ext_5251
.pdf
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
www.nanonewsnet.ru |
243 |
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:
Тип моделирования |
Примеры программ |
|
|
Визуализационное |
RasMol |
|
|
Вычислительное |
Chem3D |
|
|
Инженерное |
NanoXplorer |
|
|
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;
www.nanonewsnet.ru |
245 |
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
www.nanonewsnet.ru |
247 |
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:
www.nanonewsnet.ru |
249 |
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
www.nanonewsnet.ru |
251 |
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