Вычислительное моделирование

Смотреть чужие модели наноструктур, конечно интересно, но гораздо интереснее строить их самим. Для этого используют математическое моделирование методами квантовой механики, молекулярной динамики и различные статистические подходы. С их помощью можно увидеть не только трехмерную модель объекта, но и его поведение при воздействии температуры, электромагнитных полей, гамма квантов, и др. Рассмотрим одну из популярных программ – Chem3D. Графический интерфейс делает ее очень удобной и понятной:

§ любую химическую формулу можно набрать на клавиатуре, после чего на экран автоматически выводится графическое изображение молекулы;

§ существуют разные виды представления молекул: стержневая, шаростержневая, ван дер ваальсова и другие.

                    а)                      б)                             в)

Рис 147. Модель серной кислоты H2SO4: а) стержневая, б) шаростержневая в) Ван дер ваальсова

§ можно “вручную” собрать наноструктуру, и Chem3D сам оптимизирует ее, представляя реальное расположение атомов;

Рис 148. Так выглядела бы молекула этилена (C₂H₄) на самом деле

· молекулярная механика позволяет “нагреть” структуру, повлиять на нее электромагнитными полями и посмотреть динамику этих взаимодействий;

Рис 149. Наш логотип нагретый до 1000К

· можно моделировать довольно сложные структуры;

Рис 150. Модель сложного наномеханизма

· или создавать группы и манипулировать ими;

Рис 151. Можно собирать, разбирать наноструктуры и перемещать их по экрану

· можно рассмотреть наноструктуру в “реалистичном” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно силовом микроскопе;

Рис 152. Картина Ван дер ваальсовых сил наповерхности нанообъекта

· основные молекулы, необходимые для наномоделей, уже созданы, и хранятся в базе данных. Это общеизвестные вещества: H₂O, C₂H₂, C₆H₆, АТФ, а также молекулы посложнее от различных современных лекарств до сложных биомолекул;

Рис 153. Примеры сложных и простых молекул

· если же необходимо построить структуру из отдельных атомов и посмотреть, как она будет выглядеть в реальности (если, конечно, эта структура не противоречит химическим законам природы), то можно создавать отдельные атомы, набирая их символы соответственно таблице Менделеева, а потом соединить их химическими связями.

Рис 154. Процесс построения наностержня диаметром шесть атомов углерода

Можно видеть, что полученная структура не отличается “упорядоченностью”. Но это нам и не нужно. Все равно, как бы точно мы ни располагали атомы относительно друг друга, компьютер сделает это точнее, решая уравнения квантовой механики. Теперь это не просто плод нашей фантазии, а вполне реальное расположение атомов с соответствующими химическими связями между ними. Такая структура не противоречит законам природы, а значит, ее можно будет когда либо создать.

Рис 155. Минимизация энергии   реальный вид структуры

Таким образом, копируя и добавляя необходимые связи, можно добиться любой длины стержня. Снова минимизируя энергию, мы увидим, что структура не выпрямилась, как мы бы хотели, а наоборот, стала искривленной: Это не ошибка, а реальное расположение атомов. Программа показала, что стержень с такой структурой будет кривым. Так что для того, чтобы получить “гладкий” стержень, необходимо придумать другую молекулярную конфигурацию. Попробуем, например, конфигурацию, основанную на четырех атомах углерода:

Минимизируя энергию, получаем следующую структуру:

Рис 157. “Чертеж” наностержня из 4х атомов углерода

Видим, что это уже прямая структура, которую можно использовать в наномеханизмах. На основе таких стержней воз можно построение механокомпьютеров и молекулярных ячеек памяти.

Рис 158. Наностержень на основе четырех атомов углерода

Здесь рассмотрены только некоторые из возможностей, предоставляемых Chem3D. Программа “умеет” также многое другое: от визуализации структуры белков до расчета электрохимических потенциалов и молекулярных орбиталей. Без сомнения, лучший способ ознакомиться с программой – установить ее и попробовать самому. Ее демоверсия есть на одном из дисков серии “Мир нанотехнологий”, выпускаемых компанией Nanotechnology News Network.

Инженерное моделирование

Теперь поговорим о различных программах, помогающих инженеру нанотехнологу создавать наносистемы, которые за тем можно испытать, подвергая различным тестам.

