Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Рис 145. Спектры белого света и первых трех химических элементов

минесценции, рассеяния света, излучения, отраженного пове рхностью объекта и излучения, прошедшего через образец. Это дает огромное количество информации не только о составе об разца, но и о происходящих в нем квантовых процессах.

С помощью спектрометра можно узнать не только состав, но и, например, количество наночастиц. Известно, что нано частицы в растворе имеют примерно одинаковый размер, но с течением времени слипаются в более крупные комочки и осе дают. Соответственно, их количество в растворе постепенно уменьшается. Теперь возьмем каплю этого раствора и поместим в спектрометр. По интенсивности спектральных линий, соот ветствующих материалу наночастиц, можно рассчитать конце нтрацию соответствующих атомов в растворе. Разделив ее на количество атомов в наночастице, получим количество нано частиц на кубический сантиметр раствора.

Моделирование наноструктур

Чтобы создать любой нанообъект, будь то наноробот либо новая молекула, нужно сначала в детально разработать ее структуру и технологию создания. Но как это сделать, если та кие структуры даже невозможно увидеть? Чтобы избежать

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

конструирования многочисленных дорогих прототипов нано систем, чтобы понять, какая из них будет работать, а какая нет, инженеры используют модели.

Молекулярные модели могут быть разными. В самом прос том случае это физические модели из цветных шариков, украшаю щие школьные кабинеты химии. Такие модели предельно прос ты и наглядны, однако их достоверность оставляет желать луч шего. Ведь атомы – это отнюдь не твердые пластиковые шарики, а сложные физические системы, живущие по своим законам.

Поскольку модели цветных шариков плохо отражают ре альные свойства молекул, нанотехнологи обычно используют компьютерные модели, в которых можно задать настоящие зако ны 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 инжене ры, 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, ус тойчивость, удобство строительства, стоимость, влияние окру жающей среды и т.п. При этом большинство необходимых рас четов, основанных на теоретических данных, берет на себя компьютерная программа. При современном уровне знаний, позволяющем судить о квантовых законах с большой достовер ностью, расчет и моделирование наноструктур стали вполне ре альной задачей, сходной с обычными задачами CAD.

Существуют несколько основных типов математического моделирования в нанотехнологии:

Табл 8. Примеры нанотехнологических CAD программ

244

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

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 нанострукту ру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы, а также экспортировать результаты в графический файл. На сай те www.pdb.org есть модели всех известных белков и биомоле кул, а на нашем сайте есть даже модели деталей будущих нано машин.

Рис 146 Наноструктуры в окне программы RasMol. Вирус SV40 и молекула этилового спирта

Вычислительное моделирование

Смотреть чужие модели наноструктур, конечно интересно, но гораздо интереснее строить их самим. Для этого используют математическое моделирование методами квантовой механи ки, молекулярной динамики и различные статистические под ходы. С их помощью можно увидеть не только трехмерную мо дель объекта, но и его поведение при воздействии температуры, электро магнитных полей, гамма квантов, и др. Рассмотрим одну из популярных программ – Chem3D. Графический интер фейс делает ее очень удобной и понятной:

любую химическую формулу можно набрать на клавиа туре, после чего на экран автоматически выводится графичес кое изображение молекулы;

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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

а) б) в)

Рис 147. Модель серной кислоты H2SO4: а) стержневая, б) шаростержневая в) Ван дер ваальсова

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

Рис 148. Так выглядела бы молекула этилена (C2H4) на самом деле

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

Рис 149. Наш логотип нагретый до 1000К

246

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

можно моделировать довольно сложные структуры;

Рис 150. Модель сложного наномеханизма

или создавать группы и манипулировать ими;

Рис 151. Можно собирать, разбирать наноструктуры и перемещать их по экрану

можно рассмотреть наноструктуру в “реалистичном” ви де, т.е. так, как бы она выглядела в атомно силовом микроскопе;

Рис 152. Картина Ван дер ваальсовых сил на поверхности нанообъекта