Тенденции развития наномоделирования

Основными направлениями развития теории и методов моделирования в нанонауке являются:

• — теории мсзосостояний;
• — теория сложности систем;
• — теория мультисксйлинга (многомасштабности), включая развитие некоторых прикладных математических методик;
• — теории расчетов с участием больших чисел (порядка N).

Все эти теории и методы связаны с увеличением точности. Для их дальнейшего развития требуется разработка высокоточной теории молекулярных взаимодействий, основанной на так называемой «переносимости» свойств всех атомов периодической системы элементов.

Сложность рассматриваемых молекулярных структур требует использования новых методов оптимизации при самосборке наноструктурных материалов, примером которой может служить процесс укладки белков de novo. Кроме того, методы оптимизации должны быть согласованы друг с другом, т. е. расчетные данные должны быть представлены в точных и определенных формах, подходящих для использования в других системах и процессах. Например, следует значительно развить существующий единый вычислительный комплексный подход (объединяющий вычислительную химию, электронику, микромеханику и физику), чтобы с его помощью можно было решать конкретные самосогласованные системы дифференциальных уравнений.

Современные компьютеры не позволяют решать такие связанные системы уравнений (по крайней мере, для трехмерных моделей), однако в нанотехнологии существуют и более сложные задачи, для решения которых необходимо сочетание разных методов. Лишь объединение подходов, выработанных учеными и инженерами в разных областях, позволит осуществить прогресс в проектировании наноустройств.

Для этого требуется не только развитие современных систем, таких как «виртуальная среда совместного решения задач» (CPSE), но и создание «распределенных» баз данных. Необходимость развития систем CPSE связана с объединением усилий различных исследовательских групп (находящихся в разных местах или разных странах) для решения одной задачи и выработки единого теоретического подхода и программного обеспечения. Программное обеспечение высокого уровня должно автоматически регулировать вычислительные процессы и гарантировать оптимальный режим и точность расчетов. Для этого должны быть созданы интерфейсы, позволяющие инженерам проектировать наносистемы на компьютере, не вдаваясь в сложные аспекты квантовой механики, силовых нолей, молекулярной динамики, строения мезоструктур, анализа конечных элементов и т. п. Проектировщики должны быстро получать ответы на свои вопросы для принятия решений. Система CPSE могла бы быть построена, например, на платформе Интернета, которая обеспечивает всеобщую доступность программ моделирования (с помощью расчета зонных структур, распределения Пуассона и т. д.).

Прогресс и моделировании должен значительно ускорит, исследования практически во всех отраслях нанонауки и нанотехнологии. Основные усилия должны быть направлены на создание вычислительных систем параллельного типа и соответствующего программного обеспечения, поскольку только очень мощные ЭВМ могут справиться со сложнейшими задачами моделирования в нанотехнологиях.

Одновременно с программным обеспечением следует развивать и теоретические методы исследования. Необходимо готовить специалистов по теории и моделированию во всех науках, связанных с нанотехнологией (химия, теоретическая и прикладная физика, материаловедение, биология, кибернетика, химическая технология, электротехника и т. д.), и обеспечивать дополнительную подготовку этих специалистов по керамическим и полимерным материалам, сплавам, катализаторам и другим специальностям [10,11].