Комплекс для компьютерного моделирования физико-химических свойств органических матричных нанокомпозитов

Назначение - Комплекс предназначен для решения задачи предсказательного моделирования влияния функционализации наполнителей в органической матрице на микроструктуру нанокомпозита и на его структурные, механические, электрические, теплофизические, диффузионные и оптические свойства.

Область применения - Комплекс рассчитан на проектирование материалов с заданными свойствами и может найти применение для создания новых материалов в таких отраслях промышленности, как самолетостроение, автомобилестроение и кораблестроение.

Используемый алгоритм - Главной задачей комплекса является многоуровневое моделирование физико-химических свойств органических матричных нанокомпозитов в зависимости от функционализации материала наполнителей и проектирование указанных материалов. Комплекс обеспечивает возможность прогнозировать структурные, механические, оптические, электрические и термофизические свойства органических нанокомпозитных материалов, что позволяет оптимизировать условия производства промышленно важных органических нанокомпозитных материалов за счет выбора оптимальных функционализации и диспергирования наночастиц-наполнителей. Комплекс позволяет проводить многомасштабные исследования матричных нанокомпозитов на основе набора вычислительных модулей на каждом уровне моделирования с использованием высокопроизводительных суперкомпьютерных ресурсов. Для этого комплекс построен на основе клиент-серверной архитектуры, позволяющей использовать распределенные вычислительные ресурсы. Программный комплекс позволяет реализовать сопряжение результатов в цепочке "квантовая механика - атомистическое моделирование -мезоскопическое описание - теория сплошных сред – макроскопические свойства композитов". Сопряжение происходит при помощи интегрированного рабочего стола, позволяющего задавать и управлять цепочками передачи данных при исследовании. Такая цепочка моделирования полимерных композитных материалов является уникальной и до сих пор не была реализована ни в одном программном продукте. Комплекс обеспечивает ассимиляцию результатов расчета при помощи иерархической базы данных, которая может хранить как основные результаты моделирования, так и данные экспериментальных исследований нанокомпозитных материалов. База данных позволяет проводить совместные исследования распределенной группой разработчиков.

Комплекс обеспечивает возможности:
- прогнозировать структурные, механические, оптические, электрические и термофизические свойства органических матричных нанокомпозитных материалов в зависимости от функционализации материала наполнителей при помощи многомасштабных (сквозных) расчетов,
- моделировать полимерные нанокомпозиты со сшитой и несшитой матрицей,
- автоматически контролировать сценарий исполнения составного приложения,
- сохранять результаты расчетов и имеющиеся экспериментальные данные по структурные, механические, оптические, электрические и термофизические свойства органических нанокомпозитных материалов,
- визуализировать результаты расчетов при помощи графических инструментов,
- использовать распределённые вычислительные ресурсы,
- проводить совместные исследования по расчету свойств органических нанокомпозитных материалов.
Комплекс состоит из следующих компонент:

1. Молекулярный конструктор
2. Конструктор мезоструктуры
3. Конструктор макроэксперимента
4. Редактор входных параметров расчетных модулей
5. Молекулярный визуализатор
6. Визуализатор мезоструктуры
7. Визуализатор 2D и 3D полей
8. Визуализатор одномерных зависимостей
9. Редактор базы данных
10. Блок обмена данными
11. Блок импорта данных из внешних программ
12. Система хранения результатов расчетов
13. База данных
14. Модуль расчета атомистической структуры и энергий связи интерфейса неорганический наполнитель-органическая матрица
15. Модуль расчета микромеханических свойств эквивалентной континуальной модели нанонаполнителя в органической матрице на атомистическом и мезоскопическом уровне
16. Модуль атомистического расчета электрических свойств неорганического наполнителя, функционализированного в органической матрице, а также интерфейсного сопротивления между наполнителями
17. Модуль атомистического расчета теплопроводности неорганического наполнителя, функционализированного в органической матрице, а также интерфейсного теплосопротивления между наполнителями
18. Модуль атомистического расчета оптических свойств неорганического наполнителя, функционализированного в органической матрице
19. Модуль атомистического расчета диффузионных свойств малых молекул в органической матрице, а также вблизи диспергированного неорганического наполнителя
20. Модуль расчета статистической микроструктуры органического матричного нанокомпозита
21. Модуль расчета механических свойств нанокомпозитного материала на макроуровне
22. Модуль расчета электрических свойств нанокомпозитного материала на макроуровне
23. Модуль расчета теплопроводности нанокомпозитного материала на макроуровне
24. Модуль расчета оптических свойств нанокомпозитного материала на макроуровне
25. Модуль расчета транспортных диффузионных свойств нанокомпозитного материала на макроуровне

