Nanotechnologien und Nanomaterialien. Nanomaterialien und Nanotechnologien Thema, Ziele und Hauptrichtungen der Nanotechnologie

G. G. Jelenin

Kurze Informationen zum Autor: Professor der Fakultät für Computermathematik und Kybernetik der Lomonossow-Universität Moskau. M. V. Lomonosov, Leitender Forscher, Institut für Angewandte Mathematik. M. V. Keldysh RAS.

Wenn ein Stahlwürfel oder ein Salzkristall, der aus identischen Atomen besteht, interessante Eigenschaften aufweisen kann; wenn Wasser – bloße Tröpfchen, die nicht voneinander zu unterscheiden sind und kilometerweit die Erdoberfläche bedecken – in der Lage ist, Wellen und Schaum, das Donnern der Brandung und seltsame Muster auf dem Granit der Böschung zu erzeugen; Wenn all dies, der ganze Reichtum des Lebens der Gewässer, nur eine Eigenschaft von Atombündeln ist, wie viele weitere Möglichkeiten verbergen sich dann in ihnen? Anstatt die Atome Zeile für Zeile, Spalte für Spalte anzuordnen, statt sie zu den komplizierten Molekülen des Veilchendufts zusammenzubauen, statt sie jedes Mal neu anzuordnen, ihr Mosaik zu diversifizieren, ohne es zu wiederholen es, was bereits passiert ist – stellen Sie sich vor, wie viel Ungewöhnliches, Unerwartetes in ihrem Verhalten auftreten kann.

R. P. Feynman

Thema, Ziele und Hauptrichtungen der Nanotechnologie

Nach dem Enzyklopädischen Wörterbuch ist Technologie eine Reihe von Methoden zur Verarbeitung, Herstellung, Änderung des Zustands, der Eigenschaften, der Form von Rohstoffen, Materialien oder Halbzeugen, die im Produktionsprozess durchgeführt werden.

Die Besonderheit der Nanotechnologie liegt darin, dass die betrachteten Prozesse und durchgeführten Handlungen im Nanometerbereich räumlicher Dimensionen ablaufen 1 . „Rohstoffe“ sind einzelne Atome, Moleküle, molekulare Systeme und nicht mikrometergroße oder makroskopische Materialvolumina, die in der traditionellen Technologie üblich sind und mindestens Milliarden von Atomen und Molekülen enthalten. Im Gegensatz zur traditionellen Technologie zeichnet sich die Nanotechnologie durch einen „individuellen“ Ansatz aus, bei dem die externe Kontrolle einzelne Atome und Moleküle erreicht, was es ermöglicht, daraus sowohl „fehlerfreie“ Materialien mit grundlegend neuen physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften als auch neue Klassen zu schaffen von Geräten mit charakteristischen Nanometergrößen. Der Begriff „Nanotechnologie“ hat sich noch nicht durchgesetzt. Anscheinend kann die folgende Arbeitsdefinition befolgt werden.

Nanotechnologie ist ein interdisziplinäres Wissenschaftsgebiet, in dem die Gesetzmäßigkeiten physikalischer und chemischer Prozesse in räumlichen Bereichen von Nanometergrößen untersucht werden, um einzelne Atome, Moleküle und molekulare Systeme bei der Schaffung neuer Moleküle, Nanostrukturen, Nanogeräte und Materialien mit besonderen physikalischen, chemischen Eigenschaften zu steuern und biologische Eigenschaften.

Eine Analyse des aktuellen Zustands der sich schnell entwickelnden Region ermöglicht es uns, eine Reihe wichtiger Bereiche darin zu identifizieren.

Molekulares Design. Herstellung vorhandener Moleküle und Synthese neuer Moleküle in stark inhomogenen elektromagnetischen Feldern.

Materialwissenschaften. Schaffung „fehlerfreier“ hochfester Werkstoffe, Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit.

Instrumentierung. Entwicklung von Rastertunnelmikroskopen, Rasterkraftmikroskopen 2 , Magnetkraftmikroskopen, Mehrpunktsystemen für molekulares Design, überempfindlichen Miniatursensoren und Nanorobotern.

Elektronik. Entwurf von Nanometer-Elementbasis für Computer, Nanodrähte, Transistoren, Gleichrichter, Displays und akustische Systeme der nächsten Generation.

Optik. Entwicklung von Nanolasern. Synthese von Mehrpunktsystemen mit Nanolasern.

heterogene Katalyse. Entwicklung von Katalysatoren mit Nanostrukturen für Reaktionsklassen der selektiven Katalyse.

Medizin. Entwicklung von Nanowerkzeugen zur Zerstörung von Viren, zur lokalen „Reparatur“ von Organen und zur hochpräzisen Abgabe von Arzneimitteldosen an bestimmte Stellen in einem lebenden Organismus.

Tribologie. Ermittlung des Zusammenhangs zwischen der Nanostruktur von Materialien und Reibungskräften und Nutzung dieser Erkenntnisse zur Herstellung vielversprechender Reibungspaarungen.

Kontrollierte Kernreaktionen. Nanobeschleuniger von Teilchen, nichtstatistische Kernreaktionen.

Rastertunnelmikroskopie

Mindestens zwei Ereignisse spielten eine bedeutende Rolle bei der unaufhaltsamen Erforschung der Nanowelt:

Entwicklung eines Rastertunnelmikroskops (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) und eines Rasterkraftmikroskops (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nobelpreis 1992);

Entdeckung einer neuen Form der Kohlenstoffexistenz in der Natur – Fullerene (N. Kroto, J. Health, S. O „Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobelpreis 1996).

Neue Mikroskope ermöglichten die Beobachtung der atomar-molekularen Struktur der Oberfläche von Einkristallen im Nanometerbereich. Die beste räumliche Auflösung von Instrumenten liegt bei einem Hundertstel Nanometer entlang der Normalen zur Oberfläche. Die Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops basiert auf dem Tunneln von Elektronen durch eine Vakuumbarriere. Die hohe Auflösung ist darauf zurückzuführen, dass sich der Tunnelstrom um drei Größenordnungen ändert, wenn sich die Barrierenbreite um die Größe des Atoms ändert. Die Theorie des Quantentunneleffekts wurde von G.A. begründet. Gamow 1928 in seiner Arbeit über einen Zerfall.

Mit Hilfe verschiedener Rastermikroskope wird derzeit die atomare Struktur der Oberflächen von Einkristallen aus Metallen, Halbleitern, Hochtemperatursupraleitern, organischen Molekülen und biologischen Objekten beobachtet. Auf Abb. 1 zeigt die rekonstruierte Oberfläche der unteren Terrasse der (100)-Fläche eines Silizium-Einkristalls. Graue Kreise sind Bilder von Siliziumatomen. Dunkle Bereiche sind lokale Defekte im Nanometerbereich. Auf Abb. Abbildung 2 zeigt die Atomstruktur einer sauberen Oberfläche der (110)-Fläche von Silber (linker Rahmen) und derselben mit Sauerstoffatomen bedeckten Oberfläche (rechter Rahmen). Es stellte sich heraus, dass Sauerstoff nicht chaotisch adsorbiert wird, sondern eher lange Ketten entlang einer bestimmten kristallographischen Richtung bildet. Das Vorhandensein von Doppel- und Einzelketten weist auf zwei Formen von Sauerstoff hin.

Diese Formen spielen eine wichtige Rolle bei der selektiven Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Ethylen. Auf Abb. In Abb. 3 erkennt man die Nanostruktur des Hochtemperatursupraleiters Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . Im linken Rahmen von Abb. In Abb. 4 sind deutlich Ringe aus Benzolmolekülen (C 6 H 6) zu erkennen. Der rechte Rahmen zeigt die CH 2 -Ketten von Polyethylen. Der Beitrag präsentiert eine Bildfolge eines Laborfilms über das Eindringen eines Virus in eine lebende Zelle.

Neue Mikroskope eignen sich nicht nur zur Untersuchung der atomaren und molekularen Struktur der Materie. Sie erwiesen sich als geeignet für die Gestaltung von Nanostrukturen. Mit Hilfe bestimmter Bewegungen mit der Spitze des Mikroskops ist es möglich, atomare Strukturen zu erzeugen. Abbildung 5 zeigt die Phasen der Erstellung der „IBM“-Inschrift aus einzelnen Xenonatomen auf der (110)-Fläche eines Nickel-Einkristalls. Die Bewegungen der Spitze beim Aufbau von Nanostrukturen aus einzelnen Atomen ähneln den Techniken eines Hockeyspielers, der den Puck mit einem Stock vorantreibt. Es ist von Interesse, Computeralgorithmen zu erstellen, die auf der Grundlage geeigneter mathematischer Modelle einen nicht trivialen Zusammenhang zwischen den Bewegungen der Spitze und den Bewegungen manipulierter Atome herstellen. Für die Entwicklung automatischer „Assembler“ von Nanostrukturen sind Modelle und Algorithmen notwendig.

Reis. 4: a - C 6 H 6 ; b - CH 2 -CH 2

Reis. 5. Xe/Ni (110)

Nanomaterialien

Fullerene, eine neue Form der Existenz von Kohlenstoff in der Natur, wurden zusammen mit dem seit langem bekannten Diamant und Graphit 1985 entdeckt, als Astrophysiker versuchten, die Spektren von interstellarem Staub zu erklären. Es stellte sich heraus, dass Kohlenstoffatome ein hochsymmetrisches C 60-Molekül bilden können. Ein solches Molekül besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die auf einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer angeordnet sind und einem Fußball ähneln (Abb. 6). Gemäß dem Satz von L. Euler bilden Kohlenstoffatome 12 regelmäßige Fünfecke und 20 regelmäßige Sechsecke. Das Molekül ist nach dem Architekten R. Fuller benannt, der ein Haus aus Fünfecken und Sechsecken baute. Zunächst wurde C 60 in kleinen Mengen gewonnen, 1990 wurde dann die Technologie für deren Großserienproduktion entdeckt.

Fulleriten. C 60 -Moleküle wiederum können einen Fulleritkristall mit einem kubisch flächenzentrierten Gitter und relativ schwachen intermolekularen Bindungen bilden. Dieser Kristall weist oktaedrische und tetraedrische Hohlräume auf, die Fremdatome enthalten können. Werden die oktaedrischen Hohlräume mit Alkalimetallionen (¦ = K (Kalium), Rb (Rubidium), Cs (Cäsium)) gefüllt, so wird bei Temperaturen unter Raumtemperatur die Struktur dieser Stoffe neu geordnet und es entsteht ein neues Polymermaterial ¦1C60 gebildet. Werden auch die tetraedrischen Hohlräume gefüllt, so entsteht ein supraleitendes Material ¦3С60 mit einer kritischen Temperatur von 20–40 K. Max Planck in Stuttgart. Es gibt Fullerite mit weiteren Zusätzen, die dem Material einzigartige Eigenschaften verleihen. C60-Ethylen hat beispielsweise ferromagnetische Eigenschaften. Die hohe Aktivität auf dem neuen Gebiet der Chemie führte dazu, dass es 1997 mehr als 9000 Fullerenverbindungen gab.

Kohlenstoff-Nanoröhren. Aus Kohlenstoff lassen sich Moleküle mit einer gigantischen Anzahl von Atomen gewinnen. Ein solches Molekül, zum Beispiel C=1000000, kann eine einschichtige Röhre mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer und einer Länge von mehreren zehn Mikrometern sein (Abb. 7). Auf der Oberfläche der Röhre befinden sich Kohlenstoffatome an den Ecken regelmäßiger Sechsecke. Die Enden der Röhre sind mit sechs regelmäßigen Fünfecken verschlossen. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Seiten regelmäßiger Vielecke eine Rolle bei der Bildung zweidimensionaler Flächen spielt

Reis. 7. Nicht-chirale Nanoröhren: a – C(n“, n) – Metall;

b-c(n, 0): mod (n, 3) = 0 - Halbmetall

mod(n, 3)!= 0 ist ein Halbleiter.

Reis. 8. Gebogenes Rohr

Kohlenstoffatome im dreidimensionalen Raum. Regelmäßige Sechsecke sind Zellen in einer flachen Graphitschicht, die zu Röhren unterschiedlicher Chiralität (m, n) 3 gerollt werden können. Regelmäßige Fünfecke (Siebenecke) sind lokale Defekte in einer Graphitschicht, die es ermöglichen, deren positive (negative) Krümmung zu erhalten. So ermöglichen Kombinationen aus regelmäßigen Fünf-, Sechs- und Siebenecken die Erzielung verschiedener Formen von Kohlenstoffoberflächen im dreidimensionalen Raum (Abb. 8). Die Geometrie dieser Nanostrukturen bestimmt ihre einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften und damit die Möglichkeit der Existenz grundlegend neuer Materialien und Technologien zu ihrer Herstellung. Die Vorhersage der physikalisch-chemischen Eigenschaften neuer Kohlenstoffmaterialien erfolgt sowohl mit Hilfe von Quantenmodellen als auch mit Berechnungen im Rahmen der Molekulardynamik. Neben einschichtigen Rohren ist auch die Herstellung von mehrschichtigen Rohren möglich. Zur Herstellung von Nanoröhren werden spezielle Katalysatoren eingesetzt.

Was ist das Besondere an den neuen Materialien? Konzentrieren wir uns einfach auf drei wichtige Eigenschaften.

Superstarke Materialien. Die Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen in einer Graphitplatte sind die stärksten bekannten, daher sind defektfreie Kohlenstoffrohre zwei Größenordnungen stärker als Stahl und etwa viermal leichter als Stahl! Eine der wichtigsten Aufgaben der Technologie im Bereich neuer Kohlenstoffmaterialien ist die Herstellung von Nanoröhren „unendlicher“ Länge. Aus solchen Rohren können leichte Verbundwerkstoffe mit höchster Festigkeit für die Anforderungen der New-Age-Technologie hergestellt werden. Dies sind Antriebselemente von Brücken und Gebäuden, tragende Strukturen von Kleinflugzeugen, Turbinenelemente, Triebwerksaggregate mit extrem niedrigem spezifischen Treibstoffverbrauch usw. Derzeit haben sie gelernt, wie man Röhren mit einer Länge von mehreren zehn Mikrometern und einem Durchmesser in der Größenordnung von einem Nanometer herstellt.

hochleitfähige Materialien. Es ist bekannt, dass bei kristallinem Graphit die Leitfähigkeit entlang der Schichtebene unter den bekannten Materialien am höchsten ist und im Gegensatz dazu in der Richtung senkrecht zur Schicht niedrig ist. Daher wird erwartet, dass elektrische Kabel aus Nanoröhren bei Raumtemperatur eine um zwei Größenordnungen höhere elektrische Leitfähigkeit haben als Kupferkabel. Es liegt an der Technologie, Rohre in ausreichender Länge und in ausreichender Menge herzustellen.

Nanocluster

Zu den Nanoobjekten gehören ultrakleine Partikel, die aus Dutzenden, Hunderten oder Tausenden von Atomen bestehen. Die Eigenschaften von Clustern unterscheiden sich grundlegend von den Eigenschaften makroskopischer Materialvolumina gleicher Zusammensetzung. Aus Nanoclustern lassen sich wie aus großen Bausteinen gezielt neue Materialien mit vorgegebenen Eigenschaften entwerfen und in katalytischen Reaktionen, zur Trennung von Gasgemischen und zur Speicherung von Gasen einsetzen. Ein Beispiel ist Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 . Von großem Interesse sind magnetische Cluster, die aus Atomen von Übergangsmetallen, Lantiniden und Aktiniden bestehen. Diese Cluster verfügen über ein eigenes magnetisches Moment, das es ermöglicht, ihre Eigenschaften mithilfe eines externen Magnetfelds zu steuern. Ein Beispiel ist das metallorganische High-Spin-Molekül Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Diese elegante Konstruktion besteht aus vier Mn 4+-Ionen mit Spin 3/2, die sich an den Ecken des Tetraeders befinden, und acht Mn 3+-Ionen mit Spin 2, die dieses Tetraeder umgeben. Die Wechselwirkung zwischen Manganionen erfolgt durch Sauerstoffionen. Die antiferromagnetischen Wechselwirkungen der Spins der Mn 4+- und Mn 3+-Ionen führen zu einem ausreichend großen Gesamtspin von 10. Acetatgruppen und Wassermoleküle trennen die Mn 12-Cluster im Molekülkristall voneinander. Die Wechselwirkung von Clustern in einem Kristall ist äußerst gering. Nanomagnete sind für die Entwicklung von Prozessoren für Quantencomputer von Interesse. Darüber hinaus wurden bei der Untersuchung dieses Quantensystems die Phänomene Bistabilität und Hysterese entdeckt. Wenn wir berücksichtigen, dass der Abstand zwischen Molekülen etwa 10 Nanometer beträgt, kann die Speicherdichte in einem solchen System in der Größenordnung von 10 Gigabyte pro Quadratzentimeter liegen.

Nanogeräte

Nanoröhren können die Grundlage für neue Designs flacher akustischer Systeme und flacher Displays, also bekannter makroskopischer Geräte, bilden. Bestimmte Nanogeräte können aus Nanomaterialien hergestellt werden, beispielsweise Nanomotoren, Nanomanipulatoren, Molekularpumpen, Speicher mit hoher Dichte und Elemente von Nanorobotermechanismen. Lassen Sie uns kurz auf die Modelle einiger Nanogeräte eingehen.

Molekulare Getriebe und Pumpen. Modelle von Nanogeräten wurden von K.E. vorgeschlagen. Drexler und R. Merkle vom IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Die Wellen der Zahnräder im Getriebe bestehen aus Kohlenstoffnanoröhren und die Zähne aus Benzolmolekülen. Die charakteristischen Rotationsfrequenzen der Zahnräder liegen bei mehreren zehn Gigahertz. Die Geräte „arbeiten“ entweder im Hochvakuum oder in einer inerten Atmosphäre bei Raumtemperatur. Zur „Kühlung“ des Geräts werden Inertgase verwendet.

Diamantspeicher für Computer. Das High-Density-Memory-Modell wurde von Ch. entwickelt. Bauschlicher und R. Merkle von der NASA. Der Aufbau des Gerätes ist einfach und besteht aus einer Sonde und einer Diamantoberfläche. Die Sonde ist ein (9, O) oder (5, 5) Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das in einer C 60-Halbkugel endet, an die ein C 5 H 5 N-Molekül gebunden ist. Die Diamantoberfläche ist mit einer Monoschicht aus Wasserstoffatomen bedeckt. Einige Wasserstoffatome werden durch Fluoratome ersetzt. Wenn die Sonde entlang einer Diamantoberfläche gescannt wird, die mit einer Adsorbatmonoschicht bedeckt ist, ist das C 5 H 5 N-Molekül laut Quantenmodellen in der Lage, ein adsorbiertes Fluoratom von einem adsorbierten Wasserstoffatom zu unterscheiden. Da auf einen Quadratzentimeter der Oberfläche etwa 1015 Atome passen, kann die Aufzeichnungsdichte 100 Terabyte pro Quadratzentimeter erreichen.

Die oben genannten Beispiele von Laborexperimentergebnissen und Nanogerätemodellen stellen eine neue Herausforderung für Theorie, Computerphysik, Chemie und Mathematik dar. Es ist ein Verständnis von „gesehen“ und „empfangen“ erforderlich. Es erfordert die Entwicklung von Intuition, um im Nanometerbereich zu arbeiten. Noch einmal ist Fausts Bemerkung an Wagner zu hören:

„Was bedeutet es zu verstehen?

Das, mein Freund, ist die Frage.

In dieser Hinsicht geht es uns nicht gut.“

Neue Zweige der Computerphysik und Computerchemie

Vor mehr als fünfzig Jahren warfen die atomaren und thermonuklearen Probleme, die Probleme bei der Entwicklung neuer Flugzeuge und die Erforschung des erdnahen Weltraums erneut die faustische Frage nach einer neuen Ebene des Verständnisses physikalischer und chemischer Phänomene auf. Die erfolgreiche Arbeit an diesen Problemen führte zur Entstehung und Entwicklung

1) Computerphysik, insbesondere ihre Bereiche wie

Magnet- und Strahlungshydro- und Aerodynamik,

Flugmechanik von Raumfahrzeugen,

Theorie des Plasmas und der kontrollierten Kernfusion;

2) Computerchemie mit Abschnitten wie

Theorie der Zustandsgleichung der Materie,

Molekulardynamik,

Theorie chemischer Prozesse und Apparate;

3) Computermathematik und Informatik mit Bereichen wie

numerische Methoden der mathematischen Physik,

Automatentheorie,

optimale Kontrolle,

Mustererkennung,

Expertensysteme,

Automatisches Design.

Moderne Möglichkeiten des Laborexperiments zur Beobachtung und Untersuchung von Phänomenen im Nanometerbereich räumlicher Dimensionen und verlockende Aussichten für die Schaffung einzigartiger Materialien und Nanogeräte führen zu neuen theoretischen Problemen.

Ich würde gerne verstehen, was in der Rastertunnelmikroskopie eigentlich „beobachtet“ wird?

Welche neuen Dinge lassen sich potenziell beobachten und welche neuen Dinge können potenziell in Nanosystemen gewonnen werden? Und unter welchen Bedingungen?

Wie verwaltet man einzelne Atome und Gruppen von Atomen und Molekülen, um bestimmte Ziele zu erreichen? Wo liegen die Grenzen dieser Kontrolle?

Wie organisiert man die Selbstorganisation von Nanogeräten und einzigartigen „fehlerfreien“ Materialien?

Inwieweit „schränkt“ die Makroumgebung die Quantenzustände des Nanosystems ein?

Die Notwendigkeit einer konstruktiven Lösung dieser Probleme führt zu intensiver Forschung und bildet neue Zweige in der Computerphysik und Computerchemie. Wir heben solche Abschnitte in der Metrologie, Mechanik, Elektrodynamik, Optik und der Theorie der Selbstorganisation hervor. In jedem dieser Abschnitte skizzieren wir mehrere Probleme.

Metrologie

1. Erstellung von Computermodellen von „Instrument-Nanoobjekt“-Systemen und deren Kalibrierung.

2. Automatisierung von Nanometermessungen und Erstellung von Datenbanken.

Mechanik

1. Untersuchung mechanischer Spannungen und Dehnungen in Nanomaterialien und Nanoobjekten, Reibungsanalyse.

2. Simulation von Sondenbewegungen bei der gezielten Manipulation eines Nanoobjekts.

3. Modellierung von Bewegungen in Nanomechanismen für Nanogeräte, Berechnung von Nanomanipulatoren.

4. Entwicklung von Steuerungssystemen für Nanoroboter.

Elektrodynamik

1. Simulation der Dynamik von Atomen und Molekülen in extrem inhomogenen elektromagnetischen Feldern, die durch Mehrpunktsysteme erzeugt werden.
2. Berechnung elektrischer und magnetischer Eigenschaften von Nanomaterialien.

1. Modellierung der Mechanismen der Emission, Ausbreitung und Absorption von Licht in Nanoobjekten.
2. Berechnung von Nanolasern und Hybridsystemen „Sonden + Nanolaser“.

Theorie der Selbstorganisation

1. Formulierung der Grundprinzipien der Selbstorganisation von Nanostrukturen.

2. Erstellung von Computer-Selbstassemblierungsalgorithmen.

3. Entwicklung von Rechenalgorithmen zur qualitativen Analyse von Selbstassemblierungsmodellen.

4. Simulation der Phänomene der räumlich-zeitlichen Selbstorganisation bei der Entstehung von Nanomaterialien.

Molekularstrahlepitaxie und Nanolithographie

1. Herstellung dünner Metallfilme, die als Grundlage für hochwertige magnetische Materialien dienen.

2. Entwurf der Grundelemente der Nanoelektronik.

3. Entwicklung von Katalysatoren für die selektive Katalyse.

Ich möchte noch einmal die Notwendigkeit betonen, ein striktes Gleichgewicht zwischen Laborexperiment, Theorie und mathematischer Modellierung aufrechtzuerhalten. Manchmal hört man Aussagen, dass ein Präzisionsexperiment derzeit sehr teuer sei und durch günstigere mathematische Modellierung ersetzt werden könne. Es gibt auch eine Gegenposition, in der die Rolle mathematischer Forschungsmethoden herabgesetzt wird. Die einfachsten Beispiele nichttrivialer Phänomene im Nanometerbereich räumlicher Dimensionen zeigen das völlige Versagen von Radikalpositionen.

