Skip to main content Skip to search

Вы здесь

Проект «KVAZAR»

KVAZAR«Многопроцессорный программно-информационный комплекс моделирования молекулярных систем
для супер-ЭВМ «KVAZAR»».

Программно-вычислительный комплекс «KVAZAR» (http://nanokvazar.ru/) – открытый многопроцессорный программный комплекс молекулярного моделирования, сочетающий преимущества наиболее успешных современных пакетов молекулярного моделирования (поддержка высокопроизводительных вычислений, кроссплатформенный графический интерфейс, большое разнообразие теоретических методов и подходов), но вместе с тем обладающий гибкой, легко модифицируемой архитектурой.

Возможности программного комплекса

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:

  • оригинальная молекулярно-механическая (ММ) модель [1];
  • модифицированный молекулярно-механический метод на основе потенциала Бреннера [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];
  • модифицированный метод самосогласованного распределения заряда в рамках аппроксимации метода сильной связи, основывающегося на функционале плотности (SCC-DFTB) [9] с оригинальной схемой построения гамильтониана;
  • крупнозернистая модель с использованием силового поля MARTINI [10].
  • классический молекулярно-механический метод с использованием потенциала AMBER [11].

Разрабатываемый программный комплекс ориентирован на использование гибридной параллельной архитектуры, сочетающей различные технологии параллельного программирования (MPI, OpenMP, CUDA) и различные типы вычислителей (ЦПУ и ГПУ), что позволяет в несколько раз сократить время моделирования физико-химических процессов на атомарно-молекулярном уровне.

  1. [1] Глухова О.Е. Изучение механических свойств углеродных нанотрубок стручкового типа на молекулярно-механической модели // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2009. Т.12. № 1. С.80-84.
  2. [2] Глухова О.Е., Колесникова А.С. Эмпирическое моделирование продольного растяжения и сжатия графеновых наночастиц и нанолент // Физика твердого тела. – 2011. Т.53. В.9. С. 1850-1855.
  3. [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. [4] Глухова О.Е., Колесникова А.С. Эмиссионные свойства бамбукоподобных нанотрубок, допированных калием // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 5. С. 2-5.
  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. [6] Глухова О.Е. Тонкие углеродные тубулярные нанокластеры в однородном электростатическом поле // Нано- и микроситемная техника, 2008. № 7. С.8-12.
  7. [7] Глухова О.Е., Слепченков М.М. Теоретическое исследование распределения локальных напряжений графеновой наноленты // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 7. – С. 2-4.
  8. [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. [9] Elstner M., Porezag D., Jungnickel G., Elsner J., Haugk M., Frauenheim Th., Suhai S., and Seifert G. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Phys. Rev. B 1998, Vol. 58, Num. 7260.
  10. [10] 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.
  11. [11] Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M. and Montgomery J.A. General Atomic and Molecular Electronic Structure System // J. Comput. Chem. 1993. Vol. 14. P. 1347–1363.

Презентация KVAZAR

Демонстрация работы с KVAZAR

 

Видеоматериалы к презентации

 

Внедрение программного пакеТа Kvazar

Выполнение НИР «Автокатод-А» в АО «Научно-производственное предприятие „Алмаз“» (г. Саратов) для решения прикладных задач эмиссионной электроники (акт о внедрении)

Использование в научно-исследовательской деятельности Московского института электронной техники в рамках выполнения гранта РНФ №13-19-01308 «Функциональные молекулярные системы с переключаемыми транспортными свойствами на основе органических молекул и одномерных проводников» для расчета молекулярных переходов в углеродных наноструктурах с внесенными дефектами (письмо об использовании)

Выполнение научно-исследовательских работа по теме «Электронные состояния графеновых нанолент типа "зигзаг" с краями, реконструированными с топологическими дефектами» международным научным коллективом, представленным Институтом экспериментальной физики Словацкой академии наук (Institute of Experimental Physics, Slovak Academy of Sciences), факультетом ядерных наук и физической инженерии Чешского технического университета Праги (Faculty  of Nuclear Sciences and Physical Engineering, CzechTechnical University) и Лабораторией теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова Объединенного института ядерных исследований (Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics, Joint Institute for Nuclear Research) (ссылка на статью)

 

РЕАЛИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ПРОЕКТОВ

Грант РНФ № 21-19-00226 «Функциональные разветвленные сети на основе одностенных углеродных нанотрубок, жгутов из них и графеновых моно-/слоистых чешуек для эмиссионной электроники: новые технологические решения и прикладные разработки» (2021-2023 гг.).

