Научный проект KVAZAR

 «KVAZAR» – первый открыт российский проект, ориентированный на компьютерное моделирование в области нанотехнологий и биомедицинских исследований. Разработанная вычислительная платформа реализует наиболее распространенные в настоящее время методы и подходы молекулярного моделирования и обеспечивает поддержку высокопроизводительных вычислений. Одним из достоинств комплекса является удобный для пользователя современный кроссплатформенный графический интерфейс, а также гибкость программной архитектуры.

Возможности комплекса «KVAZAR»

Программный комплекс «KVAZAR» содержит широкий набор инструментов, позволяющих исследователю решать конкретную научную задачу на всех её этапах: проектирование геометрии исследуемых объектов; задание периодических граничных и внешних условий; проведение численных экспериментов с помощью различных математических моделей; сохранение и визуализация полученных результатов. Указанные инструменты комплекса ориентированы как на использование многопроцессорных систем, так и работу на персональном компьютере.

Разрабатываемый комплекс молекулярного моделирования предназначен для решения широкого класса задач биофизики, медицины и наноэлектроники:

1. расчёт эмиссионных, электронно-энергетических и прочностных характеристик углеродных наноструктур, включая бездефектные однослойные и многослойные нанотрубки, графен и его модификации, нанотрубки сложной формы, фуллерены, композитные материалы, с целью создания на их основе моделей более совершенных модификаций электронных наноустройств;
2. расчет электропроводности и теплопроводности наноструктур и биосистем с целью создания на их основе высокочувствительных сенсорных устройств;
3. моделирование физико-химических процессов в интиме артерий на атомно-молекулярно-клеточном уровне с целью выявления механизма проникновения липопротеинов в межэндотелиальное пространство;
4. моделирование процессов транспортировки органических и неорганических молекул на графене с целью выявления оптимального способа управления их перемещением;
5. моделирование процессов взаимодействия углеродных наноструктур и хитозановых цепочек с целью разработки на их основе новых бионанокомпозитных материалов для протезирования;
6. моделирование процессов самосборки биомакромолекул с целью развития современных технологий получения бионаноматериалов.

В данном комплексе реализованы классические подходы молекулярного моделирования, оригинальные математические модели и новые модификации уже существующих методов математического моделирования для решения описанных выше задач:

• молекулярно-механический метод на основе потенциала REBO [1];
• молекулярно-механический метода на основе потенциала AIRBEO [2]
• оригинальный алгоритм молекулярной динамики, включающий расчет энергетической поверхности молекулярной системы молекулярно-механическим методом и расчет сил квантовым методом с использованием разработанной Дж. Х. Уилкинсоном матричной теории возмущений [3];
• адаптированный квантово-химический метод сильной связи для исследования электронных и механических свойств углеродных наноструктур, а также их поведения в электрическом поле [4-6];
• оригинальная методика расчета локальных напряжений, основывающаяся на квантовой модели графеновой конечноразмерной наноленты и эмпирическом подходе в расчете энергии одного атома [7];
• модифицированная модель гибридного метода MM/QM (молекулярная механика/квантовая механика) с оригинальным способом выявления активной и буферной областей в исследуемой молекулярно-атомной системе [8];
• крупнозернистая модель с использованием силового поля MARTINI [9].

Главный разработчик проекта KVAZAR - заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики, д.ф.-м.н. Ольга Евгеньевна Глухова.

Подробнее о проекте на сайте http://nanokvazar.ru/.

1. Brenner D.W., Shenderova O.A., Harrison J.A., Stuart S.J., Ni B., Sinnott S.B. A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons // J. Phys.: Condens. Matter 14 (2002) 783–802.
2. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // J. Chem. Phys. 112, 6472 (2000)
3. Глухова О.Е., Колесникова А.С., Слепченков М.М., Савостьянов Г.В. Методика определения областей, требующих квантового описания в рамках гибридного метода (квантовая механика/молекулярная механика) // Изв. Сарат. ун-та. Нов.сер. Сер. Математика. Механика.Информатика 2013, т. 13, вып. 4, ч. 1. С. 59-66.
4. Глухова О.Е., Колесникова А.С. Эмиссионные свойства бамбукоподобных нанотрубок, допированных калием // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 5. С. 2-5.
5. Глухова О.Е., Жбанов А.И. Равновесное состояние нанокластеров С60, С70, С72 и локальные дефекты молекулярного остова // Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.1, С.180-186.
6. Глухова О.Е. Тонкие углеродные тубулярные нанокластеры в однородном электростатическом поле // Нано- и микроситемная техника, 2008. № 7. С.8-12.
7. Глухова О.Е., Слепченков М.М. Теоретическое исследование распределения локальных напряжений графеновой наноленты // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 7. – С. 2-4.
8. Glukhova O.E., Savostyanov G.V., Slepchenkov M.M. A New Approach to Dynamical Determination of the Active Zone in the Framework of the Hybrid Model (Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics) // Procedia Materials Science 2014, Vol. 6, P. 256–264.
9. Marrink S.J., Risselada H.J., Yefimov S., Tieleman D.P., de Vries A.H. The MARTINI Force Field: Coarse Grained Model for Biomolecular Simulations // Phys. Chem. B. 2007. Vol. 111. P. 7812– 7824.