Phänomene der Raum-Zeit-Selbstorganisation auf der Oberfläche von Einkristallen aus Metallen

Betrachten Sie auf den ersten Blick das einfachste, aber, wie sich herausstellt, nicht triviale Problem. Angenommen, wir möchten einen hochwertigen, gleichmäßigen Metallfilm wachsen lassen, beispielsweise einen Platinfilm. Dazu sollte man eine dicht gepackte und räumlich gleichmäßige Fläche eines Einkristalls als Substrat nehmen und aus einer Knudsen-Zelle unter Hochvakuumbedingungen eine Atomschicht darauf abscheiden. Atome fliegen aus der Zelle, werden an einer homogenen Oberfläche adsorbiert, wandern entlang dieser und bilden eine neue Schicht. Sobald die erste Schicht gebildet ist, wird die nächste Schicht darüber gebildet und so weiter. Der Prozess wird nur durch zwei externe Steuerungsmakroparameter bestimmt – die Oberflächentemperatur und den Atomfluss zur Oberfläche. Es ist lediglich erforderlich, die Temperatur und die Zufuhrrate der Atome so zu wählen, dass während der charakteristischen Zeit der Zufuhr eines neuen Atoms ein über die Oberfläche wanderndes Atom Zeit hat, sich in die wachsende Schicht zu integrieren. Es scheint, dass es nichts einfacheres gibt, als das Filmwachstum im Rahmen klassischer mathematisch-physikalischer Modelle zu simulieren. Es muss nur ein Prozess beschrieben werden: die Oberflächendiffusion einfallender Partikel. Dazu kann man die Diffusionsgleichung mit einer konstanten Quelle in einem zweidimensionalen Raumbereich verwenden, diese um eine entsprechende Randbedingung, beispielsweise eine homogene Randbedingung zweiter Art, ergänzen und Berechnungen durchführen. Offensichtlich wird bei einer ausreichend schnellen Migration unabhängig von den Anfangsbedingungen eine räumlich homogene Lösung mit ausreichend hoher Genauigkeit erhalten, die mit der Zeit monoton ansteigt. Eine solche Modellierung beschreibt jedoch überhaupt nicht das Wachstum einer neuen Schicht und ihre räumliche Struktur.

Ein mit einem Rastertunnelmikroskop mit einem Pt/Pt(111) 5-Homosystem durchgeführtes Experiment zeigt (Abb. 9), dass adsorbierte Platinatome über die Oberfläche der (111)-Fläche eines Platin-Einkristalls wandern und dabei nicht dem Fickschen Gesetz gehorchen. Sie bilden Inseln einer neuen Schicht mit unterschiedlichen räumlichen Strukturen, abhängig von den Werten der Oberflächentemperatur und der Zufuhrrate der Atome. Dies können lose Inseln einer fraktalen Struktur mit einem Fraktal sein

Abb.9. Pt/Pt (111)

Reis. 10. Co/Re (0001): a – CoRe; b – Co 2 Re; c - Co 3 Re

Abmessung 1,78 (Abb. 9a) oder kompakte Inseln mit platonischen Formen in Form von regelmäßigen Dreiecken (Abb. 9b, 9d) und Sechsecken (Abb. 9c), außerdem gleich orientiert relativ zu den kristallographischen Achsen. Bei einer Temperatur von 400 K schauen die Eckpunkte der Dreiecke also „nach unten“ (Abb. 9b). Bei einer Temperatur von 455 K nehmen die wachsenden Inseln die Form regelmäßiger Sechsecke an (Abb. 9c). Bei höherer Temperatur bildet sich wieder die regelmäßige dreieckige Form der Inseln aus, allerdings schauen ihre Spitzen diesmal „nach oben“ (Abb. 9d). Form und Ausrichtung der dreieckigen Inseln sind stabil. Weitere Zufuhr von Atomen führt zu einem dreidimensionalen Wachstumsregime, wodurch die wachsende Schicht stets inhomogen ist und eine pyramidenförmige dreidimensionale Struktur aufweist.

Im Zusammenhang mit den Besonderheiten des Wachstums stellen sich mindestens zwei grundlegende Fragen.

Wie lässt sich das nicht triviale dynamische Verhalten des einfachsten Systems theoretisch beschreiben?

Welche Möglichkeiten gibt es, das System zu steuern, um das Schichtwachstum sicherzustellen und eine qualitativ hochwertige, räumlich gleichmäßige Schicht zu erhalten?

Ähnliche Fragen stellen sich auch bei Heterosystemen, wenn ein Film aus einem anderen Metall auf der Oberfläche eines Metalls wächst. Wenn man also einen Silberfilm auf Platin wachsen lässt, kann man Inseln fraktaler und dendritischer Strukturen, Inseln in Form eines dreistrahligen Sterns der Firma Mercedes und andere räumlich-zeitliche Selbstorganisationsphänomene beobachten, die die ungeraden drei begleiten -dimensionales Wachstum eines dünnen Metallfilms. Beim Wachstum eines Kobaltfilms auf einer homogenen (0001)-Fläche eines Rhenium-Einkristalls entstehen Oberflächenlegierungen mit unterschiedlicher Stöchiometrie und dementsprechend räumlicher Struktur: CoRe (Abb. 10a), Co 2 Re (Abb. 10b), Co 3 Re (Abb. 10c) und nichttriviale Oberflächenstruktur. In den Abbildungen in Abb. In Abb. 10 ist zu erkennen, dass große Kreise (Rheniumatome) von einer unterschiedlichen Anzahl kleiner Kreise (Kobaltatome) umgeben sind. Diese Legierungen haben interessante magnetische Eigenschaften.

Es ist unmöglich, nicht auf ein weiteres paradoxes Phänomen einzugehen – die ungewöhnlich hohe Mobilität großer kompakter Cluster. Den Autoren einer bemerkenswerten experimentellen Arbeit folgend, betrachten wir einen kompakten Cluster regelmäßiger Form, bestehend aus der „magischen“ Anzahl von Iridiumatomen N = 1 + Зn(n – 1), n ​​​​= 2, 3, .. . . , zum Beispiel N = 19, auf der Oberfläche einer dicht gepackten Fläche (111) aus Iridium. Es scheint, dass die Beweglichkeit eines Clusters, der insgesamt zwei Dutzend Atome enthält, um viele Größenordnungen geringer sein sollte als die Beweglichkeit eines einzelnen Atoms, da die Wanderung von Atomen ein zufälliger Prozess zu sein scheint. Das Experiment ergab, dass die Migrationsgeschwindigkeit „richtiger“ Cluster mit der Migrationsgeschwindigkeit eines einzelnen Atoms vergleichbar ist! Diese Konsequenz der kollektiven Bewegung von Clusteratomen erfordert eine detaillierte theoretische Beschreibung und mathematische Modellierung. Die Ergebnisse einer solchen Analyse sind von erheblichem Interesse für die Berechnung der präexponentiellen und effektiven Aktivierungsenergien der Migration für die dynamische Monte-Carlo-Methode und für die kinetischen Gleichungen einer nichtidealen Schicht. Wenn man die tatsächlichen Migrationsraten kennt, kann man die Lebensdauer nanoskaliger Strukturen richtig abschätzen.

Es besteht keine Notwendigkeit, den Leser davon zu überzeugen, dass die aufgeführten Ergebnisse des Laborexperiments die Notwendigkeit der Entwicklung klassischer Modelle der mathematischen Physik belegen. Bei der Untersuchung von Nanoobjekten sollte man, wo es erforderlich ist, die Idee eines kontinuierlichen Mediums aufgeben, die den allermeisten Modellen der mathematischen Physik zugrunde liegt. Eine Trägheitsmodellierung ohne Berücksichtigung der Ergebnisse eines Laborexperiments führt zu völlig falschen Ergebnissen. Auch der Bedarf an einem neuen modernen Studiengang in mathematischer Physik, der die Eigenschaften von Nanoobjekten berücksichtigt, liegt auf der Hand. In diesem Kurs sollte insbesondere darauf geachtet werden

Reis. 11. (CO + O 2)/Pt(210)

Methoden der diskreten Mathematik, enumerative Kombinatorik, Gruppentheorie.

