Компьютерное моделирование в материаловедении
Изучение физических процессов, происходящих в материалах, ограничено развитием методов исследования. Даже самый мощный микроскоп не позволяет наблюдать за процессами на атомном уровне в реальном времени. Хотя, понимание этих процессов могло бы в тысячи раз ускорить разработку новых материалов. Ведь, в современных исследованиях зачастую открытия происходят случайно.
Вот добавим в “этот металл” немного вот “этого вещества” и посмотрим, вдруг что-то интересное получится?
Не получилось. Добавим другое вещество… И так далее, пока не получится интересный результат.
Вы спросите, почему в век бурного развития технологий мы до сих пор пользуемся доисторическими методами? На самом деле это не так.
Начиная с 70-х годов прошлого века для исследования некоторых процессов на атомном уровне все активнее используется компьютерное моделирование. Одним из самых применяемых методов компьютерного моделирования, позволяющим исследовать структуры размером до нескольких миллионов атомов при повышенных температурах, является молекулярная динамика. В ней атомы представлены в виде шариков, а взаимодействие между ними задается математическими функциями, которые позволяют атомам в компьютере вести себя также, как и в реальности. Точность описания этого взаимодействия напрямую связана с точностью описания физических свойств данного вещества. Однако, создание качественных потенциалов межатомного взаимодействия (математических функций) – это непростая задача, которая под силу только нескольким лабораториям в России.
Было бы идеальным создавать новые материалы полностью на компьютере. Представьте, сколько бы времени это сэкономило! Не нужно проводить долгие эксперименты, вырезать кучу образцов, а если это вещество редкое и дорогое? Но, к сожалению, даже молекулярная динамика имеет главное ограничение – временнОе.
Дело в том, что для компьютерных исследований требуются огромные вычислительные мощности. И в настоящее время это ограничение примерно составляет несколько десятков наносекунд. Однако даже при всех этих недостатках молекулярная динамика находит широкое применение, и если ее грамотно использовать, она является хорошим дополнением для экспериментов.
Поэтому в большинстве мировых лабораторий экспериментаторы рука об руку работают со специалистами по компьютерному моделированию, которые чего-то там моделируют и объясняют, почему в экспериментах получаются такие результаты. Или говорят: “Лучше добавьте сюда не это, а вот это, и тогда будет как надо”.
В общем, без компьютерного моделирования в век нанотехнологий не обойтись!
