CC BY
7УДК 001.8
Буторина А.А.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
(Россия, г. Москва)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ И
ФИЗИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В МИКРО- И НАНОМАСШТАБЕ
Аннотация: в данной статье рассматриваются актуальность использования моделирования протекания химических и физических реакций в микро- и наномасштабе. Примером моделирования стала модель напряженно-деформированных наноматериалов, в результате которых были составлены алгоритмы для одноосного сжатия монокристалла и моделирования одноосной растягивающей нагрузки монокристалла.
Ключевые слова: моделирование, математическая модель, наноматериалы, визуализация.
Актуальность моделирования процесса протекания химических и физических реакций в микро- и наномасштабе обусловлена значимостью нанотехнологий в мировом обществе и влиянием нанотехнологий на развитие будущего.
Основная проблема проведения исследований заключается в большом количестве проведения экспериментов и их общей стоимости. Для оптимизации используется метод математического моделирования.
Компьютерные эксперименты играют очень важную роль в науке. В реальном физическом эксперименте проводится измерение характеристик изучаемой системы и получаются результаты, выраженные в числовой форме. В теории модель системы строится обычно в форме набора математических уравнений, а затем проверяется способность модели описывать поведение системы на нескольких выбранных вариантах реализации модели, достаточно простых, чтобы позволить найти решение уравнений. Во многих случаях это
подразумевает значительное количество упрощений, чтобы устранить все сложности, связанные с проблемами реальной среды, и сделать задачу решаемой.
Одним из главных проблем развития нанотехнологий является сложность проведения экспериментов, ведь на наноуровне трудно контролировать процессы, протекающие в различных веществах. Именно из-за этого моделирование наноструктур необходимо для продвижения изучения данной области, ведь при моделировании упрощается проведение экспериментов и визуального представления протекающих процессов [2].
Цель исследований сводится к созданию шаблонного кода программно-инструментального комплекса для моделирования требуемого эксперимента. В данной работе разработана модель напряженно-деформированных наноматериалов.
В работе были применены аналитические и имитационные методы моделирования. В работе применялся программный комплекс ЬЛММРБ, который помогает объединить уравнения движения Ньютона для собраний атомов, молекул или макроскопических частиц, которые взаимодействуют с силами и с различными начальными и граничными условиями [4]. А для визуализации и анализа данных применялось программное обеспечение ОУ1ТО [1]. Также для построения модели использовалась база данных потенциалов [3].
Результатом исследования стали стандартные коды для некоторых алгоритмов, таких как одноосное сжатие монокристалла и моделирование одноосной растягивающей нагрузки монокристалла, которая привела к разрыву.
На рисунке 1 показана сжимающая деформация монокристалла меди. Из рисунка 1 а) можно увидеть, что все атомы кристалла одного цвета, из чего можно сделать вывод, что монокристалл близок к идеальной структуре решетки, в которой находится каждый атом. Таким образом, зеленые атомы имеют симметрию около нуля, что по существу означает то, что они находятся почти в идеальной кристаллической структуре, следовательно, все атомы вокруг находятся на правильных местах. Кроме того, на рисунке 1 Ь) видны очень
высокие значения параметра центросимметрии, это синий и красный цвета, которые указывают на дислокацию, и можно заметить, что они находятся в разных конкретных плоскостях.
Рис. 1. Сжимающая деформация монокристалла: а) Начальная стадия деформации монокристалла меди; Ь) Сжимающая деформация монокристалла меди.
На рисунке 2 показана моделирование одноосной растягивающей нагрузки и разрыв монокристалла меди, ориентированной по оси х.
Рис. 2. Разрыв кристаллической решетки монокристалла: а) Начальная стадия разрыва монокристалла меди; Ь) Момент разрыва кристаллической решетки
монокристалла меди.
Данные исследования можно использовать при изучении свойств монокристаллов различных элементов, что применимо, например, для демонстрации физических явлений, таких как деформация наноматериалов.
Очень важно, что компьютерное моделирование позволяет реализовать «мысленные эксперименты», которые невозможно выполнить в действительности, но результаты которых углубляют наше понимание физических явлений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Международный научный журнал «Вестник науки» // г. Тольятти. ISSN 27128849 // Электронный ресурс: https: //вестник-науки .рф/home Scientific visualization and analysis software for atomistic simulation data [Электронный ресурс]. URL: https://ovito.org/index.php (дата обращения 27.03.2021).
А.А. Селезенев. Основы метода молекулярной динамики: Учебно-методическое пособие: - Саров. СарФТИ, 2017. - 72 с.
База данных для потенциалов [Электронный ресурс]. URL: http://www.ctcms.nist.gov/potentials (дата обращения 26.02.2021). Общие команды [Электронный ресурс]. URL:
https://lammps.sandia.gov/doc/Commands_all.html (дата обращения 28.02.2021).
Butorina A.A.
National Research Nuclear University (Moscow, Russia)
SIMULATION OF THE PROCESS OF CHEMICAL AND PHYSICAL REACTIONS AT THE MICRO-AND NANOSCALE
Abstract: this article discusses the relevance of the use of modeling the flow of chemical and physical reactions at the micro-and nanoscale. An example of modeling was the model of stress-strain nanomaterials, which resulted in algorithms for uniaxial compression of a single crystal and modeling of the uniaxial tensile load of a single crystal.
Keywords: modeling, mathematical model, nanomaterials, visualization.