Komplexere Beispiele für nichttriviales dynamisches Verhalten offener nichtidealer Systeme sind Modellreaktionen der heterogenen Katalyse an bestimmten Flächen von Edelmetall-Einkristallen (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd( 111), Pd(110) ) bei niedrigen Partialdrücken in der Gasphase. Dies sind die Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid (CO) mit Sauerstoff (O 2) sowie die Reduktion von Stickstoffmonoxid (NO) mit Wasserstoff (H 2), Ammoniak (NH 3) und Kohlenmonoxid. Diese Reaktionen spielen eine bedeutende Rolle im Umweltproblem der Nachverbrennung toxischer Emissionen (NO, CO usw.) aus Verbrennungsmotoren und Wärmekraftwerken. Die Forschung der letzten Jahre hat die faszinierende Nano- und Mesodynamik dieser Systeme offenbart. Phasenübergänge vom Typ Ordnung-Unordnung, begleitet von der Bildung von Überstrukturen in der Adsorbatmonoschicht, Phasenübergänge vom Typ Trennung in Phasen, spontane und adsorbatinduzierte Rekonstruktion der Oberfläche der Flächen von Einkristallen und Korrosion der Katalysator gefunden. Die im Nanometerbereich ablaufenden Prozesse der raumzeitlichen Selbstorganisation stehen in engem Zusammenhang mit ähnlichen Phänomenen, die mit Hilfe der Emiim Mikrometerbereich beobachtet werden. Zu diesen Phänomenen gehören Mikrometerspiralen, stehende und Triggerwellen, doppelte Metastabilität und chemische Turbulenzen. Abbildung 11 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der räumlich-zeitlichen Selbstorganisation bei der Reaktion der Kohlenmonoxidoxidation auf der Oberfläche eines Pt(210)-Einkristalls mithilfe der Methode der Emissionsphotoelektronenmikroskopie. Jeder Rahmen (380 x 380 mm) zeigt die räumliche Verteilung der adsorbierten CO-Moleküle (helle Bereiche) und Sauerstoffatome (dunkle Bereiche) auf der Katalysatoroberfläche für verschiedene CO- und Sauerstoffpartialdrücke in der Gasphase bei konstanter Oberflächentemperatur. Spiralwellen und Autowellen eines Phasenübergangs wie Phasentrennung, Phänomene der Doppelmetastabilität usw. sind deutlich zu erkennen.

1 Die Größe eines Atoms beträgt einige Zehntel Nanometer.

2 Beschreibung der Geräte und Prinzipien ihrer Funktionsweise ist in enthalten.

3 Ein Paar natürlicher Zahlen (m, n) bestimmt den Chiralitätsvektor in der Graphitschichtebene. Die Nanoröhrenachse steht senkrecht zum Chiralitätsvektor. Somit ist für (n, n) ((n, 0)) die Achse der Röhre parallel (senkrecht) zur Seite eines regelmäßigen Sechsecks.

4 Die Abkürzung BDC steht für Benzoldicarboxyl und DMF für Dimethylformamid.

5 Die Zahlen in Klammern bezeichnen die Miller-Indizes der Fläche des Einkristallsubstrats.

Schlüsseltechnologien und Materialien haben in der Geschichte der Zivilisation schon immer eine wichtige Rolle gespielt und nicht nur enge Produktionsfunktionen, sondern auch soziale Funktionen erfüllt. Es genügt, daran zu erinnern, wie sehr sich die Stein- und Bronzezeit, das Zeitalter von Dampf und Elektrizität, Atomenergie und Computern sehr unterschieden. Nach Ansicht vieler Experten wird das 21. Jahrhundert das Jahrhundert der Nanowissenschaften und Nanotechnologien sein, das sein Gesicht bestimmen wird.

Nanowissenschaften können als Wissenssammlung über das Verhalten von Materie im Nanometerbereich definiert werden, und Nanotechnologie als die Kunst, Objekte mit Größen von Bruchteilen bis zu Hunderten von Nanometern (zumindest in einer oder zwei der drei Dimensionen) zu erschaffen und zu betreiben. .

Die Hauptkomponenten der Nanotechnologie sind in Abb. dargestellt. 2.1. Ihre grundlegende Grundlage ist die Physik, Chemie und Molekularbiologie künstlicher und natürlicher Volumina, die aus einer abzählbaren Anzahl von Atomen bestehen, d. h. solche Objekte, bei denen eine starke Abhängigkeit aller Eigenschaften von ihrer Größe (Größeneffekte), einer diskreten atomar-molekularen Struktur eines Stoffes und/oder Quantengesetzen seines Verhaltens bereits weitgehend zum Ausdruck kommt.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Nanotechnologie ist die Fähigkeit, nanostrukturierte Materialien und Objekte mit vorgegebenen Eigenschaften gezielt herzustellen oder in der Natur zu finden. Die nächste Komponente der Nanotechnologie

Schaffung von Fertigprodukten, Mehrkomponentenprodukten mit neuen Verbraucherqualitäten und Zwecken (Superkapazitätsspeicher, ultraschnelle Prozessoren, intelligente Nanoroboter usw.). Schließlich sind auch die Mittel zur Kontrolle, Zertifizierung und Erforschung von Nanoprodukten und nanostrukturierten Materialien in allen Phasen der Herstellung und Verwendung ein notwendiger Bestandteil der Nanotechnologie.

In allen Industrieländern der Welt werden bereits Dutzende großer Programme im Bereich Nanowissenschaften und Nanotechnologie umgesetzt. Nanotechnologien werden in so wichtigen Bereichen für die Gesellschaft eingesetzt wie Gesundheitswesen und Medizin, Biotechnologie und Umweltschutz, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Computer, chemische und petrochemische Produktion, Energie und Verkehr. Die Wachstumsraten der Investitionen und der Einführung der Nanotechnologie in den Industrieländern der Welt sind mittlerweile sehr hoch und werden in den nächsten 10 bis 20 Jahren das Niveau der wirtschaftlichen Entwicklung und in hohem Maße den sozialen Fortschritt in der Gesellschaft bestimmen .

Eine solche Perspektive stellt das gesamte Bildungssystem, vor allem die Berufsbildung, vor neue Herausforderungen. Da Nanotechnologie die Integration von Grundlagenwissen und High-Tech-Methoden zur Herstellung nanostrukturierter Materialien und Fertigprodukte beinhaltet, besteht an westlichen Universitäten die Tendenz, den Ausbildungsumfang sowohl von „reinen“ Physikern, Mathematikern, Chemikern, Biologen, und traditionelle Ingenieure: Metallurgen, Mechaniker, Energieingenieure, Technologen und zunehmender Anteil „synthetischer“ Fachgebiete im Bereich der physikalischen Materialwissenschaften und Nanotechnologie.

In den letzten Jahren wurden etwa 10.000 Artikel zu Nanoproblemen in weltweiten Zeitschriften veröffentlicht und etwa ein Dutzend monatliche Fachzeitschriften in bestimmten Bereichen der Nanowissenschaften.

Was versteht man nun unter Nanotechnologie? Das Dezimalpräfix „Nano“ selbst bedeutet ein Milliardstel von etwas. Somit fallen rein formal Objekte mit charakteristischen Abmessungen R (zumindest entlang einer Koordinate), gemessen in Nanometern (1 nm = 10-9 m = 10E), in den Geltungsbereich dieser Aktivität.

In Wirklichkeit ist das Spektrum der betrachteten Objekte und Phänomene viel größer – von einzelnen Atomen (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.

Es wäre naiv zu glauben, dass der Mensch vor dem Aufkommen der Nanotechnologie weder mit Objekten und Prozessen auf Nanoebene in Berührung gekommen noch diese genutzt hat. Auf Nanoebene finden also biochemische Reaktionen zwischen Makromolekülen statt, aus denen alle Lebewesen bestehen, die Gewinnung fotografischer Bilder, die Katalyse in der chemischen Produktion, Fermentationsprozesse bei der Herstellung von Wein, Käse, Brot und anderen. Allerdings kann die „intuitive Nanotechnologie“, die sich zunächst spontan entwickelte, ohne die Natur der verwendeten Objekte und Prozesse richtig zu verstehen, in Zukunft keine verlässliche Grundlage sein. Daher ist Grundlagenforschung mit dem Ziel, grundlegend neue technologische Prozesse und Produkte zu schaffen, von größter Bedeutung. Es ist möglich, dass Nanotechnologien einige der veralteten und ineffizienten Technologien ersetzen können, aber dennoch liegt ihr Haupteinsatzort in neuen Bereichen, in denen es prinzipiell unmöglich ist, mit herkömmlichen Methoden die erforderlichen Ergebnisse zu erzielen.

Somit gibt es in der riesigen und immer noch schlecht gemeisterten Lücke zwischen der Makroebene, auf der gut entwickelte Kontinuumstheorien kontinuierlicher Medien und technischer Berechnungs- und Entwurfsmethoden operieren, und der atomaren Ebene, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt, eine umfangreiche meso-hierarchische Ebene der Struktur der Materie (texos – mittel, mittel mit Griechisch). Auf dieser Ebene finden lebenswichtige biochemische Prozesse zwischen den Makromolekülen DNA, RNA, Proteinen, Enzymen und subzellulären Strukturen statt, die ein tieferes Verständnis erfordern. Gleichzeitig können hier bisher nie dagewesene Produkte und Technologien künstlich geschaffen werden, die das Leben der gesamten menschlichen Gemeinschaft radikal verändern können. Gleichzeitig werden keine großen Ausgaben für Rohstoffe und Energie sowie für deren Transport erforderlich sein, die Abfallmenge und die Umweltverschmutzung werden abnehmen und die Arbeitskräfte werden intelligenter und gesünder.

