Г. Г. Еленин
Кратка информация за автора: Професор, Факултет по изчислителна математика и кибернетика, Московски държавен университет. М. В. Ломоносов, водещ изследовател в Института по приложна математика на името на. M.V.Keldysh RAS.
Ако стоманен куб или солен кристал, съставен от идентични атоми, може да покаже интересни свойства; ако водата - прости капчици, неразличими една от друга и покриващи миля след миля от повърхността на Земята - е в състояние да генерира вълни и пяна, гърмежите на прибоя и странни шарки върху гранита на насипа; ако всичко това, цялото богатство на живота във водите, е просто свойство на купчини атоми, тогава колко още възможности са скрити в тях? Ако вместо да подреждаме атомите в ред, ред по ред, колона по колона, дори вместо да изграждаме от тях сложни молекули на миризмата на теменужки, ако вместо това ги подреждаме всеки път по нов начин, разнообразявайки мозайката им, без да я повтаряме , какво вече се е случило - представете си колко необичайни, неочаквани неща могат да възникнат в тяхното поведение.
Р. П. Файнман
Предмет, цели и основни направления в нанотехнологиите
Според Енциклопедичния речник технологията е набор от методи за обработка, производство, промяна на състоянието, свойствата, формата на суровини, материали или полуфабрикати, извършвани в производствения процес.
Особеността на нанотехнологиите е, че разглежданите процеси и извършваните действия протичат в нанометровия диапазон на пространствени измерения 1 . „Суровини“ са отделни атоми, молекули, молекулярни системи, а не микронни или макроскопични обеми материал, познат в традиционната технология, съдържащ най-малко милиарди атоми и молекули. За разлика от традиционната технология, нанотехнологиите се характеризират с „индивидуален“ подход, при който външен контрол достига до отделни атоми и молекули, което прави възможно създаването от тях както на „бездефектни“ материали с принципно нови физични, химични и биологични свойства и нови класове устройства с характерни нанометрови размери. Концепцията за „нанотехнология“ все още не е установена. Очевидно може да се следва следната работна дефиниция.
Нанотехнологиите са интердисциплинарна научна област, в която се изучават законите на физичните и химичните процеси в пространствени области с нанометрови размери, за да се контролират отделни атоми, молекули, молекулни системи при създаването на нови молекули, наноструктури, наноустройства и материали със специални физични свойства. , химични и биологични свойства.
Анализът на текущото състояние на бързо развиващия се район ни позволява да идентифицираме редица от най-важните области в него.
Молекулярен дизайн. Дисекция на съществуващи молекули и синтез на нови молекули в силно нехомогенни електромагнитни полета.
Материалознание. Създаване на „бездефектни” високоякостни материали, материали с висока проводимост.
Инструментариум. Създаване на сканиращи тунелни микроскопи, атомни силови микроскопи 2 , магнитни силови микроскопи, многоточкови системи за молекулен дизайн, миниатюрни ултрачувствителни сензори, нанороботи.
електроника. Проектиране на нанометрова елементна база за следващо поколение компютри, нанопроводници, транзистори, токоизправители, дисплеи, акустични системи.
Оптика. Създаване на нанолазери. Синтез на многовърхови системи с нанолазери.
Хетерогенна катализа. Разработване на катализатори с наноструктури за класове селективни катализни реакции.
Лекарство. Проектиране на наноинструменти за унищожаване на вируси, локален „ремонт“ на органи и високо прецизно доставяне на лекарствени дози до определени места в живия организъм.
Трибология. Определяне на връзката между наноструктурата на материалите и силите на триене и използване на тези знания за производство на обещаващи двойки триене.
Контролирани ядрени реакции. Ускорители на наночастици, нестатистически ядрени реакции.
Сканираща тунелна микроскопия
Най-малко две събития изиграха важна роля в неудържимото изследване на наносвета:
Създаване на сканиращ тунелен микроскоп (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) и сканиращ атомно-силов микроскоп (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Нобелова награда 1992);
Откриване на нова форма на съществуване на въглерод в природата - фулерени (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Нобелова награда 1996).
Нови микроскопи направиха възможно наблюдението на атомно-молекулярната структура на повърхността на монокристалите в нанометров диапазон. Най-добрата пространствена разделителна способност на устройствата е една стотна от нанометъра нормално спрямо повърхността. Работата на сканиращия тунелен микроскоп се основава на тунелирането на електрони през вакуумна бариера. Високата разделителна способност се дължи на факта, че тунелният ток се променя с три порядъка, когато ширината на бариерата се променя според размера на атома. Теорията за ефекта на квантовото тунелиране е изложена от G.A. Гамов през 1928 г. в трудовете си върху a-decay.
С помощта на различни сканиращи микроскопи в момента се наблюдава атомната структура на повърхностите на монокристали на метали, полупроводници, високотемпературни свръхпроводници, органични молекули и биологични обекти. На фиг. Фигура 1 показва реконструираната повърхност на долната тераса на лицето (100) на монокристал на силиций. Сивите кръгове са изображения на силициеви атоми. Тъмните зони са локални нанометрови дефекти. На фиг. Фигура 2 показва атомната структура на чистата повърхност на (110) сребърното лице (лява рамка) и същата повърхност, покрита с кислородни атоми (дясна рамка). Оказа се, че кислородът не се адсорбира произволно, а образува доста дълги вериги в определена кристалографска посока. Наличието на двойни и единични вериги показва две форми на кислород.
Тези форми играят важна роля в селективното окисляване на въглеводороди като етилен. На фиг. 3 можете да видите наноструктурата на високотемпературния свръхпроводник Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2. В лявата рамка на фиг. 4, пръстените на бензеновите молекули (C 6 H 6) са ясно видими. Дясната рамка показва CH 2 веригите на полиетилена. Работата представя поредица от кадри от лабораторен филм за проникването на вирус в жива клетка.
Новите микроскопи са полезни не само за изследване на атомната и молекулярната структура на материята. Те се оказаха подходящи за конструиране на наноструктури. С помощта на определени движения с върха на микроскопа е възможно да се създават атомни структури. Фигура 5 показва етапите на създаване на надписа "IBM" от отделни ксенонови атоми върху (110) лицето на никелов монокристал. Движенията на върха при създаване на наноструктури от отделни атоми напомнят техниките на хокеист, когато движат шайбата с пръчка. Интересно е да се създадат компютърни алгоритми, които установяват нетривиална връзка между движенията на върха и движенията на манипулирани атоми въз основа на подходящи математически модели. Необходими са модели и алгоритми за разработване на автоматични "сглобяващи" наноструктури.
