и углеродных нанотрубок.
2.
- Образцы лакокрасочных покрытий с углеродными нанотрубками должны обеспечивать коррозионную стойкость в растворе морской соли (ГОСТ 9.403-80), превышающую устойчивость к коррозии тех же недопированных материалов; внешний вид покрытия - по ГОСТ 9.407-84; требования к адгезии лакокрасочного покрытия - по ГОСТ 15140-78 не более 0 и 1 баллов; время высыхания до степени 3 по ГОСТ 19007-73 не более 7 часов; требования к твердости лакокрасочного покрытия по ГОСТ 5233-89 не менее 0,3; требования к вязкости по ГОСТ 25271 - по вискозиметру ВЗ-4 30 - 40 с при нанесении кистью и 18 - 22 с при нанесении краскораспылителем.
- Образцы наноструктуры глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si должны обеспечить устойчивый рост каталитической активности глюкоамилазы в наноструктуре не менее, чем в 1,5 раза по сравнению со свободной глюкоамилазой.
- Образцы клиноптилолитов с углеродными нанотрубками должны быть получены для соотношенией концентраций клиноптилолит-УНТ (1 : 1, 2 : 1,3 : 1, 1 : 2).
3. Научная новизна проекта заключается в разработке программно-вычислительного комплекса, включающего базу данных структуры и свойств углеродных наночастиц, что позволит эфеективно выбирать УНТ с необходими свойствами для решения требуемых практических задач, применения оригинального оборудования для получения нанокомпозитов, разработке оригинальных методик их получения, позволяющими получать нанокомпозиты с улучшенными функциональными свойствами.
4. Планируется, что разрабатываемые лакокрасочные материалы с углеродными нанотрубками усилят механическую прочность и обеспечат эффективную антикоррозионную защиту металлических поверхностей на уровне зарубежных лакокрасочных материалов.
5. При разработке ПВК будут разработаны алгоритмы обработки больших объемов данных с использованием возможностей графического процессора и процессоров нового поколения для достижения ускорения производительности при проведении научных расчетов без использования дорогостоящего многоядерного компьютерного оборудования. В проекте планируется разработать алгоритм визуализации пространственно определенной функции на основе построения сетки из треугольников по заданной плоскости, построения сетки из треугольников по заданной сфере, построения сетки из треугольников по заданному цилиндру, построения двух эквипотенциальных поверхностей различного по знаку значения, кратного численного интегрирования на графическом процессоре, Фурье-преобразования пространственно определенной функции на графическом процессоре, обучения нейронной сети на графическом процессоре. Разработанные алгоритмы планируется объединить в единый пакет программ для анализа структуры и свойств объектов исследования интегрированный с открытой базой данных физико-химических свойств молекулярных объектов.
Квантово-химические расчеты предполагается выполнить с помощью программы Gaussian09. Анализ моделей структуры, рассчитанной спектральной информации и электронной плотности предполагается выполнить с помощью графического редактора GaussView и графического редактора, разработанного в рамках проекта. Данный редактор позволит создавать исходные данные для Gaussian03 c помощью средств визуализации, а также анализировать полученные результаты с помощью специальных программ визуализации. При построении компьютерных моделей исследуемых систем будут использованы вычислительные возможности суперкомпьютерного центра Участника Конкурса и суперкомпьютера Ломоносов МГУ. Предложенные подходы и инструментарий позволяют построить модели структуры, репрезентативно отражающие исследуемые системы с экономичным временем их расчета.
Экпериментальное исследование адсорбционной активности углеродных наночастиц будет выполнено объемным методом (по убыли количества адсорбата в ячейке после контакта с адсорбентом) с построением изотерм адсорбции.
Экспериментальный способ равномерного распределения углеродных наночастиц в полимерных системах, применяемый в настоящей работе для получения нового эпоксидного лакокрасочного материала с УНТ, основан на методах активного диспергирования (измельчения) агломератов углеродных наночастиц в полимерной среде до получения ультрамикро- и микрогетерогенных дисперсных систем, что очень сложно в практической реализации. Авторами проекта сконструирована оригинальная диспергирующая установка, обеспечивающая более эффективное диспергирование по сравнению с существующими диспергаторами. Для достижения высокой степени дисперсности углеродных наполнителей помимо механического измельчения планируется использовать оригинальные поверхностно-активные вещества, методы химического и физического воздействия на углеродные наночастицы.
