G. G. Yelenin
Σύντομες πληροφορίες για τον συγγραφέα: Καθηγητής της Σχολής Υπολογιστικών Μαθηματικών και Κυβερνητικής, Lomonosov Moscow State University. M.V. Lomonosov, Κορυφαίος Ερευνητής, Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Μαθηματικών. M.V. Keldysh RAS.
Εάν ένας κύβος από χάλυβα ή ένας κρύσταλλος άλατος, που αποτελείται από πανομοιότυπα άτομα, μπορεί να παρουσιάσει ενδιαφέρουσες ιδιότητες. εάν το νερό - απλές σταγόνες, που δεν διακρίνονται μεταξύ τους και καλύπτουν την επιφάνεια της Γης για μίλια και μίλια - είναι ικανό να δημιουργήσει κύματα και αφρό, βροντές του σερφ και περίεργα σχέδια στον γρανίτη του αναχώματος. αν όλα αυτά, όλος ο πλούτος της ζωής των νερών, είναι απλώς μια ιδιότητα δέσμης ατόμων, τότε πόσες περισσότερες δυνατότητες κρύβονται σε αυτά; Αν, αντί να τακτοποιούμε τα άτομα με τη σειρά, γραμμή προς γραμμή, στήλη προς στήλη, ακόμη και αντί να τα χτίζουμε στα περίπλοκα μόρια της μυρωδιάς της βιολέτας, αν αντί να τα τακτοποιούμε με νέο τρόπο κάθε φορά, διαφοροποιούμε το μωσαϊκό τους χωρίς να επαναλαμβάνουμε αυτό, τι έχει ήδη συμβεί - φανταστείτε πόσα ασυνήθιστα, απροσδόκητα πράγματα μπορεί να προκύψουν στη συμπεριφορά τους.
R. P. Feynman
Θέμα, στόχοι και κύριες κατευθύνσεις στη νανοτεχνολογία
Σύμφωνα με το Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό, η τεχνολογία είναι ένα σύνολο μεθόδων επεξεργασίας, κατασκευής, αλλαγής της κατάστασης, των ιδιοτήτων, της μορφής πρώτων υλών, υλικών ή ημικατεργασμένων προϊόντων που πραγματοποιούνται στην παραγωγική διαδικασία.
Η ιδιαιτερότητα της νανοτεχνολογίας έγκειται στο γεγονός ότι οι υπό εξέταση διεργασίες και οι ενέργειες που εκτελούνται συμβαίνουν στο εύρος των νανομέτρων των χωρικών διαστάσεων 1 . Οι "πρώτες ύλες" είναι μεμονωμένα άτομα, μόρια, μοριακά συστήματα και όχι μικροσκοπικοί ή μακροσκοπικοί όγκοι υλικού που συνηθίζονται στην παραδοσιακή τεχνολογία, που περιέχουν τουλάχιστον δισεκατομμύρια άτομα και μόρια. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή τεχνολογία, η νανοτεχνολογία χαρακτηρίζεται από μια «ατομική» προσέγγιση, στην οποία ο εξωτερικός έλεγχος φθάνει σε μεμονωμένα άτομα και μόρια, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία από αυτά υλικών «χωρίς ελαττώματα» με θεμελιωδώς νέες φυσικοχημικές και βιολογικές ιδιότητες, καθώς και νέες κατηγορίες. συσκευών με χαρακτηριστικά μεγέθη νανομέτρων. Η έννοια της «νανοτεχνολογίας» δεν έχει ακόμη κατασταλάξει. Προφανώς, μπορεί να ακολουθηθεί ο ακόλουθος ορισμός εργασίας.
Η νανοτεχνολογία είναι ένα διεπιστημονικό πεδίο της επιστήμης στο οποίο μελετώνται οι κανονικότητες των φυσικών και χημικών διεργασιών σε χωρικές περιοχές μεγεθών νανομέτρων προκειμένου να ελεγχθούν μεμονωμένα άτομα, μόρια, μοριακά συστήματα κατά τη δημιουργία νέων μορίων, νανοδομών, νανοσυσκευών και υλικών με ειδικά φυσικά, χημικά. και βιολογικές ιδιότητες.
Μια ανάλυση της τρέχουσας κατάστασης της ταχέως αναπτυσσόμενης περιοχής μας επιτρέπει να εντοπίσουμε μια σειρά σημαντικών περιοχών σε αυτήν.
Μοριακός σχεδιασμός. Παρασκευή υφιστάμενων μορίων και σύνθεση νέων μορίων σε εξαιρετικά ανομοιογενή ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Επιστήμη υλικών. Δημιουργία «χωρίς ελαττώματα» υλικών υψηλής αντοχής, υλικών με υψηλή αγωγιμότητα.
Ενοργάνιση. Δημιουργία μικροσκοπίων σάρωσης σήραγγας, μικροσκοπίων ατομικής δύναμης 2 , μικροσκοπίων μαγνητικής δύναμης, συστημάτων πολλαπλών σημείων για μοριακό σχεδιασμό, μικροσκοπικών υπερευαίσθητων αισθητήρων, νανορομπότ.
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ. Σχεδιασμός βάσης στοιχείων νανομέτρων για υπολογιστές επόμενης γενιάς, νανοσύρματα, τρανζίστορ, ανορθωτές, οθόνες, ακουστικά συστήματα.
Οπτική. Δημιουργία νανολέιζερ. Σύνθεση συστημάτων πολλαπλών σημείων με νανολέιζερ.
ετερογενής κατάλυση. Ανάπτυξη καταλυτών με νανοδομές για κατηγορίες αντιδράσεων επιλεκτικής κατάλυσης.
Φάρμακο. Σχεδιασμός νανοεργαλείων για την καταστροφή ιών, τοπική «επισκευή» οργάνων, παροχή υψηλής ακρίβειας δόσεων φαρμάκων σε ορισμένα σημεία ενός ζωντανού οργανισμού.
Τριβολογία. Προσδιορισμός της σχέσης μεταξύ της νανοδομής των υλικών και των δυνάμεων τριβής και η χρήση αυτής της γνώσης για την κατασκευή υποσχόμενων ζευγών τριβής.
Ελεγχόμενες πυρηνικές αντιδράσεις. Νανοεπιταχυντές σωματιδίων, μη στατιστικές πυρηνικές αντιδράσεις.
Μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας
Τουλάχιστον δύο γεγονότα έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην ασταμάτητη εξερεύνηση του νανόκοσμου:
Δημιουργία μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) και μικροσκοπίου ατομικής δύναμης σάρωσης (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Βραβείο Νόμπελ 1992).
Ανακάλυψη μιας νέας μορφής ύπαρξης άνθρακα στη φύση - τα φουλερένια (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Βραβείο Νόμπελ 1996).
Νέα μικροσκόπια κατέστησαν δυνατή την παρατήρηση της ατομικής-μοριακής δομής της επιφάνειας των μονοκρυστάλλων στην περιοχή μεγεθών νανομέτρων. Η καλύτερη χωρική ανάλυση των οργάνων είναι το ένα εκατοστό του νανομέτρου κατά μήκος της κανονικής προς την επιφάνεια. Η λειτουργία ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας βασίζεται στη διοχέτευση ηλεκτρονίων μέσω ενός φράγματος κενού. Η υψηλή ανάλυση οφείλεται στο γεγονός ότι το ρεύμα της σήραγγας αλλάζει κατά τρεις τάξεις μεγέθους όταν το πλάτος του φραγμού αλλάζει κατά το μέγεθος του ατόμου. Η θεωρία του φαινομένου της κβαντικής σήραγγας ιδρύθηκε από τον G.A. Ο Gamow το 1928 στο έργο του για την αποσύνθεση.
Με τη βοήθεια διαφόρων μικροσκοπίων σάρωσης, παρατηρείται επί του παρόντος η ατομική δομή των επιφανειών μονοκρυστάλλων μετάλλων, ημιαγωγών, υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, οργανικών μορίων και βιολογικών αντικειμένων. Στο σχ. 1 δείχνει την ανακατασκευασμένη επιφάνεια της κάτω βεράντας της (100) όψης ενός μονοκρυστάλλου πυριτίου. Οι γκρίζοι κύκλοι είναι εικόνες ατόμων πυριτίου. Οι σκοτεινές περιοχές είναι τοπικά ελαττώματα νανομέτρων. Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει την ατομική δομή μιας καθαρής επιφάνειας της (110) όψης από ασήμι (αριστερό πλαίσιο) και της ίδιας επιφάνειας καλυμμένης με άτομα οξυγόνου (δεξιό πλαίσιο). Αποδείχθηκε ότι το οξυγόνο δεν απορροφάται χαοτικά, αλλά μάλλον σχηματίζει μάλλον μακριές αλυσίδες κατά μήκος μιας ορισμένης κρυσταλλογραφικής κατεύθυνσης. Η παρουσία διπλών και μονών αλυσίδων υποδηλώνει δύο μορφές οξυγόνου.
Αυτές οι μορφές παίζουν σημαντικό ρόλο στην επιλεκτική οξείδωση υδρογονανθράκων όπως το αιθυλένιο. Στο σχ. 3, μπορεί κανείς να δει τη νανοδομή του υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . Στο αριστερό πλαίσιο του Σχ. 4, δακτύλιοι μορίων βενζολίου (C 6 H 6) είναι καθαρά ορατοί. Το δεξί πλαίσιο δείχνει τις αλυσίδες CH 2 από πολυαιθυλένιο. Η εργασία παρουσιάζει μια ακολουθία πλαισίων μιας εργαστηριακής ταινίας σχετικά με τη διείσδυση ενός ιού σε ένα ζωντανό κύτταρο.
Τα νέα μικροσκόπια είναι χρήσιμα όχι μόνο για τη μελέτη της ατομικής και μοριακής δομής της ύλης. Αποδείχτηκαν κατάλληλα για το σχεδιασμό νανοδομών. Με τη βοήθεια ορισμένων κινήσεων με την άκρη του μικροσκοπίου, είναι δυνατό να δημιουργηθούν ατομικές δομές. Το σχήμα 5 δείχνει τα στάδια δημιουργίας της επιγραφής "IBM" από μεμονωμένα άτομα ξένου στην όψη (110) ενός μονοκρυστάλλου νικελίου. Οι κινήσεις της άκρης κατά τη δημιουργία νανοδομών από μεμονωμένα άτομα μοιάζουν με τις τεχνικές ενός παίκτη χόκεϋ όταν προωθεί το ξωτικό με ένα ραβδί. Είναι ενδιαφέρον να δημιουργηθούν αλγόριθμοι υπολογιστών που δημιουργούν μια μη τετριμμένη σύνδεση μεταξύ των κινήσεων της κορυφής και των κινήσεων των ατόμων που έχουν υποστεί χειρισμό βάσει κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων. Μοντέλα και αλγόριθμοι είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη αυτόματων «συναρμολογητών» νανοδομών.
