G. G. Elenin
Lühiteave autori kohta: Moskva Riikliku Ülikooli arvutusmatemaatika ja küberneetika teaduskonna professor. nimelise rakendusmatemaatika instituudi juhtivteadur M.V. Lomonosov. M.V.Keldysh RAS.
Kui identsetest aatomitest koosnev teraskuubik või soolakristall võivad avaldada huvitavaid omadusi; kui vesi – lihtsad tilgad, mis on üksteisest eristamatud ja katavad miilide järel Maa pinnast – on võimelised tekitama laineid ja vahtu, surfi äikest ja veidraid mustreid valli graniidil; kui see kõik, kogu vetes leiduv elurikkus on vaid aatomikogumike omadus, siis kui palju võimalusi on neis veel peidus? Kui aatomite järjestamise asemel rida rea, veerg veeru haaval, isegi selle asemel, et ehitada neist keerukaid kannikese lõhna molekule, kui selle asemel paigutaksime need iga kord uutmoodi, mitmekesistades nende mosaiiki, ilma seda kordamata , mis on juba juhtunud – kujutage ette, kui palju ebatavalisi, ootamatuid asju võib nende käitumises tekkida.
R. P. Feynman
Nanotehnoloogia õppeaine, eesmärgid ja põhisuunad
Entsüklopeedilise sõnaraamatu järgi on tehnoloogia tootmisprotsessis läbiviidavate materjalide, materjalide või pooltoodete töötlemise, valmistamise, oleku, omaduste, vormi muutmise meetodite kogum.
Nanotehnoloogia eripära seisneb selles, et vaadeldavad protsessid ja sooritatavad toimingud toimuvad ruumimõõtmete nanomeetrite vahemikus 1 . "Tooraine" on üksikud aatomid, molekulid, molekulaarsüsteemid, mitte traditsioonilises tehnoloogias tuttava materjali mikronid või makroskoopilised mahud, mis sisaldavad vähemalt miljardeid aatomeid ja molekule. Erinevalt traditsioonilisest tehnoloogiast iseloomustab nanotehnoloogiat “individuaalne” lähenemine, mille puhul väline kontroll jõuab üksikute aatomiteni ja molekulideni, mis võimaldab luua neist mõlemat “defektideta” põhimõtteliselt uute füüsikaliste, keemiliste ja bioloogiliste omadustega materjale. ja uued seadmete klassid, millel on iseloomulikud nanomeetrid. Nanotehnoloogia mõistet pole veel välja kujunenud. Ilmselt võib järgida järgmist töödefinitsiooni.
Nanotehnoloogia on interdistsiplinaarne teadusvaldkond, milles uuritakse füüsikaliste ja keemiliste protsesside seaduspärasusi nanomeetri mõõtmetega ruumipiirkondades, et juhtida üksikuid aatomeid, molekule, molekulaarsüsteeme uute molekulide, nanostruktuuride, nanoseadmete ja spetsiaalsete füüsikaliste omadustega materjalide loomisel. , keemilised ja bioloogilised omadused.
Kiiresti areneva piirkonna hetkeseisu analüüs võimaldab välja tuua rea olulisimaid valdkondi selles.
Molekulaarne disain. Olemasolevate molekulide lahkamine ja uute molekulide süntees väga ebahomogeensetes elektromagnetväljades.
Materjaliteadus. "Defektideta" kõrgtugevate materjalide loomine, kõrge juhtivusega materjalid.
Instrumentatsioon. Skaneerivate tunnelmikroskoopide, aatomjõumikroskoopide 2, magnetjõumikroskoopide, molekulaarse disaini mitmepunktisüsteemide, miniatuursete ülitundlike andurite, nanorobotite loomine.
Elektroonika. Nanomeetrielementide baasi projekteerimine järgmise põlvkonna arvutitele, nanojuhtmetele, transistoridele, alalditele, kuvaritele, akustikasüsteemidele.
Optika. Nanolaserite loomine. Mitme otsaga süsteemide süntees nanolaseritega.
Heterogeenne katalüüs. Nanostruktuuridega katalüsaatorite väljatöötamine selektiivsete katalüüsireaktsioonide klasside jaoks.
Ravim. Nanoinstrumentide projekteerimine viiruste hävitamiseks, elundite lokaalseks “remondiks” ja ravimidooside ülitäpseks kohaletoimetamiseks elusorganismi kindlatesse kohtadesse.
Triboloogia. Materjalide nanostruktuuri ja hõõrdejõudude vahelise seose määramine ning nende teadmiste kasutamine paljutõotavate hõõrdepaaride valmistamiseks.
Kontrollitud tuumareaktsioonid. Nanoosakeste kiirendid, mittestatistilised tuumareaktsioonid.
Skaneeriv tunnelmikroskoopia
Vähemalt kaks sündmust mängisid olulist rolli nanomaailma peatamatus uurimises:
Skaneeriva tunnelmikroskoobi (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) ja skaneeriva aatomjõumikroskoobi (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) loomine (Nobeli preemia 1992);
Süsiniku looduses eksisteerimise uue vormi – fullereenide – avastamine (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobeli preemia 1996).
Uued mikroskoobid on võimaldanud jälgida nanomeetri suurusvahemikus üksikute kristallide pinna aatom-molekulaarset struktuuri. Seadmete parim ruumiline eraldusvõime on pinna suhtes tavaline sajandik nanomeetrit. Skaneeriva tunnelmikroskoobi töö põhineb elektronide tunnelimisel läbi vaakumbarjääri. Kõrge eraldusvõime on tingitud asjaolust, et tunnelivool muutub kolme suurusjärgu võrra, kui barjääri laius muutub aatomi suuruse võrra. Kvanttunneliefekti teooria pani paika G.A. Gamow 1928. aastal oma a-lagunemist käsitlevates töödes.
Erinevate skaneerivate mikroskoopide abil jälgitakse praegu metallide monokristallide, pooljuhtide, kõrgtemperatuursete ülijuhtide, orgaaniliste molekulide ja bioloogiliste objektide pindade aatomstruktuuri. Joonisel fig. Joonisel 1 on kujutatud räni monokristalli (100) külje alumise terrassi rekonstrueeritud pind. Hallid ringid on räni aatomite kujutised. Tumedad alad on lokaalsed nanomeetri defektid. Joonisel fig. Joonisel 2 on kujutatud (110) hõbedase näo (vasak raam) ja sama hapnikuaatomitega kaetud pinna (parem raam) aatomstruktuur. Selgus, et hapnik ei adsorbeeru juhuslikult, vaid moodustab teatud kristallograafilises suunas üsna pikki ahelaid. Topelt- ja üksikahelate olemasolu viitab hapniku kahele vormile.
Need vormid mängivad olulist rolli süsivesinike, näiteks etüleeni, selektiivsel oksüdatsioonil. Joonisel fig. 3 näete kõrgtemperatuurse ülijuhi Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 nanostruktuuri. Joonise fig vasakpoolses raamis. 4 on benseeni molekulide (C 6 H 6) ringid selgelt nähtavad. Parempoolne raam näitab polüetüleeni CH 2 ahelaid. Teoses esitatakse kaadrite jada laborifilmist viiruse tungimisest elusrakku.
Uued mikroskoobid on kasulikud mitte ainult aine aatomi- ja molekulaarstruktuuri uurimiseks. Need osutusid sobivaks nanostruktuuride ehitamiseks. Mikroskoobi otsaga teatud liigutuste abil on võimalik luua aatomistruktuure. Joonisel 5 on kujutatud üksikutest ksenooni aatomitest sildi "IBM" loomise etapid nikli monokristalli (110) pinnal. Otsa liigutused üksikutest aatomitest nanostruktuure luues meenutavad hokimängija võtteid litrit kepiga liigutades. Huvitav on luua arvutialgoritme, mis loovad sobivate matemaatiliste mudelite alusel mittetriviaalse seose tipu liikumise ja manipuleeritavate aatomite liikumiste vahel. Nanostruktuuride automaatsete "monteerijate" väljatöötamiseks on vaja mudeleid ja algoritme.
