Инженерное моделирование

      Теперь поговорим о различных программах, помогающих инженеру_нанотехнологу создавать наносистемы, которые затем можно испытать, подвергая различным тестам.

      С тех пор, как алхимики начали обозначать таинственными символами химические элементы, человечество изобрело множество способов записи информации о веществе: от химических формул до компьютерных файлов, содержащих координаты каждого атома. Так, например, для описания продукта микронных размеров необходимо учесть взаимное располо-жение триллионов атомов, составляющих продукт. Однако после создания различных “шаблонов” и готовых узлов описание можно свести к файлу малого размера, содержащего набор и описание шаблонов, деталей и их взаимосвязей. Если необходимо заполнить опреде-ленный объем, то это можно описать с помощью “шаблона” элементарной единицы объема и использовать затем этот шаблон столько раз, сколько необходимо для заполнения искомого объема.

      Описание дизайна нанодеталей должно быть параметрическим. То есть если нужно построить нанотрубку, то необходимо создать модель одной секции нанотрубки, указав ее длину.Задаем затем длину всей нанотрубки и программа самостоятельно дублирует модель одной секции нужное количество раз. Компания NanoTitan разработала иерархический язык опи-

сания наноструктур nanoML (на основе языка XML). С его помощью можно описать наносистему на молекулярном уровне, а также определить ее основные электрические, оптические, физиче-ские свойства, информацию о применении, авторских правах изобретателя и др.

      Модель наноустройства описывается отдельными наносистемами 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 создавать модели наноустройств по примеру программы AutoCAD.Различия, разумеется, есть, однако проектировать наноустройства 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, двигателей, манипуляторов и пр. С другой стороны, создав свою собственную структуру, можно через Internet закачать ее в базу данных для использования такими же изобретателями. Таким образом, база данных постоянно пополняется новыми моделями наноструктур.

Рис 159. Интерфейс программы NanoXplorer

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

Рис 160. Панель инструментов NanoXplorer

 

Рис 161. Настройка свойств нанотрубки в NanoXplorer

 

Рис 162. Просмотр полученной нанотрубки

 

      С помощью программы NanoXplorer разработано уже немало сложных и функциональных наносистем (см. рисунок 163).

 

Рис 163. Модели наносистем: а) нанонасос для атомов Ne, б) наноманипулятор, в)

наноподшипник из углерода

 

      Прогресс компьютерного моделирования наноструктур очень сильно зависит от мощности имеющихся компьютеров и эффективности вычислительных алгоритмов. Чем мощнее компью-тер и чем оптимальнее его программа, тем более сложную наносистему можно спроектировать. Поскольку, согласно закону Мура, производительность компьютеров со временем растет экспоненциально, с каждым годом ученым становятся доступны все новые и новые возможнос-ти. Достижения наноэлектроники, основанной на точных компьютерных моделях квантовых явлений, позволят создать еще более мощные компьютеры, способные быстро рассчитывать сверхсложные наносистемы, например, нанороботов из миллиардов атомов. Сегодня, чтобы смоделировать несколько атомов, компьютер перегоняет миллиард раз в секунду неимоверные количества электронов по запутанным и гигантским (с точки зрения нанотехнолога) лабиринтам макроскопических микросхем. Совершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться

триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.