Investigative Tools: Theory, Modeling, and Simulation

Abstract

As subsequent chapters in this report will describe, theory, modeling, and simulation (TM&S) play a significant role in almost every branch of nanotechnology. TM&S consists of three distinct components. A theory can be defined as a set of scientific principles that explains phenomena-a succinct description of a class of problems. Modeling is the analytical/numerical applications of theory to solve specific problems.Simulation aims to faithfully render the physical problem in the greatest possible detail, so that the critical features emerge organically-not as a consequence of the ingenuity, insights, high level abstractions, and simplifications that characterize modeling. Each of the three TM&S components plays an important role, but the opportunities of the next decade will require a stronger emphasis on the modeling component. Multiscale modeling, in particular, will be essential in addressing the next decade's challenges in technology exploration and nanomanufacturing. Finally, it should be understood that each subdiscipline of nanotechnology has its own TM&S community; these communities share many commonalities in underlying theoretical foundations, numerical and computational methods, and modeling approaches. This chapter focuses on issues, challenges, and opportunities common to TM&S across the broad spectrum of nanotechnology.

Extending molecular simulation time scales: Parallel in time integrations for high-level quantum chemistry and complex force representations

“…The continuing development of massively parallel supercomputers has supported the dramatic expansion of atomic level molecular dynamics (MD) 1,2 and ab initio molecular dynamics (forces calculated directly from electronic structure calculations, AIMD) [3][4][5] simulations to more realistic systems (e.g., drug discovery, [6][7][8] atmospheric and aerosol chemistry, 9-14 nanotechnology 15,16 ). A key to these remarkable improvements has been the development of advanced a) Electronic mail: Eric.Bylaska@pnnl.gov b) Electronic mail: weare@uchicago.edu c) Electronic mail: jweare@ucsd.edu parallel programs for MD 6,7,17 and AIMD.…”

“…We note that the time evolution resulting from our methods is not symplectic even if the underlying time-discretization is symplectic. 15,47,77 However, in our experience, once a method has produced a trajectory that is close to the underlying trajectory, only a few more iterations are needed to converge to very high accuracy, and therefore a symplectic evolution (assuming that the underlying time integration is symplectic).…”

Ανάπτυξη Και Αξιολόγηση Διδακτικών Μαθησιακών Σειρών Για Την Εκπαίδευση Εκπαιδευτικών Στη Νανοτεχνολογία

“…Η πρόβλεψη και ερμηνεία αυτών των αλληλεπιδράσεων αποτελεί ένα δύσκολο εγχείρημα και η αντιμετώπισή τους απαιτεί νέες θεωρητικές ιδέες, σύγχρονες τεχνικές μοντελοποίησης αλλά και ισχυρές υπολογιστικές δυνατότητες. Οι εξελίξεις σε αυτούς τους τομείς επέτρεψαν όχι μόνο την προσέγγιση των πολύπλοκων διαδικασιών και φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στη νανοκλίμακα αλλά και νέα άλματα στο τομέα της ανάπτυξης νέων νανοϋλικών και την παραγωγή καινοτομιών, όπως για παράδειγμα την ανακάλυψη του γραφενίου, την παραγωγή νέων βιοαισθητήρων αυξημένης ευαισθησίας κτλ (Lundstrom, Cummings, & Alam, 2011).…”

“…Εικόνα 8: Στιγμιότυπο προσομοίωσης όπου φαίνεται η ροή μορίων νερού μέσα στο εσωτερικό ενός νανοσωλήνα άνθρακα (Εικόνα Xie & Pallant 2011, σ.128) Η πρόοδος στη μοντελοποίηση και στις υπολογιστικές προσομοιώσεις θωρείται ότι διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στη ραγδαία ανάπτυξη του πεδίου. Για παράδειγμα, ο αριθμός των ατόμων που μπορούσε να προσομοιωθεί από την κλασσική μοριακή δυναμική σε χρόνο 10ns αυξήθηκε από λιγότερα των 10 εκατομμυρίων ατόμων το 2000 σε σχεδόν ένα δισεκατομμύριο το 2010 (Lundstrom, Cummings, & Alam, 2011). Έτσι, οι επιστήμονες μπορούν να αναπτύξουν ολοκληρωμένη κατανόηση για την συμπεριφορά ενός συστήματος.…”