G. G. Elenin
Kratke informacije o autoru: profesor Fakulteta računarske matematike i kibernetike Moskovskog državnog univerziteta. M.V. Lomonosov, vodeći istraživač na Institutu za primijenjenu matematiku im. M.V.Keldysh RAS.
Ako čelična kocka ili kristal soli sastavljen od identičnih atoma mogu pokazati zanimljiva svojstva; ako je voda – jednostavne kapljice, koje se ne razlikuju jedna od druge i pokrivaju milju za milju površine Zemlje – sposobna da stvara valove i pjenu, grmljavinu valova i čudne šare na granitu nasipa; ako je sve ovo, svo bogatstvo života u vodama, samo svojstvo nakupina atoma, koliko se onda još mogućnosti krije u njima? Ako, umjesto da atome poredamo, red po red, stupac po stupac, čak i umjesto da od njih konstruiramo zamršene molekule mirisa ljubičice, ako ih umjesto toga svaki put rasporedimo na nov način, diverzificirajući njihov mozaik, a da ga ne ponavljamo , šta se već dogodilo - zamislite koliko se neobičnih, neočekivanih stvari može pojaviti u njihovom ponašanju.
R. P. Feynman
Predmet, ciljevi i glavni pravci u nanotehnologiji
Prema Enciklopedijskom rječniku, tehnologija je skup metoda obrade, proizvodnje, promjene stanja, svojstava, oblika sirovina, materijala ili poluproizvoda koji se obavljaju u procesu proizvodnje.
Posebnost nanotehnologije je da se procesi koji se razmatraju i izvršene radnje odvijaju u nanometarskom opsegu prostornih dimenzija 1 . “Sirovi materijali” su pojedinačni atomi, molekuli, molekularni sistemi, a ne mikronski ili makroskopski volumeni materijala poznatih u tradicionalnoj tehnologiji, koji sadrže najmanje milijarde atoma i molekula. Za razliku od tradicionalne tehnologije, nanotehnologiju karakterizira "individualni" pristup, u kojem vanjska kontrola dopire do pojedinačnih atoma i molekula, što omogućuje stvaranje od njih oba "bez defekata" materijala s fundamentalno novim fizičkim, kemijskim i biološkim svojstvima. , te nove klase uređaja s karakterističnim nanometarskim veličinama. Koncept „nanotehnologije“ još nije uspostavljen. Očigledno se može pratiti sljedeća radna definicija.
Nanotehnologija je interdisciplinarna oblast nauke u kojoj se proučavaju zakoni fizičkih i hemijskih procesa u prostornim oblastima nanometarskih dimenzija u cilju kontrole pojedinačnih atoma, molekula, molekularnih sistema u stvaranju novih molekula, nanostruktura, nanouređaja i materijala sa posebnim fizičkim , hemijska i biološka svojstva.
Analiza trenutnog stanja područja koje se brzo razvija omogućava nam da identifikujemo niz najvažnijih područja u njemu.
Molekularni dizajn. Disekcija postojećih molekula i sinteza novih molekula u visoko nehomogenim elektromagnetnim poljima.
Nauka o materijalima. Stvaranje "bez defekata" materijala visoke čvrstoće, materijala visoke provodljivosti.
Instrumentacija. Izrada skenirajućih tunelskih mikroskopa, mikroskopa atomske sile 2 , mikroskopa magnetne sile, sistema sa više tačaka za molekularni dizajn, minijaturnih ultraosjetljivih senzora, nanorobota.
Elektronika. Dizajn nanometarske elementne baze za računare nove generacije, nanožice, tranzistore, ispravljače, displeje, akustične sisteme.
Optika. Stvaranje nanolasera. Sinteza viševrh sistema sa nanolaserima.
Heterogena kataliza. Razvoj katalizatora sa nanostrukturama za klase reakcija selektivne katalize.
Lijek. Dizajniranje nanoinstrumenata za uništavanje virusa, lokalnu „popravku“ organa i preciznu dostavu doza lijeka na određena mjesta u živom organizmu.
Tribologija. Određivanje odnosa između nanostrukture materijala i sila trenja i korištenje ovog znanja za proizvodnju obećavajućih parova trenja.
Kontrolisane nuklearne reakcije. Akceleratori nanočestica, nestatističke nuklearne reakcije.
Skenirajuća tunelska mikroskopija
Najmanje dva događaja odigrala su značajnu ulogu u nezaustavljivom istraživanju nanosvijeta:
Izrada skenirajućeg tunelskog mikroskopa (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) i skenirajućeg mikroskopa atomske sile (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nobelova nagrada 1992);
Otkriće novog oblika postojanja ugljika u prirodi - fulerena (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985.) (Nobelova nagrada 1996.).
Novi mikroskopi omogućili su promatranje atomsko-molekularne strukture površine monokristala u rasponu veličina nanometara. Najbolja prostorna rezolucija instrumenata je stoti dio nanometra duž normale na površinu. Rad skenirajućeg tunelskog mikroskopa zasniva se na tuneliranju elektrona kroz vakuumsku barijeru. Visoka rezolucija je zbog činjenice da se tunelska struja mijenja za tri reda veličine kada se širina barijere promijeni za veličinu atoma. Teoriju efekta kvantnog tuneliranja postavio je G.A. Gamow 1928. u svojim radovima o a-raspadu.
Uz pomoć različitih skenirajućih mikroskopa trenutno se promatra atomska struktura površina monokristala metala, poluvodiča, visokotemperaturnih supravodiča, organskih molekula i bioloških objekata. Na sl. 1 prikazana je rekonstruirana površina donje terase (100) lica silicijskog monokristala. Sivi krugovi su slike atoma silicijuma. Tamne oblasti su lokalni nanometarski defekti. Na sl. Slika 2 prikazuje atomsku strukturu čiste površine (110) lica od srebra (lijevi okvir) i iste površine prekrivene atomima kisika (desni okvir). Pokazalo se da se kisik ne adsorbira nasumično, već formira prilično dugačke lance duž određenog kristalografskog smjera. Prisustvo dvostrukih i jednostrukih lanaca ukazuje na dva oblika kiseonika.
Ovi oblici igraju važnu ulogu u selektivnoj oksidaciji ugljikovodika kao što je etilen. Na sl. 3 možete vidjeti nanostrukturu visokotemperaturnog supravodiča Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2. U lijevom okviru Sl. 4, prstenovi molekula benzena (C 6 H 6) su jasno vidljivi. Desni okvir prikazuje CH 2 lance od polietilena. Rad predstavlja sekvencu kadrova iz laboratorijskog filma o prodiranju virusa u živu ćeliju.
Novi mikroskopi su korisni ne samo za proučavanje atomske i molekularne strukture materije. Ispostavilo se da su pogodni za konstruisanje nanostruktura. Uz pomoć određenih pokreta vrhom mikroskopa moguće je stvoriti atomske strukture. Slika 5 prikazuje faze stvaranja natpisa "IBM" od pojedinačnih atoma ksenona na (110) licu monokristala nikla. Pokreti vrha prilikom stvaranja nanostruktura od pojedinačnih atoma nalikuju tehnikama hokejaša kada napreduje pakom štapom. Interesantno je kreirati kompjuterske algoritme koji uspostavljaju netrivijalnu vezu između kretanja vrha i kretanja manipulisanih atoma na osnovu odgovarajućih matematičkih modela. Modeli i algoritmi su neophodni za razvoj automatskih "sastavljača" nanostruktura.
