Superpočítačové modelovanie nanosveta

I. Štich

Fyzikálny ústav SAV, Bratislava

http://www.fu.sav.sk

(alebo nanotechnológie on-line)

Namiesto úvodu...

Nanotechnológie on-line

Wikipedia: Nanotechnológia (gr. νάννος [nános] = trpaslík) je všeobecné označenie (častí) vedných odborov, ktoré sa zaoberajú tvorbou a využívaním technológií v meradle rádovo nanometrov(spravidla cca. 1–100 nm).

dĺžkové škály: nanometer = 10-9m

časové škály: nano-femtosekundy = 10-9 -

10-15 s

počítačový „experiment“:cena, flexibilita, ...

teória

exper.

simulácia

simulácia = počítačový „experiment“

Namiesto úvodu...

Nanotechnológie on-line

Wikipedia: Nanotechnológia (gr. νάννος [nános] = trpaslík) je všeobecné označenie (častí) vedných odborov, ktoré sa zaoberajú tvorbou a využívaním technológií v meradle rádovo nanometrov(spravidla cca. 1–100 nm).

dĺžkové škály: nanometer = 10-9m

časové škály: nano-femtosekundy = 10-9 -

10-15 s

počítačový „experiment“:cena, flexibilita, ...

Teragrid: Ranger

simulácia = počítačový „experiment“

Namiesto úvodu...

Nanotechnológie on-line

Wikipedia: Nanotechnológia (gr. νάννος [nános] = trpaslík) je všeobecné označenie (častí) vedných odborov, ktoré sa zaoberajú tvorbou a využívaním technológií v meradle rádovo nanometrov(spravidla cca. 1–100 nm).

dĺžkové škály: nanometer = 10-9m

časové škály: nano-femtosekundy = 10-9 -

10-15 s

počítačový „experiment“:cena, flexibilita, ...

Prečo??? : molekulárna elektronika, nanoelektronika, spintronika, kvantové počítače...

Teragrid: Ranger

clusters

Čo všetko môžeme študovať? príklady…

molecules surfaces

3D extended SAMs biomolecules

teória experiment

simuláciaPríklad 1: voľný pád objektov (blízko zeme)

kedy dopadne objekt z výšky h?

teória: v=g.t

h=vdt=gtdt=½gt2 t=sqrt(2h/g)

experiment:

simulácia: r(t+t)=r(t)+v(t)t+½at2+1/6b(t) t3+O(t4)

r(t-t)=r(t) - v(t)t+½at2-1/6b(t) t3+O(t4)-----------------------------------------r(t+t)=2r(t)-r(t-t)+gt2+O(t4)

Taylorov rozvoj

teória experiment

simuláciaPríklad 2: biliard; v akom bode bude gula

po čase t?

Podobné ako príklad 1.

teória experiment

simulácia

Príklad 3: častica v krabici

klasická častica

kvantová častica

ak sú steny veĺmi blízko u seba

teória experiment

simulácia

Príklad 3: kvantová častica v krabici

kvantové efekty:

1) Energia kvatovaná; En=n2h2/8mL

2) Niektoré polohy v krabici pravdepodobnejšie ako iné

Simulácia 1 častice jednoduchá; simulácia ~ teória ~ experiment

Schrödigerova

rovnica:

H = E

kvantová mechanika mnohých častíc

Úloha:

distribuovať náhodne 2 častice do 2 krabíc

Otázka:

pravdepododbnosť nájdenia nasledovných distribúcii:

klasické ¼ ¼½

kvantovéFermióny (elektrón)

0 01

kvantová mechanika mnohých častíc

Otázka:

Prečo je to tak? Čo je zvláštne na elektrónoch ?

klasické

kvantová mechanika mnohých častíc

Otázka:

Prečo je to tak? Čo je zvláštne na elektrónoch ?

kvantové )]()()()([2

1),( 2112221121

Pauliho princíp:1) !!!stav sa nemení, ak častice vymeníme!!!

