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Posted in | Nanoanalysis

Physiker entwickeln Methode zur Berechnung der Bewegungen und Kräfte aus Tausenden von Atomen gleichzeitig

Published on November 3, 2009 at 5:44 PM

Ein theoretischer Physiker an der National Institute of Standards and Technology (NIST) hat eine Methode zur Berechnung der Bewegungen und Kräfte aus Tausenden von Atomen gleichzeitig über ein breiteres Spektrum von Zeitskalen als bisher möglich entwickelt. Die Methode überwindet eine lange zeitliche Lücke in der Modellierung Nanometerbereich Materialien und vielen anderen physikalischen, chemischen und biologischen Systemen auf atomarer und molekularer Ebene.

Farbige Simulation, was passiert, bis 1100 Kohlenstoffatome in einem "flachen" Blatt von Graphen etwa 20 Mikrosekunden nach dem Zentralatom leicht nach oben bewegt wird. Dunkleren violetten Farben zeigen Atome, die unter ihrer ursprünglichen Position fallen lassen, während die leichteren grünen Farben, wo Atome gestiegen zeigen. Credit: VK Tewary / NIST

Das neue mathematische Technik * signifikant verbessern kann Modellierung atomarer Skala Prozesse, die im Laufe der Zeit entfalten, wie Schwingungen in einem Kristall. Konventionelle Molekulardynamik (MD)-Techniken können genau zu modellieren Prozesse, die in Schritten in Pikosekunden zu Femtosekunden (Billionstel zu Billiardstel Sekunde) gemessen auftreten. Andere Techniken können über längere Zeiträume zu modellieren Schüttgütern, aber nicht auf molekularer Ebene verwendet werden. Die neue NIST-Technik können auf diese längeren Zeitskalen in den kritischen Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden (Millionstel bis Millionstel einer Sekunde)-auf der molekularen Ebene. Wissenschaftler können jetzt messen und zu verstehen, was passiert, an wichtigen Punkten in der Zeit, die bisher nicht zugänglich sind, und auf dem ganzen Spektrum von Zeitskalen von Interesse in MD, sagt Entwickler Vinod Tewary.

Modellierung von Materialeigenschaften und physikalischen Prozesse ist eine wertvolle Hilfe und Ergänzung zur theoretischen und experimentellen Untersuchungen, zum Teil, weil Experimente sehr schwierig auf der Nanometerskala sind. MD-Rechnungen sind in der Regel auf die Physik von einzelnen Atomen oder Molekülen. Dieser traditionelle Ansatz wird nicht nur durch Zeitskala, sondern auch von System-Größe begrenzt. Es kann nicht um Prozesse, die Tausenden von Atomen oder mehr erweitert werden, da die heutigen Computer-even Supercomputer-cant Griff die Milliarden von Zeit erforderlichen Schritte, sagt Tewary. Im Gegensatz dazu enthält seine neue Methode als "Greensche Funktion", ein mathematischer Ansatz, dass die Bedingung eines sehr großen Systems über flexible Zeiträume in einem einzigen Schritt berechnen kann. So überwindet er die Anlagengröße Problem sowie die zeitliche Lücke.

Tewary illustrierte die neue Technik auf zwei Probleme. Er zeigte, wie ein Puls der Ausbreitung durch eine Kette von Atomen, durch Verschieben des mittleren Atom eingeleitet, konnte für die nur wenige Femtosekunden mit herkömmlichen MD modelliert werden, während die NIST-Methode arbeitet für mehrere Mikrosekunden. Tewary auch berechnet, wie Wellen in 1.100 Kohlenstoffatome in einem Blatt von Graphen über Zeiträume bis zu 45 Mikrosekunden, ein Problem, das nicht gelöst werden konnte zuvor werden zu propagieren. Normalerweise als eine statische flache Platte gedacht, die Atome in Graphen tatsächlich irgendwie undulate stabil bleiben, und die neue Technik zeigt, wie diese Wellen ausbreiten. (Siehe auch die begleitenden Bild-und Film). Ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, ist Graphen ein kürzlich entdecktes Waben-Material, die einen herausragenden Dirigenten für Drähte und andere Komponenten in nanoskaligen Elektronik werden kann.

Die neue NIST-Technik wird voraussichtlich Modellierung von vielen anderen Prozessen, die auf Zeitskalen von Nano-bis Mikrosekunden, wie Bildung und das Wachstum von Mängeln, Wärmeleitung, Diffusion und Strahlenschäden in Materialien auftreten können. Die Technik könnte die Ergebnisse verbessern in vielen verschiedenen Bereichen, von der Modellierung von neuen Nanotechnologien in der Planung bis zur Simulation der Strahlenschäden von einer "schmutzigen Bombe" im Laufe der Zeit.

NIST-Forscher planen, ein Software-Programm kodiert die neue Technik, um es für andere Benutzer verfügbar zu schreiben.

* VK Tewary. Erweiterung Zeitskala in Molekulardynamik-Simulationen: Ausbreitung von Wellen in Graphen. Physical Review B, vol. 80, Nr. 16 .. Published online 22 Oktober 2009.

Pressekontakt: Laura Ost, laura.ost @ nist.gov, (301) 497-4880 (301) 497-4880

Last Update: 3. October 2011 13:26

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