Компьютерное моделирование в молекулярной нанотехнологии
Пионером этого направления можно по праву считать Эрика Дрекслера, опубликовавшего пять лет назад книгу Eric Drexler, Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, John Wiley & Sons, 1992 г. По своим потенциальным возможностям молекулярная нанотехнология находится на значительно более высоком технологическом уровне по сравнению со всем тем, что было до сих пор достигнуто человечеством, поскольку только в ней декларируется возможность специфицировать производимое изделие с точностью до одного атома. В этом смысле она резко отличается от других нанотехнологических подходов, например, от техники напыления атомов на подложку при помощи туннельного сканирующего микроскопа, где изделие специфицируется лишь с точностью до некоторого статистического ансамбля атомов, имеющего определенные геометрические размеры. Тем не менее, если нанотехнологические установки последнего типа уже реально работают, то разработка молекулярных машин находится пока еще на стадии компьютерного моделирования, хотя на практике уже получены некоторые из их простейших деталей. Любая новая технология должна быть, прежде всего, экономически выгодной, а производство деталей молекулярных машин традиционными методами органического синтеза требует гигантских капиталовложений и далеко не всегда вообще возможно. Именно поэтому одним из основных требований к молекулярным машинам является их способность воспроизводить самих себя: как только будут получены первые такие машины, они сразу же начнут производить как свои копии, так и другие молекулярные машины, в результате чего микромир машин заживет своей автономной жизнью, требуя от нашего макромира лишь исходное сырье, энергию и общее управление (впрочем, последнее не обязательно). Фактически, развивая молекулярную нанотехнологию, человечество, не успев разобраться со своей собственной биологией с ее многочисленными болезнями, дерзнуло на создание новой небелковой (хотя и углеродной) формы жизни, которая должна быть полностью понятна и подконтрольна человеческому разуму. Но будет ли? Как тут не вспомнить Франкенштейна и Терминатора из будущего! Основным стратегическим направлением современных работ в области молекулярной нанотехнологии является создание так называемого молекулярного ассемблера - молекулярной машины, способной собирать другие молекулярные машины. Из опубликованных в открытой печати проектов таких машин наиболее детально проработанным и обоснованным является проект ассемблера, разработанный в Xerox Corporation, вокруг которого, судя по всему, и сконцентрировано большинство работ в этом направлении. 2. Методы молекулярной нанотехнологии Наиболее активно используемыми в молекулярной нанотехнологии методами молекулярного моделирования являются молекулярная механика, молекулярная динамика, а также пришедший недавно из статистической физики метод Монте-Карло. Одной из главных проблем является то, что нанотехнология оперирует такими величинами, на которые законы классической физики уже не распространяются. Например, движение легких электронов может быть описано только квантово-механически, а движения тяжелых ядер уже со значительно меньшими погрешностями может быть описано в рамках Ньютоновской механики. Для того чтобы отделить одно от другого используется известное из квантовой механики приближение Борна-Оппенгеймера. Достигается это путем введения так называемого силового поля, которое представляет собой функцию потенциальной энергии молекулы от координат ядер атомов. В методе молекулярной механики производится поиск энергетически выгодного пространственного строения молекулы путем нахождения локального минимума этой функции потенциальной энергии, в методе молекулярной динамики вычисляется классическая траектория движения атомов путем интегрирования уравнения движения Ньютона в силовом поле молекулы, а в методе Монте-Карло рассматривается вся статистическая совокупность энергетически выгодных положений атомов в молекуле, что дает возможность определить самое выгодное в энергетическом плане пространственное строение молекул, а также оценить их термодинамические характеристики. Большинство опубликованных примеров применения метода молекулярной динамики в молекулярной нанотехнологии касается моделирования работы и оптимизации размеров и параметров молекулярных шестеренок и молекулярных подшипников, а также движения нейтрального газа внутри углеродных нанотрубок, пистонов и молекулярных насосов. Основное применение метода молекулярной механики касается определения оптимальных значений параметров, описывающих молекулярное строение отдельных деталей, например, размер углеродных трубок, а также дизайн мест связывания для вылавливания нужных молекул из раствора. Пока еще немногочисленные работы по применению метода Монте-Карло касаются моделирования процесса самосборки составных частей молекулярных устройств. Вторым типом подходов из арсенала средств молекулярного моделирования, который уже нашел свое место в вычислительной молекулярной нанотехнологии, являются неэмпирические квантово-химические расчеты в рамках приближения Хартри-Фока, известного также, как метод молекулярных орбиталей. Подобные расчеты проводятся для моделирования протекания химических реакций, приводящих к синтезу составных частей молекулярных устройств. Наконец, третьим вычислительным подходом, который также активно используется в молекулярной нанотехнологии, является визуализация деталей молекулярных машин с использованием языка моделирования виртуальной