Ρύζι. 4: a - C6H6; b - CH 2 - CH 2
Ρύζι. 5. Xe/Ni (110)
Νανοϋλικά
Τα φουλερένια, ως μια νέα μορφή ύπαρξης άνθρακα στη φύση, μαζί με το πασίγνωστο διαμάντι και τον γραφίτη, ανακαλύφθηκαν το 1985 όταν οι αστροφυσικοί προσπάθησαν να εξηγήσουν τα φάσματα της διαστρικής σκόνης. Αποδείχθηκε ότι τα άτομα άνθρακα μπορούν να σχηματίσουν ένα εξαιρετικά συμμετρικό μόριο C 60. Ένα τέτοιο μόριο αποτελείται από 60 άτομα άνθρακα που βρίσκονται σε μια σφαίρα με διάμετρο περίπου ένα νανόμετρο και μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου (Εικ. 6). Σύμφωνα με το θεώρημα του L. Euler, τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν 12 κανονικά πεντάγωνα και 20 κανονικά εξάγωνα. Το μόριο πήρε το όνομά του από τον αρχιτέκτονα R. Fuller, ο οποίος έχτισε ένα σπίτι από πεντάγωνα και εξάγωνα. Αρχικά, το C 60 ελήφθη σε μικρές ποσότητες και στη συνέχεια, το 1990, ανακαλύφθηκε η τεχνολογία για την παραγωγή τους σε μεγάλη κλίμακα.
Φουλερίτες. Τα μόρια C 60, με τη σειρά τους, μπορούν να σχηματίσουν έναν κρύσταλλο φουλλερίτη με ένα κεντροκεντρικό κυβικό πλέγμα και αρκετά αδύναμους διαμοριακούς δεσμούς. Αυτός ο κρύσταλλος έχει οκταεδρικές και τετραεδρικές κοιλότητες, οι οποίες μπορεί να περιέχουν ξένα άτομα. Εάν οι οκταεδρικές κοιλότητες είναι γεμάτες με ιόντα μετάλλων αλκαλίων (¦ = K (κάλιο), Rb (ρουβίδιο), Cs (καισίου)), τότε σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου η δομή αυτών των ουσιών αναδιατάσσεται και ένα νέο πολυμερές υλικό ¦1C60 είναι σχηματίστηκε. Εάν γεμίσουν και οι τετραεδρικές κοιλότητες, τότε σχηματίζεται ένα υπεραγώγιμο υλικό ¦3С60 με κρίσιμη θερμοκρασία 20–40 K. Μαξ Πλανκ στη Στουτγάρδη. Υπάρχουν φουλερίτες με άλλα πρόσθετα που δίνουν στο υλικό μοναδικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, το C60-αιθυλένιο έχει σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Η υψηλή δραστηριότητα στο νέο πεδίο της χημείας οδήγησε στο γεγονός ότι μέχρι το 1997 υπήρχαν περισσότερες από 9000 ενώσεις φουλερενίου.
Νανοσωλήνες άνθρακα. Μόρια με τεράστιο αριθμό ατόμων μπορούν να ληφθούν από τον άνθρακα. Ένα τέτοιο μόριο, για παράδειγμα C=1000000, μπορεί να είναι ένας σωλήνας μονής στιβάδας με διάμετρο περίπου ένα νανόμετρο και μήκος αρκετές δεκάδες μικρά (Εικ. 7). Στην επιφάνεια του σωλήνα, τα άτομα άνθρακα βρίσκονται στις κορυφές των κανονικών εξαγώνων. Τα άκρα του σωλήνα κλείνουν με έξι κανονικά πεντάγωνα. Πρέπει να σημειωθεί ο ρόλος του αριθμού των πλευρών των κανονικών πολυγώνων στο σχηματισμό δισδιάστατων επιφανειών που αποτελούνται από
Ρύζι. 7. Μη χειρόμορφοι νανοσωλήνες: a - C(n", n) - μέταλλο;
b-c(n, 0): mod (n, 3) = 0 - ημιμεταλλικό
mod(n, 3)!= 0 είναι ημιαγωγός.
Ρύζι. 8. Καμπύλο σωλήνα
άτομα άνθρακα, σε τρισδιάστατο χώρο. Τα κανονικά εξάγωνα είναι ένα κελί σε ένα επίπεδο φύλλο γραφίτη που μπορεί να τυλιχτεί σε σωλήνες διαφόρων χειρόμορφων (m, n) 3 . Τα κανονικά πεντάγωνα (επτάγωνα) είναι τοπικά ελαττώματα σε ένα φύλλο γραφίτη, τα οποία καθιστούν δυνατή την απόκτηση της θετικής (αρνητικής) καμπυλότητάς του. Έτσι, συνδυασμοί κανονικών πέντε, έξι και επταγώνων καθιστούν δυνατή τη λήψη διαφόρων μορφών επιφανειών άνθρακα σε τρισδιάστατο χώρο (Εικ. 8). Η γεωμετρία αυτών των νανοδομών καθορίζει τις μοναδικές φυσικές και χημικές τους ιδιότητες και, κατά συνέπεια, τη δυνατότητα ύπαρξης θεμελιωδώς νέων υλικών και τεχνολογιών για την παραγωγή τους. Η πρόβλεψη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων νέων υλικών άνθρακα πραγματοποιείται τόσο με τη βοήθεια κβαντικών μοντέλων όσο και με υπολογισμούς στο πλαίσιο της μοριακής δυναμικής. Μαζί με σωλήνες μονής στρώσης, είναι επίσης δυνατή η δημιουργία σωλήνων πολλαπλών στρώσεων. Για την παραγωγή νανοσωλήνων χρησιμοποιούνται ειδικοί καταλύτες.
Τι είναι μοναδικό στα νέα υλικά; Ας εστιάσουμε μόνο σε τρεις σημαντικές ιδιότητες.
Εξαιρετικά ισχυρά υλικά. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα σε ένα φύλλο γραφίτη είναι οι ισχυρότεροι γνωστοί, επομένως οι σωλήνες άνθρακα χωρίς ελαττώματα είναι δύο τάξεις μεγέθους ισχυρότεροι από τον χάλυβα και περίπου τέσσερις φορές ελαφρύτεροι από τον χάλυβα! Ένα από τα πιο σημαντικά καθήκοντα της τεχνολογίας στον τομέα των νέων υλικών άνθρακα είναι η δημιουργία νανοσωλήνων «άπειρου» μήκους. Τέτοιοι σωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ελαφρών σύνθετων υλικών απόλυτης αντοχής για τις ανάγκες της νέας τεχνολογίας. Πρόκειται για στοιχεία ισχύος γεφυρών και κτιρίων, φέρουσες κατασκευές συμπαγών αεροσκαφών, στοιχεία στροβίλου, μπλοκ ισχύος κινητήρα με εξαιρετικά χαμηλή ειδική κατανάλωση καυσίμου κ.λπ. Προς το παρόν, έχουν μάθει πώς να φτιάχνουν σωλήνες μήκους δεκάδων μικρομέτρων με διάμετρο της τάξης του ενός νανόμετρο.
υλικά υψηλής αγωγιμότητας. Είναι γνωστό ότι στον κρυσταλλικό γραφίτη η αγωγιμότητα κατά μήκος του επιπέδου του στρώματος είναι η υψηλότερη μεταξύ των γνωστών υλικών και, αντίθετα, στην κατεύθυνση κάθετη προς το φύλλο είναι χαμηλή. Επομένως, τα ηλεκτρικά καλώδια που κατασκευάζονται από νανοσωλήνες αναμένεται να έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα δύο τάξεων μεγέθους υψηλότερη από τα χάλκινα καλώδια σε θερμοκρασία δωματίου. Εναπόκειται στην τεχνολογία να παράγει σωλήνες επαρκούς μήκους και σε επαρκή ποσότητα,
νανοσυμπλεγμάτων
Το σύνολο των νανο-αντικειμένων περιλαμβάνει εξαιρετικά μικρά σωματίδια που αποτελούνται από δεκάδες, εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα. Οι ιδιότητες των συστάδων διαφέρουν θεμελιωδώς από τις ιδιότητες των μακροσκοπικών όγκων υλικών της ίδιας σύνθεσης. Από τα νανοσυμπλέγματα, όπως και από τα μεγάλα δομικά στοιχεία, είναι δυνατός ο σκόπιμος σχεδιασμός νέων υλικών με προκαθορισμένες ιδιότητες και η χρήση τους σε καταλυτικές αντιδράσεις, για διαχωρισμό αερίων μειγμάτων και αποθήκευση αερίων. Ένα παράδειγμα είναι το Zn4O(BDC) 3 (DMF) 8 (C6H5Cl)4. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν μαγνητικά σμήνη που αποτελούνται από άτομα μετάλλων μετάπτωσης, λαντινίδες και ακτινίδες. Αυτά τα σμήνη έχουν τη δική τους μαγνητική ροπή, η οποία καθιστά δυνατό τον έλεγχο των ιδιοτήτων τους χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ένα παράδειγμα είναι το οργανομεταλλικό μόριο υψηλής περιστροφής Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Αυτή η κομψή κατασκευή αποτελείται από τέσσερα ιόντα Mn 4+ με σπιν 3/2 που βρίσκονται στις κορυφές του τετραέδρου, οκτώ ιόντα Mn 3+ με σπιν 2 που περιβάλλουν αυτό το τετράεδρο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των ιόντων μαγγανίου πραγματοποιείται από ιόντα οξυγόνου. Οι αντισιδηρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις των σπιν των ιόντων Mn 4+ και Mn 3+ οδηγούν σε ένα αρκετά μεγάλο συνολικό σπιν ίσο με 10. Οξικές ομάδες και μόρια νερού διαχωρίζουν τις συστάδες Mn 12 μεταξύ τους στον μοριακό κρύσταλλο. Η αλληλεπίδραση των συστάδων σε έναν κρύσταλλο είναι εξαιρετικά μικρή. Οι νανομαγνήτες παρουσιάζουν ενδιαφέρον για το σχεδιασμό επεξεργαστών για κβαντικούς υπολογιστές. Επιπλέον, στη μελέτη αυτού του κβαντικού συστήματος, ανακαλύφθηκαν τα φαινόμενα δισταθερότητας και υστέρησης. Αν λάβουμε υπόψη ότι η απόσταση μεταξύ των μορίων είναι περίπου 10 νανόμετρα, τότε η πυκνότητα μνήμης σε ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να είναι της τάξης των 10 gigabyte ανά τετραγωνικό εκατοστό.
νανοσυσκευές
Οι νανοσωλήνες μπορούν να αποτελέσουν τη βάση νέων σχεδίων επίπεδων ακουστικών συστημάτων και επίπεδων οθονών, δηλαδή γνωστών μακροσκοπικών συσκευών. Ορισμένες νανοσυσκευές μπορούν να δημιουργηθούν από νανοϋλικά, για παράδειγμα, νανοκινητήρες, νανοχειριστές, μοριακές αντλίες, μνήμη υψηλής πυκνότητας, στοιχεία μηχανισμών νανορομπότ. Ας σταθούμε εν συντομία στα μοντέλα ορισμένων νανοσυσκευών.
