نانوتکنولوژی و نانومواد. نانومواد و نانوتکنولوژی موضوع، اهداف و جهت‌های اصلی در فناوری نانو

G. G. Yelenin

اطلاعات مختصری درباره نویسنده: استاد دانشکده ریاضیات محاسباتی و سایبرنتیک دانشگاه دولتی لومونوسوف مسکو. M.V. Lomonosov، محقق برجسته، موسسه ریاضیات کاربردی. M.V. Keldysh RAS.

اگر یک مکعب فولادی یا یک کریستال نمک، متشکل از اتم های یکسان، می تواند خواص جالبی از خود نشان دهد. اگر آب - قطرات صرف، غیر قابل تشخیص از یکدیگر و پوشاندن سطح زمین برای مایل ها و مایل ها - قادر به ایجاد امواج و کف، رعد و برق موج سواری و الگوهای عجیب و غریب بر روی گرانیت خاکریز باشد. اگر همه اینها، این همه غنای حیات آبها، فقط خاصیت دسته های اتم است، پس چند احتمال دیگر در آنها نهفته است؟ اگر به جای چیدن اتم ها به ترتیب، خط به خط، ستون به ستون، حتی به جای ساختن آنها در مولکول های پیچیده بوی بنفشه، اگر به جای مرتب کردن آنها به شیوه ای جدید هر بار، موزاییک آنها را بدون تکرار متنوع کنید. آنچه قبلاً اتفاق افتاده است - تصور کنید که چقدر چیزهای غیرمعمول و غیرمنتظره می تواند در رفتار آنها ایجاد شود.

آر پی فاینمن

موضوع، اهداف و مسیرهای اصلی در فناوری نانو

بر اساس فرهنگ لغت دایره المعارف، فناوری مجموعه ای از روش های پردازش، ساخت، تغییر حالت، خواص، شکل مواد خام، مواد یا محصولات نیمه تمام است که در فرآیند تولید انجام می شود.

ویژگی نانوتکنولوژی در این است که فرآیندهای مورد بررسی و اقدامات انجام شده در محدوده نانومتری ابعاد فضایی رخ می‌دهند. «مواد خام» اتم‌ها، مولکول‌ها، سیستم‌های مولکولی منفرد و نه حجم‌های میکرونی یا ماکروسکوپی موادی هستند که در فناوری سنتی مرسوم هستند و حداقل میلیاردها اتم و مولکول دارند. بر خلاف فناوری سنتی، نانوتکنولوژی با رویکرد «انفرادی» مشخص می‌شود، که در آن کنترل خارجی به اتم‌ها و مولکول‌های منفرد می‌رسد، که این امکان را فراهم می‌کند که از آنها مواد «بدون عیب» با خواص فیزیکوشیمیایی و بیولوژیکی اساساً جدید و طبقات جدید ایجاد شود. دستگاه هایی با اندازه های نانومتری مشخص مفهوم "نانو فناوری" هنوز جا نیفتاده است. ظاهراً می توان از تعریف کاری زیر پیروی کرد.

نانوتکنولوژی یک رشته علمی میان رشته‌ای است که در آن نظم‌های فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در مناطق فضایی با اندازه‌های نانومتری به منظور کنترل تک تک اتم‌ها، مولکول‌ها، سیستم‌های مولکولی در هنگام ایجاد مولکول‌ها، نانوساختارها، نانودستگاه‌ها و مواد جدید با فیزیکی، شیمیایی خاص مطالعه می‌شود. و خواص بیولوژیکی

تجزیه و تحلیل وضعیت فعلی منطقه به سرعت در حال توسعه به ما امکان می دهد تعدادی از مناطق مهم را در آن شناسایی کنیم.

طراحی مولکولی تهیه مولکول های موجود و سنتز مولکول های جدید در میدان های الکترومغناطیسی بسیار ناهمگن.

علم مواد. ایجاد مواد "بدون عیب" با مقاومت بالا، مواد با رسانایی بالا.

ابزار دقیق. ایجاد میکروسکوپ های تونلی روبشی، میکروسکوپ های نیروی اتمی 2، میکروسکوپ های نیروی مغناطیسی، سیستم های چند نقطه ای برای طراحی مولکولی، حسگرهای فوق حساس مینیاتوری، نانوروبات ها.

