| Закреплена за кафедрой | Кафедра общей и экспериментальной физики |
|---|---|
| Направление подготовки | 03.04.02. Физика |
| Профиль | Физика наносистем |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 3 ЗЕТ |
| Учебный план | 03_04_02_Физика_ФН-2023 |
|
|
||||||||||||
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 2 (4) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 4 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лекции | 8 | 8 | 8 | 8 |
| Практические | 24 | 24 | 24 | 24 |
| Сам. работа | 76 | 76 | 76 | 76 |
| Итого | 108 | 108 | 108 | 108 |
Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году
Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2023-2024 учебном году на заседании
кафедры
Кафедра общей и экспериментальной физики
Протокол от 30.06.2021 г. № 7/2020-2021
Заведующий кафедрой Плотников Владимир Александрович
| 1.1. | Целью дисциплины является получение систематизированного представления о физических основах компьютерного моделирования процессов нанотехнологии и наноматериалов. В задачи курса входит: -изучение фундаментальных вопросов классической термодинамики с использованием статистического подхода, которые необходимы для понимания общих физических закономерностей, управляющих свойствами материалов и применяемых технологий; - анализ термодинамики фазовых равновесий систем, возникновения наноразмерных структурных комплексов; - изучение основ кинетического и физико-статистического подхода к анализу технологических процессов. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.01 |
| ПК-5 | Способен систематизировать и анализировать отобранную документацию (составлять подробный плана документа, текст документа, подготовку иллюстраций), подготовить и составить текст научно-технической статьи, патента |
| ПК-6 | Способен организовать сбор и изучение научно-технической информации по теме исследований и разработок, проводить анализ научных данных, результатов экспериментов и наблюдений и осуществлять теоретическое обобщение научных данных, результатов экспериментов и наблюдений |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | Знает научно-техническую документацию в соответствующей области знаний и методы определения патентной чистоты. Знает особенности, стилистику научно-технических, технических текстов, заявок на патент, методику работы над текстом, и основы литературного редактирования. Знает методы анализа научных данных, методы и средства планирования, и организации исследований и разработок; характеристики различных функциональных материалов и методы их получения. Знает перечень наиболее распространенных в настоящее время аппаратных платформ, операционных систем, сферы их применения, основные технические характеристики. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | Умеет составлять подробный план документа, текст документа, подготовку иллюстраций и раскрыть заданную тему с заданной точки зрения, соблюдая требования к объему и к стилю изложения. Умеет анализировать научнотехническую литературу и патенты, извлекать из нее сведения, необходимые для решения поставленной задачи и использовать методы анализа применимости в объекте исследований известных объектов интеллектуальной собственности. Умеет собирать и анализировать научно-техническую и научно-исследовательскую информацию. Умеет осуществлять теоретические обобщения научных данных, результатов экспериментов, наблюдений и оформлять результаты научно-исследовательских и опытноконструкторских работ. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Владеет инструментами подготовки графических схем, визуального описания процессов, преобразования документов в требуемый выходной формат и навыками подготовки, набора текста научно-технической статьи, патента. Владеет навыками деятельности, направленными на решение задач аналитического характера, предполагающими выбор и многообразие актуальных способов решения задач. Владеет навыками анализа результатов испытаний функциональных и наноструктурированных материалов. |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Методология компьютерного моделирования наносистем | ||||||
| 1.1. | Общие принципы компьютерного моделирования. Методологические основы вычислительной нанотехнологии | Лекции | 4 | 0,25 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 1.2. | Методология компьютерного моделирования наносистем | Практические | 4 | 1 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 1.3. | Методология компьютерного моделирования наносистем | Сам. работа | 4 | 8 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 2. Квантовое описание структуры атомного мира | ||||||
