Проект № 2951: Структурообразование серных композитных

Р
д
ф
ьК
г ч
ч
д
.
Е.В.
Наименование годового этапа: Модель молекулярного кристалла
серы. Строение и макроскопические свойства.
Полученные научные и (или) научно технические результаты:
Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта в области
моделирования изолированных молекул, атомных кластеров и молекулярных
кристаллов (в т.ч. – атомных кластеров и молекулярных кристаллов серы);
анализ опыта в области разработки серных и серосодержащих строительных
композитных
материалов
различного
назначения
(материалов
функционального назначения, материалов для дорожного строительства).
Множество информационных источников включало периодические издания
NPG (Scientific Reports, Nature Nanotechnology и др.) и научные монографии
(Lewars2010, Levine2000 и др.) по тематике квантовой химии; открытые
кристаллографические базы данных (COD, AMS и др.); периодические
издания, научные монографии и патентную литературу (ИПС ФГБУ ФИПС,
WIPO, USPTO) по тематике разработки серных и серосодержащих
композиционных строительных материалов, а также по тематике реализаций
алгоритмов моделирования из первых принципов. В результате проведенных
исследований установлено: 1. Развитие аппаратно-программных средств
высокопроизводительных вычислений стало одним из определяющих
факторов, которыми обусловлено широкое использование методов квантовой
химии на этапе молекулярного дизайна новых материалов. В то же время,
основной областью приложений указанных методов до настоящего времени
остается молекулярный дизайн лекарственных веществ, в то время как в
материаловедении конструкционных материалов (в т.ч. строительном)
преобладает использование методов, основанных на эмпирических
результатах, статистических и (в некоторых случаях) феноменологических
моделях (исключение – молекулярный дизайн поликарбоксилатных
гиперпластификаторов для цементных строительных композитов; в основном
закрытый характер разработок обусловлен коммерческим использованием
результата). 2. Тенденция повышения удельного веса исследований,
включающих моделирование из первых принципов, прослеживается и в
строительном материаловедении. Несмотря на это, указанное моделирование
для большинства исследователей является средством, не привносящим
никакой
новой
технико-технологической
информации.
Попытки
интерпретации результатов в терминах предметной области часто не
выдерживают критики не только в части практической значимости
результата, но даже в части возможности верификации результатов квантовохимических расчетов. 3. Верификация результатов моделирования –
пререквизит их практического использования. Ситуация осложняется тем,
что функциональность оборудования и квалификация персонала,
необходимые для выполнения численных расчетов и проведения
спектроскопии и/или дифрактометрии (наиболее распространенные прямые
методы исследования атомно-молекулярной структуры) существенно
различны, хотя и пересекаются в части теоретической базы (квантовая
механика).
Научно-образовательный
центр
«Наноматериалы
и
нанотехнологии» ФГБОУ ВПО «МГСУ», сотрудники которого, имея
соответствующую квалификацию, выполняют работы по проекту,
располагает всем необходимым оборудованием (вычислительный кластер с
пиковой производительностью 3,5 TFLOPS, программное обеспечение
квантовой химии, спектрометры комбинационного рассеяния и
абсорбционной спектроскопии, оборудование малоуглового рассеяния). 4.
Выполненная оценка тенденций развития теоретических представлений в
части
структурообразования
дисперсно-наполненных
композитных
материалов с серной матрицей обусловила принятие модели атомного
кластера атомов и молекулярного кристалла аллотропа серы в виде системы
уравнений в частных производных относительно волновой функции при
приближении Борна-Оппенгеймера. В качестве методов численного
отыскания параметров электронного состояния атомно-молекулярных
образований из атомов серы выбраны метод Хартри-Фока (базисы STO-nG,
Поппла) и метод, основанный на ТФП (базис выбирается в зависимости от
стадии расчета и геометрии моделируемого фрагмента). В качестве
программного обеспечения квантово-химического моделирования на втором
этапе работ могут быть использованы: пакет GAMESS, а также производный
от него FireFly и полнофункциональная квантово-химическая система
«ПРИРОДА» (разработки сотрудников МГУ им. М.В. Ломоносова). Для
численного решения молекулярно-динамических задач (феноменологические
модели) на втором этапе работ будет использовано программное обеспечение
GROMACS, а также разработки членов коллектива исполнителей. 5. На
данный момент известен целый ряд баз данных, на условиях свободного
доступа предоставляющих кристаллографическую информацию. Наполнение
как минимум двух из этих баз существенно сокращает затраты времени в
части квантово-химических расчетов уровней энергии атомных кластеров
серы и молекулярных кристаллов аллотропов серы, целью которых является