Rice. 4: a - C 6 H 6; b - CH 2 -CH 2
Rice. 5. Xe/Ni (110)
Nanomaterijali
Fulereni, kao novi oblik postojanja ugljika u prirodi, zajedno sa odavno poznatim dijamantom i grafitom, otkriveni su 1985. godine kada su astrofizičari pokušali da objasne spektre međuzvjezdane prašine. Pokazalo se da atomi ugljika mogu formirati visoko simetričnu molekulu C 60. Takav molekul se sastoji od 60 atoma ugljika raspoređenih na sferi prečnika približno jedan nanometar i podsjeća na fudbalsku loptu (slika 6). U skladu sa L. Eulerovom teoremom, atomi ugljika formiraju 12 pravilnih pentagona i 20 pravilnih šesterokuta. Molekul je dobio ime po arhitekti R. Fulleru, koji je izgradio kuću od peterokuta i šesterokuta. U početku se C 60 proizvodio u malim količinama, a zatim je 1990. godine otkrivena tehnologija za njihovu masovnu proizvodnju.
Fulerit. Molekule C60, zauzvrat, mogu formirati kristal fulerita s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice i prilično slabim međumolekularnim vezama. Ovaj kristal ima oktaedarske i tetraedarske šupljine u kojima se mogu nalaziti strani atomi. Ako se oktaedarske šupljine popune ionima alkalnih metala (¦ = K (kalijum), Rb (rubidijum), Cs (cezijum)), tada se na temperaturama ispod sobne temperature struktura ovih supstanci preuređuje i stvara se novi polimerni materijal ¦1C60 formirana. Ako se popune i tetraedarske šupljine, tada se formira supravodljivi materijal ¦3C60 sa kritičnom temperaturom od 20-40 K. Proučavanje supravodljivih fulerita se vrši, posebno, u Institutu. Max Planck u Stuttgartu. Postoje fuleriti sa drugim aditivima koji materijalu daju jedinstvena svojstva. Na primjer, C60-etilen ima feromagnetna svojstva. Visoka aktivnost u novoj oblasti hemije dovela je do činjenice da je do 1997. godine postojalo više od 9.000 jedinjenja fulerena.
Ugljične nanocijevi. Molekule sa gigantskim brojem atoma mogu se dobiti iz ugljika. Takav molekul, na primjer C=1.000.000, može biti jednoslojna cijev prečnika od oko nanometar i dužine od nekoliko desetina mikrona (slika 7). Na površini cijevi atomi ugljika nalaze se na vrhovima pravilnih šesterokuta. Krajevi cijevi su zatvoreni sa šest pravilnih peterokuta. Treba napomenuti ulogu broja stranica pravilnih poligona u formiranju dvodimenzionalnih površina koje se sastoje od
Rice. 7. Nehiralne nanocevi: a - C(n", n) - metal;
L-C(n, 0):mod (n, 3) = 0 - polumetal
mod(n, 3)!= 0 je poluprovodnik.
Rice. 8. Zakrivljena cijev
atoma ugljika, u trodimenzionalnom prostoru. Pravilni heksagoni su ćelija u ravnoj grafitnoj ploči koja se može umotati u cijevi različite kiralnosti (m, n) 3 . Pravilni peterokuti (sedmouglovi) su lokalni defekti u grafitnom listu, koji omogućavaju da se dobije njegova pozitivna (negativna) zakrivljenost. Dakle, kombinacije pravilnih peterokuta, šesterokuta i sedmerougla omogućavaju dobijanje različitih oblika ugljeničnih površina u trodimenzionalnom prostoru (slika 8). Geometrija ovih nanostruktura određuje njihova jedinstvena fizička i hemijska svojstva i, shodno tome, mogućnost postojanja fundamentalno novih materijala i tehnologija za njihovu proizvodnju. Predviđanje fizičko-hemijskih svojstava novih ugljičnih materijala vrši se korištenjem kvantnih modela i proračuna u okviru molekularne dinamike. Uz jednoslojne cijevi moguće je izraditi višeslojne cijevi. Za proizvodnju nanocijevi koriste se specijalni katalizatori.
Šta je jedinstveno kod novih materijala? Zaustavimo se samo na tri važna svojstva.
Super jaki materijali. Veze između atoma ugljika u grafitnom listu su najjače poznate, tako da su ugljične cijevi bez defekata dva reda veličine jače od čelika i otprilike četiri puta lakše! Jedan od najvažnijih tehnoloških izazova na polju novih ugljičnih materijala je stvaranje nanocijevi „beskonačne“ dužine. Od takvih cijevi moguće je proizvesti lagane kompozitne materijale ekstremne čvrstoće za potrebe tehnologije novog stoljeća. To su pogonski elementi mostova i zgrada, nosive konstrukcije kompaktnih aviona, elementi turbina, pogonski agregati motora sa izuzetno niskom specifičnom potrošnjom goriva itd. Trenutno su naučili da prave cijevi duge desetine mikrona s promjerom reda veličine jednog nanometra.
Visoko provodljivi materijali. Poznato je da je kod kristalnog grafita vodljivost duž ravnine sloja najveća među poznatim materijalima i, naprotiv, u smjeru okomitom na lim, mala. Stoga se očekuje da električni kablovi napravljeni od nanocevi imaju električnu provodljivost dva reda veličine veću na sobnoj temperaturi od bakrenih kablova. To je stvar tehnologije koja omogućava proizvodnju cijevi dovoljne dužine i količine,
Nanoklasteri
Mnogi nano-objekti uključuju ultra-male čestice koje se sastoje od desetina, stotina ili hiljada atoma. Svojstva klastera se radikalno razlikuju od svojstava makroskopskih zapremina materijala istog sastava. Od nanoklastera, kao i od velikih građevinskih blokova, moguće je namjerno konstruirati nove materijale s unaprijed određenim svojstvima i koristiti ih u katalitičkim reakcijama, za odvajanje plinskih mješavina i skladištenje plinova. Jedan primjer je Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 . Od velikog interesa su magnetni klasteri koji se sastoje od atoma prelaznih metala, lantinida i aktinida. Ovi klasteri imaju svoj magnetni moment, što omogućava kontrolu njihovih svojstava pomoću vanjskog magnetskog polja. Primjer je visokorotirajući organometalni molekul Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Ovaj elegantni dizajn sastoji se od četiri spin 3/2 Mn 4+ jona koji se nalaze na vrhovima tetraedra, osam spin 2 Mn 3+ jona koji okružuju tetraedar. Interakciju između jona mangana vrše joni kiseonika. Antiferomagnetne interakcije spinova iona Mn 4+ i Mn 3+ dovode do ukupnog spina od 10, što je prilično veliko. Acetatne grupe i molekuli vode razdvajaju klastere Mn 12 jedan od drugog u molekularnom kristalu. Interakcija klastera u kristalu je izuzetno mala. Nanomagneti su od interesa za dizajn procesora za kvantne računare. Osim toga, prilikom proučavanja ovog kvantnog sistema otkriveni su fenomeni bistabilnosti i histereze. Ako uzmemo u obzir da je udaljenost između molekula oko 10 nanometara, onda gustina memorije u takvom sistemu može biti reda veličine 10 gigabajta po kvadratnom centimetru.
nanouređaji
Nanocijevi mogu biti osnova novih dizajna ravnih akustičkih sistema i ravnih ekrana, odnosno poznatih makroskopskih uređaja. Od nanomaterijala se mogu kreirati određeni nanouređaji, na primjer, nanomotori, nanomanipulatori, molekularne pumpe, memorija visoke gustoće i elementi mehanizama nanorobota. Pogledajmo ukratko modele nekih nanouređaja.
