КОМПЬЮТЕРНАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Предметом исследования в компьютерной нанотехнологии являются разнообразные склейки (кластеры) химических частиц, создающие сложные наноструктуры материалов. Эти склейки являются универсальной формой организации вещества в нанометровом диапазоне. В рамках компьютерной нанотехнологии решаются задачи создания автоматизированных систем проектирования (САПР), монтажа, регулирования сложных наноструктурных устройств, которые являются ресурсом технологий создания производительных и информационных систем нано-машин, нано-роботов и нано-компьютеров.

    В предлагаемом курсе компьютерной нанотехнологии полный учебный материал сгруппирован согласно блокам вышеприведенных тезисов. Учебный материал включает в себя установочную видео-слайд лекцию, слайд - лекции основных модульных блоков материала, компьютерный лабораторный практикум и контрольный блок тестов.

    Заказы на включение в группы обучения компьютерной нанотехнологии должны подаваться на сайт ЦДО АГУ и в представительства Ассоциации Открытого Университета Западной Сибири.

1. Теоретические основы компьютерной нанотехнологии

    Стратификация физических законов движения вещества по масштабным пространственно-временным уровням находит последовательное объяснение в рамках теории квантовой топологии плотности. Согласно этого формализма иерархия структур ядерно-электронного (химического) вещества базируется на постулатах нерелятивисткой квантовой механики и топологических свойствах распределения систем ядер и электронов в физическом пространстве.         Химической частицей является ограниченный в пространстве рой ядер и электронов, образующих квантово-механическую систему. В состав химической частицы могут входить атомы. Химический атом вещества универсально задается замкнутым вокруг ядра объемом, включающим все линии градиента электронной плотности, втекающие в него. Архитектура склеек химических частиц является естественным пространственным "мостом" между квантово-механическим уровнем процессов внутри химических частиц и макроуровнем разделенных во внешнем физическом пространстве ассоциатов кластеров химических частиц, описывающихся законами классической механики.

    В областях пересечения (склейки) объемов химических частиц происходит обменно-корреляционная склейка (антисимметризация) волновых функций соседних химических частиц. В результате возникают обменно-корреляционные силы склеивания. Это особый тип обменных контактных межчастичных сил, убывающих по экспоненциальному закону с расстоянием между частицами.

    Силы склейки способны создавать сложные системы химических частиц, наноструктура склейки которых имеет определенный запас информации. Эти силы обладают уникальным свойством создавать информацию за счет коммутаций типа "склеивание-расклеивание" соседних химических частиц в кластерах. Поэтому процессы эволюции архитектуры склейки наноструктур имеют непосредственное отношение к информационной динамике в веществе. Этим объясняется то, что именно в нанометровом масштабе идут кодовые биохимические процессы, управляемые наноструктурными склейками ДНК, РНК, ферментов и других информационных биологических устройств.

2.Диссипативность информационной динамики наноструктур

    Для описания информационной динамики наноструктур целесообразно ввести ряд понятий и обозначений. В динамике должны определяться все типы сил, действующие в системе. В химическом веществе в соответствии с концепцией квантовой топологии плотности можно выделить три типа сил. Силы обменно-корреляционного сцепления атомов внутри химических частиц обозначим a-силами. Соответственно, обменно-корреляционные силы склейки между химическими частицами - b-силами. Оставшиеся межчастичные электродинамические силы, не имеющие обменно-корреляционной природы, - c-силами. Последние имеют степенной закон убывания с расстоянием между частицами и имеют различную природу. Например, дисперсионные силы Ван-дер-Ваальса - это короткодействующие электродинамические силы с большим степенным показателем, а кулоновские электростатические силы ионов - это дальнодействующая компонента c- сил с малым степенным показателем.

    Три типа сил задают три основных типа движений химических частиц. Это, во-первых, внутричастичное механическое движение атомов в поле a- сил, во-вторых, межчастичное движение внутри кластерных склеек b -сил, в третьих, движение химических частиц и кластеров в поле c- сил ассоциатов.

    В соответствии с принятой в механике классификацией a-силы - это потенциальные силы, определяющие спектр энергий внутренних стационарных состояний химической частицы. В адиабатическом приближении этот спектр можно представить как спектр энергий колебательно-вращательных состояний ядер, двигающихся на эффективной поверхности потенциальной энергии a-сил. При этом возбужденная подсистема ядер описывается волновой функцией, формально независящей от координат электронов. Как известно из квантовой механики, чем выше механическая энергия, тем больше узлов имеет волновая функция и тем выше кинетическая энергия. Диссипацией механической энергии квантовой системы называется процесс ее спонтанного перехода из возбужденных состояний в устойчивое основное состояние. Этот переход идет с исчезновением узлов волновой функции в основном состоянии и понижением кинетической энергии. Химическая частица может диссипировать внутреннюю механическую энергию за счет радиации электромагнитных волн, диссоциации с образованием b-кластеров или c-ассоциатов.

    Ассоциат химических частиц, двигающихся в поле потенциальных c- сил, является классической механической системой. Волновой функции ассоциата не существует. Диссипация механической энергии классических систем имеет другое определение. Это процесс понижения кинетической энергии ассоциата в процессах столкновений частиц за счет радиации электромагнитных волн, накопления внутренней энергии частиц при их b-склеивании в кластеры, перехода в возбужденные квантовые состояния или слияния в сфере действия внутренних потенциальных a-сил.

b-склейки кластеров проявляются в процессах трения. Они возникают в форме диссипативных наноструктур как эффект микроскопического трения во внутренней квантовой механике химических частиц, так и макроскопического трения в классической механике химических частиц во внешнем физическом пространстве ассоциатов. При этом b-силы склеивания химических частиц выступают в роли универсальных информационных сил трения.