Riis. 4: a - C6H6; b - CH2-CH2
Riis. 5. Xe/Ni (110)
Nanomaterjalid
Fullereenid kui süsiniku looduses eksisteerimise uus vorm koos ammutuntud teemandi ja grafiidiga avastati 1985. aastal, kui astrofüüsikud üritasid selgitada tähtedevahelise tolmu spektreid. Selgus, et süsinikuaatomid võivad moodustada ülisümmeetrilise C60 molekuli. Selline molekul koosneb 60 süsinikuaatomist, mis on paigutatud ligikaudu ühe nanomeetrise läbimõõduga kerale ja meenutab jalgpalli (joonis 6). Vastavalt L. Euleri teoreemile moodustavad süsinikuaatomid 12 korrapärast viisnurka ja 20 korrapärast kuusnurka. Molekul on oma nime saanud arhitekt R. Fulleri järgi, kes ehitas viis- ja kuusnurkadest maja. Esialgu toodeti C 60 väikestes kogustes ja seejärel, 1990. aastal, avastati tehnoloogia nende suuremahuliseks tootmiseks.
Fulleriidid. C60 molekulid võivad omakorda moodustada fulleriidi kristalli, millel on näokeskne kuupvõre ja küllaltki nõrgad molekulidevahelised sidemed. Sellel kristallil on oktaeedrilised ja tetraeedrilised õõnsused, milles võivad paikneda võõraatomid. Kui oktaeedrilised õõnsused on täidetud leelismetalliioonidega (¦ = K (kaalium), Rb (rubiidium), Cs (tseesium)), siis temperatuuril alla toatemperatuuri toimub nende ainete struktuur ümberkorraldamisel ja tekib uus polümeermaterjal ¦1C60. moodustatud. Kui täita ka tetraeedrilised õõnsused, siis tekib ülijuhtiv materjal ¦3C60, mille kriitiline temperatuur on 20-40 K. Ülijuhtivate fulleriitide uuring toimub eelkõige Instituudis. Max Planck Stuttgardis. Seal on fulleriite koos teiste lisanditega, mis annavad materjalile ainulaadsed omadused. Näiteks C60-etüleenil on ferromagnetilised omadused. Kõrge aktiivsus uues keemiavaldkonnas viis selleni, et 1997. aastaks oli fullereeniühendeid üle 9000.
Süsinik-nanotorud. Hiiglasliku aatomite arvuga molekule saab süsinikust. Selline molekul, näiteks C=1 000 000, võib olla ühekihiline toru, mille läbimõõt on umbes nanomeeter ja pikkus mitukümmend mikronit (joonis 7). Toru pinnal paiknevad süsinikuaatomid korrapäraste kuusnurkade tippudes. Toru otsad on suletud kuue korrapärase viisnurgaga. Tuleb märkida korrapäraste hulknurkade külgede arvu rolli kahemõõtmeliste pindade moodustamisel, mis koosnevad
Riis. 7. Mittekiraalsed nanotorud: a - C(n", n) - metall;
L-C(n, 0):mod (n, 3) = 0 – poolmetall
mod (n, 3)!= 0 - pooljuht.
Riis. 8. Kumer toru
süsinikuaatomid, kolmemõõtmelises ruumis. Regulaarsed kuusnurgad on lameda grafiitlehe rakk, mida saab rullida erineva kiraalsusega (m, n) torudeks 3 . Regulaarsed viisnurgad (seitsenurgad) on grafiitlehe lokaalsed defektid, mis võimaldavad saada selle positiivse (negatiivse) kumeruse. Seega võimaldavad korrapäraste viisnurkade, kuusnurkade ja seitsenurksete kombinatsioonid saada ruumilises ruumis erineva kujuga süsinikupindu (joonis 8). Nende nanostruktuuride geomeetria määrab nende ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused ning sellest tulenevalt ka põhimõtteliselt uute materjalide ja tehnoloogiate olemasolu nende tootmiseks. Uute süsinikmaterjalide füüsikalis-keemiliste omaduste ennustamine toimub nii kvantmudelite kui ka arvutuste abil molekulaardünaamika raames. Ühekihiliste torude kõrval on võimalik luua mitmekihilisi torusid. Nanotorude tootmiseks kasutatakse spetsiaalseid katalüsaatoreid.
Mis on uutes materjalides ainulaadset? Peatugem vaid kolmel olulisel omadusel.
Ülimalt vastupidavad materjalid. Grafiitlehe süsinikuaatomite vahelised sidemed on kõige tugevamad teadaolevad, seega on defektideta süsiniktorud terasest kaks suurusjärku tugevamad ja ligikaudu neli korda kergemad! Uute süsinikmaterjalide valdkonnas on üheks olulisemaks tehnoloogiliseks väljakutseks "lõpmatu" pikkusega nanotorude loomine. Sellistest torudest on võimalik toota ülitugevaid kergeid komposiitmaterjale uue sajandi tehnoloogia vajadusteks. Need on sildade ja hoonete jõuelemendid, kompaktlennukite kandekonstruktsioonid, turbiinielemendid, ülimadala kütuse erikuluga mootorite jõuallikad jne. Praegu on nad õppinud valmistama kümnete mikronite pikkuseid torusid, mille läbimõõt on suurusjärgus üks nanomeeter.
Väga juhtivad materjalid. Teadaolevalt on kristallilises grafiidis juhtivus piki kihi tasapinda teadaolevatest materjalidest suurim ja vastupidi, lehe suhtes risti olevas suunas, on see väike. Seetõttu eeldatakse, et nanotorudest valmistatud elektrikaablite elektrijuhtivus on toatemperatuuril kaks suurusjärku kõrgem kui vaskkaablitel. See on tehnoloogia küsimus, mis võimaldab toota piisava pikkusega ja kogusega torusid,
Nanoklastrid
Paljud nanoobjektid sisaldavad üliväikesi osakesi, mis koosnevad kümnetest, sadadest või tuhandetest aatomitest. Klastrite omadused erinevad kardinaalselt sama koostisega materjalide makroskoopiliste mahtude omadustest. Nanoklastritest, nagu ka suurtest ehitusplokkidest, on võimalik sihipäraselt konstrueerida uusi etteantud omadustega materjale ning kasutada neid katalüütilistes reaktsioonides, gaasisegude eraldamiseks ja gaaside säilitamiseks. Üks näide on Zn4O(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)4. Suurt huvi pakuvad siirdemetallide, lantiniidide ja aktiniidide aatomitest koosnevad magnetparved. Nendel klastritel on oma magnetmoment, mis võimaldab juhtida nende omadusi välise magnetvälja abil. Näitena võib tuua suure keerdsagedusega metallorgaanilise molekuli Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. See elegantne disain koosneb neljast spin 3/2 Mn 4+ ioonist, mis paiknevad tetraeedri tippudes, kaheksast spin 2 Mn 3+ ioonist, mis ümbritsevad tetraeedrit. Mangaaniioonide vastastikmõju viivad läbi hapnikuioonid. Mn 4+ ja Mn 3+ ioonide spinnide antiferromagnetilised interaktsioonid toovad kaasa spinni summaarseks väärtuseks 10, mis on küllaltki suur. Atsetaatrühmad ja veemolekulid eraldavad Mn 12 klastreid üksteisest molekulaarses kristallis. Klastrite vastastikmõju kristallis on äärmiselt väike. Nanomagnetid pakuvad huvi kvantarvutite protsessorite kujundamisel. Lisaks avastati selle kvantsüsteemi uurimisel bistabiilsuse ja hüstereesi nähtused. Kui arvestada, et molekulide vaheline kaugus on umbes 10 nanomeetrit, siis mälutihedus võib sellises süsteemis olla suurusjärgus 10 gigabaiti ruutsentimeetri kohta.