Molekularni zupčanici i pumpe. Modele nanouređaja predložio je K.E. Drexler i R. Merkle iz IMM-a (Institut za molekularnu proizvodnju, Palo Alto). Osovine zupčanika u mjenjaču su karbonske nanocijevi, a zupci su molekuli benzena. Karakteristične brzine rotacije zupčanika su nekoliko desetina gigaherca. Uređaji „rade“ ili u dubokom vakuumu ili u inertnoj sredini na sobnoj temperaturi. Inertni gasovi se koriste za „hlađenje” uređaja.
Dijamantska memorija za računare. Model memorije visoke gustine razvio je Ch. Bauschlicher i R. Merkle iz NASA-e. Dizajn uređaja je jednostavan i sastoji se od sonde i dijamantske površine. Sonda je ugljikova nanocijev (9, O) ili (5, 5), koja se završava hemisferom C 60, za koju je vezan molekul C 5 H 5 N. Površina dijamanta je prekrivena monoslojem atoma vodonika. Neki atomi vodika su zamijenjeni atomima fluora. Prilikom skeniranja sonde duž površine dijamanta obložene monoslojem adsorbata, molekula C 5 H 5 N, prema kvantnim modelima, može razlikovati adsorbirani atom fluora od adsorbiranog atoma vodika. Budući da oko 1015 atoma stane na jedan kvadratni centimetar površine, gustina snimanja može doseći 100 terabajta po kvadratnom centimetru.
Gore navedeni primjeri laboratorijskih eksperimentalnih rezultata i modela nanouređaja predstavljaju novi izazov za teoriju, računarsku fiziku, hemiju i matematiku. Potrebno je razumijevanje "viđenog" i "primljenog". Za rad u nanometarskom rasponu veličina potreban je razvoj intuicije. Još jednom se čuje Faustova primedba Wagneru:
„Šta znači razumjeti?
To je, prijatelju, pitanje.
U tom smislu, nismo u redu."
Nove grane računarske fizike i računarske hemije
Prije više od pedeset godina, atomski i termonuklearni problemi, problemi stvaranja novih letjelica i istraživanja svemira u blizini Zemlje ponovo su postavili faustovsko pitanje o novom nivou razumijevanja fizičkih i kemijskih fenomena. Uspješan rad na ovim problemima doveo je do nastanka i razvoja
1) računarska fizika, posebno njene oblasti kao npr
magnetna i radijaciona hidro- i aerodinamika,
mehanika leta svemirske letjelice,
teorija plazme i kontrolirane termonuklearne fuzije;
2) računarska hemija sa sekcijama kao što su
teorija jednadžbe stanja materije,
molekularna dinamika,
teorija hemijskih procesa i aparata;
3) računarska matematika i računarstvo sa oblastima kao što su
numeričke metode matematičke fizike,
teorija automata,
optimalna kontrola,
prepoznavanje uzoraka,
ekspertni sistemi,
automatski dizajn.
Savremene mogućnosti laboratorijskih eksperimenata za posmatranje i proučavanje pojava na nanometarskoj skali prostornih dimenzija i atraktivne perspektive za stvaranje jedinstvenih materijala i nanouređaja otvaraju nove teorijske probleme.
Želeo bih da razumem šta se zapravo „uočava“ kod skenirajuće tunelske mikroskopije?
Koje se nove stvari potencijalno mogu uočiti, a koje nove stvari potencijalno dobiti u nanosistemima? I pod kojim uslovima?
Kako kontrolirati pojedinačne atome i grupe atoma i molekula za postizanje određenih ciljeva? Koje su granice ove kontrole?
Kako organizirati samomontažu nanouređaja i jedinstvenih materijala „bez defekata“?
U kojoj meri makrookruženje „ograničava“ kvantna stanja nanosistema?
Potreba za konstruktivnim rešenjem ovih problema dovodi do intenzivnog istraživanja, formiranja novih oblasti u računarskoj fizici i računarskoj hemiji. Istaknimo takve dijelove u mjeriteljstvu, mehanici, elektrodinamici, optici i teoriji samoorganizacije. U svakom od ovih odjeljaka ćemo identificirati nekoliko problema.
metrologija
1. Izrada kompjuterskih modela sistema "instrument-nanoobjekat" i njihova kalibracija.
2. Automatizacija nanometarskih mjerenja i kreiranje baza podataka.
Mehanika
1. Proučavanje mehaničkih naprezanja i deformacija u nanomaterijalima i nanoobjektima, analiza trenja.
2. Simulacija kretanja sonde tokom ciljane manipulacije nanoobjektom.
3. Modeliranje kretanja u nanomehanizmima za nanouređaje, proračun nanomanipulatora.
4. Razvoj kontrolnih sistema za nanorobote.
Elektrodinamika
1. Modeliranje dinamike atoma i molekula u ekstremno nehomogenim elektromagnetnim poljima stvorenim sistemima sa više tačaka.
2. Proračun električnih i magnetskih svojstava nanomaterijala.
1. Modeliranje mehanizama zračenja, širenja i apsorpcije svjetlosti u nanoobjektima.
2. Proračun nanolasera i hibridnih sistema "sonde + nanolaser".
Teorija samoorganizacije
1. Formulacija osnovnih principa samosastavljanja nanostruktura.
2. Kreiranje kompjuterskih algoritama za samosastavljanje.
3. Razvoj računskih algoritama za kvalitativnu analizu samomontažnih modela.
4. Modeliranje fenomena prostorno-vremenske samoorganizacije prilikom stvaranja nanomaterijala.
Epitaksija molekularnog zraka i nanolitografija
1. Stvaranje tankih metalnih filmova koji služe kao osnova za visokokvalitetne magnetne materijale.
2. Projektovanje osnovnih elemenata nanoelektronike.
3. Stvaranje katalizatora za selektivnu katalizu.
Želio bih još jednom naglasiti potrebu održavanja striktne ravnoteže između laboratorijskog eksperimenta, teorije i matematičkog modeliranja. Ponekad možete čuti izjave da je precizni eksperiment trenutno veoma skup i da se može zamijeniti jeftinijim matematičkim modeliranjem. Postoji i suprotna pozicija u kojoj se umanjuje uloga metoda matematičkog istraživanja. Najjednostavniji primjeri netrivijalnih pojava u nanometarskom rasponu prostornih dimenzija pokazuju potpunu nedosljednost radikalnih pozicija.