الکترونیک. طراحی پایه عناصر نانومتری برای کامپیوترهای نسل بعدی، نانوسیم ها، ترانزیستورها، یکسو کننده ها، نمایشگرها، سیستم های صوتی.

اپتیک. ایجاد نانولیزر سنتز سیستم های چند نقطه ای با نانولیزر.

کاتالیز ناهمگن توسعه کاتالیزور با نانوساختار برای کلاس‌های واکنش‌های کاتالیز انتخابی.

دارو. طراحی نانو ابزار برای از بین بردن ویروس ها، "ترمیم" موضعی اندام ها، تحویل با دقت بالا دوزهای دارو به مکان های خاصی در یک موجود زنده.

تریبولوژی. تعیین رابطه بین نانوساختار مواد و نیروهای اصطکاک و استفاده از این دانش برای ساخت جفت‌های اصطکاکی امیدوارکننده.

واکنش های هسته ای کنترل شده نانو شتاب دهنده های ذرات، واکنش های هسته ای غیرآماری.

میکروسکوپ تونل زنی روبشی

حداقل دو رویداد نقش مهمی در اکتشاف غیرقابل توقف جهان نانو داشتند:

ایجاد یک میکروسکوپ تونلی روبشی (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) و یک میکروسکوپ نیروی اتمی روبشی (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (جایزه نوبل 1992).

کشف شکل جدیدی از وجود کربن در طبیعت - فولرن ها (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (جایزه نوبل 1996).

میکروسکوپ های جدید امکان مشاهده ساختار اتمی- مولکولی سطح تک بلورها را در محدوده اندازه نانومتری فراهم کردند. بهترین وضوح مکانی ابزارها یک صدم نانومتر در امتداد نرمال به سطح است. عملکرد یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی بر اساس تونل زنی الکترون ها از طریق یک مانع خلاء است. وضوح بالا به این دلیل است که جریان تونل زنی سه مرتبه قدر تغییر می کند که عرض مانع با اندازه اتم تغییر کند. نظریه اثر تونل زنی کوانتومی توسط G.A. گامو در سال 1928 در کار خود در مورد یک فروپاشی.

در حال حاضر با کمک میکروسکوپ های روبشی مختلف، ساختار اتمی سطوح تک بلورهای فلزات، نیمه هادی ها، ابررساناهای با دمای بالا، مولکول های آلی و اجسام بیولوژیکی مشاهده می شود. روی انجیر 1 سطح بازسازی شده تراس پایینی (100) وجه یک کریستال سیلیکونی را نشان می دهد. دایره های خاکستری تصاویری از اتم های سیلیکون هستند. مناطق تاریک نقص نانومتری محلی هستند. روی انجیر شکل 2 ساختار اتمی یک سطح تمیز از (110) وجه نقره (قاب سمت چپ) و همان سطح پوشیده شده با اتم های اکسیژن (قاب سمت راست) را نشان می دهد. معلوم شد که اکسیژن به طور آشفته جذب نمی شود، بلکه زنجیره های نسبتاً طولانی را در امتداد یک جهت کریستالوگرافی خاص تشکیل می دهد. وجود زنجیره های دوتایی و تکی نشان دهنده دو شکل اکسیژن است.

این اشکال نقش مهمی در اکسیداسیون انتخابی هیدروکربن هایی مانند اتیلن دارند. روی انجیر در شکل 3، می توان نانوساختار ابررسانا با دمای بالا Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 را مشاهده کرد. در قاب سمت چپ شکل. 4، حلقه های مولکول های بنزن (C 6 H 6) به وضوح قابل مشاهده است. قاب سمت راست زنجیره های CH 2 پلی اتیلن را نشان می دهد. این مقاله دنباله ای از فریم های یک فیلم آزمایشگاهی در مورد نفوذ یک ویروس به یک سلول زنده را ارائه می دهد.

میکروسکوپ های جدید نه تنها برای مطالعه ساختار اتمی و مولکولی ماده مفید هستند. معلوم شد که آنها برای طراحی نانوساختارها مناسب هستند. با کمک حرکات خاصی با نوک میکروسکوپ می توان ساختارهای اتمی ایجاد کرد. شکل 5 مراحل ایجاد کتیبه "IBM" را از تک اتم های زنون روی (110) وجه یک بلور نیکل نشان می دهد. حرکات نوک در حین ایجاد نانوساختارها از اتم‌های منفرد شبیه تکنیک‌های یک بازیکن هاکی در هنگام پیشبرد پیک با چوب است. ایجاد الگوریتم‌های رایانه‌ای که یک ارتباط بی‌اهمیت بین حرکات نوک و حرکات اتم‌های دستکاری شده بر اساس مدل‌های ریاضی مناسب برقرار می‌کند، بسیار جالب است. مدل‌ها و الگوریتم‌ها برای توسعه «مونتاژکننده‌های» خودکار نانوساختارها ضروری هستند.