2) žiadne dve častice neoobsadzujú rovnaký stav

3) žiadne dve častice neoobsadzujú stejné miesto

W. Pauli

kvantová mechanika mnohých častíc

)()(

)()(

2

1)]()()()([

2

1),(

2212

2111

2112221121

elektrón okolo seba vytvára tzv. výmenno-korelačnú dieru

determinant

presné modelPríklad: kryštál kremíka

kvantová mechanika mnohých častíc

modelovanie

)()()(

)()()(

)()()(

21

22212

12111

eeee

e

e

N

L

N

L

N

L

N

N

LLL

N

LLL

L

iL

L

LiLi cc

1) Kvantová chémia

formálne exaktné, ale nepoužiteľné na nanoškále

kvantová mechanika mnohých častíc

modelovanie2) Teória hustotového funkcionálu (DFT)

)()()(

)()()(

)()()(

!

1

21

22212

12111

eeee

e

e

NNNN

N

N

e

DFTN

presné model

často ideálny kompromis kvalita/cena

W. Kohn J. Popple

stochastické vzorkovanie

kvantová mechanika mnohých častíc

modelovanie2) Kvantové Monte-Carlo

)()()(

)()()(

)()()(

21

22212

12111

eeee

e

e

N

L

N

L

N

L

N

N

LLL

N

LLL

L

iL

L

LiLi cc

Čo potrebujeme/chceme merať na počítači

E = energiu ako? H = E Schrödigerova rovnica

Príklad: molekula azobenzenu:

Čo s tým?

nInI EF

Newtonove rovnice = evolúcia systému v čase nInII FtRM )(

sily na atómy štruktúra systému

dynamika systému

Vybrané aplikácie

4 príklady aplikácií:

Zobrazovanie a manupulácia atómov na povrchoch

Molekulárny spínač

Syntéza benzínu z metanolu

Pohyb nanočastíc po povrchoch bez trenia

FM AFM

F.J. Giessibl, Science 267, 68 (1995)

Si(111)-7x7

Operation modes: frequency modulation (non-contact) dissipation Kelvin probe

etc...

Zobrazovanie a manipulácia atómov na

povrchoch (AFM)

relatively well understood

On reactive semiconductor surfaces:chemical tip-surface interaction

On ionic surfaces:short-range electrostatics

On metallic surfaces

How does the atomicresolution arise?

Zobrazovanie a manipulácia atómov na

povrchoch (AFM)

R. Perez, M.C. Payne, I. Štich, and K. Terakura, Phys.Rev.Lett. 78, 678 (1997)R. Perez, I. Štich, M.C. Payne, and K. Terakura, Phys.Rev. B 58, 10835 (1998)

Example: Reactive semiconductor surface: InP(110)

J. Tobik, I. Stich, R. Perez, K. Terakura, PRB 60, 11 639 (1999);

PRB 63, 245324 (2001)

Manipulácia atómov na povrchoch (AFM)

(a) (b) (c)

Soft nanoindentation

1) 2) 3)

Soft nanoindentation

Manipulácia atómov na povrchoch (AFM)

1-atómový pamäťový prvok

Model:

P v perfektnej retiazke InP na povrchu InP(110) P v antisite defekte na povrchu InP(110)

P-antisite

P-perfect

g-structure

l-structure

g

l

p

P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005).

Nanomanipulácia (1): prepínanie defektu

Functionalized apex: Oxidized apex

Flipping P antisite

P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005).

repulsion

Nanomanipulácia (2):

obnovenie štruktúry základného stavu

very complex PES

repulsion attraction

P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005). Flipping P antisite

No need of tip functionalization: attractive interaction

Nanomanipulácia (3):

obnovenie štruktúry základného stavu

very complex PES

repulsion attraction

P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005).

Fotospínateľné molekuly:Azobenzene

cis-isomer trans-isomer

8.5Å 11.3Å

photo-chromic molecule

ground-statelocal-minimum state

conical intersection (CI)

Molekulový opto-mechanický spínač

Môžeme spínať ukotvené fotospínateľné molekulyopticky/mechanicky/opto-mechanicky

REVERZIBLNÝM spôsobom???