| 2.1. | Предпосылки создания квантовой механики. Основыне понятия и математический аппарат квантовой механики.Свойства одноэлектронных атомов | Лекции | 4 | 0,25 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 2.2. | Квантовое описание структуры атомного мира | Практические | 4 | 1 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 2.3. | Квантовое описание структуры атомного мира | Сам. работа | 4 | 4 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 3. Моделирование строения многоэлектронных атомов | ||||||
| 3.1. | Электронная теория строения атома. Метод Хартри-Фока. Атомные орбитали.Теория функционала плотности. | Лекции | 4 | 0,25 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 3.2. | Моделирование строения многоэлектронных атомов | Практические | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 3.3. | Моделирование строения многоэлектронных атомов | Сам. работа | 4 | 4 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 4. Моделирование молекулярных систем | ||||||
| 4.1. | Физико-химические закономерности строения молекул. Теория химических связей.Приближение Борна-Оппенгеймера. Метод валентных схем. Метод молекулярных орбиталей. Расчет поверхности потенциальной энергии | Лекции | 4 | 1 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 4.2. | Моделирование молекулярных систем | Практические | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 4.3. | Моделирование молекулярных систем | Сам. работа | 4 | 8 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 5. Межмолекулярные взаимодействия | ||||||
| 5.1. | Межмолекулярные силы. Потенциалы взаимодействия частиц.Молекулярная механика.Молекулярная динамика. Моделирование методами Монте-Карло. | Лекции | 4 | 1 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 5.2. | Межмолекулярные взаимодействия | Практические | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 5.3. | Межмолекулярные взаимодействия | Сам. работа | 4 | 8 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 6. Механизм образования наноструктур | ||||||
| 6.1. | Супрамолекулярные системы. Модели нанокластеров. Молекулярная самосборка | Лекции | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 6.2. | Механизм образования наноструктур | Практические | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 6.3. | Механизм образования наноструктур | Сам. работа | 4 | 10 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 7. Многомасштабное моделирование материалов и процессов | ||||||
| 7.1. | Концепция многомасштабного моделирования. Многомасштабное моделирование энергетических процессов. Моделирование наноструктурной области.Моделирование макроскопических систем. | Лекции | 4 | 1,25 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 7.2. | Многомасштабное моелирование материалов и процессов | Практические | 4 | 6 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 7.3. | Многомасштабное моелирование материалов и процессов | Сам. работа | 4 | 10 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| Раздел 8. Програмное обеспечение моделирования наносистем | ||||||
| 8.1. | процедуры квантовомеханических расчетов. Программы расчетов "из первых принципов". Программы полуэмпирических методов расчета. Порограммы для моделирования в молекулярной динамике. Интегрированные пакеты программ. Програмы моделирования наносистем. | Лекции | 4 | 2 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 8.2. | Програмное обеспечение моделирования наносистем | Практические | 4 | 8 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 8.3. | Програмное обеспечение моделирования наносистем | Сам. работа | 4 | 24 | ПК-6, ПК-5 | Л1.1 |
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 1. Понятие модели физического процесса в области физики конденсированного состояния. 2. Классификация физико-математических моделей объектов и процессов физики конденсированного состояния. 3. Цели, задачи и возможности математического моделирования. 4. Математические методы анализа процесса образования и роста наноструктур. 5. Моделирование молекулярных и кластерных систем. Фрактальные модели. 6. Самоподобие. Вычисление фрактальной размерности. 7. Моделирование фракталов. Снежинка Коха и ковер Серпинского. 8. Понятие рекурсии. Применение в моделировании. 9. Алгоритмы построения фрактальных множеств Мандельброта и Жюлиа. 10. Моделирование углеродных нанотрубок. 11. Методы молекулярной динамики в моделировании кластерных систем и нанообъектов. 12. Применение в моделировании кинетических методов Монте-Карло. 13. Основные модели взаимодействия частиц с поверхностью. 14. Имитация роста шероховатых поверхностей. Основные типы моделей. 15. Случайное осаждение частиц на поверхность. 16. Осаждение частиц с поверхностной релаксацией. 17. Баллистическое осаждение частиц на поверхность. 18. Компьютерная реализация моделирования наносистем и нанотехнологий. 19. Типовые программные продукты и графические библиотеки для моделирования процессов нанотехнологий. 