Download - (alebo nanotechnológie on-line)
![Page 1: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/1.jpg)
Superpočítačové modelovanie nanosveta
I. Štich
Fyzikálny ústav SAV, Bratislava
http://www.fu.sav.sk
(alebo nanotechnológie on-line)
![Page 2: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/2.jpg)
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“
![Page 3: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/3.jpg)
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“
![Page 4: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/5.jpg)
clusters
Čo všetko môžeme študovať? príklady…
molecules surfaces
3D extended SAMs biomolecules
![Page 6: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/7.jpg)
teória experiment
simuláciaPríklad 2: biliard; v akom bode bude gula
po čase t?
Podobné ako príklad 1.
![Page 8: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/8.jpg)
teória experiment
simulácia
Príklad 3: častica v krabici
klasická častica
kvantová častica
ak sú steny veĺmi blízko u seba
![Page 9: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/10.jpg)
kvantová mechanika mnohých častíc
Úloha:
distribuovať náhodne 2 častice do 2 krabíc
Otázka:
pravdepododbnosť nájdenia nasledovných distribúcii:
klasické ¼ ¼½
kvantovéFermióny (elektrón)
0 01
![Page 11: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/11.jpg)
kvantová mechanika mnohých častíc
Otázka:
Prečo je to tak? Čo je zvláštne na elektrónoch ?
klasické
![Page 12: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/13.jpg)
kvantová mechanika mnohých častíc
)()(
)()(
2
1)]()()()([
2
1),(
2212
2111
2112221121
elektrón okolo seba vytvára tzv. výmenno-korelačnú dieru
determinant
presné modelPríklad: kryštál kremíka
![Page 14: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/17.jpg)
Čo potrebujeme/chceme merať na počítači
E = energiu ako? H = E Schrödigerova rovnica
Príklad: molekula azobenzenu:
![Page 18: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/18.jpg)
Čo s tým?
nInI EF
Newtonove rovnice = evolúcia systému v čase nInII FtRM )(
sily na atómy štruktúra systému
dynamika systému
![Page 19: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/19.jpg)
Vybrané aplikácie
4 príklady aplikácií:
Zobrazovanie a manupulácia atómov na povrchoch
Molekulárny spínač
Syntéza benzínu z metanolu
Pohyb nanočastíc po povrchoch bez trenia
![Page 20: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/20.jpg)
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)
![Page 21: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/21.jpg)
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)
![Page 22: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/22.jpg)
Example: Reactive semiconductor surface: InP(110)
J. Tobik, I. Stich, R. Perez, K. Terakura, PRB 60, 11 639 (1999);
PRB 63, 245324 (2001)
![Page 23: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/23.jpg)
Manipulácia atómov na povrchoch (AFM)
(a) (b) (c)
Soft nanoindentation
1) 2) 3)
Soft nanoindentation
![Page 24: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/24.jpg)
Manipulácia atómov na povrchoch (AFM)
![Page 25: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/25.jpg)
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).
![Page 26: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/26.jpg)
Nanomanipulácia (1): prepínanie defektu
Functionalized apex: Oxidized apex
Flipping P antisite
P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005).
repulsion
![Page 27: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/28.jpg)
Nanomanipulácia (3):
obnovenie štruktúry základného stavu
very complex PES
repulsion attraction
P. Dieska, I. Stich, R.. Perez, Phys.Rev.Lett. 95, 126103, (2005).
![Page 29: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/29.jpg)
Fotospínateľné molekuly:Azobenzene
cis-isomer trans-isomer
8.5Å 11.3Å
photo-chromic molecule
ground-statelocal-minimum state
conical intersection (CI)
![Page 30: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/30.jpg)
Molekulový opto-mechanický spínač
Môžeme spínať ukotvené fotospínateľné molekulyopticky/mechanicky/opto-mechanicky
REVERZIBLNÝM spôsobom???
(dithio)azobenzene/gold
![Page 31: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/31.jpg)
x-y-z-Piezo
Sample
Photodiode
ElectronicsComputer
Cantilever
Laser
Expt. Sim.
1) príprava/ťahanie hrotov
Short nano-wire formed
Simulácia: emulovanie experimentu
![Page 32: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/32.jpg)
x-y-z-Piezo
Sample
Photodiode
ElectronicsComputer
Cantilever
Laser
Expt. Sim.
1) príprava/ťahanie hrotov
2) premostenie hrotov molekulou
Simulácia: emulovanie experimentu
![Page 33: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/36.jpg)
Mechanospínanie
R.Turanský. M. Konôpka, N.L. Doltsinis, I.Štich, D.Marx, ChemPhysChem 11, 345 (2010)
![Page 37: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/37.jpg)
Mechanospínanie
Model (3)
R.Turanský. M. Konôpka, N.L. Doltsinis, I.Štich, D.Marx, ChemPhysChem 11, 345 (2010)
![Page 38: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/38.jpg)
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!!!
![Page 39: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/40.jpg)
● 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
![Page 41: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/41.jpg)
Ferrierite - small unit cell
ZSM-5 300-atom unit cell
Commercial catalyst
Closest mimic
Syntéza benzínu z metanolu
![Page 42: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/42.jpg)
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).
![Page 43: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/43.jpg)
Energy&
Entropyequally important
Hytha, Stich, Gale, et al., Chem.Eur.J. 7, 2521 (2001)
Syntéza benzínu z metanolu
F=E-TS
![Page 44: (alebo nanotechnológie on-line)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022060710/62979660092504219541b237/html5/thumbnails/44.jpg)
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... ([email protected])