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

برنج. 5. Xe/Ni (110)

نانو مواد

فولرن ها، به عنوان شکل جدیدی از وجود کربن در طبیعت، همراه با الماس و گرافیت شناخته شده، در سال 1985 زمانی که اخترفیزیکدانان تلاش کردند طیف غبار بین ستاره ای را توضیح دهند، کشف شد. مشخص شد که اتم‌های کربن می‌توانند یک مولکول C60 بسیار متقارن را تشکیل دهند. چنین مولکولی متشکل از 60 اتم کربن است که بر روی کره ای با قطر تقریباً یک نانومتر واقع شده و شبیه توپ فوتبال است (شکل 6). مطابق با قضیه L. Euler، اتم های کربن 12 پنج ضلعی منظم و 20 شش ضلعی منظم را تشکیل می دهند. این مولکول به نام آرشیتکت آر. فولر، که خانه ای از پنج ضلعی و شش ضلعی ساخته بود، نامگذاری شده است. در ابتدا C60 در مقادیر کم به دست آمد و سپس در سال 1990 فناوری تولید در مقیاس بزرگ آنها کشف شد.

فولریت ها مولکول های C 60 به نوبه خود می توانند یک بلور فولریت با شبکه مکعبی رو به مرکز و پیوندهای بین مولکولی نسبتا ضعیف تشکیل دهند. این کریستال دارای حفره های هشت وجهی و چهار وجهی است که می تواند حاوی اتم های خارجی باشد. اگر حفره‌های هشت‌وجهی با یون‌های فلز قلیایی (¦ = K (پتاسیم)، Rb (روبیدیم)، Cs (سزیم) پر شوند، در دماهای پایین‌تر از دمای اتاق، ساختار این مواد دوباره مرتب می‌شود و یک ماده پلیمری جدید ¦1C60 است. شکل گرفت. اگر حفره های چهار وجهی نیز پر شوند، یک ماده ابررسانا ¦3С60 با دمای بحرانی 20-40 K تشکیل می شود. ماکس پلانک در اشتوتگارت فولریت ها با افزودنی های دیگری وجود دارند که خواص منحصر به فردی به مواد می دهند. به عنوان مثال، C60-اتیلن دارای خواص فرومغناطیسی است. فعالیت زیاد در زمینه جدید شیمی منجر به این واقعیت شد که تا سال 1997 بیش از 9000 ترکیب فولرن وجود داشت.

نانولوله های کربنی. مولکول هایی با تعداد اتم های غول پیکر را می توان از کربن به دست آورد. چنین مولکولی، برای مثال C=1000000، می تواند یک لوله تک لایه با قطر حدود یک نانومتر و طول چند ده میکرون باشد (شکل 7). در سطح لوله، اتم های کربن در راس شش ضلعی های منظم قرار دارند. انتهای لوله با شش پنج ضلعی معمولی بسته شده است. باید به نقش تعداد اضلاع چندضلعی های منتظم در تشکیل سطوح دو بعدی متشکل از

برنج. 7. نانولوله های غیر کایرال: a - C(n، n) - فلز.

b-c(n، 0): mod (n، 3) = 0 - نیمه فلزی

mod(n, 3)!= 0 یک نیمه هادی است.

برنج. 8. لوله منحنی

اتم های کربن، در فضای سه بعدی. شش ضلعی های منتظم سلولی در یک صفحه گرافیتی مسطح هستند که می توانند به صورت لوله هایی با کایرالیته های مختلف (m, n) بغلتند. پنج ضلعی های منتظم (هفت ضلعی) عیوب موضعی در یک ورقه گرافیتی هستند که به دست آوردن انحنای مثبت (منفی) آن را ممکن می سازد. بنابراین، ترکیبی از پنج، شش و هفت ضلعی منظم، دستیابی به اشکال مختلف سطوح کربن را در فضای سه بعدی ممکن می سازد (شکل 8). هندسه این نانوساختارها خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آنها و در نتیجه امکان وجود مواد و فناوری های اساساً جدید برای تولید آنها را تعیین می کند. پیش‌بینی خواص فیزیکوشیمیایی مواد کربنی جدید هم با کمک مدل‌های کوانتومی و هم با محاسبات در چارچوب دینامیک مولکولی انجام می‌شود. در کنار لوله های تک لایه، امکان ایجاد لوله های چند لایه نیز وجود دارد. برای تولید نانولوله ها از کاتالیزورهای خاصی استفاده می شود.

