شبیه سازی واقعیت کوانتومی

قسمت سوم: رویکرد محاسباتی و کامپیوتری

قسمت اول - قسمت دوم

ترکیب انواع متفاوت تکنیک های محاسباتی (برای مثال دینامیک مولکولی یا دینامیک ذره،شیمی کوانتومی) شبیه سازی با دقت بالا از مواد نانومقیاس را ممکن می سازد. شبیه سازی می تواند برای بهبود محاسبات پیچیده یا مقادیر تعیین شده توسط نانوساختار که تحت شرایط تجربی انجام شده اند، به کار رود. شبیه سازی در رابطه با سیستم های زنده سلولی به عنوان مدل هایی برای کاربردهای آتی فناوری نانو مهم است. در واقع بسیاری از ابزارهای فعلی فناوری نانو و طراحی سیستم ها، مبتنی بر درک ما از مکانیسم های حاکم بر پروتئین های طبیعی نانومقیاس بوده است.

با توجه بیشتر به شبیه سازی، فناوری نانو وسیله دیگری برای توسعه خواهد بود. ابر رایانه های موازی و نرم افزارهای پیشرفته، توانایی های شبیه سازی را ارتقا بخشیده اند. این قابلیت ابر رایانه ها، پایه ای برای مدل سازی بزرگ مقیاس و شبیه سازی های مورد نیاز جهت پیش بردن فناوری نانو و حل مشکلات موجود در مورد مواد می باشد.

کاربردهای شبیه سازی در فناوری نانو

چنانچه بخواهیم بخوبی با کاربردهای شبیه سازی در فناوری نانو آشنا شویم آن را به چند بخش تقسیم می کنیم. یکی از کاربردها مربوط به روش ها و فرآیندهای مورد استفاده برای تولید نانومواد است. روش های رسوب فیزیکی بخار، رسوب شیمیایی بخار، رشد گرمایی، روش قوس الکتریکی، روش پلاسما، روش خرد یا آسیاب کردن، روش چاپی، روش حک، روش الکتروریسی، روش خودسامانی و خودزایی، روش کپسول کردن و امولسیون کردن از این روش ها به شمار می روند.

دومین کاربرد شبیه سازی، بررسی ساختمان نانومواد و به خصوص خصوصیات و قابلیت هایی است که نانومواد می توانند در محصولات ایجاد کنند. استحکام و سختی یا انعطاف تا پارگی مواد و هم چنین کشسان بودن ماده که به آن ها خصوصیات مکانیکی اطلاق می شود، میزان اصطکاک سطح مواد، انتقال الکتریسیته، خصوصیات مغناطیسی، عایق بودن حرارتی ماده، دوام، تمیزی و ظاهر ماده، قابلیت سوییچ کردن یا عوض کردن ظاهر (برای مثال لباس یا پنجره ای که بین دو یا چند حالت تغییر رنگ می دهد) همه از این قابلیت ها به شمار می روند. در این نوع شبیه سازی الزامی است که خواص مقیاس های بزرگ تر نیز شبیه سازی شود.

کاربرد دیگر شبیه سازی، کمک به بهینه سازی سیستم ها و ابزاری است که نانومواد نقش اول را در کار و عملکرد آن ها ایفا می کنند. حسگرهای قومی، محرک ها و موتورها، پیل های سوختی، سلول های خورشیدی و ابرخازن ها و فیلترها، سیستم های دارورسانی و ... برخی از این نانوسیستم ها به شمار می روند.

گاهی در شبیه سازی از برخی از اثرهای کوچک صرف نظر می شود. برای مثال در نظر گرفتن اصطکاک هوا در حرکت پرتابه با توجه به شرایط در حال تغییر جو کار آسانی نیست. معمولاً در شبیه سازی های ساده از این اصطکاک صرف نظر می شود. اما صرف نظر کردن از نیروهای بسیار کوچک مانند نیروهای واندروالسی در مقیاس نانومتری کار آسانی نیست. در عین حال برخی نیروها مانند گرانش در شبیه سازی مقیاس نانومتری دخیل نیستند.

