ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время происходят коренные изменения в сфере высоких технологий — электронике, информационных технологиях, микромеханике, а также в других областях человеческой деятельности, связанных с фундаментальными и прикладными исследованиями, конструированием и практическим использованием материалов и устройств, элементы которых имеют размеры менее 100 нанометров.

Нанотехнология — это совокупность методов и приемов структурирования вещества на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Благодаря ей существует возможность создавать как объекты, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба, так и материалы, содержащие структурные наночастицы и обладающие новыми свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Наиболее важные особенности характеристик наносистем вызваны не конкретным фактором уменьшения размера частиц, элементов или структур, а принципиально новыми качественными явлениями, присущими наномасштабу, когда на макроскопические параметры получаемых продуктов оказывают влияние закономерности квантовой механики и размерных поверхностных эффектов. Использование указанных особенностей наноструктур позволяет существенно улучшить свойства материалов и создать устройства с возможностями, которые ранее были недостижимы на основе применения традиционных технологий. Возможность синтезировать наноразмерные структуры с точно контролируемыми размерами и составом, а затем собирать их в структуры больших размеров с уникальными свойствами и функциями приведет к радикальным изменениям в технологии многих отраслей промышленности.

Нанотехнологию вполне можно назвать молекулярным производством. Природное молекулярное «производство», собирая свои структуры по принципу «снизу вверх», создало всего из трех элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов) все многообразие окружающего нас мира. Само существование разнообразных живых организмов, функционирование и эволюция которых определяются взаимодействием наноразмерных структур, — убедительное свидетельство успеха такого технологического процесса. В то же время искусственное молекулярное производство осуществляется пока в основном «сверху вниз»: от трехмерных неорганических веществ к двухмерным и одномерным распределениям наноразмерных элементов, применяемых для создания наноструктурных материалов или выполняющих функции электронных, магнитных и других устройств. Решающим же условием создания успешно функционирующих искусственных наносистем и осуществления, как в природе, принципа сборки «снизу вверх» является активное развитие вычислительной нанотехнологии.

По мере того как какая-либо наука становится более точной, в ней во все больших масштабах используется точное математическое описание изучаемых объектов и явлений. В частности, данный принцип давно утвердился во многих областях физики. Однако это не всегда находит понимание среди специалистов в области нанотехнологии из-за отсутствия опыта по математическому моделированию наносистем.

Для создания любого нанообъекта, молекулярного кластера или наноробота нужно сначала детально разработать его структуру и технологию сборки. Чтобы избежать бесполезного конструирования и сборки многочисленных дорогих прототипов наносистем, понять, какая из них будет работать, а какая нет, используют методы компьютерного моделирования. С помощью такого моделирования, которое содержит в своей основе большое количество экспериментальной информации, можно (в рамках определенных границ) описать поведение проектируемых наносистем. Более того, компьютерное моделирование в ряде случаев является катализатором для экспериментальных исследований и производства.

В последнее время расширяется круг задач, при решении которых применяется компьютерное моделирование. Если в прошлом моделирование, в частности компьютерное, было направлено на количественное описание процессов в материалах, то в настоящее время большое внимание уделяется созданию новых перспективных материалов и прогнозированию их свойств. Для решения этой задачи необходимо многомасштабное сквозное описание макрообъекта «снизу вверх», так как строение и свойства конечного макрообъекта определяются строением и свойствами всех нижележащих уровней иерархической структуры материала.

Бурный прогресс в разработке и использовании квантовохимических методов, развитие вычислительной техники и программного обеспечения привели к широкому применению компьютерного моделирования в физике и химии. Сейчас можно теоретически изучать неизвестные кристаллические структуры, кластеры и молекулы, исследовать пути прохождения и переходные состояния химических реакций и т. д. Опыт показывает, что результатам квантовохимических и молекулярно-динамических расчетов вполне можно доверять и что их экспериментальная проверка не всегда обязательна. Современная ситуация такова: специалисты, занимающиеся подобными расчетами, имеют в своем распоряжении мощные и в то же время простые в обращении вычислительные средства, которые с каждым днем становятся все более доступными.

Понимание физической сущности процессов — необходимое условие правильного выбора нужных расчетных программ из большого количества программных продуктов. Конечно, при обилии программного обеспечения пользователи могут работать и без осмысления основных физических принципов исследуемых процессов, но без знания фундаментальных понятий их работа становится в значительной мере малопродуктивной и даже неэффективной по указанной ниже причине.

Существующие модели и приближения — достаточно сильный инструмент как для понимания процессов, так и для осуществления целей исследования. В то же время при применении таких инструментов возникает некоторая потеря точности результатов, зависящая от мощности вычислительных ресурсов. Таким образом, чем более сложной и более точной является вычислительная модель, тем дороже будет использование вычислительных ресурсов. Поэтому пользователь должен разбираться в физических и математические принципах, на которых базируются используемые программы, знать их возможные погрешности и случаи, когда ими можно пренебрегать. Это позволит обеспечить максимальную точность получаемых результатов с минимальными затратами вычислительных ресурсов.

В данном учебном пособии приведен систематизированный краткий обзор фундаментальных понятий и принципов, которые формируют общетеоретическое основание процессов нанотехнологии.

Цель учебного пособия — изложить в доступной форме, не теряя при этом научной строгости, физическую сущность процессов, происходящих в наноразмерном мире. Книга разработана в качестве первого знакомства с изучаемым предметом, в нее включены фундаментальные понятия и определения многомасштабных явлений нанотехнологии.

Изложение учебного материала проводится для различных иерархических уровней строения материи по схеме «снизу вверх» — от уравнения Шрёдингера к фазовым диаграммам. Сначала рассмотрена атомная структура, подчиненная закономерностям квантовой механики, затем последовательно изложены строение молекул, супрамолекулярных систем, нанокластеров и фазовые состояния сплошной среды. Особое внимание при этом уделено моделированию взаимодействия частиц на каждом иерархическом уровне. Также рассмотрена весьма перспективная методология многомасштабного моделирования материалов и процессов. Большое прикладное значение имеет описание различных программных продуктов по расчету молекулярных систем.

Содержание данного учебного пособия ориентировано исключительно на получение необходимого уровня знаний для эффективного использования существующего программного обеспечения моделирования наносистем. Если есть потребность перейти от изложенного в учебном пособии основного уровня к более сложным проблемам, возможно сделать это поэтапно с пониманием фундаментальных принципов, обратившись к опубликованному в издании перечню соответствующих литературных источников.

Вычислительные методы нанотехнологии объединяют теоретические положения и моделирование в физике, химии, биологии, материаловедении, информатике, других точных и естественных науках. Поэтому нет сомнения в том, что компьютерное моделирование наноструктур как междисциплинарный инструмент, способный обеспечить решение многих сложных проблем нанотехнологии, в скором времени станет обязательным предметом при обучении студентов вузов и специалистов в области вычислительной нанотехнологии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >