• Motivacija 
  • Krajem prošlog stoljeća javlja se izrazitija podjela fizike na eksperimentalnu i teorijsku. Eksperimentalni fizičari istražuju prirodu u laboratorijima putem mjerenja fizikalnih veličina. Teorijski fizičari formuliraju i rješavaju matematičke modele fizikalnih pojava. U suvremenoj fizici se javlja još jedna metoda: kompjutorske simulacije.

    Kao i u teorijskoj fizici, simulacije polaze od matematičkih modela, ali su kompjutorske metode mnogo univerzalnije. Kao i u eksperimentalnoj fizici, u simulacijama radimo sa "živim" stvarima i možemo očekivati apsolutno nove rezultate. Kompjutorski program nam odgovara na različite ulazne podatke kao što prirodni sustav odgovara na različite uvjete. Zato se nekad simulacije zovu i kompjutorski eksperimenti.

    Vrlo važno područje primjene računala u fizici su kompjutorske simulacije materijala. Materijali su: metali, poluvodiči, supravodiči, organski i biološki materijali... Razvoj znanosti o materijalima je osnova suvremenih tehnologija i omogućava razvoj civilizacije. Znamo da smo povijest učili kao kameno doba, brončano doba... Danas koristimo mnogo novih materijala koje znanstvenici prave u laboratorijima. U kompjutorskim eksperimentima možemo istraživati materijale na skalama duljina, vremena i pod uvjetima koji nisu dostupni suvremenim laboratorijskim eksperimentima.

    Razvoj računala daje mnogo novih rezultata u području kompjutorskih simulacija materijala. Ali znanost o materijalima to vraća računalima. Kao i sve drugo i računala pravimo od materijala ! Npr. tranzistore su otkrili fizičari J. Bardeen, W. H. Brattain i W. Schokley. To je bilo u Bell Labs, USA, 1947. (Znate li da su fizičari napravili prve kompjutore, internet i napisali mnoge važne računalne programe ? Čitajte o tome !) Tranzistori su omogućili prvo značajnije smanjivanje dimenzija računala, a danas ? Neki od čipova koji se danas proizvode za računala imaju i više od 300 milijuna tranzistora. Vrlo male dimenzije daju fizičarima nova područja istraživanja: osobine materijala na nanoskalama duljina i nanotehnologije. Za takve probleme kompjutorske simulacije su vrlo značajne.


    Slika prikazuje kristal metala aluminija koji je potpuno uredjen na vrlo niskoj temperaturi. Kuglice modeliraju atome aluminija. Aluminij ima plošno centriranu kubičnu resetku.

     

  • Problem
  • Živa (Hg) je metal. Razmišljate li nekad zašto je živa u termometru kojim mjerite temperaturu kad imate gripu tekućina ? A zašto je žličica kojom stavljate šećer u čaj (koja je isto tako od metala) u čvrstom stanju i na temperaturi vrlo vrućeg čaja ? Različita struktura atoma kemijskih elemenata uvjetuje razlike u fizikalnim i kemijskim osobinama materijala. Prijelaz iz čvrstog stanja u stanje tekućine zove se taljenje i jedna je od pojava s kojom se čovjek susreo u prvim danima svog razvoja. Bez obzira na to, suvremena znanost još nije objasnila sve karakteristike procesa taljenja. Laboratorijske eksperimentalne metode ne mogu pratiti taj proces na razini gibanja atoma. Kompjutorske simulacije daju nam novi način istraživanja prijelaza iz čvrste faze u tekuću fazu, ili kako to još zovemo, faznog prijelaza taljenja.  

    Simulacija taljenja aluminija (Al)
    Slika prikazuje tekući aluminij na T=2000 K.

  • Očekivani rezultati
  • Kristali
    Zadatak 1: Virtualni kristali: animacija i vizualizacija
    Zadatak 2: Lindemanov kriterij taljenja
    Simulacije
    Zadatak 3: Kompjutorska simulacija gibanja
    Zadatak 4: Sudari kuglica (računalni biljar)
     

  • Cilj
  • Razvoj spoznaja o kompjutorskim simulacijama, znanosti o materijalima, fizici čvrstog stanja, faznim prijelazima i nanotehnologijama



  • Literatura
  • 1) Svijet materijala za učenike: Exploring the Material World, Lawrence Berkley National Lab, USA.
    2) Upoznajte studenta fizike sa sveučilišta MIT, Boston Noah Bray-Ali, koji je proveo svoje praznike radeći sa znanstvenicima u Lawrence Berkley Labu.
    3) Upoznajte se sa računalnim simulacijama koje su zadnjih godina studenti fizike, kemije, biologije, tehnike i medicine radili tijekom svojih praznika kao gosti na Supercomputing Institute, University of Minnesota, USA.
    4) Istražite nanosvijet: Exploring the Nanoworld.
    5) Nanotehnologija: The Online Dictionary of Nanotechnology.
    6) Molekularno-dinamička simulacija, IBM Almaden Research Center, USA, Visualization Lab.
    7) Primjeri istraživanja materijala na računalima, CalTech University, USA, A DOE ASCI /ASAP Center of excellence, Center for simulation of dynamic response of materials.
    8) Fizika na računalima, istraživačka galerija Američkog fizikalnog društva: Computational Physics Research Gallery.
    9) Materijali su važni za gospodarstvo: Melting Overview (O taljenju), WWW stranice firme Ameritherm Inc, Rochester, New York, USA, koja se bavi preradom metala.
    10) NMRC - najveći istraživački centar u Irskoj, program Informacijske i Komunikacijske Tehnologije, Nanotehnologije i Biotehnologije: Computational Modelling Group.



    MENTOR: Dr. Goranka Bilalbegović, Odsjek za Fiziku, Filozofski Fakultet, Sveučilište u Rijeci; e-mail: goranka@phy.hr