Ориз. 4: а - С6Н6; б - СН2 -СН2
Ориз. 5. Xe/Ni (110)
Наноматериали
Фулерените, като нова форма на съществуване на въглерод в природата, заедно с отдавна познатите диамант и графит, са открити през 1985 г., когато астрофизиците се опитват да обяснят спектрите на междузвездния прах. Оказа се, че въглеродните атоми могат да образуват силно симетрична молекула С 60. Такава молекула се състои от 60 въглеродни атома, подредени върху сфера с диаметър приблизително един нанометър и прилича на футболна топка (фиг. 6). В съответствие с теоремата на Л. Ойлер въглеродните атоми образуват 12 правилни петоъгълника и 20 правилни шестоъгълника. Молекулата е кръстена на архитекта Р. Фулър, който е построил къща от петоъгълници и шестоъгълници. Първоначално C 60 се произвеждат в малки количества, а след това през 1990 г. е открита технологията за тяхното масово производство.
Фулерити. Молекулите C60, от своя страна, могат да образуват фулеритен кристал с лицево-центрирана кубична решетка и сравнително слаби междумолекулни връзки. Този кристал има октаедрични и тетраедрични кухини, в които могат да бъдат разположени чужди атоми. Ако октаедричните кухини са запълнени с йони на алкални метали (¦ = K (калий), Rb (рубидий), Cs (цезий)), тогава при температури под стайната температура структурата на тези вещества се пренарежда и се образува нов полимерен материал ¦1C60 образувани. Ако тетраедричните кухини също са запълнени, тогава се образува свръхпроводящ материал ¦3C60 с критична температура 20-40 К. Изследването на свръхпроводящи фулерити се извършва по-специално в Института. Макс Планк в Щутгарт. Има фулерити с други добавки, които придават на материала уникални свойства. Например C60-етиленът има феромагнитни свойства. Високата активност в новата област на химията доведе до факта, че до 1997 г. имаше повече от 9000 фулеренови съединения.
Въглеродни нанотръби. От въглерода могат да се получат молекули с гигантски брой атоми. Такава молекула, например C=1 000 000, може да бъде еднослойна тръба с диаметър около нанометър и дължина няколко десетки микрона (фиг. 7). На повърхността на тръбата въглеродните атоми са разположени във върховете на правилните шестоъгълници. Краищата на тръбата са затворени с шест правилни петоъгълника. Трябва да се отбележи ролята на броя на страните на правилните многоъгълници при формирането на двумерни повърхности, състоящи се от
Ориз. 7. Нехирални нанотръби: a - C(n", n) - метал;
L-C(n, 0):mod (n, 3) = 0 - полуметал
mod (n, 3)!= 0 - полупроводник.
Ориз. 8. Извита тръба
въглеродни атоми в триизмерното пространство. Правилните шестоъгълници са клетка в плосък графитен лист, който може да се навива на тръби с различна хиралност (m, n) 3 . Правилните петоъгълници (седмоъгълници) са локални дефекти в графитен лист, позволяващи да се получи неговата положителна (отрицателна) кривина. По този начин комбинациите от правилни петоъгълници, шестоъгълници и седмоъгълници позволяват да се получат различни форми на въглеродни повърхности в триизмерното пространство (фиг. 8). Геометрията на тези наноструктури определя техните уникални физични и химични свойства и следователно възможността за съществуването на принципно нови материали и технологии за тяхното производство. Прогнозирането на физикохимичните свойства на нови въглеродни материали се извършва с помощта както на квантови модели, така и на изчисления в рамките на молекулярната динамика. Наред с еднослойните тръби е възможно да се създадат многослойни тръби. За производството на нанотръби се използват специални катализатори.
Какво е уникалното на новите материали? Нека се спрем само на три важни свойства.
Изключително издръжливи материали. Връзките между въглеродните атоми в графитен лист са най-здравите познати, така че въглеродните тръби без дефекти са два порядъка по-здрави от стоманата и приблизително четири пъти по-леки! Едно от най-важните технологични предизвикателства в областта на новите въглеродни материали е създаването на нанотръби с „безкрайна“ дължина. От такива тръби е възможно да се произвеждат леки композитни материали с изключителна здравина за нуждите на технологиите от новия век. Това са силови елементи на мостове и сгради, носещи конструкции на компактни самолети, турбинни елементи, силови агрегати на двигатели с изключително нисък специфичен разход на гориво и др. В момента те са се научили да правят тръби с дължина десетки микрони с диаметър от порядъка на един нанометър.
Силно проводими материали. Известно е, че в кристалния графит проводимостта по равнината на слоя е най-висока сред известните материали и, напротив, в посока, перпендикулярна на листа, тя е малка. Поради това се очаква електрическите кабели, направени от нанотръби, да имат електрическа проводимост с два порядъка по-висока при стайна температура от медните кабели. Това е въпрос на технология, която прави възможно производството на тръби с достатъчна дължина и количество,
Нанокластери
Много нано-обекти включват ултра-малки частици, състоящи се от десетки, стотици или хиляди атоми. Свойствата на клъстерите са коренно различни от свойствата на макроскопичните обеми от материали със същия състав. От нанокластери, като от големи градивни блокове, е възможно целенасочено да се конструират нови материали с предварително определени свойства и да се използват в каталитични реакции, за разделяне на газови смеси и съхранение на газове. Един пример е Zn4O(BDC)3 (DMF)8(C6H5Cl)4. Голям интерес представляват магнитни клъстери, състоящи се от атоми на преходни метали, лантиниди и актиниди. Тези клъстери имат свой собствен магнитен момент, което прави възможно контролирането на техните свойства с помощта на външно магнитно поле. Пример за това е високоспиновата органометална молекула Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Този елегантен дизайн се състои от четири спинови 3/2 Mn 4+ йона, разположени във върховете на тетраедър, осем спинови 2 Mn 3+ йона, обграждащи тетраедъра. Взаимодействието между мангановите йони се осъществява от кислородни йони. Антиферомагнитните взаимодействия на спиновете на йоните Mn 4+ и Mn 3+ водят до общ спин от 10, което е доста голямо.Ацетатните групи и водните молекули разделят клъстерите Mn 12 един от друг в молекулярен кристал. Взаимодействието на клъстерите в кристала е изключително малко. Наномагнитите представляват интерес при проектирането на процесори за квантови компютри. В допълнение, при изучаването на тази квантова система бяха открити явленията на бистабилност и хистерезис. Ако вземем предвид, че разстоянието между молекулите е около 10 нанометра, то плътността на паметта в такава система може да бъде от порядъка на 10 гигабайта на квадратен сантиметър.
Наноустройства
Нанотръбите могат да формират основата на нови проекти на плоски акустични системи и плоски дисплеи, тоест познати макроскопични устройства. Някои наноустройства могат да бъдат създадени от наноматериали, например наномотори, наноманипулатори, молекулярни помпи, памет с висока плътност и елементи от механизми на нанороботи. Нека разгледаме накратко моделите на някои наноустройства.
Молекулярни предавки и помпи. Модели на наноустройства са предложени от K.E. Drexler и R. Merkle от IMM (Институт за молекулярно производство, Пало Алто). Зъбните валове в скоростната кутия са въглеродни нанотръби, а зъбите са молекули бензол. Характерните скорости на въртене на зъбните колела са няколко десетки гигахерца. Устройствата „работят“ или в дълбок вакуум, или в инертна среда при стайна температура. За "охлаждане" на устройството се използват инертни газове.
Диамантена памет за компютри. Моделът на паметта с висока плътност е разработен от Ch. Баушлихер и Р. Меркъл от НАСА. Дизайнът на устройството е прост и се състои от сонда и диамантена повърхност. Сондата е въглеродна нанотръба (9, O) или (5, 5), завършваща с полусфера C 60, към която е прикрепена молекула C 5 H 5 N. Диамантената повърхност е покрита с монослой от водородни атоми. Някои водородни атоми са заменени с флуорни атоми. При сканиране на сонда по диамантена повърхност, покрита с монослой адсорбат, молекулата C 5 H 5 N, според квантовите модели, е в състояние да различи адсорбиран флуорен атом от адсорбиран водороден атом. Тъй като около 1015 атома се побират на един квадратен сантиметър повърхност, плътността на запис може да достигне 100 терабайта на квадратен сантиметър.
Горните примери за резултати от лабораторни експерименти и модели на наноустройства представляват ново предизвикателство пред теорията, изчислителната физика, химията и математиката. Изисква се разбиране на „виждано“ и „получено“. Изисква се развиване на интуиция за работа в диапазона на нанометрови размери. Отново се чува забележката на Фауст към Вагнер:
„Какво означава да разбереш?
Това, приятелю, е въпросът.
Не се справяме добре в този резултат."
Нови области на изчислителната физика и изчислителната химия
Преди повече от петдесет години атомните и термоядрените проблеми, проблемите на създаването на нови летателни апарати и изследването на околоземното пространство отново повдигнаха фаустовския въпрос за ново ниво на разбиране на физическите и химичните явления. Успешната работа по тези проблеми доведе до появата и развитието
1) изчислителна физика, по-специално области като
магнитна и радиационна хидро- и аеродинамика,
механика на полета на космически кораби,
теория на плазмата и контролиран термоядрен синтез;
2) компютърна химия с раздели като
теория на уравнението на състоянието на материята,
молекулярна динамика,
теория на химичните процеси и апарати;
3) изчислителна математика и компютърни науки с области като
числени методи на математическата физика,
теория на автоматите,
оптимален контрол,
разпознаване на шаблон,
експертни системи,
автоматичен дизайн.
Съвременните възможности за лабораторни експерименти за наблюдение и изучаване на явления в нанометров мащаб на пространствени измерения и атрактивните перспективи за създаване на уникални материали и наноустройства пораждат нови теоретични проблеми.
Бих искал да разбера какво всъщност се „наблюдава“ със сканираща тунелна микроскопия?
Какви нови неща потенциално могат да бъдат наблюдавани и какви нови неща потенциално могат да бъдат получени в наносистемите? И при какви условия?
Как да контролираме отделни атоми и групи от атоми и молекули, за да постигнем определени цели? Какви са границите на този контрол?
Как да организираме самосглобяването на наноустройства и уникални „бездефектни“ материали?
До каква степен макросредата „ограничава“ квантовите състояния на една наносистема?
Необходимостта от конструктивно решение на тези проблеми води до интензивни изследвания, формиращи нови области в компютърната физика и компютърната химия. Нека подчертаем такива раздели в метрологията, механиката, електродинамиката, оптиката и теорията за самоорганизация. Във всеки от тези раздели ще идентифицираме няколко проблема.
Метрология
1. Създаване на компютърни модели на системи „устройство-нанообект” и тяхното калибриране.
2. Автоматизиране на нанометрични измервания и създаване на банки от данни.
Механика
1. Изследване на механични напрежения и деформации в наноматериали и нанообекти, анализ на триенето.
2. Симулация на движенията на сондата по време на целенасочена манипулация на нанообект.
3. Моделиране на движения в наномеханизми за наноустройства, изчисляване на наноманипулатори.
4. Разработване на системи за управление на нанороботи.
Електродинамика
1. Моделиране на динамиката на атомите и молекулите в изключително нехомогенни електромагнитни полета, създадени от многоточкови системи.
2. Изчисляване на електрически и магнитни свойства на наноматериали.
1. Моделиране на механизмите на излъчване, разпространение и поглъщане на светлина в нанообекти.
2. Изчисляване на нанолазери и хибридни системи “сонди + нанолазер”.
Теория за самоорганизация
1. Формулиране на основните принципи на самосглобяване на наноструктури.
2. Създаване на алгоритми за самосглобяване на компютър.
3. Разработване на изчислителни алгоритми за качествен анализ на модели за самосглобяване.
4. Моделиране на феномените на пространствено-времева самоорганизация при създаването на наноматериали.
Молекулярно-лъчева епитаксия и нанолитография
1. Създаване на тънки метални филми, които служат като основа за висококачествени магнитни материали.
2. Проектиране на основни елементи на наноелектрониката.
3. Създаване на катализатори за селективна катализа.
Бих искал още веднъж да подчертая необходимостта от поддържане на строг баланс между лабораторния експеримент, теорията и математическото моделиране. Понякога можете да чуете твърдения, че прецизният експеримент в момента е много скъп и може да бъде заменен с по-евтино математическо моделиране. Съществува и обратната позиция, при която се омаловажава ролята на математическите методи на изследване. Най-простите примери за нетривиални явления в нанометровия диапазон на пространствените измерения демонстрират пълната непоследователност на радикалните позиции.
Феномени на пространствено-времева самоорганизация на повърхността на метални монокристали
Нека разгледаме това, което на пръв поглед е най-простият, но, както се оказва, нетривиален проблем. Да кажем, че бихме искали да отгледаме висококачествен, еднороден метален филм, като например платинен филм. За да направите това, трябва да вземете плътно опаковано и пространствено хомогенно лице на единичен кристал като субстрат и да отложите слой от атоми от клетка на Кнудсен върху него при условия на висок вакуум. Атомите излитат от клетката, адсорбират се върху хомогенна повърхност, мигрират по нея и образуват нов слой. След като първият слой се формира, следващият слой се формира върху него и т.н. Процесът се определя само от два външни управляващи макропараметъра - повърхностна температура и поток от атоми към повърхността. Необходимо е само да изберете температурата и скоростта на подаване на атоми по такъв начин, че по време на характерното време на подаване на нов атом атомът, мигриращ по повърхността, да има време да се интегрира в нарастващия слой. Изглежда, че нищо не е по-просто от симулирането на растежа на филма в рамките на класическите математически физични модели. Само един процес трябва да бъде описан: повърхностна дифузия на входящите частици. За да направите това, можете да използвате уравнението на дифузията с постоянен източник в двумерна пространствена област, да го допълните с подходящо гранично условие, например хомогенно гранично условие от втори вид, и да извършите изчисления. Очевидно е, че при достатъчно бърза миграция, независимо от началните условия, с достатъчно висока точност ще се получи пространствено хомогенно решение, монотонно нарастващо във времето. Такова моделиране обаче изобщо не описва процеса на растеж на нов слой и неговата пространствена структура.
Експеримент, извършен с помощта на сканиращ тунелен микроскоп с Pt/Pt(111) 5 хомосистема, показва (Фиг. 9), че адсорбираните атоми на платина мигрират по повърхността на (111) лицето на монокристал на платина, без да се подчиняват на закона на Фик. Те образуват острови от нов слой с различни пространствени структури в зависимост от повърхностната температура и скоростта на подаване на атоми. Това може да са свободни острови с фрактална структура с фрактал
Фиг.9. Pt/Pt (111)
Ориз. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
с размер 1.78 (Фиг. 9а), или компактни острови с платонови форми под формата на правилни триъгълници (Фиг. 9b, 9d) и шестоъгълници (Фиг. 9в), и еднакво ориентирани спрямо кристалографските оси. Така при температура 400 K върховете на триъгълниците изглеждат „надолу“ (фиг. 9b). При температура от 455 K нарастващите острови приемат формата на правилни шестоъгълници (фиг. 9c). При по-високи температури отново се образува правилната триъгълна форма на островите, но този път върховете им сочат „нагоре“ (фиг. 9d). Формата и ориентацията на триъгълните острови са стабилни. По-нататъшното снабдяване с атоми води до триизмерен режим на растеж, в резултат на което нарастващият слой винаги е неравномерен и има пирамидална триизмерна структура.
Природата на растежа повдига най-малко два основни въпроса.
Как да опишем теоретично нетривиалното динамично поведение на най-простата система?
Какви са начините за контрол на системата, за да се осигури растеж слой по слой и да се получи висококачествен, пространствено равномерен слой?
Подобни въпроси възникват в хетеросистемите, когато върху повърхността на един метал се отглежда филм от друг метал. По този начин, в случай на отглеждане на сребърен филм върху платина, могат да се наблюдават острови от фрактални и дендритни структури, острови под формата на трилъчева звезда на Мерцедес и други явления на пространствено-времева самоорганизация, които придружават неравномерното триизмерно растеж на тънък филм от метал. В случай на растеж на кобалтов филм върху хомогенна повърхност (0001) на монокристал на рений се образуват повърхностни сплави с различна стехиометрия и съответно пространствена структура: CoRe (фиг. 10а), Co 2 Re (фиг. 10b). ), Co 3 Re (фиг. 10c) и нетривиална повърхностна структура. В илюстрациите, представени на фиг. 10, може да се види, че големите кръгове (рениеви атоми) са заобиколени от различен брой малки кръгове (кобалтови атоми). Тези сплави имат интересни магнитни свойства.
Не може да не се спрем на още един парадоксален феномен - аномално високата подвижност на големите компактни клъстери. Следвайки авторите на забележителната експериментална работа, ние разглеждаме компактен клъстер с правилна форма, състоящ се от „магическия“ брой иридиеви атоми N = 1 + 3n(n - 1), n = 2, 3, ... , например N = 19, върху повърхността на плътно опакована повърхност (111) иридий. Изглежда, че мобилността на клъстер, съдържащ две дузини атоми като цяло, трябва да бъде много порядъка по-малка от мобилността на единичен атом, тъй като миграцията на атомите изглежда е случаен процес. Експериментът установи, че скоростта на миграция на "правилните" клъстери е сравнима със скоростта на миграция на един атом! Тази последица от колективното движение на клъстерни атоми изисква подробно теоретично описание и математическо моделиране. Резултатите от такъв анализ са от значителен интерес при изчисляване на предекспоненциалните и ефективните енергии на активиране на миграцията за динамичния метод на Монте Карло и за кинетичните уравнения на неидеален слой. Познавайки действителните скорости на миграция, човек може правилно да оцени живота на наномащабните структури.
Няма нужда да убеждаваме читателя, че изброените резултати от лабораторния експеримент показват необходимостта от разработване на класически модели на математическата физика. Когато се изучават нанообекти, където това се изисква, трябва да се изостави идеята за непрекъсната среда, която е в основата на огромното мнозинство от моделите на математическата физика. Моделирането по инерция, без да се вземат предвид резултатите от лабораторен експеримент, води до напълно неверни резултати. Очевидна е и необходимостта от нов модерен курс по математическа физика, който да отчита характеристиките на нанообектите. В този курс по-специално трябва да се обърне внимание на
Ориз. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
методи на дискретна математика, изброителна комбинаторика, теория на групите.