3. Информация и энергия склейки химических частиц.

    Состояние эволюции кластера химических частиц задается системным графом b-склейки. Вершинами графа являются химические частицы, ребрами инцидентности графа являются парные склейки между химическими частицами. Граф характеризуется топологическими индексами: числом вершин, числом ребер, связностью. Графы эквивалентны, если у них одинаковы топологические индексы. Эквивалентные графы могут различаться лишь инцидентностью ребер. Все эквивалентные между собой графы образуют мультиплет эквивалентности. Число элементов в мультиплете называется его мультиплетностью.

    Сложность системного графа b-склейки кластера задается количественно информацией. Определим ее мерой Хартли в битах, как двоичный логарифм мультиплетности графа. В теории информации принято оперировать символьно-цифровыми кодами. Граф отображается в информационный код следующим образом. Код образуют упорядоченная последовательность символов вершин и пар символов инцидентности ребер графа. Мультиплетность графа совпадает с мультиплетностью кода в силу их изоморфизма. С помощью кодов легко получается формула для мультиплетности и запаса информации системного графа склейки химических частиц в кластеры. Максимальная сложность (информация) склейки достигается при равенстве числа пар связанных и несвязанных вершин графа. Напротив, наиболее прост полный граф, в котором все вершины попарно связаны между собой. Его информация равна нулю. Связанный граф с минимальным числом склеек (их на единицу меньше чем число вершин) также имеет минимальную, но отличную от нуля информацию.

    Внутренняя энергия, запасенная в областях b-склейки химических частиц задается числом ребер инцидентности системного графа. Поэтому понижение внутренней энергии кластера за счет образования метастабильных b-склеек пропорционально их числу. Сложную картину информационной динамики наноструктур создает сочетание монотонной зависимости внутренней энергии с не монотонной экстремальной зависимостью информации от числа склеек.

4. Управление микро- и макродинамикой химических частиц информационными b-силами трения.

    С точки зрения канонической парадигмы ньютоновской физики все материальные объекты в макроскопическом мире связаны фундаментальными физическими силами неограниченного радиуса действия, имеющими простую математическую форму в физическом пространстве и во времени. Силы трения играют роль не фундаментальных, а "паразитных" сил, искажающих картину фундаментальных взаимодействий. В канонической квантовой механике фундаментальные силы взаимодействия дополнились фундаментальным кинематическим полем волновой функции, организующим целостное движение микрочастиц в физическом пространстве. Силы трения в квантовой механике играют туже роль, что и классической механике. Классическая и квантовая механики - это строго детерминистические концепции. Сложность движения в этих подходах задают силы трения, вязкости. Обычно все эти усложнения трактуются как влияние статистического хаоса неточностей задания начально-граничных условий для регулярной динамики под действием фундаментальных сил. Как следствие этого появляется типичный термодинамический вывод о том что диссипация механической энергии всегда заканчивается тепловой (энтропийной) формой движения -"тепловой смертью".

    В конце 20 века специфичность сил трения и их роль в особенностях эволюционных сценариев диссипации механической энергии стали предметом исследования в новой научной парадигме - синергетике. В этом подходе центральную роль стали играть силы трения, как главные упорядочивающие силы в процессах движения систем. В синергетике основную роль в появлении упорядочивающих сил трения отводят энтропийным факторам, связанным с хаосом, нерегулярностью, неупорядоченностью движения частиц.

    В квантовой топологии плотности открыты управляющие силы трения. Это информационные силы трения, которые не создают порядок или хаос, а задают сложность в движении вещества.

    Движущийся внутри химической частицы ядерно-электронный рой имеет единые волновую функцию в чистом квантовом состоянии или статистический оператор в смешанном квантовом состоянии. В силу этого внутри химической частицы атомы имеют между собой максимально возможное число нелокальных связей за счет a-сил. Таким образом, согласно постулатам квантовой механики системный граф связи атомов внутри химической частицы является предельно полным и имеет невырожденный простой мультиплет с нулевой информацией.

    В случае классической механики ассоциата частиц электродинамические c-силы имеют неограниченный радиус действия и также задают предельно полный системный граф смежности ассоциата. Поэтому ассоциат прост и имеет нулевую сложность (нулевой запас информации).

    Таким образом, масштабная иерархия процессов в химическом веществе включает в себя особый нанометровый уровень склееных кластеров, на котором существует диссипативная динамика информационных процессов. Это означает, что макроскопические процессы на уровне ассоциатов химических частиц и микроскопические процессы внутри химических частиц, сами по себе не имеющие информационной сложности в динамических состояниях движения, динамически управляются информационными процессами на мезоскопическом уровне склеек химических частиц. При этом, управляющей силой выступает диссипативная b-сила трения или склеивания границ химических частиц.

    Самоуправляющие b-склейки кластерных наноструктур существуют не только в генных биологических системах, но и в химии коллоидных растворов, в криохимии атомарно-диспергировнных растворов, в реологии неньютоновских жидкостей и межзеренных границ, в катализе химических реакций и т.д.

    Вся иерархия информационных миров сложных объектов, изучаемых химией, биологией, геологией, социологией, космологией и т.п. основывается и управляется первичной информационной динамикой b-клеевых наноструктур вещества посредством "умных" диссипативных b-сил трения..

4. Методы управления информационной динамикой наноструктур.

    Особенностью сложных систем является сложность их поведения в результате отклика на внешние воздействия электрических, электро-магнитных полей и управляемого извне инструментария точечного действия.

В математической формулировке причины сложного поведения склеек химических частиц могут быть разделены на три группы: