X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Успехи в изучении строения вещества раскрыли перед исследователями новый мир — мир мельчайших частиц. В последние десятилетия в научной лексике появляется ряд новых слов с префиксом «нано»: наноструктура, нанотехнология, наноматериал, и т.п. В большинстве случаев новые названия даны давно известным объектам и явлениям. Но есть объекты, которых практически не было в арсенале исследователей и без которых сегодня уже невозможно представить современное развитие. Такие объекты называют наномиром, в отличие от мира крупных тел, наномир недоступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы.

Идея нантехнологической революции существует не только в пределах научного сообщества, она все более завоевывает сторонников среди широкой общественности по мере того, как появляется все больше работ, рассматривающих вопрос о том вкладе, которые нанотехнологии могут внести в будущем. Термин «нанотехнология» был создан еще в шестидесятых годах. Можно утверждать, что материаловеды и химики работали в области нанотехнологий с самого первого момента возникновения их научной области.

Однако настоящий переход к использованию наночастиц произошел не ранее начала двадцатого века. Это связано с тем, что учёные ещё не могли наблюдать частицы такого размера, так как они лежат ниже пределов разрешимости светового микроскопа. Впервые объекты наномира обнаружили в 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска — создатели первого электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло приступить к изучению объектов микронных и нанометровых размеров.

Дословно в переводе с греческого языка «nanos» звучит как «карлик». Приставка «нано» означает одну миллиардную часть, например, один нанометр в один миллиард раз меньше обычного метра. Наночастица — это частица, размер которой определяется как десять в минус девятой степени метра. Основными объектами наномира являются атомы и молекулы, размеры которых как раз лежат в нанометровых масштабах [1].

Все вещества, в конечном счете, состоят из элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.), обладающих не равной нулю массой покоя, т.е. массой, отнесенной к некоторой системе отсчета, в которой эти частицы являются неподвижными. Естественные науки (физика, химия, биология) изучают главным образом вещества, организованные из атомов и молекул. Атом – это электрически нейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра, образованного нуклидами (протонами и нейтронами), и отрицательно заряженной оболочки, образованной электронами. Атом является наименьшей частицей элемента, характеризующуюся определенным порядковым номером, который численно равен модулю заряда нуклидов и однозначно определяет химическую индивидуальность элемента и его положение в Периодической системе химических элементов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных химических элементов образуют более сложные частицы – молекулы [1].

После открытия наномира ученые установили, что молекулы в природе могут очень сильно отличаться друг от друга, что и обеспечивает такое разнообразие материи в мире. Простые молекулы состоят из двух-трех атомов, однако, существуют и такие, которые имеют в своем составе тысячи атомов, соединенных друг с другом в сложной последовательности (например, молекула каучука состоит примерно из 75 тысяч атомов углерода и 100 000 атомов водорода). Форма молекул может быть так же самой разнообразной: одни из них представляют собой длинные нити, другие – закрученные спирали, а третьи свернуты в клубочек, напоминающий футбольный мяч.

Существует много разных способов классификации нанообъектов. В.В. Ерёмин классифицирует нанообъекты подразделяя на два больших класса – сплошные («внешние») и пористые («внутренние») (рис. 1.) [1].

Сплошные объекты классифицируют по размерности:

1) объемные трехмерные (3D) структуры, их называют нанокластерамит (cluster – скопление, гроздь);

2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки;

3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити, или нанопроволоки (nanowires);

4) нульмерные (0D) объекты – наноточки, или квантовые точки. К пористым структурам относят нанотрубки и нанопористые материалы [2].

