Слышали ли вы о нанотехнологиях? Я думаю, да, и неоднократно. Нанотехнологии — высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека.
Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. С помощью нанотехнологий можно осваивать космос, очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Не исключено, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества.
Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, но все же не столь далек от нас. Наноматериалы и наноустройства характеризуются многокомпонентностью и сложной иерархической организацией, охватывающей очень широкий диапазон пространственных и временных масштабов. Для них отсутствует полное математическое описание, вследствие чего невозможна алгоритмизация их поведения. Поэтому для предсказания макроскопических (потребительских) свойств наноструктурированных объектов требуется иерархический, т.е. многомасштабный подход.
Сейчас существует несколько программ, которые помогают нам понять, что происходит в наномире. Программы предназначены для обучения основным принципам компьютерного моделирования наноструктур и наноматериалов.
Цель курсовой работы – выявить особенности использования программы «Наноконструктор», а также выяснить насколько эффективно использование программы в учебном процессе.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить программу «Наноконструктор».
2. Выявить особенности использования программы.
3. Обосновать и экспериментально проверить режимы программы «Наноконструктор».
Объектом данной курсовой работы являются – режимы программы «Наноконструктор».
Предмет данной курсовой работы – программа «Наноконструктор» и ее использование в учебном процессе.
Правила формирования структуры курсовой/дипломной работы
... -технологий). Все курсовые и дипломные работы подлежат обязательной проверке на плагиат, поэтому на кафедру в определенные сроки необходимо предоставить электронный вариант проекта (уже в готовом, оформленном виде!). Создание структуры курсовой или дипломной работы ...
Курсовая работа состоит из введения, десяти параграфов, объединенных в две главы, заключения, списка литературы.
1. Моделирование в нанотехнологиях
1.1. Программа для моделирования — «Наноконструктор»
Предсказательное моделирование – это необходимый инструмент для нанотехнологий. Моделирование в нанотехнологиях позволяет не только значительно сократить расходы на дорогостоящие экспериментальные исследования и измерения, но зачастую получить данные, которые вообще невозможно получить экспериментально.
Программа «Наноконструктор» предназначена для обучения пользователей основным принципам компьютерного моделирования наноструктур и наноматериалов, закономерностям образования наноструктур в зависимости от физических параметров. Используя различные режимы работы программы, пользователи получают навыки конструирования различных типов наноструктур и наноматериалов; моделирования процессов, происходящих на наноуровне; сравнительного анализа изменений строения наноструктур в зависимости от параметров внешней среды.
Комплекс предназначен для использования в учебном процессе высших учебных заведений для поддержки отдельных образовательных программ, НИРС, проведения дистанционного обучения, а также в качестве виртуального лабораторного практикума по нанотехнологиям. Комплекс представляет собой платформу с веб-интерфейсом, в которую интегрированы программы и визуализаторы, предназначенные для моделирования и расчета физико-химических свойств, структур и процессов, происходящих на наноуровне.
1.2. Как работает «Наноконструктор»
1.2.1 Построение модели наноструктуры
Рассмотрим интерфейс программы «Наноконструктор» (рис. 1).
Создание трехмерной модели наноструктуры производится в главном окне программы. Окно содержит: 1- панель кнопок выбора режима работы; 2 — панель управления входными параметрами структуры; 3 – окно визуализации модели; 4 — управляющие кнопки для запуска моделирования и очистки сцены.
Рис. 1. Интерфейс главного окна программы «Наноконструктор».
Для каждого режима работы программы предусмотрены различные измерения. Результаты измерений отображаются в специальном окне в виде графика (рис.2).
Рис. 2. Окно графика плотности структуры по высоте.
1. Выберите режим работы на верхней панели программы.
Рис. 3. Пример выбора режима «Конструктор нанопорошков».
2. Задайте необходимые параметры модели структуры.
Рис. 4. Пример настройки параметров нанопорошка.
Моделирование сложных систем
... программы моделей для исследования сложных систем. Специализированные языки моделирования делят на три группы, соответствующие видам имитации: для непрерывных, дискретных и комбинированных процессов. Научно-технический ... модели-модели чувств, эмоций, либо модели, оказывающие влияние на органы чувств человека. Концептуальная модель-это абстрактная модель, определяющая структуру моделируемой системы, ...
3. Постройте трехмерную модели структуры, нажав кнопку Старт. В окне визуализации произойдет динамический процесс формирования структуры с заданными параметрами.
Рис. 5. Окно визуализации модели.
Для выбранного примера были заданы следующие входные параметры: количество частиц в одной «порции» — 200; цвет частиц — (0;0;255); размер частиц -15 нм; распределение размеров частиц — нормальное; тип бункера – цилиндр.
Результаты моделирования можно сохранить на жестком диске или иных носителях в следующих форматах.
Тип объекта Расширение
Скриншот *.bmp
Модель *. Ncm
График *.bmp
Таблица 1. Окно сохранения результатов моделирования
Результаты моделирования наноструктур для дальнейшего анализа могут экспортироваться в другие приложения.
2. Примеры работы программы «Наноконструктор»
Предназначен для моделирования наноструктур из набора готовых шаблонов (нанотрубка, графит, фуллерен, нанопластинка).
Пользователь может менять параметры структуры, а также тип бункера, в котором происходит взаимодействие наночастиц. Предусмотрена возможность перемещения наночастиц для оценки силы взаимодействия между ними.
