2、纳米技术中的计算方法：分子磁体与半导体量子点的探索

纳米技术中的计算方法：分子磁体与半导体量子点的探索

1 纳米技术简介

纳米科学与工程在基础科学和技术领域都具有带来革命性进展的潜力，其对经济和社会的影响在规模和范围上可与晶体管电子学和互联网相媲美。纳米科学主要研究在极小长度尺度（通常为原子和分子大小的纳米尺度）下材料出现的新现象和特性。而纳米技术则是将纳米科学和工程方法应用于生产新型材料和设备。

纳米结构十分有趣，因为在纳米区域，系统的几乎所有物理和化学性质都与尺寸相关。例如，一块金子从厘米级缩小到微米级时颜色保持金色，但在纳米级时颜色会发生显著变化。同样，小系统进入纳米尺度区域时，其熔点会改变，此时表面能与体相能相当。由于纳米尺度的性质与尺寸相关，纳米科学和工程为开发先进材料和新设备提供了全新的设计理念。

纳米科学革命催生了通过建模和模拟更深入定量理解纳米尺度物质的迫切需求。虽然密度泛函理论、量子和经典蒙特卡罗（MC）方法、分子动力学和快速多重网格算法等建模的基本技术已广为人知，但将这些方法应用于纳米科学领域能带来新的见解。计算机技术的进步和计算能力的提升使得对具有数百万自由度的复杂系统进行建模和模拟成为可能。然而，新型理论和建模工具的全部潜力尚未完全发挥。

纳米尺度研究面临诸多理论和建模挑战，例如：
1. 跨越电子到宏观的长度尺度和时间尺度。
2. 确定纳米尺度的传输机制。
3. 设计研究纳米界面的理论和模拟方法。
4. 合理准确地描述纳米结构对外部探针（如电场/磁场）的响应。

随着纳米科学中这些基本理论和计算挑战的出现，也带来了研究和发现的机会。新的工具和技术使研究人员能够精确操控原子和分子的位置，发现了纳米尺度下不同于单个原子/分子和块状材料