Nanomateriały o precyzyjnie dostosowanych właściwościach
Nanomateriały to materiały o strukturze mierzonej w skali atomów i cząsteczek, wykazujące właściwości niespotykane w większych fragmentach tego samego materiału. Modelowanie ich niesie poważne wyzwania ze względu na konieczność opisywania różnych skali długości, zachowań oraz efektów klasycznych i kwantowych. Finansowany ze środków UE projekt MONAMI ("Modeling of nano-scaled advanced materials intelligently") podjął to wyzwanie, zajmując się opracowaniem modeli wieloskalowych uwzględniających zachowania na poziomie elektronowym, atomowym, mezoskopowym i makroskopowym. Modele pozwoliły badać i przewidywać zachowania związane między innymi z nanomagnetyzmem, skorelowaną strukturą elektronową i zjawiskami nierównowagi. W skali elektronów używa się metod mechaniki kwantowej do opisywania zachowań elektronów oraz ich związku ze strukturą i własnościami materiału. Cząsteczki, drobne cząstki lub kropki kwantowe modeluje się jako zbiór kilku elektronów wchodzących w interakcje. W przypadku struktur liczących setki lub tysiące atomów, na przykład dużych struktur cząsteczkowych lub nanorurek, naukowcy połączyli najbardziej pożądane właściwości teorii struktur elektronów i fizyki wielu ciał w ramach zintegrowanej teorii dynamicznego pola średniego (DMFT). Do opisywania zachowania nanosystemów na poziomie atomowym używane są różnorodne narzędzia z zakresu mechaniki klasycznej i cząsteczkowej, które pozwalają symulować zachowania materiałów w skali od nanometrów do mikrometrów, niezależnie od zachowań kwantowych na poziomie elektronów. W skali mezoskopowej modelowanie szybkich ruchów atomowych ustępuje mniej szczegółowym modelom kluczowych ruchów i struktur wielkoskalowych. Opracowany model zgrubny stworzono jednak na podstawie danych symulacji atomowych w taki sposób, aby istotne informacje o strukturze na poziomie atomowym były propagowane w modelu i uwzględniane w reprezentacji zgrubnej. Ponieważ 1000 atomów ma długość zaledwie około dwóch nanometrów, a większość badanych zjawisk transportu dotyczy znacznie większych odległości, do badania zjawisk transportu naukowcy posłużyli się nowatorską metodą. Została ona opracowana w ramach prac projektu nad modelami makroskopowymi opisującymi zachowania wytwarzanych materiałów w ilościach masowych. Zespół projektu MONAMI opracował złożone i zintegrowane modele wieloskalowe nanomateriałów i nanosystemów, które zastosowano do wybranych materiałów istotnych dla przyszłych produktów i urządzeń. Zdolność uzyskania całościowego obrazu właściwości materiałów od poziomu makro do poziomu elektronów będzie niezbędna dla projektowania nowatorskich funkcji.