Fenomeni prostorno-vremenske samoorganizacije na površini monokristala metala
Razmotrimo šta je na prvi pogled najjednostavniji, ali, kako se ispostavilo, netrivijalan problem. Recimo da bismo željeli uzgajati visokokvalitetan, ujednačen metalni film, kao što je platinasti film. Da bi se to postiglo, treba uzeti gusto zbijenu i prostorno homogenu površinu jednog kristala kao supstrat i na njega nanijeti sloj atoma iz Knudsenove ćelije u uvjetima visokog vakuuma. Atomi izlete iz ćelije, adsorbuju se na homogenu površinu, migriraju duž nje i formiraju novi sloj. Nakon što se formira prvi sloj, na njemu se formira sljedeći sloj itd. Proces određuju samo dva vanjska kontrolna makroparametra – površinska temperatura i protok atoma na površinu. Potrebno je samo odabrati temperaturu i brzinu snabdijevanja atoma na način da za vrijeme karakterističnog vremena snabdijevanja novog atoma atom koji migrira duž površine ima vremena da se integrira u rastući sloj. Čini se da ništa nije jednostavnije od simulacije rasta filma u okviru klasičnih modela matematičke fizike. Potrebno je opisati samo jedan proces: površinska difuzija dolaznih čestica. Da biste to učinili, možete koristiti jednadžbu difuzije s konstantnim izvorom u dvodimenzionalnoj prostornoj domeni, dopuniti je odgovarajućim graničnim uvjetom, na primjer, homogenim graničnim uvjetom druge vrste, i izvršiti proračune. Očigledno je da će se uz dovoljno brzu migraciju, bez obzira na početne uslove, sa dovoljno visokom preciznošću dobiti prostorno homogeno rješenje koje se monotono povećava u vremenu. Međutim, takvo modeliranje uopće ne opisuje proces rasta novog sloja i njegovu prostornu strukturu.
Eksperiment izveden korišćenjem skenirajućeg tunelskog mikroskopa sa Pt/Pt(111) 5 homosistemom pokazuje (slika 9) da adsorbovani atomi platine migriraju preko površine (111) površine monokristala platine, ne poštujući Fikov zakon. Oni formiraju ostrva novog sloja sa različitim prostornim strukturama u zavisnosti od vrednosti površinske temperature i brzine snabdevanja atomima. To mogu biti labavi otoci fraktalne strukture sa fraktalom
Fig.9. Pt/Pt (111)
Rice. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
dimenzija 1,78 (sl. 9a), odnosno kompaktna ostrva sa platonskim oblicima u obliku pravilnih trouglova (sl. 9b, 9d) i šestouglova (sl. 9c), štaviše, jednako orijentisana u odnosu na kristalografske ose. Dakle, na temperaturi od 400 K, vrhovi trouglova gledaju „nadole“ (slika 9b). Na temperaturi od 455 K rastuća ostrva poprimaju oblik pravilnih šesterokuta (slika 9c). Na višoj temperaturi ponovo se formira pravilan trokutasti oblik ostrva, ali ovaj put njihovi vrhovi gledaju "gore" (sl. 9d). Oblik i orijentacija trokutastih ostrva su stabilni. Dalje snabdijevanje atomima dovodi do trodimenzionalnog režima rasta, zbog čega je rastući sloj uvijek nehomogen i ima piramidalnu trodimenzionalnu strukturu.
U vezi sa posebnostima rasta, postavljaju se najmanje dva fundamentalna pitanja.
Kako teoretski opisati netrivijalno dinamičko ponašanje najjednostavnijeg sistema?
Koji su načini upravljanja sistemom kako bi se osigurao slojeviti rast i dobio visokokvalitetan prostorno ujednačen sloj?
Slična pitanja se javljaju iu heterosistemima, kada na površini jednog metala raste film drugog metala. Tako se u slučaju uzgoja srebrnog filma na platini mogu uočiti ostrva fraktalnih i dendritskih struktura, ostrva u obliku trosnovne zvezde kompanije Mercedes i drugi fenomeni prostorno-vremenske samoorganizacije koji prate nejednaka tri -dimenzionalni rast tankog metalnog filma. U slučaju rasta kobaltnog filma na homogenoj (0001) površini monokristala renijuma, formiraju se površinske legure različite stehiometrije i, shodno tome, prostorne strukture: CoRe (sl. 10a), Co 2 Re (sl. 10b), Co 3 Re (slika 10c) i netrivijalna površinska struktura. Na ilustracijama predstavljenim na sl. 10, može se vidjeti da su veliki krugovi (atomi renijuma) okruženi različitim brojem malih krugova (atomi kobalta). Ove legure imaju interesantna magnetna svojstva.
Nemoguće je ne zadržati se na još jednom paradoksalnom fenomenu - anomalno visokoj pokretljivosti velikih kompaktnih klastera. Prateći autore izvanrednog eksperimentalnog rada, razmotrimo kompaktni klaster pravilnog oblika, koji se sastoji od "magičnog" broja atoma iridija N = 1 + Zn(n - 1), n = 2, 3, .. ., na primjer, N = 19, na površini gusto zbijenog lica (111) iridijuma. Čini se da bi mobilnost klastera koji sadrži dva tuceta atoma, u cjelini, trebala biti mnogo redova veličine manja od mobilnosti jednog atoma, budući da se čini da je migracija atoma slučajan proces. Eksperiment je otkrio da je stopa migracije "ispravnih" klastera uporediva sa brzinom migracije jednog atoma! Ova posljedica kolektivnog kretanja atoma klastera zahtijeva detaljan teorijski opis i matematičko modeliranje. Rezultati takve analize su od velikog interesa za izračunavanje predeksponencijalne i efektivne energije aktivacije migracije za dinamičku Monte Carlo metodu i za kinetičke jednačine neidealnog sloja. Poznavajući stvarne stope migracije, može se ispravno procijeniti životni vijek struktura nanorazmjera.
Nema potrebe uvjeravati čitaoca da navedeni rezultati laboratorijskog eksperimenta pokazuju potrebu za razvojem klasičnih modela matematičke fizike. U proučavanju nanoobjekata, tamo gdje je to potrebno, treba napustiti ideju kontinuiranog medija, koji je u osnovi velike većine modela matematičke fizike. Modeliranje po inerciji, bez uzimanja u obzir rezultata laboratorijskog eksperimenta, dovodi do apsolutno pogrešnih rezultata. Očigledna je i potreba za novim modernim kursom matematičke fizike, koji uzima u obzir karakteristike nanoobjekata. Na ovom kursu posebno treba obratiti pažnju na
Rice. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
metode diskretne matematike, enumerativna kombinatorika, teorija grupa.
