Файл: Реферат Преподаватель Т. В. Штанг (подпись, дата).docx

Тип моделирования	Примеры программ
Визуализационное	RasMol
Вычислительное	Chem3D
Инженерное	NanoXplorer

Таблица 2 - Примеры нанотехнологических CAD-программ.

3.2 Визуализационное моделирование

Наиболее простая из современных визуализационных программ – небольшая программа RasMol, которая ничего не рассчитывает, но позволяет наблюдать в трехмерном виде нано-структуры, созданные другими. В программе можно хорошенько рассмотреть наноструктуру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы, а также экспортировать результаты в графический файл.

Рисунки 1 и 2 - Наноструктуры в окне программы RasMol. Вирус SV40 и молекула этилового спирта.

3.3 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, электро-магнитных 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 экранавтоматически выводится графическое изображение молекулы;
существуют разные виды представления молекул: стержневая, шаростержневая, ван-дер-ваальсова и другие.

Рисунок 3 - Модель серной кислоты H2SO4: а) стержневая, б) шаростержневая

в) Ван-дер-ваальсов

Можно “вручную” собрать наноструктуру, и Chem3D сам оптимизирует ее, представляя реальное расположение атомов.

Рисунок 4 - Так выглядела бы молекула этилена (C2H4) на самом деле

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

Рисунок 5 - Нагретая молекула до 1000К.

Так же можно моделировать довольно сложные структуры (приложение (1)), создавать группы и манипулировать ими (приложение (2)), можно рассмотреть наноструктуру в “реалистичном” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно-силовом микроскопе (приложение (3)).

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 (приложение (4)).

Преодоление проблемы массового производства наноструктур

Камнем преткновения нанотехнологии, основанной на зондовых методах, является невозможность организации массового производства высокотехнологичных товаров.

Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии, уже достигнуты, но технологии массового производства тех же наноэлектронных схем (подобно планарной кремниевой) как таковой не существует. Конечно, нанофабрика решила бы эту проблему в два счета, однако до ее создания, видимо, еще очень далеко. Тем не менее, уже сейчас развивается множество перспективных направлений массового производства наноструктур.

Заключение

Таким образом, для компьютерного моделирования необходимо, в первую очередь, иметь математическую модель. Почему мы говорим именно о модели, а не просто о математическом описании? Потому что любая реальная физическая система всегда очень сложна, и прежде, чем ее изучать, ученый должен четко знать, какие же свойства данной системы он хочет изучить. Например, если мы изучаем оптические свойства некоего твердого тела, нам необходимо иметь математические уравнения, описывающие именно оптические свойства, а другие свойства (теплопроводность, удельный вес и т.д.) данная модель описывать вовсе и не обязана.

Имея математическую модель в виде уравнений, мы должны перевести ее на язык компьютера, то есть написать программу. Программа, предназначенная для компьютерного моделирования, должна не только решать некие математические уравнения, но и выводить результаты расчета в наглядной форме, которая была бы удобна для визуального восприятия и сопоставления имеющимися эмпирическими данными и с данными других расчетов. Кроме того, такая программа должна давать возможность исследователю изменять различные параметры, с тем, чтобы исследовать объект в различных условиях, подобно тому, как это делается в эксперименте.

Компьютерное моделирование во многом как раз сродни экспериментальному исследованию. Если модель включает в себя все существенное, то объект в компьютере ведет себя так же, как он вел бы себя в реальности. В результате, задавая условия, в которых объект еще никем не исследовался, или, синтезируя в компьютере новый объект, мы получаем новое знание, фактически ничем не уступающее знанию, добываемому в эксперименте. Разумеется, используемая модель должна быть тщательно оттестирована на объектах, свойства которых уже хорошо изучены либо экспериментально, либо другими теоретическими методами, достоверность которых доказана и не подвергается сомнению. Однако такое правило действует и в отношении экспериментальных методов: каждый новый экспериментальный метод должен быть апробирован, испытан на уже изученных объектах.

Исследование компьютерного моделирования имеет значительный фундаментальный и прикладной интерес в науке. Фундаментальный интерес обусловлен тем, что данный метод исследования наноструктур может дать огромный толчок и ускорить процесс познания их в разы.

К проблеме исследования наночастиц через компьютерное моделирование вплотную примыкает проблема каждодневного прикладного использования. Данная проблема пока что исключает крупномасштабное использование данного метода. Тем не менее такой метод позволяет надеяться на эффективное изучение наноматериалов и наночастиц в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успеха мы станем свидетелями еще одного примера эффективного влияния фундаментальных научных исследований на научно технический прогресс.

Приложение.

Приложение 1 - Модель сложного наномеханизма.

Приложение 2 – Группа наномеханизомов.

Приложение 3 - Наноструктура в “реалистичном” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно-силовом микроскопе.

Приложение 4 - Примеры сложных и простых молекул.

Список литературы:

Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Абрамов А.В.У74 Компьютерное моделирование наноструктур: Учеб. пособиедля студентов факультета нано- и биомедицинских технологий –Саратов, 2013. –100 с.: ил. Электронное издание.
Novoselov K.S. Two-dimensional Atomic Crystals / K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T.J. Booth, V.V. Khotkevich, S.V. Morozov, A.K. Geim // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2005. — Vol. 102, No.30. — P. 10451—10453.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерное_моделирование
https://studfile.net/preview/2262275/page:2/
http://nno.dtn.ru/5/18.htm