«Лестница» из наномира в макро
В некоторых отраслях современной науки и технологии экспериментальный перебор множества вариантов (так называемый «эдисоновский» подход) постепенно сдаёт позиции компьютерному моделированию, зачастую намного более эффективному и экономичному. Оформившийся за последнее десятилетие метод многомасштабного моделирования весьма востребован в области наноисследований. Вопросы его применения в отечественной науке стали темой проходившей с 12 по 14 марта 2008 года в Москве I Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях». Данный метод, как отмечали многие участники форума, — ключ к описанию не только нанообъектов, но и макросистем.

Организованная Министерством образования и науки Российской Федерации, РНЦ «Курчатовский институт» и Московским инженерно-физическим институтом конференция вызвала достаточно большой резонанс среди учёных: в ней приняли участие исследователи из 39 институтов Российской академии наук, семи вузов и семи частных компаний, были представлены около двух сотен докладов.

Мероприятие открывала лекция директора Центра фотохимии РАН академика РАН Михаила Алфимова, который был сопредседателем конференции вместе с членом-корреспондентом РАН Михаилом Ковальчуком. В своём докладе он отметил, что развитие работ по многомасштабному моделированию определяет будущее российской наноиндустрии, поскольку уже сегодня ясно, что без опоры на компьютерное прогнозирование двигаться в этой сложной области просто невозможно.

В кулуарах конференции мы встретились с тремя её участниками и попросили их рассказать о самом методе многомасштабного моделирования и его использовании в нанотехнологиях.
От нано до макро

Заместитель директора по научной работе Института водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ «Курчатовский институт» Борис Потапкин дал достаточно доходчивое объяснение принципа многомасштабного моделирования: «Ещё в школьном учебнике физики отдельно говорится об атомах с электронами, отдельно представлены уравнения, которые описывают их движение. Почему бы не написать уравнение, которое описывает движение всех атомов, всех электронов, и не экстраполировать из этого, как движется автомобиль или как живёт человек? Сделать это на данный момент технически невозможно. Но если начинать с атомов и переходить на всё более крупный масштаб, то по мере приближения к следующим уровням, огрубляя описание, но сохраняя информацию о свойствах предыдущего уровня, мы получим макромодель исследуемого объекта. Если удастся предложить такую методику, которая позволит, с одной стороны, удержать информацию, относящуюся к уровню атома, а с другой, описать параметры макроуровня для времён и процессов, мы почти приблизимся к тому, что сможем теоретически описать интересующую нас систему и предсказывать её поведение. Допустим, что будет, если заменить медь на железо? — А вот что! Какое вещество надо взять, чтобы сделать лампочку с большей энергоёмкостью? — А вот какое! Можно будет делать скрининг, перебирать варианты, дополняя экспериментальные данные. Такой подход позволит создавать полностью независимую линию описания объекта».

Заведующий лабораторией механики прочности и разрушения материалов и конструкций Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН Роберт Гольдштейн отметил: «Многоуровневость свойственна большинству объектов, и в первую очередь природным. Конечно, для каждого масштаба характерны свои особенности — механические, электрические, оптические и т.д. Трудно надеяться, что будет создана какая-то одна теория или модель, описывающая всё, что происходит на всех уровнях. Исследователи сейчас используют подход, предусматривающий описание процессов, происходящих на разных уровнях, и сращивание решений, относящихся к соседним масштабам. В частности, он хорошо разработан в механике сплошных сред. Но если в цепочку масштабов ввести наноуровень, метод необходимо видоизменить, поскольку на этом уровне применение даже многих традиционных моделей имеет свою специфику. Если учесть эти обстоятельства и выяснить посредством расчётов, в каких областях на атомном уровне новые эффекты существенны, можно будет производить объединение решений, описывающих процессы в других масштабах. Сочетание “моделирование плюс эксперимент” позволит сократить объём трудоёмких и дорогостоящих экспериментов. Многомасштабное моделирование может оказаться полезным и при создании метрологического обеспечения нанотехнологий».

Директор Института компьютерного моделирования и анализа данных Уральского государственного технического университета Радий Кадушников остановился на предпосылках возникновения метода многомасштабного моделирования: «Прежде всего, его появление обусловлено сложностью задач, которые сформулированы нанотехнологическими проблемами. Во-вторых, имеется развитый аппарат моделирования. В-третьих, существует информационная система, которая позволяет уже сейчас считать сложные многоуровневые модели». Учёный из Екатеринбурга отметил и несколько проблем, возможных при создании многоуровневых моделей: «Сложность первая: достоверность этих моделей. Вторая: большинство проектов долгосрочные, для них достаточно высок риск того, что заявленная цель может быть не достигнута. И третья: нельзя исключить погрешности, которые приведут к неточному результату. Единственный путь — методом проб и ошибок формулировать новые модели, находить наиболее оптимальные алгоритмы, инициировать процессы новых разработок. Кроме того, что создаются мощные машины, появляются и новые оригинальные методы расчёта. Это тоже ускоряет процесс исследований».
Российский масштаб

В свете того, что нанотехнологический бум в России отчасти вызван необходимостью идти вровень с мировой наукой в этом приоритетном направлении, нам было интересно спросить наших собеседников, насколько различаются уровни работ отечественных и зарубежных учёных по данной тематике.

Роберт Гольдштейн оценил их уровень как примерно одинаковый — с точки зрения и теоретического понимания, и исполнения работ: «Я бы не сказал, что зарубежные учёные опережают нас, где-то они ушли дальше, где-то наши разработки оставляют их позади. Другое дело, что в нашей стране сейчас очень мало оборудования для проведения подобных исследований. А чтобы купить западные приборы, нужны огромные средства».

Радий Кадушников высказал идею, что развитие многомасштабного моделирования может стать нашим весомым козырем в гонке нанотехнологий: «Российская школа моделирования традиционно считалась одной из сильнейших в мире. Конечно, большая часть людей сейчас желает работать за рубежом, поэтому задача нашей страны российскую школу простимулировать, дать возможность ей самоорганизоваться. Сейчас очень важно сформулировать направление многомасштабного моделирования как некую подотрасль наноиндустрии, которая позволит российским учёным получить необходимый инструментарий для того, чтобы конкурировать со своими коллегами за рубежом и выигрывать в этой борьбе».

Денис Бартоломе, «Российский электронный наножурнал»