دانلود مقاله سیم کوچک انتقال دهنده الکتریسیته

دانشمندان برای اولین بار نشان داده اند که یک سیم کوچک کریستالی( بلوری ) منفرد می تواند به عنوان یک هادی الکتریکی عمل کند .

چارلز لایبر و همکارانش در دانشگاه هاروارد عقیده دارند که این لیزرهای کوچک می توانند برای کاربردهای متغیری بکار روند زیرا می توانند بیشتر طول موجها را گسیل کنند .

این کاربردها شامل ارتباطات و مخابرات و همچنین برای انتقال قوی اطلاعات با حجم زیاد است .

لیزر های نیمه رسانایی که به طور الکتریکی هدایت می شوند تا حال برای کاربردها مورد استفاده قرار می گرفتند اما هزینه ساخت آنها زیاد است .

علاوه بر این ابزارهایی که معمولا برای ترکیب کردن نیمه رساناها ساخته شدند کار یکپارچه کردن سیستم های پایه سیلیکونی را مشکل انجام می دهند.

برای غلبه بر این مشکلات ، بسیاری از محققین برای یافتن جانشینی مانند لیزرهای کوچک شروع به تحقیق کردند .

یک لیزر به یک وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی در سیستم احتیاج دارد .

این وارونی جمعیت به صورتی است که تراز بالاتر دارای جمعیت بیشتر ی از تراز پایین تر است .

این کار می تواند بوسیله لیزرهای خارجی برای برانگیخته کردن مواد به روشی که به دمش اپتیکی موسوم است انجام شود .

برای کاربردهای واقعی وسایل مورد استفاده باید لیزر را به صورت الکتریکی هدایت کنند و نه به صورت اپتیکی .

برای رفع این مشکل ، لایبر و همکارانش که بر روی این طرح کار می کنند برای این آزمایش از یک بلور منفرد سولفید کادمیم که قطر آن 200-80 نانومتر است استفاده کردند .

آنچنان سیمهای بلوری منفرد شبیه اجزای سازنده ای هستند که لیزرهایی که به طور الکتریکی هدایت می شوند ، را تشکیل می دهند .

این شباهت به خاطر این است که آنها بدون نقص هستند و ویژگیهای فوق العاده انتقال الکتریکی را به نمایش می گذارد .

این وسایل بوسیله قراردادن سولفید کارمیم بر سیلیلونی که بقدر زیادی آلوده شده است ساخته می شوند .

تیم دانشگاه هاروارد به آرامی جریان درون سیم کوچک را افزایش دادند و در شدت نور گسیل شده هنگامی که جریان بالای 200 میکرو آمپر باشد ، افزایش مشاهده کردند .

این جریان متناظر با شروع تابش لیزری می باشد.

لایبر به سایت فیزیک وب گفت : علاوه بر این این اولین باری بود که وسایل هادی الکتریسیته از اجزای پیش ساخته تشکیل می شدند .

محققین عقیده دارند که نزدیک شدن آنها می تواند به مواد دیگر تعمیم یابد مانند سیم های کوچک نیترید گالیم و فسفیدانیدیم .

در این روش لیزرهای از مرتبه نانو می توانند ناحیه فرا بنفش را تا نزدیک ناحیه فرو سرخ طیف الکترومغناطیسی را می پوشانند .

لایبر گفت که ضروری است قبل از آنکه از لیزرهای نانونی در ابزارهای واقعی جهان استفاده کنند ، قدری بیشتر درباره فیزیک پایه یاد بگیرند .

زندگی و میرایی و فیزیک : شواهد نشان دهنده این است که مردم بیشتر دوست دارند هنگامی که به سن پیری می رسند ، بمیرند اما درحقیقت ثابت ماندن نسبت و سرعت مرگ در یک سن معین منجر به وضع ثابت میرایی می شود .

اکنون جاناتان کو و نویگ ماو در دانشگاه کمبریج و همچنین ( مایک کاتز) در دانشگاه ادینبرگ مدل کامپیوتری ای طراحی کردند که ایجاد تعادل را در سرعت مرگ با افزایش سن ، خوشایند کرد .

این نتیجه که مدلهای قبلی قادر به دست یافتن به آن نبودند ، ممکن است بیش از پیش به مادر توضیح میرایی کمک کند .در سال 1995 یک الگوی ظاهر کننده رایانه ای تغییر سن را طراحی کرد که روش معینی را بر توضیح میرایی ارائه می کرد .

در این الگو به هر فرد منحصر به فرد یک رشته عددهای دو دویی اختصاص می یابد که در طول مدت زندگی آن شخص ثابت می مانند .

