Введение к работе
Актуальность темы. Вопросу формирования однородных нанодисперсных смесей из наночастиц и других наноэлементов для изготовления из них нано-композитов с однородными и стабильными по объему материала характеристиками уделяется значительный интерес. Это объясняется тем, что физико-механические, химические и другие свойства наночастиц сильно и, как правило, нелинейно зависят от размера наночастиц и даже небольшое локальное изменение дисперсности или состава компонентов нанокомпозита приводит к существенному изменению макроскопических физико-механических характеристик. Например, результаты Galfetti L. et al. показывают, что добавка наноалюминия в твердое ракетное топливо заметно увеличивает скорость его горения. Однако, неравномерное распределение наночастиц, и существенное изменение их среднего размера в различных областях заряда, может привести к нестабильной работе ракетного двигателя. Левашов Е.А., Королев Е.В. и др. исследовали применение нанокомпозитов с высокой удельной прочностью для энергомашиностроении, авиационной и космической промышленности. Для данных материалов необходимо обеспечить однородные и стабильные по объему материала характеристики, так как даже небольшая вариация состава, в какой либо локальной области, может привести к резкому уменьшению механических характеристик нанокомпозита, обусловить появление нанодефектов при эксплуатационных нагрузках и значительно уменьшить надежность изделий из нанокомпозитов.
Существуют два способа получения однородных композиционных материалов: перемешиванием различных наночастиц, образованных одинаковыми атомами или молекулами, и формированием из композиционных наночастиц, состоящих из атомов и молекул разных материалов. В первом случае заданные свойства и необходимая функциональность композита обеспечивается за счет равномерного распределения наночастиц различного типа по объему материала. При использовании второго способа свойства композита определяются характеристиками и параметрами самих композиционных наночастиц. Перемешиванию однотипных наночастиц препятствует их агломерация, вследствие чего применение первого способа получения композиционных материалов ограничено, и вопросы создания смесей из композиционных наночастиц являются актуальными. Кроме того, композиционные наночастицы применяются не только для получения однородных смесей, но и для самостоятельного использования. Следует отметить, что исследование перемешивания наночастиц экспериментальными методами является дорогостоящей и трудоемкой задачей. В связи с этим использование методов математического моделирования является актуальным. Построению теоретических моделей данной комплексной задачи, включающей исследование процессов формирования наночастиц, их движения и взаимодействия, посвящены работы академика Липанова A.M., академика Алфимова М.В., профессоров Вахрушева А.В., Кривцова A.M. и др. Тем не менее, теоретические и практические аспекты процессов формирования композиционных наночастиц заданного размера и состава, а также их перемешивания изучены недостаточно.
Объектом исследования являются процессы формирования и движения композиционных наночастиц.
Предметом исследования являются: математические методы решения уравнений движения атомов, молекул и наночастиц, программные средства моделирования наносистем; численные алгоритмы расчёта процессов формирования, движения, перемешивания и слияния наночастиц.
Цель работы заключается в численном исследовании процессов формирования, движения, перемешивания и слияния наночастиц.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель процессов формирования, движения, перемешивания и слияния композиционных наночастиц;
на основе численных алгоритмов создать проблемно-ориентированный программный комплекс, реализующий указанные выше модели;
провести вычислительные эксперименты по моделированию формирования композиционных металлических наночастиц при различных составах исходных металлов и выявить влияние начальных параметров наносистемы на состав, форму, количество наночастиц;
численно исследовать процессы формирования композиционных наночастиц, используемых для подпитки урожайных культур, определить влияние добавки атомов серебра в газовую смесь на свойства и процессы формирования наночастиц.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, вычислительной математики и технологии программирования. Проблемно-ориентированный программный комплекс разработан на основе языков программирования C++, Pascal, tcl.