Nanoseadmed
Nanotorud võivad olla lamedate akustiliste süsteemide ja lameekraanide, st tuttavate makroskoopiliste seadmete uute disainide aluseks. Nanomaterjalidest saab luua teatud nanoseadmeid, näiteks nanomootoreid, nanomanipulaatoreid, molekulaarpumpasid, suure tihedusega mälu ja nanorobotite mehhanismide elemente. Vaatame lühidalt mõne nanoseadme mudelit.
Molekulaarsed hammasrattad ja pumbad. Nanoseadmete mudelid pakkus välja K.E. Drexler ja R. Merkle IMM-ist (Molecular Manufacturing Institute, Palo Alto). Käigukasti käiguvõllid on süsiniknanotorud ja hambad benseeni molekulid. Hammasrataste iseloomulikud pöörlemiskiirused on mitukümmend gigahertsi. Seadmed “töötavad” kas sügavas vaakumis või toatemperatuuril inertses keskkonnas. Seadme "jahutamiseks" kasutatakse inertgaase.
Teemantmälu arvutitele. Kõrge tihedusega mälumudeli töötas välja Ch. Bauschlicher ja R. Merkle NASA-st. Seadme disain on lihtne ja koosneb sondist ja teemantpinnast. Sondiks on C 60 poolkeraga lõppev süsiniknanotoru (9, O) või (5, 5), mille külge on kinnitatud C 5 H 5 N molekul Teemantpind on kaetud vesinikuaatomite monokihiga. Mõned vesinikuaatomid on asendatud fluori aatomitega. Sondi skaneerimisel mööda teemantpinda, mis on kaetud adsorbaadi monokihiga, suudab C 5 H 5 N molekul vastavalt kvantmudelitele eristada adsorbeeritud fluori aatomit adsorbeeritud vesinikuaatomist. Kuna ühele ruutsentimeetrile pinnale mahub umbes 1015 aatomit, võib salvestustihedus ulatuda 100 terabaidini ruutsentimeetri kohta.
Ülaltoodud näited laboratoorsete katsetulemuste ja nanoseadmete mudelite kohta esitavad teooriale, arvutusfüüsikale, keemiale ja matemaatikale uue väljakutse. Nõutav on mõistete "näinud" ja "saanud" mõistmine. Nanomeetri suuruses töötamiseks on vaja arendada intuitsiooni. Taas kõlab Fausti märkus Wagnerile:
„Mida tähendab mõista?
See on küsimus, mu sõber.
Meil ei lähe selles punktis hästi."
Arvutusfüüsika ja arvutuskeemia uued valdkonnad
Rohkem kui viiskümmend aastat tagasi tõstatasid aatomi- ja termotuumaprobleemid, uute õhusõidukite loomise ja Maa-lähedase kosmose uurimise probleemid taas faustliku küsimuse füüsikaliste ja keemiliste nähtuste mõistmise uue taseme kohta. Edukas töö nende probleemidega viis nende tekkimise ja arenguni
1) arvutusfüüsika, eelkõige sellised valdkonnad nagu
magnet- ja kiirgushüdro- ja aerodünaamika,
kosmoselaeva lennu mehaanika,
plasma ja kontrollitud termotuumasünteesi teooria;
2) arvutuskeemia selliste lõikudega nagu
aine olekuvõrrandi teooria,
molekulaarne dünaamika,
keemiliste protsesside ja aparaatide teooria;
3) arvutusmatemaatika ja informaatika selliste valdkondadega nagu
matemaatilise füüsika numbrilised meetodid,
automaatide teooria,
optimaalne kontroll,
mustrituvastus,
ekspertsüsteemid,
automaatne disain.
Kaasaegsed laboratoorsete katsete võimalused nähtuste vaatlemiseks ja uurimiseks ruumiliste mõõtmetega nanomeetrises skaalal ning atraktiivsed väljavaated ainulaadsete materjalide ja nanoseadmete loomiseks tekitavad uusi teoreetilisi probleeme.
Tahaksin aru saada, mida skaneeriva tunnelmikroskoopiaga tegelikult “jälgitakse”?
Milliseid uusi asju saab nanosüsteemides potentsiaalselt jälgida ja milliseid uusi asju potentsiaalselt saada? Ja mis tingimustel?
Kuidas juhtida üksikuid aatomeid ning aatomite ja molekulide rühmi teatud eesmärkide saavutamiseks? Millised on selle kontrolli piirid?
Kuidas korraldada nanoseadmete ja ainulaadsete “defektideta” materjalide isemonteerimist?
Mil määral "piirab" makrokeskkond nanosüsteemi kvantseisundeid?
Vajadus nende probleemide konstruktiivse lahenduse järele toob kaasa intensiivse uurimistöö, moodustades uusi valdkondi arvutusfüüsikas ja arvutuskeemias. Tõstkem esile sellised lõigud metroloogias, mehaanikas, elektrodünaamikas, optikas ja iseorganiseerumisteoorias. Igas neis jaotises selgitame välja mitu probleemi.
Metroloogia
1. "Seade-nanoobjekt" süsteemide arvutimudelite loomine ja nende kalibreerimine.
2. Nanomeetriliste mõõtmiste automatiseerimine ja andmepankade loomine.
Mehaanika
1. Nanomaterjalide ja nanoobjektide mehaaniliste pingete ja deformatsioonide uurimine, hõõrdeanalüüs.
2. Sondi liikumiste simuleerimine nanoobjekti sihipärasel manipuleerimisel.
3. Nanoseadmete liikumiste modelleerimine nanomehhanismides, nanomanipulaatorite arvutamine.
4. Nanorobotite juhtimissüsteemide väljatöötamine.
Elektrodünaamika
1. Aatomite ja molekulide dünaamika modelleerimine äärmiselt ebahomogeensetes elektromagnetväljades, mida tekitavad mitmepunktisüsteemid.
2. Nanomaterjalide elektriliste ja magnetiliste omaduste arvutamine.
1. Nanoobjektide valguse kiirguse, levimise ja neeldumise mehhanismide modelleerimine.
2. Nanolaserite ja hübriidsüsteemide “sondid + nanolaser” arvutamine.
Eneseorganiseerumise teooria
1. Nanostruktuuride isekoosnemise aluspõhimõtete sõnastamine.
2. Arvuti isekomplekteerimisalgoritmide loomine.
3. Arvutusalgoritmide väljatöötamine isekoostemudelite kvalitatiivseks analüüsiks.
4. Ajaruumilise iseorganiseerumise nähtuste modelleerimine nanomaterjalide loomisel.
Molekulaarkiire epitaksia ja nanolitograafia
1. Õhukeste metallkilede loomine, mis on kvaliteetsete magnetmaterjalide aluseks.
2. Nanoelektroonika põhielementide projekteerimine.
3. Katalüsaatorite loomine selektiivseks katalüüsiks.
Tahaksin veel kord rõhutada vajadust säilitada range tasakaal laborikatse, teooria ja matemaatilise modelleerimise vahel. Mõnikord võib kuulda väiteid, et täppiskatse on praegu väga kallis ja seda saab asendada odavama matemaatilise modelleerimisega. On ka vastupidist seisukohta, kus matemaatiliste uurimismeetodite osatähtsust alahinnatakse. Kõige lihtsamad näited mittetriviaalsetest nähtustest ruumimõõtmete nanomeetrises vahemikus näitavad radikaalsete positsioonide täielikku vastuolu.
