Михаэль Рит Наноконструирование в науке и технике Введение в мир нанорасчета Перевод с английского Э.М.Эпштейна Москва 2005 Ижевск УДК 530 Интернет-магазин http://shop.rcd.ru • физика • математика • биоло гия • нефт е г а зовые т ехнологии Рит М. <...> Модели для расчетов методом молекулярной динамики . <...> . . . . . . . . . 157 Предисловие к русскому изданию Более 50 лет назад, в связи с развитием вычислительной техники, появилось новое направление — молекулярная динамика. <...> Заметим, при использовании метода молекулярной динамики основная проблема, кроме технической, состоит в адекватном теоретическом описании энергии взаимодействия между атомами ансамбля, к сожалению, решение этой проблемы сводится к квантово-механической задаче многих тел, точное решение которой в настоящее время не найдено, в результате все современные методы расчета энергии межатомного взаимодействия являются приближенными и определяются, как правило, через параметрические функции. <...> Введение в мир нанорасчета» метод молекулярной динамики используется для анализа нового класса задач, возникающих в наномеханических устройствах и приспособлениях. <...> Кроме того, многие современные теории вещества на микронном уровне содержат критические длины нанометрового масштаба и потому не могут адекватно описывать новые явления на нанометровом уровне. <...> Исследователи надеются сконструировать и запрограммировать наномашины, которые будут строить, атом за атомом, крупномасштабные объекты. <...> Нанотехнология занимает воображение ученых, инженеров и экономистов не только из-за потока открытий на нанометровом уровне, но и ввиду возможных социальных последствий. в письме Белого дома (от Отдела научнотехнической политики и Отдела управления и бюджета), отправленном осенью 2000 г всем федеральным агентствам, нанотехнология помещена во главу списка новых областей науки и техники в Соединенных Штатах. <...> Исследователи надеются конструировать и программировать наномашины <...>
Наноконструирование_в_науке_и_технике._Введение_в_мир_нанорасчета..pdf
УДК 530
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• физика
• математика
• биоло гия
• нефт е г а зовые
т ехнологии
Рит М.
Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета.
Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. — 160 с.
Нанотехнология — это технология работы с молекулами. Прогнозируется, что
ее развитие приведет к революционным успехам в медицине, электронике, информационных
технологиях, энергетике и других областях человеческой деятельности.
Данная монография является живым и образным введением в методы и задачи
наноинженерии. В ней отражены сложности, возникающие при проектировании
и конструировании вычислительных наноустройств. Детально рассмотрены этапы
развития этого нового направления в науке. Основное внимание уделяется методу
молекулярной динамики, который применяется для анализа нового класса задач,
направленных на исследование свойств атомных кластеров (которые, в свою очередь,
являются основой для наноустройств). Приводятся полные сведения из области
смежных фундаментальных наук (биологии, физики, химии, информатики и
техники), необходимые для понимания излагаемого в работе материала.
Книга будет полезна для студентов и специалистов по компьютерному моделированию
и методам молекулярной физики.
ISBN 5-93972-461-2
Copyright c
article, or parts thereof, may not be reproduced in any form or by any means, electronic or
mechanical, including photocopying, recording or any information storage and retrieval
system now known or to be invented, without written permission from the Publisher.
Russian translation arranged with World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore.
