Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0111

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0111
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является 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 в области разработки новых материалов за счет замены натурных экспериментов численными.
Программно-вычислительный комплекс должен содержать следующие модули:
1) Модуль генерации структуры сорбентов в зависимости от параметров процесса
2) Модуль компьютерного моделирования процесса адсорбции активных веществ в нанопорах сорбента
3) Модуль компьютерного моделирования процесса адсорбции газов в нанопорах сорбента
4) Модуль визуализации результатов
Актуальность и новизна исследования
Создание новых функциональных материалов для различных целей и отраслей промышленности является одним из приоритетных направлений развития современной науки. Одними из перспективных новых функциональных материалов являются наноструктурированные сорбенты (органические и неорганические аэрогели с внедренными углеродными нанотрубками), которые могут применяться как детекторы взрывоопасных и отравляющих газов, фильтрующие материалы, матрицы-носители активных веществ для фармацевтики, материалы в медицине, аэрокосмическом секторе и прочее. Аэрогели обладают уникальным сочетанием таких свойств, как высокая пористость, низкая плотность и высокая удельная площадь поверхности.
Качественный скачок вычислительной техники создал необходимые предпосылки и возможности для разработки программно-вычислительных комплексов, позволяющих ускорить как процесс создания новых функциональных материалов, так и технологии их производства за счет замены долгих и дорогостоящих экспериментальных исследований компьютерным моделированием. Использование современных технологий высокопроизводительных параллельных вычислений, таких как CUDA, OpenMP, MPI – позволяет моделировать структуры и свойства на совершенно новом уровне и с крайне высокой точностью.
Описание исследования

В ходе работы проведены экспериментальные исследования и моделирование структур углеродных наноструктурированных сорбентов на примере органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками.

Были разработаны новые математические и компьютерные модели процессов генерации структур, адсорбции твердых модельных веществ и газов, прохождения газа в порах, тепло- и электропроводности с применением таких современных методов и подходов к моделированию как MultiDLA, Монте-Карло, клеточные автоматы, решетки Больцмана и других.

По разработанным моделям были составлены алгоритмы, которые были адаптированы для возможности использования высокопроизводительных параллельных вычислений. На основе созданных алгоритмов был разработан программно-вычислительный комплекс (ПВК), который позволяет предсказывать процесс адсорбции твердых модельных веществ и модельных газов в нанопорах, а также тепло- и электропроводность органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками.

 С целью приближения результатов моделирования к условиям реальных испытаний и повышения точности расчётов в разработанном программном продукте произведён учёт параметров окружающей среды: температуры, состава газа/газов, свойств адсорбированного твердого вещества, давления.

ПВК обладает модулем визуализации результатов расчета и удобным пользовательским интерфейсом, что позволяет упростить восприятие результатов моделирования учеными-исследователями. После разработки программного комплекса было проведено его тестирование и составлена программная документация согласно ЕСПД (единая система программной документации).

Для всех математических и компьютерных моделей проверена адекватность полученным экспериментальным данным; проведены численные эксперименты и даны рекомендации по ведению процесса адсорбции в наноструктурированных сорбентах на примере органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ были получены научно-технические результаты, соответствующие мировому уровню:

1. Получены уникальные образцы органических и неорганических аэрогелей с внедренными углеродными нанотрубками. Обнаружен эффект резкого изменения электрического сопротивления неорганических аэрогелей с внедренными углеродными нанотрубками при адсорбции газов в них, что позволило разработать прототип детектора взрывоопасных и отравляющих газов. Проведены экспериментальные исследования и доказана применимость таких детекторов на примере фосгена и паров этанола.

2. Разработаны новые математические и компьютерные модели, высокопроизводительные параллельные алгоритмы и программно-вычислительный комплекс для проведения численных экспериментов и изучения структуры и свойств органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками. Стоит отметить, что в ходе выполнения ПНИ были созданы дополнительные математические модели, в связи с возникшей необходимостью моделирования тепло- и электропроводности аэрогелей при диффузии и адсорбции газов в них.

3. Получены регистрационные документы на интеллектуальную собственность (программное обеспечение). Результаты работ были апробированы на тематических международных научных конференциях и опубликованы в международных научных изданиях.

Ниже приведен полный список выполненных работ.

  • Осуществлён обзор аналитических источников. Проведены патентные исследования.
  • Проведены экспериментальные исследования по получению неорганических и органических аэрогелей, в том числе с внедрёнными углеродными нанотрубками.
  • Разработаны методики получения органических и неорганических аэрогелей с внедрёнными углеродными нанотрубками.
  • Проведены экспериментальные исследования процесса адсорбции твердых модельных веществ в порах органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедрёнными углеродными нанотрубками.
  • Изучены изменения физико-химических и электрохимических свойств органических и неорганических аэрогелей с внедрёнными углеродными нанотрубками от количества и типа адсорбированного в них газа.
  • Определено влияние параметров ведения процесса адсорбции на количество адсорбированного газа.
  • Разработаны математические модели генерации структур аэрогелей с внедрёнными углеродными нанотрубками.
  • Разработаны математические модели и алгоритмы расчета процесса адсорбции модельных газов в порах органических и неорганических аэрогелей с внедрёнными углеродными нанотрубками. Проведена адаптация разработанных алгоритмов для возможности использования параллельных вычислений.
  • Разработаны математические модели тепло- и электропроводности аэрогелей при диффузии и адсорбции газов в них.
  • Разработаны следующие модули ПВК: генерации структур органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедрёнными углеродными нанотрубками; моделирования процесса адсорбции модельных газов в порах органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедрёнными углеродными нанотрубками; модуль визуализации результатов моделирования.
  • Проведено объединение разработанных ранее модулей ПВК в единый ПВК.
  • Проведены анализ и обобщение результатов. Выданы рекомендации по ведению процесса адсорбции твердых модельных веществ и газов в органические и неорганические аэрогели, в том числе с внедрёнными углеродными нанотрубками.

Работы выполнены в полном объеме на высоком научно-техническом уровне.

Практическая значимость исследования
Полученные в результате выполнения ПНИ научно-технические результаты обладают высокой практической значимостью:
1. Разработанные прототипы детекторов взрывоопасных (пары этанола) и отравляющих (фосген) газов по техническим характеристикам не уступают имеющимся на рынке аналогам, но превосходят их по эксплуатационным и ценовым показателям.
2. Разработанный программный комплекс позволяет значительно снизить затраты на разработку новых функциональных наноматериалов и анализ их свойств. Кроме этого, программный комплекс может быть использован для обучения студентов высших учебных заведений новым современным дисциплинам (наноматериалы, наноинженерия и др.)
3. Полученные в ходе экспериментальных работ результаты, позволяют создать большой задел для проведения дальнейших исследований аэрогелей для различного применения. Созданные аэрогели могут применяться в таких отраслях промышленности как: фармацевтическая, производство средств защиты от токсичных газов (противогазы), производство теплоизолирующих материалов, аэрокосмическая отрасль, энергетика и другие.
Постер

poster 2016.ppt