چه چیزی در مورد مواد جدید منحصر به فرد است؟ بیایید فقط روی سه ویژگی مهم تمرکز کنیم.

مواد فوق العاده قوی پیوندهای بین اتم‌های کربن در یک ورقه گرافیتی قوی‌ترین پیوندهای شناخته شده هستند، بنابراین لوله‌های کربنی بدون نقص دو مرتبه قوی‌تر از فولاد و حدود چهار برابر سبک‌تر از فولاد هستند! یکی از مهمترین وظایف فناوری در زمینه مواد کربنی جدید، ایجاد نانولوله هایی با طول «بی نهایت» است. چنین لوله هایی را می توان برای تولید مواد کامپوزیتی سبک وزن با استحکام نهایی برای نیازهای فناوری عصر جدید استفاده کرد. اینها عناصر قدرت پل ها و ساختمان ها، سازه های باربر هواپیماهای فشرده، عناصر توربین، بلوک های قدرت موتور با مصرف سوخت ویژه بسیار کم و غیره هستند. در حال حاضر آنها یاد گرفته‌اند که چگونه لوله‌هایی به طول ده‌ها میکرون با قطر حدود یک نانومتر بسازند.

مواد بسیار رسانا مشخص است که در گرافیت کریستالی رسانایی در امتداد صفحه لایه در بین مواد شناخته شده بالاترین است و برعکس، در جهت عمود بر ورق کم است. بنابراین، انتظار می رود کابل های الکتریکی ساخته شده از نانولوله ها دارای رسانایی الکتریکی دو مرتبه بالاتر از کابل های مسی در دمای اتاق باشند. تولید لوله هایی با طول کافی و به مقدار کافی به تکنولوژی بستگی دارد.

نانو خوشه ها

مجموعه نانو اشیاء شامل ذرات بسیار کوچک متشکل از ده ها، صدها یا هزاران اتم است. خواص خوشه ها اساساً با خواص حجم های ماکروسکوپی مواد با همان ترکیب متفاوت است. از نانو خوشه‌ها، مانند بلوک‌های ساختمانی بزرگ، می‌توان به طور هدفمند مواد جدیدی با خواص از پیش تعیین‌شده طراحی کرد و از آنها در واکنش‌های کاتالیزوری، برای جداسازی مخلوط‌های گازی و ذخیره‌سازی گازها استفاده کرد. یک مثال Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 است. خوشه های مغناطیسی متشکل از اتم های فلزات واسطه، لانتینیدها و اکتینیدها بسیار مورد توجه هستند. این خوشه ها گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارند که کنترل خواص آنها را با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی ممکن می سازد. به عنوان مثال، مولکول آلی فلزی اسپین بالا Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 است. این ساختار زیبا از چهار یون Mn 4 + با چرخش 3/2 واقع در راس چهار وجهی، هشت یون Mn 3 + با اسپین 2 در اطراف این چهار وجهی تشکیل شده است. برهمکنش بین یون های منگنز توسط یون های اکسیژن انجام می شود. برهمکنش های ضد فرومغناطیسی اسپین های یون های Mn 4 + و Mn 3 + منجر به یک اسپین کل به اندازه کافی بزرگ برابر با 10 می شود. گروه های استات و مولکول های آب، خوشه های Mn 12 را از یکدیگر در کریستال مولکولی جدا می کنند. تعامل خوشه ها در یک کریستال بسیار کوچک است. نانومغناطیس‌ها در طراحی پردازنده‌های رایانه‌های کوانتومی مورد توجه هستند. علاوه بر این، در بررسی این سیستم کوانتومی، پدیده دوپایداری و هیسترزیس کشف شد. اگر در نظر بگیریم که فاصله بین مولکول ها حدود 10 نانومتر است، چگالی حافظه در چنین سیستمی می تواند حدود 10 گیگابایت بر سانتی متر مربع باشد.

