В настоящее время большое внимание уделяется способам разработки таких материалов как дисперсные среды, состоящие из аморфного тела с включениями кластеров кристаллической решетки, кристаллы с заданной концентрацией дефектов, перенасыщенные пары веществ, материалы содержащие нано- и микропустоты. Как правило, такие материалы создаются путем резкого изменения температуры или плотности вещества находящегося в равновесной фазе. Таким образом, для выполнения синтеза материалов, которые находят и могут находить применение в промышленности, иногда достаточно подобрать необходимое термодинамическое воздействие.

Наиболее приемлемый вариант разработки процесса синтеза таких материалов – это проведение серии компьютерных экспериментов по исследованию реакции вещества на регулируемое термодинамическое воздействие, выбор по результатам моделирования оптимальных условий синтеза и закрепление результата на натурном эксперименте. Целью нашего проекта является разработка такого программного инструмента, с помощью которого можно проводить такие компьютерные эксперименты.

В ходе работы над проектом была разработана программа моделирования молекулярных систем NanoSim 2020, работа которой основана на методе молекулярной динамики. Согласно этому методу время моделирования разбивается на достаточно мелкие промежутки. На каждом временном промежутке для каждой частицы моделируемого вещества определяется ускорение, причиной которого являются силы, действующие со стороны всех других частиц системы. После расчета ускорений, производится корректировка скоростей и положений частиц. Таким образом, с помощью молекулярно-динамического моделирования можно, задав начальные значения температуры и плотности системы, определить положения скорости и ускорения всех частиц системы в любой последующий момент времени, а с помощью этой информации можно определить необходимые физические параметры моделируемого вещества

Использованная при создании программы методика совсем не новая – существует целый ряд программных комплексов выполняющих похожие функции, однако, для работы таких программ используются высокопроизводительные вычислительные системы, суперкомпьютеры, ресурсы которых доступны далеко не каждому исследователю или студенту. Алгоритм работы созданной программной среды удалось адаптировать для использования вычислительных мощностей графического процессора видеоадаптера, что позволило добиться качества и скорости моделирования на персональном компьютере, сравнимого с процессом моделирования на конкурентной суперкомпьютерной системе. Основной особенностью среды моделирования является возможность моделирования не только систем стремящихся к равновесию в заданном состоянии, но и проведение компьютерных экспериментов по моделированию термодинамических процессов, таких как изохорное, изобарное охлаждение и нагревание, изотермическое, адиабатное расширение и сжатие веществ.

Проведена большая работа по тестированию программы и ее апробации. Достигается хорошее согласие результатов компьютерных экспериментов со свойствами реальных веществ. Моделирование с помощью созданной программы позволяет предсказать поведение веществ в малоисследованных условиях (области высоких или низких температур, области высоких давлений, интенсивно протекающие процессы).

Разработанная среда моделирования может использоваться для проведения исследовательских и учебных компьютерных экспериментов для решения задач материаловедения и синтеза новых материалов, физики конденсированного состояния, молекулярной физики и термодинамики.

Герман Евгений Иванович