С тех пор, как алхимики начали обозначать таинственными символами химические элементы, человечество изобрело множество способов записи информации о веществе: от химических формул до компьютерных файлов, содержащих координа ты каждого атома. Так, например, для описания продукта микронных размеров необходимо учесть взаимное расположение триллионов атомов, составляющих продукт. Однако после создания различных “шаблонов” и готовых узлов описание можно свести к файлу малого размера, содержащего набор и описание шаблонов, деталей и их взаимосвязей. Если необходимо заполнить определенный объем, то это можно описать с помощью “шаблона” элементарной единицы объема и использовать за тем этот шаблон столько раз, сколько необходимо для заполнения искомого объема.

Описание дизайна нанодеталей должно быть параметрическим. То есть если нужно построить нанотрубку, то необходимо создать модель одной секции нанотрубки, указав ее длину. Задаем затем длину всей нанотрубки и программа самостоятельно дублирует модель одной секции нужное количество раз.

Компания NanoTitan разработала иерархический язык описания наноструктур nanoML (на основе языка XML). С его помощью можно описать наносистему на молекулярном уровне, а также определить ее основные электрические, оптические, физические свойства, информацию о применении, авторских правах изобретателя и др.

Модель наноустройства описывается отдельными наносистемами и молекулярными машинами, которые, в свою очередь, разворачиваются в набор молекул, нанотрубок, других деталей и взаимосвязей между ними. Для облегчения работы с языком nanoML и создана программа NanoXplorer, позволяющая создавать модели наноустройств по примеру программы AutoCAD. Различия, разумеется, есть, однако проектировать наноустройства в программе NanoXplorer гораздо легче, чем, например, в Chem 3D, которая ограничивается моделированием отдельных узлов наномашин.

Установив программу на своем компьютере, пользователь получает доступ к всемирной базе данных наноструктур. С ее помощью можно использовать в своей разработке уже созданные модели наноподшипников, валов, компьютеров, двигателей, манипуляторов и пр. С другой стороны, создав свою собственную структуру, можно через Internet закачать ее в базу данных для использования такими же изобретателями. Таким образом, база данных постоянно пополняется новыми моделями наноструктур.

Рис 159. Интерфейс программы NanoXplorer

 

С помощью программы можно создать разнообразные модели: от биочипов и искусственных энзимов до нанороботов.

Рис 160. Панель инструментов NanoXplorer

Рис 161. Настройка свойств нанотрубки в NanoXplorer

Рис 162. Просмотр полученной нанотрубки

Рис. 9. Нанопоршень из фуллерена и нанотрубки

С помощью программы NanoXplorer разработано уже немало сложных и функциональных наносистем (см. рисунок 163).

Рис 163. Модели наносистем: а) нанонасос для атомов Ne, б) наноманипулятор, в)наноподшипник из углерода

Прогресс компьютерного моделирования наноструктур очень сильно зависит от мощности имеющихся компьютеров и эффективности вычислительных алгоритмов. Чем мощнее компьютер и чем оптимальнее его программа, тем более сложную наносистему можно спроектировать. Поскольку, согласно закону Мура, производительность компьютеров со временем растет экспоненциально, с каждым годом ученым становятся доступны все новые и новые возможности. Достижения наноэлектроники, основанной на точных компьютерных моделях квантовых явлений, позволят создать еще более мощные компьютеры, способные быстро рассчитывать сверхсложные наносистемы, например, нанороботов из миллиардов атомов.

Сегодня, чтобы смоделировать несколько атомов, компьютер перегоняет миллиард раз в секунду неимоверные количества электронов по запутанным и гигантским (с точки зрения на нотехнолога) лабиринтам макроскопических микросхем. Совершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.

 Зондовые нанотехнологии  

Атомная инженерия Нанотехнологии, использующие сканирующие зонды, базируются на научном фундаменте и технических приемах, разработанных для сканирующей туннельной микроскопии и атомной силовой микроскопии. В их основе лежит возможность позиционирования с высокой точностью атомарно острого зонда вблизи поверхности образца. Контролируя возмущение, создаваемое зондом у поверхности образца, можно осуществлять управляемую локальную модификацию этой поверхности с атомным разрешением. Этому способствуют экстремальные условия, которые можно реализовать у острия зонда, а именно – электрические поля напряженностью до 10⁹ В/м и пропускать токи с плотностью до 10⁷ А/см². Преимущества использования зондовых методов модификации материалов включают не только высокую локальность воздействия, но и возможности непосредственной визуализации результата воздействия и даже локальных электрических измерений с использованием того же самого зонда.

