Моделирование и инструментальные средства численного анализа в нанотехнологии материаловедения: обзор

Требованием получения строительных материалов с универсальным сочетанием свойств, обеспечивающим расширение областей их применения, обусловлен повышенный интерес к нанотехнологии строительного материаловедения. Рациональное сочетание теоретических исследований, натурного эксперимента и математического моделирования может способствовать снижению затрат времени и ресурсов при разработке наномодифицированных материалов. Методологической основой разработки композита как сложной системы должны стать положения системного анализа, диктующие, в частности, необходимость выделения критериев и последующей классификации методов моделирования. В настоящей работе критерий пространственного масштаба рассмотрен в совокупности с критериями гетерогенности и доминирующего взаимодействия в системе. Предложенная классификация стала основой для систематического анализа доступных моделей, методов и программных средств моделирования структурообразования строительных композитов. Выделены четыре пространственных уровня, соответствующие принятой классификации структурных уровней композита по критерию доминирующего взаимодействия. Для каждого из уровней - от атомно-молекулярного до уровня макроструктуры композита с крупным заполнителем - вы полнен анализ состояния лежащих в основе моделей структуры теоретических положений, анализ имеющихся моделей и средств численного анализа. На уровне макроструктуры, формирующейся преимущественно под влиянием гравитационных сил и внешних воздействий, для анализа сформировавшейся структуры могут применяться вероятностно-геометрические представления. Существующие модели позволяют выполнять анализ плотности упаковки и решение связанных задач протекания по каркасу и поровому пространству, в то же время соответствующие программные инструменты, пригодные для систематических исследований в нанотехнологии строительного материаловедения, в настоящее время отсутствуют. На уровне микроструктуры для исследования структурообразования вместе с вероятностно-статистическими методами может быть использован метод частиц; существующие программные инструменты ограниченно пригодны для численного анализа моделей микроструктуры. На атомно-молекулярном уровне для исследования конфигураций и электронной плотности могут привлекаться модели и инструментальные средства квантовой химии. Определение наноструктуры строительного композита как структуры, существенное влияние на формирование которой оказывают размерные эффекты, дано в соответствии с общепринятыми определениями уровней макро- и микроструктуры; для исследования наноструктуры могут применяться как методы квантовой химии, так и методы, соответствующие верхним структурным уровням.