c
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005
http://rcd.ru
http://ics.org.ru
2003 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. All rights reserved. This
Стр.4
Оглавление
Предисловие к русскому изданию . . . ... .. .. ... .. ... 7
Предисловие . . . ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... 8
ГЛАВА 1. Введение ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... 12
ГЛАВА 2. Межатомные потенциалы .. ... .. .. ... .. ... 17
2.1. Квантово-механическая трактовка многочастичной задачи . . 17
2.2. Поверхность потенциальной энергии . . .... ... .... . 19
2.3. Приближение парного потенциала .... .... ... .... . 21
2.4. Преимущества и ограничения приближения парного потенциала
. .... .... ... .... .... .... ... .... . 23
2.5. Феноменологические потенциалы .... .... ... .... . 25
2.5.1. Потенциалы Букингема . . .... .... ... .... . 26
2.5.2. Потенциалы Морса .... .... .... ... .... . 28
2.5.3. Потенциалы Леннард-Джонса . . .... ... .... . 29
2.5.4. Потенциалы Баркера для криптона и ксенона .... . 30
2.6. Псевдопотенциалы . . . . .... .... .... ... .... . 32
2.6.1. ПотенциалШоммерса для алюминия . . . . . .... . 37
2.7. Многочастичные потенциалы . . .... .... ... .... . 38
ГЛАВА 3. Молекулярная динамика .. ... .. .. ... .. ... 42
3.1. Модели для расчетов методом молекулярной динамики . . . . 44
3.1.1. Начальные значения .... .... .... ... .... . 45
3.1.2. Установление изотермического равновесия .. .... . 50
3.1.3. Границы . . . . . . .... .... .... ... .... . 52
3.1.4. Нанорасчет и наноконструирование ... ... .... . 54
3.2. Методы визуализации ... .... .... .... ... .... . 58
3.3. Решение уравнений движения .. .... .... ... .... . 60
3.3.1. Алгоритмы Верле . .... .... .... ... .... . 62
3.3.2. Предиктор–корректор Нордсика–Гира . . . . . .... . 64
3.3.3. Оценка алгоритмов интегрирования ... ... .... . 67
3.3.4. Другие методы ... .... .... .... ... .... . 67
3.3.5. Нормированные величины .... .... ... .... . 68
Стр.5
6ОГЛАВЛЕНИЕ
3.4. Вычисление эффективного силового поля ... ... .... . 68
3.4.1. Вычисление сил . . .... .... .... ... .... . 69
3.4.2. Метод списков ... .... .... .... ... .... . 70
3.4.3. Ячеечные алгоритмы ... .... .... ... .... . 70
3.4.4. Метод SPSM . . . . .... .... .... ... .... . 72
3.4.5. Обсуждение . ... .... .... .... ... .... . 74
3.5. Применения . .... ... .... .... .... ... .... . 75
ГЛАВА 4. Изучение наносистем ... .. ... .. .. ... .. ... 77
4.1. Термостабильность . ... .... .... .... ... .... . 77
4.2. Основные свойства материала . . .... .... ... .... . 80
4.3. Износ на нанометровом уровне . .... .... ... .... . 85
4.4. Средние значения и корреляционные функции . . . . .... . 85
4.4.1. Теория ансамблей . .... .... .... ... .... . 87
4.4.2. Парная корреляционная функция .... ... .... . 89
4.4.3. Среднеквадратичное смещение .. .... ... .... . 91
4.4.4. Автокорреляционная функция скоростей . . . .... . 94
4.4.5. Обобщенная фононная плотность состояний . .... . 96
4.4.6. Структурный фактор ... .... .... ... .... . 98
4.4.7. Дополнительные замечания .... .... ... .... . 102
ГЛАВА 5. Наноконструирование — исследования и выводы . ... 103
5.1. Функциональные наноструктуры .... .... ... .... . 104
5.2. Наномашины . .... ... .... .... .... ... .... . 108
5.3. Нанокластеры .... ... .... .... .... ... .... . 115
5.3.1. Исследование структуры . .... .... ... .... . 117
5.3.2. Динамика состояний кластера Al500 ... ... .... . 120
5.3.3. Влияние начальных условий ... .... ... .... . 124
5.3.4. Влияние начальной температуры .... ... .... . 125
5.3.5. Влияние кристаллической структуры .. ... .... . 126
5.3.6. Влияние внешней формы и размера кластеров .... . 129
5.3.7. Влияние потенциала взаимодействия (материала) . . . 133
5.3.8. Выводы .... ... .... .... .... ... .... . 136
5.4. Моделирование превращений нанокластеров .. ... .... . 138
5.5. Аналоговые соображения . .... .... .... ... .... . 140
5.6. Явление бифуркации на нанометровом уровне . . . . .... . 143
5.7. Аналогии с биологией ... .... .... .... ... .... . 144
5.8. Заключительные соображения .. .... .... ... .... . 145
Литература .. .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... 149
Предметный указатель .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... 157
Стр.6