Mô phỏng số trong nghiên cứu vật liệu mới

Ngày nay, với kỹ thuật mô phỏng số và máy tính siêu mạnh, kỹ thuật tính toán cho phép dự đoán các tính chất cơ, điện, quang, hoá học… của các vật liệu mới và tạo nên các vật liệu ảo. Các mô hình sử dụng thường dựa trên hệ phương trình vì phần diễn tả hành vi của vật liệu và lập trình hướng đối tượng, tuy nhiên mô phỏng số ở mức độ vĩ mô vẫn nằm ngoài tầm với của các siêu máy tính. Một micron khối vật chất (bằng đầu sợi tóc) gồm 100 tỷ nguyên tử và muốn mô phỏng nó cần tốn nhiều dây trong khi chúng tác động rất nhanh. May thay thường thì không cần thiết mức chính xác như vậy. Mô phỏng thường được tiến hành theo nhóm nhỏ từ 100 đến 200 phân tử đặc trưng cho các vùng đồng nhất. Tiếp theo người ta chia chúng thành các mô hình chính xác hơn ở quy mô nhỏ hơn. Mô phỏng số đa quy mô về không gian và thời gian cho phép giải thích nhiều hiện tượng xảy ra trong vật liệu.

Công nghệ nano-bước tiến phi thường trong khoa học vật liệu.

Chuyển động tương đối của các nguyên tử chịu biến dạng

Người ta thường phân biệt phương pháp nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng. Tuy nhiên với khoa học vật liệu mới, hai phương pháp nghiên cứu này hỗ trợ và bổ sung cho nhau. Ngành công nghiệp vi điện tử với mục đích thu nhỏ kích thước đang thúc đẩy phương pháp xây dựng mô phỏng số để chế tạo các linh kiện tương lai.

Ý tưởng về công nghệ nano bắt đầu từ năm 1959 với nhà vật lý Richard Feynman, tuy nhiên nghiên cứu thực nghiệm về nano chỉ bắt đầu từ năm 1981. Các nhà khoa học của công ty IBM ở Zurich bằng kính hiển vi đường hầm quét STM (Scanning Tunelling Microscope) cho phép nhìn một phân tử bị quét trên bề mặt tinh thể Silic. Năm 1990 IBM sử dụng STM để di chuyển một nguyên tử xenon quanh bề mặt Nicken. Tiếp theo người ta đã phát triển kính hiển vi lực nguyên tử, hình ảnh cộng hưởng từ và một số loại kính hiển vi điều biến ánh sáng.

Năm 1985 các nhà hoá học đã phát hiện phân tử hình quả bóng (soccer-ball-shaped) của 60 nguyên tử cacbon. Năm 1991 phát hiện các nguyên tử cacbon hình cầu siêu bền còn gọi là nanotube cacbon, nó nhẹ hơn thép 6 lần nhưng bền hơn thép 100 lần!

Nanotube cacbon được chế thành sợi, dệt thành vải, tạo nên chíp máy tính, bộ phát hiện khí độc hại, và nhiều linh kiện điện tử khác.

Nhiều linh kiện điện tử ở kích cỡ nano xuất hiện: nanođiốt, nanotranzito, nanosensor, động cơ phân tử sinh học, động cơ hoá học, rôbốt nano di động DNA, nhiệt kế nano…

Tụ điện nanocacbon nhẹ bền có thể dự trữ điện năng cho ô tô chạy 300 dặm với thời gian nạp chỉ 1 giây. Trong tương lai gần các điốt phát quang LED rực sáng dựa trên công nghệ nano có tuổi thọ rất cao, tiết kiệm năng lượng sẽ thay thế các bóng đèn hiện nay.

Các microchíp nhỏ và mạnh hơn làm giảm kích thước đĩa cứng máy tính. Máy tính lượng tử sắp xuất hiện.

Mô phỏng số là công cụ tuyệt vời để tìm hiểu và làm tối ưu tính chất của sợi nano bán dẫn, đặc biệt là sự chuyển vận của điện tử và các đặc tính quang học.Chúng cũng cho phép định hướng nghiên cứu, lựa chọn kích thước đường kính để thử nghiệm. Những cấu trúc 1 triệu nguyên tử (bằng mặt cắt của một sợi nano có đường kính 10 nm và dài 250 nm) có thể được mô phỏng trong một đêm. Một hộp lượng tử Asenua Indi (InAs) kích thước 6 nm gộp vào một sợi nano Asenua Gali (GaAs) kích thước 10 nm.

Hình 1 diễn tả việc mô phỏng các nguyên tử Germanium không tạo nên khiếm khuyết trong cấu trúc.

Trong cuốn sách “ Lộ trình công nghệ quốc tế về bán dẫn” từ năm 2001 trình bày tầm quan trọng của việc mô phỏng đối với các nghiên cứu, các rào cản về kích thước mà các linh kiện cần phải vượt qua. Mô phỏng số được sử dụng để xác định kích thước của các tranzito, kiểm soát được tăng giảm hoạt chất trở nên không thích hợp ở quy mô 1/1 000 micron. Việc đưa nguyên tử Germanium vào trong Silic làm tăng tính linh hoạt của điện tử rong các kênh tranzito. Vấn đề lồng ghép nguyên tử mà không tạo nên khiếm khuyết về mặt cấu trúc bằng cách nỗ lực hết sức trong thực nghiệm. Việc mô phỏng số cho phép dự báo trước những khiếm khuyết khi mô phỏng các cơ chế cơ bản của cơ học lượng tử kết hợp với các phương pháp thống kê. Các cấu trúc được tính toán theo hàng trăm tế bào, mỗi tế bào gồm hàng trăm nguyên tử, các chuyển động của chúng được mở rộng ra một triệu nguyên tử. Việc mô phỏng dựa vào lý thuyết wavelet với cả biến không gian và biến tần số.