По-сложни примери за нетривиално динамично поведение на отворени неидеални системи се предоставят от моделни реакции на хетерогенна катализа върху определени повърхности на монокристали от благородни метали (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) при ниски парциални налягания в газовата фаза. Това са реакциите на окисление на въглероден оксид (CO) с кислород (O 2), както и редукция на азотен оксид (NO) с водород (H 2), амоняк (NH 3) и въглероден оксид. Изброените реакции играят съществена роля в екологичния проблем с доизгарящите токсични емисии (NO, CO и др.) от двигатели с вътрешно горене и топлоелектрически централи. Изследванията, проведени през последните години, разкриха очарователната нано- и мезодинамика на тези системи. Бяха открити фазови преходи ред-разстройство, придружени от образуването на суперструктури в адсорбатния монослой, фазови преходи като фазово разделяне, спонтанна и индуцирана от адсорбат реконструкция на повърхността на монокристални повърхности и корозия на катализатора. Процесите на пространствено-времева самоорганизация, протичащи в нанометровата скала, са тясно свързани с подобни явления, наблюдавани с помощта на емисионна фотоелектронна микроскопия в микрометровия диапазон. Такива явления включват микрометрова спирала, стоящи и тригерни вълни, двойна метастабилност и химическа турбулентност. Фигура 11 показва резултатите от изследване на пространствено-времева самоорганизация в реакцията на окисляване на въглероден оксид върху лицето на монокристал Pt(210), използвайки емисионна фотоелектронна микроскопия. Всеки кадър (380 x 380 mm) показва пространственото разпределение на адсорбираните CO молекули (светли зони) и кислородни атоми (тъмни зони) върху повърхността на катализатора за различни стойности на парциалните налягания на CO и кислорода в газовата фаза при постоянна повърхностна температура. Ясно се виждат спираловидни вълни и автовълни на фазов преход като разделяне на фазите, явления на двойна метастабилност и др.
1 Размерът на атома е няколко десети от нанометъра.
2 Описание на устройствата и принципите на тяхната работа се съдържат в.
3 Двойка естествени числа (m, n) определя вектора на хиралността в равнината на графитния лист. Оста на нанотръбата е перпендикулярна на вектора на хиралността. И така, при (n, n) ((n, 0)) оста на тръбата е успоредна (перпендикулярна) на страната на правилен шестоъгълник.
4 Съкращението BDC означава бензендикарбоксил, а DMF означава диметилформамид.
5 Числата в скоби показват индексите на Милър на лицето на монокристалния субстрат.
Ключовите технологии и материали винаги са играли основна роля в историята на цивилизацията, изпълнявайки не само тесни производствени функции, но и социални. Достатъчно е да си припомним колко различни са били каменната и бронзовата епоха, ерата на парата и електричеството, атомната енергия и компютрите. Според много експерти 21 век ще бъде векът на нанонауката и нанотехнологиите, които ще определят лицето му.
Нанонауката може да се дефинира като съвкупност от знания за поведението на материята в нанометров мащаб, а нанотехнологията може да се дефинира като изкуството за създаване и управление на обекти с размери, вариращи от части до стотици нанометри (поне в един или два от три измерения).
Основните компоненти на нанотехнологията са представени на фиг. 2.1. Основната му основа е физиката, химията и молекулярната биология на изкуствени и естествени обеми, състоящи се от изброим брой атоми, т.е. такива обекти, при които силната зависимост на всички свойства от техните размери (размерни ефекти), дискретната атомно-молекулна структура на веществото и/или квантовите закони на неговото поведение вече са проявени в значителна степен.
Друг важен компонент на нанотехнологиите е способността за целенасочено създаване или намиране в природата наноструктурирани материали и обекти с предварително зададени свойства. Следващият компонент на нанотехнологиите
Създаване на готови продукти, многокомпонентни продукти с нови потребителски качества и предназначение (памет с голям капацитет, ултра-бързи процесори, интелигентни нанороботи и др.). И накрая, средствата за контрол, сертифициране и изследване на нанопродукти и наноструктурирани материали на всички етапи на производство и употреба също са необходим компонент на нанотехнологиите.
Вече се изпълняват десетки големи програми в областта на нанонауката и нанотехнологиите във всички развити страни по света. Нанотехнологиите се използват в такива важни за обществото области като здравеопазване и медицина, биотехнологии и опазване на околната среда, отбрана и космонавтика, електроника и компютърни технологии, химическо и нефтохимическо производство, енергетика и транспорт. Темпът на растеж на инвестициите и внедряването на нанотехнологиите в индустриализираните страни по света сега е много висок и през следващите 10-20 години ще определя нивото на икономическо развитие и до голяма степен социалния прогрес в обществото.
Тази перспектива поставя нови предизвикателства пред цялата образователна система, преди всичко професионалното. Тъй като нанотехнологиите предполагат интегриране на фундаментални знания и високотехнологични методи за производство на наноструктурирани материали и готови продукти, в западните университети се наблюдава тенденция към намаляване на обема на обучение както на „чисти“ физици, математици, химици, биолози, и инженери от традиционни области: металурзи, механици, енергетици, технолози и увеличаване на дела на „синтетичните“ специалности в областта на физичните материалознание и нанотехнологиите.
През последните няколко години в световните периодични издания са публикувани около 10 хиляди статии по нанопроблеми и започнаха да излизат около дузина месечни специализирани списания в определени области на нанонауката.
И така, какво имаме предвид под нанотехнологии сега? Самият десетичен префикс „нано“ означава една милиардна част от нещо. Така чисто формално в обхвата на тази дейност влизат обекти с характерни размери R (поне по една координата), измерени в нанометри (1 nm = 10-9 m = 10E).
В действителност обхватът на разглежданите обекти и явления е много по-широк - от отделни атоми (R< 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, со- держащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях (рис.2.2). В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие - время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нc (10-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины в ряде наноструктур.
Би било наивно да се мисли, че преди настъпването на ерата на нанотехнологиите, хората не са срещали и използвали обекти и процеси в наноразмер. Така на нанониво протичат биохимичните реакции между макромолекулите, които изграждат всичко живо, получаването на фотографски изображения, катализата в химическото производство, ферментационните процеси при производството на вино, сирене, хляб и други. Въпреки това, „интуитивните нанотехнологии“, които първоначално са се развили спонтанно, без правилно разбиране на природата на използваните обекти и процеси, не могат да бъдат надеждна основа в бъдеще. Ето защо фундаменталните изследвания, насочени към създаване на принципно нови технологични процеси и продукти, са от първостепенно значение. Може би нанотехнологиите ще могат да заменят някои от остарелите и неефективни технологии, но все пак основното им място е в нови области, в които по принцип е невъзможно да се постигнат необходимите резултати с традиционните методи.
