Drobiazgi nie będą więcej utrudniać projektowania struktur w skali nano
Wysokiej jakości nanomateriały i nanourządzenia o wysokiej funkcjonalności to przyszłość sektora zaawansowanych technologii. Jednakże projektowanie nanostruktur wymaga użycia właściwych narzędzi numerycznych oraz głębokiej znajomości przejść wieloskalowych i sposobów interpretacji symulacji wieloukładowych modeli fizycznych (multifizyka). Niestety obecnie na rynku nie ma żadnego narzędzia łączącego oprogramowanie lokalne z sieciowym, ani wykonanego na zlecenie, ani licencjonowanego. Z tego powodu uczestnicy finansowanego przez UE projektu MMP (Multiscale Modelling Platform: Smart design of nano-enabled products in green technologies) zdecydowali się opracować platformę modelowania zawierającą specjalne funkcje przystosowane do rozwiązywania problemów inżynierii wieloskalowych systemów multifizycznych. Aby umożliwić integrację z istniejącym oprogramowaniem do modelowania i repozytoriami danych, ta generyczna, modułowa platforma została wyposażona w mechanizmy standaryzacji danych i przejrzyste interfejsy aplikacji. W pogoni za interoperacyjnością Bardzo często specjalistyczne narzędzia symulacyjne i bazy danych zawierają wiedzę naukową tylko z konkretnych zakresów tematycznych. Obecnie trwają próby scalenia wiedzy zgromadzonej w wielu źródłach, co znacznie ułatwiłoby procesy projektowania i wytwarzania nowych materiałów i produktów. Problem scalenia wiedzy z różnych dziedzin nauki jest w tym jednak pomijany. Nanoinżynieria z samej swej natury jest dziedziną multidyscyplinarną, zaś zasoby wykorzystywane do modelowania i symulacji są rozproszone po wielu firmach prywatnych czy instytutach naukowych. Ponieważ fundamentem każdego innowacyjnego rozwiązania jest współpraca, uczestnicy projektu MMP zdecydowali się stworzyć infrastrukturę, za pośrednictwem której te niezależne narzędzia symulacyjne i bazy danych będą w stanie współdziałać. Innymi słowy, chcieli umożliwić modelom komunikowanie się między sobą. „Ułatwi to opracowywanie złożonych, multifizycznych modeli oraz ich w pełni automatyczny przebieg, a tym samym wzajemną wymianę danych, komunikację i wykonywanie” – wyjaśnia koordynator projektu, pani Sjoukje Wiegersma. Powstała platforma MuPIF obsługiwana jest za pośrednictwem abstrakcyjnych interfejsów zaprojektowanych przez zespół. Interfejsy te można podłączyć do narzędzi symulacyjnych i komponentów baz danych za pośrednictwem istniejących narzędzi i bibliotek. Takie podejście zapewnia modułowość przepływu pracy i możliwość jego rozbudowy niezależnie od wybranego narzędzia czy formatu danych. Do wykazania efektywności platformy wykorzystano wieloukładowy model prostego sprzężenia termomechanicznego oraz wieloskalowy model homogenizacji obliczeniowej, co częściowo było spowodowane możliwością ich dowolnego rozszerzenia o inne metody modelowania. Uniwersalność i moc obliczeniową platformy poddano dalszej ocenie z użyciem dwóch studiów przypadku dotyczących wydajności konwersji światła z luminoforu fosforowego w diodach LED oraz wytwarzania cienkich warstw CIGS dla urządzeń fotowoltaicznych. Platforma do budowy lepszej przyszłości Opracowanie interoperacyjnego systemu nie było łatwe, ponieważ, jak twierdzi pani Wiegersma, „największym wyzwaniem dla twórców platformy było prawidłowe zdefiniowanie mechanizmów zmiany skali oraz wymiany informacji pomiędzy skalami”. Jednakże, jak zapewnia pani Wiegersma, „wśród odniesionych korzyści należy wymienić znaczne ograniczenie konieczności ręcznego kodowania, interoperacyjność opartą na ustandaryzowanych wzorcach oraz potencjalną dostępność wielu narzędzi”. Platforma ta pozwoli również producentom zmniejszyć koszty opracowania produktu, skrócić czas wprowadzania na rynek i zwiększyć wydajność produkcji. Rozwiązanie MuPIF zostało rozpowszechnione jako oprogramowanie open source dostępem do dokumentacji online. Dzięki temu przyszli użytkownicy platformy, np. małe i średnie przedsiębiorstwa, nie tylko odniosą korzyści, ale również wniosą własny wkład w rozwój projektu oraz nowych produktów.
Słowa kluczowe
MMP, modelowanie wieloskalowe, multifizyka, interoperacyjność, projektowanie nanostruktur, nanotechnologia, narzędzia symulacyjne, platforma modelowania
