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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

основные молекулы, необходимые для наномоделей, уже созданы, и хранятся в базе данных. Это общеизвестные ве щества: H2O, C2H2, C6H6, АТФ, а также молекулы посложнее

от различных современных лекарств до сложных биомолекул;

Рис 153. Примеры сложных и простых молекул

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

Рис 154. Процесс построения наностержня диаметром шесть атомов углерода

248

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

нам природы), то можно создавать отдельные атомы, набирая их символы соответственно таблице Менделеева, а потом сое динить их химическими связями.

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 ме ханики. Теперь это не просто плод нашей фантазии, а вполне реальное расположение атомов с соответствующими химичес кими связями между ними. Такая структура не противоречит законам природы, а значит, ее можно будет когда либо создать.

Рис 155. Минимизация энергии реальный вид структуры

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 располо жение атомов. Программа показала, что стержень с такой структурой будет кри вым. Так что для того, чтобы получить “гладкий” стержень, необходимо приду мать другую молекулярную конфигура цию. Попробуем, например, конфигура цию, основанную на четырех атомах уг лерода:

Минимизируя энергию, получаем следующую структуру:

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 157. “Чертеж” наностержня из 4х атомов углерода

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

Рис 158. Наностержень на основе четырех атомов углерода

Здесь рассмотрены только некоторые из возможностей, предоставляемых Chem3D. Программа “умеет” также многое другое: от визуализации структуры белков до расчета электро химических потенциалов и молекулярных орбиталей. Без сом нения, лучший способ ознакомиться с программой – устано вить 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 за тем можно испытать, подвергая различным тестам.

С тех пор, как алхимики начали обозначать таинственными символами химические элементы, человечество изобрело мно жество способов записи информации о веществе: от химичес ких формул до компьютерных файлов, содержащих координа

250

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

ты каждого атома. Так, например, для описания продукта мик ронных размеров необходимо учесть взаимное расположение триллионов атомов, составляющих продукт. Однако после соз дания различных “шаблонов” и готовых узлов описание можно свести к файлу малого размера, содержащего набор и описание шаблонов, деталей и их взаимосвязей. Если необходимо запол нить определенный объем, то это можно описать с помощью “шаблона” элементарной единицы объема и использовать за тем этот шаблон столько раз, сколько необходимо для заполне ния искомого объема.

Описание дизайна нанодеталей должно быть параметри ческим. То есть если нужно построить нанотрубку, то необходи мо создать модель одной секции нанотрубки, указав ее длину. Задаем затем длину всей нанотрубки и программа самостоя тельно дублирует модель одной секции нужное количество раз.

Компания NanoTitan разработала иерархический язык опи сания наноструктур nanoML (на основе языка XML). С его по мощью можно описать наносистему на молекулярном уровне, а также определить ее основные электрические, оптические, фи зические свойства, информацию о применении, авторских пра вах изобретателя и др.

Модель наноустройства описывается отдельными наносис темами 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 соз давать модели наноустройств по примеру программы AutoCAD. Различия, разумеется, есть, однако проектировать наноустрой ства 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 создан ные модели наноподшипников, валов, компьютеров, двигате лей, манипуляторов и пр. С другой стороны, создав свою собственную структуру, можно через Internet закачать ее в базу данных для использования такими же изобретателями. Таким

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

образом, база данных постоянно пополняется новыми моделя ми наноструктур.

Рис 159. Интерфейс программы NanoXplorer

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

Рис 160. Панель инструментов NanoXplorer

Рис 161. Настройка свойств нанотрубки в NanoXplorer

252