Нанотехнологии и области их применения. Справка

Г. Г. Еленин

Краткая справка об авторе: профессор факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, ведущий научный сотрудник Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН.

Если уж стальной кубик или кристаллик соли, сложенный из одинаковых атомов, может обнаруживать интересные свойства; если вода - простые капельки, неотличимые друг от друга и покрывающие миля за милей поверхность Земли, - способна порождать волны и пену, гром прибоя и странные узоры на граните набережной; если все это, все богатство жизни вод - всего лишь свойство сгустков атомов, то сколько же еще в них скрыто возможностей? Если вместо того, чтобы выстраивать атомы по ранжиру, строй за строем, колонну за колонной, даже вместо того, чтобы сооружать из них замысловатые молекулы запаха фиалок, если вместо этого располагать их каждый раз по-новому, разнообразя их мозаику, не повторяя того, что уже было, - представляете, сколько необыкновенного, неожиданного может возникнуть в их поведении.

Р. П. Фейнман

Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии

Согласно Энциклопедическому словарю , технологией называется совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров 1 . "Сырьем" являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен "индивидуальный" подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как "бездефектные" материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами. Понятие "нанотехнология" еще не устоялось. По-видимому, можно придерживаться следующего рабочего определения.

Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустроиств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Анализ текущего состояния бурно развивающейся области позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений.

Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

Материаловедение. Создание "бездефектных" высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов 2 , магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.

Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального "ремонта" органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

Сканирующая туннельная микроскопия

Значительную роль в неудержимом исследовании наномира сыграли, по крайней мере, два события:

Создание сканирующего туннельного микроскопа (G. Ben-nig, G. Rohrer, 1982 г.) и сканирующего атомно-силового микроскопа (G. Bennig, К. Kuatt, К. Gerber, 1986 г.) (Нобелевская премия 1992 г.);

Открытие новой формы существования углерода в природе - фуллеренов (Н. Kroto, J. Health, S. O"Brien, R. Curl, R. Smal-ley, 1985 r.) (Нобелевская премия 1996 г.).

Новые микроскопы позволили наблюдать атомно-молекулярную структуру поверхности монокристаллов в нанометровом диапазоне размеров. Наилучшее пространственное разрешение приборов составляет сотую долю нанометра по нормали к поверхности. Действие сканирующего туннельного микроскопа основано на туннелировании электронов через вакуумный барьер. Высокая разрешающая способность обусловлена тем, что туннельный ток изменяется на три порядка при изменении ширины барьера на размеры атома. Теория квантового эффекта туннелирования заложена Г.А. Гамовым в 1928 г. в работах по a-распаду .

С помощью различных сканирующих микроскопов в настоящее время наблюдают за атомной структурой поверхностей монокристаллов металлов, полупроводников, высокотемпературных сверхпроводников, органических молекул, биологических объектов. На рис. 1 показана реконструированная поверхность нижней террасы грани (100) монокристалла кремния . Серые кружки являются образами атомов кремния. Темные области являются локальными нанометровыми дефектами. На рис. 2 приведена атомная структура чистой поверхности грани (110) серебра (левая рамка) и той же поверхности, покрытой атомами кислорода (правая рамка) . Оказалось, что кислород адсорбируется не хаотично, а образует достаточно длинные цепочки вдоль определенного кристаллографического направления. Наличие сдвоенных и одинарных цепочек свидетельствует о двух формах кислорода.

Эти формы играют важную роль в селективном окислении углеводородов, например этилена. На рис. 3 можно видеть наноструктуру высокотемпературного сверхпроводника Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . В левой рамке рис. 4 отчетливо видны кольца молекул бензола (С 6 Н 6) . В правой рамке показаны СН 2 -цепочки полиэтилена . В работе представлена последовательность кадров лабораторного фильма о проникновении вируса в живую клетку.

Новые микроскопы полезны не только при изучении атомно-молекулярной структуры вещества. Они оказались пригодными для конструирования наноструктур. С помощью определенных движений острием микроскопа удается создавать атомные структуры. На рис, 5 представлены этапы создания надписи "IBM" из отдельных атомов ксенона на грани (110) монокристалла никеля . Движения острия при создании наноструктур из отдельных атомов напоминают приемы хоккеиста при продвижении шайбы клюшкой. Представляет интерес создание компьютерных алгоритмов, устанавливающих нетривиальную связь между движениями острия и перемещениями манипулируемых атомов на основе соответствующих математических моделей. Модели и алгоритмы необходимы для разработки автоматических "сборщиков" наноконструкций.

Рис. 4: а - С 6 Н 6 ; b - СН 2 -СН 2

Рис. 5. Xe/Ni (110)

Наноматериалы

Фуллерены, как новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках астрофизиков объяснить спектры межзвездной пыли . Оказалось, что атомы углерода могут образовать высокосимметричную молекулу С 60 . Такая молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр и напоминает футбольный мяч (рис. 6). В соответствии с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. Молекула названа в честь архитектора Р. Фуллера, построившего дом из пятиугольников и шестиугольников. Первоначально С 60 получали в небольших количествах, а затем, в 1990г., была открыта технология их крупномасштабного производства .

Фуллериты. Молекулы С 60 , в свою очередь, могут образовать кристалл фуллерит с гранецентрированной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями . В этом кристалле имеются октаэдрические и тетраэдри-ческие полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если октаэдрические полости заполнены ионами щелочных металлов (¦ = К (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий)), то при температурах ниже комнатной структура этих веществ перестраивается и образуется новый полимерный материал ¦1С60 . Если заполнить также и тетраэдрические полости, то образуется сверхпроводящий материал ¦зС60 с критической температурой 20-40 К. Изучение сверхпроводящих фуллери-тов проводится, в частности, в Институте им. Макса Планка в Штутгарте . Существуют фуллериты и с другими присадками, дающими материалу уникальные свойства. Например, С60-этилен имеет ферромагнитные свойства . Высокая активность в новой области химии привела к тому, что уже к 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых соединений.

Углеродные нанотрубки. Из углерода можно получить молекулы с гигантским числом атомов . Такая молекула, например С=1000000, может представлять собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон (рис. 7). На поверхности трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников. Следует отметить роль числа сторон правильных многоугольников в формировании двухмерных поверхностей, состоящих из

Рис. 7. Нехиральные нанотрубки: а - С(n", n) - металл ;

Ь-С(n, 0):mod (n, 3) = 0 - полуметалл

mod (n, 3)!= 0 - полупроводник.

Рис. 8. Изогнутая трубка

атомов углерода, в трехмерном пространстве. Правильные шестиугольники являются ячейкой в плоском графитовом листе, который можно свернуть в трубки различной хиральности (m, n) 3 . Правильные пятиугольники (семиугольники) являются локальными дефектами в графитовом листе, позволяющими получить его положительную (отрицательную) кривизну. Таким образом, комбинации правильных пяти-, шести- и семиугольников позволяют получать разнообразные формы углеродных поверхностей в трехмерном пространстве (рис. 8). Геометрия этих наноконструкций определяет их уникальные физические и химические свойства и, следовательно, возможность существования принципиально новых материалов и технологий их производства. Предсказание физико-химических свойств новых углеродных материалов осуществляется как с помощью квантовых моделей, так и расчетов в рамках молекулярной динамики. Наряду с однослойными трубками имеется возможность создавать и многослойные трубки . Для производства нанотрубок используются специальные катализаторы .

В чем уникальность новых материалов? Остановимся лишь на трех важных свойствах.

Сверхпрочные материалы. Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче ее! Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением топлива и т.п. В настоящее время научились изготавливать трубки длиной в десятки микрон при диаметре порядка одного нанометра .

Высокопроводящие материалы. Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные из нанотрубок, при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Дело за технологией, позволяющей производить трубки достаточной длины и в достаточном количестве,

Нанокластеры

К множеству нанообъектов относятся сверхмалые частицы, состоящие из десятков, сотен или тысяч атомов. Свойства кластеров кардинально отличаются от свойств макроскопических объемов материалов того же состава. Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойствами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых смесей и хранения газов. Одним из примеров является Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 . Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходных металлов, лантиноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Примером является высокоспиновая металлоорганическая молекула Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Эта изящная конструкция состоит из четырех ионов Мn 4+ со спином 3/2, расположенных в вершинах тетраэдра, восьми ионов Мn 3+ со спином 2, окружающих этот тетраэдр. Взаимодействие между ионами марганца осуществляется ионами кислорода. Антиферромагнитные взаимодействия спинов ионов Мn 4+ и Мn 3+ приводят к полному достаточно большому спину, равному 10. Ацетатные группы и молекулы воды отделяют кластеры Мn 12 друг от друга в молекулярном кристалле. Взаимодействие кластеров в кристалле чрезвычайно мало. Наномагниты представляют интерес при проектировании процессоров для квантовых компьютеров . Кроме того, при исследовании этой квантовой системы обнаружены явления бистабильности и гистерезиса . Если учесть, что расстояние между молекулами составляет около 10 нанометров, то плотность памяти в такой системе может быть порядка 10 гигабайт на квадратный сантиметр.

Наноустройства

Нанотрубки могут составлять основу новых конструкций плоских акустических систем и плоских дисплеев, то есть привычных макроскопических приборов. Из наноматериалов могут быть созданы определенные наноустройства, например нано-двигатели, наноманипуляторы, молекулярные насосы, высокоплотная память, элементы механизмов нанороботов. Кратко остановимся на моделях некоторых наноустройств.

Молекулярные шестерни и насосы. Модели наноустройств предложены К.Е. Drexler и R. Merkle из IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto) . Валами шестеренок в коробке передач являются углеродные нанотрубки, а зубцами служат молекулы бензола. Характерные частоты вращения шестеренок составляют несколько десятков гигагерц. Устройства "работают" либо в глубоком вакууме, либо в инертной среде при комнатной температуре. Инертные газы используются для "охлаждения" устройства.

Алмазная память для компьютеров. Модель высокоплотной памяти разработана Ch. Bauschlicher и R. Merkle из NASA . Схема устройства проста и состоит из зонда и алмазной поверхности. Зонд представляет собой углеродную нанотрубку (9, О) или (5, 5), заканчивающуюся полусферой С 60 , к которой кpeпится молекула C 5 H 5 N. Алмазная поверхность покрывается монослоем атомов водорода. Некоторые атомы водорода замещаются атомами фтора. При сканировании зонда вдоль алмазной поверхности, покрытой монослоем адсорбата, молекулу C 5 H 5 N, согласно квантовым моделям, способна отличить адсорбированный атом фтора от адсорбированного атома водорода. Поскольку на одном квадратном сантиметре поверхности помещается около 1015 атомов, то плотность записи может достигать 100 терабайт на квадратный сантиметр.

Приведенные выше примеры результатов лабораторного эксперимента и моделей наноустройств являются новым вызовом теории, вычислительной физике, химии и математике. Требуется осмысление "увиденного" и "полученного". Требуется выработка интуиции для работы в нанометровом диапазоне размеров. В очередной раз слышна реплика Фауста Вагнеру :

"Что значит понимать?

Вот, друг мой, в чем вопрос.

На этот счет у нас не все в порядке".

Новые разделы вычислительной физики и вычислительной химии

Более пятидесяти лет назад атомная и термоядерная Ц проблемы, проблемы создания новых летательных аппаратов и освоения околоземного пространства в очередной раз поставили фаустовский вопрос о новом уровне понимания физических и химических явлений. Успешная работа над этими проблемами привела к возникновению и развитию

1) вычислительной физики, в частности таких ее направлений, как

магнитная и радиационная гидро- и аэродинамика,

механика полета космических аппаратов,

теория плазмы и управляемого термоядерного синтеза;

2) вычислительной химии с такими разделами, как

теория уравнения состояния вещества,

молекулярная динамика,

теория химических процессов и аппаратов;

3) вычислительной математики и информатики с такими направлениями, как

численные методы математической физики,

теория автоматов,

оптимальное управление,

распознавание образов,

экспертные системы,

автоматическое проектирование.

Современные возможности лабораторного эксперимента по наблюдению и изучению явлений в нанометровой шкале пространственных размеров и заманчивые перспективы создания уникальных материалов и наноустройств порождают новые теоретические проблемы.

Хотелось бы понять, что на самом деле "наблюдается" при сканирующей туннельной микроскопии?

Что нового можно потенциально наблюдать и что нового можно потенциально получать в наносистемах? И при каких условиях?

Как управлять отдельными атомами и группами атомов и молекул для достижения определенных целей? Каковы границы этого управления?

Как организовать самосборку наноустройств и уникальных "бездефектных" материалов?

До какой степени макроокружение "стесняет" квантовые состояния наносистемы?

Необходимость конструктивного решения этих проблем ведет к интенсивным исследованиям, формирующим новые разделы в вычислительной физике и вычислительной химии. Выделим такие разделы в метрологии, механике, электродинамике, оптике, теории самоорганизации. В каждом из этих разделов обозначим несколько проблем.

Метрология

1. Создание компьютерных моделей систем "прибор-нанообъект" и их калибровка.

2. Автоматизация нанометровых измерений и создание банков данных.

Механика

1. Исследование механических напряжений и деформаций в наноматериалах и нанообъектах, анализ трения.

2. Моделирование движений зонда при целевом манипулировании нанообъектом.

3. Моделирование движений в наномеханизмах для наноустройств, расчет наноманипуляторов.

4. Разработка систем управления нанороботами.

Электродинамика

1. Моделирование динамики атомов и молекул в предельно неоднородных электромагнитных полях, создаваемых многоострийными системами.
2. Расчет электрических и магнитных свойств наноматериалов.

1. Моделирование механизмов излучения, распространения и поглощения света в нанообъектах.
2. Расчет нанолазеров и гибридных систем "зонды + нанолазер".

Теория самоорганизации

1. Формулировка фундаментальных принципов самосборки наноконструкций.

2. Создание компьютерных алгоритмов самосборки.

3. Разработка вычислительных алгоритмов для качественного анализа моделей самосборки.

4. Моделирование явлений пространственно-временной самоорганизации при создании наноматериалов.

Молекулярно-лучевая эпитаксия и нанолитография

1. Создание тонких металлических пленок, служащих основой высококачественных магнитных материалов.

2. Конструирование базовых элементов наноэлектроники.

3. Создание катализаторов для селективного катализа.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть необходимость соблюдения строгого баланса между лабораторным экспериментом, теорией и математическим моделированием . Порой можно услышать высказывания о том, что прецизионный эксперимент в настоящее время очень дорог и его можно заменить более дешевым математическим моделированием. Существует и противоположная позиция, при которой принижается роль математических методов исследования. Простейшие примеры нетривиальных явлений в нанометровом диапазоне пространственных размеров демонстрируют полную несостоятельность радикальных позиций.

Явления пространственно-временной самоорганизации на поверхности монокристаллов металлов

Рассмотрим, с первого взгляда простейшую, но, как окажется, нетривиальную задачу. Предположим, что мы хотели бы вырастить высококачественную, однородную металлическую пленку, например пленку платины. Для этого следует взять плотно упакованную и пространственно однородную грань монокристалла в качестве подложки и напылить на нее слой атомов из кнудсеновской ячейки в условиях глубокого вакуума. Атомы вылетают из ячейки, адсорбируются на однородной поверхности, мигрируют вдоль нее и образуют новый слой. Как только первый слой сформировался, на нем образуется следующий слой, и так далее. Процесс определяется всего двумя внешними управляющими макропараметрами - температурой поверхности и потоком атомов к поверхности. Надо выбрать лишь температуру и скорость подачи атомов таким образом, чтобы за характерное время подачи нового атома атом, мигрирующий по поверхности, успел встроиться в растущий слой. Кажется, нет ничего проще, чем моделировать рост пленки в рамках моделей классической математической физики. Нужно описать лишь один процесс: поверхностную диффузию приходящих частиц. Для этого можно воспользоваться уравнением диффузии с постоянным источником в двухмерной пространственной области, дополнить его соответствующим граничным условием, например однородным граничным условием второго рода, и провести расчеты. Очевидно, что при достаточно быстрой миграции, независимо от начальных условий, с достаточно высокой точностью получится пространственно однородное решение, монотонно возрастающее по времени. Однако такое моделирование вовсе не описывает процесс роста нового слоя и его пространственную структуру.

Эксперимент, выполненный с помощью сканирующего туннельного микроскопа с гомосистемой Pt/Pt(111) 5 , показывает (рис. 9), что адсорбированные атомы платины мигрируют по поверхности грани (111) монокристалла платины, не подчиняясь закону Фика. Они образуют острова нового слоя с различной пространственной структурой в зависимости от значений температуры поверхности и скорости подачи атомов. Это могут быть рыхлые острова фрактальной структуры с фрактальной

Рис.9. Pt/Pt (111)

Рис. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; с - Co 3 Re

размерностью 1.78 (рис. 9a), либо компактные острова с платоновыми формами в виде правильных треугольников (рис. 9b, 9d) и шестиугольников (рис. 9с), причем одинаково ориентированных относительно кристаллографических осей. Так, при температуре 400 К вершины треугольников смотрят "вниз" (рис. 9Ь). При температуре 455 К растущие острова принимают форму правильных шестиугольников (рис. 9с). При более высокой температуре снова образуется правильная треугольная форма островов, но на этот раз их вершины смотрят "вверх" (рис. 9d). Форма и ориентация треугольных островов являются устойчивыми. Дальнейшая подача атомов приводит к режиму трехмерного роста, в результате которого растущий слой всегда не однороден и имеет пирамидальную трехмерную структуру.

В связи с особенностями роста возникают, по крайней мере, два фундаментальных вопроса.

Как теоретически описать нетривиальное динамическое поведение простейшей системы?

Каковы способы управления системой для обеспечения послойного роста и получения высококачественного пространственно однородного слоя?

Аналогичные вопросы возникают и в гетеросистемах, когда на поверхности одного металла выращивают пленку другого металла. Так, в случае выращивания пленки серебра на платине можно наблюдать острова фрактальной и дендритной структур, острова в виде трехлучевой звезды фирмы "Мерседес" и другие явления пространственно-временной самоорганизации, сопровождающие неравномерный трехмерный рост тонкой пленки металла . В случае роста пленки кобальта на однородной грани (0001) монокристалла рения образуются поверхностные сплавы с различной стехиометрией и соответственно пространственной структурой: CoRe (рис. 10a), Co 2 Re (рис. 10Ь), Co 3 Re (рис. 10с) и нетривиальной поверхностной структурой . На иллюстрациях, представленных на рис. 10, видно, что крупные круги (атомы рения) окружены различным числом маленьких кругов (атомы кобальта). Эти сплавы имеют интересные магнитные свойства.

Нельзя не остановиться еще на одном парадоксальном явлении - аномально высокой подвижности больших компактных кластеров. Вслед за авторами замечательной экспериментальной работы рассмотрим компактный кластер правильной формы, состоящий из "магического" числа атомов иридия N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, ... , напримерN = 19, на поверхности плотно упакованной грани (111) иридия. Казалось бы, подвижность кластера, содержащего два десятка атомов, как целого, должна быть на много порядков меньше подвижности одиночного атома, так как миграция атомов представляется случайным процессом. В эксперименте установлено, что скорость миграции "правильных" кластеров сравнима со скоростью миграции одиночного атома! Это следствие коллективного движения атомов кластера требует детального теоретического описания и математического моделирования. Результаты такого анализа представляют значительный интерес при вычислении предэкспонент и эффективных энергий активации миграции для динамического метода Монте-Карло и для кинетических уравнений неидеального слоя. Зная реальные скорости миграции, можно правильно оценить время жизни наномеровых конструкций.

Нет надобности убеждать читателя в том, что перечисленные результаты лабораторного эксперимента демонстрируют необходимость развития классических моделей математической физики. При исследовании нанообъектов там, где это требуется, следует отказаться от идеи непрерывной среды, лежащей в основе подавляющего большинства моделей математической физики. Моделирование по инерции, без учета результатов лабораторного эксперимента, приводит к абсолютно неверным результатам. Так же очевидна потребность в новом современном курсе математической физики, учитывающем особенности нанообъектов. В этом курсе, в частности, следовало бы уделить внимание

Рис. 11. (CO + O 2)/Pt(210)

методам дискретной математики, перечислительной комбинаторики, теории групп.

Более сложные примеры нетривиального динамического поведения открытых неидеальных систем дают модельные реакции гетерогенного катализа на определенных гранях монокристаллов благородных металлов (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110)) при низких парциальных давлениях в газовой фазе. Это реакции окисления монооксида углерода (СО) кислородом (О 2), а также редукция монооксида азота (NO) водородом (Н 2), аммиаком (NH 3) и монооксидом углерода. Перечисленные реакции играют существенную роль в экологической проблеме дожигания ядовитых выбросов (NO, CO и др.) двигателей внутреннего сгорания и тепловых электростанций. Исследования, выполненные в последние годы , открыли восхитительную нано- и мезодинамику этих систем. Обнаружены фазовые переходы типа порядок-беспорядок, сопровождающиеся образованием сверхструктур в монослое адсорбата, фазовые переходы типа расслоения на фазы, спонтанная и индуцированная адсорбатом реконструкция поверхности граней монокристаллов, коррозия катализатора. Процессы пространственно-временной самоорганизации, протекающие в нанометровой шкале размеров, тесно связаны с аналогичными явлениями, наблюдающимися с помощью эмиссионной фотоэлектронной микроскопии в микрометровом диапазоне. К таким явлениям относятся микрометровые спиральные, стоячие и триггерные 0олны, двойная метастабильность, химическая турбулентность. На рис, 11 представлены результаты исследования пространственно-временной самоорганизации в реакции окисления монооксида углерода на грани монокристалла Pt(210) методом эмиссионной фотоэлектронной микроскопии . В каждой рамке (380 х 380мm) показано пространственное распределение адсорбированных молекул СО (светлые области) и атомов кислорода (темные области) на поверхности катализатора для различных значений парциальных давлений СО и кислорода в газовой фазе при постоянной температуре поверхности. Отчетливо видны спиральные волны и автоволны фазового перехода типа расслоения на фазы, явления двойной метастабильности и т. п.

1 Размер атома составляет несколько десятых нанометра.

2 Описание приборов и принципов их действия содержится в .

3 Пара натуральных чисел (m, n) определяет вектор хиральности в плоскости графитового листа. Ось нанотрубки перпендикулярна вектору хиральности. Так, при (n, n) ((n, 0)) ось трубки параллельна (перпендикулярна) стороне правильного шестиугольника.

4 Аббревиатура BDC обозначает бензолдикарбоксил, a DMF - диметил-формамид.

5 Цифры в скобках обозначают индексы Миллера грани монокристаллической подложки .

Введение.

Ряд нанообъектов известен и применяется довольно давно. К ним относятся: коллоиды, мелкодисперсные порошки, тонкие плёнки.

1) Р. Фейнман – нобелевский лауреат. «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами» 1959г.

2) 1996г. Р.Янг предложил идею пьезодвигателей, которые сейчас обеспечивают прецизионное перемещение инструментов нанотехнологий с точносьтю 0.01 Å. Å=

3) В 1974 г. Норио Танигути впервые употребил термин «нанотехнология»

4) В 1982-1985 гг. немецкий профессор Г. Гляйтер предложил концепцию наноструктуры твердого тела.

5) В 1985г. коллектив ученых Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли открыл фуллерены и создал теорию УНТ, которые экспериментально были получены в 1991 г.

6) В 1982 г. Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

7) В 1986 г. появился сканирующий атомно-силовой микроскоп.

8) В 1987-1988 г. Был пордемонстрирован принцип действия первой нанотехнологической установки, которая позволяла манипулировать отдельными атомами. (В СССР)

Э.Дрекслер – обощил все знания о нанотехнологиях, определил концепцию самовоспоризводящихся молекулярных роботов, которые должны были производить сборку и декомпозицию, запись информации в память на атомарном уровне, сохранение программ самовоспроизведение и реализацию их.

9) В 1990г. С помощью СТМ фирмой IBM были нарисованы 3 буквы. Они были нарисованы атомами Xe(35 атомов) на плоской грани кристалла никеля.

К настоящему времени уже отрабатываются технологические приёмы т.н. запряжения атомов на поверхностях и образование различных комбинаций атомов в объеме – при комнатной температуре.

Наиболее реальным выходом нанотехнологий является то, что называется самосборкой атомарных структур. Задача современной нанотехнологии – найти природные законы, которые обечпечивали бы сборку атомарных структур.

Понятие нанообъекта, наноматериала, нанотехнологии.

Нано – «». Таким образом в сферу деятельности нанотехнологий попадают объекты, которые имеют хотя бы в одном измерении размер, измеряемый в нм. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире – от размера отдельного атома, до конгломераотв (органических молекул, которые содержат свыше 10 9 атомов имеющих размеры более 1 мкм в 1,2ух или 3ех измерениях. Принципиально важно, что эти объекты состоят не из б.б числа атомов, что обуславливает проявление дискретной атомно-молекулярной структуры вещества или квантовых закономерностей его поведения.

1) Определение нанообъекта. Любой физический объект с нангометровыми размерами в 1х,2х,3х координатах прострнства (скоро возможно и во времени).

2) Опредление нанообъекта. Нанообъектом называют любой амтериальный объект, у которого количество приповерхностных атомов сравнимо или превышает количесто атомов, находящихся в объеме.

3) Определение нанообъекта. Нанообъект – это объкет с размерами в 1 или более координатах, сравнимый с длиной волны де Бройля для электрон. (В 1924 г. физик де Бройль сказал, что корпускулярно-волновой дуализм для фотонов присущ любой частице в природе). , где h – постоянная Планка, p – импульс. Электрон – обладает самой большой волной де Бройля.

4) Опредление нанообъека. Называют объекты, которые в своем измерении меньше критического размера события. (размер соизмерений с поляризационным радиусом того или иного критического явления, длиной свободного пробега электронов, размер магнитного домена, размер зарождения твердой фазы).

5) Определение нанообъекта. Нанообъектом называют объект с размером менее 100 нм хотя бы в 1 из 3х пространственных измерений. 100нм – длина волны де Бройля для электрона в п/п.

Наноматериалами называют как сами нанообъекты (еси они служат для изготовления устройств и приборов различного технического назначения, как и материалы в которых нанообъекты используются для формирования у этих материалов определенных свойств или наноструктурированные материалы. С понятием «наноматериалы» тесно связано понятие «нанотехнологии».

Под термином «технология» понимают три поятия:

1) технологический процесс
2) комплект технологической документации

3) Научную дисциплину, изучающую закономерность сопровождающую процессы обработки и изделия.

Нанотехнология – это научная дисциплина изучающая закономерности в получении обработки и применения наноматериалов.

Физические причины специфики наночастиц и наноматериалов.

1) В нанообъектах количество приповерхностных или зернограничных атомов становится сравнимым с количеством атомов. Находящихся в объеме.

2) Атомы, располагающиеся на поверхности, также в узлах уступов и ступенях имеют малое число завершенных связей. В отличие от атомов, находящихся в объеме твердого тела. Это приводит к разному увеличению химической, каталитической активности нанообъектов и моноструктурированых материалов. Кроме того миграция с углеродных атомов происходит вдоль поверхности гораздо быстрее, т.е. увеличение скорости диффузионной миграции, рекристаллизации, а также сорбционная ёмкость и т.д.

3) Для нанообъектов силы изображения линейного и поверхностного натяжения проявляются гораздо сильнее, чем для нанообъектов, т.к. при удалении от поверхности в объеме твердого тела эти силы значительно ослабевают. Величина этих сил приводит к очистке объема нанообъекта сил дефектов кристаллической структуры. Нанообъект имеет более совершенную кристаллическую структуру, чем нанообъект.

Силы изображения получили свое название по методу расчета электрических полей.

4) В нанообъектах большое значеие приобртают размерные эффекты, обусловленные рассеянием, рекомбинацией и отражением на границах объектов (речь идет о движении микрочастиц).

В любом явлении переноса (эл.ток, теплопроводность, пластичесая, дефорамция и т.д.)

Носителям можно приписать некую эффективную длину свободного пробега, когда размер объекта>>длины свободного пробега носителя процесс рассеяния и гибели носителей слабо зависит от геометрии объекта. Если же размер объекта сравним с длиной свободного пробега носителя, то эти процессы протекают более интенсивней и они сильно зависят от геометрии образца.

5) Размер наночастиц сопоставим или меньше размера зародыша новой фазы, домена, дислокационная петля, и т.д. Это приводит к радикальному уменьшению магнитных свойств, (наночастица Fe не обладает магнитными свойствами), диэлектрических свойств, прочностных свойств нанообъектов и наноматериалов по сравнению с макрообъектами.

6) Для малого числа атомов вещества характерна реконструкция поверхности, самоорганизация и самосборка. т.е. при объединении атома в кластер происходит образование геометрических структур, которые в дальнейшем могут быть использованы для решения технических задач

Рисунок 1- Сила взаимодействия между атомами.

7) В нанообъектах проявляется квантовые закономерности поведения различных элементарных частиц (электронов). С позиции квантовой механики электрон может представлен волной, описывающей соответствующие волновые функции. Распространение этой волны в твердом теле контролируется эффектами, связанными с т.н. квантовым ограничением (интерференция волны, возможность туннелирования через потенциальные барьеры). Для металлических материалов ограничения, накладываемые волновой природой элементарных частиц пока неактуальны, т.к. для них (для электрон) волна де Бройля λe < 1мм, число составляет несколько атомарных размеров. А в п/п эффективная масса электрона и его скорость движения таковы, что длины волны де Бройля для электрона λe может составлять от 10 до 100 мм. Причем, размеры формируемых структур а п/п уже соизмеримы с данными величинами. Современные микропроцессоры (флэш память) || расстояние между контактами от 0.03мкм до 30мкм.

8) По мере понижения размерности нанообъекта степень дискретизации энергетического спектра электронов нарастает. Для квантовой точки (объекта, состоящего, буквально, из нескольких атомов) электроны приобретают спектр разрешенных энергий, практически, аналогичный отдельному атому.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНООБЪЕКТОВ.

Размерность нанообъекта – основа классификации нанообъектов.

В соответствии с размерностью различают:

1) 0-D нанообъекты – те, у которых все 3 пространственных размера лежат в нанометровом диапазоне (грубо: все 3 размера <100нм)

Такой объект в макроскопическом смысле является нульмерным и поэтому, с точки зрения электронных свойств, такие объекты называются квантовыми точками. В них волна де Бройля больше, чем любой пространственный размер. Квантовые точки используют в лазеростроении, оптоэлектронике, фотонике, сенсорике и др.

2) 1-D нанообъекты – те объекты, которые имеют нанометровые размеры в двух измерениях, а в третьем – макроскопический размер. К ним относят: нанопроволоки, нановолокна, одностенные и многостенные нанотрубки, органические макромолекулы, в т.ч. двойные спирали ДНК.

3) 2-D нанообъекты – те, которые имеют нанометровый размер только в одном измерении, а в двух остальных этот размер будет макроскопическим. К таким объектам относят: тонкие приповерхностные слои однородного материала: плёнки, покрытия, мембраны, многослойные гетероструктуры. Их квазидвумерность дает возможность изменить свойства электронного газа, характеристики электронных переходов (p-n переходов) и т.д. Именно 2-D нанообъекты позволяют придумать основу для разработки принципиально новой элементной базы радиоэлектроники. Это будет уже наноэлектроника, нанооптика и т.д.

В настоящее время 2-D нанообъекты чаще всего служат в качестве всевозможного рода покрытий антифразионных, антикоррозионных и т.д. Большое значение они имеют и для создания различного рода мембран в молекулярных фильтрах, сорбентах и т.д.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ.

Учитывая тот факт, что известные на настоящий момент наноматериалы пришли в современные нанотехнологии из различных областей науки и техники, приемлемой единой классификации, на какой-либо основе, просто не существует.

Наноматериалы:

Объемные наноструктурированные материалы

Нанокластеры, наночастицы, нанопорошки

Многослойные наноплёнки, многослойные наноструктуры, многослойные нанопокрытия.

Функциональные (умные) наноматериалы

Нанопористые

Фуллерены и их производные нанотрубки

Биологические и биосовместные материалы

Наноструктурированные жидкости: коллоиды, гели, взвеси, полимерные композиты

Нанокомпозиты.

НАНОЧАСТИЦЫ, НАНОПОРОШКИ

Первые наночастицы были созданы человеком непреднамеренно, случайно, в различных технологических процессах. В настоящее время их стали конструировать и производить специально, что и заложило основу нанотехнологиям. Развитие нанотехнологий привело к принципиальному пересмотру некоторых фундаментальных принципов:

Путь «сверху-вниз» – общая парадигма нанотехнологий (от заготовки отрезается лишнее)

Нанотехнологии предлагают путь «снизу-вверх» – от малого к большому (от атома к объекту). Это парадигма нанотехнологий.

В основном, в настоящее время, в нанотехнологиях доминируют технологические приемы, пришедшие к нам из макротехнологий. Для создания наночастиц, которые относятся к классу 0-D объектов. Современные нанотехнологии применяют способ диспергирования, т.е. измельчения. Для того чтобы измельчить (диспергировать) любой макроскопический объект до наноразмеров обычное диспергирование не подходит. Чем мельче размер частиц, тем выше активность их поверхности, в результате отдельные частицы объединяются в объемные конгломераты. Поэтому для ультратонкого диспергирования требуется применение определенного типа среды в виде поверхностно-активных веществ, которые снижают силы поверхностного натяжения, а также стабилизаторов. Мылоподобные композиции, которые препятствуют повторному слиянию. При определенных условиях. Когда на границе твердого тела поверхностная энергия сильно снижена процесс диспергации может происходить самопроизвольно, за счет. Например, теплового движения частиц. Этими методами можно получить порошки Ме с размерами частиц десятки нм. Оксидами этих металлов с размерами частиц в 1 нм. А также производить диспергацию полимеров, компонентов керамик и т.д.

Способы измельчения: шаровая мельница, вибромельница, аттрикторы, струйные мельницы.

1)

2) Помимо диспергации широко используется процесс, который является комбинированным от двухограниченных парадигм. Этот процесс заключается в испарении твердого вещества с последующей конденсацией в различных условиях. Например, конденсация пара вещества, нагретого до 5000-10000° С в среде охлажденного инертного газа с быстрым удалением образовавшегося порошка из зоны конденсации. Таким образом можно получить порошки с размерами частиц 3-5 нм.

1 – Источник испаряющегося вещества

2- Откачка

3 – Порошок

4 – Скребок

5 – Барабан конденсации

3) Третий способ также имеет отношение к традиционному диспергированию и называется распыление расплавленного вещества в потоке охлажденного газа или жидкости.

В качестве газовой среды струи, сбивающей капельку могут служить N 2 ,Ar 2 , а в качестве жидкости – спирты, вода, ацетон. Таким способом можно получить частицы с размерами около 100 нм.

Все описанные процессы очень производительны но как правило не обеспечивают ультрадисперсности порошка, стабильности размеров частиц и не обеспечивают чистоты процесса. Это не единственные известные способы формирования наночастиц. К 0-D Нанообъектам, помимо ультрадисперсных порошков, относят также фуллерены, углеродные 0-D нанообъекты.

Глава 1- D нанообъекты.

Каждый из названных нанообъектов находит свое применение в различных отраслях техники. Например, нанопроволоки предлагают использовать как проводники в субмикронных и наноэлектронных узлах. Нановолокна применяются как элемент наноструктурированных нанокомпозиционных п/п. Органические макромолекулы также находят применение в создании наноструктурированных материалов.

В медицине, в химической промышленности.

Для электроники очень существенное значение приобрели такие 1-D нанообъекты, как нанотрубки. По большому счету все нанотрубки подразделяя.тся на 2 больших класса:

1) Углеродные нанотрубки (УНТ).

2) Неуглеродные нанотрубки.

Кроме этого все нанотрубки различаются по количеству слоев: однослойные, двуслойные, многослойные.

НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Все не-УНТ делят на две системы:

1) Переходные наноструктуры, в состав которых входит углерод

2) Дихалькогенидные нанотрубки. В настоящее время из дихалькогенидных трубок известны MoS 2 ,WS 2 ,WSe 2 ,MoTe 2 и т.д. Такие нанотрубки представляют собой сверхтонкие, в идеале – моноатомные слои, материалы, свернутые в рулон.

Некоторые слоистые материалы, в силу асимметричности химических связей, достаточно свободно сворачиваются в такие рулоны самостоятельно, причем единственная проблема при формировании таких структур – это получить свободный, ни с чем не связанный слой вещества атомарной величины. Другие материалы не склонны к самопроизвольному сворачиванию и поэтому в настоящее время разрабатываются технологические приемы, позволяющие формировать нанотрубки принудительно. Существует 3 варианта таких процессов:

1) Гетероэпитаксиальное наращивание тонких слоев материала, из которого мы хотим сформировать нанотрубку, на основании уже имеющейся нанотрубки. Пример GaN→ZnO

Главный недостаток этого способа заключается в том, что трудно подобрать пару материалов для гетероэпитаксиального наращивания

2) Одностенные нанотрубки, полученные путем последовательного уменьшения электронным лучом исходного нанопровода. Пример: Золотые и платиновые нанотрубки. D Pt нанотрубки – 0,48 нм.

3) Основан на выращивании тонкой, напряженной гетероэпитаксиальной структуры, толщиной в несколько монослоев, на плоской подложке, с последующим освобождением этой гетероструктуры от связи с подложкой и сворачиванием в трубку, свиток. 1ML – один монослой.

Процесс сворачивания идет за счет действия межатомных сил в напряженной гетероплёнке.

На In методом гетероэпитаксии выращивается хорошо согласующийся с ним AlAs, затем на эту структуру, методом ГЭ, наращивается слой AsIn. Он имеет параметры кристаллической решетки большие, чем у AlAs и поэтому, когда этот слой наращивается он как бы сжимается. Затем на этот слой опять же методом ГЭ наращивается слой GaAs. Но, в отличие от AsIn, этот слой имеет меньший параметр кристаллической решетки (меньший размер элементарной ячейки) и его, наоборот, растягивает. В результате, когда мы начинаем вытравливать слой AsAl, то освободившаяся структура InAs c AsGa начинает сворачиваться в трубку за счет сил, которые InAs – расширяют, а слой GaAs – стягивают.

Достоинства метода:

1) Диаметр трубок широко варьируется и может быть легко задан набором соответствующих материалов для гетероструктуры.

2) Способ позволяет использовать практически любые материалы (п/п, Ме, диэлектирики) и все их сворачивать в нанотрубки.

3) Хорошее качество и относительно большая длина трубок с однородными по толщине стенками.

4) Метод хорошо стыкуется с технологией интегральных микросхем ИМС.

5) Физические свойства таких нанотрубок определяются материалами исходной гетероструктуры.

2- D НАНООБЪЕКТЫ (ТОНКИЕ ПЛЁНКИ)

Используются в технике. Как покрытия. Создание тонкоплёночных покрытий позволяет существенно изменить свойства исходного материала, не затрагивая объем и не увеличивая геометрические размеры. Толщина не более 1 мкм. Наиболее распространенные цели нанесения покрытия:

1) Повышение износостойкости, термо- и коррозионной устойчивости материалов различных деталей.

2) Создание планарных, однослойных. Многослойных и гетероструктур для элементов микро0, наноэлектроники, оптоэлектроники, сенсорики и т.д.

3) Изменение оптических характеристик поверхности (очки-хамелеоны)

4) для создания магнитных сред в элементах записи и хранения информации.

5) Создание оптических средства записи и хранения информации. CD, DVD диски.

6) Создание поглотителей, сепараторов газовых смесей, катализаторов, химически модифицированных мембран и т.д. Существуют два принципиально различающихся подхода к улучшению служебных характеристик поверхности(т.е. к созданию пленок на них):

1) Модификация приповерхностных слоев различного рода обработкой (химическая, термическая, механическая, радиационная или их комбинации).

2) нанесение дополнительных слоев чужеродных атомов.

Все способы нанесения покрытий можно объединить в две группы:

1) Физическое осаждение из паровой фазы. PVD

2) Химичекое осаждение из паровой фазы. CVD

В обоих случаях процесс осуществляют в вакуумной камере, в которой иногда создается небольшое давление технологического газа (относительно химически нейтральные газы – Ar, N 2, этилен)

В (PVD) физических методах осаждения из паровой фазы используют, в основном, два способа доставки нового материала к подложке.

1) Распыление за счет термического нагрева (нагрев может осуществляться самыми различными способами: резистивным, электронно-лучевым, индукционным, лазерным и т.д.

2) Распыление за счет кинетической энергии Ek ускоренных ионов нейтральных газов, например, ионы Ar. Положительный ион Ar бомбардирует катод, на катоде мишень распыляемого материала и т.о. происходит физическое распыление данного материала.

Разница – только в способах распыления материала

Физическими методами осаждения из паровой фазы наносятся самые различные покрытия, т.к. эти методы обладают широким диапазоном достоинств:

1) Большое разнообразие материалов. Которые могут быть нанесены таким образом (Ме. Сплавы, полимеры, некоторые химические соединения)

2) Возможность получения качественных покрытий в очень широком диапазоне температур подложки.

3) Высокая чистота этого процесса, что обеспечивает хорошее качество сцепления.

4) Отсутствие существенного изменения размеров деталей.

В методах химического осаждения из паровой фазы твердые продукты (плёнка) на подложке растут в результате химической реакции с участием атомов рабочей атмосферы камеры. В качестве источников энергии для протекания такой реакции используют плазму какого-либо электрического разряда, иногда лазерное излучение. Данный вид технологических процессов более разнообразен, чем предыдущий. Он используется не только для создания покрытий, но для изготовления нанопорошков, которые потом удаляются с поверхности подложки.

Таким способом можно получить химические соединения с углеродом – карбиды, с N – нитриды, оксиды и т.д.

Достоинствами химического осаждения из паровой фазы является:

1) гибкость и большое разнообразие, которое позволяет осаждать покрытя на подложках разной природы и формы (на волокнах, порошках и т.д.)

2) Относительная простота необходимого технологического оборудования. Легкая автоматизируемость.

3) Большой выбор химических реакций и веществ, пригодных к использованию

4) Регулируемость и контролируемость структуры покрытия, его толщины и размера зёрен.

5) зерна – элементы поликристаллической структуры, те кристаллы, составляющие поликристаллы.

Большую роль в производстве тонкоплёночных структур играют эпитаксиальные процессы. Эпитаксия – это технологический процесс ориентированного наращивания слоя материала на поверхность того же самого или другого материала, т.е. подложки, выполняющей функцию создания ориентирующего воздействия. Если материалы подложки и пленки совпадают, то процесс носит название автоэпитаксия, если материалы подложки и пленки – разные, то это гетероэпитаксия. Все эпитаксиальные процессы делятся на два класса:

1) Процессы со средой носителем (жидкофазные и газофазные эпитаксии).

2) Без среды носителя (вакуумные эпитаксии). Молекулярно-пучковая или молекулярно-лучевая эпитаксия.

Жидкофазная эпитаксия. Достоинства недостатки.

Эпитаксия из жидкой фазы в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, таких как GaAs, CdSnP2; также является основным способом получения монокристаллического кремния. Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановления оксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме(предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхность подложки, частично растворяя её и удаляя загрязнения и дефекты.

Газофазная эпитаксия. Достоинства недостатки.

Газофазная эпитаксия - получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и ИС. Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750 - 1200 °C

Молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия. Достоинства недостатки.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) - эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарно-гладкой поверхностью.

Ориентированное наращивание. Невооруженным глазом видно кристаллическое тело – плоская, твердая поверхность.

В микроскоп: атомные и химические связи

Любой атом, находящийся непосредственно на поверхности имеет оборванную, незавершенную химическую связь. И эта связь представляет собой минимум Ep.

Ориентирующее действие атомов подложки на расположение свободного атома, когда он осаждается на поверхность.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Американский архитектор Фуллер ввел новый элемент конструкции в архитектуру.

В 1985г. Были обнаружены частицы углерода, соединенные в аналогичную конструкцию. Эти вещества были названы фуллеренами. Фуллерен C-60 (60 атомов С), фуллерен C-70 (70 атомов С), возможен фуллерен C-1000000.

Атомы углерода могут образовывать высокосимметричную молекулу С-60, состоящую из 60 атомов и располагающихся в сфере диаметром 1нм. При этом, в соответствии с теоремой Леонарда Эйлера, атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников.

Молекулы С-60, в свою очередь, могут образовать кристалл, который называется фуллерит, обладающий границентрированной кубической решеткой (ГЦК) и достаточно слабыми межмолекулярными связями. Учитывая, что фуллерены гораздо крупнее атомов, то решетка получается неплотноупакованной, т.е. имеет полости в объеме октаэдрические, а тетраэдрические в полости, в которых могут находиться посторонние атомы. Если заполнить октаэдрические полости ионами щелочных Ме (K,Rb,Cs), то при температурах ниже комнатной, фуллерен превращается в принципиально новый полимерный материал, что очень удобно для формирования из заготовки полимера в околоземном пространстве (например, пузырей). Если заполнить тетраэдрические полости уже другими ионами, то образуется новый сверхпроводящий материал с критической t=40÷20 K. Благодаря способности к адсорбции различных веществ, фуллериты служат основой для создания новых уникальных материалов. Пример, C 60 C 2 H 4 имеет мощные ферромагнитные свойства. В настоящее время известно и используется боле 10000 видов. Из углерода можно получать молекулы с гигантским числом атомов. Например, C 1000000 . Это, чаще всего, УНТ одностенные или многостенные (вытянутые нанотрубки). При этом, диаметр такой нанотрубки ≈1нм, а длина – единицы, десятки мм – максимальная длина. Концы такой трубочки закрыты с помощью 6 правильных пятиугольников. В настоящее время это самый прочный материал. Графен – правильный шестиугольник, имеет плоскую структуру, но может быть и волнистый в том случае, если лист графена создан не из чередования правильных шестиугольников, а из комбинации 5-7 угольников.

СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ.

Первые фуллерены были выделены из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном испарении твердых графитовых образцов. В 1990г. Ряд ученых (Кретчер, Хофман) разработали метод получения фуллеренов в размере нескольких грамм. Метод заключался в сжигании графитовых стержней – электродов в электрической дуге в атмосфере He при низких давлениях. Подбор оптимальных параметров процесса позволил оптимизировать выход годных фуллеренов, который от первоначальной массы стержня - 3-5% от массы анода, что, отчасти, объясняет высокую стоимость фуллерена. Этим заинтересовались японцы. Фирме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство годных фуллеренов методом сжигании углеводородов. Но такие фуллерены – не чистые, они содержат в своем составе O 2 . Поэтому единственный чистый способ получения – сжигание в атмосфере He.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и их очистки привело к существенному снижению цен на них (сначала 1 грам – 10000$, а сейчас - 10÷15$). Высокую стоимость фуллерена (как и других углеродных н/м) объясняет не только низкий % выхода, но и сложная система очистки. Стандартная схема очистки: при сжигании образуется что-то вроде сажи. Её смешивают с растворителем (толуолом),затем эту смесь фильтруют, после отгоняют на центрифуге, так, чтобы из оставшихся мелких включений выделить наиболее крупные. Затем выпаривают. Оставшийся темный осадок – мелкодисперсная смесь различных фуллеренов. Эту смесь следует разделить по индивидуальным составляющим. Это производят с помощью жидкой хроматографии, высокоразрешающей электронной микроскопии и с помощью сканирующей зондовой микроскопии.

Первоначально УНТ также получали методом электродугового или лазерного испарения графита с последующей конденсацией в среде инертного газа. Этот метод оказался далеко не лучшим. Поэтому на данный момент наиболее практичный метод – химическое осаждение из пара. Для этого берут углеродосодержащее соединение, например, ацетилен, его разлагают на поверхности очень сильно нагретого Ме катализатора. И на поверхности этого катализатора начинают расти УНТ плотным пучком. Данная реакция называется каталитическим пиролизом газообразных углеводородов. Чаще всего реализуется во вращающихся трубчатых печах. В качестве катализаторов при этом выступают Fe, Co, Ni, частицами которых насыщают кусочки цеолита. Цеолит – природный минерал. В отличие от электродугового, лазерного и других видов высокотемпературного синтеза, каталитический пиролиз позволяет изготовление углеродных наноструктур в промышленных, а не лабораторных масштабах, и хотя они менее чистые и менее однородные по составу, они могут быть использованы. Графен – частица графита. Чешуйки графена помещают на подложку окисленного Si, что и позволяет исследовать графен, как самостоятельные материал, т.е. для электрофизических измерений. Пример, химический способ получения графена: кристаллический графит подвергают воздействию HCl и H2SO4, что приводит к окислению на краях, в этих листиках графена. Карбоксильную группу графена превращают в хлориды, путем обработки тионилхлорида. Затем, под действием октадециламина, в растворах тетрагидрофуранов, тетрахлорметана и дихлорэтана происходит превращение в графеновые слои толщиной 0,54 нм.

Способ получения графена на подложках карбида кремния, при этом графен образуется путем термического разложения карбида кремния на поверхности подложки. Исследования показали, что слой графита, который выделяется в этом случае, имеет толщину большую, чем один атомарный слой, но т.к. на границе раздела между карбидом кремния SiC образуется некомпенсированный заряд, из-за разности работ выхода электронов, то в проводимости участвует только один атомарный слой графита, то есть этот слой, по сути, является графеном.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

1) Для модификации оптических сред используются фуллерены.

2) Для изготовления принципиально новых композиционных материалов, причем, как с примесями нанотрубок, так и с фуллеренами

3) Для сверхтвердых покрытий. Поверхности инструментов, трущихся деталей ит.д. Достигают свойства алмаза по твердости.

4) Для смазочных составов и присадок.

5) Для контейнеров, т.н. водородного топлива, которые в дальнейшем будут использоваться как химические источники энергии

6) Для изготовления наносенсоров, регистрирующих физические и химические виды воздействия. Чувствительность – 1 молекула чужеродного вещества.

7) Зондов, для сканирующей микроскопии.

8) Для изготовления атомных манипуляторов

9) Для изготовления наномеханических накопителей информации.

10) Для изготовления нанопроводников, нанорезисторов, нанотранзисторов, нанооптических элементов.

11) Для изготовления защитных экранов от э/м излучения и высоких температур. Технология «стелс».

12) Можно изготавливать наноконтейнеры для лекарств.

13) Для изготовления крупногабаритных плоскопараллельных дисплеев высокой четкости и яркости.

ПРИНЦИП РАБОТЫ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА (СТМ)

Если сблизить два отдельных атома на достаточное расстояние, то между этими атомами возможен обмен электронами без дополнительного приобретения этими электронами энергии. Следовательно, если взять два тела, сблизить на достаточное расстояние, то между этими телами потечет туннельный электрический ток, т.к. процесс перехода электронов через потенциальный барьер без приобретения энергии называется туннелированием. Для реальзации этого необходимо выполнение двух условий:

1) У одного из тел должны быть свободные электроны, а у другого незаполненные электронные уровни, на которые эти электроны могли бы перейти.

2) Между телами требуется приложить разность потенциалов, причем её величина меньше, чем при пробое воздушного зазора.

В СТМ одно из таких тел – это зонд.

При сближении зонда и поверхности объекта на расстояние, примерно, 0.5 нм (когда волновые функции ближайших друг к другу атомов начинают перекрываться) и при приложении разности потенциалов≈0,1÷1 В между зондом и объектом начинает течь т.н. туннельный ток.

Диаметр пучка этого туннельного тока ≈0,4 нм, что обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа по плоскости объекта. Туннельный ток составит 3 нА. Важно отметить, что при изменении расстояния L на 0,1 нм, туннельный ток меняется в 10 раз. Именно это обеспечивает высокую разрешающую способность микроскопа на высоте объекта. Фактически, в процессе проведения измерения, зонд, перемещаясь над поверхностью объекта сохраняет постоянную высоту.

Фиксация положения зонда, его координат в системе XYZ позволяет отследить профиль поверхности и преобразовать затем в соответствующую картину на экране монитора.

Т.к. расстояние между зондом и исследуемой поверхностью в процессе измерения составляет не более 0.3÷1 нм, то можно утверждать, что процесс измерения, фактически, изменяется в вакууме. В воздухе – 20 нм. Фактически, окружающая среда оказывает влияние за счет адсорбированных на поверхности молекул.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА (СТМ)

Основными техническими характеристиками являются:

1) Разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта

2) Разрешение в плоскости XY, т.е. в плоскости поверхности объекта

Высокое разрешение СТМ по нормали к поверхности объекта порядка 0.01 нм. Определяется крутой экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния между объектом и зондом. В плоскости XY высокое разрешение обеспечивается диаметром пучка электронов туннельного тока, который, в свою очередь, зависит от степени заточки иглы зонда. При многократном прохождении зонда с шагом≈0.02 нм разрешение в плоскости XY может достигать 0.03 нм. Реальное разрешение СТМ зависит от множества факторов, главными из которых являются: внешние вибрации, акустические шумы, качество зондов. Помимо разрешения микроскопа, важнейшей характеристикой является т.н. полезное увеличение ,

где dГ=200 мкм (разрешение глаза), dМ - максимальное разрешение микроскопа. dМ =0.03 нм (для СТМ). Т.о. раз. Для сравнения: у лучших оптических микроскопов раз

Другие важные характеристики СТМ:

Максимальный размер поля сканирования 1x1 мкм.

Максимальное перемещение зонда по OZ (в процессе измерения) почти не превышает 1 мкм.

В принципе современные микроскопы могут обеспечивать поле сканирования до нескольких сотен , но при этом ухудшается точность. Помимо измерения профиля поверхности и создания её визуальной модели, СТМ позволяет судить о типе электропроводности материала (для п/п), установить параметры валентной зоны ВЗ, зоны проводимости ЗП, энергетические характеристики примесей (т.е. определить положение примесных уровней). Определить химический тип связи между атомами поверхности объекта; определить химический состав поверхности объекта или поверхностного слоя – т.н. СТМ спектроскопия.

АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКОРСКОП (СКАНИРУЮЩИЙ СИЛОВОЙ МИКРОСКОП) АСМ.

Отличие от СТМ заключается в том, что зонды (кантилеверы) взаимодействуют с исследуемой поверхностью не электрическим путем, а силовым.

Зависимость силы двух атомов от расстояния. Сила отталкивания возрастает в . Совместить два атома в одной точке пространства принципиально невозможно.

Игла кантилевера касается поверхности объекта и отталкивается этой поверхностью, когда приближается на расстояние межатомарного взаимодействия. Колебания зонда кантилевера преобразуются в электрические сигналы различными способами (самый простейший – оптический способ). Оптический способ:

Этот сигнал имеет в себе информацию о высоте. На которую опустился кантилевер на конкретном шаге измерения. Информация о перемещении в плоскости XY фиксируется от механизмов перемещения этой исследуемой плоскости.

Помимо оптических методов преобразования могут быть использованы емкостные или туннельные сенсоры, т.к. между исследуемым объектом и зондом (в режим е АСМ микроскопии), то АСМ может исследовать не только проводящие объекты, но и диэлектрические. Требования к объекту – он должен быть гладкий (чтобы не было больших перепадов высот) и твердый (газообразный и жидкий объекты нет смысла исследовать).

Разрешающая способность АСМ напрямую зависит от качества заточки зонда.

Основные технические сложности данного вида микроскопии:

1) Сложность изготовления зонда, заостренного до размеров одного атома.

2) Обеспечение механической. В том числе. Тепловой и вибрационной стабильности на уровне лучше 0.1 Å.

3) Создание детектора. Способного регистрировать столь малые перемещения.

4) Создание системы развертки с шагом в доли Å.

5) Обеспечение плавного сближения иглы зонда с поверхностью.

В сравнении с растровым электронным микроскопом РЭМ, АСМ обладает рядом преимуществ:

1) АСМ позволяет получить истинно трехмерный рельеф поверхности, у РЭМ 2D изображение

2) Непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ не требует нанесения металлического слоя.

3) Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, для АСМ вакуум не требуется.

4) АСМ потенциально может дать более высокое разрешение, чем РЭМ
Недостатками АСМ можно считать:

1) Небольшой размер поля сканирования (по сравнению с РЭМ).

2) Жесткие требования к размеру вертикальных перепадов высот сканируемой поверхности. В РЭМ напильник увидим, в АСМ – нет.

3) Жесткие требования к геометрии зонда. Который очень легко повредить.

4) Практическая неустранимость искажений. Которые вносит тепловое движение атомов исследуемой поверхности. Этот недостаток можно было бы искоренить в том случае, если бы скорость сканирования превышала скорость теплового движения молекул, т.е. в каждый момент времени картина уже другая.

Все эти проблемы так или иначе компенсируются за счет программной обработки результатов измерения, однако, следует помнить, что то, что мы видим на экране компьютера – не реальная поверхность, а модель, и степень достоверности модели – под вопросом.

В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы СТМ и АСМ нашли широкое применение во всех областях науки (в физике, химии, биологии, в материаловедении).

Нанотехнологические зондовые машины.

Первоначально, когда была установлена принципиальная возможность перемещения отдельных атомов зондом СТМ, у ученых возникла некоторая эйфория – они уже мечтали о сборке всяких объектов не только наномира, но и макромира. Тем не менее на основе достижений СТМ микроскопии были созданы устройства, которые называются нанотехнологические зондовые машины. Если между объектом и зондом приложить большую разность потенциалов, чем при измерении параметров поверхности объекта, то за счет энергии можно возбуждать любой атом поверхности (оторвать от поверхности). Этот возбужденный атом. Как правило, прилипает к зонду, и, соответственно, может быть этим зондом перенесен на новое место, а при снижении энергии, подаваемой на зонд (при снижении разности потенциалов), снова опущен на поверхность. Но в те времена не была решена проблема закрепления (принудительного) чужеродных атомов на поверхности объекта в условиях, отличных от абсолютного нуля или близких к абсолютному нулю.

Благодаря проведенным исследованиям нам теперь известны энергии возбуждения атомов различных материалов и решён вопрос подачи атомарного газа в зону работы зонда СТМ. По сути именно наличие устройства подачи атомарного газа в рабочую зону отличает зондовую нанотехнологическую машину от СТМ.

В настоящее время уже разработаны принципы управления многозондовыми машинами, что позволяет увеличить их производительность, а следовательно повысить вероятность более широкого применения такой зондовой поатомной сборки и, в конечном счете, с делать рентабельной сборку по направлению «снизу-вверх».

В КАКИХ НАПРАВЛЕНИЯХ РАЗВИВАЮТСЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ.

1) Реализуется направление «снизу-вверх», т.е. поатомная сборка.

2) Создание макроскопическими и физикохимическими методами новых наноматериалов.

ДОСТИЖЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.

1) Нанометровый контроль поверхности востребован в производстве таких вещей, как контактные линзы, создание наноэлектронных приборов.

2) сканирующая зондовая микроскопия по точности не имеет себе равных в настоящее время. С её помощью можно находить и перемещать отдельные атомы и создавать группы атомов. Однако такие конструкции не подходят для массового использования.

Самым перспективным материалом, с точки зрения нанотехнологий, является углерод С, обладающий уникальным химическими свойствами:

1) Позволяет создавать молекулы с неограниченным числом атомов.

2) Он обладает изоморфностью кристаллической решетки, т.е. различными типами кристаллической решетки.

В настоящее время в нанотехнологии вкладываются огромные деньги.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и другие), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;

развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;

развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

XXI век ознаменовался революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено следующими причинами:

стремлением к миниатюризации изделий,

уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,

необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами,

развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации,

практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия),

развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков.

Направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от получения и изучения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т. е. создания изделий, устройств и систем с наноразмерными элементами. Основные области применения наноразмерных элементов - это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология.

Развитие нанотехнологий и наноматериалов начинается с 1931 года, когда немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. Позже в 1959 году американский физик Ричард Фейнман (нобелевский лауреат по физике, 1965) впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации под названием «Там внизу — море места». Он заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа … Но, в принципе, физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». Тогда его слова казались фантастикой, поскольку не существовало технологий, которые позволили бы оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (имеется в виду возможность познать отдельный , взять его и поставить на место). Фейнман даже назначил награду $ 1000 тому, кто практически докажет его правоту.

История развития нанотехнологии

В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.

Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне (1981 г.), Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп еще больше расширил типы исследуемых материалов (1986 г.).

В 1985 году Роберт Керл, Харольд Крото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены (Нобелевская премия, 1996 год).

В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) (в 2007г. присуждена Нобелевская премия по физике), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной на основе ГМС размерами 10-100 нм.

ГМС, или, иначе, гигантское магнетосопротивление (англ. giant magnetoresistance сокр., GMR) - представляет собой эффект изменения электрического сопротивления образца под действием магнитного поля (преимущественно в гетероструктурах и сверхрешетках), отличающееся от магнетосопротивления масштабом эффекта (возможно изменение сопротивления на десятки процентов, в отличие от магнетосопротивления, когда изменение сопротивления не превышает единиц процентов). Его открытие сделало возможным разработку современных носителей информации для компьютеров — накопителей на жестком магнитном диске (HDD)

1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем Сумио Ииджимою.

В 1998 году впервые создан транзистор на основе нанотрубок Сизом Деккером (голландский физик). А в 2004 году он соединил углеродную нанотрубку с ДНК, впервые получив полноценный наномеханизм, открыв тем самым путь к развитию бионанотехнологии.

2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Известные фирмы IBM, Samsung финансируют научные проекты с целью разработки новых электронных устройств, смогли бы заменить кремниевые технологии.

Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов

Нанотехнологии (НТ) (греческое слово «nannos» означает «карлик») — это совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.

1 нанометр (нм) = 10 -9 метра.

К нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Нанотехнологии используют: атомное сообщения молекул, локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне и др. Процессы нанотехнологий подлежат законам квантовой механики.

На сегодня основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.

Задача НТ:

• получения наноматериалов с заданной структурой и свойствами;
• применения наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств;
• контроль (исследования) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.

Существует два основных подхода к нанопроизводства: сверху вниз и снизу вверх . Технология сверху вниз заключается в измельчении материала, имеющего большие размеры (массивный материал), до наноразмерных частиц. При подходе снизу вверх продукты нанопроизводства создаются путем выращивания (создания) их из атомного и молекулярного масштабов.

Производство на наноуровне известно как нанопроизводств — предусматривает масштабные мероприятия, создание надежного и экономически эффективного производства наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Оно предусматривает исследования, разработки и интеграции технологий сверху вниз и более сложную — снизу вверх или процессы самоорганизации.

Наноматериалы — это дисперсные или массивные материалы (структурные — зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и имеющие качественно новые свойства, функциональные и эксплуатационные характеристики, которые проявляются вследствие наномасштабных размеров.

Все вещества в начальном состоянии или после определенного обработки (измельчения) имеют разную степень дисперсности, размер составляющих частиц можно не увидеть невооруженным глазом.

Объекты с размерами в пределах 1-100 нм принято считать нанообъектами , но такие ограничения являются весьма условными. При этом данные размеры могут касаться как всего образца (нанообъектом является весь образец), так и его структурных элементов (нанообъектом является его структура). Геометрические размеры некоторых веществ приведены в таблице.

Основные преимущества нанообъектов и наноматериалов состоит в том, что за малых размеров в них проявляются новые особые свойства, не характерные этим веществам в массивном состоянии.

Классификация вещества в зависимости от степени дисперсности

Свойства наноматериалов определяются их структурой, для которой характерно обилие границ раздела (границы зерен и тройных стыков — линии соприкосновения трех зерен). Изучение структуры является одной из важнейших задач наноструктурного материаловедения. Основной элемент структуры — зерно или кристалит.

Классификация по размеру . По размерной признаком нанообъекты разделяют на три типа: нульмерные/ квазинульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D).

Нанообъекты нульмерные/ квазинульмерные (0D) — это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и фуллерены), содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, сгруппированных в связи или ансамбли в форме клетки. В этом случае частица имеет нанометровые размеры во всех трех направлениях.

Наночастицы — это нанообъекты, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины (до 100 нм). Как правило, наночастицы имеют сферическую форму и, если они имеют ярко выраженное упорядоченное размещение атомов (или ионов), то их называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью энергетических уровней часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами».

Сравнение геометрических размеров материалов

Нанообъекты одномерные (1D) — углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода, то есть цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере на порядок превышает два других.

Нанообъекты двумерные (2D) — покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности массивного материала (подложке). В этом случае только одно измерение — толщина должна нанометровые размеры, два других являются макроскопическими.

Особые свойства наноматериалов

В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.

Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.

Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).

Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва P max возрастает при переходе в нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.

Размерная зависимость поверхностной энергии нанокристаллов приводит соответствующую зависимость температуры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное изменение тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колебаний атомов. В ферромагнитных наночастицах при уменьшении размера ниже некоторого критического значения для системы становится энергетически невыгодным состояние разбиение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидоменных в однодоменных, при этом получая особые магнитные свойства.

Области науки, связанные с нанотехнологиями

Междисциплинарность — это характеристика отрасли знаний или научной проблемы, где успешный результат может быть достигнут только при объединении усилий отдельных наук. Интеграция знаний отдельных научных отраслей приводит к синергизму — получение качественно новых знаний, которые, благодаря своим уникальным свойствам, получили применение во многих областях знаний.

Спинтроника — направление отрасль современной электроники, основанная на использовании спиновых эффектов и квантовых свойств спина электронов, характеризуются двумя квантовыми состояниями (спин вверх и спин вниз). Изменение ориентации спинов происходит за счет воздействия высокой плотности тока, проходящего через сверхтонкие ферромагнитные структуры (сэндвичи). Ориентация спинов остается неизменной, если источник поляризованного тока выключается, поэтому спинтронные устройства очень широко используются как головки считывания, устройства памяти на явлении ГМО и туннельном МО, генераторы переменного напряжения, контролируемые по току, транзисторы на эффекте поля и тому подобное.

Нанобиология — отрасль биологии, посвященная изучению структурных, биологических, биофизических процессов в природных биологических структурах или их нанобиологичных аналогах, законов, которым подчинены биологические системы. Создание на этой основе действующих наномоделей биологических структур сегодня составляют основу нанобиологии. Достижения науки нанобиологии составляет основу развития таких направлений нанонауки, как биоорганическая нанохимия, нанофармацевтика, наносенсорика, наномедицина и тому подобное.

Молекулярная электроника исследует электронные наносистемы, содержащие, как составные части, единичные молекулы или молекулярные комплексы, а также технологии изготовления таких наносистем, основанные на использовании процессов самосборки, включая процессы манипулирования как одиночными молекулами, так и молекулярными комплексами.

Наносенсорика — отрасль науки о сенсорных наносистемах, действие которых основано на селективном восприятии сигналов различной природы: биологических, химических, температурных и т. п., и их преобразовании в электрические (бионаносенсоры, которые могут не только отслеживать состояние организма, но и автоматически выполнять некоторые необходимые действия).

Нанооптика — область науки, посвященная оптическим наносистемам, выполняющих функции информационного управления, осуществляя обработку, хранение и передачу информации в виде оптических сигналов. Перспективным разделом нанооптика является нанофотоника, ее элементную базу составляют фотонные кристаллы, эффективно используются в устройствах обработки, хранения и передачи информации.

Наномеханика (наноробототехника) — область техники, занимающейся созданием нанороботов, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента (нанокатетеры, которые позволяют эффективно осуществлять диагностику и терапию в кровеносных сосудах и кишечном тракте, а также дозировочные и распределительные наноустройства, которые обеспечивают доставку лекарств, нужных пациентам). Кроме того, малые размеры микрокомпонентов делают их идеальными для манипулирования биологическими образцами на микроскопическом уровне.

Области применения нанотехнологии

НТ приобретают все большее значение и могут использоваться во всех промышленных отраслях, в частности в электронике, солнечной промышленности, энергетике, строительстве, авто-, авиастроении, медицине и др.

Электроника. Развитие технологического процесса при изготовлении транзисторов в компьютерной технике (микро-процессоры) постепенно уменьшается с 90 до 14 нм, что не является пределом (планируется к 2019 году его уменьшить до 10-8 нм). Таким образом, на одном сантиметре кремния будет размещаться миллиард транзисторов.

Благодаря развитию материаловедения и микроэлектроники происходит уменьшение элементарной ячейки запоминающих устройств. На сегодня перспективными становятся материалы на основе сверхрешеток, диамагнетиков, ферромагнетиков, в которых реализуется эффект гигантского магнитного сопротивления, перпендикулярного составления и анизотропии.

Среди полупроводниковых технологий отметим лазеры, работающие при низкой температуре, имеют малый порог генерации (до 15 мкА), которые получат широкое использование, например, в квантовой криптографии.

Сочетание полученных новейших результатов из сферы материаловедения и электроники позволяет создавать устройства с уникальными гибкими, влаго- и ударопрочными свойствами, имеют высокий коэффициент полезного действия и длительный срок службы. Применение новых материалов позволяет создавать высокоэффективное фотоприемное оборудования для видимого и инфракрасного излучения, использование которого повысит эффективность мониторинга линий электропередач, трубопроводов, охранных систем.

Энергетика. Вопросы энергообеспечения всегда актуальны, они предусматривают две основные задачи — создание приборов с экономным потреблением электроэнергии и изготовление зарядных устройств на основе новых технологий с улучшенными показателями. Осветительная техника модернизируется, лампы накаливания заменяются на яркие светодиоды и матрицы на их основе.

Значительное внимание уделяется альтернативным видам энергии. Так, разработаны солнечные элементы, поглощающие энергию в инфракрасной части спектра. Это происходит благодаря технологии, которая использует специальный производственный процесс нанесения металлических наноантенн (крошечных квадратных спиралек) на пластмассовую подложку. Такая конструкция позволяет получать до 80% энергии солнечного света, тогда как существующие солнечные батареи могут использовать лишь 20%. излучает много тепловой энергии, часть из которой поглощается землей и другими объектами и излучается в течение многих часов после захода солнца; наноантенны «улавливают» это тепловое излучение с более высокой эффективностью, чем обычные солнечные батареи.

Создание аккумуляторов на основе нановолокон кремния, содержащих ионы лития вместо углерода, приведет к увеличению емкости зарядных устройств и расширения диапазона использования. Ионная проводимость нанокомпозитов твердого электролита увеличивается на несколько порядков, за счет чего на его основе можно изготавливать миниатюрные гибкие батареи.

Медицина. Наноструктуризация приводит к уменьшению размера таблетки и повышение содержания лечебного вещества в крови. Это очень важно, потому что, наночастицы в будущем будут одним из средств доставки лекарств в пораженный участок (нанороботы). Наночастицы серебра благодаря своим бактерицидным свойствам используются при лечении различных ран с целью обеззараживания. Типичный размер наночастиц серебра 5-50 нм, их добавляют к моющим средствам, зубным пастам, влажным салфеткам, наносят на поверхности кондиционеров, покрывают столовые приборы, дверные ручки (в местах, где велика опасность распространения инфекций) и даже клавиатуры и «мышки» для компьютеров. Наночастицы золота вместе с антителами могут снизить вредный эффект от облучения при лечении опухолей.

Современное оборудование позволяет «увидеть жизнь» живых клеток, выполнять манипуляции с молекулами и дает возможность выращивать или клонировать части органов. Сочетание биологических и медицинских знаний вместе с достижениями электроники позволяют, используя нанотехнологии и наноматериалы, создавать микроэлектронные устройства (чипы) для контроля здоровья человека или животного.

Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

История

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.

Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».

На что способны нанотехнологии?

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.

• ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
• Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
• Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

10 нанотехнологий с удивительным потенциалом

Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.

Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.

Электропроводимый жидкий металл

За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».

«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.

Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.

Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.

Нанопластыри

Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.

Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.

Нанофильтр для воды

При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.

Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.

Очиститель воздуха для подводных лодок

Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.

Нанопроводники

Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.

Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.

Нанотехнологическое зарядное устройство

Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.

Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.

Искусственная сетчатка

Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.

Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.

Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.

Светящаяся одежда

Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.

Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.

Наноиглы для восстановления внутренних органов

Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.

Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.

Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.

Трехмерная химическая печать

Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.

Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.

Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.

Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?

Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».

Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».

Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).

Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.

В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.

Главная » Грамматика » Нанотехнологии и области их применения. Справка