Ajaruumilise iseorganiseerumise nähtused metalli monokristallide pinnal
Mõelgem, mis on esmapilgul kõige lihtsam, kuid, nagu selgub, mittetriviaalne probleem. Oletame, et tahaksime kasvatada kvaliteetset ühtlast metallkilet, näiteks plaatinakilet. Selleks tuleks substraadiks võtta monokristalli tihedalt pakitud ja ruumiliselt homogeenne pind ning ladestada sellele kõrgvaakumi tingimustes Knudseni rakust aatomite kiht. Aatomid lendavad rakust välja, adsorbeeruvad homogeensele pinnale, rändavad seda mööda ja moodustavad uue kihi. Kui esimene kiht on tekkinud, moodustub sellele järgmine kiht jne. Protsessi määravad vaid kaks välist juhtmakroparameetrit – pinnatemperatuur ja aatomite vool pinnale. Tuleb vaid valida aatomite temperatuur ja juurdevoolu kiirus nii, et uue aatomi juurdevoolu iseloomulikul ajal oleks piki pinda migreeruval aatomil aega integreeruda kasvavasse kihti. Tundub, et miski pole lihtsam kui filmi kasvu simuleerimine klassikalise matemaatilise füüsika mudelite raames. Kirjeldada tuleb ainult ühte protsessi: sissetulevate osakeste pinna difusioon. Selleks saate kasutada difusioonivõrrandit konstantse allikaga kahemõõtmelises ruumipiirkonnas, täiendada seda sobiva piirtingimusega, näiteks teist tüüpi homogeense piirtingimusega, ja teha arvutusi. On ilmne, et piisavalt kiire migratsiooni korral, sõltumata algtingimustest, saadakse piisavalt suure täpsusega ruumiliselt homogeenne, ajas monotoonselt kasvav lahendus. Selline modelleerimine ei kirjelda aga sugugi uue kihi kasvuprotsessi ja selle ruumilist struktuuri.
Skaneeriva tunnelmikroskoobiga Pt/Pt(111) 5 homosüsteemiga tehtud katse näitab (joonis 9), et adsorbeeritud plaatina aatomid migreeruvad piki plaatina monokristalli (111) pinna pinda, mitte järgides Ficki seadust. Need moodustavad uue kihi saarekesed, millel on erinev ruumiline struktuur sõltuvalt pinna temperatuurist ja aatomite juurdevoolu kiirusest. Need võivad olla fraktaalstruktuuri lahtised saared koos fraktaaliga
Joonis 9. Pt/Pt (111)
Riis. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; c - Co 3 Re
mõõtmetega 1,78 (joonis 9a) või platoonilise kujuga kompaktsed saared korrapäraste kolmnurkade (joonis 9b, 9d) ja kuusnurkade kujul (joonis 9c) ja kristallograafiliste telgede suhtes identselt orienteeritud. Seega paistavad temperatuuril 400 K kolmnurkade tipud “alla” (joonis 9b). Temperatuuril 455 K omandavad kasvavad saared korrapäraste kuusnurkade kuju (joonis 9c). Kõrgematel temperatuuridel moodustub saarte korrapärane kolmnurkne kuju, kuid seekord on nende tipud “üles” (joon. 9d). Kolmnurksete saarte kuju ja suund on stabiilsed. Edasine aatomitega varustamine toob kaasa kolmemõõtmelise kasvurežiimi, mille tulemusena on kasvav kiht alati ebaühtlane ja püramiidse kolmemõõtmelise struktuuriga.
Kasvu olemus tõstatab vähemalt kaks põhiküsimust.
Kuidas teoreetiliselt kirjeldada kõige lihtsama süsteemi mittetriviaalset dünaamilist käitumist?
Milliseid viise saab süsteemi juhtida, et tagada kiht-kihilt kasv ja toota kvaliteetne, ruumiliselt ühtlane kiht?
Sarnased küsimused tekivad heterosüsteemides, kui ühe metalli pinnale kasvatatakse teisest metallist kilet. Seega võib plaatinale hõbekile kasvatamise puhul jälgida fraktaal- ja dendriitstruktuuride saari, kolmekiirelise Mercedese tähe kujulisi saari ja muid ebaühtlase kolmemõõtmelisega kaasnevaid aegruumilise iseorganiseerumise nähtusi. õhukese metallkile kasv. Koobaltkile kasvatamisel reeniumi monokristalli homogeensel pinnal (0001) tekivad erineva stöhhiomeetriaga ja vastavalt ka ruumilise struktuuriga pinnasulamid: CoRe (joonis 10a), Co 2 Re (joonis 10b). ), Co 3 Re (joonis 10c) ja mittetriviaalne pinnastruktuur. Joonisel fig. 10 on näha, et suuri ringe (reeniumi aatomiid) ümbritseb erinev arv väikeseid ringe (koobaltiaatomid). Nendel sulamitel on huvitavad magnetilised omadused.
Ei saa jätta peatumata veel ühel paradoksaalsel nähtusel – suurte kompaktsete klastrite ebatavaliselt suurel liikuvusel. Järgides tähelepanuväärse eksperimentaalse töö autoreid, käsitleme korrapärase kujuga kompaktset klastrit, mis koosneb iriidiumi aatomite "maagilisest" arvust N = 1 + 3n(n - 1), n = 2, 3, ... , näiteks N = 19, tihedalt pakitud näo (111) iriidiumi pinnal. Näib, et kahte tosinat aatomit sisaldava klastri liikuvus tervikuna peaks olema mitu suurusjärku väiksem kui üksiku aatomi liikuvus, kuna aatomite migratsioon näib olevat juhuslik protsess. Katse tegi kindlaks, et “õigete” klastrite migratsioonikiirus on võrreldav üksiku aatomi migratsioonikiirusega! See klastri aatomite kollektiivse liikumise tagajärg nõuab üksikasjalikku teoreetilist kirjeldust ja matemaatilist modelleerimist. Sellise analüüsi tulemused pakuvad märkimisväärset huvi dünaamilise Monte Carlo meetodi ja mitteideaalse kihi kineetiliste võrrandite eeleksponentsiaalide ja efektiivsete migratsiooni aktiveerimise energiate arvutamisel. Teades tegelikke migratsioonikiirusi, saab nanomõõtmeliste struktuuride eluiga õigesti hinnata.
Pole vaja lugejat veenda, et loetletud laborikatse tulemused näitavad vajadust välja töötada matemaatilise füüsika klassikalisi mudeleid. Nanoobjektide uurimisel, kus see on vajalik, tuleks loobuda pideva keskkonna ideest, mis on enamiku matemaatilise füüsika mudelite aluseks. Inertsi järgi modelleerimine, võtmata arvesse laborikatse tulemusi, viib täiesti valede tulemusteni. Ilmselge on ka vajadus uue kaasaegse, nanoobjektide iseärasusi arvestava matemaatilise füüsika kursuse järele. Sellel kursusel tuleks eelkõige tähelepanu pöörata
Riis. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
diskreetse matemaatika meetodid, enumeratiivne kombinatoorika, rühmateooria.
Keerulisemad näited avatud mitteideaalsete süsteemide mittetriviaalsest dünaamilisest käitumisest on toodud heterogeense katalüüsi mudelreaktsioonides väärismetallide üksikute kristallide teatud külgedel (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) madalatel osarõhkudel gaasifaasis. Need on süsinikmonooksiidi (CO) oksüdatsioonireaktsioonid hapnikuga (O 2), samuti lämmastikmonooksiidi (NO) redutseerimine vesiniku (H 2), ammoniaagi (NH 3) ja süsinikmonooksiidiga. Loetletud reaktsioonid mängivad olulist rolli sisepõlemismootorite ja soojuselektrijaamade mürgiste heitkoguste (NO, CO jne) järelpõlemise keskkonnaprobleemis. Viimastel aastatel tehtud uuringud on paljastanud nende süsteemide põneva nano- ja mesodünaamika. Avastati järjestuse-häire faasisiire, millega kaasnes pealisstruktuuride moodustumine adsorbaadi monokihis, faasisiirded, nagu faaside eraldumine, üksikute kristallide pindade spontaanne ja adsorbaadi poolt põhjustatud pinna rekonstrueerimine ja katalüsaatori korrosioon. Nanomeetri suuruse skaalal toimuvad spatiotemporaalse iseorganiseerumise protsessid on tihedalt seotud sarnaste nähtustega, mida täheldati emabil mikromeetrite vahemikus. Sellised nähtused hõlmavad mikromeetri skaala spiraali, seisvaid ja trigerlaineid, topeltmetastabiilsust ja keemilist turbulentsi. Joonisel 11 on näidatud Pt(210) monokristalli pinnal süsinikmonooksiidi oksüdatsioonireaktsiooni ajal ruumilise iseorganiseerumise uuringu tulemused, kasutadesiat. Iga kaader (380 x 380 mm) näitab adsorbeeritud CO molekulide (heledad alad) ja hapnikuaatomite (tumedad alad) ruumilist jaotumist katalüsaatori pinnal CO ja hapniku osarõhkude erinevate väärtuste jaoks gaasifaasis konstantsel tasemel. pinna temperatuur. Selgelt on näha faasisiirde spiraallained ja autolained, nagu faaside eraldumine, topeltmetastabiilsuse nähtused jne.