هر رقم صفر یا یک تغییر در حالت سلامتی آن فرد را در هر قسمت از عمر او نشان می دهد .

یک صفر نشاندهنده کاهش سلامتی نیست همچنانکه یک عدد یک هم نشان دهنده یک مریضی ارثی ژنیتیکی نیست .

در حالیکه زمان به جلو می رود ، آن الگو تعداد عددهای یک را میشمارد .

این عددها یک نشان دهنده تعداد بیماری هایی است که آن فرد منحصر به فرد داشته است .

وقتی این تعداد به آستانه معینی رسید آن فرد خاص میمیرد .

نقص عمده الگوی پنا این است که پیش بینی می کند که همه مردمی که دارای ساختار ژنیتیکی یکسان هستند باید دقیقا در یک سن خاص بمیرند که از قبل تعیین شده است .

محققین تلاش می کنند بوسیله کا ر الگویی که به طور وابسته به رویداد عمل می کند ، بر این مشکل غلبه کنند .

اما این مدل قادر به بازسازی یک وضع میرایی ثابت نیست .

تنها با افزایش سن سرعت مرگ را با ملاحظه زیاد می کند .

آنچه که کو و همکارانش انجام دادند پیدا کردن یک راه حل و جواب دقیق برای مشکل پنا بود .

تیم ادینبرگ – کمبریج یک فرمول بسیار عمومی تهیه کردند .

فرمولی که آنها نتیجه گیری کردند این بود که افراد بخصوص یک عملکرد پایدار اختیاری دارند .

محققین الگوی نیا را به این صورت تعدیل کردند که افرادی که از نظر ژنیتیکی یکسانند می توانند نسبتا در سنین مختلفی بمیرند بجای اینکه همیشه در سن یکسانی بمیرند .

محققین عقیده دارند که عواملی که باعث ایجاد سرعت مرگ متغیر می شوند باید ضرورتا وضع ثابت میرایی ای را بشناسند که گونه های مختلف هم از آن تبعیت می کنند .

به عبارت دیگر این نتایج اطلاعات مهمی را برای شرکت های بیمه و حقوق بازنشستگی در اختیار ما قرار می دهند .

هدایت کردن کار فیزیکی به سمت کارهای اقتصادی اهمیت فیزیک برای اقتصاد جهانی در طی ده سال گذشته با توجه به گزارشهای جدید انسیتو فیزیک ، به طور محسوسی افزایش یافته است .

این گزارش که مطالعات ده سال پیش را در مورد صنایع فیزیک پایه را بهبود می بخشد این مطلب را یافته است که تعداد کل شرکتهای فیزیک پایه با رقم 165% بین سالهای 2000-1989 افزایش یافته است .اما سرمایه گذاری در این صنایع همگام با ساختن تولید جدید به پیش نرفت و این می تواند به منزله مدرکی برای ورشکستگی این صنایع می تواند به شمار رود .

گزارشها و خبر ها 4 راه حل را مشخص کردند .

سطوح پایین سرمایه گذاری در نواحی PBI سرعت پایین بازرگانی تحقیق فیزیکی دانشگاهی .

کمبود فارغ التحصیل فیزیک و یک تصویر فقیر ازعلم مهندسی و صنایع پایه وجود دارد .

مشکل سرمایه گذاری دو روش را به طور واضح مشخص می کند .

سطوح پایین سرمایه گذاری در مخارج هزینه های عمده به ازای اشتغال با دیگر عرصه ها مقایسه شده است و آنچه خبرها و گزارشها بیانگر آن هستند که از سال 2000 در سرمایه گذاری های مشترک در شرکتهای فناوری بحران اجتناب از سرمایه گذاری بوجود آمده است .

حقیقت اینکه در حدود نصف فارغ التحصیلان فیزیک در خارج از صنایع تجاری پایه فیزیکی کار یافته اند و این موضوع مشکلاتی را برای شرکت های PBI بوجود آورده است .

گزارشها گویای این مطلب است که سرمایه گذاری گویا و مؤثر درصنایع و برای ایجاد امنیت سرمایه گذاری می تواند به پر کردن خلأ سرمایه گذاری بینجامد .

دیگر پیشنهاد ها و توصیه ها شامل آغاز دلگرمی و برقراری روابط بین علم و صنعت و انتقال فناوری در جامعه فیزیکی میباشد ، خصوصا در دانشگاهها و کوشش و عزم ملی جهت افزایش تعداد مطالعه کنندگان فیزیکی ( دانشجویان و… ) در مدارس و سطح دانشگاهی می باشد .

گزارش روشن می کند که فتونیک و نانو تکنولوژی به عنوان دو عرصه با پتانسیل رشد و پیشرفت برای شرکتهای فیزیک پایه می توانند مودر توجه باشند.

در رابطه با این گزارشات صحبتها آغاز شد جانشین رئیس جمهور آقای دیوید ولانس گفت : من مفتخرم که فیزیک نقش مهمی در اقتصاد uk بازی می کند و من چشم به راه این هستم ( انتظار دارم که ) در 10 سال آینده اهمیت این نقش افزایش یابد و نشانه های آشکارا وقوع این را تأیید می کند .

جان تایلور ، سرپرست کل شوراهای تحقیق می گوید که فناوری میکرو و نانو می توانند به تولید در زمان پیش روی ما جان تازه ای ببخشند .

تایلور می گوید این بسیار واضح است که آینده uk در سایه صنایع با ارزش افزوده بالا قرار دارد مانند تجارت و خدمات ارزش زیادی اضافه می شود و مانع بزرگی برای ورود مدیریت صنایع و قسمتهای کوچک می شود و این به خاطر تواناییهای جدید و بدیع است که بوسیله تحقیق در علم.

و فناوری بدست می آید .

مختصری راجع به تاریخچه تابش های هسته ای : هر چند جامعه بشری اندک مدتی است که به فکر آلودگی تابشی محیط زیست ناشی از رشد تکنولوژی هسته ای افتاده است .

ولی واقعیت این است که کیهانی پر از تابش پرتو هسته ای است و همیشه نیز بوده است .

در حال حاضر به ازای هر ذره بنیادی حدود یک میلیون پرتو در فضا حرکت می کنند .

مقدار قابل توجهی از هوایی که در بر گیرنده اند بخش ماده و پرتو عمری معادل ده میلیون سال دارند .

نظریه های بسیار متعالی وجود دارند که تلاش می کنند توضیح دهند ما چگونه به این نقطه زمانی و مکانی در کیهان رسیده ایم ، بسط مداوم کیهان را در این دمای کم (تنها دو درجه بالاتر از صفر مطلق ) چگونه می توان تشریح کرد .

اگر تاریخ تحول کیهانی را از این زمان تا به گذشته مورد بررسی قرار دهیم ، می بینیم هر چه به عقب بر میگردیم کیهان کوچکتر ، چگالتر و گرمتر بوده است .

تا اینکه سر انجام ما به نقطه تولد ، زمان صفر و سیاه کیهانی اولیه می رسیم .

چگونه شروع شد ؟

به نظر بعضی ها ، شاید با انفجار بزرگ (BIG Bange ) اولیه ، به هر شکل سیال اولیه یا اصلی کیهان خلق شد .

کف بسیار پیچیده ای مرکب از ذرات مادی با انرژی بسیار زیاد و با سرعتی نزدیک به سرعت نور ، در تمام فضا شروع بحرکت کرد .چگالی و دمای این سیال اولیه بطور بی سابقه ای بالا بود .

و انرژی این ذرات حدود بود .

در دسته بندی جدید ، ذرات مختلف در این سیال را می توان به خانواده ها درونها ( مزون ، باریون ، نوترون ، پروتون ، هاپیرون ) ، لیپونها ( الکترون ها ، لیونها ، ذرات تاو tau ) و فوتونها ( امواج رادیویی ، امواج ریز ، فرو سرخ ، نورمرئی ، فروبنفش ،پرتو ، پرتو) تقسیم کرد بیشتر ذرات موجود در این سیال متعلق به مادرونها بودند .

در حال حاضر نوترونها و پروتون اعضای مهم این خانواده هستند که در روی زمین باقی مانده اند وسنگ بنای اولیه ساختمان هسته و اتم می باشند .

اعضای دیگر مادرونها و دو دسته دیگر ذرات را ممکن است در جو یافت این ذرات در اثر اندر کنش پرتوهای کیهانی به وجود می آیند و درحال حاضر ، برای مطالعه و تحقیق تعدادی از این ذرات را در شتاب دهنده های با انرژی زیاد تولید می کنند .

تعداد بسیار کمی از ذرات متعلق به خانواده لپتونها بودند.

شناخته شده ترین عنصر این خانواده الکترون است که سومین عنصر مهم سازنده اتم می باشد که عامل حفظ و نگهداری اتمها در مولکول است .

سومین خانواده که در زمان صفر مهم نبودند خانواده فوتونها هستند که در طبیعت به صورت انرژیند نه ماده .

دو عنصر این خانواده ، پرتو و پرتو در مطالعه حفاظت در برابر اشعه مورد بررسی قرار می گیرند .

هر ذره مادی در ابتدای خلقت به دو حالت ماده و ضد ماده که پایدار بودند وجود داشت .

در اثر برخورد بین آنها یا پدیده نابودی ، ماده به فوتون و نوترینو تبدیل می شود و البته نه در انرژی بالا و نه در دمای بالا ، بنا بر این در زمان صفر ، کیهان آکنده از هادرونهای چگال بود و ماده و ضد ماده می توانستند بدون فرایند نابودی در کنارم بمانند .سپس دما افت پیدا کرده هادرونها کاهش یافتند و نهایتا دما به میزانی رسید که ماده و ضد ماده در برخورد با یکدیگر نابود شدند .

پس از ده هزارم ثانیه دما به کاهش یافت ، چگالی به رسید .

اکثر هادرونها همدیگر را نابود کردند و در این هنگام لپتونها پدیدار شدند .

تا 10 ثانیه اول لپتونها باقی مانند و بعد از آن تعدادشان با کاهش الکترون ، کاهش یافت ، چگالی به رسید .

تا 10 ثانیه اول لپتونها باقی مانند و بعد از آن تعداد شان با کاهش الکترون ، کاهش یافت .

در این هنگام چگالی به حدود و دما به رسید .

انرژی حاصل از نابودی و کاهش الکترون ها منجر به تابش فوتون و ایجاد منطقه تابش شد .

به مدت یک میلیون سال کیهان پر از فوتون شده و در طی این مدت دما و چگالی به طور مداوم کم و کمتر می شدند و کیهان گسترش می یافت .

در این زمان می توان این تشبیه را به کار برد : ماده به صورت محلولی بسیار رقیق در جهانی آکنده از نور معلق بود .

هر چند در این زمان مقداری پروتون و نوترون وجود داشتند که بتوانند اتمهایی نظیر هیدورژن سنگین و هلیوم را بسازند ولی به خاطر وجود فوتونها ی پر انرژی این پیوند شکسته شد و مانع تشکیل اتم گردید .

ولی با افزایش منطقه تابش از انرژی فوتون کاسته شد و میزان این انرژی کمتر از انرژی پیوند گردید و در نتیجه هیدورژن سنگین و هلیوم ساخته شدند .

این هسته ها با جذب نوترون و پروتون هسته های سنگین تر را به وجود آوردند .

با گسترش کیهانی چگالی تابشی به مراتب سریعتر از چگالی ماده کاهش یافت .

وقتی که دما به k 3000 کاهش یافت ، الکترونها و پروتونها ترکیب شده و اتم به وجود آمد .

در این زمان چگالی متوسط کیهان بسط یافته ، به رسید یک میلیون سال بعد از زمان صفر کیهان از ماده پر شد .

از این هنگام به بعد ماده تجمع پیدا کرد و کهکشانها و ستاره ها و سیارات ساخته شدند و حدود هسته در کیهان در این ساختارها وجود دارد و با این حال برای هر نوترون یا پروتون در صدد فوتون یا نوترینو با چگالی در حدود 1000 وجود دارد .

فیزیک کامپیوتری سید محمد امینی بخش فیزیک ، دانشگاه صنعتی اصفهان چکیده : پیدایش و تکامل کامپیوتر تأثیر زیادی در پیشبرد علوم به ویژه فیزیک داشته است ، به طوری که به دو بخش سنتی فیزیک تجربی و فیزیک نظری ، بخش نوینی به نام فیزیک کامپیوتری افزوده است .

در این مقاله فیزیک کامپیوتری و ارتباط آن با دو بخش دیگر بیان می شود .

علاوه بر این کلیاتی از شبیه سازی کامپیوتری ، با تأکید بر روش دینامیک مولکولی و یک آزمایش کامپیوتری روی ریز بلور kcl توضیح داده می شود .

در این آزمایش پدیده های ذوب ، ابر سرد شدن ، و تشکیل شیشه در ریز بلورهای شامل 512 یون مشا هده شده و کمیتهای مربوط به تغییرات فاز اندازه گیری شده اند .

توجه به این علم و گنجاندن آن برنامه های آموزشی و پژوهشی دانشگاهها ضروری می نماید .

مقدمه کامپیوتر ، در طول کمتر ازنیم قرنی که از پیدایش آن می گذرد ، تأثیر زیادی در پیشرفت علوم داشته است .

تأثیر آن بر فیزیک از همان روزهای اول استفاده از کامپیوتر آشکار شد و این تأثیر در حدی بود که به تقسیم بندی سنتی فیزیک ( دو بخش فیزیک نظری و فیزیک تجربی ) بخش تازه ای به نام فیزیک کامپیوتری افزود .

در سالهای اخیر حجم پژوهشها در این بخش ازفیزیک به قدری زیاد بوده است که نتایج آنها نه تنها در نشریه های متنوع فیزیکی بلکه در مجلات تخصصی تری ، مثل نیز منتشر می شوند .

امروزه در تعداد زیادی از دانشگاههای معتبر ، فیزیک کامپیوتری به عنوان یکی از دروس دوره لیسانس و فوق لیسانس تدریس می شود .

در این مقاله پس از تعریف فیزیک کامپیوتری ، ارتبا ط آن را با دو بخش دیگر فیزیک مشخص می کنیم و سپس با ذکر یک تجربه کامپیوتر ی به معرفی بیشتر این رشته می پردازیم .

تعریف فیزیک کامپیوتری در آغاز نگاهی گذرا به دو بخش فیزیک تجربی و فیزیک نظری می افکنیم .

فیزیک تجربی بیشتر به واقعیات ملموس و قابل اندازه گیری می پردازد در حالی که کار فیزیک نظری اساسا تنظیم منطقی داده های تجربی است .

از این داده ها قوانین کلی شکل می گیرند و به کمک این قوانین می توان پاره ای ازخواص فیزیکی را پیشگویی کرد .

هر دو بخش نظری و تجربی متکی به یکدیگر ند و هر بخش برای بررسی صحت نتایج آزمایشها با پیشگویی های خود به بخش دیگر نیازمند است .

آزمایشهای جدید به نظریه های جدید منجر می شوند و هر نظریه جدیدی خود راهگشای تجربیات جدید تر است .

پیشرفت فیزیک حاصل رشد هماهنگ دوبخش نظری و تجربی است و در اثر برخورد این دو ، هر روزه شاهد پیشرفتی در فیزیک هستیم .

هم فیزیک نظری و هم فیزیک تجربی به بررسی و رفع موارد اشکال در سیر پیشرفت فیزیک می پردازند و سر انجام یا نظریه ها گسترش می یابند و یا اصول اصلاح می شوند تا نظریه جدیدی با توانایی بیشتر که قادربه بیان پدیده های جدید است ارائه شود .

تکنولوژی نوین کمکهای شایانی به هر دو بخش نظری و تجربی فیزیک کرده است .

در این مورد کامپیوترها بسیاری از مشکلات را آسان کرده اند، ازجمله برآورد عددی توابع ریاضی ، یا جمع آوری خود کار داده ها و پردازش آنها به کمک کامپیوتر صورت گرفته است .

این کاربردهای کامپیوتر در فیزیک ، اگرچه نقش مهمی دارند ، اما در اینجا مورد نظر ما نیستند ، آنچه مورد نظر است به کار گیری کامپیوتر به عنوان وسیله جدیدی برای انجام آزمایش ( آزمایش کامپیوتری ) است .

به گونه ای که میان نظریهو تجربه پلی ایجاد کند .

در آزمایشهای کامپیوتری ،‌با استفاده از مدلهای ریاضی ، خواص سیستمهای پیچیده شبیه سازی میشود .

در این آزمایشها وسایل آزمایش و مواد مورد آزمایش عبارتند از مجموعه کامپیوتر و برنامه آزمایشگر در محدوده معین خواص مواد را در دسترس دارد .

این وسیله آزمایش ، برخلاف کارهای آزمایشگاهی که مواجه با پیچیدگی هایی از قبیل کنترل شرایط و مشکلات اندازه گیری هستند ، محیط کاملاکنترل شده ای به وجود می آورد ، به طوری که با اندازه گیری کمیت های فیزیکی هیچ اختلالی در سیستم ایجاد نمی شود ؛ نتایج قوانین اساسی فیزیک در شرایط خیلی پیچیده به آسانی بررسی می شود ، و در صورت لزوم ، به میل آزمایشگر می توان بعضی ازاین قوانین را تغییر داد و اثر این تغییر را مشاهده کرد .

مسائلی مانند غیر خطی بودن ، فراوانی درجات آزادی عدم تقارن و غیره – که هر یک می توانند مشکل بزرگی در نظریه ایجاد کنند ، مانع شبیه سازی نمی شوند .

آزمایشهای کامپیوتری را می توان مانند کارهای آزمایشگاهی اجمالا به سه دسته تقسیم کرد .

دسته اول شبیه سازیهایی هستند که به منظور پیش بینی دقیق کار یک وسیله پیچیده طرح می شوند در این مورد تغییرات در وسیله مورد آزمایش سنجیده می شود .با این روش می توان بهترین حالت را قبل از تحمل مخارج سنگین تولید انتخاب کرد .

دسته دوم آزمایشهایی هستند که به منظور دستیابی به اطلاعاتی که به راحتی در آزمایشگاه قابل اندازه گیری نیستند طرح می شوند .

و بالاخره دسته سوم آزمایشهایی هستند که به منظور رسیدن به نتایجی که صرفا کاربرد علمی دارند انجام می شوند .

نتایج این گونه آزمایشها اگر چه ممکن است کاربرد عملی مستقیمی نداشته باشند ولی راهنمای ارزنده ای در پیشبرد نظریه اند.

مراحل راه اندازی یک آزمایش کامپیوتری فرایند راه اندازی یک آزمایش کامپیوتری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: در هر یک ازاین مراحل مشکلات و محدودیتهایی وجود دارند که باید آنها را شناخت و برای رفع آنها چاره جویی کرد .

می دانیم که فرمول بندی ریاضی پدیده های فیزیکی در بیشتر موارد یک توصیف تقریبی از آنهاست .

فرمولهای ریاضی را بدون توجه به فرضهای گنجانده شده در آنها نمی تواند به کار برد و ضمنا حدود اعتبار این روابط را نیز باید در نظر داشت .

تبدیل توصیف ریاضی به الگوریتم عددی مستلزم دقت بیشتری است ، زیرا باید معادلات پیوسته فیزیک کلاسیک را به روابط گسسته ریاضی تبدیل کرد تا قابل حل با کامپیوترهای رقمی باشند .

مرحله آخر ساختن وسیله آزمایش یعنی برنامه شبیه سازی است .

در تهیه برنامه نیز مانند طرح یک وسیله واقعی ، باید دقت کافی مبذ ول شود که برنامه درست کار بکند و بتواند خواسته های ما را برآورد .

یک برنامه خوب باید به راحتی قابل مراجعه ، قابل استفاده ، قابل تغییر و قابل تکمیل باشد و ساختار روشن آن امکان تشخیص درون آن را فراهم کند.

برنامه کامپیوتری ، همچون وسایل آزمایشگاهی ، ازقسمتهای مختلفی تشکیل شده که هر قسمت عهده دار وظیفه خاصی است .

لازم است که هر قسمت به تنهایی و همه قسمتها درمجموع به کمک مثالهای معلومی آزموده شوند .

پس از این آزمونهاست که مطمئن می شویم وسیله آزمایشی ما برای انجام آزمایش آماده است .

شبیه سازی با استفاده از ذرات بیشتر پدیده های فیزیکی بر حسب ذره و میدان توصیف می شوند .

به هر ذره مقدار معینی جرم ، بار الکتریکی ، مکان اندازه و سرعت نسبت داده می شود .

به همین جهت در بسیاری از موارد ، سیستمهایی که شبیه سازی می شوند سیستمهای متشکل از ذرات اند .

درست است که هر سیستم کلاسیک علی الاصول می تواند برحسب مکان و سرعت ذرات تشکیل دهنده آن مشخص شود ، اما وجود تعداد بسیار زیادی ذره در هر سیستم هر چند ساده ، غالبا شبیه سازی آن را بسیار مشکل و یا غیر ممکن می سازد .

اگر بخواهیم جریان آب داخل یک لوله را مطالعه کنیم حرکت یکایک اتمها و یا مولکولها کمتر مورد نظر است .

اگر کسی بخواهد با استفاده از ذرات تشکیل دهنده آب جریان آب را به کمک یک مدل شبیه سازی کند ، حتی اگر از قوی ترین کامپیوترها نیز استفاده کند بجز نوسان مولکولها چیز دیگری مشاهده نخواهد کرد ؛ زیرا جریان آب در مقیاس زمانی طولانی تری نسبت به نوسانها اتفاق می افتد .

اما موارد زیادی وجود دارد که در آنهاشبیه سازی پدیده ها را برای زمانی مشابه آنچه در آزمایشگاه قابل اندازه گیری است ندارد .

3 – دراین محاسبه ها بیشتر وقت کامپیوتر صرف حساب کردن نیرو ( سمت راست معادله 2 ) می شود .

اگر مانند روش سنتی همه بر هم کنشهای N ذره را یکی یکی حساب کنیم ، در هر گام باید محاسبه برای نیرو انجام داد .

این امر باعث می شود که N به چند صد ذره محدود شود ؛ حتی اگر از سریعترین کامپیوترهای موجود هم استفاده کنیم .

برای محاسبه نیروی وارد بر هر ذره می توان به جای روش سنتی ، از الگوریتم پیشرفته تر استفاده کرد ، که در این صورت تعداد عملیات کامپیوتری به جای متناسب خواهد شد .

