Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ ba, 05/12/2006 00:18 (GMT+7)

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

Chuyển động tương đối của các nguyên tử chịu biến dạng

Công nghệ nano là công nghệ ở kích thước nguyên tử và phân tử. Nó nghiên cứu và xử lý vật liệu và thiết bị có kích thước điển hình từ 0,1 đến 100nm (1nm = 10 -9m). Đa số phân tửvật chất có kích cỡ 0,1-0,2 nm. Sợi DNA có kích cỡ 2 nm. Tế bào hồng cầu có đường kính 7.000 nm, còn sợi tóc có kích cỡ 80 000 nm

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

Xem Thêm

Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Vĩnh Long: Nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường, ứng phó biến đổi khí hậu, hướng đến sản xuất nông nghiệp hữu cơ
Ngày 21/8/2026, tại xã An Phú Tân, tỉnh Vĩnh Long, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long phối hợp với Chi cục Môi trường tỉnh và UBND xã An Phú Tân tổ chức Hội nghị tập huấn tuyên truyền, nâng cao nhận thức về công tác bảo vệ môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu, hướng đến sản xuất nông nghiệp theo hướng hữu cơ.
GS.TS. Chu Phạm Ngọc Sơn: Một đời đưa tri thức khoa học vào thực tiễn
Cuốn sách “Giáo sư - Tiến sĩ Chu Phạm Ngọc Sơn, Nhà Giáo thanh cao, Nhà Khoa học tài năng, một nhân cách lớn” vừa được ra mắt tại TP. Hồ Chí Minh nhân kỷ niệm 90 năm ngày sinh của cố GS.TS Chu Phạm Ngọc Sơn. Ấn phẩm là sự tri ân đối với một nhà khoa học tiêu biểu – người đã dành trọn cuộc đời gắn tri thức khoa học với thực tiễn sản xuất, giáo dục và sự phát triển của đất nước.
Tạp chí Môi trường và Xã hội hưởng ứng phong trào xây dựng “Mái ấm bình yên”
Nhân kỷ niệm 81 năm Ngày truyền thống Công an nhân dân (19/8/1945 - 19/8/2026) và 21 năm Ngày hội Toàn dân bảo vệ an ninh Tổ quốc (19/8/2005 - 19/8/2026), ngày 18/8, Tạp chí Môi trường và Xã hội phối hợp với Ủy ban Mặt trận Tổ quốc Việt Nam xã Cái Nhum tổ chức lễ khởi công 2 căn nhà “Mái ấm bình yên” cho các hộ dân có hoàn cảnh khó khăn trên địa bàn.
Tư vấn, phản biện của VUSTA - Từ thực tiễn đến yêu cầu đổi mới
Từ thực tiễn tư vấn, phản biện Dự án khai thác và tuyển quặng mỏ sắt Thạch Khê, Hà Tĩnh, có thể thấy rõ giá trị của việc huy động trí tuệ đa ngành, nhận diện rủi ro và cung cấp những luận cứ khoa học độc lập cho quá trình xem xét, quyết định. Đây cũng là cơ sở để nhìn nhận những yêu cầu đổi mới hoạt động tư vấn, phản biện của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) hiện nay.
Phó Chủ tịch Liên hiệp Hội Việt Nam Phạm Ngọc Linh dự diễn tập bảo đảm an ninh quốc gia trên không gian tầm thấp
Ngày 18/8/2026, tại xã Nghĩa Trụ, tỉnh Hưng Yên, Hội Hàng không - Vũ trụ Việt Nam tổ chức Chương trình diễn tập thực chiến bảo đảm an ninh quốc gia trên không gian tầm thấp. PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam tham dự chương trình.
Quảng Trị: Bảo tồn và phát huy giá trị nền y học cổ truyền dân tộc
Sáng 17/8, Hội Đông y tỉnh Quảng Trị tổ chức Lễ kỷ niệm 80 năm Ngày thành lập Hội Đông y Việt Nam (22/8/1946-22/8/2026). Đến dự có đại diện lãnh đạo Ủy ban MTTQ Việt Nam tỉnh, Sở Y tế, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh, cùng đông đảo cán bộ, hội viên Hội Đông y trên địa bàn tỉnh.
Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Lào Cai tổ chức Hội thảo “Cùng nhau an toàn trên không gian mạng AI”
Sáng 17/8, tại phường Yên Bái, tỉnh Lào Cai, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Lào Cai phối hợp với Trung tâm Phát triển Khoa học công nghệ và Chăm sóc sức khỏe cộng đồng và Câu lạc bộ Trí thức trẻ tỉnh Lào Cai tổ chức Hội thảo chuyên đề “Cùng nhau an toàn trên không gian mạng thời đại trí tuệ nhân tạo AI”.
Đắk Lắk: Sức sáng tạo tuổi trẻ đối với hoạt động khoa học công nghệ
Ngay sau Đại hội Liên hiệp Hội tỉnh Đắk Lắk lần thứ I, nhiệm kỳ 2026–2031, hoạt động chuyên môn đầu tiên được triển khai là chấm sơ khảo Cuộc thi Sáng tạo dành cho thanh thiếu niên và nhi đồng lần thứ I năm 2026. Với 170 mô hình tham gia, cuộc thi cho thấy sức sáng tạo phong phú của tuổi trẻ, nhất là ở những lĩnh vực gắn với công nghệ, phát triển kinh tế và ứng phó với biến đổi khí hậu.