1. ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ.
1.1. Обзор программных средств для работы в наномасштабе
Существует множество программных средств, ориентированных на исследования нанообъектов. В этих программах используются различные способы исследования состояния совокупностей атомов и молекул и, в частности, расчета их потенциальной энергии.
В данном обзоре рассмотрены только свободно распространяемые программные средства, не специализированные на одной задаче.
Наиболее удобный интерфейс - у программного продукта Nanoengineer-1 компании Nanorex [1]. В программе предусмотрено моделирование по основным параметрам нанотрубок, ДНК, пептидов, графена, кристаллических решеток. Имеется несколько настроек по визуализации, в том числе по созданию трехмерного изображения. Отличительной особенностью программы является возможность построения простейших механизмов из молекул. Наносистемы анализируются несколькими методами молекулярной динамики и квантовой химии, определяемыми подключаемыми модулями.
Vega-ZZ от Drug Design Laboratory [2], в отличие от Nanoengineer-1, специализирована на химии, в программе нет возможностей быстрого моделирования нанотрубок или ДНК, но представлена обширная библиотека химических соединений. В Vega-ZZ большой выбор настроек анализа методом молекулярной динамики. Программа распространяется свободно, но требуется бесплатная регистрация через Интернет.
Программный продукт Nanotube Modeler компании JCrystalSoft [3] единственный из описываемых - условно бесплатная программа. Без регистрации стоимостью 100$ за Classroom License программа может моделировать различные наносистемы: нанотрубки всех видов, включая закрытые; фуллерены, графены, наноконусы. Моделирование сопровождается информацией о декартовых координатах всех атомов.
Сравнение результатов моделирования нанотрубки хиральностью 10x10 и длиной 50 нанометров при температуре 3000 К для 500 итераций при шаге 5*10-16 секунды, смоделированной в программе Nanoengineer-1 и переданной в формате PDB в Vega-ZZ, дает одни и те же значения потенциальной энергии в обеих программах.
1.2. CAD-, CAE-системы
Программный комплекс Nanoengineer-1 реализует принципы построения наноструктур и механизмов, предложенных в 1992 году знаменитым популяризатором нанотехнологий Drexler K.E. [4]. Возможность моделирования сложных механизмов из атомов - вот основная идея Nanoengineer-1. Но если перейти на макроуровень моделирования, окажется, что на данный момент большинство исследований различных механизмов ведутся с помощью CAD-, CAE-систем, таких как Unigraphics, CATIA, AutoCAD, SolidWorks, ANSYS и других. Использование данных программных комплексов для решения некоторых задач наноуровня вполне оправдано по нескольким причинам.
Во-первых, все эти комплексы активно используются на крупных предприятиях, их интерфейс за годы использования значительно упростился, стал более удобным.
Во-вторых, такие распространенные наноструктуры, как нанотрубки и фуллерены, представляют собой полые оболочки или сферы. Их радиусы и длины во много раз превосходят толщину атомарного слоя. Исходя из этого, один из подходов моделирования нанотрубок основан на механике сплошных сред. В этом случае поверхность нанотрубки, составленная из атомов, рассматривается как сплошная оболочка или полый стержень. Использование теории многослойных анизотропных оболочек [5] дает метод моделирования нанообъектов, доступный в таком программном комплексе, как ANSYS.
В-третьих, возможно исследование дискретно-континуальных моделей [6], где все межатомные взаимодействия заменяются эквивалентными стержневыми системами.
В-четвертых, так как все CAD-, CAE-системы достаточно уникальны, существует проблема обмена данными и сохранности этих данных, из-за этого разработаны и активно используются универсальные форматы, такие как STEP и IGES. Наиболее универсальный из них, STEP, позволяет описать весь жизненный цикл изделия, включая технологию изготовления и контроль качества продукции. Для описания наносистем универсального стандарта еще не существует.
2. Модификация открытого кода программы Nanoengineer-1.
2.1. Интеграция с форматом STEP
Программный комплекс Nanoengineer-1 выпущен по универсальной общественной лицензии GNU General Public License, это позволяет изучать и модифицировать исходный код данной программы для выполнения любых исследований.
В рамках данной работы были предложены несколько модификаций программного комплекса Nanoengineer-1, как ускоряющих исследование наносистем методом молекулярной динамики, так и открывающих возможность работать в комплексе программ для нано- и макроуровней. Все изменения реализованы в виде пакетов дополнений.
Экспорт моделей в Nanoengineer-1 возможен в своем собственном формате mmp (Moleculare Machine Part), в формате pdb (Protein Data Bank), а также во многих форматах данных, используемых при изучении атомов и молекул и поддерживаемых системой преобразования данных OpenBabel [7].
OpenBabel не поддерживает перевода данных из химических форматов в универсальные форматы CAD-, CAE-систем.
Разработанный в рамках данной работы модуль экспорта mmp-модели в step-формат [8] предоставляет возможность проводить всесторонний анализ наноконструкций различными методами.
2.2. Добавление нового потенциала на основе Ортогональных финитных функций
Используемый в программе Nanoengineer-1 модуль моделирования sim.dll содержит интерполятор, преобразующий формулы различных потенциалов межатомного взаимодействия в удобные для расчета на ЭВМ аналитические формы.
Так, например, для ковалентных связей реализован потенциал Липпинкотта-Морзе [4], который интерполируется кубическими многочленами.
Использование потенциала ортогональных финитных функций, предложенного в работе [9] вместо потенциала Липпинкотта-Морзе, ускоряет процесс моделирования методом молекулярной динамики за счет отказа от использования дополнительных интерполяций [10].
Таким образом, благодаря использованию концепции универсального формата данных STEP и нового потенциала межатомного взаимодействия, был усовершенствован открытый код программного комплекса Nanoengineer-1. Эти усовершенствования сделали работу с моделями в наномасштабе более удобной, а процесс моделирования методом молекулярной динамики более быстрым.
Рецензенты:
- Сергеев В.А., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Радиотехника, опто- и наноэлектроника», директор Ульяновского филиала Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Ульяновск.
- Вельмисов П.А., д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой высшей математики Ульяновского государственного технического университета, г. Ульяновск.
Работа получена 06.07.2011