Допирование клиноптилолитового сорбента углеродными нанотрубками планируется провести двумя методами: 1 — добавлением коллоидной суспензии УНТ в реакционную смесь при автоклавном синтезе сорбента; 2 — смешением коллоидных растворов исходного чистого синтезированного минерала и УНТ. При получении коллоидных растворов и их смесей дополнительно будет использована обработка в ультразвуковой ванне (Bandelin SONOREX RK512H). Для изучения морфологии поверхности эпоксидных красок и клиноптилолитовых сорбентов, допированных углеродными нанотрубками, предполагается использовать сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3200N (Япония), имеющий энергодисперсионные приставки для элементного анализа.
Гибридные наноструктуры глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si планируется получить предварительной иммобилизацией глюкоамилазы на подложку SiO2-Si без УНТ с толщиной оксида порядка 10 нм с последующей иммобилизацией УНТ нанесением взвеси УНТ капельным методом. В качестве функционального свойства бионаноструктуры будет изучена каталитическая активность с использовался глюкозооксидазного метода и модифицированного метода Лоури. Визуализацию иммобилизованной поверхности планируется проконтролировать на атомно-силовом микроскопе SOLVER P47 производства компании NT-MDT в контактном режиме, с использованием кремниевых зондов серии CSG11S (NT–MDT) жесткостью порядка 0.03 и 0.1 H/м с радиусом закругления 10 нм.
Для части проекта, связанного с созданием программно-вычислительного комплекса риски не создать комплекс отстутсвуют.
При выполнении исследований, связанных с получением нанокомпозитов, как в любой научной работе существовует вероятность получения результатов, отличающихся от запланированных. Отсутствие рисков характерно только для хорошо отлаженных производств. Тем не менее, предватительными исследованиями авторов проекта выявлено улучшение свойств материалов, запланированных к исследованию в проекте при их модификации углеродными нанотрубками, что частично снижает риски проводимых исследований.




Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.
Разрабатываемый программно-вычислительный комплекс может быть использован на предприятиях наноиндустрии, связанных с производством и исследованием углеродных наночастиц, и нанокомпозитов с углеродными нанотрубками.
Новые лакокрасочные материалы с УНТ могут быть использованы в машиностроительной, строительной, автомобильной, оборонной промышленности. Образцы наноструктуры глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si должны обеспечить устойчивый рост каталитической активности глюкоамилазы в наноструктуре не менее, чем в 1,5 раза по сравнению со свободной глюкоамилазой, что может быть использовано в медицинской и фармацевтической промышленности.
2.
Внедрение лакокрасочных материалов в производство позволит повысить качество лакокрасочных материалов, представленных на современном рынке и усилить антикоррозионную защиту разнообразных металлических конструкций. Гибридные бионаноструктуры могут быть использованы для конструирования наносенсоров.
3.
Планируемые результаты могут быть использованы для разработки новых технологических решений на предприятих, производящих разнообразные полимеры для развития направлений улучшения их эксплуатационных свойств посредством легирования полимеров углеродными наночастицами.

Текущие результаты проекта:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, относящейся к разрабатываемой теме; анализ патентных исследований; программа расчета координат атомов углерода в углеродных нанотрубках различной структуры; модели электронной структуры углеродных наночастиц (УНЧ) различной геометрии; методика ускоренных коррозионных испытаний красок с применением метода импедансной спектроскопии; результаты исследования реакционной способности углеродных нанотрубок различных производителей к образованию гибридных бионаноструктур глюкоамилаза-УНТ-SiO2-Si и выбор наиболее реакционноспособных УНЧ; начальные рецептуры (без УНЧ) лакокрасочных материалов, методика получения и экспериментальные образцы эпоксидных лакокрасочных материалов на основе смолы Э-40.