Эссе: Математический и программный инструментарий для моделирования и анализа наноструктур

тобы создать любой нанообъект, будь то наноробот либо новая молекула, нужно сначала в детально разработать ее структуру и технологию создания. Но как это сделать, если такие структуры даже невозможно увидеть? Чтобы избежать конструирования многочисленных дорогих прототипов наносистем, чтобы понять, какая из них будет работать, а какая нет, инженеры используют модели.

Молекулярные модели могут быть разными. В самом простом случае это физические модели из цветных шариков, украшающие школьные кабинеты химии. Такие модели предельно просты и наглядны, однако их достоверность оставляет желать лучшего. Ведь атомы — это отнюдь не твердые пластиковые шарики, а сложные физические системы, живущие по своим законам.

Поскольку модели цветных шариков плохо отражают реальные свойства молекул, нанотехнологи обычно используют компьютерные модели, в которых можно задать настоящие законы квантовой физики.

Основанное на мощном математическом аппарате, компьютерное моделирование играет ключевую роль в разработке наносистем

Что же представляет собой компьютерное моделирование? Наверняка многие читатели имеют представление о различных САПР — системах автоматизированного проектирования (или по-английски CAD — computer aided design). Обычные инженеры, дизайнеры и архитекторы давно используют преимущества компьютерного моделирования, применяя в работе известные программы, такие как MathCAD, AutoCAD, ArchiCAD и т.п.

Творчество молекулярного инженера очень похоже на творчество архитектора, проектирующего здание, который, в зависимости от назначения, рассчитывает его прочность, устойчивость, удобство строительства, стоимость, влияние окружающей среды и т.п. При этом большинство необходимых расчетов, основанных на теоретических данных, берет на себя компьютерная программа. При современном уровне знаний, позволяющем судить о квантовых законах с большой достоверностью, расчет и моделирование наноструктур стали вполне реальной задачей, сходной с обычными задачами CAD.

Существуют несколько основных типов математического моделирования в нанотехнологии:

Тип моделирования   

Примеры программ

Визуализационное    

RasMol

Вычислительное        

Chem3D

Инженерное  

NanoXplorer

Визуализационное моделирование

Наиболее простая из современных визуализационных программ — небольшая программа RasMol, которая ничего не рассчитывает, но позволяет наблюдать в трехмерном виде наноструктуры, созданные другими.

В программе можно хорошенько рассмотреть наноструктуру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы, а также экспортировать результаты в графический файл. На сайте www.pdb.org есть модели всех известных белков и биомолекул, а на нашем сайте есть даже модели деталей будущих наномашин.

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 экран автоматически выводится графическое изображение молекулы;

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

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

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

• основные молекулы, необходимые для наномоделей, уже созданы, и хранятся в базе данных. Это общеизвестные вещества: H2O, C2H2, C6H6gt; АТФ, а также молекулы посложнее

- от различных современных лекарств до сложных биомолекул;

Кристалл соли NaCI

Н(А1а)12(ЭН

• если же необходимо построить структуру из отдельных атомов и посмотреть, как она будет выглядеть в реальности (если, конечно, эта структура не противоречит химическим зако-

Инструменты нанотехнологии

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.

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:

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

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 демо-версия 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 затем 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 координаты 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 затем 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.

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

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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ 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 нанотехнолога) лабиринтам макроскопических микросхем. Совершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.