ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время происходят коренные изме­нения в сфере высоких технологий — электронике, ин­формационных технологиях, микромеханике, а также в других областях человеческой деятельности, связанных с фундаментальными и прикладными исследованиями, конструированием и практическим использованием ма­териалов и устройств, элементы которых имеют размеры менее 100 нанометров.

Нанотехнология — это совокупность методов и прие­мов структурирования вещества на атомном и молекуляр­ном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Благодаря ей су­ществует возможность создавать как объекты, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осущест­влять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба, так и материалы, содержа­щие структурные наночастицы и обладающие новыми свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Наиболее важные особенности характеристик нано­систем вызваны не конкретным фактором уменьшения раз­мера частиц, элементов или структур, а принципиально новыми качественными явлениями, присущими наномас­штабу, когда на макроскопические параметры получаемых продуктов оказывают влияние закономерности квантовой механики и размерных поверхностных эффектов. Исполь­зование указанных особенностей наноструктур позволяет существенно улучшить свойства материалов и создать

устройства с возможностями, которые ранее были недос­тижимы на основе применения традиционных технологий. Возможность синтезировать наноразмерные структуры с точно контролируемыми размерами и составом, а затем со­бирать их в структуры больших размеров с уникальными свойствами и функциями приведет к радикальным изме­нениям в технологии многих отраслей промышленности.

Нанотехнологию вполне можно назвать молекулярным производством. Природное молекулярное «производство», собирая свои структуры по принципу «снизу вверх», созда­ло всего из трех элементарных частиц (электронов, прото­нов и нейтронов) все многообразие окружающего нас мира.

По мере того как какая-либо наука становится более точной, в ней во все больших масштабах цспользуется точ­ное математическое описание изучаемых объектов и яв­лений. В частности, данный принцип давно утвердился во многих областях физики. Однако это не всегда находит понимание среди специалистов в области нанотехнологии из-за отсутствия опыта по математическому моделирова­нию наносистем.

Для создания любого нанообъекта, молекулярного кластера или наноробота нужно сначала детально разра­ботать его структуру и технологию сборки. Чтобы избе­жать бесполезного конструирования и сборки многочис­ленных дорогих прототипов наносистем, понять, какая из них будет работать, а какая нет, используют методы ком­пьютерного моделирования. С помощью такого моделиро­вания, которое содержит в своей основе большое количе­ство экспериментальной информации, можно (в рамках определенных границ) описать поведение проектируемых наносистем. Более того, компьютерное моделирование в ряде случаев является катализатором для эксперименталь­ных исследований и производства.

В последнее время расширяется круг задач, при реше­нии которых применяется компьютерное моделирование. Если в прошлом моделирование, в частности компьютер­ное, было направлено на количественное описание про­цессов в материалах, то в настоящее время большое вни­мание уделяется созданию новых перспективных материа­лов и прогнозированию их свойств.

Бурный прогресс в разработке и использовании кван­товохимических методов, развитие вычислительной тех­ники и программного обеспечения привели к широкому применению компьютерного моделирования в физике и химии. Сейчас можно теоретически изучать неизвестные кристаллические структуры, кластеры и молекулы, ис­следовать пути прохождения и переходные состояния хи­мических реакций и т. д. Опыт показывает, что результа­там квантовохимических и молекулярно-динамических расчетов вполне можно доверять и что их эксперимен­тальная проверка не всегда обязательна. Современная си­туация такова: специалисты, занимающиеся подобными расчетами, имеют в своем распоряжении мощные и в то же время простые в обращении вычислительные средст­ва, которые с каждым днем становятся все более доступ­ными.

Понимание физической сущности процессов — необ­ходимое условие правильного выбора нужных расчетных программ из большого количества программных продук­тов. Конечно, при обилии программного обеспечения поль­зователи могут работать и без осмысления основных фи­зических принципов исследуемых процессов, но без зна­ния фундаментальных понятий их работа становится в значительной мере малопродуктивной и даже неэффектив­ной по указанной ниже причине.

Существующие модели и приближения — достаточно сильный инструмент как для понимания процессов, так и для осуществления целей исследования. В то же время при применении таких инструментов возникает некоторая по­теря точности результатов, зависящая от мощности вы­числительных ресурсов. Таким образом, чем более слож­ной и более точной является вычислительная модель, тем дороже будет использование вычислительных ресурсов. Поэтому пользователь должен разбираться в физических и математические принципах, на которых базируются ис­пользуемые программы, знать их возможные погрешно­сти и случаи, когда ими можно пренебрегать.

В данном учебном пособии приведен систематизиро­ванный краткий обзор фундаментальных понятий и прин­ципов, которые формируют общетеоретическое основание процессов нанотехнологии.

Цель учебного пособия — изложить в доступной фор­ме, не теряя при этом научной строгости, физическую сущ­ность процессов, происходящих в наноразмерном мире. Книга разработана в качестве первого знакомства с изу­чаемым предметом, в нее включены фундаментальные понятия и определения многомасштабных явлений нано­технологии.

Изложение учебного материала проводится для раз­личных иерархических уровней строения материи по схе­ме «снизу вверх» — от уравнения Шрёдингера к фазовым диаграммам. Сначала рассмотрена атомная структура, подчиненная закономерностям квантовой механики, за­тем последовательно изложены строение молекул, суп­рамолекулярных систем, нанокластеров и фазовые со­стояния сплошной среды. Особое внимание при этом уде­лено моделированию взаимодействия частиц на каждом иерархическом уровне. Также рассмотрена весьма пер­спективная методология многомасштабного моделирова­ния материалов и процессов. Большое прикладное значе­ние имеет описание различных программных продуктов по расчету молекулярных систем.

Содержание данного учебного пособия ориентировано исключительно на получение необходимого уровня зна­ний для эффективного использования существующего программного обеспечения моделирования наносистем. Если есть потребность перейти от изложенного в учебном пособии основного уровня к более сложным проблемам, возможно сделать это поэтапно с пониманием фундамен­тальных принципов, обратившись к опубликованному в издании перечню соответствующих литературных источ­ников.

Вычислительные методы нанотехнологии объединяют теоретические положения и моделирование в физике, хи­мии, биологии, материаловедении, информатике, других точных и естественных науках. Поэтому нет сомнения в том, что компьютерное моделирование наноструктур как междисциплинарный инструмент, способный обеспечить решение многих сложных проблем нанотехнологии, в ско­ром времени станет обязательным предметом при обуче­нии студентов вузов и специалистов в области вычисли­тельной нанотехнологии.