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

Liên hiệp Hội các tỉnh, thành phố: Phát huy hiệu quả nguồn lực trí tuệ giải quyết các bài toán thực tiễn tại địa phương
Hoạt động của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật các tỉnh, thành phố thời gian qua ngày càng bám sát yêu cầu phát triển và những vấn đề đặt ra từ thực tiễn. Thông qua tư vấn, phản biện chính sách, chuyển giao khoa học công nghệ, phổ biến kiến thức, đội ngũ trí thức đã có nhiều đóng góp thiết thực, góp phần đưa tri thức khoa học vào đời sống, phục vụ phát triển KH-XH tại địa phương.
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm đề xuất mạng lưới “Không gian vì Phát triển và Khả năng chống chịu”
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước đã nêu 5 nguyên tắc quản trị đa phương với không gian vũ trụ, kêu gọi không đe dọa hoặc sử dụng vũ lực, đặt con người và Trái Đất ở trung tâm, đồng thời sẵn sàng làm điểm kết nối cho Đông Nam Á trong hợp tác quốc tế về không gian vũ trụ.
Bắc Ninh: Tháo gỡ vướng mắc trong tổ chức các hội thi, cuộc thi
Ngày 08/9, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Tọa đàm “Nghị quyết số 25/2026/NQ-HĐND – Từ quy định đến thực tiễn tổ chức các hội thi, cuộc thi sáng tạo do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Bắc Ninh tham mưu, chủ trì”. Ông Nguyễn Hồng Sơn- Phó Chủ tịch Liên hiệp hội tỉnh chủ trì hội nghị.
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm kết thúc tốt đẹp chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga
Theo đặc phái viên TTXVN, tối 9/9 (giờ địa phương), Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm cùng Phu nhân và Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam rời thủ đô Moskva kết thúc tốt đẹp chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga (từ ngày 7-9/9/2026) và tiếp tục thăm chính thức Cộng hòa Pháp, dự Hội nghị Thượng đỉnh Không gian vũ trụ tại Paris từ ngày 9 -12/9/2026.
Tuyên bố chung về củng cố hơn nữa quan hệ đối tác chiến lược toàn diện Việt Nam- Nga
Nhân chuyến thăm cấp Nhà nước của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm cùng Phu nhân và Đoàn Đại biểu cấp cao Việt Nam tới Liên bang Nga từ ngày 7-9/9, hai bên đã ra Tuyên bố chung về việc củng cố hơn nữa quan hệ Đối tác chiến lược toàn diện Việt Nam - Nga trong giai đoạn mới. Ban Biên tập vusta.vn trân trọng giới thiệu toàn văn Tuyên bố chung:
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm hội đàm với Tổng thống Nga Vladimir Putin
Trong khuôn khổ chuyến thăm cấp Nhà nước tới Liên bang Nga, ngày 9/9/2026, tại Điện Kremlin, sau Lễ đón trọng thị với nghi thức cấp nhà nước, Tổng Bí thư Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, Chủ tịch nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Tô Lâm đã hội đàm với Tổng thống Nga Vladimir Putin.
Hải Phòng: Sáp nhập Hội Làm vườn và Hội Kế hoạch hóa gia đình về Liên hiệp hội Thành phố
Ủy ban nhân dân thành phố Hải Phòng vừa ban hành Quyết định số 3494/QĐ-UBND ngày 29/8/2026 về việc cho phép sáp nhập Hội Làm vườn thành phố Hải Phòng và Hội Kế hoạch hóa gia đình thành phố Hải Phòng vào Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật (Liên hiệp Hội) thành phố Hải Phòng.
Thanh Hoá: Tập huấn công nghệ số và ứng dụng số trong sản xuất và đời sống
Ngày 08/9, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Thanh Hóa (Liên hiệp hội tỉnh) đã phối hợp với Hội Tin học Thanh Hóa và Trường Đại học Hồng Đức tổ chức Hội nghị tập huấn với chủ đề “Công nghệ số và ứng dụng số cho công dân xuất sắc và tiêu biểu trong lao động và sản xuất trên địa bàn tỉnh”.