Математическое моделирование в нанотехнологиях с помощью программы nanoXplorer

Нанопоршень

В этой статье мы ознакомимся с программой NanoXplorer компании nanoTITAN, с помощью которой можно создавать различные наносистемы.

Инженерное моделирование наносистем

Многим известна инженерная программа AutoCAD, с помощью которой многие инженеры разрабатывают новые машины и механизмы, электронику, и пр. Подобный подход был бы полезен в нанотехнологии, т.к. многие наномашины не могут быть созданы на сегодняшний день, а вот знать о возможности построения тех или иных систем и об их свойствах желательно уже сейчас. Тем более, что, по мнению Криса Феникса, директора Центра Надежных Нанотехнологий, с использованием в производстве нанофабрик, появится необходимость в описании наноструктур, приемлемом инженерами. Так, например, для описания продукта микронных размеров необходимо учесть взаимное расположение триллионов атомов, составляющих продукт. Однако при введении различных «шаблонов» и готовых узлов, описание можно свести к файлу малого размера, содержащему набор и описание шаблонов, конструктивных частей и их взаимосвязей. Если необходимо создать заполнение определенного объема, то это можно описать с помощью «шаблона» элементарной единицы объема, и использовать затем этот шаблон столько раз, сколько необходимо для заполнения искомого объема.

Описание дизайна конструктивных наночастей должно быть параметрическим. Если необходимо построить нанотрубку, к примеру, то необходима модель одной секции нанотрубки необходимой длины. Задав затем длину нанотрубки, программа дублирует модель одной секции нужное количество раз.

В настоящее время разработан иерархический язык описания наноструктур nanoML (на основе языка XML). Ознакомиться с ним можно здесь: http://nanotitan.com/…taNanoML.htm. С помощью этого языка можно описать наносистему на молекулярном уровне, а также определить ее основные электрические, оптические, пространственные свойства, информацию о применении, копирайт и др.

Структура языка позволяет изменять модели, вводя новые элементы, связи и пр. Также можно определять пользовательские классы, используя те же иерархические модели. Модель начинается с наноустройства – высшей иерархической единицы (см. рис.1).

Рис. 1. Пример иерархии NanoML

Далее модель описывается отдельными наносистемами и молекулярными машинами, которые, в свою очередь, разворачиваются в набор молекул, нанотрубок, других конструктивных элементов и взаимосвязей между ними. Для облегчения работы с языком nanoML компания nanoTITAN выпустила программу NanoXplorer (см. рис. 2), позволяющую создавать модели наноустройств по примеру программы AutoCAD. Различия, разумеется, есть, однако проектировать наноустройства в программе NanoXplorer гораздо легче, чем, например, в Chem 3D, которая ограничивается проектированием и тестированием отдельных узлов наномашин.

Рис. 2. NanoXplorer от nanoTITAN

Рассмотрим более детально возможности программы NanoXplorer. Ее демо-версию (около 19 Мб) можно скачать по адресу: http://nanotitan.com/…ad/index.htm. В течение 20 дней можно будет попробовать свои силы в конструировании сложных наносистем, а также получить доступ к базе данных наноструктур. Если же вы заинтересовались этой программой, ее можно купить в России и странах СНГ от компании-представителя Nanotechnology News Network. Эта база данных – ценное введение компании nanoTITAN (рис. 3). С ее помощью начинающий может использовать в модели уже созданные готовые структуры наноподшипников, валов, компьютеров, двигателей, манипуляторов и пр. А создав свою структуру, пользователь может закачать ее в базу данных для пользования такими же изобретателями. Таким образом, база данных постоянно дополняется новыми моделями наноструктур. В базе данных возможен поиск по названию (вводите, например, «наноманипулятор» – и программа ищет его модель, которая затем передается в программную среду). С помощью программы можно создать модели разной направленности: от биочипов и искусственных энзимов до нанороботов. Без сомнения, для будущих наноинженеров будет полезна как эта программа, так и другие ее будущие модификации.

Рис 3. База наносистем от nanoTITAN

Рис. 4. Линейка инструментов NanoXplorer

Итак, мы начинаем конструирование наносистемы с ряда молекулярных машин (Molecular Device). Их можно либо импортировать в программу в уже нам знакомом *.pdb формате, либо собрать в программе самому, либо написать на языке nanoML. Например, нам необходимо построить систему из нанотрубки, внутри которой будет находиться фуллерен (такая структура может использоваться в наногидравлике). Для этого мы перетаскиваем мышкой объект Nanotube в менеджер иерархии Nanodevice Component (см. рис. 5), определяя далее ее характеристики – длину, диаметр, состав (см. рис. 6). Заметим, что использование программы Chem3D для подобной задачи было бы неудобно.

Рис. 5. Добавление нанотрубки в модель

Открываем далее вертикальную закладку справа Display и можем видеть схематическое изображение нанотрубки (см. рис. 7). Видим под моделью ползунок масштабирования, с помощью которого можно изменить масштаб модели на сколько угодно. Также отображаются реальные размеры объекта, что важно для инженерного проектирования.

Рис. 6. Установка свойств нанотрубки

Далее выбираем из линейки инструментов фуллерен и тянем его в менеджер иерархии Nanodevice Component таким же образом, как мы создавали нанотрубку. Из меню выберем фуллерен С26. С помощью закладки Structure разместите фуллерен внутри нанотрубки, предварительно повернув ее (см. рис. 8). Затем измените параметры нанотрубки, выбрав в верхней закладке (5, 5) Carbon Nanotube (нанотрубка возьмется в синюю сетку) и нажав на кнопке Edit сверху окна изображения. Поставьте ползунком Arm Chair радиус не менее 0,7 нм, а ползунком Lenght длину не менее 3 нм. В нанотрубку такой конфигурации без труда войдет фуллеррен и будет свободно по ней перемещаться (рис. 9). То, что на рисунке фуллерен значительно меньше нанотрубки, объясняется каркасной визуализацией. Используя визуализацию поверхностей минимальной энергии мы увидим, что фуллерен «плотно» входит в нанотрубку.

Рис. 7. Просмотр полученной нанотрубки

Для просмотра модели используйте кнопки осей координат, нарисованные сверху. Вот мы и создали простейшее наноустройство. Более сложные наносистемы требуют детального описания. Это и связи между компонентами, и электрохимические свойства молекул, и даже их угловые и линейные скорости. Модель можно сохранить в формате XYZ и просмотреть с помощью KVizPro, как и другие модели. Как видим, эта программа представляет широкие возможности для построения таких сложных наносистем, как нанороботы и наносистемы.

Рис. 8. Перемещение, вращение и изменение модели

Рис. 9. Нанопоршень из фуллерена и нанотрубки

Автор Свидиненко Юрий