Μοριακά γρανάζια και αντλίες. Μοντέλα νανοσυσκευών προτάθηκαν από την Κ.Ε. Drexler και R. Merkle του IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Οι άξονες των γραναζιών στο κιβώτιο ταχυτήτων είναι νανοσωλήνες άνθρακα και τα δόντια είναι μόρια βενζολίου. Οι χαρακτηριστικές συχνότητες περιστροφής των γραναζιών είναι αρκετές δεκάδες gigahertz. Οι συσκευές «δουλεύουν» είτε σε υψηλό κενό είτε σε αδρανή ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία δωματίου. Για την «ψύξη» της συσκευής χρησιμοποιούνται αδρανή αέρια.
Μνήμη Diamond για υπολογιστές. Το μοντέλο μνήμης υψηλής πυκνότητας αναπτύχθηκε από τον Ch. Bauschlicher και R. Merkle της NASA. Το σχέδιο της συσκευής είναι απλό και αποτελείται από έναν καθετήρα και μια επιφάνεια διαμαντιού. Ο ανιχνευτής είναι ένας (9, O) ή (5, 5) νανοσωλήνας άνθρακα που καταλήγει σε ένα ημισφαίριο C 60, στο οποίο είναι συνδεδεμένο ένα μόριο C 5 H 5 N. Η επιφάνεια του διαμαντιού καλύπτεται με μια μονοστιβάδα ατόμων υδρογόνου. Ορισμένα άτομα υδρογόνου αντικαθίστανται από άτομα φθορίου. Όταν ο ανιχνευτής σαρώνεται κατά μήκος μιας επιφάνειας διαμαντιού καλυμμένη με μονοστιβάδα προσροφητή, το μόριο C 5 H 5 N, σύμφωνα με κβαντικά μοντέλα, είναι σε θέση να διακρίνει ένα προσροφημένο άτομο φθορίου από ένα προσροφημένο άτομο υδρογόνου. Δεδομένου ότι περίπου 1015 άτομα χωρούν σε ένα τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας, η πυκνότητα εγγραφής μπορεί να φτάσει τα 100 terabyte ανά τετραγωνικό εκατοστό.
Τα παραπάνω παραδείγματα αποτελεσμάτων εργαστηριακών πειραμάτων και μοντέλων νανοσυσκευών αποτελούν μια νέα πρόκληση για τη θεωρία, την υπολογιστική φυσική, τη χημεία και τα μαθηματικά. Απαιτείται η κατανόηση του «βλέπεται» και του «λήφθηκε». Απαιτεί την ανάπτυξη της διαίσθησης για να λειτουργήσει στο εύρος μεγεθών νανομέτρων. Για άλλη μια φορά ακούγεται η παρατήρηση του Φάουστ προς τον Βάγκνερ:
«Τι σημαίνει να καταλαβαίνεις;
Αυτό φίλε μου είναι το ερώτημα.
Από αυτή την άποψη, δεν είμαστε όλοι καλά».
Νέοι κλάδοι της υπολογιστικής φυσικής και της υπολογιστικής χημείας
Πριν από περισσότερα από πενήντα χρόνια, τα ατομικά και θερμοπυρηνικά προβλήματα, τα προβλήματα δημιουργίας νέων αεροσκαφών και η εξερεύνηση του διαστήματος κοντά στη Γη έθεσαν για άλλη μια φορά το Φαουστιανό ζήτημα ενός νέου επιπέδου κατανόησης των φυσικών και χημικών φαινομένων. Η επιτυχής εργασία σε αυτά τα προβλήματα οδήγησε στην εμφάνιση και ανάπτυξη
1) η υπολογιστική φυσική, ιδίως οι τομείς της όπως π.χ
μαγνητική και ακτινοβολία υδρο- και αεροδυναμική,
μηχανική πτήσης διαστημόπλοιων,
θεωρία του πλάσματος και ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη.
2) υπολογιστική χημεία με ενότητες όπως π.χ
θεωρία της εξίσωσης της κατάστασης της ύλης,
μοριακή δυναμική,
θεωρία χημικών διεργασιών και συσκευών.
3) υπολογιστικά μαθηματικά και πληροφορική με τομείς όπως
αριθμητικές μέθοδοι μαθηματικής φυσικής,
θεωρία αυτομάτων,
βέλτιστος έλεγχος,
αναγνώριση μοτίβου,
έμπειρα συστήματα,
αυτόματη σχεδίαση.
Οι σύγχρονες δυνατότητες του εργαστηριακού πειράματος για παρατήρηση και μελέτη φαινομένων στη νανομετρική κλίμακα χωρικών διαστάσεων και δελεαστικές προοπτικές για τη δημιουργία μοναδικών υλικών και νανοσυσκευών δημιουργούν νέα θεωρητικά προβλήματα.
Θα ήθελα να καταλάβω τι πραγματικά «παρατηρείται» στη μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας;
Ποια νέα πράγματα μπορούν δυνητικά να παρατηρηθούν και ποια νέα πράγματα μπορούν δυνητικά να αποκτηθούν στα νανοσυστήματα; Και υπό ποιες προϋποθέσεις;
Πώς να διαχειριστείτε μεμονωμένα άτομα και ομάδες ατόμων και μορίων για την επίτευξη ορισμένων στόχων; Ποια είναι τα όρια αυτού του ελέγχου;
Πώς να οργανώσετε την αυτοσυναρμολόγηση νανοσυσκευών και μοναδικών «χωρίς ελαττώματα» υλικών;
Σε ποιο βαθμό το μακροπεριβάλλον «συστέλλει» τις κβαντικές καταστάσεις του νανοσυστήματος;
Η ανάγκη για μια εποικοδομητική λύση αυτών των προβλημάτων οδηγεί σε εντατική έρευνα, διαμορφώνοντας νέους κλάδους στην υπολογιστική φυσική και την υπολογιστική χημεία. Ξεχωρίζουμε τέτοιες ενότητες στη μετρολογία, τη μηχανική, την ηλεκτροδυναμική, την οπτική και τη θεωρία της αυτοοργάνωσης. Σε καθεμία από αυτές τις ενότητες, περιγράφουμε διάφορα προβλήματα.
Μετρολογία
1. Δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων συστημάτων «όργανο-νανοαντικείμενο» και βαθμονόμησή τους.
2. Αυτοματοποίηση μετρήσεων νανομέτρων και δημιουργία βάσεων δεδομένων.
Μηχανική
1. Μελέτη μηχανικών τάσεων και παραμορφώσεων σε νανοϋλικά και νανοαντικείμενα, ανάλυση τριβής.
2. Προσομοίωση κινήσεων ανιχνευτή κατά τη διάρκεια στοχευμένου χειρισμού ενός νανοαντικειμένου.
3. Μοντελοποίηση κινήσεων σε νανομηχανισμούς για νανοσυσκευές, υπολογισμός νανοχειριστών.
4. Ανάπτυξη συστημάτων ελέγχου για νανορομπότ.
Ηλεκτροδυναμική
1. Προσομοίωση της δυναμικής των ατόμων και των μορίων σε εξαιρετικά ανομοιογενή ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από συστήματα πολλαπλών σημείων.
2. Υπολογισμός ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων νανοϋλικών.
1. Μοντελοποίηση των μηχανισμών εκπομπής, διάδοσης και απορρόφησης φωτός σε νανοαντικείμενα.
2. Υπολογισμός νανολέιζερ και υβριδικών συστημάτων «probes + nanolaser».
Θεωρία της αυτοοργάνωσης
1. Διατύπωση των θεμελιωδών αρχών αυτοσυναρμολόγησης νανοδομών.
2. Δημιουργία αλγορίθμων αυτοσυναρμολόγησης υπολογιστή.
3. Ανάπτυξη υπολογιστικών αλγορίθμων για ποιοτική ανάλυση μοντέλων αυτοσυναρμολόγησης.
4. Προσομοίωση των φαινομένων χωροχρονικής αυτοοργάνωσης στη δημιουργία νανοϋλικών.
Επιταξία μοριακής δέσμης και νανολιθογραφία
1. Δημιουργία λεπτών μεταλλικών μεμβρανών που χρησιμεύουν ως βάση για υψηλής ποιότητας μαγνητικά υλικά.
2. Σχεδιασμός των βασικών στοιχείων της νανοηλεκτρονικής.
3. Δημιουργία καταλυτών για επιλεκτική κατάλυση.
Θα ήθελα να τονίσω για άλλη μια φορά την ανάγκη διατήρησης μιας αυστηρής ισορροπίας μεταξύ εργαστηριακού πειράματος, θεωρίας και μαθηματικών μοντέλων. Μερικές φορές μπορεί κανείς να ακούσει δηλώσεις ότι ένα πείραμα ακριβείας είναι επί του παρόντος πολύ ακριβό και μπορεί να αντικατασταθεί από φθηνότερη μαθηματική μοντελοποίηση. Υπάρχει επίσης μια αντίθετη θέση, στην οποία ο ρόλος των μαθηματικών μεθόδων έρευνας υποτιμάται. Τα απλούστερα παραδείγματα μη τετριμμένων φαινομένων στο εύρος των νανομέτρων χωρικών διαστάσεων καταδεικνύουν την πλήρη αστοχία των ριζικών θέσεων.