Развитие атомной инженерии связано, прежде всего, с использованием техники сканирующей туннельной микроскопии. В зависимости от специфики наблюдаемых при этом закономерностей выделяют параллельные и перпендикулярные процессы переноса атомов. В параллельных процессах атомы или молекулы заставляют двигаться вдоль поверхности. В перпендикулярных процессах их переносят с поверхности на острие зонда и обратно. Такую перестройку можно рассматривать как серию последовательных действий, приводящих к селективному разрыву химических связей между атомами и к последующему образованию новых связей. Параллельные процессы Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть осуществлено в процессе полевой диффузии или скольжения. Полевая диффузияадсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30…50В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. В обоих случаях связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрываются. Адсорбированный атом всегда находится в потенциальной яме. Энергия, необходимая для его перемещения, соответствует энергетическому барьеру для диффузии по поверхности. Она обычно находится в пределах от 1/10 до 1/3 от энергии адсорбции, что соответствует диапазону 0, 01–1, 0 эВ.

 Полевая диффузия адсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30–50 В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. Для ускорения же поверхностной диффузии достаточно электрических полей и меньшей напряженности. Взаимодействие дипольного момента адсорбированного атома с неоднородным электрическим полем, индуцированным в его окрестности зондом, приводит к диффузии этого атома в направлении убывания созданного градиента потенциала. Эта потенциальная энергия добавляется к периодическому потенциалу поверхности (рис. 3.5, а), образуя потенциальный рельеф, благоприятный для направленного движения адсорбированного атома в область, находящуюся непосредственно под острием зонда. Возможно два варианта результирующего потенциального рельефа, который зависит от особенностей взаимодействия рассматриваемого атома и зонда. 

Рис. 3.5. Потенциальная энергия атома, адсорбированного на поверхности кристаллической подложки, в зависимости от его положения относительно зонда сканирующего туннельного микроскопа

При слабом взаимодействии обычно формируется широкая потенциальная яма (рис. 3.5, б) с рельефом, модулированным периодическим потенциалом поверхности. В случае же сильного ориентированного взаимного притяжения атома и зонда, связанного с их химической природой, потенциальная яма для атома сужается и локализуется строго под зондом (рис. 3.5, в). В процессе диффузии по поверхности адсорбированный атом «проваливается» в эту яму и задерживается в ней.

Скольжение инициируется силами взаимодействия атомов зонда и перемещаемого атома на поверхности. Величина этих сил определяется потенциалом межатомного взаимодействия. Задавая определенное положение зонда, можно управлять величиной и направлением действия результирующей этих сил.

Манипуляция атомом посредством скольжения схематически показана на рис. 3.6. Первоначально зонд устанавливается в позиции наблюдения адсорбированного атома по обычной процедуре. Затем зонд приближают к атому на расстояние, необходимое для проявления сил межатомного взаимодействия. Это достигается заданием большей величины туннельного тока. Поддерживая его постоянным, зонд перемещают вдоль поверхности в новую позицию, после чего, уменьшая контролируемый туннельный ток, отводят от поверхности на прежнее расстояние. 

Рис. 3.6. Схема манипулирования атомами посредством скольжения а и д – наблюдение; б – связывание с зондом; в – скольжение; г – отделение от зонда 

 

 Для того чтобы атом на поверхности двигался в направлении перемещения зонда, результирующая сил их межатомного взаимодействия должна превышать силу связи атома с подложкой.

Перпендикулярные процессы.

В этой группе процессов отдельные атомы, молекулы или их группы переносятся с поверхности подложки на острие зонда и обратно. Контактный перенос представляет собой простейшую реализацию перпендикулярных процессов. Он осуществляется путем сближения зонда и предназначенного для переноса атома до расстояния, при котором потенциальные ямы для адсорбции на зонде и на подложке не сольются. Атом в такой ситуации оказывается одновременно связанным и с зондом, и с подложкой. Зонд затем отводят от поверхности вместе с адсорбированным на нем атомом. Безусловно, что такое поведение перемещаемого атома может иметь место лишь в случае, когда его связь с подложкой слабее сил адсорбции на зонде.

Классический пример, иллюстрирующий возможности манипулирования атомами на поверхности твердого тела, показан на рис. 3.7. Искусственный коралл построен из атомов железа на поверхности меди. Изображение этого коралла, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, представляет собой распределение плотности электронных состояний, соответствующих атомам железа и меди.

Рис.3.7. Изображение в сканирующем туннельном микроскопе искусственного коралла, созданного из 48 атомов Fe на Cu-подложке.

 

Рассмотренные подходы к манипулированию атомами на поверхности подложки составляют основы атомной инженерии. Они позволяют создавать наноразмерные структуры с заданным атомным составом.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: