3、纳米粒子的计算建模：从基础理论到前沿应用

纳米粒子的计算建模：从基础理论到前沿应用

1. 引言

纳米粒子在诸多领域发挥着关键作用，其性能取决于化学性质和物理特性。为充分利用量子尺寸效应，需严格控制纳米粒子的尺寸并防止团聚，这就需要实时测量粒子的尺寸分布和结构。以下是提升物理表征能力的关键研究领域：
1. 快速纳米粒子测量
2. 低纳米尺寸（<5 nm）范围的检测、表征和行为研究
3. 建立尺寸、浓度、形态和结构的粒子标准
4. 超细和纳米粒子尺寸范围内的充电行为和技术研究
5. 分布式纳米粒子测量
6. 积分参数测量
7. 纳米粒子的离线形态、结构和化学表征
8. 纳米粒子的在线形态和结构表征
9. 高检测效率的纳米粒子尺寸分布测量

同时，开发准确可靠的模型来模拟纳米粒子及其聚集体的输运、沉积、凝聚和分散过程，对于纳米粒子技术应用的设计工具开发至关重要。

2. 计算机科学对纳米技术的益处

计算通过物理过程实现抽象过程，如手动计算中算盘珠子或计算尺的操作。通用计算的概念为纳米结构的合成和控制提供了系统方法。与传统计算不同，应用于纳米技术的计算可能需要移动更多物质，并且计算速率要与预期的物理效果相匹配。

3. 不同尺度的建模

理论和建模方法可根据适用的长度和时间尺度分为四类：
- 电子尺度 ：从头算方法最严格，适用于电子或其他基本粒子发生显著重排的情况，如导体、半导体、光子器件或化学反应。对于许多应用，从头算密度泛函理论（DFT）是一种有效的折衷方法，它通过电子密度描述相互作用的电子系统，能量可表示为动能、经典静电能