Φαινόμενα χωροχρονικής αυτοοργάνωσης στην επιφάνεια μονοκρυστάλλων μετάλλων
Σκεφτείτε, με την πρώτη ματιά, το πιο απλό, αλλά, όπως αποδεικνύεται, μη τετριμμένο πρόβλημα. Ας υποθέσουμε ότι θα θέλαμε να αναπτύξουμε μια υψηλής ποιότητας, ομοιόμορφη μεταλλική μεμβράνη, όπως μια μεμβράνη πλατίνας. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει κανείς να πάρει μια πυκνά συσκευασμένη και χωρικά ομοιόμορφη όψη ενός μόνο κρυστάλλου ως υπόστρωμα και να εναποθέσει ένα στρώμα ατόμων σε αυτό από ένα κελί Knudsen υπό συνθήκες υψηλού κενού. Τα άτομα πετούν έξω από το κύτταρο, απορροφώνται σε μια ομοιογενή επιφάνεια, μεταναστεύουν κατά μήκος της και σχηματίζουν ένα νέο στρώμα. Μόλις σχηματιστεί η πρώτη στρώση, σχηματίζεται η επόμενη στρώση από πάνω της κ.ο.κ. Η διαδικασία καθορίζεται μόνο από δύο εξωτερικές μακροπαράμετρους ελέγχου - τη θερμοκρασία της επιφάνειας και τη ροή των ατόμων προς την επιφάνεια. Είναι απαραίτητο μόνο να επιλέξετε τη θερμοκρασία και τον ρυθμό παροχής των ατόμων με τέτοιο τρόπο ώστε, κατά τη διάρκεια του χαρακτηριστικού χρόνου παροχής ενός νέου ατόμου, ένα άτομο που μεταναστεύει στην επιφάνεια έχει χρόνο να ενσωματωθεί στο αναπτυσσόμενο στρώμα. Φαίνεται ότι δεν υπάρχει τίποτα πιο εύκολο από το να προσομοιώσεις την ανάπτυξη του φιλμ μέσα στο πλαίσιο των μοντέλων της κλασικής μαθηματικής φυσικής. Μόνο μία διαδικασία χρειάζεται να περιγραφεί: η επιφανειακή διάχυση των εισερχόμενων σωματιδίων. Για να γίνει αυτό, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει την εξίσωση διάχυσης με μια σταθερή πηγή σε ένα δισδιάστατο χωρικό πεδίο, να τη συμπληρώσει με μια κατάλληλη οριακή συνθήκη, για παράδειγμα, μια ομοιογενή οριακή συνθήκη δεύτερου είδους, και να πραγματοποιήσει υπολογισμούς. Προφανώς, με μια αρκετά γρήγορη μετανάστευση, ανεξάρτητα από τις αρχικές συνθήκες, θα προκύψει μια χωρικά ομοιογενής λύση με αρκετά υψηλή ακρίβεια, μονότονα αυξανόμενη στο χρόνο. Ωστόσο, μια τέτοια μοντελοποίηση δεν περιγράφει καθόλου την ανάπτυξη ενός νέου στρώματος και τη χωρική του δομή.
Ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο σήραγγας σάρωσης με ομοσύστημα Pt/Pt(111) 5 δείχνει (Εικ. 9) ότι τα προσροφημένα άτομα πλατίνας μεταναστεύουν πάνω από την επιφάνεια της (111) όψης ενός μονοκρυστάλλου πλατίνας, χωρίς να υπακούουν στο νόμο του Fick. Σχηματίζουν νησίδες ενός νέου στρώματος με διαφορετικές χωρικές δομές ανάλογα με τις τιμές της θερμοκρασίας της επιφάνειας και τον ρυθμό παροχής των ατόμων. Αυτά μπορεί να είναι χαλαρά νησιά μιας δομής φράκταλ με ένα φράκταλ
Εικ.9. Pt/Pt (111)
Ρύζι. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
διάσταση 1,78 (Εικ. 9α), ή συμπαγείς νησίδες με πλατωνικά σχήματα με τη μορφή κανονικών τριγώνων (Εικ. 9β, 9δ) και εξαγώνων (Εικ. 9γ), εξάλλου, εξίσου προσανατολισμένα σε σχέση με τους κρυσταλλογραφικούς άξονες. Έτσι, σε θερμοκρασία 400 Κ, οι κορυφές των τριγώνων φαίνονται «κάτω» (Εικ. 9β). Σε θερμοκρασία 455 Κ, τα αναπτυσσόμενα νησιά παίρνουν τη μορφή κανονικών εξαγώνων (Εικ. 9γ). Σε υψηλότερη θερμοκρασία, σχηματίζεται και πάλι το κανονικό τριγωνικό σχήμα των νησιών, αλλά αυτή τη φορά οι κορυφές τους φαίνονται «επάνω» (Εικ. 9δ). Το σχήμα και ο προσανατολισμός των τριγωνικών νησιών είναι σταθεροί. Η περαιτέρω παροχή ατόμων οδηγεί σε ένα τρισδιάστατο καθεστώς ανάπτυξης, με αποτέλεσμα το αναπτυσσόμενο στρώμα να είναι πάντα ανομοιογενές και να έχει μια πυραμιδική τρισδιάστατη δομή.
Σε σχέση με τις ιδιαιτερότητες της ανάπτυξης, ανακύπτουν τουλάχιστον δύο θεμελιώδη ερωτήματα.
Πώς να περιγράψετε θεωρητικά τη μη τετριμμένη δυναμική συμπεριφορά του απλούστερου συστήματος;
Ποιοι είναι οι τρόποι ελέγχου του συστήματος για να διασφαλιστεί η πολυεπίπεδη ανάπτυξη και να αποκτηθεί ένα υψηλής ποιότητας χωρικά ομοιόμορφο στρώμα;
Παρόμοια ερωτήματα προκύπτουν επίσης στα ετεροσυστήματα, όταν ένα φιλμ άλλου μετάλλου αναπτύσσεται στην επιφάνεια ενός μετάλλου. Έτσι, στην περίπτωση της καλλιέργειας ενός ασημένιου φιλμ σε πλατίνα, μπορεί κανείς να παρατηρήσει νησίδες φράκταλ και δενδριτικών δομών, νησιά με τη μορφή αστεριού τριών ακτίνων από την εταιρεία Mercedes και άλλα φαινόμενα χωροχρονικής αυτοοργάνωσης που συνοδεύουν τα άνισα τρία -διάστατη ανάπτυξη λεπτής μεταλλικής μεμβράνης. Στην περίπτωση ανάπτυξης μεμβράνης κοβαλτίου σε μια ομοιογενή (0001) όψη ενός μονοκρυστάλλου ρηνίου, σχηματίζονται επιφανειακά κράματα με διαφορετική στοιχειομετρία και, κατά συνέπεια, χωρική δομή: CoRe (Εικ. 10a), Co 2 Re (Εικ. 10β), Co 3 Re (Εικ. 10c) και μη τετριμμένη επιφανειακή δομή. Στις εικόνες που παρουσιάζονται στο σχ. 10, μπορεί να φανεί ότι μεγάλοι κύκλοι (άτομα ρηνίου) περιβάλλονται από διαφορετικό αριθμό μικρών κύκλων (άτομα κοβαλτίου). Αυτά τα κράματα έχουν ενδιαφέρουσες μαγνητικές ιδιότητες.
Είναι αδύνατο να μην σταθούμε σε ένα ακόμη παράδοξο φαινόμενο - την ασυνήθιστα υψηλή κινητικότητα των μεγάλων συμπαγών συστάδων. Ακολουθώντας τους συγγραφείς μιας αξιοσημείωτης πειραματικής εργασίας, ας εξετάσουμε ένα συμπαγές σύμπλεγμα κανονικού σχήματος, που αποτελείται από τον "μαγικό" αριθμό ατόμων ιριδίου N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, .. , για παράδειγμα, Ν = 19, στην επιφάνεια μιας πυκνής όψης (111) ιριδίου. Φαίνεται ότι η κινητικότητα ενός συμπλέγματος που περιέχει δύο δωδεκάδες άτομα, στο σύνολό του, θα πρέπει να είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από την κινητικότητα ενός μεμονωμένου ατόμου, αφού η μετανάστευση των ατόμων φαίνεται να είναι μια τυχαία διαδικασία. Το πείραμα βρήκε ότι ο ρυθμός μετανάστευσης των «σωστών» συστάδων είναι συγκρίσιμος με τον ρυθμό μετανάστευσης ενός μεμονωμένου ατόμου! Αυτή η συνέπεια της συλλογικής κίνησης των ατόμων συστάδων απαιτεί λεπτομερή θεωρητική περιγραφή και μαθηματική μοντελοποίηση. Τα αποτελέσματα μιας τέτοιας ανάλυσης παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον για τον υπολογισμό των προεκθετικών και αποτελεσματικών ενεργειών ενεργοποίησης της μετανάστευσης για τη δυναμική μέθοδο Monte Carlo και για τις κινητικές εξισώσεις ενός μη ιδανικού στρώματος. Γνωρίζοντας τα πραγματικά ποσοστά μετανάστευσης, μπορεί κανείς να εκτιμήσει σωστά τη διάρκεια ζωής των δομών νανοκλίμακας.
Δεν χρειάζεται να πειστεί ο αναγνώστης ότι τα αποτελέσματα του εργαστηριακού πειράματος που αναφέρονται καταδεικνύουν την ανάγκη ανάπτυξης κλασικών μοντέλων μαθηματικής φυσικής. Στη μελέτη των νανοαντικειμένων, όπου απαιτείται, θα πρέπει να εγκαταλείψει κανείς την ιδέα ενός συνεχούς μέσου, που αποτελεί τη βάση της συντριπτικής πλειοψηφίας των μοντέλων της μαθηματικής φυσικής. Η μοντελοποίηση με αδράνεια, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα αποτελέσματα ενός εργαστηριακού πειράματος, οδηγεί σε απολύτως λάθος αποτελέσματα. Προφανής είναι και η ανάγκη για ένα νέο σύγχρονο μάθημα στη μαθηματική φυσική, που να λαμβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά των νανοαντικειμένων. Σε αυτό το μάθημα, ιδιαίτερα, θα πρέπει να δοθεί προσοχή
Ρύζι. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
μέθοδοι διακριτών μαθηματικών, αριθμητική συνδυαστική, θεωρία ομάδων.
Πιο πολύπλοκα παραδείγματα μη τετριμμένης δυναμικής συμπεριφοράς ανοιχτών μη ιδανικών συστημάτων δίνονται από αντιδράσεις μοντέλου ετερογενούς κατάλυσης σε ορισμένες επιφάνειες μονοκρυστάλλων ευγενών μετάλλων (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd( 111), Pd(110) ) σε χαμηλές μερικές πιέσεις στην αέρια φάση. Αυτές είναι οι αντιδράσεις οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) με το οξυγόνο (O 2), καθώς και η αναγωγή του μονοξειδίου του αζώτου (NO) με υδρογόνο (H 2), αμμωνία (NH 3) και μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτές οι αντιδράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στο περιβαλλοντικό πρόβλημα των τοξικών εκπομπών μετά την καύση (NO, CO, κ.λπ.) από κινητήρες εσωτερικής καύσης και θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Η έρευνα που διεξήχθη τα τελευταία χρόνια αποκάλυψε τη συναρπαστική νανο- και μεσοδυναμική αυτών των συστημάτων. Μεταπτώσεις φάσεων τύπου διαταραχής τάξης, συνοδευόμενες από σχηματισμό υπερκατασκευών στη μονοστιβάδα προσρόφησης, μεταβάσεις φάσης του τύπου διαχωρισμού σε φάσεις, αυθόρμητη και επαγόμενη από προσροφητική αναδόμηση της επιφάνειας των επιφανειών των μονοκρυστάλλων και διάβρωση του βρέθηκε καταλύτης. Οι διεργασίες χωροχρονικής αυτοοργάνωσης που συμβαίνουν στην κλίμακα των νανομέτρων σχετίζονται στενά με παρόμοια φαινόμενα που παρατηρούνται με τη βοήθεια της φωτοηλεκτρονικής μικροσκοπίας εκπομπής στο εύρος των μικρομέτρων. Τέτοια φαινόμενα περιλαμβάνουν μικρομετρική σπείρα, στάσιμα κύματα ενεργοποίησης, διπλή μετασταθερότητα και χημικές αναταράξεις. Το Σχήμα 11 δείχνει τα αποτελέσματα μιας μελέτης χωροχρονικής αυτοοργάνωσης στην αντίδραση οξείδωσης μονοξειδίου του άνθρακα στην επιφάνεια ενός μονοκρυστάλλου Pt(210) με τη μέθοδο της φωτοηλεκτρονικής μικροσκοπίας εκπομπής. Κάθε πλαίσιο (380 x 380 mm) δείχνει τη χωρική κατανομή των προσροφημένων μορίων CO (φωτεινές περιοχές) και των ατόμων οξυγόνου (σκοτεινές περιοχές) στην επιφάνεια του καταλύτη για διάφορες μερικές πιέσεις CO και οξυγόνου στην αέρια φάση σε σταθερή θερμοκρασία επιφάνειας. Τα σπειροειδή κύματα και τα αυτόματα κύματα μιας μετάβασης φάσης όπως ο διαχωρισμός σε φάσεις, τα φαινόμενα διπλής μετασταθερότητας κ.λπ. είναι καθαρά ορατά.
