Разработка технологий компьютерного моделирования наноструктурных систем

Разработано математическое и программное обеспечения на основе молекулярной динамики и динамики частиц для описания и анализа микроскопических свойств материалов; проведены тестовые компьютерные экспериментов по моделированию динамических процессов в конденсированном веществе.
Проведена оптимизация алгоритмов метода частиц, направленная на проведение расчетов систем содержащих более миллиона частиц при дальнодействующих потенциалах и более миллиарда при близкодействующих потенциалах взаимодействия. В частности, произведены следующие изменения. Классический алгоритм Барнса-Хата заменен на алгоритм с двойной рекурсией по ячейкам. Введена “константа балансировки”; для быстрого доступа к ячейкам любого уровня иерархии используется хэш-таблица; запросы на пересылку ячеек и частиц формируются на стадии инициализации, используя предварительный критерий; реализован алгоритм динамического перераспределения памяти под ячейки; реализована возможность задания произвольного распределения ячеек субдоменного уровня по процессам. Новые дополнительные возможности: введен адаптивный шаг по времени; возможность продолжения расчетов после остановки программы; возможность измерения среднего времени работы на шаге отдельных участков кода.
Разработанный пакет программ использовался для решения следующих прикладных задач.
  Изменение внутренней структуры материала и возникновении внутренних напряжений при сильном тепловом воздействии, неравномерном по одной из пространственных координат. В качестве исходного материала используется идеальный кристалл из частиц взаимодействующий посредством потенциала Леннарда-Джонса. Показано, что характеристики внутренней структуры существенно зависят от скорости охлаждения материала, проанализировано влияние характера теплового воздействия и дефектов внутренней структуры на остаточные напряжения в материале
  Исследование механических свойств наноструктур методом молекулярной динамики, определение упругих и прочностных свойств углеродных нанотрубок. Проведены компьютерные эксперименты по одноосному деформированию нанотрубок. Исследована зависимость модуля Юнга от радиуса, высоты и хиральности. Рассмотрено одноосное сжатие нанотрубок.

1. Исследовано изменение внутренней структуры материала и возникновении внутренних напряжений при сильном тепловом воздействии, неравномерном по одной из пространственных координат. В качестве исходного материала используется идеальный кристалл из частиц взаимодействующий посредством потенциала Леннарда-Джонса. Показано, что характеристики внутренней структуры существенно зависят от скорости охлаждения материала, проанализировано влияние характера теплового воздействия и дефектов внутренней структуры на остаточные напряжения в материале
2. Проведено исследование механических свойств наноструктур методом молекулярной динамики, определение упругих и прочностных свойств углеродных нанотрубок. Проведены компьютерные эксперименты по одноосному деформированию нанотрубок. Исследована зависимость модуля Юнга от радиуса, высоты и хиральности. Рассмотрено одноосное сжатие нанотрубок.
3. Исследованы процессы образования и эволюции диффузионных наноструктур на поверхности кремния. Описывается компьютерная модель, позволяющая рассчитывать поведение кристалла кремния, имеющего атомную решетку структуры алмаза. Приведены результаты численных экспериментов: нагрев кристалла с измерением кинетической и полной энергий, нагрев кристалла с свободной поверхностью 1,0,0, поведение атома на поверхности 1,1,1 и моделирование диффузии атомов на поверхности 1,1,1.
4. Проведены компьютерные эксперименты по сильному деформированию и разрушению и исследованию влияния масштабного фактора на прочностные характеристики наноструктур.