Superpočítačové modelovanie nanosveta

Národné centrum pre popularizáciu vedy a techniky v spoločnosti pri Centre vedecko-technických informácií SR zorganizovalo dňa 29. apríla 2010 o 17. hod. ďalšie stretnutie s osobnosťami vedy a techniky Veda v CENTRE, ktorého hosťom bol prof. Ing. Ivan Štich, DrSc., riaditeľ Fyzikálneho ústavu SAV v Bratislave. Vystúpil s prednáškou na tému: Superpočítačové modelovanie nanosveta. Podujatie moderovala PhDr. Zuzana Hajdu.

Profesor Ivan Štich v úvode vyzdvihol možnosť prezentovať svoju prácu pred laickou verejnosťou, čo považuje za výzvu. Podľa neho je to ťažšie ako na vedeckej konferencii, pretože vo vedeckej kaviarni musí hovoriť zrozumiteľným jazykom pre všetkých. Vyslovil názor, že je povinnosťou vedcov robiť takéto  popularizačné prednášky, aby sme si uvedomili, že aj veda je súčasťou nášho kultúrneho dedičstva a mala by sa častejšie, ako je tomu zvykom, stávať bežnou súčasťou nášho každodenného života.

Téme, ktorú prezentoval vo Vede v CENTRE, sa venuje viac ako 20 rokov. Rád o nej rozmýšľa, tiež ako o nanotechnológiách, online. Vo Wikipédii je uvedené, že nanotechnológie sú odbory, ktoré sa zaoberajú tvorbou a využívaním technológií na nanometrových škálach, čiže hovoríme o nanometroch. Nanometer je 10^-9 metra, to sú zhruba tie dĺžkové škály, ktoré sú prirodzené pre atómy, elektróny, molekuly a ďalšie. Napr. amstróm je 10^-10 metra.

My žijeme v úplne iných dimenziách, pre nás sú prirodzené dĺžkové škály meter alebo kilometer a časové škály sú sekundy, minúty, dni alebo roky. Časové škály sú iné, keď sa pohybujeme v dĺžkových škálach rádovo v nanometroch. Tie zodpovedajúce časové škály sú niekde od nanosekúnd po fentosekundy. Hovoril o nanosekundách, to je 10^-9sekundy, pikosekundách, to je 10^-12 sekundy, a fentosekundách, to je 10^-15 sekundy. Veľmi často hovoria o tom, čo robia atómy v nejakom konkrétnom bode trojdimenzionálneho priestoru a chcú vedieť, aká je ich evolúcia v čase. Preto je o tom možné hovoriť, ako o štvordimenzionálnom zobrazovaní.

Všetko čo robia, celý model toho, čo popisujú na počítači, robia online, kde im vychádzajú zápisy rovnice. Dá sa povedať, že je to akýsi tretí pilier. Tradične sa hovorí o tom, že fyzika má dva piliere, to je teória a experiment. Teória nám dáva nejaké rovnice a umožňuje nám riešiť nejaké idealizované systémy analyticky. V experimente, naopak, niečo merajú, nejakú konkrétnu fyzikálnu veličinu v simulácii. Je to akýsi most medzi týmito dvomi piliermi, lebo to, čo na počítači modelujú sú vlastne rovnice, ktoré im dáva teória, ale robia to spôsobom, ktorý je veľmi blízky k experimentu. Preto o tom, čo robia, často hovorí ako o počítačovom experimente, lebo skutočne niekedy to, čo robia je doslova a do písmena meranie nejakej fyzikálnej veličiny na počítači.

Experimentátori, keď chcú merať, tak obvykle potrebujú kúpiť nejaké drahé zariadenia a merajú nejakú jednu fyzikálnu veličinu. Oni majú výhodu oproti experimentu, a to, že majú  superpočítač, ktorý je, samozrejme, tiež veľmi drahý. Má 16 tisíc procesorov a každý procesor má 4 jadrá, čiže dokopy je tam, ľudovo povedané, 64 tisíc počítačov, ktoré v extrémnom prípade môžu použiť na riešenie jednej konkrétnej úlohy, rádovo počítajú v stovkách až tisícoch jadier. No a určitá výhoda, ktorá tu je, potrebujete kúpiť zariadenie, ktoré stojí, povedzme, miliardu korún, ono je to úplne univerzálne. My na tom môžeme riešiť problémy nanosveta, kolega na tom môže riešiť nejaké problémy astrofyziky, nejaký ďalší kolega na tom môže robiť predpoveď počasia alebo dizajn nejakých liečiv alebo niečo podobné. Čiže je to úplne univerzálne zariadenie. Napriek tomu, že je drahé, jeho výhodou je, že je univerzálne.

Môžete sa spýtať, prečo sa zaoberáme nanotechnológiami, no a odpoveď je tá, že nanotechnológie sa začínajú stávať bežnou súčasťou nášho každodenného života. Aj keď o tom nevieme, môžeme sa stretnúť v nejakých lakoch, náteroch a pod. O chvíľu budúcnosť sa už stáva súčasnosťou. Zatiaľ veci, ktoré vidíme v mobiloch, laptopoch a tak ďalej, používajú kremíkovú technológiu, ktorá bude určite nahradená inými technológiami. Jednou z možností je, že tam bude molekulárna elektronika, bude tam nejaká molekula, ktorá bude nejakým spôsobom nakontaktovaná a bude to teda niekoľko krát menšie ako to, čo poznáme v dnešných zariadeniach, s ktorými prichádzame do každodenného styku. Hovoríme o molekulárnej elektronike, nanoelektronike, spintronike a ďalších, čo je bežná súčasť nášho života. 

Profesor Štich prezentoval aj praktické príklady zo svojej praxe, ako je zobrazovanie a nanomanipulácia na povrchoch pomocou hrotov mikroskopov s atomárnou rozlišovacou schopnosťou, ďalej molekulové spínače na báze fotospínateľných molekúl, ako aj nanočastice, ktoré sa hýbu po povrchoch „bez trenia“ a syntézu benzínu z metanolu. Zdôraznil, že povrchy sú veľmi dôležité, pretože väčšina  nanotechnológií je s nimi zviazaná, keďže sú tam spravidla ukotvené. V jeho skupine sa zaoberajú aj štúdiom trojdimenzionálnych látok. V poslednom období pracovali na tzv. samoorganizovaných monovrstvách. Niekedy sa molekuly na základe vlastných síl, ktoré medzi nimi pôsobia, usporiadajú do regulárnych štruktúr na povrchu.

Spracovala: PhDr. Marta Bartošovičová

Foto: Ing. Alena Paulíková