По този начин в огромната и все още слабо развита пропаст между макронивото, където действат добре развитите континуални теории за непрекъснати среди и инженерни методи за изчисление и проектиране, и атомните, подчинени на законите на квантовата механика, съществува обширна мезойерархична ниво на структурата на материята (techos - среден, междинен с гръцки). На това ниво протичат жизненоважни биохимични процеси между макромолекулите на ДНК, РНК, протеини, ензими и субклетъчни структури, които изискват по-задълбочено разбиране. В същото време тук могат изкуствено да се създават безпрецедентни продукти и технологии, които могат радикално да променят живота на цялата човешка общност. В същото време няма да са необходими големи разходи за суровини и енергия, както и средства за тяхното транспортиране, количеството отпадъци и замърсяването на околната среда ще бъдат намалени, а работата ще стане по-интелигентна и здравословна.
Лекция No19
През последните години нанотехнологиите се превърнаха в една от най-важните и вълнуващи области на знанието в челните редици на физиката, химията, биологията и инженерните науки. Има големи надежди за ранни пробиви и нови насоки в технологичното развитие в много области на дейност. За да се улесни и ускори широкомащабното използване на този нов подход, е важно да има общо разбиране и някои специфични познания, които, от една страна, да бъдат достатъчно подробни и задълбочени, за да обхванат подробно темата, и в същото време, достатъчно достъпно и пълно, за да бъде полезно на широк кръг специалисти, желаещи да научат повече за същността на проблематиката и перспективите в тази област.
Настоящият широко разпространен интерес към нанотехнологиите датира от 1996 - 1998 г., когато правителствена комисия, подпомагана от Световния център за оценка на технологиите (WTEC), финансиран от Националната научна фондация на САЩ и други федерални агенции, предприе проучване на световния опит в изследванията и развитие в областта.нанотехнологии с цел оценка на техния технологичен иновативен потенциал. Нанотехнологиите се основават на разбирането, че частици, по-малки от 100 нанометра (един нанометър е една милиардна част от метъра), придават нови свойства и поведение на материалите, направени от тях. Това е така, защото обекти с размери, по-малки от характерната дължина (която се определя от природата на конкретното явление) често показват различна физика и химия, което води до така наречените размерни ефекти - ново поведение в зависимост от размера на частиците. Например, промени в електронната структура, проводимостта, реактивността, точката на топене и механичните характеристики се наблюдават при размери на частиците, по-малки от критичните. Зависимостта на поведението от размера на частиците прави възможно проектирането на материали с нови свойства от същите изходни атоми.
WTEC заключи, че тази технология има огромен потенциал за използване в изключително голям и разнообразен набор от практически приложения, от производството на по-здрави и по-леки структурни материали до намаляване на времето за доставка на наноструктурирани лекарства в кръвоносната система, увеличаване на капацитета на магнитните среди и създаване тригери за бързи компютри. Препоръките, направени от този и следващите комитети, доведоха до отпускането на много големи средства за развитието на нанонауката и нанотехнологиите през последните години. Интердисциплинарните изследвания обхващат широк спектър от теми, от химията на катализата на наночастиците до физиката на лазерите с квантови точки. В резултат на това, за да се оценят по-широките перспективи и последици от развитието на нанотехнологиите и да се даде принос към тази вълнуваща нова област, беше осъзнато, че изследователите трябва периодично да излизат извън тясната си област на експертиза. Техническите мениджъри, експертите и лицата, вземащи финансови решения, трябва да разбират много широк набор от дисциплини.
Нанотехнологиите започнаха да се разглеждат не само като един от най-обещаващите клонове на високите технологии, но и като системообразуващ фактор в икономиката на 21 век - икономика, основана на знанието, а не на използването на природните ресурси или техните обработка. В допълнение към факта, че нанотехнологиите стимулират развитието на нова парадигма за всички производствени дейности („отдолу нагоре“ – от отделните атоми – към продукта, а не „отгоре надолу“, както е в радиационната технология, при която продуктът се получава чрез изрязване на излишния материал от по-масивни препарати), самият той е източник на нови подходи за подобряване на жизнения стандарт и решаване на много социални проблеми в постиндустриалното общество. Според повечето експерти в областта на научната и технологична политика и инвестиции, започналата нанотехнологична революция ще обхване всички жизненоважни области на човешката дейност (от изследването на космоса до медицината, от националната сигурност до екологията и селското стопанство), а последствията от нея ще бъдат по-широко и по-дълбоко от компютърните революции от последната третина на 20 век. Всичко това поставя предизвикателства и въпроси не само в научно-техническата сфера, но и пред администраторите на различни нива, потенциалните инвеститори, образователния сектор и държавните агенции. управление и др.
През последните години се появиха достатъчен брой публикации, посветени на теоретичните въпроси, свойствата и практическите приложения на наноматериалите и нанотехнологиите. По-специално, тази тема е широко представена в книгата на авторите C. Poole и Jr. F. Оуенс, Нанотехнологии, прев. от английски, 2-ро, разширено издание, изд. "Техносфера", М., 2006, 335 с. Авторите отбелязват, че въпреки че тази книга първоначално е била замислена като въведение в нанотехнологиите, поради самото естество на тази наука, тя се е превърнала във въведение в определени области на нанотехнологиите, които изглежда са типични за нея. Поради бързия темп на развитие и интердисциплинарния характер е невъзможно да се осигури наистина изчерпателно представяне на темата. Представените теми бяха избрани въз основа на постигнатата дълбочина на разбиране на проблематиката, обхвата на техния потенциал или съществуващи приложения в технологиите. Много глави обсъждат настоящи и бъдещи възможности. Предоставени са препратки към литература за тези, които желаят да научат повече за конкретните области, в които се разработва тази технология.
Авторите са се опитали да осигурят въведение в темата за нанотехнологиите, написано на ниво, така че изследователите в различни области да могат да оценят развитието в областта извън техните професионални интереси, а техническите лидери и мениджъри да получат общ поглед върху темата. Може би тази книга може да се използва като основа за университетски курс по нанотехнологии. Много глави предоставят въведение във физичните и химичните принципи, залегнали в обсъжданите области. По този начин много глави са самостоятелни и могат да се изучават независимо една от друга. Така Глава 2 започва с кратък преглед на свойствата на насипните материали, необходими за разбирането как и защо свойствата на материалите се променят, когато размерът на техните структурни единици се доближава до нанометъра. Важен тласък за такова бързо развитие на нанотехнологиите беше създаването на нови инструменти (като сканиращия тунелен микроскоп), които направиха възможно да се видят характеристики с нанометрови размери на повърхността на материалите. Следователно глава 3 описва най-важните системи от инструменти и предоставя илюстрации на измервания в наноматериали. Останалите глави разглеждат други аспекти на проблема. Книгата обхваща много широк кръг от проблеми и теми: ефекти, свързани с размера и размерите на обекти на нанонауката и технологията, магнитни, електрически и оптични свойства на наноструктурирани материали, методи за тяхното получаване и изследване, самосглобяване и катализа в наноструктури , нанобиотехнологии, интегрирани наноелектромеханични устройства, фулерити, нанотръби и много други. Описани са редица съвременни методи за изследване и сертифициране на наноструктури и нанообекти: електронна и йонно-полева микроскопия, оптична, рентгенова и магнитна спектроскопия.
В същото време се забелязват и пропуски в структурата и съдържанието на отделните раздели. По този начин почти няма информация за наноелектрониката, спинтрониката или нови идеи относно квантовите изчисления и компютрите. Повечето от тях дори не се споменават. Съвсем недостатъчно внимание е отделено на изключително мощните и широко разпространени сондови сканиращи методи за изследване, квалификация, литография и атомно-молекулен дизайн. Малък параграф, посветен на тези въпроси, е напълно несъразмерен с ролята и мястото на сондажната нанотехнология. Много скромно място се отделя на слабата свръхпроводимост и много обещаващи устройства, базирани на нея. Слабо са представени филми и хетероструктури, които играят важна роля в съвременната планарна електроника, свръхтвърди и износоустойчиви покрития и др.. В резултат на това няма материали, обхващащи методи за сертифициране на тези структури, по-специално характеризиращи механичните свойства на тънки слоеве и нанообеми, като се използват методи за локално силови нанотестване (наноиндентация), наноскрабиране и др.).
Отбелязваме също, че никъде не е дадена систематизация на обектите и процесите на нанотехнологиите, в резултат на което неопитният читател остава неясно с каква част от темата ще може да се запознае, след като прочете тази книга.
Въпреки отбелязаните по-горе недостатъци, като цяло книгата може да се счита за полезна за широк кръг читатели, включително студенти по физика, химия и материалознание. Последното е още по-актуално, тъй като учебната литература по нанотехнологии на руски език почти липсва, а нуждата от нея е голяма поради започналото през 2003 г. обучение на специалисти по наноматериали и наноелектроника в 12 руски университета.
Не всички възгледи и интерпретации на авторите могат да бъдат безусловно съгласни. Въпреки това, за да не се претрупа текстът с голям брой коментари, допълнения и критики, по време на превода и редактирането бяха отстранени само очевидни грешки, несъответствия и печатни грешки.
По време на написването на книгата и нейното преиздаване на руски език бяха публикувани много полезни книги, някои от които са изброени по-долу. Използвайки ги, заинтересованият читател може да се запознае по-задълбочено с отделни раздели и панорамата на нанотехнологиите като цяло.
Наноматериалите условно включват диспергирани и масивни материали, съдържащи структурни елементи (зърна, кристалити, блокове, клъстери и др.), чиито геометрични размери в поне едно измерение не надвишават 100 nm и които имат качествено нови функционални и експлоатационни характеристики. Нанотехнологиите включват технологии, които предоставят възможност за създаване и модифициране на наноматериали по контролиран начин, както и за интегрирането им в напълно функциониращи по-мащабни системи. Сред основните компоненти на науката за наноматериалите и нанотехнологиите са следните:
фундаментални изследвания на свойствата на материалите на наномащабно ниво;
развитие на нанотехнологиите за целенасочено създаване на наноматериали, както и търсене и използване на природни обекти с наноструктурни елементи, създаване на готови продукти с помощта на наноматериали и интегриране на наноматериали и нанотехнологии в различни отрасли на промишлеността и науката;
разработване на средства и методи за изследване на структурата и свойствата на наноматериалите, както и методи за мониторинг и сертифициране на продукти и полуфабрикати за нанотехнологиите.
21 век бе белязан от революционно начало в развитието на нанотехнологиите и наноматериалите. Те вече се използват във всички развити страни по света в най-важните области на човешката дейност (индустрия, отбрана, информационна сфера, радиоелектроника, енергетика, транспорт, биотехнологии, медицина). Анализът на нарастването на инвестициите, броят на публикациите по тази тема и темповете на внедряване на фундаментални и проучвателни разработки ни позволява да заключим, че през следващите 20 години използването на нанотехнологии и наноматериали ще бъде един от определящите фактори в научната , икономическо и отбранително развитие на държавите. В момента интересът към нов клас материали в областта както на фундаменталната, така и на приложната наука, индустрията и бизнеса непрекъснато нараства. Това се дължи на следните причини:
желанието за миниатюризиране на продуктите,
уникални свойства на материалите в наноструктурирано състояние,
необходимостта от разработване и внедряване на материали с качествено и количествено нови свойства,
разработване на нови технологични техники и методи, основани на принципите на самосглобяване и самоорганизация,
практическо внедряване на съвременни инструменти за изследване, диагностика и модификация на наноматериали (сканираща сондова микроскопия),
разработване и внедряване на нови технологии, които са последователност от литографски процеси, технологии за производство на нанопрахове.
Посоката на наноструктурните изследвания почти напълно се измести от производството и изследването на нанокристални вещества и материали към областта на нанотехнологиите, т.е. създаването на продукти, устройства и системи с наноразмерни елементи. Основните области на приложение на наномащабните елементи са електрониката, медицината, химическата фармацевтика и биологията.
Президентът на Русия Дмитрий Медведев е уверен, че в страната има всички условия за успешното развитие на нанотехнологиите.
Нанотехнологиите са ново направление в науката и технологиите, което се развива активно през последните десетилетия. Нанотехнологиите включват създаването и използването на материали, устройства и технически системи, чието функциониране се определя от наноструктурата, тоест нейните подредени фрагменти с размери от 1 до 100 нанометра.
Префиксът "нано", който идва от гръцки език ("нанос" на гръцки - гном), означава една милиардна част. Един нанометър (nm) е една милиардна от метъра.
Терминът „нанотехнология“ е измислен през 1974 г. от Норио Танигучи, учен по материали в Токийския университет, който го дефинира като „технология за производство, която може да постигне ултра-висока прецизност и ултра-малки размери... от порядъка на 1 nm...” .
В световната литература нанонауката се разграничава ясно от нанотехнологията. Терминът наномащабна наука се използва и за нанонаука.
На руски език и в практиката на руското законодателство и нормативни документи терминът „нанотехнология“ съчетава „нанонаука“, „нанотехнология“, а понякога дори „наноиндустрия“ (области на бизнеса и производството, където се използват нанотехнологии).
Най-важните компоненти на нанотехнологиите са наноматериали, тоест материали, чиито необичайни функционални свойства се определят от подредената структура на техните нанофрагменти с размери от 1 до 100 nm.
- нанопорести структури;
- наночастици;
- нанотръби и нановлакна
- нанодисперсии (колоиди);
- наноструктурирани повърхности и филми;
- нанокристали и нанокластери.
Наносистемна технология- функционално завършени системи и устройства, създадени изцяло или частично на базата на наноматериали и нанотехнологии, чиито характеристики са коренно различни от тези на системи и устройства за подобно предназначение, създадени по традиционни технологии.
Области на приложение на нанотехнологиите
Почти невъзможно е да се изброят всички области, в които тази глобална технология може значително да повлияе на технологичния прогрес. Можем да назовем само няколко от тях:
- елементи на наноелектрониката и нанофотониката (полупроводникови транзистори и лазери);
- фотодетектори; Слънчеви клетки; различни сензори);
- свръхплътни устройства за запис на информация;
- телекомуникации, информационни и изчислителни технологии; суперкомпютри;
- видео техника - плоски екрани, монитори, видеопроектори;
- молекулярни електронни устройства, включително ключове и електронни схеми на молекулярно ниво;
- нанолитография и наноотпечатване;
- горивни клетки и устройства за съхранение на енергия;
- устройства на микро- и наномеханика, включително молекулярни двигатели и наномотори, нанороботи;
- нанохимия и катализа, включително контрол на горенето, покритие, електрохимия и фармацевтични продукти;
- авиационни, космически и отбранителни приложения;
- устройства за мониторинг на околната среда;
- целенасочена доставка на лекарства и протеини, биополимери и заздравяване на биологични тъкани, клинична и медицинска диагностика, създаване на изкуствени мускули, кости, имплантиране на живи органи;
- биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментация;
- регистриране и идентифициране на канцерогенни тъкани, патогени и биологично вредни агенти;
- безопасност в селското стопанство и производството на храни.
Компютри и микроелектроника
Нанокомпютър— изчислително устройство, базирано на електронни (механични, биохимични, квантови) технологии с размер на логическите елементи от порядъка на няколко нанометра. Самият компютър, разработен на базата на нанотехнологиите, също е с микроскопични размери.
ДНК компютър- изчислителна система, която използва изчислителните възможности на ДНК молекулите. Биомолекулярното изчисление е сборно наименование за различни техники, свързани по един или друг начин с ДНК или РНК. В ДНК изчисленията данните се представят не под формата на нули и единици, а под формата на молекулярна структура, изградена на базата на спиралата на ДНК. Ролята на софтуер за четене, копиране и управление на данни се изпълнява от специални ензими.
Атомно-силов микроскоп- микроскоп със сканираща сонда с висока разделителна способност, базиран на взаимодействието на конзолна игла (сонда) с повърхността на изследваната проба. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп (STM), той може да изследва както проводими, така и непроводими повърхности дори през слой течност, което прави възможна работата с органични молекули (ДНК). Пространствената разделителна способност на атомно-силовия микроскоп зависи от размера на конзолата и кривината на нейния връх. Разделителната способност достига атомна хоризонтално и значително я надвишава вертикално.
Антена-осцилатор- На 9 февруари 2005 г. в лабораторията на Бостънския университет е получена антена-осцилатор с размери около 1 микрон. Това устройство има 5000 милиона атома и е в състояние да осцилира с честота от 1,49 гигахерца, което му позволява да предава огромни количества информация.
Наномедицина и фармацевтична индустрия
Направление в съвременната медицина, основано на използването на уникалните свойства на наноматериалите и нанообектите за проследяване, проектиране и модифициране на човешки биологични системи на наномолекулно ниво.
ДНК нанотехнологии- използват специфични бази на ДНК и молекули на нуклеинова киселина за създаване на ясно дефинирани структури на тяхна основа.
Индустриален синтез на лекарствени молекули и фармакологични препарати с ясно определена форма (бис-пептиди).
В началото на 2000 г. бързият напредък в технологията за наночастици даде тласък на развитието на нова област на нанотехнологиите: наноплазмоника. Оказа се, че е възможно да се предава електромагнитно излъчване по верига от метални наночастици, като се използва възбуждането на плазмонни трептения.
роботика
Нанороботи- роботи, създадени от наноматериали и сравними по размер с молекула, с функции за движение, обработка и предаване на информация и изпълнение на програми. Нанороботи, способни да създават свои копия, т.е. самовъзпроизвеждане се наричат репликатори.
В момента вече са създадени електромеханични наноустройства с ограничена подвижност, които могат да се считат за прототипи на нанороботи.
Молекулярни ротори- синтетични наноразмерни двигатели, способни да генерират въртящ момент, когато към тях се приложи достатъчно енергия.
Мястото на Русия сред страните, разработващи и произвеждащи нанотехнологии
Световните лидери по общи инвестиции в нанотехнологиите са страните от ЕС, Япония и САЩ. Напоследък Русия, Китай, Бразилия и Индия значително увеличиха инвестициите в тази индустрия. В Русия размерът на финансирането по програмата „Развитие на инфраструктурата на наноиндустрията в Руската федерация за 2008 - 2010 г.“ ще възлиза на 27,7 милиарда рубли.
Последният (2008) доклад на базираната в Лондон изследователска фирма Cientifica, наречен Доклад за перспективите на нанотехнологиите, описва руските инвестиции дословно по следния начин: „Въпреки че ЕС все още е на първо място по отношение на инвестициите, Китай и Русия вече изпревариха Съединените щати. ”
Има области в нанотехнологиите, в които руските учени станаха първите в света, като получиха резултати, които поставиха основата за развитието на нови научни направления.
Сред тях са производството на ултрадисперсни наноматериали, проектирането на едноелектронни устройства, както и работата в областта на атомната сила и сканиращата сондова микроскопия. Само на специална изложба, проведена в рамките на XII Санкт Петербургски икономически форум (2008 г.), бяха представени наведнъж 80 конкретни разработки.
Русия вече произвежда редица нанопродукти, които се търсят на пазара: наномембрани, нанопрахове, нанотръби. Въпреки това, според експерти, в комерсиализацията на нанотехнологичните разработки Русия изостава от САЩ и други развити страни с десет години.
Материалът е изготвен въз основа на информация от открити източници
