Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
Posted in | Nanoanalysis

Natuurkundige Ontwikkel Methode voor de berekening Motions en krachten van duizenden atomen tegelijkertijd

Published on November 3, 2009 at 5:44 PM

Een theoretische natuurkundige aan de National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een methode ontwikkeld voor het berekenen van de bewegingen en de krachten van duizenden atomen tegelijk over een breder scala van tijdschalen dan voorheen mogelijk was. De methode overwint een lange timing leemte in het modelleren van nanometer-schaal materialen en vele andere fysische, chemische en biologische systemen op atomaire en moleculaire niveaus.

Gekleurde simulatie van wat er gebeurt met 1100 koolstofatomen in een 'vlakke' vel grafeen ongeveer 20 microseconden na het centrale atoom is iets naar boven verplaatst. Donkere violet kleuren geven atomen die hebben laten vallen onder hun oorspronkelijke positie, terwijl de lichtere groene kleuren zien waar atomen zijn gestegen. Credit: VK Tewary / NIST

De nieuwe wiskundige techniek * kan een aanzienlijke verbetering van de modellering van atomaire schaal processen die zich ontvouwen in de tijd, zoals trillingen in een kristal. Conventionele moleculaire dynamica (MD) technieken kan nauwkeurig model processen die zich in stappen gemeten in picoseconden tot femtoseconden (trillionths naar quadrillionths van een seconde). Andere technieken gebruikt kunnen worden over een langere periode aan model bulk materialen, maar niet op het moleculaire niveau. De nieuwe NIST techniek kan toegang krijgen tot deze langere tijdschalen in het kritische bereik van nanoseconden tot microseconden (miljardste naar miljoenste van een seconde)-op moleculair niveau. Wetenschappers kunnen nu meten en begrijpen wat er gebeurt op belangrijke punten in de tijd, die niet eerder zijn toegankelijk, en de rest van het volledige spectrum van tijdschalen van belang in MD, zegt ontwikkelaar Vinod Tewary.

Modellering van materiaaleigenschappen en fysische processen is een waardevolle hulp en aanvulling op de theoretische en experimentele studies, deels omdat experimenten zijn heel moeilijk op nanoschaal. MD-berekeningen zijn doorgaans gebaseerd op de fysica van individuele atomen of moleculen. Deze traditionele aanpak is niet alleen beperkt door de tijd schaal, maar ook door het systeem grootte. Het kan niet worden uitgebreid tot processen waarbij duizenden atomen of meer omdat de huidige computers, zelfs supercomputers-cant omgaan met de miljarden van de benodigde tijd stappen, Tewary zegt. Daarentegen, zijn nieuwe methode is voorzien van een 'Green's functie, "een wiskundige benadering dat de toestand van een zeer groot systeem kan berekenen over flexibele tijdschalen in een enkele stap. Aldus, overwint het systeem grootte probleem als de timing gap.

Tewary illustreerde de nieuwe techniek op twee problemen. Hij liet zien hoe een puls verspreiden via een reeks van atomen, geïnitieerd door het verplaatsen van het midden-atoom, kunnen worden gemodelleerd voor slechts een paar femtoseconden met conventionele MD, terwijl het NIST methode werkt voor verschillende microseconden. Tewary ook berekend hoe de rimpelingen verspreiden in 1100 koolstofatomen in een vel grafeen over periodes tot ongeveer 45 microseconden, een probleem dat niet eerder kunnen worden opgelost. Normaal gezien als een statisch vlakke plaat, de atomen in grafeen in feite moet een of andere manier golven stabiel blijft, en de nieuwe techniek laat zien hoe vermeerderen deze rimpelingen. (Zie de bijgevoegde foto en film). Die volledig bestaan ​​uit koolstofatomen, grafeen is een recent ontdekte honingraat kristal materiaal dat kan een uitstekende geleider voor draden en andere componenten in nanoschaal elektronica.

De nieuwe NIST techniek is naar verwachting aan het modelleren van de vele andere processen die zich op tijdschalen van nano-tot microseconden, zoals de vorming en groei van gebreken, geleiding van warmte, diffusie en straling schade in materialen mogelijk te maken. De techniek zou kunnen verbeteren resulteert in veel verschillende gebieden, van modelleren van nieuwe nanotechnologieën in het ontwerp tot de simulatie van de straling schade als gevolg van een "vuile bom" in de tijd.

NIST onderzoekers zijn van plan om een ​​software programma dat codeert voor de nieuwe techniek beschikbaar te stellen aan andere gebruikers schrijven.

* VK Tewary. Uitbreiding van tijdschaal in de moleculaire dynamica simulaties: de verspreiding van rimpelingen in grafeen. Physical Review B, Vol. 80, nr. 16 .. Online gepubliceerd 22 oktober 2009.

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

Last Update: 8. October 2011 04:47

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit