Новости

Тематические выпуски/статьи

Вычислительное моделирование как инструмент обеспечения современного уровня научных исследований и проектных работ в области биологии, фармакологии и медицины в нано-размерном диапазоне (начало)

25/06/10

Вычислительное моделирование как инструмент обеспечения современного уровня научных исследований и проектных работ в области биологии, фармакологии и медицины в нано-размерном диапазоне

Проблематика моделирования. Введение

Из опыта производства кремниевых микроэлектронных устройств известно, что развитие теории и методов моделирования неизбежно приводит к существенному экономическому эффекту (ввиду экономии времени и средств, а также повышения качества продукции). Теория и моделирование — те области, где новые результаты могут быть получены без прямых экспериментальных исследований. Более того, в некоторых случаях именно теория и моделирование позволяют правильно интерпретировать получаемые в эксперименте данные, которые иногда являются неоднозначными (например, из-за сложности эксперимента или усреднения величин в процессе измерения). И наконец, теория и моделирование исключительно важны для изучения функционирования нано-систем в живых клетках (которые могут служить моделями для нанотехнологий будущего). Напомним, что именно природные «наномашины» (белки) стали источниками идей для разработки многих наноустройств и наносистем.
Однако для успешного применения в нанотехнологиях современные методы теории и моделирования должны быть значительно усовершенствованы. Например, методы квантовохимических расчетов и молекулярной динамики должны быть развиты до такой степени, чтобы они могли обеспечить оценку поведения наноразмерных материалов и их характеристик (термофизических, термохимических, электрических, магнитных и реологических). Оптимизация наноразмерных материалов и устройств потребует исследования тысяч вариантов конструирования до получения конечного продукта. При моделировании свойств наноматериалов и наноустройств необходимо учитывать все разнообразие условий их эксплуатации и окружения, что, в свою очередь, требует изучения и моделирования их поведения в разных масштабах (молекулярный, нано-, мезо- и макроскопический масштабы) до начала производства и использования.

Указанные технические проблемы моделирования наноматериалов усугубляются сложностью моделируемых объектов. Например, моделируя наноустройства, трудно четко выделить их отдельные компоненты (поскольку их следует рассматривать в качестве составляющих архитектуры более сложных систем), и работа в целом может быть оценена лишь с учетом окружения, а также взаимодействия с макро- и мезомасштабными элементами. В качестве примера такой «иерархии» усложнения для электроники можно привести следующую схему...