Vorlesung Nr. 19

Die Nanotechnologie hat sich in den letzten Jahren zu einem der wichtigsten und spannendsten Wissensgebiete an der Spitze der Physik, Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften entwickelt. Es gibt große Hoffnungen auf baldige Durchbrüche und neue Richtungen in der technologischen Entwicklung in vielen Tätigkeitsbereichen. Um die breite Anwendung dieses neuen Ansatzes zu erleichtern und zu beschleunigen, ist es wichtig, über allgemeine Ideen und einige spezifische Kenntnisse zu verfügen, die einerseits detailliert und tief genug sind, um das Thema ausführlich abzudecken, und andererseits Gleichzeitig ist es zugänglich und vollständig genug, um für ein breites Spektrum von Spezialisten nützlich zu sein, die mehr über den Kern des Problems und die Perspektiven in diesem Bereich erfahren möchten.

Das derzeit weit verbreitete Interesse an Nanotechnologie geht auf die Jahre 1996 bis 1998 zurück, als eine Regierungskommission mit Unterstützung des World Technology Evaluation Center (WTEC), das von der US National Science Foundation und anderen Bundesbehörden finanziert wurde, eine Studie über die weltweiten Erfahrungen in diesem Bereich durchführte Forschung und Entwicklung im Bereich Nanotechnologien, um deren technologisches Innovationspotenzial abzuschätzen. Die Nanotechnologie basiert auf der Erkenntnis, dass Partikel, die kleiner als 100 Nanometer sind (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter), den daraus hergestellten Materialien neue Eigenschaften und Verhaltensweisen verleihen. Dies liegt daran, dass Objekte, die kleiner als die charakteristische Länge sind (was auf die Natur des jeweiligen Phänomens zurückzuführen ist), häufig eine andere Physik und Chemie aufweisen, was zu sogenannten Größeneffekten führt, einem neuen Verhalten, das von der Partikelgröße abhängt. So wurden beispielsweise bei weniger kritischen Partikelgrößen Veränderungen der elektronischen Struktur, der Leitfähigkeit, der Reaktivität, der Schmelztemperatur und der mechanischen Eigenschaften beobachtet. Die Abhängigkeit des Verhaltens von der Partikelgröße ermöglicht es, aus denselben Ausgangsatomen Materialien mit neuen Eigenschaften zu entwerfen.

Laut WTEC hat diese Technologie ein großes Potenzial für den Einsatz in einem äußerst breiten und vielfältigen Spektrum praktischer Bereiche – von der Herstellung stärkerer und leichterer Strukturmaterialien bis hin zur Verkürzung der Abgabezeit nanostrukturierter Arzneimittel an das Kreislaufsystem und der Erhöhung der Kapazität magnetischer Medien und Erstellen von Triggern für schnelle Computer. Die Empfehlungen dieses und nachfolgender Ausschüsse haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass sehr große Mittel für die Entwicklung der Nanowissenschaften und Nanotechnologie bereitgestellt wurden. Die interdisziplinäre Forschung deckt ein breites Themenspektrum ab – von der Chemie der Katalyse durch Nanopartikel bis zur Physik von Quantenpunktlasern. Um die allgemeinsten Perspektiven und Implikationen der Entwicklung der Nanotechnologie zu würdigen und einen Beitrag zu diesem neuen spannenden Tätigkeitsfeld zu leisten, wurde erkannt, dass Forscher regelmäßig über ihr enges Berufsfeld hinausgehen müssen Wissen. Technische Manager, Experten und diejenigen, die finanzielle Entscheidungen treffen, müssen die unterschiedlichsten Disziplinen verstehen.

Die Nanotechnologie gilt nicht nur als einer der vielversprechendsten Zweige der Hochtechnologie, sondern auch als systembildender Faktor in der Wirtschaft des 21. Jahrhunderts – einer Wirtschaft, die auf Wissen und nicht auf der Nutzung natürlicher Ressourcen oder deren Ressourcen basiert wird bearbeitet. Darüber hinaus stimuliert die Nanotechnologie die Entwicklung eines neuen Paradigmas aller Produktionsaktivitäten („bottom-up“ – von einzelnen Atomen – zum Produkt und nicht „top-down“, wie in der traditionellen Technologie, in der das Produkt entsteht wird durch Abschneiden von überschüssigem Material von massiveren Rohlingen gewonnen) ist es selbst eine Quelle neuer Ansätze zur Erhöhung des Lebensstandards und zur Lösung vieler sozialer Probleme in einer postindustriellen Gesellschaft. Nach Ansicht der meisten Experten auf dem Gebiet der Wissenschafts- und Technologiepolitik und -investitionen wird die begonnene Nanotechnologie-Revolution alle lebenswichtigen Bereiche menschlichen Handelns (von der Weltraumforschung bis zur Medizin, von der nationalen Sicherheit bis zur Ökologie und Landwirtschaft) erfassen und ihre Folgen haben breiter und tiefer als die Computerrevolutionen im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts. All dies wirft Aufgaben und Fragen nicht nur im wissenschaftlich-technischen Bereich auf, sondern auch vor der Verwaltung verschiedener Ebenen, potenziellen Investoren, dem Bildungssektor und staatlichen Stellen. Management usw.

In den letzten Jahren gab es eine ausreichende Anzahl von Veröffentlichungen, die sich der Theorie, den Eigenschaften und der praktischen Anwendung von Nanomaterialien und der Nanotechnologie widmeten. Insbesondere wird dieses Thema ausführlich in dem Buch von Ch. Pool und Jr.F. behandelt. Owens, Nanotechnologie, trans. aus dem Englischen, 2., überarbeitete Auflage, hrsg. „Technosphere“, M., 2006, 335s. Die Autoren stellen fest, dass dieses Buch, obwohl es ursprünglich als Einführung in die Nanotechnologie gedacht war, aufgrund der Natur dieser Wissenschaft zu einer Einführung in bestimmte Bereiche der Nanotechnologie geworden ist, die offenbar ihre typischen Vertreter sind. Aufgrund der hohen Entwicklungsgeschwindigkeit und der Interdisziplinarität ist eine wirklich umfassende Darstellung des Themas nicht möglich. Die vorgestellten Themen wurden aufgrund der erreichten Tiefe des Verständnisses des Themas, des Umfangs ihres Potenzials oder bestehender Anwendungen in der Technologie ausgewählt. In vielen Kapiteln werden aktuelle und zukünftige Möglichkeiten erörtert. Für diejenigen, die mehr über die spezifischen Bereiche erfahren möchten, in denen diese Technologie entwickelt wird, werden Verweise auf die Literatur bereitgestellt.

Die Autoren haben versucht, eine Einführung in das Thema Nanotechnologie zu geben, die auf einem solchen Niveau verfasst ist, dass Forscher in verschiedenen Bereichen die Entwicklung des Fachgebiets außerhalb ihrer beruflichen Interessen nachvollziehen können und technische Führungskräfte und Manager einen Überblick über das Thema erhalten können. Vielleicht kann dieses Buch als Grundlage für einen Universitätskurs über Nanotechnologie dienen. Viele Kapitel bieten Einführungen in die physikalischen und chemischen Prinzipien, die den besprochenen Bereichen zugrunde liegen. Dadurch sind viele Kapitel autark und können unabhängig voneinander studiert werden. Daher beginnt Kapitel 2 mit einem kurzen Überblick über die Eigenschaften von Massenmaterialien, der notwendig ist, um zu verstehen, wie und warum sich die Eigenschaften von Materialien ändern, wenn sich die Größe ihrer Struktureinheiten dem Nanometerbereich nähert. Ein wichtiger Impuls für eine so rasante Entwicklung der Nanotechnologie war die Entwicklung neuer Werkzeuge (z. B. des Rastertunnelmikroskops), die es ermöglichten, nanometergroße Strukturen auf der Oberfläche von Materialien zu erkennen. Daher beschreibt Kapitel 3 die wichtigsten Instrumentensysteme und liefert Illustrationen zu Messungen in Nanomaterialien. Die restlichen Kapitel befassen sich mit anderen Aspekten des Problems. Das Buch deckt ein sehr breites Spektrum an Problemen und Themen ab: Auswirkungen im Zusammenhang mit der Größe und Dimension nanowissenschaftlicher und technologischer Objekte, magnetische, elektrische und optische Eigenschaften nanostrukturierter Materialien, Methoden zu ihrer Herstellung und Untersuchung, Selbstorganisation und Katalyse in Nanostrukturen, Nanobiotechnologie, integrierte nanoelektromechanische Geräte, Fullerite, Nanoröhren und vieles mehr. Es werden eine Reihe moderner Methoden zur Erforschung und Zertifizierung von Nanostrukturen und Nanoobjekten beschrieben: Elektronen- und Ionenfeldmikroskopie, optische, Röntgen- und magnetische Spektroskopie.