оптимизация геометрии кластеров и чистых аллотропов. В то же время,
открытыми
остаются:
1)
проблема
адаптации
доступной
кристаллографической информации для использования совместно с
конкретным квантово-химическим солвером; 2) проблема постановки
начальных условий в части нулевого приближения для геометрии
модифицированных
аллотропов
(прямая
задача
вычислительной
нанотехнологии серных композитных материалов). В соответствии с
календарным планом работ решение указанных проблем запланировано на
2015 г. 6. Выполненный анализ содержания объектов интеллектуальной
собственности в части реализаций алгоритмов моделирования из первых
принципов, а также анализ ситуации на рынке коммерческого программного
обеспечения, с учетом экономической ситуации на конец отчетного периода,
выявил нецелесообразность использования коммерческого программного
обеспечения для численного решения задач квантовой химии в
нанотехнологии строительного материаловедения. 7. В результате
теоретических исследований и информационного поиска, выполненных на
первом этапе работ, была сформулирована терминология нанотехнологии
строительного материаловедения и обобщена ее теоретико-эмпирическая
база. Показано, что исследование сложных гетерогенных систем –
строительных композитных материалов, выполняемое с привлечением
методов фундаментальных дисциплин, на первом этапе с необходимостью
включает целевые исследования по накоплению эмпирического материала –
одной из составляющих базы феноменологических моделей. 8. Выполнены
целевые исследования по накоплению эмпирического материала в части
структуры и показателей макроскопических свойств наномодифицированных
серных вяжущих веществ на наполнителях различной химической природы.
Разработан комплексный метод обработки алюмо- и магнийсиликатных
наполнителей, заключающийся в последовательной их термической
обработке, способствующей термическому разложению породообразующих
минералов (при температуре более 1000 К), и нанесении на поверхность
прекурсора (раствора каучука в керосине) расчетной толщиной 155-215 нм
(толщина каучука – 85-95 нм), что обеспечивает формирование
мелкокристаллической структуры серы (снижается количество ее
кристаллических аллотропов и повышается количество полимерной фазы), а
также
повышение
показателей
эксплуатационных
свойств
наномодифицированных серных вяжущих и материалов на их основе.
Установлен механизм структурообразования наномодифицированных
серных вяжущих веществ, заключающийся в последовательном изменении
объема газообразных продуктов, образующихся
при испарении
органического
растворителя
из
прекурсора
или
воды
из
немодифицированного наполнителя: на начальном этапе происходит
насыщение расплава материала газообразными продуктами, что приводит к
существенному снижению величин его свойств, сменяющееся впоследствии
интенсивным удалением газообразных продуктов и повышением показателей
эксплуатационных свойств. Установлены зависимости влияния основных
рецептурных
и
технологических
факторов
на
процессы
структурообразования, параметры структуры и эксплуатационные свойства
наномодифицированного серного вяжущего вещества, позволяющие
установить рациональные границы варьирования рецептурных и
технологических факторов.
Полученная научная и (или) научно-техническая продукция:
Разработано программное обеспечение для статистического моделирования
свойств серных композитных материалов и визуализации результатов
моделирования (свид. RU 2014618871). Результаты информационного поиска
и теоретико-экспреиментальных исследований использованы при подготовке
учебного
пособия
«Введение
в
нанотехнологию
строительного
материаловедения» для бакалавров и магистров, обучающихся по
специальности
270800
–
Строительство
(электронный
ресурс,
URL:http://intro.edu.nocnt.ru/). Разработаны составы и технологические
режимы изготовления наномодифицированных серных вяжущих веществ,
обладающих
высокими
показателями
физико-механических
и
эксплуатационных свойств. Выполнено опытное внедрение разработанных
наномодифицированных серных вяжущих веществ.
Предполагаемое развитие исследований: В соответствии с
календарным планом полученный теоретико-эмпирический материал будет
дополнен
результатами
моделирования
электронной
структуры
изолированных молекул, атомных кластеров и молекулярных кристаллов
чистых аллотропов серы, а также результатами исследования показателей
ассоциатов атомов серы с примесными структурами. Помимо направлений
календарного
плана,
весьма
важной
представляется
проблема
систематизации информации в части инструментальных средств и методик
квантово-химического моделирования периодических структур. В ходе
выполнения отчетного этапа выявлена чрезвычайная разрозненность этой
информации, особенно – в части соответствующих программных
инструментов с открытым исходным текстом. Доработка имеющихся
открытых программных решений будет способствовать решению актуальной
проблемы импортозамещения.