Введение. Процессы, происходящие в твердых телах, определяются движением и взаимодействием

Процессы, происходящие в твердых телах, определяются движением и взаимодействием огромного числа атомов и молекул. Аналитически с использованием различных приближений решены только некоторые задачи физики твердого тела, сформулированные для идеальной периодической кристаллической решетки. Между тем, свойства любого реального кристаллического материала определяются различными дефектами ‑ точечными (вакансиями, межузельными и примесными атомами), линейными (дислокациями, дисклинациями), поверхностными (дефектами упаковки, границами зерен и фаз) и объемными (включениями, трещинами и порами). Если же рассматривать задачи исследования свойств наноматериалов и процессов нанотехнологий, мы сталкиваемся с проблемами поведения большого, но конечного числа атомов, с влиянием поверхности наночастиц на их свойства и т.д.

Там, где теоретическое описание с помощью аналитических методов невозможно, в материаловедении, в частности, в физике наноматериалов и в нанотехнологии, незаменимую роль играет компьютерное моделирование. В связи с беспрецедентным ростом возможностей компьютеров и методов и программ моделирования, эта роль особенно возросла, и компьютерное моделирование стало доступным практически для любого научного работника и инженера. В развитых западных странах компьютерное моделирование в материаловедении выросло в отдельную дисциплину, которая называется “Computational Materials Science” – компьютерное материаловедение, и эта дисциплина основывается на многих других дисциплинах, как материаловедение, физика материалов, химия, механика, вычислительная математика и программирование.

Для нанотехнологий и наноматериалов наибольший интерес представляют модели, относящиеся к одному из наиболее глубоких уровней описания структуры твердых тел – атомному. В этих моделях материалы рассматриваются как классические системы взаимодействующих атомов. Основными методами моделирования при этом являются методы молекулярной динамики (МД) и Монте-Карло (МК).

Взаимодействие и движение атомов могут описываться с помощью классических или квантовых представлений. При моделировании с помощью классической МД или метода МК используется понятие о потенциале межатомного взаимодействия, который является главной характеристикой взаимодействия атомов. При моделировании систем, состоящих из большого числа частиц, используются исключительно классические методы, и в нашем курсе основное внимание будет сосредоточено на этих моделях. Однако в последние годы большое развитие получили квантовые методы моделирования (так называемые ab initio (первопринципные) методы). Эти методы позволяют с наибольшей точностью рассчитывать электронную структуру и свойства систем, пока состоящих из не очень большого числа атомов (сотни или тысячи). Так как в нанотехнологии имеют дело именно с такими системами, первопринципные методы для этой области приобретают особую важность.

Основной целью настоящего пособия является ознакомление с классическими методами моделирования на атомном уровне, главным образом с молекулярной динамикой.

Пособие состоит из двух частей. В первой, теоретической части будут даны основы метода МД, и состоится ознакомление с одной из компьютерных программ, реализующих этот метод ‑ XMD. Будут рассмотрены также методы подготовки исходных структур для моделирования, анализа и визуализации полученных результатов.

Во второй части собраны методические указания к девяти лабораторным работам. Для выполнения этих работ необходимо иметь некоторый минимум программ и навыков работы в среде Windows. Используемая в лабораторных работах научная программа молекулярной динамики XMD может быть запущена только в командном окне. Удобнее всего работать в оболочке FAR manager, но, если она отсутствует, можно воспользоваться простым окном «Командная строка», которая относится к стандартным программам Windows. Необходимо иметь также программу построения графиков функций одной переменной. Можно воспользоваться Microsoft Excel, но более удобна программа Grapher. Однако если нет указанных программ, которые являются платными, можно воспользоваться бесплатными программами построения графиков, например, AGRAPHER.

Большинство работ предполагает построение исходных моделей, проведение моделирования и анализ результатов с помощью готовых программ, но в некоторых случаях предлагается составить самим простые программы для анализа результатов. Эти программы могут быть составлены на любом из языков программирования, знакомом читателю, например, на Pascal, Fortran, C++ и т.д.

Заключительная работа курса является, по сути, исследовательской работой. В ней повторяется исследование процесса нанокристаллизации аморфного металла при деформации, результаты которого опубликованы в научном журнале.

Таким образом, освоение лекционного курса и выполнение всего цикла лабораторных работ, при желании, могут быть рассмотрены как некоторый минимум, с помощью которого можно подготовить себя к исследовательской работе в области моделирования наноструктур и нанотехнологий.

Дата добавления: 2015-10-02