در نتیجه تعداد ذرات موجود در سیستم را می توان به چند هزار افزایش داد.

مشاهده می شود که حتی با روش سریع ، تعداد ذرات تحت مطالعه در یک شبیه سازی ، از تعداد ذرات یک سیستم واقعی بسیار کمتر است به همین جهت در مدل کامپیوتری ، کسر بیشتری از ذرات در مقایسه با یک ماده فیزیکی ، در سطح جسم قرار می گیرند .

برای کم کردن اثرهای سطح و نزدیک شدن به خواص سیستمهای واقعی ، از شرایط مرزی دوره ای استفاده می شود .

منظور از شرایط مرزی دوره ای این است که جعبه محاسبات با بینهایت تصویر خودش احاطه شده باشد .

هر تصویر کاملاشبیه به خود جعبه است با N ذره درون آن و با همان مکان نسبی .

در حالتی که شبیه سازی در دو بعد انجام می شود تعداد تصاویری که با جعبه اصلی در تماسند برابر با 8 است ( 4 تصویر هر کدام در یک ضلع و 4 تصویر دیگر هر کدام در یک رأس با جعبه اصلی مشترکند ) در محاسبه های سه بعدی تعداد تصاویری که در تماس مستقیم با جعبه اصلی قرار می گیرند 26 است .

هر جعبه تصویر نیز به نوبه خود با همان تعداد جعبه احاطه شده است .

وقتی ذره ای از جعبه اصلی خارج شود یکی از ذرات موجود در جعبه تصویر از وجه مقابل وارد جعبه اصلی می شود ، تا تعداد ذرات موجود در جعبه اصلی و جعبه های تصویر در هر زمان برابر N باقی بماند .

در شکل 1 یک جعبه محاسبات دو بعدی ، و 8 تصویری که با آن در تماس اند نشان داده شده است .

اعمال شرایط مرزی دوره ای ، سیستمی متشکل از بینهایت ذره تشکیل می دهد که در آن سطح وجود ندارد اما یک ترتیب دوره ای در مکان ذرات آن به چشم می خورد .

مسلم است که اعمال ا ین شرایط ممکن است بر نتایج بدست آمده اثر بگذارد ، ولی عدم استفاده ازاین شرایط مرزی نیز مدلی به دست می دهد که تعداد ذرات آن به مراتب کمتر از تعداد ذرات یک سیستم فیزیکی است.

مشکلاتی که در راه شبیه سازی با روش دینامیک مولکولی وجود دارد شاید بسیار کمتر از مشکلاتی باشد که یک آزمایشگر در آزمایشگاه با آن روبروست .

در بیست و چند سالی که از عمر دینامیک مولکولی می گذرد ثابت شده است که دینامیک مولکولی با ایجاد پلی میان دو بخش نظری و تجربی فیزیک ، می تواند پرسشهای زیادی را پاسخ دهد .

به ویژه در مورد بررسیهایی مانند خواص مایعات ، جامدات بی شکل و یا تغییرات فاز که عدم تقارن اجازه استفاده از ساده سازیهای نظری را نمی دهد و وجود بر هم کنش میان ذرات استفاده از نظریه های آماری را غیر ممکن می سازد .

نتیجه مثالی را که نشان دهنده نقش شبیه سازی کامپیوتری در پیشبرد علم است مشاهده کردیم .

مثالهای متعدد دیگری نیز در رشته هایی ازقبیل اختر فیزیک ، تکنولوژی قطعات نیمه رسانا ، فیزیک پلاسما ، شیمی کوانتومی ، بلور شناسی ، هوا شناسی ، محاسبات مهندسی و …..

یافت می شود که در آنها این گونه محاسبات نقش ارزنده ای ایفا می کنند .

از آنجا که فیزیک کامپیوتری پس از پیشرفتهای تکنولوژی ساختمان کامپیوتر توسعه یافته است ، عمر چندانی ندارد و به همین دلیل نیز تا کنون نتوانسته است جای مناسب خود را در آموزش و پژوهش جامعه علمی پیدا کند .

درحال حاضر معمولا در دانشگاهها معماری کامپیوتر و برنامه نویسی را بیشتر به دانشجویان رشته علوم کامپیوتر ، آنالیز عددی را به دانشجویان رشته فیزیک درس می دهند .

بنا بر این تعداد فارغ التحصیلانی که توانایی ترکیب این موضوعها را داشته باشند بسیار اندک است .

