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教授 Dane モーガンによって
明示的に材料の模倣にあらゆる原子を含める原子論の模倣の技術の使用の現代コンピューティング電力。 相互作用の原子がすべての物質科学の基礎であるので、原子論の模倣は計算材料の調査の新しいフィールドを可能にするのを助けました。 原子論の模倣を使用して仮想計算の実験はコストを非常に削減し、新しい材料を理解し、開発することの時間目盛を加速できます。
ただし、模倣することができる時間および長さのスケールを限定する相互作用模倣することは非常にコンピュータ集約です、およびあらゆる原子を。 当初 70 年代の原子論の模倣の、最も速いコンピュータは少数の原子の完全な量の機械計算しか管理なできます簡単な水晶単位格子か分子で見つけられるかもしれませんのような。
原子論の模倣のマイルストーンは Si および GE の段階のバンド構造の予言のようなその当時調査を含んでいました1。 ただし、計算する計算の技術の巨大な前進は複雑なシステムおよび幾何学を調査するためにそれに可能な今日をする最後の 40 年にわたっての原子論の模倣を変形させました。 例えば、完全な量のシミュレーションは半導体の欠陥から李電池の移送機構まで及ぶ特性を予測する何百もの原子のために2 今定期的にすることができます3。
量子力学に加えて基づいて技術はまた interatomic 潜在性と呼出される原子間の有効な相互作用と、原子論の模倣することができます。 Interatomic 潜在性は計算するために量方法に基づいてモデルより非常に速いこれらの潜在性に基づいてモデルを可能にする電子の量の性質を明示的に扱いません。 そのような interatomic 潜在的なベースモデルは量の機械アプローチ程に正確ではないかもしれませんでしたり nanocrystalline 材料の照射損傷および表面間の摩擦のような複雑な材料プロセスを模倣する原子4 の十億を模倣できます5。
コンピュータの組合わせ化学の等量を行うために高スループット計算およびデータマイニングのツールを結合することは今可能である原子論の模倣は最近とても速く、強くなりま最適の特性が付いている新しい混合物のための合成スペースを磨きます。 これらの高スループット計算の技術が既に合金の構造エネルギーの貴重なデータベースを構築し、6結晶構造を予測し、7,8 実行中の触媒をカスタム設計するのに使用されてしまいました9。
原子論の模倣の増加する重要性の実例として、密度汎関数理論に関連している出版物を、 (DFT)今日使用される最も強力な量機械原子論の模倣方法の 1 つ考慮して下さい。 DFT の使用は 60年代前半で開発されて、 40 年間ずっと出版物のレートはあらゆるディケイド (図 1) をおよそ十倍に増加していますから指数関数的にほとんど育ち。 現在、 DFT は約 10,000 枚のペーパーへの年貢献をします。
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| トピックを含んでいる 1 年ごとの出版物の図 1. 番号は 「密度汎関数理論」か 「DFT」を言い表わします (科学の ISI 網から)。 |
ウィスコンシン大学の計算材料のグループ - 教授 Dane モーガンおよび Izabela Szlufarska 教授が創設するマディソンは材料を理解し、開発するのに原子論の模倣のツールの使用に焦点を合わせます。 教授デンマーク人モーガンは深い地球の原子炉、電池および燃料電池および電子 emittor の電極、材料、半導体の水様のミネラルインターフェイスおよび欠陥のための燃料を含む材料の広範囲のための特性を、そしてクラッディング予測する量の機械および interatomic 潜在性によっての力を基づく模倣利用します。
例えば、計算材料のグループの大学院生エドワード Holby はエネルギー論が粒子の安定性 (図 2) の Gibbs トムソンの古典的な法律にどのように関連しているか示す何百もの原子まで含んでいる nanoparticle の触媒の安定性を予測するのに量子力学を使用しました。 nanoparticle のエネルギー論のこの理解は私達が nanoparticle の触媒のサイズの単一のナノメーターの変更が耐久性をどのように非常に高めることができるか提案するのを助けました10。 コンピューティング電力および改善されたシミュレーション方法の継続的増加によって運転されて、原子論の模倣は物質科学の将来大部分になって確実です。
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| マクロスコピック法律 (Gibbs トムソン) および密度関数理論の予言からのサイズの機能として Pt の nanoparticle の図 2. エネルギー。 |
参照
1. J.D. Joannopoulos および M.L. Cohen の GE および Si .1 の複雑な結晶および無定形段階の電子特性。 州およびバンド構造、物理的な検討 B 7、 2644 の密度 (1973 年)。
2. C.G. ヴァン de Walle および J. Neugebauer の欠陥および不純物のための最初の主義の計算: III 窒化物、応用物理 95、 3851 のジャーナルへのアプリケーション (2004 年)。
3. D. モーガン、 A. ヴァン der Ven、および G. Ceder の LiMPO の (M =x4 Mn、 Fe、 Co、 NI) カンラン石材料の、電気化学およびソリッドステート文字 7、 A30 (2004 年) の李の伝導性。
4. N. Swaminathan、 P.J. Kamenski、 D. モーガン、および I. Szlufarska の nanocrystalline 3C SiC の欠陥の生産に対する結晶粒度および粒界の効果、アクタ Materialia (2010 年) で出版されるため。
5. Y.F. Mo、 K.T. ターナー、および I. Szlufarska の nanoscale、性質 457 1116 の摩擦法律 (2009 年)。
6. S. Curtarolo、 D. モーガン、および G. Ceder の金属の結晶構造の予測の abinitio 方法の正確さ: 80 の二元合金、 CALPHAD 29、 163 の検討 (2005 年)。
7. C. Fischer、 K. Tibbetts、 D. モーガン、および G. Ceder の予測の結晶構造: 量子力学とデータマイニングを、性質材料 5 マージすること、 641 (2006 年)。
8. A.R. Oganov、等、元素ほう素、性質 457、 863 のイオンの高圧形式 (2009 年)。
9. J.K. Norskov、 T. Bligaard、 J. Rossmeisl、および固体触媒の計算デザインの方の C.H. Christensen、性質化学 1、 37 (2009 年)。
10. E.F. Holby、 W.C. Sheng、 Y. Shao 角、および D. モーガンの PEM の燃料電池の Pt の nanoparticle の安定性: 粒度分布およびクロスオーバー水素の影響、エネルギー及び環境科学 2、 865 (2009 年)。
教授 Dane モーガン (ウィスコンシンマディソンの大学)、版権 AZoM.com