Složeniji primjeri netrivijalnog dinamičkog ponašanja otvorenih neidealnih sistema daju model reakcija heterogene katalize na određenim površinama monokristala plemenitih metala (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) pri niskim parcijalnim pritiscima u gasnoj fazi. To su reakcije oksidacije ugljičnog monoksida (CO) kisikom (O 2), kao i redukcija dušikovog monoksida (NO) vodonikom (H 2), amonijakom (NH 3) i ugljičnim monoksidom. Navedene reakcije imaju značajnu ulogu u ekološkom problemu toksičnih emisija sa naknadnim sagorevanjem (NO, CO, itd.) motora sa unutrašnjim sagorevanjem i termoelektrana. Istraživanja provedena posljednjih godina otkrila su fascinantnu nano- i mezodinamiku ovih sistema. Otkriveni su fazni prijelazi red-poremećaj, praćeni formiranjem superstruktura u monosloju adsorbata, fazni prijelazi kao što su fazno razdvajanje, spontana i adsorbatom indukovana rekonstrukcija površine monokristalnih površina i korozija katalizatora. Procesi prostorno-vremenske samoorganizacije koji se dešavaju na nanometarskoj skali usko su povezani sa sličnim fenomenima koji se posmatraju korišćenjem emisione fotoelektronske mikroskopije u mikrometarskom opsegu. Takvi fenomeni uključuju spiralu mikrometarske skale, stajaće i okidačke talase, dvostruku metastabilnost i hemijsku turbulenciju. Na slici 11 prikazani su rezultati istraživanja prostorno-vremenske samoorganizacije u reakciji oksidacije ugljičnog monoksida na površini monokristala Pt(210) korištenjem emisione fotoelektronske mikroskopije. Svaki okvir (380 x 380 mm) prikazuje prostornu raspodjelu adsorbiranih molekula CO (svijetla područja) i atoma kisika (tamna područja) na površini katalizatora za različite vrijednosti parcijalnih pritisaka CO i kisika u plinovitoj fazi pri konstantnoj temperatura površine. Jasno su vidljivi spiralni talasi i autotalasi faznog prelaza kao što je razdvajanje faza, fenomen dvostruke metastabilnosti itd.
1 Veličina atoma je nekoliko desetina nanometra.
2 Opis uređaja i principa njihovog rada nalazi se u.
3 Par prirodnih brojeva (m, n) definira vektor kiralnosti u ravni grafitnog lima. Os nanocijevi je okomita na vektor kiralnosti. Dakle, u (n, n) ((n, 0)) osa cijevi je paralelna (okomita) sa stranicom pravilnog šestougla.
4 Skraćenica BDC označava benzendikarboksil, a DMF označava dimetilformamid.
5 Brojevi u zagradama označavaju Millerove indekse lica monokristalne podloge.
Ključne tehnologije i materijali oduvijek su igrali glavnu ulogu u povijesti civilizacije, obavljajući ne samo uske proizvodne funkcije, već i društvene. Dovoljno je prisjetiti se koliko su kameno i bronzano doba, doba pare i elektriciteta, atomske energije i kompjutera bili veoma različiti. Po mišljenju mnogih stručnjaka, 21. vijek će biti vijek nanonauke i nanotehnologije, što će odrediti njegovo lice.
Nanoznanost se može definirati kao skup znanja o ponašanju materije na nanometarskoj skali, a nanotehnologija se može definirati kao umjetnost stvaranja i rada objekata s veličinama u rasponu od frakcija do stotina nanometara (barem u jednom ili dva od tri dimenzije).
Glavne komponente nanotehnologije prikazane su na Sl. 2.1. Njegov temeljni temelj je fizika, hemija i molekularna biologija umjetnih i prirodnih volumena koji se sastoje od prebrojivog broja atoma, tj. takvi objekti kod kojih se snažna zavisnost svih svojstava o njihovoj veličini (efekti veličine), diskretna atomsko-molekularna struktura supstance i/ili kvantni zakoni njenog ponašanja već manifestuju u značajnoj meri.
Druga važna komponenta nanotehnologije je sposobnost da se namjerno kreiraju ili pronađu u prirodi nanostrukturirani materijali i objekti sa unaprijed određenim svojstvima. Sljedeća komponenta nanotehnologije
Kreiranje gotovih proizvoda, višekomponentnih proizvoda sa novim potrošačkim kvalitetima i namjenama (memorija velikog kapaciteta, ultra-brzi procesori, inteligentni nanoroboti itd.). Konačno, sredstva kontrole, sertifikacije i istraživanja nanoproizvoda i nanostrukturiranih materijala u svim fazama proizvodnje i upotrebe takođe su neophodna komponenta nanotehnologije.
Već sada se realizuju desetine velikih programa iz oblasti nanonauke i nanotehnologije u svim razvijenim zemljama sveta. Nanotehnologije se koriste u tako važnim oblastima za društvo kao što su zdravstvo i medicina, biotehnologija i zaštita životne sredine, odbrana i astronautika, elektronika i kompjuterska tehnologija, hemijska i petrohemijska proizvodnja, energetika i transport. Stopa rasta ulaganja i implementacije nanotehnologije u industrijalizovanim zemljama svijeta je sada veoma visoka, au narednih 10-20 godina ona će odrediti nivo ekonomskog razvoja i, u velikoj mjeri, društvenog napretka u društvu.
Ova perspektiva postavlja nove izazove za cjelokupni obrazovni sistem, prije svega stručno. Budući da nanotehnologija podrazumijeva integraciju fundamentalnih znanja i visokotehnoloških metoda za proizvodnju nanostrukturiranih materijala i gotovih proizvoda, na zapadnim univerzitetima postoji tendencija smanjivanja obima obuke i „čistih“ fizičara, matematičara, hemičara, biologa, i inženjeri tradicionalnih oblasti: metalurzi, mehaničari, energetičari, tehnolozi i povećanje udela „sintetičkih“ specijalnosti u oblasti nauke o fizičkim materijalima i nanotehnologije.
U posljednjih nekoliko godina u svjetskim časopisima objavljeno je oko 10 hiljada članaka o nanoproblemima, a počelo je izlaziti desetak mjesečnih specijalizovanih časopisa iz pojedinih oblasti nanonauke.
Dakle, šta sada podrazumijevamo pod nanotehnologijom? Sam decimalni prefiks "nano" znači milijardu nečega. Dakle, čisto formalno, u obim ove aktivnosti spadaju objekti karakterističnih dimenzija R (barem duž jedne koordinate), mjerene u nanometrima (1 nm = 10-9 m = 10E).
U stvarnosti, raspon predmeta i fenomena koji se razmatraju mnogo je širi - od pojedinačnih atoma (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.
Bilo bi naivno misliti da se prije pojave ere nanotehnologije ljudi nisu susreli i koristili objekte i procese na nanoskali. Tako se na nanorazinu odvijaju biohemijske reakcije između makromolekula koje čine sva živa bića, dobijanje fotografskih slika, kataliza u hemijskoj proizvodnji, procesi fermentacije u proizvodnji vina, sira, hleba i dr. Međutim, „intuitivna nanotehnologija“, koja se u početku razvijala spontano, bez pravilnog razumevanja prirode objekata i procesa koji se koriste, ne može biti pouzdana osnova u budućnosti. Stoga su fundamentalna istraživanja usmjerena na stvaranje fundamentalno novih tehnoloških procesa i proizvoda od najveće važnosti. Možda će nanotehnologija moći zamijeniti neke od zastarjelih i neučinkovitih tehnologija, ali ipak, njeno glavno mjesto je u novim oblastima u kojima je, u principu, nemoguće postići tražene rezultate tradicionalnim metodama.
Dakle, u ogromnom i još uvijek slabo savladanom jazu između makro nivoa, gdje djeluju dobro razvijene teorije kontinuuma kontinuiranih medija i inženjerskih metoda proračuna i projektovanja, i atomskog nivoa, podložnog zakonima kvantne mehanike, postoji opsežna mezohijerarhijski nivo strukture materije (teksos - srednji, srednji sa grčkim). Na ovom nivou odvijaju se vitalni biohemijski procesi između makromolekula DNK, RNK, proteina, enzima, subćelijskih struktura, koji zahtevaju dublje razumevanje. Istovremeno, ovdje se umjetno mogu stvoriti dosad neviđeni proizvodi i tehnologije koje mogu radikalno promijeniti život cijele ljudske zajednice. Istovremeno, neće biti potrebni veliki troškovi sirovina i energije, kao i sredstava za njihov transport, smanjiće se količina otpada i zagađenja životne sredine, rad će postati inteligentniji i zdraviji.
Predavanje br. 19
Nanotehnologija je poslednjih godina postala jedna od najvažnijih i najuzbudljivijih oblasti znanja na čelu fizike, hemije, biologije i inženjerskih nauka. To daje velike nade za rana otkrića i nove pravce u tehnološkom razvoju u mnogim područjima djelovanja. Kako bi se olakšala i ubrzala široka upotreba ovog novog pristupa, važno je imati opće ideje i neka specifična znanja, koja bi, s jedne strane, bila dovoljno detaljna i duboka da detaljno pokriju temu i istovremeno, dovoljno pristupačan i potpun da bude koristan širokom spektru stručnjaka, onih koji žele da saznaju više o suštini problematike i perspektivama u ovoj oblasti.
Trenutno široko rasprostranjeno interesovanje za nanotehnologiju datira od 1996. do 1998. godine, kada je vladina komisija, uz pomoć Svjetskog centra za procjenu tehnologije (WTEC), koju su finansirale Nacionalna naučna fondacija SAD i druge savezne agencije, preduzela studiju globalnog iskustva u istraživanju i razvoj u oblasti nanotehnologija u cilju procene njihovog tehnološkog inovativnog potencijala. Nanotehnologija je zasnovana na shvatanju da čestice manje od 100 nanometara (nanometar je milijardni deo metra) daju nova svojstva i ponašanje materijalima napravljenim od njih. To je zato što objekti sa dimenzijama manjim od karakteristične dužine (koja je određena prirodom određenog fenomena) često pokazuju različitu fiziku i hemiju, što dovodi do takozvanih efekata veličine – novog ponašanja u zavisnosti od veličine čestica. Na primjer, promjene u elektronskoj strukturi, provodljivosti, reaktivnosti, tački topljenja i mehaničkim karakteristikama uočene su pri veličinama čestica manjim od kritičnih. Ovisnost ponašanja o veličini čestica omogućava dizajniranje materijala s novim svojstvima od istih početnih atoma.
WTEC je zaključio da ova tehnologija ima ogroman potencijal za upotrebu u izuzetno velikom i raznolikom spektru praktičnih primjena, od proizvodnje jačih i lakših strukturnih materijala do smanjenja vremena isporuke nanostrukturiranih lijekova u krvožilni sistem, povećanja kapaciteta magnetnih medija i stvaranja okidači za brze računare. Preporuke koje su dali ovaj i kasniji odbori dovele su do izdvajanja veoma velikih sredstava za razvoj nanonauke i nanotehnologije poslednjih godina. Interdisciplinarna istraživanja pokrila su širok spektar tema, od hemije katalize nanočestica do fizike lasera s kvantnim tačkama. Kao rezultat toga, da bi se uvažile šire perspektive i implikacije razvoja nanotehnologije i dale doprinos ovoj uzbudljivoj novoj oblasti, shvatilo se da istraživači moraju povremeno istupiti izvan svog uskog polja stručnosti. Tehnički menadžeri, stručnjaci i donosioci finansijskih odluka moraju razumjeti veoma širok spektar disciplina.
Nanotehnologija je počela da se posmatra ne samo kao jedna od najperspektivnijih grana visoke tehnologije, već i kao sistemski faktor u ekonomiji 21. veka – ekonomije zasnovane na znanju, a ne na korišćenju prirodnih resursa ili njihovih obrada. Pored toga što nanotehnologija stimuliše razvoj nove paradigme za sve proizvodne aktivnosti („odozdo prema gore“ – od pojedinačnih atoma – do proizvoda, a ne „odozgo prema dole“, kao u tehnologiji zračenja, u kojoj se proizvod dobija se odsecanjem viška materijala iz masivnijih preparata), i sam je izvor novih pristupa poboljšanju životnog standarda i rešavanju mnogih društvenih problema u postindustrijskom društvu. Prema mišljenju većine stručnjaka iz oblasti naučne i tehnološke politike i investicija, započeta nanotehnološka revolucija obuhvatiće sva vitalna područja ljudskog delovanja (od istraživanja svemira do medicine, od nacionalne bezbednosti do ekologije i poljoprivrede), a njene posledice će biti šire i dublje od kompjuterskih revolucija poslednje trećine 20. veka. Sve ovo postavlja izazove i pitanja ne samo u naučno-tehničkoj sferi, već i za administratore na različitim nivoima, potencijalne investitore, sektor obrazovanja i državne agencije. menadžment itd.
Posljednjih godina pojavio se dovoljan broj publikacija posvećenih teorijskim pitanjima, svojstvima i praktičnim primjenama nanomaterijala i nanotehnologije. Konkretno, ova tema je široko predstavljena u knjizi autora C. Poolea i Jr. F. Owens, Nanotehnologija, trans. s engleskog, 2. prošireno izdanje, ur. "Tehnosfera", M., 2006, 335 str. Autori napominju da, iako je ova knjiga prvobitno bila zamišljena kao uvod u nanotehnologiju, zbog same prirode ove nauke, evoluirala je u uvod u određena područja nanotehnologije za koje se čini da je tipiziraju. Zbog brzog tempa razvoja i interdisciplinarnosti, nemoguće je pružiti istinski sveobuhvatan prikaz predmeta. Predstavljene teme su odabrane na osnovu postignute dubine razumijevanja problematike, obima njihove potencijalne ili postojeće primjene u tehnologiji. Mnoga poglavlja govore o sadašnjim i budućim prilikama. Za one koji žele da saznaju više o specifičnim oblastima u kojima se ova tehnologija razvija, date su literaturne reference.
Autori su pokušali da pruže uvod u predmet nanotehnologije, napisan na nivou tako da istraživači u različitim oblastima mogu cijeniti razvoje u ovoj oblasti izvan svojih profesionalnih interesa, a tehnički lideri i menadžeri mogu steći uvid u predmet. Možda bi se ova knjiga mogla koristiti kao osnova za univerzitetski kurs o nanotehnologiji. Mnoga poglavlja pružaju uvode u fizičke i hemijske principe koji su u osnovi razmatranih oblasti. Stoga su mnoga poglavlja samostalna i mogu se proučavati nezavisno jedno od drugog. Stoga, Poglavlje 2 počinje kratkim pregledom svojstava rasutog materijala, neophodnim za razumijevanje kako i zašto se svojstva materijala mijenjaju kako se veličina njihovih strukturnih jedinica približava nanometru. Važan podsticaj za tako brzi razvoj nanotehnologije bilo je stvaranje novih instrumenata (kao što je skenirajući tunelski mikroskop), koji su omogućili uočavanje nanometarskih karakteristika na površini materijala. Stoga, Poglavlje 3 opisuje najvažnije sisteme instrumenata i daje ilustracije mjerenja u nanomaterijalima. Preostala poglavlja razmatraju druge aspekte problema. Knjiga pokriva vrlo širok spektar problema i tema: efekte povezane s veličinom i dimenzijom objekata nanonauke i tehnologije, magnetska, električna i optička svojstva nanostrukturiranih materijala, metode njihove pripreme i istraživanja, samosastavljanje i katalizu u nanostrukturama. , nanobiotehnologija, integrirani nanoelektromehanički uređaji, fuleriti, nanocijevi i još mnogo toga. Opisano je više savremenih metoda za proučavanje i certificiranje nanostruktura i nanoobjekata: elektronska i mikroskopija jonskog polja, optička, rendgenska i magnetna spektroskopija.