Gleichzeitig sind auch Lücken im Aufbau und Inhalt einzelner Abschnitte erkennbar. Informationen über Nanoelektronik, Spintronik, neue Ideen zum Quantencomputing und Computer fehlen daher fast vollständig. Die meisten von ihnen werden nicht einmal erwähnt. Den äußerst leistungsstarken und weit verbreiteten Sondenscanning-Methoden in Forschung, Zertifizierung, Lithographie sowie Atom- und Moleküldesign wurde völlig unzureichende Aufmerksamkeit geschenkt. Ein winziger Absatz, der diesen Themen gewidmet ist, steht in keinem Verhältnis zur Rolle und Stellung der Sonden-Nanotechnologie. Ein sehr bescheidener Platz wird der schwachen Supraleitung und darauf basierenden vielversprechenden Geräten eingeräumt. Filme und Heterostrukturen, die in der modernen planaren Elektronik eine wichtige Rolle spielen, superharte und verschleißfeste Beschichtungen etc. werden sparsam vorgestellt.

Wir weisen auch darauf hin, dass nirgendwo eine Systematisierung von Objekten und Prozessen der Nanotechnologie erfolgt, so dass für einen unerfahrenen Leser unklar bleibt, mit welchem ​​Teil des Themas er sich nach der Lektüre dieses Buches vertraut machen kann.

Trotz der oben genannten Mängel kann das Buch im Allgemeinen als nützlich für ein breites Spektrum von Lesern angesehen werden, darunter Studenten der Fachrichtungen Physik, Chemie und Materialwissenschaften. Letzteres ist umso relevanter, als es nahezu keine Lehrliteratur zur Nanotechnologie in russischer Sprache gibt und der Bedarf daran aufgrund der 2003 begonnenen Ausbildung von Spezialisten für Nanomaterialien und Nanoelektronik an 12 russischen Universitäten groß ist.

Nicht allen Vorstellungen und Interpretationen der Autoren kann uneingeschränkt zugestimmt werden. Um den Text jedoch nicht mit einer Vielzahl von Kommentaren, Ergänzungen und Kritiken zu überladen, wurden bei der Übersetzung und Bearbeitung nur offensichtliche Fehler, Inkonsistenzen und Tippfehler beseitigt.

Während des Schreibens des Buches und seines Nachdrucks auf Russisch wurden viele nützliche Bücher veröffentlicht, von denen einige unten aufgeführt sind. Demnach kann der interessierte Leser die einzelnen Abschnitte und das Panorama der Nanotechnologie als Ganzes vertiefter kennenlernen.

Zu den Nanomaterialien zählen herkömmlicherweise dispergierte und massive Materialien, die Strukturelemente (Körner, Kristallite, Blöcke, Cluster usw.) enthalten, deren geometrische Abmessungen in mindestens einer Dimension 100 nm nicht überschreiten und die über qualitativ neue funktionelle und betriebliche Eigenschaften verfügen. Zu den Nanotechnologien zählen Technologien, die es ermöglichen, Nanomaterialien auf kontrollierte Weise herzustellen und zu verändern sowie sie in voll funktionsfähige Großsysteme zu integrieren. Zu den Hauptbestandteilen der Wissenschaft der Nanomaterialien und Nanotechnologien zählen:

grundlegende Untersuchungen der Eigenschaften von Materialien auf nanoskaliger Ebene;

Entwicklung von Nanotechnologien zur gezielten Herstellung von Nanomaterialien sowie Suche und Nutzung natürlicher Objekte mit Nanostrukturelementen, Herstellung von Fertigprodukten unter Verwendung von Nanomaterialien und Integration von Nanomaterialien und Nanotechnologien in verschiedene Industrien und Wissenschaften;

Entwicklung von Werkzeugen und Methoden zur Untersuchung der Struktur und Eigenschaften von Nanomaterialien sowie von Methoden zur Überwachung und Zertifizierung von Produkten und Halbzeugen für Nanotechnologien.

Das 21. Jahrhundert war geprägt von einem revolutionären Beginn in der Entwicklung von Nanotechnologien und Nanomaterialien. Sie werden bereits in allen entwickelten Ländern der Welt in den wichtigsten Bereichen der menschlichen Tätigkeit (Industrie, Verteidigung, Informationsbereich, Funkelektronik, Energie, Verkehr, Biotechnologie, Medizin) eingesetzt. Eine Analyse des Investitionswachstums, der Anzahl der Veröffentlichungen zu diesem Thema und der Geschwindigkeit der Umsetzung von Grundlagen- und Suchentwicklungen lässt den Schluss zu, dass der Einsatz von Nanotechnologien und Nanomaterialien in den nächsten 20 Jahren einer der bestimmenden Faktoren in der sein wird wissenschaftliche, wirtschaftliche und verteidigungspolitische Entwicklung der Staaten. Derzeit nimmt das Interesse an einer neuen Materialklasse sowohl im Bereich der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft als auch in Industrie und Wirtschaft stetig zu. Dies hat folgende Gründe:

Streben nach Miniaturisierung von Produkten,

einzigartige Eigenschaften von Materialien im nanostrukturierten Zustand,

die Notwendigkeit, Materialien mit qualitativ und quantitativ neuen Eigenschaften zu entwickeln und umzusetzen,

die Entwicklung neuer technologischer Methoden und Methoden basierend auf den Prinzipien der Selbstorganisation und Selbstorganisation,

praktische Umsetzung moderner Instrumente zur Erforschung, Diagnostik und Modifikation von Nanomaterialien (Rastersondenmikroskopie),

Entwicklung und Implementierung neuer Technologien, bei denen es sich um eine Abfolge von Lithographieprozessen und Technologien zur Gewinnung von Nanopulvern handelt.

Die Richtung der Nanostrukturforschung hat sich fast vollständig von der Gewinnung und Untersuchung nanokristalliner Substanzen und Materialien hin zum Bereich der Nanotechnologie verlagert, d. h. der Schaffung von Produkten, Geräten und Systemen mit nanoskaligen Elementen. Die Hauptanwendungsgebiete nanoskaliger Elemente sind Elektronik, Medizin, chemische Pharmazie und Biologie.

Der russische Präsident Dmitri Medwedew ist zuversichtlich, dass das Land über alle Voraussetzungen für eine erfolgreiche Entwicklung der Nanotechnologie verfügt.

Nanotechnologie ist ein neuer Bereich der Wissenschaft und Technologie, der sich in den letzten Jahrzehnten aktiv weiterentwickelt hat. Unter Nanotechnologien versteht man die Schaffung und Nutzung von Materialien, Geräten und technischen Systemen, deren Funktion durch die Nanostruktur, also ihre geordneten Fragmente mit einer Größe von 1 bis 100 Nanometern, bestimmt wird.

Das Präfix „nano“, das aus dem Griechischen stammt („nanos“ auf Griechisch – Zwerg), bedeutet ein Milliardstel Teil. Ein Nanometer (nm) ist ein Milliardstel Meter.

Der Begriff „Nanotechnologie“ (Nanotechnologie) wurde 1974 vom Professor und Materialwissenschaftler der Universität Tokio Norio Taniguchi (Norio Taniguchi) geprägt, der ihn als „Fertigungstechnologie, die es ermöglicht, ultrahohe Präzision und ultrakleine Abmessungen zu erreichen“ definierte. .. in der Größenordnung von 1 nm ...“ .

Nanowissenschaften werden in der Weltliteratur klar von Nanotechnologie unterschieden. Für die Nanowissenschaften wird auch der Begriff Nanowissenschaft verwendet.