Грант РФФИ №15-29-01025-офи_м «Кроссплатформенный программный комплекс для решения задач биоэлектроники и биосенсорики, базирующихся на углеродных наноструктурах» (2015-2017 гг.).

Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашения №14.В37.21.1094, конкурс «Поддержка научных исследований, проводимых научными группами под руководством докторов наук по научному направлению «Индустрия наносистем» в области «Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий». Тема проекта «Разработка программно-информационного комплекса для проведения поисковых исследований в области электроники на углеродных наноструктурах» молекулярная».

Грант программы «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса» (УМНИК), соглашение №1489ГУ1/2014. Проект «Разработка многопроцессорного программно-информационного комплекса для целей биофизики, медицины, наноэлектроники». (2014-2015 гг).

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Michael M. Slepchenkov, Vladislav V. Shunaev and Olga E. Glukhova Response to external GHz and THz radiation of K+@C60 endohedral complex in cavity of carbon nanotube containing polymerized fullerenes // Journal of Applied Physics. 2019. Vol. 125. P. 244306.

Michael M. Slepchenkov and Olga E. Glukhova Mechanical and Electroconductive Properties of Mono- and Bilayer Graphene–Carbon Nanotube Films // Coatings. 2019. Vol. 9(2). Num. 74. P. 1-15.

O.E. Glukhova and M.M. Slepchenkov Graphene–Carbon Nanotube Hybrid Films for High-performance Photovoltaic Devices // RSC Smart Materials. Volume 2019-January. Issue 34. Layered Materials for Energy Storage and Conversion. Editors: Dongsheng Geng, Yuan Cheng, Gang Zhang. 2019. ISBN: 978-1-78801-426-7.

Olga E. Glukhova, Igor S. Nefedov, Alexander S. Shalin and Мichael М. Slepchenkov New 2D graphene hybrid composites as an effective base element of optical nanodevices // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. Vol. 9. P. 1321–1327. DOI: 10.3762/bjnano.9.125.

Olga E. Glukhova, Dmitriy S. Shmygin The electrical conductivity of CNT/graphene composites: a new method for accelerating transmission function calculations // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. Vol. 9. P. 1254-1262.  DOI: 10.3762/bjnano.9.117.

Vladislav V. Shunaev, Michael M. Slepchenkov, Olga E. Glukhova Single-Shell Carbon Nanotubes Covered with Iron Nanoparticles for Ion-Lithium Batteries: Thermodynamic Stability and Charge Transfer // Topics in Catalysis. 2018. Vol. 61. I. 15-17. P. 1716–1720. DOI: 10.1007/s11244-018-1007-1.

George V. Savostyanov, Michael M. Slepchenkov, Dmitriy S. Shmygin and Olga E. Glukhova Specific Features of Structure, Electrical Conductivity and Interlayer Adhesion of the Natural Polymer Matrix from the Layers of Branched Carbon Nanotube Networks Filled with Albumin, Collagen and Chitosan // Coatings. 2018. Vol. 8. I. 11. Num. 378. P. 1-16. DOI: 10.3390/coatings8110378.

V.V. Mitrofanov, M.M. Slepchenkov, G.Zhang, O.E. Glukhova Hybrid carbon nanotube-graphene monolayer films: Regularities of structure, electronic and optical properties // Carbon 2017. Vol. 115. P. 803–810. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.040.

Ngoc Thanh Thuy Tran, Duy Khanh Nguyen, Olga E. Glukhova, Ming-Fa Lin Coverage-dependent essential properties of halogenated graphene: A DFT study // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. Article number: 17858. DOI: 10.1038/s41598-017-18170-8.

A. Yu. Gerasimenko, O. E. Glukhova, G. V. Savostyanov, V. M. Podgaetsky, Laser structuring of carbon nanotubes in the albumin matrix for the creation of composite biostructures // J. Biomed. Opt. 2017. Vol. 22. P. 065003.  DOI: 10.1117/1.JBO.22.6.065003.

R. Pincak, V.V. Shunaev, J. Smotlacha, M.M. Slepchenkov, O.E. Glukhova Electronic Properties of Bilayer Fullerenes // Fullerene Onions, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2017. Vol 25. I. 10. P. 607-612. DOI: 10.1080/1536383X.2017.1356825.

V. Shunaev and O. E Glukhova. Topology Influence on the Process of Graphene Functionalization by Epoxy and Hydroxyl Groups // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120(7). P. 4145–4149. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b12616.