Istovremeno, očigledne su i praznine u strukturi i sadržaju pojedinih sekcija. Dakle, gotovo da nema informacija o nanoelektronici, spintronici ili novim idejama u vezi s kvantnim računarstvom i kompjuterima. Većina njih nije ni spomenuta. Potpuno nedovoljna pažnja posvećena je izuzetno moćnim i raširenim metodama skeniranja sonde u istraživanju, kvalifikaciji, litografiji i atomsko-molekularnom dizajnu. Mali paragraf posvećen ovim pitanjima potpuno je nesrazmjeran ulozi i mjestu nanotehnologije sonde. Vrlo skromno mjesto je dato slaboj supravodljivosti i vrlo perspektivnim uređajima koji se temelje na njoj. Filmovi i heterostrukture, koji igraju važnu ulogu u savremenoj planarnoj elektronici, supertvrdi i otporni na habanje premazi itd., su malo predstavljeni. Kao rezultat toga, ne postoje materijali koji pokrivaju metode za certificiranje ovih struktura, a posebno karakteriziraju mehanička svojstva tankih slojeva i nanovolumena korištenjem metoda nanotestiranja lokalne sile (nanoindentacija), nanoscrubbing, itd.).
Takođe napominjemo da nigdje nije data sistematizacija objekata i procesa nanotehnologije, zbog čega neiskusnom čitaocu ostaje nejasno s kojim dijelom predmeta će moći da se upozna nakon čitanja ove knjige.
Uprkos gore navedenim nedostacima, općenito se knjiga može smatrati korisnom za širok krug čitalaca, uključujući studente fizike, hemije i nauke o materijalima. Potonje je utoliko relevantnije jer obrazovna literatura o nanotehnologiji na ruskom jeziku gotovo u potpunosti izostaje, a potreba za njom je velika zbog obuke stručnjaka za nanomaterijale i nanoelektroniku koja je započela 2003. godine na 12 ruskih univerziteta.
Ne mogu se bezuslovno složiti svi stavovi i interpretacije autora. Međutim, kako se tekst ne bi zatrpao velikim brojem komentara, dopuna i kritika, prilikom prevođenja i uređivanja otklonjene su samo očigledne greške, nedosljednosti i tipkarske greške.
Tokom pisanja knjige i njenog ponovnog štampanja na ruskom jeziku, objavljeno je mnogo korisnih knjiga, od kojih su neke navedene u nastavku. Kako navode, zainteresovani čitalac može detaljnije da se upozna sa pojedinim delovima i panoramom nanotehnologije u celini.
Nanomaterijali konvencionalno uključuju dispergirane i masivne materijale koji sadrže strukturne elemente (zrna, kristalite, blokove, klasteri itd.), čije geometrijske dimenzije u barem jednoj dimenziji ne prelaze 100 nm, a imaju kvalitativno nove funkcionalne i radne karakteristike. Nanotehnologije uključuju tehnologije koje pružaju mogućnost kreiranja i modifikacije nanomaterijala na kontroliran način, kao i njihovu integraciju u potpuno funkcionalne sisteme većeg obima. Među glavnim komponentama nauke o nanomaterijalima i nanotehnologijama su sljedeće:
fundamentalna istraživanja svojstava materijala na nanorazini;
razvoj nanotehnologija za ciljano stvaranje nanomaterijala, kao i traženje i korišćenje prirodnih objekata sa nanostrukturnim elementima, stvaranje gotovih proizvoda korišćenjem nanomaterijala i integraciju nanomaterijala i nanotehnologija u različite grane industrije i nauke;
razvoj sredstava i metoda za proučavanje strukture i svojstava nanomaterijala, kao i metoda za praćenje i sertifikaciju proizvoda i poluproizvoda za nanotehnologiju.
21. vijek obilježen je revolucionarnim početkom u razvoju nanotehnologije i nanomaterijala. Već se koriste u svim razvijenim zemljama svijeta u najznačajnijim oblastima ljudske djelatnosti (industrija, odbrana, informaciona sfera, radioelektronika, energetika, transport, biotehnologija, medicina). Analiza rasta investicija, broja publikacija na ovu temu i tempa implementacije fundamentalnih i istraživačkih razvoja omogućava nam da zaključimo da će u narednih 20 godina upotreba nanotehnologija i nanomaterijala biti jedan od odlučujućih faktora u nauci. , ekonomski i odbrambeni razvoj država. Trenutno raste interesovanje za novu klasu materijala u oblasti fundamentalne i primenjene nauke, industrije i biznisa. To je zbog sljedećih razloga:
želja za minijaturizacijom proizvoda,
jedinstvena svojstva materijala u nanostrukturiranom stanju,
potreba za razvojem i implementacijom materijala s kvalitativno i kvantitativno novim svojstvima,
razvoj novih tehnoloških tehnika i metoda zasnovanih na principima samosastavljanja i samoorganizacije,
praktična implementacija savremenih instrumenata za istraživanje, dijagnostiku i modifikaciju nanomaterijala (skenirajuća sondna mikroskopija),
razvoj i implementacija novih tehnologija, koje predstavljaju niz litografskih procesa, tehnologija za proizvodnju nanoprahova.
Pravac istraživanja nanostrukture gotovo je u potpunosti prešao sa proizvodnje i proučavanja nanokristalnih supstanci i materijala u oblast nanotehnologije, odnosno stvaranje proizvoda, uređaja i sistema sa elementima nano-veličine. Glavna područja primjene nanoelemenata su elektronika, medicina, hemijska farmacija i biologija.
Ruski predsjednik Dmitrij Medvedev uvjeren je da zemlja ima sve uslove za uspješan razvoj nanotehnologije.
Nanotehnologija je novi pravac nauke i tehnologije koji se aktivno razvija poslednjih decenija. Nanotehnologije obuhvataju stvaranje i upotrebu materijala, uređaja i tehničkih sistema čije je funkcionisanje određeno nanostrukturom, odnosno njenim uređenim fragmentima veličine od 1 do 100 nanometara.
Prefiks "nano", koji dolazi iz grčkog jezika ("nanos" na grčkom - gnome), znači jedan milijarditi dio. Jedan nanometar (nm) je milijardni dio metra.
Termin "nanotehnologija" skovao je 1974. Norio Taniguchi, naučnik o materijalima sa Univerziteta u Tokiju, koji ju je definisao kao "tehnologiju proizvodnje koja može postići ultra-visoku preciznost i ultra-male dimenzije... reda veličine 1 nm...” .
U svjetskoj literaturi, nanoznanost se jasno razlikuje od nanotehnologije. Termin nauka o nanorazmjerima također se koristi za nanoznanost.
Na ruskom jeziku iu praksi ruskog zakonodavstva i regulatornih dokumenata, pojam „nanotehnologija“ kombinuje „nanonauku“, „nanotehnologiju“, a ponekad čak i „nanoindustriju“ (područja poslovanja i proizvodnje u kojima se koriste nanotehnologije).
