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Posted in | Nanoanalysis

Physicien Élaborer une méthode pour les motions et les Forces Calcul de milliers d'atomes Simultanément

Published on November 3, 2009 at 5:44 PM

Un physicien théorique à l' Institut National des Standards and Technology (NIST) a développé une méthode pour calculer les mouvements et les forces de milliers d'atomes simultanément sur ​​une large gamme d'échelles de temps qu'auparavant. La méthode permet de surmonter un déficit de longue date le calendrier de la modélisation à l'échelle nanométrique de matériaux et de nombreux autres systèmes physiques, chimiques et biologiques à l'échelle atomique et moléculaire.

De simulation colorisée de ce qui se passe à 1100 atomes de carbone dans un 'plat' feuille de graphène d'environ 20 microsecondes après l'atome central est déplacé légèrement vers le haut. Couleurs violettes foncées indiquent les atomes qui ont chuté en dessous de leur position initiale, tandis que les couleurs vert pâle montrent où les atomes ont augmenté. Crédit: VK Tewary / NIST

La nouvelle technique mathématique * peut considérablement améliorer la modélisation de l'échelle atomique des processus qui se déroulent au fil du temps, telles que les vibrations dans un cristal. Conventionnelle dynamique moléculaire (DM) peut modéliser avec précision les techniques des processus qui se produisent dans mesurées en incréments de picosecondes à femtosecondes (milliardièmes de quadrillionths d'une seconde). D'autres techniques peuvent être utilisées sur de longues périodes à des matériaux en vrac modèle mais pas au niveau moléculaire. La nouvelle technique du NIST ne peut plus accéder à ces échelles de temps dans la plage critique de nanosecondes aux microsecondes (millionièmes de millionièmes de seconde)-à l'échelle moléculaire. Les scientifiques peuvent désormais mesurer et comprendre ce qui arrive à des points clés dans le temps qui n'étaient auparavant pas accessibles, et à travers le spectre complet des échelles de temps de l'intérêt pour MD, affirme Vinod Tewary développeur.

Modélisation des propriétés des matériaux et des procédés physiques est une aide précieuse et de compléter les études théoriques et expérimentales, en partie parce que les expériences sont très difficiles à l'échelle nanométrique. MD calculs sont généralement basées sur la physique des atomes ou de molécules individuels. Cette approche traditionnelle est limité non seulement par l'échelle de temps, mais aussi par la taille du système. Il ne peut pas être étendu à des processus impliquant des milliers d'atomes ou plus parce que les ordinateurs, même aujourd'hui-ne superordinateurs gérer les milliards de pas de temps nécessaire, Tewary dit. En revanche, sa nouvelle méthode incorpore une «fonction de Green,« une approche mathématique qui permet de calculer l'état d'un très grand système sur des échelles de temps flexibles en une seule étape. Ainsi, il résout le problème de taille du système ainsi que l'écart de synchronisation.

Tewary illustré la nouvelle technique à deux problèmes. Il a montré comment une impulsion se propageant à travers une chaîne d'atomes, initié par le déplacement de l'atome du milieu, pourrait être modelé pour seulement quelques femtosecondes avec MD conventionnel, alors que la méthode du NIST travaille pour plusieurs microsecondes. Tewary également calculé combien ondulations se propagent dans 1100 atomes de carbone dans une feuille de graphène sur des périodes allant jusqu'à environ 45 microsecondes, un problème qui ne pouvait pas être résolu précédemment. Normalement considéré comme une feuille statiques plat, les atomes dans le graphène fait doit ondulent en quelque sorte à rester stable, et la nouvelle technique montre comment ces ondulations se propagent. (Voir l'image d'accompagnement et de cinéma). Composée exclusivement d'atomes de carbone, le graphène est un matériau à cristaux récemment découvert en nid d'abeille qui peuvent être un chef d'orchestre exceptionnel pour les fils et les autres composants de l'électronique nanométrique.

La nouvelle technique du NIST est prévue pour permettre la modélisation de nombreux autres processus qui se produisent à des échelles de temps des nano-à microsecondes, comme la formation et la croissance des défauts, la conduction de la chaleur, la diffusion et dégâts d'irradiation dans les matériaux. La technique pourrait améliorer les résultats dans de nombreux domaines, de la modélisation des nouvelles nanotechnologies dans la phase de conception à simuler les dégâts d'irradiation d'une "bombe sale" au fil du temps.

Les chercheurs du NIST l'intention d'écrire un logiciel d'encodage de la nouvelle technique pour le rendre disponible aux autres utilisateurs.

* VK Tewary. Étendre l'échelle de temps dans les simulations de dynamique moléculaire: la propagation des ondes dans le graphène. Physical Review B, vol. 80, n ° 16 .. Publié en ligne le 22 octobre 2009.

Contact pour les médias: Laura Ost, laura.ost @ nist.gov, (301) 497-4880 (301) 497-4880

Last Update: 3. October 2011 10:16

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