1 Το μέγεθος ενός ατόμου είναι μερικά δέκατα του νανομέτρου.
2 Η περιγραφή των συσκευών και οι αρχές λειτουργίας τους περιέχονται στο.
3 Ένα ζεύγος φυσικών αριθμών (m, n) καθορίζει το διάνυσμα χειραλικότητας στο επίπεδο φύλλου γραφίτη. Ο άξονας του νανοσωλήνα είναι κάθετος στο διάνυσμα χειραλικότητας. Έτσι, για το (n, n) ((n, 0)) ο άξονας του σωλήνα είναι παράλληλος (κάθετος) στην πλευρά ενός κανονικού εξαγώνου.
4 Η συντομογραφία BDC σημαίνει δικαρβοξυλικό βενζόλιο και το DMF σημαίνει διμεθυλοφορμαμίδιο.
5 Οι αριθμοί στις παρενθέσεις δηλώνουν τους δείκτες Miller της όψης του μονοκρυσταλλικού υποστρώματος.
Οι βασικές τεχνολογίες και υλικά έπαιζαν πάντα σημαντικό ρόλο στην ιστορία του πολιτισμού, εκτελώντας όχι μόνο στενές λειτουργίες παραγωγής, αλλά και κοινωνικές. Αρκεί να θυμηθούμε πόσο πολύ διέφεραν η Εποχή του Λίθου και του Χαλκού, η εποχή του ατμού και του ηλεκτρισμού, της ατομικής ενέργειας και των υπολογιστών. Σύμφωνα με πολλούς ειδικούς, ο 21ος αιώνας θα είναι ο αιώνας της νανοεπιστήμης και των νανοτεχνολογιών, που θα καθορίσουν το πρόσωπό του.
Η νανοεπιστήμη μπορεί να οριστεί ως ένα σύνολο γνώσεων σχετικά με τη συμπεριφορά της ύλης σε κλίμακα νανομέτρου και η νανοτεχνολογία ως η τέχνη της δημιουργίας και λειτουργίας αντικειμένων με μεγέθη που κυμαίνονται από κλάσματα έως εκατοντάδες νανόμετρα (τουλάχιστον σε μία ή δύο από τις τρεις διαστάσεις). .
Τα κύρια συστατικά της νανοτεχνολογίας φαίνονται στο σχ. 2.1. Το θεμελιώδες θεμέλιο του είναι η φυσική, η χημεία και η μοριακή βιολογία των τεχνητών και φυσικών όγκων, που αποτελούνται από έναν μετρήσιμο αριθμό ατόμων, δηλ. τέτοια αντικείμενα, στα οποία εκδηλώνεται ήδη σε μεγάλο βαθμό μια ισχυρή εξάρτηση όλων των ιδιοτήτων από το μέγεθός τους (επιδράσεις μεγέθους), μια διακριτή ατομική-μοριακή δομή μιας ουσίας ή/και κβαντικοί νόμοι της συμπεριφοράς της.
Ένα άλλο σημαντικό συστατικό της νανοτεχνολογίας είναι η ικανότητα σκόπιμης δημιουργίας ή εύρεσης στη φύση νανοδομημένων υλικών και αντικειμένων με προκαθορισμένες ιδιότητες. Το επόμενο συστατικό της νανοτεχνολογίας
Δημιουργία τελικών προϊόντων, πολυσυστατικών προϊόντων με νέες καταναλωτικές ιδιότητες και σκοπό (μνήμη υπερ-χωρητικότητας, εξαιρετικά γρήγοροι επεξεργαστές, έξυπνα νανορομπότ κ.λπ.). Τέλος, απαραίτητο συστατικό της νανοτεχνολογίας είναι και τα μέσα ελέγχου, πιστοποίησης και έρευνας νανοπροϊόντων και νανοδομημένων υλικών σε όλα τα στάδια κατασκευής και χρήσης.
Δεκάδες μεγάλα προγράμματα υλοποιούνται ήδη στον τομέα της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας σε όλες τις ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου. Οι νανοτεχνολογίες χρησιμοποιούνται σε τόσο σημαντικούς τομείς για την κοινωνία όπως η υγειονομική περίθαλψη και η ιατρική, η βιοτεχνολογία και η προστασία του περιβάλλοντος, η άμυνα και η αεροδιαστημική, η ηλεκτρονική και οι υπολογιστές, η χημική και πετροχημική παραγωγή, η ενέργεια και οι μεταφορές. Οι ρυθμοί ανάπτυξης των επενδύσεων και η εισαγωγή της νανοτεχνολογίας στις βιομηχανικές χώρες του κόσμου είναι πλέον πολύ υψηλοί και στα επόμενα 10-20 χρόνια θα καθορίσουν το επίπεδο οικονομικής ανάπτυξης και, σε μεγάλο βαθμό, την κοινωνική πρόοδο στην κοινωνία .
Μια τέτοια προοπτική θέτει νέες προκλήσεις για ολόκληρο το εκπαιδευτικό σύστημα, πρωτίστως την επαγγελματική εκπαίδευση. Δεδομένου ότι η νανοτεχνολογία συνεπάγεται την ενσωμάτωση θεμελιωδών γνώσεων και μεθόδων υψηλής τεχνολογίας για την παραγωγή νανοδομημένων υλικών και τελικών προϊόντων, υπήρξε μια τάση στα δυτικά πανεπιστήμια να μειώνουν τον όγκο εκπαίδευσης τόσο των «καθαρών» φυσικών, μαθηματικών, χημικών, βιολόγων, και παραδοσιακοί μηχανικοί: μεταλλουργοί, μηχανικοί, μηχανικοί ηλεκτρικής ενέργειας, τεχνολόγοι και αύξηση του μεριδίου των «συνθετικών» ειδικοτήτων στον τομέα της επιστήμης των φυσικών υλικών και της νανοτεχνολογίας.
Τα τελευταία χρόνια, περίπου 10 χιλιάδες άρθρα για τα νανοπροβλήματα έχουν δημοσιευτεί σε παγκόσμια περιοδικά και περίπου δώδεκα μηνιαία εξειδικευμένα περιοδικά έχουν δημοσιευτεί σε ορισμένους τομείς της νανοεπιστήμης.
Λοιπόν, τι είναι τώρα κατανοητό από τη νανοτεχνολογία; Το δεκαδικό πρόθεμα "nano" σημαίνει το ένα δισεκατομμυριοστό του κάτι. Έτσι, καθαρά τυπικά, αντικείμενα με χαρακτηριστικές διαστάσεις R (τουλάχιστον κατά μήκος μιας συντεταγμένης) μετρημένα σε νανόμετρα (1 nm = 10-9 m = 10E) εμπίπτουν στο πεδίο εφαρμογής αυτής της δραστηριότητας.
Στην πραγματικότητα, το εύρος των αντικειμένων και των φαινομένων που εξετάζονται είναι πολύ ευρύτερο - από μεμονωμένα άτομα (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.
Θα ήταν αφελές να πιστεύουμε ότι πριν από την έλευση της εποχής της νανοτεχνολογίας, ένα άτομο δεν συναντούσε και δεν χρησιμοποιούσε αντικείμενα και διαδικασίες στο νανοεπίπεδο. Έτσι, βιοχημικές αντιδράσεις μεταξύ μακρομορίων που αποτελούν όλα τα έμβια όντα, λήψη φωτογραφικών εικόνων, κατάλυση στη χημική παραγωγή, διαδικασίες ζύμωσης στην παραγωγή κρασιού, τυριού, ψωμιού και άλλων συμβαίνουν στο νανοεπίπεδο. Ωστόσο, η «διαισθητική νανοτεχνολογία», η οποία αρχικά αναπτύχθηκε αυθόρμητα, χωρίς σωστή κατανόηση της φύσης των αντικειμένων και των διαδικασιών που χρησιμοποιούνται, δεν μπορεί να αποτελέσει αξιόπιστη βάση στο μέλλον. Ως εκ τούτου, η θεμελιώδης έρευνα που στοχεύει στη δημιουργία θεμελιωδώς νέων τεχνολογικών διαδικασιών και προϊόντων είναι υψίστης σημασίας. Είναι πιθανό οι νανοτεχνολογίες να είναι σε θέση να αντικαταστήσουν ορισμένες από τις απαρχαιωμένες και αναποτελεσματικές τεχνολογίες, αλλά και πάλι, η κύρια θέση της βρίσκεται σε νέους τομείς στους οποίους είναι κατ' αρχήν αδύνατο να επιτευχθούν τα απαιτούμενα αποτελέσματα με παραδοσιακές μεθόδους.
Έτσι, στο τεράστιο χάσμα μεταξύ του μακροεπίπεδου, όπου λειτουργούν καλά ανεπτυγμένες θεωρίες συνεχούς συνεχών μέσων και μηχανικών μεθόδων υπολογισμού και σχεδιασμού, και του ατομικού επιπέδου, που υπόκειται στους νόμους της κβαντικής μηχανικής, υπάρχει ένα εκτεταμένο μεσο-ιεραρχικό επίπεδο της δομής της ύλης (texos - μεσαίο, ενδιάμεσο με τα ελληνικά). Σε αυτό το επίπεδο, πραγματοποιούνται ζωτικές βιοχημικές διεργασίες μεταξύ των μακρομορίων του DNA, του RNA, των πρωτεϊνών, των ενζύμων, των υποκυτταρικών δομών, οι οποίες απαιτούν βαθύτερη κατανόηση. Ταυτόχρονα, μπορούν να δημιουργηθούν τεχνητά προϊόντα και τεχνολογίες που δεν είχαν εμφανιστεί στο παρελθόν, που μπορούν να αλλάξουν ριζικά τη ζωή ολόκληρης της ανθρώπινης κοινότητας. Ταυτόχρονα, δεν θα απαιτηθούν μεγάλες δαπάνες πρώτων υλών και ενέργειας, καθώς και μέσων για τη μεταφορά τους, η ποσότητα των απορριμμάτων και η περιβαλλοντική ρύπανση θα μειωθεί, η εργασία θα γίνει πιο έξυπνη και υγιής.