Công nghệ nano trong dược phẩm và các thiết bị y tế đã có bước tiến nhảy vọt. Các phương tiện nano y tế như: smart bomb, nano-bullet có thể tìm và diệt tế bào ung thư, chẩn đoán và chữa trị bệnh Alzheimer, nuôi cấy mô mới…

Nhờ công nghệ nano dễ dàng phát hiện độc tố, khử trùng, lọc nước thải, làm sạch môi trường.

Chế tạo các vật liệu áo.

Các tính chất cơ học của chất rắn như độ đàn hồi hay độ bền của nó liên quan chặt chẽ đến tính linh động của vô số các khiếm khuyết về mặt cấu trúc. Bằng cách mô phỏng chúng các nhà vật lý có thể dự đoán trước các đặc trưng của vật liệu.

Để dự đoán tính chất của một số vật liệu người ta theo dõi chúng và tính toán chuyển động của các khiếm khuyết.

Trong cuốn sách “ Lộ trình công nghệ quốc tế về bán dẫn” từ năm 2001 trình bày tầm quan trọng của việc mô phỏng đối với các nghiên cứu, các rào cản về kích thước mà các linh kiện cần phải vượt qua. Mô phỏng số được sử dụng để xác định kích thước của các tranzito, kiểm soát được tăng giảm hoạt chất trở nên không thích hợp ở quy mô 1/1 000 micron. Việc đưa nguyên tử Germani vào trong Sillc làm tăng tính linh hoạt của điện tử rong các kênh tranzito. Vấn đề lồng ghép nguyên tử mà không tạo nên khiếm khuyết về mặt cấu trúc bằng cách nỗ lực hết sức trong thực nghiệm. Việc mô phỏng số cho phép dự báo trước những khiếm khuyết khi mô phỏng các cơ chế cơ bản của cơ học lượng tử kết hợp với các phương pháp thống kê. Các cấu trúc được tính toán theo hàng trăm tế bào, mỗi tế bào gồm hàng trăm nguyên tử, các chuyển động của chúng được mở rộng ra một triệu nguyên tử. Việc mô phỏng dựa vào lý thuyết wavelet với cả biến không gian và biến tần số.

Công nghệ nano trong dược phẩm và các thiết bị y tế đã có bước tiến nhảy vọt. Các phương tiện nano y tế như: smart bomb, nano-bullet có thể tìm và diệt tế bào ung thư, chẩn đoán và chữa trị bệnh Alzheimer, nuôi cấy mô mới…

Nhờ công nghệ nano dễ dàng phát hiện độc tố, khử trùng, lọc nước thải, làm sạch môi trường.

Chế tạo các vật liệu áo.

Các tính chất cơ học của chất rắn như độ đàn hồi hay độ bền của nó liên quan chặt chẽ đến tính linh động của vô số các khiếm khuyết về mặt cấu trúc. Bằng cách mô phỏng chúng các nhà vật lý có thể dự đoán trước các đặc trưng của vật liệu.

Để dự đoán tính chất của một số vật liệu người ta theo dõi chúng và tính toán chuyển động của các khiếm khuyết.

Người ta đã thiết lập mô hình hoạt động dài hạn của lò phản ứng hạt nhân (50 hoặc 60 năm), của các tính chất cơ học của các đối tượng có tầm quan trọng tương đương (lò phản ứng cao 13 m, dày 20 cm, với khoảng 300 tấm thép). Hiện nay người ta sử dụng các lò phản ứng thực nghiệm hoặc mô hình thu nhỏ, tuy nhiên từ 5 năm nay nhờ các công cụ tính toán mạnh có thể tiến hành các mô phỏng số sự bức xạ vào thép ở quy mô nguyên tử. Ngoài ra các công cụ thử nghiệm mới như máy dò nguyên tử chụp tia X cắt lớp cho phép đối chiếu kết quả mô phỏng số với các thực nghiệm ở quy mô nguyên tử. Chúng ta có thể thấy các tạp chất, theo dõi sự sắp xếp lại các tạp chất trong cấu trúc. Những nỗ lực này dẫn đến việc sáng tạo một chiếc máy kết hợp các mô hình mô phỏng số đa cấp.

Hình 2 diễn tả chuyển động tương đối của các nguyên tử dưới ảnh hưởng của biến dạng.

Mô hình dự báo hành vi dài hạn của vật liệu để đảm bảo an toàn cho phần lò phản ứng, kéo dài tuổi thọ, lưu giữ và xử lí chất thải hạt nhân, phát triển các lò phản ứng mới.

Dự án Jannus kết hợp các máy gia tốc cho công nghệ nano, hạt nhân và mô phỏng số với sự cộng tác của Viện vật lý hạt nhân và vật lý phân tử quốc gia Pháp tiến hành các thử nghiệm mẫu với các hình thức phá huỷ được tiến hành trong điều kiện giống thực tế và được quan sát trong phòng thí nghiệm bằng kính hiển vi điện tử.

Kết luận:Mô phỏng số là công cụ nghiên cứu và phát triển rất mạnh giúp cho công nghệ vật liệu mới có những bước tiến phi thường. Trong lĩnh vực này toán học, kĩ thuật lập trình và máy tính siêu mạnh đóng vai trò cực kì quan trọng.

Nguồn: Tự động hoá ngày nay, số 10 (74) 2006