(dithio)azobenzene/gold

x-y-z-Piezo

Sample

Photodiode

ElectronicsComputer

Cantilever

Laser

Expt. Sim.

1) príprava/ťahanie hrotov

Short nano-wire formed

Simulácia: emulovanie experimentu

x-y-z-Piezo

Sample

Photodiode

ElectronicsComputer

Cantilever

Laser

Expt. Sim.

1) príprava/ťahanie hrotov

2) premostenie hrotov molekulou

Simulácia: emulovanie experimentu

x-y-z-Piezo

Sample

Photodiode

ElectronicsComputer

Cantilever

Laser

Expt. Sim.

1) príprava/ťahanie hrotov

2) premostenie hrotov molekulou

Simulácia: emulovanie experimentu

3) mechanický účinok hrotov

x-y-z-Piezo

Sample

Photodiode

ElectronicsComputer

Cantilever

Laser

Expt. Sim.

1) príprava/ťahanie hrotov

2) premostenie hrotov molekulou

Simulácia: emulovanie experimentu

3) mechanický účinok hrotov

F [

a.u

.]

z [a.u.]

- force distance curves

- I/V distance curves

x-y-z-Piezo

Sample

Photodiode

ElectronicsComputer

Cantilever

Laser

Expt. Sim.

1) príprava/ťahanie hrotov

2) premostenie hrotov molekulou

Simulácia: emulovanie experimentu

3) mechanický účinok hrotov;formovanie Au retiazok T 0

Mechanospínanie

R.Turanský. M. Konôpka, N.L. Doltsinis, I.Štich, D.Marx, ChemPhysChem 11, 345 (2010)

Mechanospínanie

Model (3)

R.Turanský. M. Konôpka, N.L. Doltsinis, I.Štich, D.Marx, ChemPhysChem 11, 345 (2010)

QMC Description

R. Derian, M. Dubecký, L. Mitas, I.Štich, unpublished

,+ A. Cembran, et al., J. Am. Chem. Soc. 126, 3234 (2004)

* J.Å Petterson, L. Tegnér, J. Photochem. 20, 17 (1982)

chemical accuracy !!!

Accuracy better than 0.1eV and better than

experiment!!!

Commercial catalytic reaction: Conversion of methanol to gasoline

Reaction conditions:

High temperature T = 700 K

High concentration of methanol; 5-6/active sites

ZSM-5 zeolite catalyst; low concentration of active sites

Syntéza benzínu z metanolu

● Initial methanol adsorption in zeolite

● Activation of adsorbed species

● Formation of intermediates; DME: CH3-O- CH3

● Formation of first C-C bonds

Lagrange multiplier

Syntéza benzínu z metanolu

Ordinary ab-initiomolecular dynamics

ab-initio thermodynamicintegration

Ferrierite - small unit cell

ZSM-5 300-atom unit cell

Commercial catalyst

Closest mimic

Syntéza benzínu z metanolu

HZOOHCHOCHZOOHCHOHCH 233323

Syntéza benzínu z metanolu

Stich et al., Chem.Phys.Lett. 283, 402 (1998);Stich et al., J.Am.Chem.Soc. 140, 124 (1999);M. Hytha, I. Štich, J.D. Gale, et al., Chem.Eur.J. 7, 2521 (2001).

Energy&

Entropyequally important

Hytha, Stich, Gale, et al., Chem.Eur.J. 7, 2521 (2001)

Syntéza benzínu z metanolu

F=E-TS

Namiesto záveru...

Prírodné vedy môžu byť fascinujúcim „dobrodružstvom“ hľadania...

Počítačové simulácie na nanoškále otvárajú nové„okná“ do sveta atómov a molekúl...

Ak vás láka nano-, femto-svet on-line, dajte mi vedieť... (ivan.stich@savba.sk)