Im Russischen und in der Praxis der russischen Gesetzgebung und Vorschriften vereint der Begriff „Nanotechnologien“ „Nanowissenschaften“, „Nanotechnologien“ und manchmal sogar „Nanoindustrie“ (Geschäfts- und Produktionsbereiche, in denen Nanotechnologien eingesetzt werden).

Der wichtigste Bestandteil der Nanotechnologie sind Nanomaterialien, also Materialien, deren ungewöhnliche funktionelle Eigenschaften durch die geordnete Struktur ihrer Nanofragmente mit einer Größe von 1 bis 100 nm bestimmt werden.

- nanoporöse Strukturen;
- Nanopartikel;
- Nanoröhren und Nanofasern
- Nanodispersionen (Kolloide);
- nanostrukturierte Oberflächen und Filme;
- Nanokristalle und Nanocluster.

Nanosystemtechnik- vollständig oder teilweise auf der Grundlage von Nanomaterialien und Nanotechnologien erstellte, funktionsfähige Systeme und Geräte, deren Eigenschaften sich grundlegend von denen von Systemen und Geräten mit ähnlichem Zweck unterscheiden, die mit herkömmlichen Technologien erstellt wurden.

Anwendungen der Nanotechnologie

Es ist nahezu unmöglich, alle Bereiche aufzuzählen, in denen diese globale Technologie den technischen Fortschritt maßgeblich beeinflussen kann. Wir können nur einige davon nennen:

- Elemente der Nanoelektronik und Nanophotonik (Halbleitertransistoren und Laser;
- Fotodetektoren; Solarzellen; diverse Sensoren)
- Geräte zur ultradichten Aufzeichnung von Informationen;
- Telekommunikations-, Informations- und Computertechnologien; Supercomputer;
- Videoausrüstung - Flachbildschirme, Monitore, Videoprojektoren;
- molekulare elektronische Geräte, einschließlich Schalter und elektronische Schaltkreise auf molekularer Ebene;
- Nanolithographie und Nanoimprinting;
- Brennstoffzellen und Energiespeicher;
- Geräte der Mikro- und Nanomechanik, einschließlich molekularer Motoren und Nanomotoren, Nanoroboter;
- Nanochemie und Katalyse, einschließlich Verbrennungskontrolle, Beschichtung, Elektrochemie und Pharmazeutika;
- Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen;
- Geräte zur Überwachung des Umweltzustands;
- gezielte Abgabe von Medikamenten und Proteinen, Biopolymeren und Heilung biologischer Gewebe, klinische und medizinische Diagnostik, Schaffung künstlicher Muskeln, Knochen, Implantation lebender Organe;
- Biomechanik; Genomik; Bioinformatik; Bioinstrumentierung;
- Registrierung und Identifizierung krebserregender Gewebe, Krankheitserreger und biologisch schädlicher Stoffe;
- Sicherheit in der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion.

Computer und Mikroelektronik

Nanocomputer- ein auf elektronischen (mechanischen, biochemischen, Quanten-)Technologien basierendes Rechengerät mit einer Größe logischer Elemente in der Größenordnung von mehreren Nanometern. Auch der auf Basis der Nanotechnologie entwickelte Computer selbst hat mikroskopische Dimensionen.

DNA-Computer- ein Computersystem, das die Rechenfähigkeiten von DNA-Molekülen nutzt. Biomolekulares Computing ist ein Sammelbegriff für verschiedene Techniken, die auf die eine oder andere Weise mit DNA oder RNA zu tun haben. Beim DNA-Computing werden Daten nicht in Form von Nullen und Einsen dargestellt, sondern in Form einer molekularen Struktur, die auf der Grundlage der DNA-Helix aufgebaut ist. Die Rolle der Software zum Lesen, Kopieren und Verwalten von Daten übernehmen spezielle Enzyme.

Rasterkraftmikroskop- hochauflösendes Rastersondenmikroskop, basierend auf der Wechselwirkung der Auslegernadel (Sonde) mit der Oberfläche der zu untersuchenden Probe. Im Gegensatz zu einem Rastertunnelmikroskop (STM) können damit sowohl leitende als auch nicht leitende Oberflächen auch durch eine Flüssigkeitsschicht hindurch untersucht werden, was die Arbeit mit organischen Molekülen (DNA) ermöglicht. Die räumliche Auflösung eines Rasterkraftmikroskops hängt von der Größe des Auslegers und der Krümmung seiner Spitze ab. Die Auflösung erreicht horizontal den atomaren Bereich und übertrifft sie vertikal deutlich.

Antennenoszillator- Am 9. Februar 2005 wurde im Labor der Boston University eine Oszillatorantenne mit einer Größe von etwa 1 Mikrometer empfangen. Dieses Gerät besteht aus 5.000 Millionen Atomen und ist in der Lage, mit einer Frequenz von 1,49 Gigahertz zu schwingen, wodurch Sie damit riesige Informationsmengen übertragen können.

Nanomedizin und Pharmaindustrie

Eine Richtung in der modernen Medizin, die auf der Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Nanomaterialien und Nanoobjekten zur Verfolgung, Gestaltung und Veränderung menschlicher biologischer Systeme auf nanomolekularer Ebene basiert.

DNA-Nanotechnologien- die spezifischen Basen von DNA-Molekülen und Nukleinsäuren nutzen, um auf ihrer Basis klar definierte Strukturen zu schaffen.

Industrielle Synthese von Molekülen von Arzneimitteln und pharmakologischen Präparaten mit einer genau definierten Form (Bispeptide).

Zu Beginn des Jahres 2000 wurde dank des rasanten Fortschritts in der Technologie zur Herstellung von Nanopartikeln ein Anstoß für die Entwicklung eines neuen Bereichs der Nanotechnologie gegeben – Nanoplasmonik. Es stellte sich heraus, dass es möglich war, durch Anregung von Plasmonschwingungen elektromagnetische Strahlung entlang einer Kette von Metallnanopartikeln zu übertragen.

Robotik

Nanobots- Roboter, die aus Nanomaterialien hergestellt wurden und in ihrer Größe mit einem Molekül vergleichbar sind, mit den Funktionen Bewegung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen sowie Ausführung von Programmen. Nanoroboter, die in der Lage sind, Kopien von sich selbst zu erstellen, d. h. sich selbst reproduzierende Substanzen werden Replikatoren genannt.

Derzeit sind bereits elektromechanische Nanogeräte mit begrenzter Mobilität entstanden, die als Prototypen von Nanorobotern gelten können.

Molekulare Rotoren- Synthetische Nanomotoren, die in der Lage sind, ein Drehmoment zu erzeugen, wenn ihnen ausreichend Energie zugeführt wird.

Platz Russlands unter den Ländern, die Nanotechnologien entwickeln und produzieren

Weltweit führend bei den Gesamtinvestitionen im Bereich der Nanotechnologie sind die EU-Länder, Japan und die USA. In jüngster Zeit haben Russland, China, Brasilien und Indien ihre Investitionen in dieser Branche deutlich erhöht. In Russland wird sich der Finanzierungsbetrag im Rahmen des Programms „Entwicklung der Nanoindustrie-Infrastruktur in der Russischen Föderation für 2008-2010“ auf 27,7 Milliarden Rubel belaufen.

Im jüngsten (2008) Bericht des in London ansässigen Forschungsunternehmens Cientifica mit dem Namen „Nanotechnology Outlook Report“ heißt es wörtlich zu russischen Investitionen: „Obwohl die EU bei den Investitionen immer noch an erster Stelle steht, haben China und Russland sie bereits überholt.“ Vereinigte Staaten."

Es gibt Bereiche der Nanotechnologie, in denen russische Wissenschaftler als erste weltweit Ergebnisse erzielten, die den Grundstein für die Entwicklung neuer wissenschaftlicher Trends legten.

Dazu gehören die Herstellung ultrafeiner Nanomaterialien, das Design von Einzelelektronengeräten sowie Arbeiten im Bereich der Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie. Allein auf einer Sonderausstellung im Rahmen des XII. St. Petersburger Wirtschaftsforums (2008) wurden 80 konkrete Entwicklungen auf einmal präsentiert.

Russland produziert bereits eine Reihe von Nanoprodukten, die auf dem Markt gefragt sind: Nanomembranen, Nanopulver, Nanoröhren. Experten zufolge liegt Russland bei der Kommerzialisierung nanotechnologischer Entwicklungen jedoch zehn Jahre hinter den USA und anderen entwickelten Ländern.

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