Рис. 6. Окно визуализации модели
Генерация различных типов наночастиц (нанотрубка, графит, фуллерен, нанопластинка) в цилиндрическом прозрачном бункере. Варьирование размеров структуры (диаметра, длины) и числа слоев структуры
Рис. 7. Режим перетаскивания, на примере перемещения двухслойной нанопластинки.
2.2. Режим работы «Тонкая пленка»
Предназначен для конструирования наноструктурных тонких пленок и моделирования механического воздействия на них (процесс прессования).
Рис. 8. Моделирование тонкой пленки, состоящей из 3-х типов частиц
в Х-образном бункере.
Рис. 9. Режим поверхность – переход к модели поверхности тела.
2.3. Режим работы «Моделирование самоорганизации в капле»
Предназначен для моделирования процесса самоорганизации наночастиц в испаряющейся капле растворителя. Пользователь получает возможность оценить влияние размеров капли, размеров и количества частиц на степень регулярности получаемой структуры.
Рис. 10.
Моделирование образования регулярной структуры наночастиц при испарении капли раствора. Параметры моделирования: количество частиц в одной «порции» -196; цвет частиц — (255;0;0); размер частиц – 108 нм; размер капли 16; температура 100°С; нормальное распределение частиц; цилиндрический бункер
Рис. 11. Результат самоорганизации наноструктуры.
Компьютерное моделирование
... курсовой работы: изучить основные понятия о компьютерном моделировании; систематизировать материал по компьютерному моделированию в области физики; рассмотреть компьютерное моделирование на примере решения конкретных задач. Структура курсовой работы. Курсовая работа ... частиц друг с другом. Сегодня эти методы успешно применяют в физике твердого тела, в физике фазовых переходов. При помощи этих методов ...
Рис. 12. Поверхность наноструктуры после самоорганизации.
Предназначен для моделирования структуры одно- и многокомпонентных порошков.
Рис. 13.
Параметры моделирования двухкомпонентного порошка в коническом бункере: для 1 компонента — количество частиц в одной «порции» -153; цвет частиц — (128;255;0); размер частиц – 129 нм; число «порций» засыпки — 5; для 2 компонента — количество частиц в одной «порции» — 175; цвет частиц — (255;255;0); размер частиц – 160 нм; распределение частиц по размерам — нормальное; число «порций» засыпки — 5
2.5. Режим работы «Моделирование наноматериалов»
Предназначен для моделирования структуры наноматериалов, образующихся в результате спекания нанопорошков, и изучения влияния температуры спекания и давления на параметры структуры наноматериала. Исходной структурой для моделирования служит модель , созданная в режиме «Конструктор нанопорошков».
Рис. 14. Моделирование процесса спекания нанопорошка, температура 542°С.
Рис. 15. Модель структуры наноматериала, образованного спеканием нанопорошка.
Рис. 16. Модель структуры наноматериала после прессования, давление 130 кПа.
2.6. Режим работы «Моделирование ионного пучка»
Предназначен для моделирования воздействия ионного пучка на структуру наноматериалов, Исходной структурой для моделирования служит модель , созданная в режиме «Моделирование наноматериалов».
Рис. 17. Режим прицеливания.
Рис. 18. Моделирование ионного облучения наноматериала, энергия пучка 74 МЭв.
2.7. Режим работы «Моделирование диффузии газа»
Предназначен для моделирования диффузии различных газов (кислорода, углекислого газа, метана, никотина) через структуру наноструктурированной мембраны и изучения влияния температуры и концентрации газа на процесс диффузии. Исходной структурой для моделирования служит модель , созданная в режиме «Моделирование наноматериалов».
Рис. 19. Моделирование диффузии кислорода через двухкомпонентный наноматериал.
Рис. 20. Моделирование диффузии кислорода и углекислого газа через двухкомпонентный наноматериал, температура 300°С.
Рис. 21. Моделирование диффузии метана через однокомпонентный наноматериал, температура 197°С.
Рис. 22. Моделирование диффузии метана и никотина через однокомпонентный наноматериал, температура 79°С.
Вывод
Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой сфере, а развитие отрасли изменит жизнь человечества.
Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.
Диффузия в живой и неживой природе
... Различают диффузию и самодиффузию. Диффузией называется самопроизвольное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества . При этом происходит перемешивание частиц. Диффузия наблюдается для газов, жидкостей и твердых тел. Например, капелька чернил перемешивается в стакане ...
Большие перспективы несут в себе и большие опасности. В этом отношении человек должен с максимальной осторожностью отнестись к небывалым возможностям нанотехнологий, направляя свои исследования на мирные цели. В противном случае он может подставить под удар свое собственное существование.
На сегодняшний день существует несколько программ, которые помогают нам избежать трагических последствий в наномире. В данной курсовой работе была рассмотрена одна из таких программ – «Наноконструктор».
Программа «Наноконструктор» предназначена для обучения пользователей основным принципам компьютерного моделирования наноматериалов, закономерностям образования наноструктур в зависимости от физических параметров. С помощью режимов программы пользователи могут конструировать различные типы наноструктур и наноматериалов, что позволяет наблюдать процессы взаимодействия на наноуровне.
Эта программа может помочь школьникам и студентам визуализировать происходящее взаимодействие частиц в наномире. При помощи этой программы учащиеся могут смоделировать процессы наномира.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/kompyuternoe-modelirovanie-nanomaterialov-nanoustroystv-i-nanotehnologiy/
1. http://studopedia.info/9-31600.html
2.
3. http://blog.prostorobot.ru/robots_and_microelectronics/2014/12/31/nano-konstruktor-cepi-rezistory-i-diody.html
4. http:// /publ/prezentacii/prezentacija_programmy_nanokonstruktor/6-1-0-415
