Wirtualne nanolaboratorium
Ivan Štich, Instytut Fizyki Słowackiej Akademii Nauk (SAS), Bratysława
W codziennym życiu otaczają nas różne materiały, w tym metal, plastik, drewno itp. Mierzymy je zwykle w metrach i centymetrach. Istnieje również inny rodzaj inżynierii materiałowej, w której pomiary robi się w tzw. skalach nanometrycznych, (1nm to 10-9 m), czyli atomowych. Obecnie skale atomowe są rutynowo dostępne dzięki specjalnym typom mikroskopów, takich jak mikroskop sił atomowych, który mierzy siły działające pomiędzy końcówką mikroskopu a próbką. Mikroskop ten może również manipulować ładunkiem poszczególnych atomów i cząsteczek na powierzchni, wstrzykując ładunek z z dokładnością do jednego elektronu.
Równolegle do laboratoryjnego eksperymentu w skali atomowej, konieczne jest również wykonywanie symulacji komputerowych zachodzących procesów fizycznych i chemicznych. Ze względu na fakt, że mikroskop działa w skali atomowej, wirtualne nanolaboratorium musi rozwiązać podstawowe równanie świata atomowego, czyli równanie Schrödingera, które opisuje ruch elektronów jako jeden z głównych budulców atomów. Jest to zazwyczaj bardzo skomplikowane i może być wykonywane tylko przy użyciu superkomputerów z możliwościami na poziomie PFLOPs (miliony trylionów operacji na sekundę).
Omówmy przykład takiego eksperymentu laboratoryjnego i jego symulacji. Rysunek 1 przedstawia obrazy eksperymentalne wytwarzane przez mikroskop sił atomowych. Przedstawiono atomy tlenu, które zostały osadzone na powierzchni TiO2, gdzie mogą tworzyć pary atomowe. Na tej powierzchni korzystne jest, aby atomy tlenu przyjmowały dwa elektrony, tj. tworzyły parę podwójnie naładowanych atomów, O2–O2-, Rysunek 1 (a), które mają niższą energię niż pojedynczo naładowane atomy, O–O-, Rysunek 2 (d). Energie te są wynikiem modelowania komputerowego i ich eksperymentalne oznaczenie nie jest łatwe. Mikroskop siły atomowej może być używany do manipulowania ładunkami atomów tlenu i tworzenia innych sztucznych par atomów, takich jak pojedynczo naładowane atomy tlenu, O-O, Rysunek 1 (b), lub ich kombinacje O2–O-, Rysunek 1 (c), które mają znacznie wyższe energie, Rysunek 2 (d).
Modelowanie komputerowe pozwala też na zweryfikowanie tej interpretacji poprzez bezpośrednią symulację obrazów różnie naładowanych atomów tlenu w mikroskopie sił atomowych, Rysunek 1 (d – f) i porównanie ich do eksperymentu, Rysunek 1 (a-c). Jak pokazano na Rysunku 2, wraz z modyfikowaniem ładunku, mikroskop siły atomowej może również manipulować, tj. tworzyć i zakłócać wiązania chemiczne pomiędzy atomami na powierzchni. Jeśli mikroskop usunie dwa elektrony z pary podwójnie naładowanych atomów, O2–O2-, zmusi je (odwracalnie) do utworzenia wiązania chemicznego i połączenia się w cząsteczkę nadtlenku, O22-, Rysunek 2 (c). Fakt, że interpretacja ta jest poprawna, może być ponownie zweryfikowany przez symulacje komputerowe, Rysunek 2 (d). Jeśli użyjemy mikroskopu do usunięcia dwóch elektronów z pary O2–O2- i utworzenia pary O–O-, jest to korzystne energetycznie dla tej pary atomów, aby przekształcić się w cząsteczkę nadtlenku, Rysunek 2 (d). I odwrotnie, poprzez wstrzyknięcie dwóch elektronów do cząsteczki nadtlenku, powstaje cząsteczka O24-, która jest niestabilna i natychmiast przekształca się w parę O2–O2- Takie manipulacje otwierają drogę do reakcji chemicznych w pełni kontrolowanych przez manipulacje ładunkiem za pomocą mikroskopu siły atomowej.
Rysunek 1. Atomy tlenu w różnych stanach naładowania na powierzchni TiO2. Obrazy uzyskane eksperymentalnie z mikroskopu sił atomowych (a-c) i z wykorzystaniem symulacji komputerowych (d-f).
Rysunek 2. Odwracalna manipulacja naładowanymi atomami tlenu w cząsteczkę nadtlenku (a-c). Energia obliczona przy użyciu symulacji komputerowych (d). Strzałki pokazują odwracalne procesy manipulacyjne, które powodują reakcję atomów w cząsteczkę.
