Вопросы к экзамену по дисциплине «Компьютерное моделирование процессов нанотехнологии», 1. Перечислите предпосылки появления нанотехнологии. 2. Дайте буквальные определения терминов «микро», «макро», «нано». Поясните понимание этих терминов в рамках нанотехнологии. 3. Инструментарий нанотехнологии. 4. Основные проблемы нанотехнологии и пути их решения. 5. Уровни научного познания в применении к нанотехнологиям. 6. Общие принципы компьютерного моделирования. 7. Типы моделей «белый ящик», «черный ящик», «серый ящик». 8. Принципиальные подходы вычислительной нанотехнологии. 9. Основные принципы моделирования молекулярных систем в молекулярной механике. 10. Потенциальная энергия молекулы в молекулярной механике. 11. Энергии слабых связей в молекулярной механике. 12. Методы поиска равновесных структур в молекулярной механике. 13. Методы упрощения, применяемые в молекулярной механике. 14. Достоинства и недостатки методов молекулярной механики. 15. Область применимости молекулярной динамики. 16. Базовые законы молекулярно-динамического моделирования. 17. Выбор шага по времени в молекулярной динамике. 18. Методы ограничения областей в молекулярной динамике. 19. Методы учета энергообмена с внешней средой в молекулярной динамике. 20. Достоинства и недостатки молекулярно-динамического моделирования. 21. Стохастический принцип моделирования в методах Монте-Карло. 22. Алгоритм Метрополиса. 23. Процесс Маркова. 24. Достоинства и недостатки моделирования методами Монте-Карло. 25. Механизмы образования супрамолекулярных связей. 26. Водородная связь в супрасистемах. 27. Электростатические взаимодействия в супрасистемах. 28. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия в супрасистемах. 29. Достоинства супрамолекулярных систем. 30. Самоорганизация сложных систем. 31. Самосборка как пример самоорганизации в нанотехнологии. Факторы, определяющие самосборку. 32. Общие признаки пакетов моделирования молекулярных систем. 33. Процедура проведения квантовохимического моделирования. 34. Проведите общий обзор программного обеспечения моделирования наносистем.

1.Перечислите предпосылки появления нанотехнологии

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а такжеметодов производства и применения продуктов с заданной атомной структуройпутём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

28 сентября 1989 года сотрудник ЕВМ Дон Эйглер(DonEigler) стал первым человеком в истории, который смог контролировать отдельный атом.Эйглер построил сканирующий туннельный микроскоп (СТМ. STM) с целью визуализировать и проводить более наглядные эксперименты с атомами и молекулами. В ходе работ Эйглер обнаружил, что возможно "катить" отдельный атом по поверхности с помощью иглы СТМ. Для демонстрациимасштаба и воспроизводимости открытия. 11 ноября 1989 года, он со своейкомандой использовал микроскоп, чтобы расположить 35 атомов ксенона ввиде букв "IBM". Возможность манипулировать частицами стала знаковыммоментом в продвижении исследований в области нанонаук и начала эру нанотехнологий.

В мае 2013 г. исследователи, работающие в компании IBM. Создалимультфильм, манипулируя отдельными атомами. Анимационная лента «Мальчик и его атом» занесена в книгу рекордовГиннесса, как самый маленький мультфильм. Мультфильм дает представлениео технических возможностях, которые находятся в распоряженииисследователей.разрабатывающих передовые технологии хранения информации.

В январе 2012 года ученые IBM Research создали элемент магнитной памяти из 12 атомов, ответив на вопрос о минимальном числе атомов необходимых для хранения одного бита информации в магнитной памяти. Для сравнения: в современных накопителях на жестких магнитных дисках дляхранения одного бита информации используется порядка 10⁶ атомов.

3.Инструментарий нанотехнологии

Туннельный микроскоп. В 1981 году ученые из швейцарскогоотделения IBMсоздали туннельный микроскоп, устроен который довольнопросто -острая металлическая игла подводится к образцу на расстояниенескольких ангстрем. С острия иглы на поверхность туннелируют электроны, ивозникает небольшой ток, величина которого сильно зависит от расстояниямежду иглой и поверхностью. Изменение этого расстояния на величинуменьшую, чем размер единичного атома, вызывает экспоненциальноеизменение тока. Таким образом, можно "различить" на поверхности материалаединичные атомы. Однако оказалось, что туннельный микроскоп, в отличие от других микроскопов, имеет одно принципиально новое свойство. С его помощьюможно не только "видеть" отдельные атомы, но и, прикладывая некотороенапряжение, воздействовать на них: попросту говоря, при помощи туннельногомикроскопа можно "подцепить" атом и поместить его в нужное место. Данный факт говорит о том, что существует принципиальная возможностьманипулировать отдельными атомами, а следовательно, собирать из них все,что угодно, любой предмет, любое вещество, в конечном итоге - делать точнуюкопию любого предмета, подобно тому, как это делает ксерокс с изображением.

Молекулярный ассемблер, или наноассемблер - устройство наноразмеров, способное собирать из отдельных атомов или молекул сколь угодно сложныеконструкции по вводимому в них плану. Разработка и создание молекулярногоассемблера - важная задача, которая стоит перед разработчикам и нанотехнологий.

Наноассемблер является частным случаем не созданой на данный момент нанофабрики — более крупного устройства, предназначенного для сборкиобъектов из отдельных атомов. По мнению Эрика Дрекелера, наноассемблер можно будет запрограммировать как репликатор: устройство, способноепроизводить свои собственные копии.

Нанофабрика — это гипотетическая система, в которой наномашины могут комбинировать молекулы, чтобы создавать детали с атомарной точностью. Нанофабрика может состоять из частей различных размеров и создаватьпродукты макроскопических (видимых) размеров с атомарной точностью.