Алгоритм работы комплекса основан на концепции Scientific Workflow, позволяющей организовывать сценарии передачи данных между различными независимыми научными приложениями. Данная концепция позволяет автоматизировать выполнение серии вычислительных процедур и процедур обработки данных для проведения научных исследований. В рамках этой концепции можно организовывать передачу разнородных данных между счетными модулями, необходимую для проведения многомасштабных исследований. Для этого необходимо определить сценарий передачи данных и их обработки между счетными модулями с разных уровней для многомасштабного расчета определенного физического свойства. С этой целью в комплексе используется графический редактор сценариев (рабочий стол), который обеспечивает работу со сценариями многоуровневого моделирования, эффективный доступ к данным и обмен ими, а также доступ ко всем вычислительным моделям. Элементами Scientific Workflow в комплексе являются все счетные модули, конструкторы структур, система хранения данных и визуализаторы. Соответственно, сценарии передачи данных определяют взаимосвязь и поток данных между ними.
Для реализации алгоритмов Scientific Workflow в Комплексе определены основные группы передаваемых данных, которые могут участвовать в передаче между счетными модулями, конструкторами и редакторами Комплекса:
1. DielectricDataType
2. ElectricalDataType
3. OpticalDataType
4. MechanicalDataType
5. DiffusionDataType
6. ThermalConductivityDataType
7. MicrostructureDataType
8. MesostructureDataType
Каждый счетный модуль может получать на вход одну или несколько групп передаваемых данных, создавая в результате своей работы новые данные одной из этих групп. На основе групп передаваемых данных построена система хранения и обмена данных для моделирования в области органических матричных нанокомпозитов. Основными объектами этой системе хранения данных являются молекулы, полимеры, наполнители и композиты, которые могут иметь свойства из указанных выше групп. Система хранения данных основана на реляционной базе данных, обеспечивающей удаленный доступ к хранимой информации. При помощи этой системы хранения данных возможна коллективная распределенная работа в рамках совместного исследовательского проекта. Алгоритм связи модулей в программном комплексе основан на потоке данных между расчетными уровнями. Основной поток данных в программном комплексе направлен от атомистического уровня к более высоким макроскопическим уровням. При этом для расчета на самом верхнем (макроскопическом) уровне физических свойств органических матричных нанокомпозитов необходимо знать
1. Структуру нанокомпозита на масштабе не меньше размера наполнителя
2. Физические свойства наполнителя
3. Физические свойства интерфейса наполнитель-полимерная матрица.
Потоки данных в программном комплексе направлены на передачу соответствующих данных от микроскопических уровней к макроскопическим уровням. Один из основных потоков данных связан с передачей данных о структуре нанокомпозита. На самом нижнем уровне этот поток данных начинается с атомистического расчета свойств полимерной матрицы и интерфейса наполнитель / полимерная матрица. Для этого будет использован модуль расчета структуры на атомистическом уровне на основе молекулярной динамики ,реализованной в программах Puma и MD-kMC, использующие эмпирические потенциалы для межатомного взаимодействия. Параметры эмпирических потенциалов для всех основных типов полимеров берутся из базы данных программного комплекса. При необходимости величины зарядов атомов для полимеров могут уточняться при помощи неэмпирических методов квантовой химии. Входными данными для модуля атомистического моделирования структуры нанокомпозита являются структура мономера полимера, плотность полимера, атомистическая структура элемента наполнителя. Атомистическая структура наполнителя будет импортироваться из базы данных комплекса или создаваться при помощи молекулярного конструктора. С использованием атомистического метода молекулярной динамики можно смоделировать атомистическую структуру для пограничного слоя между полимерной матрицей и одним объектом наполнителя. Генерация структуры полимера будет осуществляться при помощи моделирования процесса полимеризации между мономерными единицами при заданной структуре наполнителя (с использованием модуля генерирования нерегулярных густо- и редко-сшитых сеток с наполнителем - CLCC и программы MD-kMC). Выходными данными молекулярно-динамического моделирования структуры нанокомпозита являются структура полимера на интерфейсе матрица / наполнитель, а также энергетические характеристики данного интерфейса. Эти параметры передаются в модули расчета физических свойств нанокомпозита на атомистическом уровне, а также на мезоскопический уровень в модуль расчета структуры на мезоуровне на основе метода диссипативной динамики частиц (DPD). Кроме того, метод молекулярной динамики будет использован для генерации структуры полимера в контакте между двумя объектами наполнителя. Сгенерированная структура на контакте будет передаваться для расчета контактных тепло- и электро- сопротивлений. Генерирование структуры нанокомпозита на мезоуровне (для системы с размерами порядка размера наполнителя) будет осуществляться с помощью конструктора структур на мезоуровне. Конструктор структуры нанокомпозита на мезоуровне осуществляет стохастическое распределение наполнителя в полимерной матрице в соответствии с заданным распределением параметров наполнителя. Полученная структура может использоваться как входная для модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц (DPD). Параметры метода динамики диссипативных частиц берутся из базы данных программного комплекса и могут подстраиваться на основе атомистических расчетов свойств интерфейса наполнитель / матрица. Механические свойства репрезентативного элемента нанокомпозита, содержащего одну единицу наполнителя и прилегающего слоя полимера, будут рассчитываться при помощи модуля расчета механических свойств нанокомпозита на атомистическом уровне на основе программы PUMA. Для вычисления упругих констант репрезентативного элемента наполнителя будут использоваться метод пошаговой деформации или метод равновесной молекулярной динамики. В первом случае проводится серия МД расчетов с различными параметрами расчетной ячейки. Во втором случае используется флуктуационная-диссипативная формула для расчета тензора упругости из флуктуаций тензора деформаций в NPT-ансамбле. Рассчитанные зависимости тензора напряжения от тензора деформаций для репрезентативного элемента будут передаваться в модуль макроскопического расчета механических свойств нанокомпозита. При необходимости также могут быть рассчитаны зависимости тензора напряжения от тензора деформаций для полимерной матрицы и наночастиц наполнителя.