Olga E. Glukhova and Michael M. Slepchenkov Electronic Properties of the Functionalized Porous Glass-like Carbon // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120 (31). P. 17753–17758. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b05058.

Ngoc Thanh Thuy Tran, Shih-Yang Lin, Olga E. Glukhova and Ming-Fa Lin π-Bonding-dominated energy gaps in graphene oxide // RSC Advances. 2016. Vol. 6. P. 24458-24463. DOI: 10.1039/C6RA00662K. JCR Science Edition Impact Factor 2.936. 

Olga E. Glukhova, Tatiana R. Prytkova, and George V. Savostyanov Simulation of High Density Lipoprotein Behavior on a Few Layer Graphene Undergoing Non-Uniform Mechanical Load // J. Phys. Chem. B. 2016. V. 120 (15). P. 3593–3600. DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b12648.

V.V. Shunaev, G.V. Savostyanov, M.M. Slepchenkov, O.E. Glukhova Phenomenon of current occurrence during the motion of a C60 fullerene on substrate-supported graphene // RSC Advances. 2015. Vol. 5. P. 86337-86346. DOI: 10.1039/C5RA12202C.

Michail M. Slepchenkov, Anna S. Kolesnikova, George V. Savostyanov, Igor S. Nefedov, Ilya V. Anoshkin, Albert G. Nasibulin, Olga E. Glukhova Giga- and terahertz-range nanoemitter based on peapod structure // Nano Research. 2015. Vol. 8. I. 8. P. 2595-2602. DOI: 10.1007/s12274-015-0764-4.

Ngoc Thanh Thuy Tran, Shih-Yang Lin, Olga E. Glukhova, and Ming-Fa Lin Configuration-Induced Rich Electronic Properties of Bilayer Graphene // J. Phys. Chem. C. 2015. Vol. 119 (19). P. 10623–10630. DOI: 10.1021/jp511692e.

Olga E. Glukhova, Anna S. Kolesnikova, and Michael M. Slepchenkov New Approach to Manipulate the Phospholipid Molecules on Graphene // J. Phys. Chem. C. 2015. Vol. 119 (21). P. 11941–11946. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b01487.

V.F. Korolovych, O.A. Grishina, O.A. Inozemtseva, A.V. Selifonov, D.N. Bratashov, S.G. Suchkov, L.A. Bulavin, O.E. Glukhova, G.B. Sukhorukov, D.A. Gorin Impact of high-frequency ultrasound on nanocomposite microcapsules: in silico and in situ visualization // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. Vol. 18. P. 2389-2397. DOI: 10.1039/C5CP05465F.

Tatiana R. Prytkova, Vladislav V. Shunaev, Olga E. Glukhova, and Igor V. Kurnikov Donor/Acceptor Coupling Shortcuts in Electron Transfer within Ruthenium-Modified Derivatives of Cytochrome b562 // J. Phys. Chem. B. 2015. Vol. 119 (4). P. 1288–1294. DOI: 10.1021/jp5086894.

A.S. Kolesnikova, M.M. Slepchenkov, M.F. Lin, and O.E. Glukhova Influence of Size Effect on the Electronic and Elastic Properties of Graphane Nanoflakes: Quantum Chemical and Empirical Investigations // Advances in Condensed Matter Physics. 2015. Vol. 2015.  Article ID 735192. P. 1-5. DOI: 10.1155/2015/735192.

O.E. Glukhova, A.S. Kolesnikova, M.M. Slepchenkov, V.V. Shunaev Moving of Fullerene Between Potential Wells in the External Icosahedral Shell // J. Comput. Chem. 2014. Vol. 35(17). P.1270-1277. DOI:10.1002/jcc.23620.

O.E. Glukhova, A. S. Kolesnikova, I. S. Nefedov, M. M. Slepchenkov Nanoemitter of giga- and terahertz ranges based on a carbon peapod: Numerical simulation // JETP Letters 2014. Vol. 99. I. 6. P. 349-352. DOI: 10.1134/S0021364014060058.

O. Glukhova, M. Slepchenkov Influence of the curvature of deformed graphene nanoribbons on their electronic and adsorptive properties: theoretical investigation based on the analysis of the local stress field for an atomic grid // Nanoscale. 2012. Vol. 4. №. 11. P. 3335-3344. DOI: 10.1039/C2NR30477E.

Ответственный за наполнение страницы Шунаев Владислав Викторович
Email: vshunaev@list.ru