Διάλεξη #19
Η νανοτεχνολογία τα τελευταία χρόνια έχει γίνει ένας από τους πιο σημαντικούς και συναρπαστικούς τομείς γνώσης στην πρώτη γραμμή των επιστημών της φυσικής, της χημείας, της βιολογίας και της μηχανικής. Δίνει μεγάλες ελπίδες για πρόωρες ανακαλύψεις και νέες κατευθύνσεις στην τεχνολογική ανάπτυξη σε πολλούς τομείς δραστηριότητας. Προκειμένου να διευκολυνθεί και να επιταχυνθεί η ευρεία χρήση αυτής της νέας προσέγγισης, είναι σημαντικό να έχουμε γενικές ιδέες και κάποιες συγκεκριμένες γνώσεις, οι οποίες, αφενός, θα είναι αρκετά λεπτομερείς και βαθιές ώστε να καλύπτουν το θέμα λεπτομερώς, και Ταυτόχρονα, αρκετά προσβάσιμο και πλήρες ώστε να είναι χρήσιμο σε ένα ευρύ φάσμα ειδικών, που επιθυμούν να μάθουν περισσότερα για την ουσία του θέματος και τις προοπτικές σε αυτόν τον τομέα.
Το τρέχον ευρέως διαδεδομένο ενδιαφέρον για τη νανοτεχνολογία χρονολογείται από το 1996 - 1998, όταν μια κυβερνητική επιτροπή, με τη βοήθεια του Παγκόσμιου Κέντρου Αξιολόγησης Τεχνολογίας (WTEC), που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και άλλους ομοσπονδιακούς φορείς, ανέλαβε μια μελέτη της παγκόσμιας εμπειρίας στο έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα των νανοτεχνολογιών προκειμένου να αξιολογηθεί το δυναμικό τεχνολογικής καινοτομίας τους. Η νανοτεχνολογία βασίζεται στην κατανόηση ότι σωματίδια μικρότερα από 100 νανόμετρα (ένα νανόμετρο είναι το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου) προσδίδουν νέες ιδιότητες και συμπεριφορά στα υλικά που κατασκευάζονται από αυτά. Αυτό συμβαίνει επειδή αντικείμενα μικρότερα από το χαρακτηριστικό μήκος (που οφείλεται στη φύση του συγκεκριμένου φαινομένου) συχνά παρουσιάζουν διαφορετική φυσική και χημεία, οδηγώντας στα λεγόμενα εφέ μεγέθους, μια νέα συμπεριφορά που εξαρτάται από το μέγεθος των σωματιδίων. Έτσι, για παράδειγμα, αλλαγές στην ηλεκτρονική δομή, αγωγιμότητα, αντιδραστικότητα, θερμοκρασία τήξης και μηχανικά χαρακτηριστικά παρατηρήθηκαν σε μεγέθη σωματιδίων λιγότερο κρίσιμα. Η εξάρτηση της συμπεριφοράς από τα μεγέθη των σωματιδίων επιτρέπει σε κάποιον να σχεδιάζει υλικά με νέες ιδιότητες από τα ίδια αρχικά άτομα.
Σύμφωνα με το WTEC, αυτή η τεχνολογία έχει μεγάλες δυνατότητες χρήσης σε ένα εξαιρετικά μεγάλο και ποικίλο φάσμα πρακτικών περιοχών - από την παραγωγή ισχυρότερων και ελαφρύτερων δομικών υλικών έως τη μείωση του χρόνου παράδοσης νανοδομημένων φαρμάκων στο κυκλοφορικό σύστημα, αυξάνοντας την ικανότητα των μαγνητικών μέσων και δημιουργία ενεργειών για γρήγορους υπολογιστές. Οι συστάσεις που δόθηκαν από αυτήν και τις επόμενες επιτροπές οδήγησαν στη διάθεση πολύ μεγάλων πόρων για την ανάπτυξη της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας τα τελευταία χρόνια. Η διεπιστημονική έρευνα έχει καλύψει ένα ευρύ φάσμα θεμάτων - από τη χημεία της κατάλυσης από νανοσωματίδια έως τη φυσική των λέιζερ κβαντικών κουκκίδων. Ως αποτέλεσμα, προκειμένου να εκτιμηθούν οι πιο γενικές προοπτικές και επιπτώσεις της ανάπτυξης της νανοτεχνολογίας και να συνεισφέρουν σε αυτό το νέο συναρπαστικό πεδίο δραστηριότητας, έγινε αντιληπτό ότι οι ερευνητές πρέπει περιοδικά να υπερβαίνουν τον στενό επαγγελματικό τους τομέα γνώση. Οι τεχνικοί διευθυντές, οι ειδικοί και όσοι λαμβάνουν οικονομικές αποφάσεις πρέπει να κατανοούν ένα πολύ ευρύ φάσμα επιστημονικών κλάδων.
Η νανοτεχνολογία έχει καταλήξει να θεωρείται όχι μόνο ως ένας από τους πιο υποσχόμενους κλάδους της υψηλής τεχνολογίας, αλλά και ως παράγοντας διαμόρφωσης συστημάτων στην οικονομία του 21ου αιώνα - μια οικονομία που βασίζεται στη γνώση και όχι στη χρήση φυσικών πόρων ή επεξεργασία. Επιπλέον του γεγονότος ότι η νανοτεχνολογία διεγείρει την ανάπτυξη ενός νέου παραδείγματος όλων των παραγωγικών δραστηριοτήτων ("από κάτω προς τα πάνω" - από μεμονωμένα άτομα - στο προϊόν, και όχι "από πάνω προς τα κάτω", όπως στην παραδοσιακή τεχνολογία, στην οποία το προϊόν λαμβάνεται με την αποκοπή της περίσσειας υλικού από πιο μαζικά κενά), είναι η ίδια πηγή νέων προσεγγίσεων για την αύξηση του βιοτικού επιπέδου και την επίλυση πολλών κοινωνικών προβλημάτων σε μια μεταβιομηχανική κοινωνία. Σύμφωνα με τους περισσότερους ειδικούς στον τομέα της πολιτικής και των επενδύσεων στον τομέα της επιστήμης και τεχνολογίας, η επανάσταση της νανοτεχνολογίας που έχει ξεκινήσει θα καλύψει όλους τους ζωτικούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας (από την εξερεύνηση του διαστήματος μέχρι την ιατρική, από την εθνική ασφάλεια μέχρι την οικολογία και τη γεωργία) και οι συνέπειές της θα είναι ευρύτερη και βαθύτερη από τις επαναστάσεις των υπολογιστών του τελευταίου τρίτου του 20ού αιώνα. Όλα αυτά εγείρουν καθήκοντα και ερωτήματα όχι μόνο στην επιστημονική και τεχνική σφαίρα, αλλά και ενώπιον διοικητικών στελεχών διαφόρων επιπέδων, πιθανών επενδυτών, του τομέα της εκπαίδευσης και κρατικών φορέων. διαχείριση κ.λπ.
Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει επαρκής αριθμός δημοσιεύσεων αφιερωμένων στη θεωρία, τις ιδιότητες και την πρακτική εφαρμογή των νανοϋλικών και της νανοτεχνολογίας. Συγκεκριμένα, αυτό το θέμα παρουσιάζεται ευρέως στο βιβλίο των Ch. Pool and Jr.F. Owens, Νανοτεχνολογία, μτφρ. από τα αγγλικά, 2η, αναθεωρημένη έκδοση, εκδ. «Τεχνόσφαιρα», Μ., 2006, 335s. Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι αν και αυτό το βιβλίο σχεδιάστηκε αρχικά ως εισαγωγή στη νανοτεχνολογία, λόγω της ίδιας της φύσης αυτής της επιστήμης, έχει γίνει εισαγωγή σε ορισμένους τομείς της νανοτεχνολογίας, οι οποίοι, προφανώς, είναι οι τυπικοί εκπρόσωποί της. Λόγω της υψηλής ταχύτητας ανάπτυξης και της διεπιστημονικής φύσης, είναι αδύνατο να γίνει μια πραγματικά ολοκληρωμένη παρουσίαση του θέματος. Τα θέματα που παρουσιάστηκαν επιλέχθηκαν με βάση το επιτευχθέν βάθος κατανόησης του ζητήματος, τον όγκο των δυνατοτήτων τους ή τις υπάρχουσες εφαρμογές τους στην τεχνολογία. Πολλά κεφάλαια συζητούν τις τρέχουσες και μελλοντικές ευκαιρίες. Για όσους επιθυμούν να μάθουν περισσότερα για τους συγκεκριμένους τομείς στους οποίους αναπτύσσεται αυτή η τεχνολογία, παρέχονται αναφορές στη βιβλιογραφία.
Οι συγγραφείς προσπάθησαν να δώσουν μια εισαγωγή στο θέμα της νανοτεχνολογίας, γραμμένη σε τέτοιο επίπεδο ώστε οι ερευνητές σε διάφορους τομείς να μπορούν να εκτιμήσουν την ανάπτυξη του τομέα εκτός των επαγγελματικών τους ενδιαφερόντων και οι τεχνικοί ηγέτες και οι διευθυντές να μπορούν να έχουν μια επισκόπηση του θέματος. Ίσως αυτό το βιβλίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για ένα πανεπιστημιακό μάθημα στη νανοτεχνολογία. Πολλά κεφάλαια παρέχουν εισαγωγή στις φυσικές και χημικές αρχές που διέπουν τους τομείς που συζητήθηκαν. Έτσι, πολλά κεφάλαια είναι αυτάρκεις και μπορούν να μελετηθούν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Έτσι, το Κεφάλαιο 2 ξεκινά με μια σύντομη επισκόπηση των ιδιοτήτων των χύδην υλικών, η οποία είναι απαραίτητη για να κατανοήσουμε πώς και γιατί οι ιδιότητες των υλικών αλλάζουν καθώς το μέγεθος των δομικών τους μονάδων πλησιάζει το νανόμετρο. Ένα σημαντικό ερέθισμα για μια τόσο ταχεία ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας ήταν η δημιουργία νέων εργαλείων (όπως το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας), που επέτρεψε να δούμε χαρακτηριστικά μεγέθους νανομέτρων στην επιφάνεια των υλικών. Επομένως, το Κεφάλαιο 3 περιγράφει τα πιο σημαντικά συστήματα οργάνων και παρέχει απεικονίσεις των μετρήσεων σε νανοϋλικά. Τα υπόλοιπα κεφάλαια ασχολούνται με άλλες πτυχές του προβλήματος. Το βιβλίο καλύπτει ένα πολύ ευρύ φάσμα προβλημάτων και θεμάτων: επιδράσεις που σχετίζονται με το μέγεθος και τη διάσταση αντικειμένων νανοεπιστήμης και τεχνολογίας, μαγνητικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες νανοδομικών υλικών, μεθόδους προετοιμασίας και μελέτης τους, αυτοσυναρμολόγηση και κατάλυση σε νανοδομές, νανοβιοτεχνολογία, ολοκληρωμένες νανοηλεκτρομηχανικές συσκευές, φουλερίτες, νανοσωλήνες και πολλά άλλα. Περιγράφεται ένας αριθμός σύγχρονων μεθόδων έρευνας και πιστοποίησης νανοδομών και νανοαντικειμένων: μικροσκοπία ηλεκτρονίων και ιόντων πεδίων, οπτική, φασματοσκοπία ακτίνων Χ και μαγνητική.