Najvažnije komponente nanotehnologije su nanomaterijali, odnosno materijala čija su neobična funkcionalna svojstva određena uređenom strukturom njihovih nanofragmenata veličine od 1 do 100 nm.
- nanoporozne strukture;
- nanočestice;
- nanocevi i nanovlakna
- nanodisperzije (koloidi);
- nanostrukturirane površine i filmovi;
- nanokristali i nanoklasteri.
Nanosistemska tehnologija- funkcionalno potpuni sistemi i uređaji stvoreni u cjelini ili djelimično na bazi nanomaterijala i nanotehnologija, čije se karakteristike radikalno razlikuju od sistema i uređaja slične namjene stvorenih tradicionalnim tehnologijama.
Područja primjene nanotehnologije
Gotovo je nemoguće nabrojati sve oblasti u kojima ova globalna tehnologija može značajno uticati na tehnološki napredak. Možemo navesti samo neke od njih:
- elementi nanoelektronike i nanofotonike (poluprovodnički tranzistori i laseri;
- foto detektori; Solarne ćelije; razni senzori);
- uređaji za snimanje ultra gustih informacija;
- telekomunikacije, informacione i računarske tehnologije; superračunari;
- video oprema - ravni ekrani, monitori, video projektori;
- molekularni elektronski uređaji, uključujući prekidače i elektronska kola na molekularnom nivou;
- nanolitografija i nanoimprint;
- gorive ćelije i uređaji za skladištenje energije;
- uređaji mikro- i nanomehanike, uključujući molekularne motore i nanomotore, nanorobote;
- nanohemija i kataliza, uključujući kontrolu sagorevanja, prevlačenje, elektrohemiju i farmaceutske proizvode;
- primjene u avijaciji, svemiru i odbrani;
- uređaji za praćenje životne sredine;
- ciljana dostava lijekova i proteina, biopolimera i zacjeljivanje bioloških tkiva, klinička i medicinska dijagnostika, stvaranje umjetnih mišića, kostiju, implantacija živih organa;
- biomehanika; genomika; bioinformatika; bioinstrumentacija;
- registracija i identifikacija kancerogenih tkiva, patogena i biološki štetnih agenasa;
- sigurnost u poljoprivredi i proizvodnji hrane.
Računari i mikroelektronika
Nanokompjuter— računarski uređaj zasnovan na elektronskim (mehaničkim, biohemijskim, kvantnim) tehnologijama sa veličinom logičkih elemenata reda veličine nekoliko nanometara. Sam kompjuter, razvijen na bazi nanotehnologije, takođe ima mikroskopske dimenzije.
DNK kompjuter- računarski sistem koji koristi računarske mogućnosti molekula DNK. Biomolekularno računarstvo je skupni naziv za različite tehnike koje su na ovaj ili onaj način povezane sa DNK ili RNK. U DNK računarstvu podaci se ne predstavljaju u obliku nula i jedinica, već u obliku molekularne strukture izgrađene na bazi spirale DNK. Ulogu softvera za čitanje, kopiranje i upravljanje podacima obavljaju posebni enzimi.
Mikroskop atomske sile- skenirajući sondni mikroskop visoke rezolucije zasnovan na interakciji konzolne igle (sonde) sa površinom uzorka koji se proučava. Za razliku od skenirajućeg tunelskog mikroskopa (STM), on može ispitati i provodne i neprovodne površine čak i kroz sloj tekućine, što omogućava rad s organskim molekulima (DNK). Prostorna rezolucija mikroskopa atomske sile zavisi od veličine konzole i zakrivljenosti njenog vrha. Rezolucija doseže atomsku horizontalno i značajno je premašuje vertikalno.
Antena-oscilator- 9. februara 2005. godine u laboratoriji Bostonskog univerziteta dobijena je antena-oscilator dimenzija oko 1 mikron. Ovaj uređaj ima 5.000 miliona atoma i sposoban je da oscilira na frekvenciji od 1,49 gigaherca, što mu omogućava da prenosi ogromne količine informacija.
Nanomedicina i farmaceutska industrija
Pravac u modernoj medicini zasnovan na korišćenju jedinstvenih svojstava nanomaterijala i nanoobjekata za praćenje, projektovanje i modifikovanje ljudskih bioloških sistema na nanomolekularnom nivou.
DNK nanotehnologija- koriste specifične baze DNK i molekula nukleinskih kiselina da na njihovoj osnovi kreiraju jasno definisane strukture.
Industrijska sinteza molekula lijekova i farmakoloških preparata jasno definiranog oblika (bis-peptidi).
Početkom 2000. godine, brz napredak u tehnologiji nanočestica dao je poticaj razvoju nove oblasti nanotehnologije: nanoplazmonika. Pokazalo se da je moguće prenijeti elektromagnetno zračenje duž lanca metalnih nanočestica uz pomoć pobuđivanja plazmonskih oscilacija.
Robotika
Nanoroboti- roboti stvoreni od nanomaterijala i uporedivi po veličini sa molekulom, sa funkcijama kretanja, obrade i prijenosa informacija, te izvršavanja programa. Nanoroboti sposobni da kreiraju svoje kopije, tj. samoreprodukcija se naziva replikatori.
Trenutno su već stvoreni elektromehanički nanouređaji sa ograničenom pokretljivošću, koji se mogu smatrati prototipovima nanorobota.
Molekularni rotori- sintetički motori nano-veličine koji mogu generirati okretni moment kada se na njih primijeni dovoljno energije.
Mjesto Rusije među zemljama koje razvijaju i proizvode nanotehnologije
Svjetski lideri po ukupnom ulaganju u nanotehnologiju su zemlje EU, Japan i SAD. U posljednje vrijeme Rusija, Kina, Brazil i Indija značajno su povećale ulaganja u ovu industriju. U Rusiji će iznos finansiranja u okviru programa „Razvoj infrastrukture nanoindustrije u Ruskoj Federaciji za 2008-2010“ iznositi 27,7 milijardi rubalja.
Najnoviji (2008) izvještaj istraživačke firme Cientifica sa sjedištem u Londonu, pod nazivom Nanotechnology Outlook Report, opisuje ruske investicije doslovno na sljedeći način: „Iako je EU još uvijek na prvom mjestu po investicijama, Kina i Rusija su već pretekle Sjedinjene Države. ”
Postoje oblasti u nanotehnologiji u kojima su ruski naučnici postali prvi u svetu koji su dobili rezultate koji su postavili temelje za razvoj novih naučnih trendova.
Među njima su proizvodnja ultradisperznih nanomaterijala, projektovanje jednoelektronskih uređaja, kao i rad u oblasti atomske sile i skenirajuće sondne mikroskopije. Samo na posebnoj izložbi održanoj u okviru XII Sankt Peterburgskog ekonomskog foruma (2008.), predstavljeno je 80 konkretnih događaja odjednom.
Rusija već proizvodi niz nanoproizvoda koji su traženi na tržištu: nanomembrane, nanoprašci, nanocijevi. Međutim, prema mišljenju stručnjaka, u komercijalizaciji nanotehnološkog razvoja Rusija zaostaje deset godina za Sjedinjenim Državama i drugim razvijenim zemljama.
Materijal je pripremljen na osnovu informacija iz otvorenih izvora