جا دارد که این علم با ساختار خود در آموزش کشور به عنوان یک ماده درسی پذیرفته شود و به دانشجویان رشته های فیزیک و مهندسی تدریس شود .ما به دروس و دوره های زیادی بر می خوریم که هدف از آنها آموزش کاربرد کامپیوتر در مسائل اداری ، مالی و از این قبیل است .

اما متأسفانه هیچ آموزش منظمی برای استفاده از کامپیوتر در پژوهشهای علمی و صنعتی در برنامه دانشگاهها گنجانده نشده است .

امیدواریم که این بخش از فیزیک نیز هر چه زودتر جای خود را در جامعه علمی ما باز کند تا محققان ما بتوانند با استفاده از امکانات این رشته به پژوهشهای خود سرعت بیشتری ببخشند .

گنجاندن دروس مربوط به این رشته در برنامه دانشگاهها و ایجاد مراکزی برای تبادل برنامه ها و اطلاعات در این زمینه ، از شرایط لازم برای رسیدن به این هدف خواهد بود .

آینده سیستمها ی نانو الکترو مکانیکی در اواخر 1950 ، فیزیکدانی به نام ریچارد فین من ، با پیشنهاد جایزه 1000 دلاری برای اولین فردی که موفق به ساخت موتور الکتریکی کوچکتر از اینچ شود ، توجه مردم را به این موضوع جلب کرد .

در کمال حیرت ، ویلیام مک لیلان ، با کوشش فراوان و صرف ساعات بسیار خسته کننده ، توانست این کار را با انبرک دستی و یک میکروسکوپ انجام دهد ( شکل 1 ) .

موتور مک لیلان در حال حاضر در موسسه فناوری کالیفرنیا در معرض نمایش بوده و مدتها است که از چرخیده باز مانده است .

هدف فین من از این کار ، به حرکت درآوردن چرخهای دانشگاهها و آزمایشگاهها و حتی خطوط تولید صنعتی بود .

سیستمهای میکرو الکترو مکانیکی ( MEMS) که بطور جدی از اواسط دهه 1980 ایجاد گردیدند ، به حدی از رشد و بلوغ رسیده اند که اکنون فقط در مورد تولید انبوه موتورهای کوچک صدها بار کوچکتر از موتور مک لیلان نسبتا به مشکل برخورده اند .

در همین راستا انجمن سیستم های میکرو الکترومکانیکی برخی تولیدات واقعا شگفت آور ارائه داده است .

از پروژکتورهای دیجیتالی شامل میلیون ها میکرو آیینه الکتریکی گرفته تا میکروسنسورهای حساس به حرکت که در کیسه هوای خودروها به کار ، می روند .

(شکل 2 ) .

دانشمندان و مهندسانی که در زمینه اتصالات میکرو سنسورها و ابزارهای دیگر تحقیق میکنند ، با استفاده از آزمایشگاهها و ایده های نو ، گستره جدیدی در این زمینه ایجاد کرده اند .

ابزارهای این دانشمندان به مرزهای بسیار دور نیز اعمال می گردد، از اعماق دریا و پوسته زمین گرفته تا مناطق بسیار دور فضا و سیارات دور دست .

چنین میکروسنسورهای راه دور با خواصی مانند مقاومت در برابر تغییرات شرایط و نیز هزینه اندکشان در مورد محیط پیرامون ما اطلاعات فراوانی در اختیارمان ، می گذارند .

سیستم های میکرو الکترو مکانیکی منجر به پیوند میان فرایند های نیمه هادی و مهندسی مکانیک ، می گردد .

در مقیاس بسیار کوچک این زمینه طی دهه اخیر رشد چشمگیری داشته است .

شرکتهای زیادی از غولهای نیمه هادی تا شرکتهای تازه پا گرفته به سرعت به سوی فعالیتهای مقیاس میکرو پیش میروند .

اما تا به حال در ابعاد زیر میکرو متر توسط سیستمهای میکرو الکترو مکانیکی کارهای کمی انجام گرفته است .در حالیکه کارهای اخیر در میکرو الکترونیک دارای تولید انبوه با اندازه هایی در حدود 18/0 میکرون می باشند .

در واقع SEMATECH یک مجمع فکری برای مشاوره شرکتهای نیمه هادی در امریکا ، پیش بینی می کند که در سال 2010 ، کمترین اندازه به 70 نانومتر خواهد رسید .

برای دستیابی به این اهداف و پیشرفتهایی که برای جریان اصلی الکترو نیک پیش بینی می گردد ، وقت آن است که انقلابی در زمینه سیستم های نانو الکترو مکانیکی (NEMS) از جمله ماشینها ، حسگرها ، کامپیوترها و الکترونیک در مقیاس نانو ، رخ دهد.