1 Aatomi suurus on mitu kümnendikku nanomeetrist.
2 Seadmete ja nende tööpõhimõtete kirjeldus sisaldub.
3 Naturaalarvude paar (m, n) määrab kiraalsusvektori grafiitlehe tasapinnal. Nanotoru telg on kiraalsusvektoriga risti. Niisiis, punktis (n, n) ((n, 0)) on toru telg paralleelne (risti) korrapärase kuusnurga küljega.
4 Lühend BDC tähistab benseendikarboksüülrühma ja DMF tähistab dimetüülformamiidi.
5 Sulgudes olevad numbrid näitavad ühekristallilise substraadi pinna Milleri indekseid.
Võtmetehnoloogiad ja materjalid on tsivilisatsiooni ajaloos alati mänginud suurt rolli, täites mitte ainult kitsaid tootmisfunktsioone, vaid ka sotsiaalseid. Piisab, kui meenutada, kui väga erinevad olid kivi- ja pronksiaeg, auru- ja elektriajastu, aatomienergia ja arvutid. Paljude ekspertide arvates on 21. sajand nanoteaduse ja nanotehnoloogia sajand, mis määrab selle näo.
Nanoteadust võib defineerida kui teadmiste kogumit aine käitumise kohta nanomeetri skaalal ja nanotehnoloogiat võib defineerida kui kunsti luua ja käitada objekte, mille suurus ulatub murdosast sadade nanomeetriteni (vähemalt ühes või kahes nanomeetris). kolm mõõdet).
Nanotehnoloogia põhikomponendid on toodud joonisel fig. 2.1. Selle põhialuseks on lugematust arvust aatomitest koosnevate tehis- ja looduslike mahtude füüsika, keemia ja molekulaarbioloogia, st. sellised objektid, milles avaldub juba olulisel määral kõigi omaduste tugev sõltuvus nende suurustest (suurusefektid), aine diskreetne aatom-molekulaarne struktuur ja/või selle käitumise kvantseadused.
Nanotehnoloogia teine oluline komponent on võime sihipäraselt luua või leida loodusest nanostruktuuriga materjale ja etteantud omadustega objekte. Nanotehnoloogia järgmine komponent
Valmistoodete, uute tarbijaomaduste ja otstarvetega mitmekomponentsete toodete loomine (suure võimsusega mälu, ülikiired protsessorid, intelligentsed nanorobotid jne). Lõpuks on nanotehnoloogia vajalik komponent ka nanotoodete ja nanostruktureeritud materjalide kontrollimise, sertifitseerimise ja uurimise vahendid tootmise ja kasutamise kõikides etappides.
Juba praegu viiakse kõigis maailma arenenud riikides nanoteaduse ja nanotehnoloogia vallas ellu kümneid suuri programme. Nanotehnoloogiaid kasutatakse sellistes ühiskonna jaoks olulistes valdkondades nagu tervishoid ja meditsiin, biotehnoloogia ja keskkonnakaitse, kaitse ja astronautika, elektroonika ja arvutitehnoloogia, keemia- ja naftakeemia tootmine, energeetika ja transport. Nanotehnoloogia investeeringute ja rakendamise kasvutempo maailma tööstusriikides on praegu väga kõrge ning järgmise 10 - 20 aasta jooksul määrab see ühiskonna majandusarengu taseme ja suurel määral ka sotsiaalse progressi.
See väljavaade seab uued väljakutsed kogu haridussüsteemile, eelkõige kutseharidusele. Kuna nanotehnoloogia eeldab fundamentaalsete teadmiste ja kõrgtehnoloogiliste meetodite integreerimist nanostruktureeritud materjalide ja valmistoodete tootmiseks, siis lääne ülikoolides on täheldatud tendentsi vähendada nii “puhaste” füüsikute, matemaatikute, keemikute, bioloogide koolituse mahtu. ja traditsiooniliste valdkondade insenerid: metallurgid, mehaanikud, energeetikud, tehnoloogid ning “sünteetiliste” erialade osakaalu suurendamine füüsikalise materjaliteaduse ja nanotehnoloogia vallas.
Viimase paari aasta jooksul on maailma perioodikaväljaannetes avaldatud umbes 10 tuhat nanoprobleemide teemalist artiklit ning teatud nanoteaduse valdkondades on hakatud avaldama kümmekond igakuist erialaajakirja.
Niisiis, mida me praegu nanotehnoloogia all mõtleme? Kümnendkoha eesliide "nano" ise tähendab ühte miljardindikku millestki. Seega puhtformaalselt kuuluvad selle tegevuse ulatusse objektid, millel on iseloomulikud mõõtmed R (vähemalt piki üht koordinaati), mõõdetuna nanomeetrites (1 nm = 10-9 m = 10E).
Tegelikkuses on vaadeldavate objektide ja nähtuste hulk palju laiem - alates üksikutest aatomitest (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.
Oleks naiivne arvata, et enne nanotehnoloogia ajastu tulekut ei kohanud ega kasutanud inimesed nanomõõtmetes objekte ja protsesse. Seega toimuvad nanotasandil biokeemilised reaktsioonid makromolekulide vahel, millest koosneb kõik elusolendid, fotokujutiste saamine, katalüüs keemilises tootmises, fermentatsiooniprotsessid veini, juustu, leiva ja muu tootmisel. Siiski ei saa "intuitiivne nanotehnoloogia", mis algselt arenes välja spontaanselt, ilma kasutatavate objektide ja protsesside olemust nõuetekohaselt mõistmata, olla tulevikus usaldusväärne alus. Seetõttu on fundamentaaluuringud, mille eesmärk on luua põhimõtteliselt uusi tehnoloogilisi protsesse ja tooteid, ülimalt olulised. Võib-olla suudab nanotehnoloogia asendada mõned vananenud ja ebatõhusad tehnoloogiad, kuid sellegipoolest on selle peamine koht uutes valdkondades, kus traditsiooniliste meetoditega on põhimõtteliselt võimatu soovitud tulemusi saavutada.
Seega on tohutus ja veel vähearenenud lõhes makrotasandi, kus toimivad hästi arenenud kontiinuumteooriad pidevate meediumide ning insenertehniliste arvutus- ja projekteerimismeetodite ning kvantmehaanika seadustele alluvate aatomiteooriate vahel ulatuslik mesohierarhia. aine struktuuri tase (techos - keskmine, kreeka keelega vahepealne). Sellel tasemel toimuvad DNA, RNA, valkude, ensüümide ja subtsellulaarsete struktuuride vahel olulised biokeemilised protsessid, mis nõuavad sügavamat mõistmist. Samas saab siin kunstlikult luua enneolematuid tooteid ja tehnoloogiaid, mis võivad radikaalselt muuta kogu inimkonna elu. Samal ajal ei nõuta suuri kulutusi toorainele ja energiale ning vahenditele nende transportimiseks, väheneb jäätmete hulk ja keskkonnasaaste ning töö muutub intelligentsemaks ja tervislikumaks.