Модуль расчета механических свойств нанокомпозита на макроуровне основан на численном решении уравнении механики сплошных сред при помощи метода конечных элементов. Входными параметрами данного модуля являются структура нанокомпозита и механические свойства репрезентативного элемента наполнителя и полимерной матрицы. Структура нанокомпозита может или передаваться с мезоскопического уровня из модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц, или браться из конструктора структур на мезоуровне. На основе заданной структуры нанокомпозита и механических свойств репрезентативного элемента наполнителя и полимерной матрицы происходит задание механических свойств во всех узлах численной сетки. Задание граничных условий для метода конечных элементов осуществляется пользователем из набора возможных вариантов. Выходными данными модуля расчета механических свойств нанокомпозита на макроуровне являются рассчитанные зависимости тензора напряжения от тензора деформаций рассматриваемого элемента объема нанокомпозита. Рассчитанные распределения механических напряжений могут быть визуализированы в модуле визуализации данных.

Модуль расчета теплопроводности на атомистическом уровне основан на молекулярно-динамическом вычислении теплопроводности наноструктур. Для этого могут быть использованы метод неравновесной молекулярной динамики или метод равновесной молекулярной динамики на основе соотношений Грина-Кубо. Входными параметрами данного модуля являются атомистическая структура полимерной матрицы, нано-наполнителя и репрезентативного элемента нанокомпозита (наполнителя, окруженного слоем полимера). Данные структуры получаются из модуля расчета структуры нанокомпозита на атомистическом уровне или из базы данных комплекса. Выходными параметрами данного модуля являются рассчитанные теплопроводности указанных структур, которые передаются в модуль расчета теплопроводности на макроскопическом уровне.