реальности VRML. Любопытный читатель может в буквальном смысле облететь в виртуальной реальности некоторые детали молекулярных машин и даже посмотреть, как они выглядят изнутри - это можно сделать через Интернет по адресу http://www.construct.net/project/nanotech/conference. Вне всякого сомнения, технология виртуальной реальности является едва ли не единственным способом заглянуть внутрь молекулярных машин и посмотреть, как бы они выглядели при свете (заметим, что в мире молекулярных машин царит тьма, поскольку размер их деталей намного ниже длины волны видимого света), что крайне важно для человека-разработчика, живущего в освещенном макромире и привыкшего думать в его категориях. Активное внедрение вычислительных подходов в молекулярную нанотехнологию потребовало развития специализированного программного обеспечения. Во-первых, были созданы молекулярные компиляторы - программы, переводящие описание детали молекулярной машины с языка высокого уровня на атомно-молекулярный язык, воспринимаемый программами молекулярного моделирования из богатого арсенала вычислительной химии. Использование молекулярных компиляторов дает возможность быстро строить молекулярные модели деталей, пригодные для обработки программами молекулярного моделирования с целью оценки их целевых свойств, что позволяет путем варьирования параметров конструировать молекулярные детали, обладающие оптимальными характеристиками. 3. Моделирование некоторых задач наноэлектроники В последнее время в связи с созданием новых низкоразмерных компонентов компьютеров, систем связи, медицинских приборов появился новый класс задач математического моделирования, объектом изучения которого являются процессы в наноструктурах. Одним из подходов к исследованию таких задач стало одновременное использование описания квантовой механики и механики сплошной среды. Такое объединение привело к существенному повышению качества научных результатов. Однако при этом возросла трудоемкость их получения. Среди основных трудностей, которые отличают данные задачи, отметим многомерность, сильную нелокальную нелинейность, сложную реальную геометрию, большое число неизвестных величин и функций. В результате, исследование таких моделей требует применения высокоточных численных алгоритмов, ориентированных на использование высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем (МВС). В настоящей работе рассматриваются задачи подобного типа и обсуждаются проблемы и методы их решения. Первая задача связана с моделированием электронного транспорта в квантовых каналах полупроводниковых наноструктур. Физическая постановка предполагает, что в наноструктуре на основе GaAlAs создан активный квантовый слой (квантовый канал) толщиной в несколько десятков и длиной в несколько сотен атомных слоев. Его края соединены с металлическими контактами, между которыми имеется разность потенциалов. Требуется расcчитать распределение электронных потоков в канале и вольт-амперную характеристику такого квантового прибора. В стационарном случае математическая модель электроннго транспорта может быть записана в приближении Хартри-Фока для одночастичных волновых функций электронов. В случае аксиальной симметрии канала при однозонной аппроксимации электронных потоков получим квазиодномерную модель, включающая уравнения Шредингера и интегральное выражения для потенциала электрического поля. В качестве второй координаты выступает энергия электронных волн. Данная модель сильно и нелокально нелинейна ввиду наличия интегральных составляющих оператора Гамильтона в уравнениях Шредингера. Вторая задача связана с электронными процессами в вакуммных микроячейках автокатодных дисплеев. Цель моделирования состоит в определении оптимального управляемого режима свечения катодных элементов матрицы дисплея, имеющих субмикронные размеры. Математическая модель, основанная на квазигидродинамическом приближении, включает уравнения неразрывности для концентрации электронов и дырок в катоде, уравнение энергии электронов и уравнение Пуассона для потенциала электричсеского поля внутри катода и в окружающем его пространстве. Рассматривается случай плоской и цилиндрической геометрии и различные формы поверхности катода. Особенностью задачи также является сильная нелинейность уравнений, сложная геометрия, большой перепад полей в рабочей области (5-6 порядков). Третья задача связана с образованием и миграцией дырок в межсоединениях интегральных схем. Особенно важной она стала в связи с переходом на нанометровые технологии при производстве чипов. Математическая модель электромиграции включает уравнения для потенциала электрического поля, теплопроводности, термоупругости, диффузии атомов в медных частях межсоединений. Особенность задачи - многослойность среды, сложная геометрия, разность масштабов между длиной и толщиной межсоединений, сильная нелинейность протекающих процессов, возможность пробоя межсоединений в неизвестных заранее местах. В заключение отметим, что приведенные выше задачи типичны для современной микроэлектроники. При их решении требуется высокая точность вычислений и проведение расчетов в реальном времени. Предложенные в работе подходы, ориентированные на применение МВС, отвечают этим требованиям и будут интенсивно развиваться в ближайшем будущем.
Недостатки публикации: 1. Не указана фамилия студента, сделавшего публикацию; 2. Не выделены заголовки разделов; 3. Не оформлены абзацы; 4. В публикации отсуттвует хотя бы одна иллюстрация; 5. Нет списка литературы.
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ]