Loeng nr 19
Nanotehnoloogiast on viimastel aastatel saanud füüsika, keemia, bioloogia ja inseneriteaduste üks tähtsamaid ja põnevamaid teadmiste valdkondi. See loob paljusid varaseid läbimurdeid ja uusi suundi tehnoloogilises arengus paljudes tegevusvaldkondades. Selle uue lähenemisviisi laiaulatusliku kasutamise hõlbustamiseks ja kiirendamiseks on oluline omada üldist arusaamist ja teatud spetsiifilisi teadmisi, mis ühest küljest oleksid piisavalt üksikasjalikud ja sügavad, et teemat üksikasjalikult käsitleda, ning samal ajal aega, piisavalt juurdepääsetav ja täielik, et olla kasulik paljudele spetsialistidele, neile, kes soovivad rohkem teada saada probleemi olemuse ja selle valdkonna väljavaadete kohta.
Praegune laialdane huvi nanotehnoloogia vastu pärineb aastatest 1996–1998, mil valitsuskomisjon, mida toetas Maailma Tehnoloogia Hindamiskeskus (WTEC), mida rahastasid USA Riiklik Teadusfond ja teised föderaalsed agentuurid, uuris ülemaailmseid kogemusi teadusuuringute ja teadusuuringute valdkonnas. nanotehnoloogiad, et hinnata nende tehnoloogilist uuenduslikku potentsiaali. Nanotehnoloogia põhineb arusaamal, et alla 100 nanomeetri (nanomeeter on üks miljardik meetrist) väiksemad osakesed annavad neist valmistatud materjalidele uusi omadusi ja käitumist. Selle põhjuseks on asjaolu, et objektidel, mille mõõtmed on väiksemad kui iseloomulik pikkus (mille määrab konkreetse nähtuse olemus), on sageli erinev füüsika ja keemia, mis toob kaasa nn suuruse efektid - osakeste suurusest sõltuva uue käitumise. Näiteks muutusi elektroonilises struktuuris, juhtivuses, reaktsioonivõimes, sulamistemperatuuris ja mehaanilistes omadustes täheldati kriitilisest väiksemate osakeste suuruste korral. Käitumise sõltuvus osakeste suurusest võimaldab kujundada samadest lähteaatomitest uute omadustega materjale.
WTEC jõudis järeldusele, et sellel tehnoloogial on tohutu potentsiaal kasutada väga paljudes ja mitmekesistes praktilistes rakendustes, alates tugevamate ja kergemate konstruktsioonimaterjalide tootmisest kuni nanostruktureeritud ravimite vereringesse jõudmise aja lühendamiseni, magnetkandjate võimsuse suurendamiseni ja loomiseni. päästikud kiirete arvutite jaoks. Selle ja järgnevate komisjonide soovitused on viinud viimastel aastatel väga suurte vahendite eraldamiseni nanoteaduse ja nanotehnoloogia arendamiseks. Interdistsiplinaarsed uuringud on hõlmanud väga erinevaid teemasid alates nanoosakeste katalüüsi keemiast kuni kvantpunktlaserite füüsikani. Selle tulemusena on nanotehnoloogia arengu laiemate väljavaadete ja mõjude hindamiseks ning sellesse põnevasse uude valdkonda panustamiseks mõistnud, et teadlased peavad perioodiliselt oma kitsast erialast välja astuma. Tehnilised juhid, eksperdid ja finantsotsuste langetajad peavad mõistma väga paljusid erialasid.
Nanotehnoloogiat on hakatud nägema mitte ainult ühe paljutõotavama kõrgtehnoloogia haruna, vaid ka süsteemi kujundava tegurina 21. sajandi majanduses – majanduses, mis põhineb teadmistel, mitte loodusvarade või nende kasutamisel. töötlemine. Lisaks sellele, et nanotehnoloogia stimuleerib uue paradigma väljatöötamist kõigi tootmistegevuste jaoks (“alt-üles” – üksikutest aatomitest – kuni tooteni, mitte “ülalt-alla”, nagu kiirgustehnoloogia puhul, kus toode saadakse massilisematest preparaatidest liigse materjali äralõikamisel), on see ise uute lähenemiste allikaks elatustaseme parandamiseks ja paljude postindustriaalse ühiskonna sotsiaalsete probleemide lahendamiseks. Enamiku teadus- ja tehnoloogiapoliitika ning investeeringute valdkonna ekspertide hinnangul hõlmab alanud nanotehnoloogia revolutsioon kõiki inimtegevuse elutähtsaid valdkondi (kosmoseuuringutest meditsiinini, riiklikust julgeolekust ökoloogia ja põllumajanduseni) ning selle tagajärjed on laiem ja sügavam kui 20. sajandi viimase kolmandiku arvutirevolutsioonid. Kõik see ei sea väljakutseid ja küsimusi mitte ainult teadus- ja tehnikavaldkonnas, vaid ka erinevate tasandite administraatoritele, potentsiaalsetele investoritele, haridussektorile ja valitsusasutustele. juhtimine jne.
Viimastel aastatel on ilmunud piisav arv publikatsioone, mis on pühendatud nanomaterjalide ja nanotehnoloogia teoreetilistele küsimustele, omadustele ja praktilistele rakendustele. Eelkõige on seda teemat raamatus laialdaselt tutvustanud autorid C. Poole ja Jr. F. Owens, Nanotehnoloogia, trans. inglise keelest, 2., laiendatud trükk, toim. "Tehnosfäär", M., 2006, 335 lk. Autorid märgivad, et kuigi see raamat oli algselt mõeldud sissejuhatuseks nanotehnoloogiasse, on see selle teaduse olemuse tõttu arenenud sissejuhatuseks nanotehnoloogia teatud valdkondadesse, mis näivad seda tüüpilist. Kiire arengutempo ja interdistsiplinaarse iseloomu tõttu on võimatu pakkuda ainest tõeliselt terviklikku esitust. Esitatavad teemad valiti välja teema saavutatud mõistmise sügavuse, nende potentsiaali ulatuse või olemasolevate tehnoloogiate rakenduste põhjal. Paljud peatükid käsitlevad praegusi ja tulevasi võimalusi. Kirjanduse viited on mõeldud neile, kes soovivad rohkem teada saada konkreetsete valdkondade kohta, kus seda tehnoloogiat arendatakse.
Autorid on püüdnud anda nanotehnoloogia ainesse sissejuhatuse, mis on kirjutatud tasemel, et erinevate valdkondade teadlased oskaksid hinnata valdkonna arenguid väljaspool oma erialaseid huvisid ning tehnikajuhid ja juhid saaksid teemast ülevaate. Võib-olla võiks seda raamatut kasutada ülikooli nanotehnoloogia kursuse aluseks. Paljud peatükid tutvustavad käsitletavate valdkondade füüsikalisi ja keemilisi põhimõtteid. Seega on paljud peatükid iseseisvad ja neid saab uurida üksteisest sõltumatult. Seega algab 2. peatükk puistematerjalide omaduste lühiülevaatega, mis on vajalik selleks, et mõista, kuidas ja miks muutuvad materjalide omadused, kui nende struktuuriüksuste suurus läheneb nanomeetrile. Nanotehnoloogia nii kiire arengu oluliseks tõukejõuks oli uute instrumentide (näiteks skaneeriva tunnelmikroskoobi) loomine, mis võimaldas näha materjalide pinnal nanomeetri suurusi tunnuseid. Seetõttu kirjeldatakse 3. peatükis kõige olulisemaid instrumentide süsteeme ja tuuakse illustratsioone nanomaterjalide mõõtmiste kohta. Ülejäänud peatükkides käsitletakse probleemi muid aspekte. Raamat käsitleb väga laia valikut probleeme ja teemasid: nanoteaduse ja -tehnoloogia objektide suuruse ja mõõtmetega seotud mõjud, nanostruktuuriga materjalide magnetilised, elektrilised ja optilised omadused, nende valmistamise ja uurimise meetodid, isekooste ja katalüüs nanostruktuurides. , nanobiotehnoloogia, integreeritud nanoelektromehaanilised seadmed, fulleriidid, nanotorud ja palju muud. Kirjeldatakse mitmeid kaasaegseid meetodeid nanostruktuuride ja nanoobjektide uurimiseks ja sertifitseerimiseks: elektron- ja ioonväljamikroskoopia, optiline, röntgen- ja magnetspektroskoopia.
