М. С. Жуковский, С. А. Безносюк
НОЦ «Нанотехнологий» ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет», Барнаул, Россия
Предложено, что в основе существования наномира лежат три аспекта квантового движения неравновесных «карликовых» систем конденсированного состояния – квантовая размерность, квантовая запутанность и квантовый релятивизм наносистем. Синергизм квантовой триады лежит в основе наноинжиниринга нового поколения. Поэтому в настоящее время необходима разработка новых имитационных математических моделей и компьютерных нанотехнологий на основе фемтосекундного релятивистского квантово-запутанного процессинга самосборки и самоорганизации наносистем.
В настоящее время в ведущих научно-исследовательских коллективах США, Китая, Японии, Объединённой Европы ставятся задачи разработки нанотехнологий второго поколения, выполняющих в реальном времени процессинг (измерение, контроль, управление и обработка) многоуровневых открытых неравновесных наносистем. Наноинжиниринг таких систем включает в себя множество «корпоративно» действующих квантовых наноэлементов. Эти квантово-размерные элементы с критическим размером порядка 10 нм по физико-химическим и информационным свойствам оказались «равноудалёнными», как от атомных квантовых систем, так и от микроскопических классических систем. Такие наносистемы лежат в основе сложных микрометровых биоэлементов. Это – наномембраны , нанокатализаторы, «топливные наноэлементы» биоклетки и тп. В природе процессинг корпоративных наносистем происходит на основе принципов квантово-запутанных самосборок и самоорганизаций. На базе компьютерного процессинга второго поколения планируется создание реально функционирующих квантовых компьютеров. Именно необходимость квантового процессинга нанобиомиметических систем и систем квантового компьютера в настоящее время стимулирует переход к наноинжинирингу и компьютерным нанотехнологиям второго поколения. В них будут задействованы ресурсы управляемой самосборки и самоорганизации, наносистемные инструменты и устройства (нанороботы).
В данном докладе суммированы основные достижения научного коллектива НОЦ «Нанотехнологий» АлтГУ в развитии основ наноинжиниринга и компьютерных нанотехнологий нового поколения, опубликованные ранее за рубежом [1-9].
В развитии основ наноинжиниринга и компьютерных нанотехнологий необходимо исходить из фундаментального научного знания. С позиций современных достижений нанонаук в основе наномира лежат три «кита» квантовых законов движения наносистем («карликовых систем»): размерность, релятивизм, запутанность.
В нанотехнологиях первого поколения упор был сделан на первого «кита» – квантовую размерность. Так как её легко достичь, управляя расположением химических частиц (атомов и молекул) в матрице конденсированного состояния, например, формируя двумерные нанослоевые интерфейсы различных фаз, одномерные и нульмерные сегрегации химических частиц и дефектов. Квантово-рамерные механизмы, лежащие в основе нанотехнологий первого поколения, теоретически описываются моделями одночастичных матриц плотности нерелятивистского незапутанного квантового состояния электронной подсистемы материалов. Системные процессы в нанотехнологиях первого поколения управляются внешними термодинамическими переменными (температура T, давление P, объём V, химические потенциалы μi, химический состав Ci, напряженность электрического поля Е, электрическая поляризация ΡЕ и т.п.).
Два других «кита» определяют более сложные эффекты движения неравновесных квантово-полевых наносистем конденсированного состояния. Они определяют квантово-размерные эффекты в неравновесной холодной плазме конденсированного состояния. Квантово-размерные механизмы нанотехнологий нового поколения описываются свойствами многочастичных матриц плотности релятивистских запутанных квантовых состояний наносистем. Они моделируют активацию внутренних релятивистских квантово-запутанных степеней свободы зарядово-спинового сопряжения электронной компоненты материалов. Такие сильно-коррелированные («корпоративные») электронные состояния неравновесных наносистем адекватно описываются в термополевой динамике и квантово-полевой химии конденсированных состояний [1-4].
Системные процессы наноинжиниринга материалов нового поколения будут управляться не только внешними термодинамическими переменными (T, P, V, μi, Ci, Е, ΡЕ и т.п.), но и «корпоративно» самоуправляться внутренними квантово-динамическими переменными квантовой запутанности (степень запутанности η ≤ 1, время жизни τ ≈ 1 фс, корреляционная длина λ ≈ 10нм и т.п.) неравновесных флуктуаций зарядово-спинового сопряжения. При этом релятивистская запутанная квантовая динамика наночастиц определяет фемтосекундные процессы самосборки и самоорганизации адаптивных к внешним условиям наносистем.
Наш подход в развитии основ наноинжиниринга и компьютерных нанотехнологий нового поколения имеет три существенных отличия от большинства предлагаемых проектов за рубежом. Первое – это сверхбыстрый процессинг наносистем на основе фемтосекундных механизмов и закономерностей обмена энергией, энтропией и информацией в неравновесных открытых наносистемах. Второе – это применение квантово-запутанных состояний наносистем для нелокального процессинга произвольных неравновесных процессов, как на поверхности, так и внутри материалов, на основе методов контроля многоуровневых матриц плотности. Третье – это использование при компьютерной имитации процессинга наносистем специально построенных модулей мультимедийного комплекса «Компьютерная нанотехнология».
На основе данного подхода нами разработаны механизмы самосборки и самоорганизации наносистем [5-9]. Применение их даёт возможность построения замкнутых технологических линий на самом наноуровне и сформировать компактные автономные нанофабрики по самопроизводству наноустройств. Долгосрочные цели создания адаптивных к внешним условиям наноустройств являются наиболее приоритетными в данном направлении развития наноинженерных наук и технологий.
S.A. Beznosjuk, B. F. Minaev, R. D. Dajanov, Z. M. Muldakhmetov. Approximating Quasiparticle Density Functional Calculations of Small Active Clusters: Strong Electron Correlation Effects //Int. J. Quant. Chem. 38 (1990) 779-797.
S.A. Beznosjuk, B. F. Minaev, and Z. M. Muldakhmetov Informative Energetic Structure and Electronic Multistability of Condensed State //J. Mol. Struct. (Theochem) 227 (1991) 125-129.
S.A. Beznosyuk. Modern quantum theory and computer simulation in nanotechnologies: Quantum topology approaches to kinematical and dynamical structures of self-assembling processes //Materials Science & Engineering C 19 (2002) 369-372.
S.A. Beznosyuk., A.V. Kolesnikov, D.A. Mezentzev, M.S. Zhukovsky, T.V. Zhukovsky Dissipative processes of information dynamics in nanosystems // Materials Science & Engineering C 19 (2002) 91-94. S.A.
Beznosyuk, Ja. V. Lerh, M.S. Zhukovsky, T.M. Zhukovsky Computer simulation of growing fractal nanodendrities by using of the multi-directed cellular automatic device // Materials Science & Engineering C 27 (2007) 1270-1272.
S. A. Beznosyuk, O. A. Maslova, L. V. Fomina, M. S. Zhukovsky Self-assembling of hydrogen superadsorbate in single-walled carbon nanotubes. //Supperlattices and Microstructures 46 (2009) 384-386.
S.A. Beznosyuk, J.V. Lerh, M.S. Zhukovsky, T.M Zhukovsky Informational approach to self-assembling aggregation of colloidal nanoparticles. // Materials Science & Engineering C 29 (2009) 884-888.
S. A. Beznosyuk, Y. V. Lerh, S. V. Vazhenin, M. S. Zhukovsky, and T. M. Zhukovsky Self-Assembling Growth of Fractal Catalysts on Fuel Cell's Electrode //Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9 (2009) 1582-1584.
S. A. Beznosyuk, O. A. Maslova, I. A. Shtobbe, M. S. Zhukovsky, and T. M. Zhukovsky Theoretical Modeling of Hydrogen Polycondensation on Carbon Nanotubular Surfaces //Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9 (2009) 1408-1411.
