Вычислительное моделирование

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

_ любую химическую формулу можно набрать на клавиатуре, после чего на экранавтоматически выводится графическое изображение молекулы;

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

        a)                            б)                                    в)

Рис 147. Модель серной кислоты H2SO4: а) стержневая, б) шаростержневая в) Ван_де

_ 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

 

 

_ 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” виде, т.е. так, как бы она выглядела в атомно_силовом микроскопе;

 

Рис 152. Картина Ван_дер_ваальсовых сил на

поверхности нанообъекта

 

_ основные молекулы, необходимые для наномоделей,уже созданы, и хранятся в базе данных. Это общеизвестные вещества: 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 (если, конечно, эта структура не противоречит химическим законам природы), то можно создавать отдельные атомы, набирая их символы соответственно таблице Менделеева, а потом соединить их химическими связями.

Рис 154. Процесс построения наностержня диаметром шесть атомов углерода

 

      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 механики. 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 расположение атомов. Программа показала, что стержень с такой структурой будет кривым. Так что для того, чтобы получить “гладкий” стержень, необходи-мо придумать другую молекулярную конфигурацию. Попробуем, например, конфигурацию, основанную на четырех атомах углерода:

Рис 156. Кривой наностержень

      Минимизируя энергию, получаем следующую структуру:

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 сомнения, лучший способ ознакомить-ся с программой-установить ее и попробовать самому. Ее демо_версия есть на одном из дисков серии “Мир нанотехнологий”, выпускаемых компанией Nanotechnology News Network.