Samas on ilmselged ka lüngad üksikute osade ülesehituses ja sisus. Seega puudub peaaegu igasugune teave nanoelektroonika, spintroonika või uute ideede kohta seoses kvantarvutite ja arvutitega. Enamikku neist ei mainitagi. Täiesti ebapiisavalt on tähelepanu pööratud uurimistöö, kvalifikatsiooni, litograafia ja aatom-molekulaarse disaini ülivõimsatele ja laialt levinud sondide skaneerimise meetoditele. Nendele küsimustele pühendatud väike lõik on täiesti ebaproportsionaalne sondi nanotehnoloogia rolli ja kohaga. Väga tagasihoidlik koht on antud nõrgale ülijuhtivusele ja sellel põhinevatele väga perspektiivikatele seadmetele. Kaasaegses tasapinnalises elektroonikas olulist rolli mängivaid kilesid ja heterostruktuure, ülikõvad ja kulumiskindlad pinnakatted jne on esitletud vähe, mistõttu puuduvad katvad materjalid nende konstruktsioonide sertifitseerimiseks, eelkõige mehaaniliste omaduste iseloomustamiseks. õhukeste kihtide ja nanomahtude puhul, kasutades kohaliku jõuga nanotestimise meetodeid (nanoindentatsioon), nanopuhastus jne).
Samuti märgime, et kusagil ei ole antud nanotehnoloogia objektide ja protsesside süstematiseerimist, mille tulemusena jääb kogenematule lugejale arusaamatuks, millise osaga teemast ta pärast selle raamatu lugemist tutvuda saab.
Vaatamata ülaltoodud puudustele võib üldiselt raamatut pidada kasulikuks laiale lugejaskonnale, sealhulgas füüsika, keemia ja materjaliteaduse üliõpilastele. Viimane on seda aktuaalsem, et venekeelne nanotehnoloogiaalane õppekirjandus puudub peaaegu täielikult ning vajadus selle järele on suur tänu 2003. aastal 12 Venemaa ülikoolis alanud nanomaterjalide ja nanoelektroonika spetsialistide koolitusele.
Kõigi autorite seisukohtade ja tõlgendustega ei saa tingimusteta nõustuda. Et aga teksti mitte risustada suure hulga kommentaaride, täienduste ja kriitikaga, kõrvaldati tõlkimisel ja toimetamisel vaid ilmsed vead, ebakõlad ja kirjavead.
Raamatu kirjutamise ja selle venekeelse taasavaldamise ajal ilmus palju kasulikke raamatuid, millest mõned on loetletud allpool. Neid kasutades saab huviline tutvuda põhjalikumalt üksikute lõikude ja nanotehnoloogia panoraamiga tervikuna.
Nanomaterjalide alla kuuluvad tavapäraselt hajutatud ja massiivsed struktuurielemente (terad, kristalliidid, plokid, klastrid jne) sisaldavad materjalid, mille geomeetrilised mõõtmed vähemalt ühes mõõtmes ei ületa 100 nm ning millel on kvalitatiivselt uued funktsionaalsed ja tööomadused. Nanotehnoloogiad hõlmavad tehnoloogiaid, mis võimaldavad luua ja muuta nanomaterjale kontrollitud viisil, samuti integreerida need täielikult toimivatesse suuremahulistesse süsteemidesse. Nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate teaduse põhikomponentide hulgas on järgmised:
materjalide omaduste fundamentaaluuringud nanoskaala tasemel;
nanotehnoloogiate arendamine nanomaterjalide sihipäraseks loomiseks, samuti nanostruktuursete elementidega loodusobjektide otsimine ja kasutamine, nanomaterjale kasutades valmistoodete loomine ning nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate integreerimine erinevatesse tööstus- ja teadusharudesse;
vahendite ja meetodite väljatöötamine nanomaterjalide struktuuri ja omaduste uurimiseks, samuti nanotehnoloogia toodete ja pooltoodete seire ja sertifitseerimise meetodid.
21. sajandit tähistas revolutsiooniline algus nanotehnoloogia ja nanomaterjalide arengus. Neid kasutatakse juba kõigis maailma arenenud riikides kõige olulisemates inimtegevuse valdkondades (tööstus, kaitse, infosfäär, raadioelektroonika, energeetika, transport, biotehnoloogia, meditsiin). Investeeringute kasvu, selleteemaliste publikatsioonide arvu ning fundamentaalsete ja uurimuslike arengute elluviimise tempo analüüs lubab järeldada, et järgmise 20 aasta jooksul on nanotehnoloogiate ja nanomaterjalide kasutamine üks määravaid tegureid teaduse arengus. , riikide majanduslik ja kaitseareng. Praegu kasvab pidevalt huvi uue materjaliklassi vastu nii fundamentaal- kui rakendusteaduse, tööstuse ja ärivaldkonnas. See on tingitud järgmistest põhjustest:
soov tooteid miniatuurselt muuta,
nanostruktureeritud materjalide ainulaadsed omadused,
vajadus välja töötada ja rakendada kvalitatiivselt ja kvantitatiivselt uute omadustega materjale,
uute tehnoloogiliste tehnikate ja meetodite väljatöötamine, mis põhinevad isekomplekteerimise ja iseorganiseerumise põhimõtetel,
kaasaegsete nanomaterjalide uurimise, diagnostika ja modifitseerimise instrumentide praktiline rakendamine (skaneeriva sondi mikroskoopia),
uute tehnoloogiate väljatöötamine ja juurutamine, mis esindavad litograafiaprotsesside jada, nanopulbrite tootmise tehnoloogiad.
Nanostruktuuriuuringute suund on peaaegu täielikult nihkunud nanokristalliliste ainete ja materjalide tootmiselt ja uurimiselt nanotehnoloogia valdkonda, s.o nanosuuruses elementidega toodete, seadmete ja süsteemide loomisele. Nanomõõtmeliste elementide peamised kasutusvaldkonnad on elektroonika, meditsiin, keemiaravi ja bioloogia.
Venemaa president Dmitri Medvedev on kindel, et riigis on olemas kõik tingimused nanotehnoloogia edukaks arendamiseks.
Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnoloogia uus suund, mis on viimastel aastakümnetel aktiivselt arenenud. Nanotehnoloogia hõlmab materjalide, seadmete ja tehniliste süsteemide loomist ja kasutamist, mille toimimise määrab nanostruktuur ehk selle järjestatud killud, mille suurus jääb vahemikku 1-100 nanomeetrit.
Eesliide "nano", mis pärineb kreeka keelest ("nanos" kreeka keeles - gnome), tähendab ühte miljardit osa. Üks nanomeeter (nm) on üks miljardik meetrist.
Termini "nanotehnoloogia" võttis 1974. aastal kasutusele Tokyo ülikooli materjaliteadlane Norio Taniguchi, kes määratles selle kui "tootmistehnoloogiat, mis suudab saavutada ülikõrge täpsuse ja üliväikesed mõõtmed... suurusjärgus 1 nm...” .
Maailmakirjanduses eristatakse nanoteadust selgelt nanotehnoloogiast. Nanoteaduse kohta kasutatakse ka terminit nanomõõtmeline teadus.
Vene keeles ja Venemaa õigusaktide ja regulatiivsete dokumentide praktikas ühendab termin "nanotehnoloogia" "nanoteaduse", "nanotehnoloogia" ja mõnikord isegi "nanotööstuse" (äri- ja tootmisvaldkonnad, kus nanotehnoloogiaid kasutatakse).