Модуль расчета теплопроводности нанокомпозита на макроуровне основан на численном решении уравнении теплопроводности при помощи метода конечных элементов. Входными параметрами данного модуля являются структура нанокомпозита и теплопроводность репрезентативного элемента наполнителя, полимерной матрицы, а также тепловое контактное сопротивление в точках контакта наполнителя. Структура нанокомпозита может или передаваться с мезоскопического уровня из модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц, или браться из конструктора структур на мезоуровне. Выходными данными модуля расчета теплопроводности нанокомпозита на макроуровне являются рассчитанный тензор теплопроводности рассматриваемого элемента объема нанокомпозита.

Модуль расчета электропроводности на атомистическом уровне основан на квантовомеханистическом вычислении транскондактанса наноструктур. При помощи данного модуля могут быть рассчитаны проводимости наполнителя, в том числе, с учетом влияния полимерной матрицы, а также контактные проводимости точек контакта наполнителя. Для расчета используется подход Ландауэра-Буттикера на основе вычислений матриц Грина наноструктуры. Входными параметрами данного модуля являются атомистическая структура наполнителя и репрезентативного элемента нанокомпозита (наполнителя, окруженного слоем полимера). Данные структуры получаются из модуля расчета структуры нанокомпозита на атомистическом уровне или из базы данных комплекса. Выходными параметрами данного модуля являются рассчитанные электропроводности указанных структур, которые передаются в модуль расчета электропроводности на макроуровне.

Модуль расчета электропроводности нанокомпозита на макроуровне основан на статистической модели - трехмерной сетки случайных сопротивлений, позволяющей предсказать перколяционные эффекты в зависимости электропроводности нанокомпозита от состава (при этом предполагается, что полимерная матрица имеет очень низкую электропроводность). Входными параметрами данного модуля являются структура нанокомпозита и электропроводность элементов наполнителя и контактные сопротивления между элементами наполнителя. Структура нанокомпозита может или передаваться с мезоскопического уровня из модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц, или браться из конструктора структур на мезоуровне. Выходными данными модуля расчета электропроводности нанокомпозита на мезоуровне являются рассчитанный тензор статической электропроводности рассматриваемого элемента объема нанокомпозита.

Модуль расчета оптических свойств нанокомпозита на атомистическом уровне основан на квантовомеханическом расчете электронной структурынаполнителя, в том числе, с учетом взаимодействия с полимерной матрицей. Для этого будет использован зависящий от времени метод функционала плотности (TD-DFT). Входными параметрами данного модуля являются атомистическая структура полимерной матрицы, нано-наполнителя и репрезентативного элемента нанокомпозита (наполнителя, окруженного слоем полимера). Данные структуры получаются из модуля расчета структуры нанокомпозита на атомистическом уровне или из базы данных комплекса. Выходными параметрами данного модуля являются рассчитанные спектры поглощения / испускания указанных структур, которые передаются в модуль расчета оптических свойств нанокомпозита на макроскопическом уровне.

Модуль расчета оптических свойств нанокомпозита на макроуровне основан на численном решении уравнении Максвелла при помощи метода конечных разностей (метод FDTD). Входными параметрами данного модуля являются структура нанокомпозита и оптические свойства (спектры поглощения / испускания) репрезентативного элемента наполнителя и полимерной матрицы. Структура нанокомпозита может или передаваться с мезоскопического уровня из модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц, или браться из конструктора структур на мезоуровне. Выходными данными модуля расчета оптических свойств нанокомпозита на макроуровне являются рассчитанные коэффициенты поглощения рассматриваемого элемента объема нанокомпозита.

Модуль расчета газовой проницаемости нанокомпозита на атомистическом уровне основан на молекулярно-динамическом вычислении транспорта малых молекул в нанокомпозите. Входными параметрами данного модуля являются атомистические структуры полимерной матрицы, нано-наполнителя и репрезентативного элемента нанокомпозита (наполнителя, окруженного слоем полимера). Данные структуры получаются из модуля расчета структуры нанокомпозита на атомистическом уровне или из базы данных комплекса. Выходными параметрами данного модуля являются рассчитанные коэффициенты диффузии молекул в указанных структурах, которые передаются в модуль расчета диффузии на макроскопическом уровне.