نانو دستگاه ها

نانولوله‌ها می‌توانند اساس طراحی‌های جدید سیستم‌های آکوستیک تخت و نمایشگرهای تخت، یعنی دستگاه‌های ماکروسکوپی آشنا را تشکیل دهند. نانودستگاه‌های خاصی را می‌توان از نانومواد ایجاد کرد، به‌عنوان مثال، نانوموتورها، نانومانپلاتورها، پمپ‌های مولکولی، حافظه با چگالی بالا، عناصر مکانیسم‌های نانوروبات‌ها. اجازه دهید به طور خلاصه در مورد مدل های برخی از دستگاه های نانو صحبت کنیم.

چرخ دنده ها و پمپ های مولکولی. مدل‌های نانودستگاه‌ها توسط K.E. Drexler و R. Merkle از IMM (موسسه تولید مولکولی، پالو آلتو). محور چرخ دنده ها در جعبه دنده از نانولوله های کربنی و دندانه ها مولکول های بنزن هستند. فرکانس مشخصه چرخش چرخ دنده ها چند ده گیگاهرتز است. دستگاه ها یا در خلاء زیاد یا در یک جو بی اثر در دمای اتاق "کار می کنند". گازهای بی اثر برای "خنک کردن" دستگاه استفاده می شود.

حافظه الماس برای کامپیوتر. مدل حافظه با چگالی بالا توسط Ch. Bauschlicher و R. Merkle از ناسا. طرح دستگاه ساده است و از یک پروب و یک سطح الماس تشکیل شده است. این کاوشگر یک نانولوله کربنی (9، O) یا (5، 5) است که به یک نیمکره C 60 ختم می شود، که یک مولکول C 5 H 5 N به آن متصل است. سطح الماس با تک لایه ای از اتم های هیدروژن پوشیده شده است. برخی از اتم های هیدروژن با اتم های فلوئور جایگزین می شوند. هنگامی که کاوشگر در امتداد یک سطح الماس پوشیده شده با تک لایه جاذب اسکن می شود، مولکول C 5 H 5 N، طبق مدل های کوانتومی، قادر است یک اتم فلوئور جذب شده را از یک اتم هیدروژن جذب شده تشخیص دهد. از آنجایی که حدود 1015 اتم در یک سانتی متر مربع از سطح قرار می گیرند، چگالی ضبط می تواند به 100 ترابایت بر سانتی متر مربع برسد.

نمونه‌های فوق از نتایج آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌های نانودستگاه چالش جدیدی برای نظریه، فیزیک محاسباتی، شیمی و ریاضیات هستند. درک "دیده" و "دریافت" مورد نیاز است. برای کار در اندازه های نانومتری نیاز به توسعه شهود دارد. بار دیگر، سخنان فاوست به واگنر شنیده می شود:

"فهمیدن یعنی چی؟

دوست من سوال همینه

در این زمینه، همه ما درست نیستیم.»

شاخه های جدید فیزیک محاسباتی و شیمی محاسباتی

بیش از پنجاه سال پیش، مشکلات اتمی و گرما هسته ای، مشکلات ایجاد هواپیماهای جدید و اکتشاف فضای نزدیک به زمین، بار دیگر پرسش فاوستی را در مورد سطح جدیدی از درک پدیده های فیزیکی و شیمیایی مطرح کرد. کار موفقیت آمیز بر روی این مشکلات منجر به ظهور و توسعه شد

1) فیزیک محاسباتی، به ویژه حوزه های آن مانند

هیدرودینامیک و آیرودینامیک مغناطیسی و تشعشعی،

مکانیک پرواز فضاپیما،

تئوری پلاسما و همجوشی حرارتی کنترل شده.

2) شیمی محاسباتی با بخشهایی مانند

نظریه معادله حالت ماده،

دینامیک مولکولی،

نظریه فرآیندها و دستگاه های شیمیایی؛

3) ریاضیات محاسباتی و علوم کامپیوتر با زمینه هایی مانند

روش های عددی فیزیک ریاضی،

نظریه اتوماتا،

کنترل بهینه،

الگو شناسی،

سیستم های خبره،

طراحی اتوماتیک

امکانات مدرن آزمایش آزمایشگاهی برای مشاهده و مطالعه پدیده‌ها در مقیاس نانومتری ابعاد فضایی و چشم‌اندازهای وسوسه‌انگیز برای ایجاد مواد و نانووسایل منحصربه‌فرد باعث بروز مشکلات نظری جدیدی می‌شود.

