در این مقاله با مقدمه ای بر مدل سازی و سبیه سازی در دنیای نانو آشنا خواهیم شد:
نیاز به محاسبه عددی در علوم نانو
امروزه در علوم مهندسی، ریاضیات کاربردی مرتبط با معادلات و مسائل موجود در آنها جایگاه ویژه ای دارد. امروزه دوره های آموزشی کاربرد کامپیوتر در فیزیک و شیمی در بیشتر دانشگاه ها برگزار می شود. از اهداف مهم چنین دروسی آشنایی مخاطبین با محاسبات کامپیوتری برای حل مسائلی از علوم است که به دلایل گوناگون، پژوهشگران نمی توانند با روش های تحلیلی شناخته شده به حل آنها بپردازند.
در واقع، علوم و مهندسی در بسیاری از معادلات اساسی خود با روش های تحلیلی صرف قادر به ارائه جواب برای معدودی از آنها هستند. بنابراین رهیافت حل مسائل حل ناپذیر به روش های تحلیلی در علوم و مهندسی، اهمیت روز افزونی یافته است. برای نمونه معادله اساسی مکانیک کوانتمی، تنها برای اتم هیدروژن تک الکترونی، حل تحلیلی دارد و این در حالی است که جهان پیرامون ما را اتم ها و مولکول های بس الکترونی، در برگرفته اند.
بنابراین امروزه دانش محاسباتی علوم نانو جزء جدایی ناپذیر پلکان پیشبرد اهداف پژوهشی است.
علاقه مردم به محاسبات طولانی و خسته کننده از دیرباز وجود داشته است. یونانیان باستان، محاسبات دشواری در ریاضیات و هندسه داشته اند. یکی از محاسبات جالب در یونان باستان محاسبه عدد گنگ بوده است.
محاسبات بدون ابزار و با دست، به محض برخورد به پیچیدگی های دشوار به بن بست می رسد و بعضا بی حاصل می ماند. با وجود این، کسانی هم بودند که از همین پیچیدگی ها لذت می بردند و برای رفع آنها دست به کوشش های فراوانی زده اند. اندک اندک در نیمه دوم سده بیستم، کامپیوتر اختراع شد و محاسبات پیچیده و مفصل به اموری عادی و روزمره در علوم و فناوری، بدل گردیدند. امروزه بسیاری ازمعادلات اساسی در علوم و مهندسی را می توان به کمک کامپیوترها به صورت عددی حل کرد.
در اینجا نمی خواهیم تاریخچه محاسبات عددی را بازگو کنیم، بلکه قصدمان تاکید بر این نکته است که دنیای فناوری امروز، پیشرفت پرشتاب خود را در بسیاری مواقع وام دار محاسبات پیچیده و مفصل است. روشن است که محاسبات پیچیده تر به ابزاری پیچیده تر نیاز دارند. احتمالا هیچ کس نمی تواند تنها با کمک کاغذ و قلم صد عدد فیثاغورثی نایکسان تولید کند. 3، 4، 5 یک دسته از آنهاست. تعریف اعداد فیثاغورثی(فیثاغورث نام دانشمندی در سده ششم پیش از میلاد است) به صورت زیر است:
a^2+b^2=c^2
موضوع به اینجا ختم نمی شود؛ همه زندگی بشر زیر پرتو محاسبات قرار گرفته است. امروزه دانشمندان با داشتن اطلاعات آزمایشگاهی و تحلیل محاسباتی آنها، در پی حل مسائلی بسیار مهم و در عین حال عادی هستند. مثلا اینکه چگونه مغز تصاویر فرستاده شده از عصب بینایی را تحلیل می کند؟ چگونه این تصاویر ثبت می شوند به طوری که اگر یک بار دیگر تصویر را ببینیم یادمان می آید که آن را پیشتر دیده ایم؟ پژوهشگران "سازمان فضایی آمریکا" (NASA) احتمال پاسخگویی به این دست پرسش ها را در سالهای 2030 میلادی به بعد اعلام کرده اند. همچنین بد نیست بدانیم یکی از موضوعاتی که در فناوری نانو(هرچند خام) مطرح است چگونگی دستیابی بشر به طول زندگانی بسیار است. این در حوزه دانش مهار بیماری ها و جلوگیری از پیرشدگی اعضا بدن با کمک روش های فناوری نانو قرار دارد.
حل چنین مسائلی در علوم، از سویی مستلزم بکار گیری فنون محاسباتی پیشرفته و از سوی دیگر همکاری تنگاتنگ دانشمندان رشته های مختلف علوم است. به همین علت، به احتمال قوی، انقلاب های علمی آینده در بستر کوشش ها و کشفیات میان رشته ای در علوم، روی می دهند. فناوری نانو از جمله مهمترین و اصلی ترین انقلابهای علمی و فناورانه آینده است و در این میان، فناوری نانو محاسباتی در پیشبرد و اثبات نظریه ها و فرضیه های مربوط به علوم نانو مقیاس، نقشی بی بدیل بازی می کند. در این سری مقالات می کوشیم گوشه ای ار مقدمات دستیابی به چنین محاسبات پیشرفته را بازگو کنیم.