Nanotehnoloogia olulisemad komponendid on nanomaterjalid, see tähendab materjale, mille ebatavalised funktsionaalsed omadused on määratud nende nanofragmentide järjestatud struktuuriga, mille suurus on vahemikus 1 kuni 100 nm.
- nanopoorsed struktuurid;
- nanoosakesed;
- nanotorud ja nanokiud
- nanodispersioonid (kolloidid);
- nanostruktureeritud pinnad ja kiled;
- nanokristallid ja nanoklastrid.
Nanosüsteemi tehnoloogia– funktsionaalselt terviklikud süsteemid ja seadmed, mis on täielikult või osaliselt loodud nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate baasil ja mille omadused erinevad radikaalselt traditsiooniliste tehnoloogiate abil loodud sarnase eesmärgiga süsteemide ja seadmete omadustest.
Nanotehnoloogia rakendusvaldkonnad
Peaaegu võimatu on loetleda kõiki valdkondi, kus see globaalne tehnoloogia võib tehnoloogilist arengut oluliselt mõjutada. Võime nimetada vaid mõned neist:
- nanoelektroonika ja nanofotoonika elemendid (pooljuhttransistorid ja laserid);
- fotodetektorid; Päikesepatareid; erinevad andurid);
- ülitihedad infosalvestusseadmed;
- telekommunikatsioon, info- ja arvutustehnoloogia; superarvutid;
- videotehnika - lameekraanid, monitorid, videoprojektorid;
- molekulaarsed elektroonikaseadmed, sealhulgas lülitid ja elektronahelad molekulaarsel tasemel;
- nanolitograafia ja nanoimprintimine;
- kütuseelemendid ja energiasalvestid;
- mikro- ja nanomehaanika seadmed, sh molekulaarmootorid ja nanomootorid, nanorobotid;
– nanokeemia ja katalüüs, sealhulgas põlemiskontroll, katmine, elektrokeemia ja farmaatsiatooted;
- lennundus-, kosmose- ja kaitserakendused;
- keskkonnaseire seadmed;
- ravimite ja valkude sihipärane kohaletoimetamine, biopolümeerid ja bioloogiliste kudede tervendamine, kliiniline ja meditsiiniline diagnostika, tehislihaste, luude loomine, elusorganite implanteerimine;
- biomehaanika; genoomika; bioinformaatika; bioinstrumenteerimine;
– kantserogeensete kudede, patogeenide ja bioloogiliselt kahjulike mõjurite registreerimine ja tuvastamine;
- ohutus põllumajanduses ja toiduainete tootmises.
Arvutid ja mikroelektroonika
Nanoarvuti— elektroonilistel (mehaanilistel, biokeemilistel, kvant-) tehnoloogiatel põhinev arvutusseade, mille loogiliste elementide suurus on suurusjärgus mitu nanomeetrit. Nanotehnoloogia baasil arendatud arvuti ise on samuti mikroskoopiliste mõõtmetega.
DNA arvuti- arvutussüsteem, mis kasutab DNA molekulide arvutusvõimalusi. Biomolekulaararvutus on koondnimetus erinevatele tehnikatele, mis on ühel või teisel viisil seotud DNA või RNA-ga. DNA-arvutuses ei esitata andmeid nullide ja ühtede kujul, vaid DNA spiraali baasil üles ehitatud molekulaarstruktuuri kujul. Andmete lugemise, kopeerimise ja haldamise tarkvara rolli täidavad spetsiaalsed ensüümid.
Aatomijõu mikroskoop- kõrge eraldusvõimega skaneeriva sondi mikroskoop, mis põhineb konsoolnõela (sondi) interaktsioonil uuritava proovi pinnaga. Erinevalt skaneerivast tunnelmikroskoobist (STM) suudab see uurida nii juhtivaid kui ka mittejuhtivaid pindu isegi läbi vedelikukihi, mis võimaldab töötada orgaaniliste molekulidega (DNA). Aatomjõumikroskoobi ruumiline eraldusvõime sõltub konsooli suurusest ja selle tipu kumerusest. Eraldusvõime ulatub aatomi horisontaalselt ja ületab seda oluliselt vertikaalselt.
Antenn-ostsillaator- 9. veebruaril 2005 saadi Bostoni ülikooli laboris antenn-ostsillaator, mille mõõtmed on umbes 1 mikron. Sellel seadmel on 5000 miljonit aatomit ja see on võimeline võnkuma sagedusel 1,49 gigahertsi, mis võimaldab edastada tohutul hulgal teavet.
Nanomeditsiin ja farmaatsiatööstus
Kaasaegse meditsiini suund, mis põhineb nanomaterjalide ja nanoobjektide ainulaadsete omaduste kasutamisel inimese bioloogiliste süsteemide jälgimiseks, kujundamiseks ja muutmiseks nanomolekulaarsel tasemel.
DNA nanotehnoloogia- kasutada spetsiifilisi DNA aluseid ja nukleiinhappemolekule, et luua nende põhjal selgelt määratletud struktuure.
Ravimimolekulide ja selgelt määratletud vormis farmakoloogiliste preparaatide (bis-peptiidid) tööstuslik süntees.
2000. aasta alguses andis nanoosakeste tehnoloogia kiire areng tõuke uue nanotehnoloogia valdkonna arengule: nanoplasmoonika. Selgus, et elektromagnetkiirgust on võimalik edastada mööda metalli nanoosakeste ahelat, kasutades plasmoni võnkumiste ergastamist.
Robootika
Nanorobotid- nanomaterjalidest loodud robotid, mis on suuruselt võrreldavad molekuliga ja millel on liikumise, teabe töötlemise ja edastamise ning programmide täitmise funktsioonid. Nanorobotid, mis on võimelised looma endast koopiaid, st. isepaljunemist nimetatakse replikaatoriteks.
Praeguseks on juba loodud piiratud liikuvusega elektromehaanilisi nanoseadmeid, mida võib pidada nanorobotite prototüüpideks.
Molekulaarsed rootorid– sünteetilised nanosuurused mootorid, mis on võimelised tekitama pöördemomenti, kui neile rakendatakse piisavalt energiat.
Venemaa koht nanotehnoloogiaid arendavate ja tootvate riikide seas
Nanotehnoloogiasse tehtud koguinvesteeringute osas on maailmas liidrid ELi riigid, Jaapan ja USA. Viimasel ajal on Venemaa, Hiina, Brasiilia ja India oluliselt suurendanud investeeringuid sellesse tööstusharusse. Venemaal on programmi "Nanotööstuse infrastruktuuri arendamine Vene Föderatsioonis aastateks 2008–2010" raames rahastatud 27,7 miljardit rubla.
Viimases (2008. aasta) Londonis asuva uuringufirma Cientifica raportis, mille nimi on Nanotechnology Outlook Report, kirjeldatakse Venemaa investeeringuid sõna-sõnalt järgmiselt: „Kuigi EL on investeeringute osas endiselt esikohal, on Hiina ja Venemaa juba USAst mööda saanud. ”
Nanotehnoloogias on valdkondi, kus Venemaa teadlased said maailmas esimesteks, saades tulemusi, mis panid aluse uute teadussuundade arengule.
Nende hulgas on ultradisperssete nanomaterjalide tootmine, üheelektrooniliste seadmete projekteerimine, aga ka töö aatomjõu ja skaneeriva sondi mikroskoopia vallas. Vaid XII Peterburi majandusfoorumi (2008) raames toimunud erinäitusel esitleti korraga 80 konkreetset arendust.
Venemaal toodetakse juba mitmeid nanotooteid, mis on turul nõutud: nanomembraanid, nanopulbrid, nanotorud. Nanotehnoloogiliste arenduste kommertsialiseerimises jääb Venemaa aga ekspertide hinnangul USA-st ja teistest arenenud riikidest maha kümne aasta võrra.
Materjal koostati avatud allikatest pärineva teabe põhjal