Ταυτόχρονα, τα κενά στη δομή και το περιεχόμενο των επιμέρους ενοτήτων είναι επίσης εμφανή. Έτσι, πληροφορίες για τη νανοηλεκτρονική, τη σπιντρονική, τις νέες ιδέες σχετικά με τους κβαντικούς υπολογιστές και τους υπολογιστές είναι σχεδόν εντελώς απούσες. Τα περισσότερα από αυτά δεν αναφέρονται καν. Δεν έχει δοθεί απολύτως επαρκής προσοχή στις εξαιρετικά ισχυρές και ευρέως διαδεδομένες μεθόδους σάρωσης ανιχνευτών έρευνας, πιστοποίησης, λιθογραφίας και ατομικού και μοριακού σχεδιασμού. Μια μικροσκοπική παράγραφος αφιερωμένη σε αυτά τα ζητήματα είναι εντελώς δυσανάλογη με τον ρόλο και τη θέση της νανοτεχνολογίας των ανιχνευτών. Μια πολύ μέτρια θέση δίνεται στην ασθενή υπεραγωγιμότητα και στις πολύ υποσχόμενες συσκευές που βασίζονται σε αυτήν. Μεμβράνες και ετεροδομές που παίζουν σημαντικό ρόλο στα σύγχρονα επίπεδα ηλεκτρονικά, υπερσκληρές και ανθεκτικές στη φθορά επιστρώσεις κ.λπ. παρουσιάζονται με φειδώ, νανο-απόξεση κ.λπ.).
Σημειώνουμε επίσης ότι δεν δίνεται πουθενά συστηματοποίηση αντικειμένων και διαδικασιών νανοτεχνολογίας, με αποτέλεσμα να παραμένει ασαφές σε έναν άπειρο αναγνώστη με ποιο μέρος του θέματος θα μπορέσει να εξοικειωθεί μετά την ανάγνωση αυτού του βιβλίου.
Παρά τις ελλείψεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, σε γενικές γραμμές, το βιβλίο μπορεί να θεωρηθεί χρήσιμο για ένα ευρύ φάσμα αναγνωστών, συμπεριλαμβανομένων φοιτητών ειδικοτήτων φυσικής, χημικής και επιστήμης υλικών. Το τελευταίο είναι ακόμη πιο επίκαιρο επειδή η εκπαιδευτική βιβλιογραφία για τη νανοτεχνολογία στα ρωσικά απουσιάζει σχεδόν εντελώς και η ανάγκη για αυτήν είναι μεγάλη λόγω της εκπαίδευσης ειδικών σε νανοϋλικά και νανοηλεκτρονική που ξεκίνησε το 2003 σε 12 ρωσικά πανεπιστήμια.
Δεν μπορούν να συμφωνηθούν άνευ όρων όλες οι ιδέες και οι ερμηνείες των συγγραφέων. Ωστόσο, για να μην σωριαστεί το κείμενο με μεγάλο αριθμό σχολίων, προσθηκών και επικρίσεων, έχουν εξαλειφθεί μόνο εμφανή λάθη, ασυνέπειες και τυπογραφικά λάθη κατά τη μετάφραση και την επιμέλεια.
Κατά τη συγγραφή του βιβλίου και την ανατύπωσή του στα ρωσικά, έχουν εκδοθεί πολλά χρήσιμα βιβλία, μερικά από τα οποία παρατίθενται παρακάτω. Σύμφωνα με αυτές, ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί να εξοικειωθεί με τις επιμέρους ενότητες και το πανόραμα της νανοτεχνολογίας συνολικά σε μεγαλύτερο βάθος.
Τα νανοϋλικά συμβατικά περιλαμβάνουν διεσπαρμένα και ογκώδη υλικά που περιέχουν δομικά στοιχεία (κόκκους, κρυσταλλίτες, μπλοκ, συστάδες και άλλα), των οποίων οι γεωμετρικές διαστάσεις δεν υπερβαίνουν τα 100 nm σε τουλάχιστον μία διάσταση και διαθέτουν ποιοτικά νέα λειτουργικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Οι νανοτεχνολογίες περιλαμβάνουν τεχνολογίες που παρέχουν τη δυνατότητα δημιουργίας και τροποποίησης νανοϋλικών με ελεγχόμενο τρόπο, καθώς και την ενσωμάτωσή τους σε πλήρως λειτουργικά συστήματα μεγάλης κλίμακας. Μεταξύ των κύριων συνιστωσών της επιστήμης των νανοϋλικών και των νανοτεχνολογιών, διακρίνονται τα ακόλουθα:
θεμελιώδεις μελέτες των ιδιοτήτων των υλικών σε επίπεδο νανοκλίμακας.
ανάπτυξη νανοτεχνολογιών για τη σκόπιμη δημιουργία νανοϋλικών, καθώς και αναζήτηση και χρήση φυσικών αντικειμένων με νανοδομικά στοιχεία, δημιουργία τελικών προϊόντων με χρήση νανοϋλικών και ενσωμάτωση νανοϋλικών και νανοτεχνολογιών σε διάφορες βιομηχανίες και επιστήμες.
ανάπτυξη εργαλείων και μεθόδων για τη μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων των νανοϋλικών, καθώς και μεθόδων παρακολούθησης και πιστοποίησης προϊόντων και ημικατεργασμένων προϊόντων για τις νανοτεχνολογίες.
Ο 21ος αιώνας σηματοδοτήθηκε από μια επαναστατική αρχή στην ανάπτυξη των νανοτεχνολογιών και των νανοϋλικών. Χρησιμοποιούνται ήδη σε όλες τις ανεπτυγμένες χώρες του κόσμου στους πιο σημαντικούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας (βιομηχανία, άμυνα, σφαίρα πληροφοριών, ραδιοηλεκτρονικά, ενέργεια, μεταφορές, βιοτεχνολογία, ιατρική). Μια ανάλυση της αύξησης των επενδύσεων, του αριθμού των δημοσιεύσεων για αυτό το θέμα και του ρυθμού υλοποίησης θεμελιωδών εξελίξεων και εξελίξεων αναζήτησης μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι τα επόμενα 20 χρόνια η χρήση νανοτεχνολογιών και νανοϋλικών θα είναι ένας από τους καθοριστικούς παράγοντες επιστημονική, οικονομική και αμυντική ανάπτυξη των κρατών. Επί του παρόντος, το ενδιαφέρον για μια νέα κατηγορία υλικών στον τομέα τόσο της θεμελιώδης όσο και της εφαρμοσμένης επιστήμης, καθώς και της βιομηχανίας και των επιχειρήσεων, αυξάνεται συνεχώς. Αυτό οφείλεται στους εξής λόγους:
προσπάθεια για μικρογραφία των προϊόντων,
μοναδικές ιδιότητες των υλικών σε νανοδομημένη κατάσταση,
την ανάγκη ανάπτυξης και υλοποίησης υλικών με ποιοτικά και ποσοτικά νέες ιδιότητες,
την ανάπτυξη νέων τεχνολογικών μεθόδων και μεθόδων που βασίζονται στις αρχές της αυτοσυναρμολόγησης και αυτοοργάνωσης,
πρακτική εφαρμογή σύγχρονων οργάνων για την έρευνα, τη διάγνωση και την τροποποίηση νανοϋλικών (μικροσκοπία ανιχνευτή σάρωσης),
ανάπτυξη και εφαρμογή νέων τεχνολογιών, οι οποίες είναι μια ακολουθία διαδικασιών λιθογραφίας, τεχνολογίες για τη λήψη νανοσκονών.
Η κατεύθυνση της νανοδομικής έρευνας έχει μετατοπιστεί σχεδόν πλήρως από την απόκτηση και τη μελέτη νανοκρυσταλλικών ουσιών και υλικών στον τομέα της νανοτεχνολογίας, δηλαδή στη δημιουργία προϊόντων, συσκευών και συστημάτων με στοιχεία νανομεγέθους. Οι κύριοι τομείς εφαρμογής των στοιχείων νανοκλίμακας είναι η ηλεκτρονική, η ιατρική, τα χημικά φαρμακευτικά προϊόντα και η βιολογία.
Ο Ρώσος πρόεδρος Ντμίτρι Μεντβέντεφ είναι πεπεισμένος ότι η χώρα έχει όλες τις προϋποθέσεις για την επιτυχή ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας.
Η νανοτεχνολογία είναι ένας νέος τομέας της επιστήμης και της τεχνολογίας που αναπτύσσεται ενεργά τις τελευταίες δεκαετίες. Οι νανοτεχνολογίες περιλαμβάνουν τη δημιουργία και τη χρήση υλικών, συσκευών και τεχνικών συστημάτων, η λειτουργία των οποίων καθορίζεται από τη νανοδομή, δηλαδή τα διατεταγμένα θραύσματά της που κυμαίνονται σε μέγεθος από 1 έως 100 νανόμετρα.
Το πρόθεμα «νάνο», που προήλθε από την ελληνική γλώσσα («νάνος» στα ελληνικά - νάνος), σημαίνει ένα δισεκατομμυριοστό μέρος. Ένα νανόμετρο (nm) είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου.
Ο όρος «νανοτεχνολογία» (νανοτεχνολογία) επινοήθηκε το 1974 από τον καθηγητή-επιστήμονα υλικών από το Πανεπιστήμιο του Τόκιο Norio Taniguchi (Norio Taniguchi), ο οποίος τον όρισε ως «τεχνολογία κατασκευής που επιτρέπει την επίτευξη εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας και εξαιρετικά μικρών διαστάσεων. .. της τάξης του 1 nm ...» .
Η νανοεπιστήμη διακρίνεται σαφώς από τη νανοτεχνολογία στην παγκόσμια βιβλιογραφία. Ο όρος επιστήμη νανοκλίμακας χρησιμοποιείται επίσης για τη νανοεπιστήμη.
Στα ρωσικά και στην πρακτική της ρωσικής νομοθεσίας και κανονισμών, ο όρος "νανοτεχνολογίες" συνδυάζει "νανοεπιστήμη", "νανοτεχνολογίες" και μερικές φορές ακόμη και "νανοβιομηχανία" (τομείς επιχειρηματικής δραστηριότητας και παραγωγής όπου χρησιμοποιούνται νανοτεχνολογίες).
