Nowe metody obliczeniowe w badaniu nietypowych materiałów
W ostatnich latach obserwujemy niezwykły rozwój badań nad elektronicznymi właściwościami nowych materiałów, szczególnie gdy są one wzbudzane przez promieniowanie elektromagnetyczne. Główny nacisk kładziony jest na badanie właściwości grafenu lub nanoobiektów, takich jak nanoprzewody, nanorurki lub nanopowłoki i projektowanie ich w takich sposób, aby posiadały pożądane właściwości optyczne. Dążąc do uzyskania pożytecznych właściwości, które pojawiają się w małych skalach, naukowcy finansowanego przez UE projektu QHYDRO opracowali nowe metody i modele do badania dynamiki kwantowej nanoobiektów w innych nietypowych materiałach. Nowe techniki przypominają metody stosowane w badaniach fizyki płynów i gazów. Skuteczność i prostota Nowoczesna technologia umożliwia produkcję wielu rodzajów nanoobiektów w dużych ilościach. „Materiały specjalne to bardzo małe obiekty, których rozmiar zbliża się do milionowej części milimetra (nanometra). To około 20 razy więcej niż wielkość atomu wodoru”, tłumaczy Giovanni Manfredi, stypendysta programu Marie Curie, który prowadził projekt QHYDRO. Zrozumienie i symulacja dynamicznych procesów w nanoskali często wymaga stosowania drogich narzędzi obliczeniowych, które działają na dużych komputerach. Dotychczas teoria Mie wydawała się być idealnym modelem do opisu właściwości optycznych nanocząsteczek. Jednak jej najpoważniejszym ograniczeniem jest to, że pomija efekty kwantowe, które mogą być kluczowe dla bardzo małych nanoobiektów. Inne standardowe metody, które naukowcy wykorzystują do badania reakcji elektronów na promieniowanie elektromagnetyczne, to zależna od czasu teoria funkcjonału gęstości lub metoda Hartree-Focka – obie wymagają długotrwałych obliczeń i dużo pamięci. W projekcie QHYDRO opracowano i wdrożono zaawansowane metody obliczeniowe, które są wystarczająco proste, by działać na standardowych komputerach. Pomimo swojej prostoty, zawierają wystarczająco dużo informacji, które powinny umożliwić naukowcom dalsze zbadanie reakcji elektronów materiałów na impulsy elektromagnetyczne lub prądy elektryczne. Nowe metody nie opierają się na modelu Mie, ale umożliwiają badanie bardziej złożonych i realistycznych geometrii, takich jak te, które powstają w sieciach oddziałujących nanocząsteczek. W szczególności naukowcy skupili się na badaniu właściwości alotropów węglowych i nanoobiektów metalowych. Pierwszym badanym materiałem był fulleren C60. Jest to najbardziej znany typ fullerenu, składający się z 60 atomów węgla tworzących wielościan. „Jedną z cech charakterystycznych fullerenów jest pusty rdzeń, który nadaje materiałowi niezwykłe właściwości elektroniczne, gdy jest napromieniowany światłem. Do pewnego stopnia materiały te pochłaniają i odbijają światło jak metale”, wyjaśnia Manfredi. Zespół badał również nanopowłoki z sodu i złota. W przeciwieństwie do fullerenów, są to większe nanoobiekty o średnicy od 10 do 100 nm. Potencjalne zastosowania Nanomateriały o przydatnych właściwościach są szczególnie atrakcyjne w zastosowaniach obliczeniowych i elektronicznych o wysokiej wydajności. „Nanoobiekty są wyjątkowe, ponieważ przekraczają granicę pomiędzy sferą makroskopową i kwantową, w których rządzą klasyczna fizyka newtonowska i mechanika kwantowa”, zauważa Manfredi. Mają one potencjał, odpowiednio, w zakresie przetwarzania, przesyłania i przechowywania większych ilości informacji oraz opracowania skutecznych filtrów i falowodów. Mogą one również przyczynić się do postępów w medycynie – mogą działać jako nośniki leków, usprawnić radioterapię, zaoferować szybszą diagnostykę medyczną i ulepszyć czujniki biomedyczne.
Słowa kluczowe
QHYDRO, nanoobiekt, fulleren, elektromagnetyczny, metoda obliczeniowa, nanopowłoka, płyn, dynamika kwantowa