حیطه تأثیر نیروها و مقیاس نانومتری

نانومتر بیش از هر چیز مقیاسی است که مرز را نشان می‌دهد؛ مرز نیروها و مرز دینامیک. در دنیای اشیاء نانومتری، گرانش اثر به‌نسبت ناچیزی دارد و در مقابل نیروهای الکترومغناطیسی و به طور خاص نیروی الکترواستاتیکی بیشترین اثر و اهمیت را دارد. از سوی دیگر، دو نیروی هسته‌ای (نیروی هسته‌ای قوی و ضعیف) در ابعاد نانومتری هنوز بسیار ضعیفند و برای «حس کردن» آن‌ها باید حدود یک میلیون مرتبه ریزبین‌تر شویم تا به فمتومتر (فرمی) برسیم. این از منشاء نیروها. اما وقتی نیروها را داشته‌باشیم، باید بدانیم این نیروها (در نقش بازیگران) با چه دینامیکی (در نقش قواعد بازی) بر سیستم مورد نظرمان اثر می‌گذارند.

هم‌چنان که از جهان آشنای اطرافمان به ابعاد کوچک‌تر می‌رویم، مقیاس طول نانومتر اولین جایی است که دینامیک حاکم بر سیستم از مکانیک کلاسیک نیوتونی به مکانیک کوانتومی تغییر می‌یابد. طبعاً این تغییر به شکل ناگهانی و گسسته رخ نمی‌دهد و به نوع سیستم مورد مطالعه بستگی دارد. برای نمونه، رفتار الکترون‌ها در «جعبه‌هایی» با مقیاس نانومتری تقریباً بی‌چون و چرا باید از مکانیک کوانتومی تبعیت کند، اما در همان مقیاس طول هنوز می‌توان از مکانیک کلاسیک برای بررسی رفتار سیستم‌های مولکولی‌ای استفاده کرد که در آن‌ها تغییرات شیمیایی و اتفاق‌هایی مانند تبادل الکترون رخ نمی‌دهد. تغییر قواعد بازی، ناگزیر تغییر در نگرش مهندسی و نوع طراحی را به دنبال دارد. این خاصیت دوگانه و چرخش در بازیگران و قواعد بازی، چیزی که نه در مقیاس‌های طول بزرگ‌تر از نانو رخ می‌دهد و نه در دنیای ریزتر از نانو (جایی که تکلیف روشن است و مکانیک کوانتومی، قانون بازی است)، باعث پدیدار شدن آثار و خواصی در ابعاد نانو می‌شود که می‌توان گفت نظیری در مقیاس‌های طول ریزتر یا درشت‌تر ندارند.

با نگاه بر این خصوصیات، فیزیک حاکم بر ابعاد نانو در مقایسه با فیزیک جهان‌های ریز (میکرو) و درشت (ماکرو)، مزوفیزیک خوانده می‌شود (مزو به معنی میانه است)؛ البته می‌توان گفت مکانیک کوانتومی به طور کامل بر جهان نانو حاکم است؛ گزاره‌ای که علی‌‌الأصول در مورد جهان بزرگ‌مقیاس نیز صدق می‌کند، اما نمی‌توان آثار پیچیده و غیرمنتظره‌ای را که در پدیده‌های نانومتری مشاهده می‌شوند، به طور مستقیم از مکانیک کوانتومی پیش‌بینی کرد.

اعمال مستقیم قوانین مکانیک کوانتومی بر سیستم‌های متداول نانوفناوری، بسیار پیچیده است و فقط در یکی دو دهه اخیر با فراهم آمدن امکانات محاسباتی عظیم، امکان شبیه‌سازی‌های کوانتومی سیستم‌های نانومتری فراهم شده‌است. از این رو، بهتر است درباره این دنیای میانه‌ ساده‌نگر نباشیم و فکر نکنیم به سادگی تمام چیزهای اصلی را درباره آن می‌دانیم. بسیاری از پژوهش‌گران معتقدند، هنوز تا شناخت قواعد حاکم بر دنیای میانه راه درازی پیش رو داریم، تا چه رسد به استفاده از این قواعد در کاربردهای صنعتی.

مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان

منبع:  nano، sciencedirect، sw-quantum،ieee،  shabakeh-mag

کتاب آشنایی با فناوری نانو 1، سلیمی، طاهری، احمدوند

کتاب خودآموز فناوری نانو، دکتر علی اصغرحسینی، حمید رحمانیان