Το πιο σημαντικό συστατικό της νανοτεχνολογίας είναι νανοϋλικά, δηλαδή υλικά των οποίων οι ασυνήθιστες λειτουργικές ιδιότητες καθορίζονται από τη διατεταγμένη δομή των νανοθραυσμάτων τους που κυμαίνονται σε μέγεθος από 1 έως 100 nm.
- νανοπορώδεις δομές.
- νανοσωματίδια.
- νανοσωλήνες και νανοΐνες
- νανοδιασπορές (κολλοειδή).
- νανοδομημένες επιφάνειες και μεμβράνες.
- νανοκρύσταλλοι και νανοσυστάδες.
Τεχνολογία νανοσυστημάτων- πλήρως ή εν μέρει δημιουργημένα με βάση νανοϋλικά και νανοτεχνολογίες, λειτουργικά πλήρη συστήματα και συσκευές, τα χαρακτηριστικά των οποίων διαφέρουν θεμελιωδώς από εκείνα συστημάτων και συσκευών παρόμοιου σκοπού, που δημιουργούνται με παραδοσιακές τεχνολογίες.
Εφαρμογές νανοτεχνολογίας
Είναι σχεδόν αδύνατο να απαριθμήσουμε όλους τους τομείς στους οποίους αυτή η παγκόσμια τεχνολογία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την τεχνολογική πρόοδο. Μπορούμε να αναφέρουμε μόνο μερικά από αυτά:
- στοιχεία νανοηλεκτρονικής και νανοφωτονικής (τρανζίστορ ημιαγωγών και λέιζερ.
- φωτοανιχνευτές Ηλιακά κύτταρα; διάφοροι αισθητήρες)
- συσκευές για εξαιρετικά πυκνή καταγραφή πληροφοριών.
- τεχνολογίες τηλεπικοινωνιών, πληροφοριών και υπολογιστών· υπερυπολογιστές?
- εξοπλισμός βίντεο - επίπεδες οθόνες, οθόνες, βιντεοπροβολείς.
- μοριακές ηλεκτρονικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων των διακοπτών και των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε μοριακό επίπεδο·
- νανολιθογραφία και νανοαποτύπωση.
- κυψέλες καυσίμου και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας.
- συσκευές μικρο- και νανομηχανικής, συμπεριλαμβανομένων των μοριακών κινητήρων και των νανοκινητήρων, των νανορομπότ.
- νανοχημεία και κατάλυση, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου καύσης, της επικάλυψης, της ηλεκτροχημείας και των φαρμακευτικών προϊόντων.
- εφαρμογές αεροπορίας, διαστήματος και άμυνας·
- συσκευές για την παρακολούθηση της κατάστασης του περιβάλλοντος.
- στοχευμένη παροχή φαρμάκων και πρωτεϊνών, βιοπολυμερή και επούλωση βιολογικών ιστών, κλινική και ιατρική διάγνωση, δημιουργία τεχνητών μυών, οστών, εμφύτευση ζωντανών οργάνων.
- εμβιομηχανική; Γονιδιωματική; βιοπληροφορική? βιοοργανισμός;
- καταγραφή και ταυτοποίηση καρκινογόνων ιστών, παθογόνων και βιολογικά επιβλαβών παραγόντων·
- ασφάλεια στη γεωργία και την παραγωγή τροφίμων.
Υπολογιστές και μικροηλεκτρονική
Νανοϋπολογιστής- μια υπολογιστική συσκευή βασισμένη σε ηλεκτρονικές (μηχανικές, βιοχημικές, κβαντικές) τεχνολογίες με μέγεθος λογικών στοιχείων της τάξης πολλών νανομέτρων. Ο ίδιος ο υπολογιστής, που αναπτύχθηκε με βάση τη νανοτεχνολογία, έχει επίσης μικροσκοπικές διαστάσεις.
Υπολογιστής DNA- ένα υπολογιστικό σύστημα που χρησιμοποιεί τις υπολογιστικές δυνατότητες των μορίων DNA. Ο Βιομοριακός Υπολογισμός είναι μια συλλογική ονομασία για διάφορες τεχνικές που σχετίζονται με το DNA ή το RNA με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Στον υπολογισμό του DNA, τα δεδομένα δεν αναπαρίστανται με τη μορφή μηδενικών και μονάδων, αλλά με τη μορφή μιας μοριακής δομής που χτίζεται με βάση την έλικα του DNA. Ο ρόλος του λογισμικού για την ανάγνωση, αντιγραφή και διαχείριση δεδομένων επιτελείται από ειδικά ένζυμα.
Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης- μικροσκόπιο ανιχνευτή σάρωσης υψηλής ανάλυσης, με βάση την αλληλεπίδραση της βελόνας του προβόλου (probe) με την επιφάνεια του υπό μελέτη δείγματος. Σε αντίθεση με ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM), μπορεί να εξετάσει τόσο αγώγιμες όσο και μη αγώγιμες επιφάνειες ακόμη και μέσω υγρού στρώματος, γεγονός που καθιστά δυνατή την εργασία με οργανικά μόρια (DNA). Η χωρική ανάλυση ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης εξαρτάται από το μέγεθος του προβόλου και την καμπυλότητα του άκρου του. Η ανάλυση φτάνει στην ατομική οριζόντια και την υπερβαίνει σημαντικά κατακόρυφα.
Ταλαντωτής κεραίας- Στις 9 Φεβρουαρίου 2005 παραλήφθηκε στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου της Βοστώνης μια κεραία ταλαντωτή μεγέθους περίπου 1 micron. Αυτή η συσκευή έχει 5.000 εκατομμύρια άτομα και είναι ικανή να ταλαντώνεται σε συχνότητα 1,49 gigahertz, γεγονός που σας επιτρέπει να μεταφέρετε τεράστιες ποσότητες πληροφοριών με αυτήν.
Νανοϊατρική και φαρμακευτική βιομηχανία
Μια κατεύθυνση στη σύγχρονη ιατρική που βασίζεται στη χρήση των μοναδικών ιδιοτήτων των νανοϋλικών και των νανοαντικειμένων για την παρακολούθηση, το σχεδιασμό και την αλλαγή των ανθρώπινων βιολογικών συστημάτων σε νανομοριακό επίπεδο.
Νανοτεχνολογίες DNA- Χρησιμοποιήστε τις συγκεκριμένες βάσεις μορίων DNA και νουκλεϊκών οξέων για να δημιουργήσετε σαφώς καθορισμένες δομές στη βάση τους.
Βιομηχανική σύνθεση μορίων φαρμάκων και φαρμακολογικών σκευασμάτων σαφώς καθορισμένου σχήματος (δι-πεπτίδια).
Στις αρχές του 2000, χάρη στην ταχεία πρόοδο στην τεχνολογία κατασκευής σωματιδίων νανο-μεγέθους, δόθηκε ώθηση στην ανάπτυξη ενός νέου τομέα νανοτεχνολογίας - νανοπλασμονική. Αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατή η μετάδοση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά μήκος μιας αλυσίδας μεταλλικών νανοσωματιδίων με διέγερση των ταλαντώσεων του πλασμονίου.
Ρομποτική
Nanobots- ρομπότ που δημιουργούνται από νανοϋλικά και είναι συγκρίσιμα σε μέγεθος με ένα μόριο, με λειτουργίες κίνησης, επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών, εκτέλεσης προγραμμάτων. Νανορομπότ ικανά να δημιουργούν αντίγραφα του εαυτού τους, δηλ. αυτοαναπαραγόμενοι ονομάζονται αντιγραφείς.
Επί του παρόντος, έχουν ήδη δημιουργηθεί ηλεκτρομηχανικές νανοσυσκευές περιορισμένης κινητικότητας, οι οποίες μπορούν να θεωρηθούν πρωτότυπα νανορομπότ.
Μοριακοί ρότορες- Συνθετικοί κινητήρες νανοκλίμακας ικανοί να παράγουν ροπή όταν εφαρμόζεται αρκετή ενέργεια σε αυτούς.
Η θέση της Ρωσίας μεταξύ των χωρών που αναπτύσσουν και παράγουν νανοτεχνολογίες
Οι παγκόσμιοι ηγέτες όσον αφορά τις συνολικές επενδύσεις στον τομέα της νανοτεχνολογίας είναι οι χώρες της ΕΕ, η Ιαπωνία και οι Ηνωμένες Πολιτείες. Πρόσφατα, η Ρωσία, η Κίνα, η Βραζιλία και η Ινδία έχουν αυξήσει σημαντικά τις επενδύσεις σε αυτόν τον κλάδο. Στη Ρωσία, το ποσό της χρηματοδότησης στο πλαίσιο του προγράμματος "Ανάπτυξη υποδομής νανοβιομηχανίας στη Ρωσική Ομοσπονδία για την περίοδο 2008-2010" θα ανέλθει σε 27,7 δισεκατομμύρια ρούβλια.
Η τελευταία (2008) έκθεση της εταιρείας ερευνών Cientifica με έδρα το Λονδίνο, που ονομάζεται «Nanotechnology Outlook Report», λέει επί λέξει τα εξής για τις ρωσικές επενδύσεις: «Αν και η ΕΕ εξακολουθεί να κατατάσσεται στην πρώτη θέση όσον αφορά τις επενδύσεις, η Κίνα και η Ρωσία έχουν ήδη ξεπεράσει τις Ηνωμένες Πολιτείες."
Υπάρχουν τέτοιοι τομείς στη νανοτεχνολογία όπου οι Ρώσοι επιστήμονες έγιναν οι πρώτοι στον κόσμο, έχοντας λάβει αποτελέσματα που έθεσαν τα θεμέλια για την ανάπτυξη νέων επιστημονικών τάσεων.
Μεταξύ αυτών είναι η παραγωγή εξαιρετικά λεπτών νανοϋλικών, ο σχεδιασμός συσκευών ενός ηλεκτρονίου, καθώς και η εργασία στον τομέα της ατομικής δύναμης και της μικροσκοπίας ανιχνευτή σάρωσης. Μόνο σε μια ειδική έκθεση που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του XII Οικονομικού Φόρουμ της Αγίας Πετρούπολης (2008), παρουσιάστηκαν ταυτόχρονα 80 συγκεκριμένες εξελίξεις.
Η Ρωσία παράγει ήδη μια σειρά από νανοπροϊόντα που έχουν ζήτηση στην αγορά: νανομεμβράνες, νανοσκόνες, νανοσωλήνες. Ωστόσο, σύμφωνα με τους ειδικούς, η Ρωσία βρίσκεται δέκα χρόνια πίσω από τις Ηνωμένες Πολιτείες και άλλες ανεπτυγμένες χώρες στην εμπορευματοποίηση των νανοτεχνολογικών εξελίξεων.
Το υλικό ετοιμάστηκε με βάση πληροφορίες από ανοιχτές πηγές