Достоверность полученных научных результатов моделирования подтверждается адекватной постановкой задачи и выбором корректной математической модели. Проведенные тестовые расчеты показали хорошую согласованность результатов моделирования с ранее известными теоретическими и экспериментальными данными. Использованные математические модели и численные алгоритмы базируются на методах системного анализа, вычислительной математики, теории вероятностей и дифференциальных уравнений.
На защиту выносятся:
математическая модель для решения задачи формирования композиционных наночастиц, объединяющая аппараты квантовой механики, молекулярной динамики и метод движения частиц;
проблемно-ориентированный программный комплекс, состоящий из блока подготовки начальных данных, вычислительного модуля и модуля анализа и визуализации;
комплексные численные исследования формирования композиционных металлических наночастиц, показывающие возможность создания наночастиц различной структуры;
исследование формирования композиционных наночастиц, используемых для подпитки урожайных культур, результаты влияния добавки атомов серебра в газовую смесь на процессы формирования и свойства наночастиц, применяемых для подпитки урожайных культур.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
разработана математическая модель формирования композиционных нано-частиц в газовой среде, в отличие от существующих моделей дополненная методом движения частиц и описывающая поведение наносистемы при определении равновесных конфигураций исходных молекул, конденсации атомов и молекул в наночастицы, движении, перемешивании и слиянии наночастиц;
показано, что структура наночастиц зависит от исходного композиционного состава, при этом из атомов серебра и цинка формируются слоистые наночастицы, а из атомов серебра и меди наночастицы с равномерным по объему распределением данных атомов;
на основе разработанной модели решена задача формирования композиционных наночастиц с заданными свойствами, используемых для подпитки урожайных культур из газовой фазы; исследовано влияние добавки атомов серебра в газовую смесь на процессы формирования и состав композиционных указанных наночастиц.
Практическая полезность. В работе создан проблемно-ориентированный программный комплекс, позволяющий осуществлять комплексное математическое моделирование формирования наночастиц в газовой среде. Использование программного комплекса позволяет детально исследовать свойства композиционных наночастиц, начиная от формирования структуры молекул композиционных материалов и заканчивая внутренним строением и параметрами наночастиц. При помощи проблемно-ориентированного программного комплекса, реализованного в работе, и компьютерного моделирования получены результаты расчетов свойств композиционных наночастиц, используемых для подпитки урожайных культур. Ценность описанной математической модели заключается в возможности исследования свойств новых композиционных материалов, прогнозировании их свойств.
Работа была реализована в рамках госбюджетной научно-исследовательской темы государственный регистрационный номер 01200609787, осуществлённой Институтом прикладной механики УрО РАН.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и представлялись на следующих российских и международных конференциях: всероссийской школе-семинаре КоМУ-2005 «Нанотех-нологии и наноматериалы» (Ижевск, 2005), всероссийской научной VI конференции молодых ученых «КоМУ-2006» (Ижевск, 2006), школе-конференции молодых ученых «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (Чайковский, 2006), международной молодежной научной конференции «XXXIII Гагаринские чтения» (Москва, 2007), международной научной конференции НПМ-2007 «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2007), XVI всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов, посвященной 15-летию кафедры ММСП ПГТУ «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2007), всероссийской конференция молодых ученых «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники»
(Чайковский, 2007), всероссийской научной конференции с международным интернет участием Nanoizh-2007 «От наноструктур, наноматериалов и нанотех-нологий к наноиндустрии» (Ижевск, 2007).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 научных работах, среди них 2 статьи, 8 тезисов докладов материалов конференций, 1 патент на изобретение. Автор имеет 2 научных труда в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 153 страницы, среди них 101 рисунок и 8 таблиц, пронумерованных по главам. Список литературы содержит 112 наименований.
Ч '* л^-".' .". V*.*'
-. \ ЛІ*>. v"5 '-«JV
' Ч..Ї.' " " -?. ":V- i'VV
1 ^ 2
Рис. 1. Схема расчетной области: 1 - размеры периодической ячейки, 2 - атомы, молекулы и сформировавшиеся наночастицы, 3 - грани периодической ячейки