Рис. 1. Классификация нанообъектов

Одни из наиболее активно изучаемых структур – нанокластеры. Они состоят из атомов металлов или относительно простых молекул. Среди других нанообъектов наиболее полно изучены нанотрубки. Так называют протяжные цилиндрические структуры, имеющие размеры нескольких нанометров. Примером одномерных нанообъектов служат нанонити, или нанопроволоки - протяженные наноструктуры с сечением менее 10 нм. Примером двумерных нанообъектов служат нанопленки. Благодаря очень малой толщине (всего в одну или две молекулы) они пропускают свет и незаметны для глаза. Если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Одиночные нанокристаллы полупроводников размером до 10–50 нм называют квантовыми точками. Их считают нуль-мерными нанообъектами. Такие нанообъекты содержат от ста до ста тысяч атомов. Как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму [2].

Е.А. Гудулин определил сложность проведения физического эксперимента с наноразмернами объектами следующими факторами [3]:

Колоссальная разница в масштабах между объектами привычного мира и объектами атомарного масштаба делает чрезвычайно затруднительными экспериментальные исследования в области нанообъектов. Получаемая в экспериментах с атомарным разрешением информация имеет всё более косвенный характер, а сами эксперименты часто не позволяют получить достаточное количество информации о сложных наноразмерных системах, состоящих из большого числа различных, сложным образом взаимодействующих друг с другом частей.

Сложность с временным разрешением экспериментов. Процессы, происходящие на уровне нанообъектов, обычно имеют характерные времена от фемтосекунд до наносекунд. Детальное слежение за процессами, протекающими за такие времена, обычно невозможно в силу того, что экспериментальные устройства так же состоят из атомов и молекул, и их временное разрешение ограничено теми же временными масштабами.

Интерпретация экспериментальных результатов. Наноструктуры относятся к "промежуточному" диапазону размеров, на котором определяющее значение имеет атомарная структура объектов, но сами объекты уже состоят из большого количества атомов. Этот фактор часто не позволяет хорошо понять поведение наноструктур, затрудняя построение простых феноменологических моделей.

Как отмечает Е.А. Гудулин, когда постановка прямого эксперимента или разработка простой модели затруднительна или невозможна (астрофизика, исследование процессов в недрах планет при сверхвысоких температурах и давлениях), незаменимым методом исследования и проектирования является компьютерное моделирование. При этом вместо информативных высокоуровневых феноменологических моделей, разработанных под конкретную задачу, используются более универсальные принципы (например, фундаментальные законы квантовой механики). За счёт этого сложность задачи сильно возрастает, однако, превосходство вычислительной мощности компьютеров над возможностями человека часто позволяет решить задачи, принципиально неразрешимые на аналитическом уровне [3].

Детальное моделирование атомарной структуры и эволюции нанообъекта позволяет исследователю проследить практически за всеми аспектами поведения модельной системы с любым нужным ему пространственным и временным разрешением (при условии наличия достаточных вычислительных ресурсов) — от макроскопических параметров вроде общей формы частицы и до локальных характеристик отдельных атомов. При этом тот факт, что моделирование основывается на базовых физических законах, позволяет обнаружить новые особенности поведения модельной системы, которые, по самому построению, в высокоуровневых теориях должны вводиться на основе уже имеющихся знаний. В этом отношении моделирование весьма схоже с реальным физическим экспериментом, и во многих случаях исследователь, проводящий моделирование на компьютере, ощущает себя подобно экспериментатору, работающему со сложным измерительным прибором [3].

Кроме того, компьютерное моделирование оказывается незаменимым инструментом при решении “инженерных” задач, целью которых является оптимизация тех или иных наноструктур и наноматериалов под заданное приложение. При этом большую выгоду можно получить с помощью “виртуального прототипирования”, рассчитывая характеристики объектов-кандидатов без необходимости их реального синтеза, что подчас является слишком дорогостоящей задачей, чтобы отбор можно было произвести на основании реальных измерений [3].

Таким образом, самым удобным способом понять, что происходит на уровнях наноразмерных объектов, считается научная и научно-популярная визуализация процессов, происходящих на этих уровнях. Благодаря динамической, трехмерной и интерактивной визуализации становится легче работать с информацией получаемой об объекте наномира. Моделирование таких сложных объектов необходимо ученым для полного исследования свойств таких объектов.