20. Теория перколяции: моделирование и приложения. 21. Глобулярная и капиллярная модели пористой среды. Модель пор между круглыми стержнями. 22. Физические характеристики пористого наноматериала. Модельный расчет. 23. Генератор случайных чисел. Стохастическая модель пористого материала. 24. Вычисление порога перколяции при моделировании перколяционного процесса оккупации средой дискретной прямоугольной решетки. 25. Моделирование процесса диффузии наночастицы в среде. 26. Модель частицы в клеточном автомате. 27. Алгоритмы одномерной и двумерной диффузии наночастицы в среде. 28. Случайное блуждание и движение броуновской частицы. 29. Классификация типов диффузионного движения. 30. Возможности компьютерного моделирования в приложении к современным нанотехнологиям. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| см. Приложение |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| см. Приложение |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | И. М. Ибрагимов, А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров | Основы компьютерного моделирования наносистем: учеб. пособие | Лань, 2010 | |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| AcrobatReader Microsoft Excel OriginLab Origin Pro 8.0 (OriginLab) и более новые версии. MatLAB 7 (MathWorks), 2010 г. и более новые версии. MathCAD 14/15 (Parametric Technology Corporation), 2007/2009 гг.и более новые версии Mathematica 4.0 (Wolfram Research, Inc www.wolfram.com.), 2009 г. и более новые версии MeVisLab 2007г. и более новые версии 3D-DOCTOR 2008 г.и более новые версии 3D slicer 4.0 2011 г. и более новые версии COMSOL Multiphysics 5.6/6.0Microsoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| ЭБС Университетская библиотека onlin - http://biblioclub.ru/index.php?page=razdel_red&sel_node=1411$ ЭБС издательства "Лань" - https://e.lanbook.com ЭБС "Юрайт" - https://biblio-online.ru/catalog/4FE39028-BB4A-49CF-AE1B-C8BA8808889E/estestvennye-nauki-463 "COMSOL Multiphysics" - https://www.comsol.ru/events | ||||
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 417К | лаборатория информационных технологий - компьютерный класс - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 12 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная - 1 шт.; шкаф с учебно-наглядными пособиями - 1 шт.; компьютеры: марка Клама С Офис – 12; проектор, экран с мультимедиа Smart - 1 ед.; учебно-наглядные пособия. |
| Основной целью при изучении дисциплины является стремление показать области применения и формирование у будущих специалистов теоретических знаний и практических навыков по использованию основов компьютерного моделирования наносистем для широкого спектра задач в профессиональной сфере. Для эффективного изучения теоретической части дисциплины «Основы компьютерного моделирования наносистем» необходимо: - построить работу по освоению дисциплины в порядке, отвечающим изучению основных этапов, согласно приведенным темам лекционного материала; - систематически проверять свои знания по контрольным вопросам и заданиям; - усвоить содержание ключевых понятий; - плотно работать с основной и дополнительной литературой по соответствующим темам. Для эффективного изучения практической части дисциплины «Основы компьютерного моделирования наносистем» рекомендуется; - систематически выполнять подготовку к практическим занятиям и лабораторным работам по предложенным преподавателем тема и методическим указаниям; - своевременно выполнять практические задания, лабораторные работы; - своевременно и систематически защищать результаты своих экспериментальных исследований. В течение семестра студенты выполняют: - домашние задания (Case-study - анализ конкретных ситуаций, ситуационный анализ), выполнение которых контролируется и обсуждается (групповое обсуждение)на практических занятиях или перед выполнением лабораторных работ (сократический диалог - подразумевающий постановку особых вопросов в процессе беседы, которые способствуют работе мышления, концентрации внимания, адекватной оценке текущей дискуссии и своей в ней роли); - промежуточные задания, во время практических или лабораторных работ (в форме дискуссий, дебатов)для выявления знаний по основным элементам новых разделов теории или методике проведения экспериментальных заданий; - построение "дерева решений" для проведения наиболее эфффективного анализа методики эксперимента, непосредственного выполнения экспериментальных исследований в ходе лабораторных работ; - обсуждают задания практических и лабораторных работ методом "Займи позицию", помогающем выяснить, какой спектр мнений может существовать по обсуждаемому вопросу и предоставляет возможность высказаться каждому, продемонстрировать различные мнения, а затем обосновать свою позицию, найти и выразить самые убедительные аргументы, сравнить их с аргументами других. |