من می خواهم بدانم در میکروسکوپ تونل زنی روبشی واقعاً چه چیزی "مشاهده" می شود؟

چه چیزهای جدیدی را می توان به طور بالقوه مشاهده کرد و چه چیزهای جدیدی را می توان به طور بالقوه در نانوسیستم ها به دست آورد؟ و در چه شرایطی؟

چگونه می توان اتم ها و گروه هایی از اتم ها و مولکول ها را برای دستیابی به اهداف خاص مدیریت کرد؟ محدودیت های این کنترل چیست؟

چگونه می توان خود مونتاژ نانو دستگاه ها و مواد منحصر به فرد "بدون عیب" را سازماندهی کرد؟

محیط کلان تا چه اندازه حالات کوانتومی نانوسیستم را "محدود" می کند؟

نیاز به راه حل سازنده این مسائل منجر به تحقیقات فشرده و تشکیل شاخه های جدید در فیزیک محاسباتی و شیمی محاسباتی می شود. ما چنین بخش هایی را در مترولوژی، مکانیک، الکترودینامیک، اپتیک و تئوری خود سازمان دهی مشخص می کنیم. در هر یک از این بخش ها چندین مشکل را بیان می کنیم.

مترولوژی

1. ایجاد مدل های کامپیوتری سیستم های "ابزار-نانو شی" و کالیبراسیون آنها.

2. اتوماسیون اندازه گیری های نانومتری و ایجاد بانک های اطلاعاتی.

مکانیک

1. بررسی تنش ها و کرنش های مکانیکی در نانومواد و نانو اجسام، آنالیز اصطکاک.

2. شبیه سازی حرکات کاوشگر در حین دستکاری هدفمند یک نانو شی.

3. مدل سازی حرکات در نانومکانیسم ها برای نانودستگاه ها، محاسبه نانودستکاری کننده ها.

4. توسعه سیستم های کنترل برای نانوروبات ها.

الکترودینامیک

1. شبیه سازی دینامیک اتم ها و مولکول ها در میدان های الکترومغناطیسی بسیار ناهمگن ایجاد شده توسط سیستم های چند نقطه ای.
2. محاسبه خواص الکتریکی و مغناطیسی نانومواد.

1. مدل سازی مکانیسم های انتشار، انتشار و جذب نور در نانو اشیاء.
2. محاسبه نانولیزرها و سیستم های هیبریدی "پروب + نانولیزر".

نظریه خود سازماندهی

1. فرمول بندی اصول بنیادی خودآرایی نانوساختارها.

2. ایجاد الگوریتم های خود مونتاژ کامپیوتری.

3. توسعه الگوریتم های محاسباتی برای تحلیل کیفی مدل های خودآرایی.

4. شبیه سازی پدیده های خودسازماندهی مکانی – زمانی در ایجاد نانومواد.

اپیتاکسی پرتو مولکولی و نانو سنگی

1. ایجاد لایه های فلزی نازک که به عنوان پایه ای برای مواد مغناطیسی با کیفیت بالا عمل می کنند.

2. طراحی عناصر اساسی نانوالکترونیک.

3. ایجاد کاتالیزور برای کاتالیز انتخابی.

من می خواهم یک بار دیگر بر لزوم حفظ تعادل دقیق بین آزمایش آزمایشگاهی، نظریه و مدل سازی ریاضی تاکید کنم. گاهی اوقات می توان اظهاراتی شنید که یک آزمایش دقیق در حال حاضر بسیار گران است و می توان آن را با مدل سازی ریاضی ارزان تر جایگزین کرد. موضع مخالفی نیز وجود دارد که در آن نقش روش‌های تحقیق ریاضی کم‌رنگ می‌شود. ساده‌ترین نمونه‌های پدیده‌های بی‌اهمیت در محدوده نانومتری ابعاد فضایی، شکست کامل موقعیت‌های رادیکال را نشان می‌دهد.