Модуль расчета газовой проницаемости нанокомпозита на макроуровне основан на численном решении уравнении теплопроводности при помощи метода конечных элементов. Входными параметрами данного модуля являются структура нанокомпозита и коэффициенты диффузии молекул в репрезентативном элементе наполнителя, полимерной матрице. Структура нанокомпозита может или передаваться с мезоскопического уровня из модуля расчета структуры на мезоуровне на основе динамики диссипативных частиц, или браться из конструктора структур на мезоуровне. Выходными данными модуля расчета газовой проницаемости нанокомпозита на макроуровне являются рассчитанный тензор эффективный коэффициентов диффузии для рассматриваемого элемента объема нанокомпозита.

Передача рассчитанных на атомистическом уровне физических свойств наполнителя и полимерной матрицы на макро (и мезо)-уровень требует проведения усреднения результатов расчета по различным возможным структурам наполнителя и полимерной матрицы из-за наличия нерегулярностей и неоднородностей в структуре полимера, а также в связи с присутствием дефектов структуры. Поэтому передача физических свойств наполнителя и полимерной матрицы на макро(и мезо)-уровень заключается в проведении серии расчетов для разных вариантов атомистических структур и накоплении результатов расчетов.

Входные данные для комплекса моделирования свойств органических матричных нанокомпозитов задаются через графический интерфейс пользователя.

Графический интерфейс комплекса предоставляет следующие компоненты для задания входных данных: 

• - Редактор входных параметров расчетных модулей
• - Редактор базы данных
• - Молекулярный конструктор
• - Конструктор мезоструктуры
• - Конструктор макроструктуры

Параметры для счетных модулей задаются через редактор входных параметров расчетных модулей. Данные о структуре задаются интерактивно при помощи конструкторов соответствующих структур. Необходимые данные о материальных свойствах задаются через редактор базы данных для соответствующих объектов (молекул, полимеров, наполнителей). Выходные данные для комплекса моделирования свойств органических матричных нанокомпозитов представляются через графический интерфейс пользователя.

Графический интерфейс комплекса предоставляет следующие компоненты для отображения выходных данных:

• - Редактор базы данных
• - Молекулярный визуализатор
• - Визуализатор мезоструктуры
• - Визуализатор 2D и 3D полей
• - Визуализатор одномерных зависимостей

Результаты расчетных модулей могут записываться в базу данных комплекса и затем визуализироваться при помощи редактора базы данных. Кроме этого, полученные зависимости и распределения физических величин могут быть представлены при помощи визуализатора 2D и 3D полей и визуализатора одномерных зависимостей. Полученные в результате расчеты микро- и мезоструктуры могут быть визуализированы при помощи соответствующих визуализаторов, а также экспортированы в файлы для последующего анализа.

Публикации
1) Люлин Сергей Владимирович, Гуровенко Андрей Алексеевич, Ларин Сергей Владимирович, Назарычев Виктор Михайлович, Люлин Алексей Владимирович, Microsecond Atomic-Scale Molecular Dynamics Simulations of Polyimides, Macromolecules", Vol. 46(15), p. 6357-6363 (2013)
2) Гаврилов Алексей Андреевич, Чертович Александр Викторович, Self-assembly in thin films during copolymerization on patterned surfaces, Macromolecules, Vol. 46, p. 4684-4690 (2013)
3) Иванов Виктор Александрович, Родионова Александра Сергеевна, Мартемьянова Юлия Алексеевна, Стукан Михаил Реональдович, Мюллер Маркус, Пауль Вольфганг, Биндер Курт, Wall-Induced Orientational Order in Athermal Semidilute Solutions of Semiflexible Polymers: Monte Carlo Simulations of a Lattice Model, The Journal of Chemical Physics, Vol. 138, Iss., 23, 234903 (2013)

Функциональные возможности - Функциональные возможности ограничены аппаратными характеристиками кластера, на котором установлен Комплекс. Для кластера, состоящего из 4000 ядер, возможно проводить расчеты: на квантово-химическом уровне - до 1000 атомов, на молекулярно-динамическом уровне - до 25000 атомов, на мезоскопическом уровне - до 50000 частиц, на макроскопическом уровне - до 10 млн. конечных элементов.

Инструментальные средства создания - C, С++, JScript, SQL, Fortran 77-95, Pascal, Python.