Именно поэтому очень эффективным способом исследования, моделирования и демонстрации процессов в наномирах является трехмерная компьютерная визуализация. Иными словами, это создание виртуальных наномиров, которые в точности повторяют все известные человеку физические процессы, но в искусственной компьютерной среде.

Объекты наномира идеальны для моделирования и их визуализации с помощью графических программ. Графическая интерпретация наноструктур состоит из ряда операций, которые могут проводиться в двух независимых направлениях. Первое – это художественное направление, включающее обработку фотографий в среде двумерного растрового или векторного графического редакторов для визуализации наномира и представления художественных композиций на его основе.

Вторым направлением является тонкое техническое исследование по созданию трёхмерных образов на основе ряда последовательных двумерных изображений наноструктур. Где в результате формируется твёрдотельный образ элементов, входящих в состав наноструктур, в среде стандартного графического трёхмерного редактора, с помощью которого осуществляется процесс моделирования. Трёхмерное представление объектов расширяет возможности материаловедческого анализа. Для повышения достоверности результатов проводится сопоставление полученных трёхмерных образов с информацией о тех же наноструктурах, полученной другими, например, контактными методами [1].

Моделирование позволяет в мельчайших деталях предсказать и проследить за атомарной структурой и динамикой наночастиц и наноматериалов, исследовать процессы химического катализа на наноуровне, изучать электронную структуру и транспортные свойства молекулярных электронных устройств. Фактически, на сегодняшний день, именно нанотехнологии и смежные области являются основными потребителями машинного времени во всех мировых суперкомпьютерных центрах широкой специализации [3].

Доступность вычислительной техники петафлопсного масштаба (производительностью более квадриллиона операций в секунду) постепенно позволяет исследователям переходить от моделирования “по аналогии” на примерах простых модельных систем к вполне реалистичным расчётам на размерных и временных масштабах, действительно имеющих значение при работе с моделями нанообъектов. С другой стороны, большая важность методов компьютерного моделирования стимулирует чрезвычайно активную разработку новых параллельных вычислительных алгоритмов, необходимых для использования столь больших мощностей [3].

По мнению В.Ю. Опанасенко: «Использование компьютерного моделирования является определяющим фактором успеха в области исследований объектов наноуровня, и в перспективе – создания новых материалов и устройств на их основе. Ученые получают возможность исследовать целые системы методами визуализации, что на порядки сокращает затраты на экспериментальные исследования и сроки завершения проектов, позволяет сделать новые открытия там, где раньше это было невозможно» [3].

За последние 15 лет компьютерное моделирование вышло на новый уровень. Программное обеспечение заметно эволюционировало в плане мощности и простоты обращения, графический интерфейс стал приближен к пользователю. Если раньше численное моделирование было немыслимо без привлечения профессиональных вычислителей и программистов, то появившиеся сейчас пакеты позволяют учёным самостоятельно строить компьютерные модели. К этому стоит добавить создание мощных средств визуализации. Современная компьютерная графика и анимация позволяют рассчитать и нарисовать на экране монитора сцены из жизни наномира [1].

Таким образом, наномир - это многофункциональная система, изучение которой затрудняется ввиду её малых размеров. Применение методов компьютерного моделирования наночастиц зарекомендовало себя как важнейший исследовательский инструмент наномира. Компьютерные модели нанообъектов проще и удобнее исследовать, когда реальные эксперименты затруднены из-за физических препятствий. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого наноразмерного объекта-оригинала (или целого класса объектов).

Список литературы:

Информационно-образовательный ресурс по нанотехнологиям [Электронный ресурс]; URL: http://nanotech (дата обращения 23.12.2017).

Еремин В.В. Нанохимия и нанотехнология: Учебно-метод. пособие / В.В. Ерёмин – М.: Первое сентября, 2015. – 92 с.

Гудилин Е.А. Суперкомпьютеры в нанотехнологиях / Е.А. Гудулин URL: http://www.nanometer.ru/ - (дата обращения 23.12.2017).

Код для цитирования: Скопировать