پدیده های خودسازماندهی فضا-زمان بر روی سطح تک بلورهای فلزات

در نگاه اول، ساده ترین، اما، همانطور که معلوم است، مشکل غیر پیش پا افتاده را در نظر بگیرید. فرض کنید می‌خواهیم یک فیلم فلزی با کیفیت بالا و یکنواخت مانند یک فیلم پلاتین بسازیم. برای انجام این کار، باید یک صفحه کاملاً فشرده و یکنواخت از یک کریستال را به عنوان بستر در نظر گرفت و لایه ای از اتم ها را از یک سلول نادسن در شرایط خلاء بالا روی آن قرار داد. اتم ها از سلول خارج می شوند، روی یک سطح همگن جذب می شوند، در امتداد آن مهاجرت می کنند و یک لایه جدید تشکیل می دهند. پس از تشکیل لایه اول، لایه بعدی روی آن تشکیل می شود و به همین ترتیب. این فرآیند تنها توسط دو ماکروپارامتر کنترل خارجی - دمای سطح و جریان اتم ها به سطح تعیین می شود. فقط لازم است دما و سرعت عرضه اتم ها را به گونه ای انتخاب کنیم که در طول زمان مشخصه عرضه یک اتم جدید، اتمی که روی سطح مهاجرت می کند زمان داشته باشد تا در لایه در حال رشد ادغام شود. به نظر می رسد هیچ چیز ساده تر از شبیه سازی رشد فیلم در چارچوب مدل های کلاسیک فیزیک ریاضی نیست. فقط یک فرآیند باید توضیح داده شود: انتشار سطحی ذرات ورودی. برای انجام این کار، می توان از معادله انتشار با منبع ثابت در یک حوزه فضایی دو بعدی استفاده کرد، آن را با یک شرط مرزی مناسب، به عنوان مثال، یک شرط مرزی همگن از نوع دوم، تکمیل کرد و محاسبات را انجام داد. بدیهی است که با یک مهاجرت به اندازه کافی سریع، بدون در نظر گرفتن شرایط اولیه، یک راه حل همگن فضایی با دقت کافی بالا به دست می آید که به طور یکنواخت در زمان افزایش می یابد. با این حال، چنین مدل سازی به هیچ وجه رشد یک لایه جدید و ساختار فضایی آن را توصیف نمی کند.

آزمایشی که با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی با هموسیستم Pt/Pt(111) 5 انجام شد (شکل 9) نشان می دهد که اتم های پلاتین جذب شده بر روی سطح (111) صفحه تک بلور پلاتین مهاجرت می کنند و از قانون فیک پیروی نمی کنند. آنها جزایر یک لایه جدید با ساختارهای فضایی متفاوت را بسته به مقادیر دمای سطح و سرعت عرضه اتم ها تشکیل می دهند. اینها می توانند جزایر سست ساختار فراکتالی با یک فراکتال باشند

شکل 9. امتیاز/امتیاز (111)

برنج. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; ج - Co 3 Re

بعد 1.78 (شکل 9a)، یا جزایر فشرده با اشکال افلاطونی به شکل مثلث های منظم (شکل 9b، 9d) و شش ضلعی (شکل 9c)، به علاوه، به طور مساوی نسبت به محورهای کریستالوگرافی جهت گیری می کنند. بنابراین، در دمای 400 کلوین، رئوس مثلث ها "پایین" به نظر می رسند (شکل 9b). در دمای 455 کلوین، جزایر در حال رشد به شکل شش ضلعی منظم به خود می گیرند (شکل 9c). در دمای بالاتر، شکل مثلثی منظم جزایر دوباره شکل می‌گیرد، اما این بار بالای آن‌ها "بالا" به نظر می‌رسد (شکل 9d). شکل و جهت جزایر مثلثی شکل ثابت است. عرضه بیشتر اتم ها منجر به یک رژیم رشد سه بعدی می شود که در نتیجه لایه در حال رشد همیشه ناهمگن است و ساختار سه بعدی هرمی دارد.

در ارتباط با ویژگی های رشد، حداقل دو سؤال اساسی مطرح می شود.

چگونه می توان رفتار دینامیکی غیر پیش پاافتاده ساده ترین سیستم را به لحاظ نظری توصیف کرد؟

راه های کنترل سیستم برای اطمینان از رشد لایه ای و به دست آوردن یک لایه یکنواخت فضایی با کیفیت بالا چیست؟

سؤالات مشابهی در سیستم‌های هتروسیستم نیز مطرح می‌شود، زمانی که لایه‌ای از فلز دیگر روی سطح یک فلز رشد می‌کند. بنابراین، در مورد رشد یک فیلم نقره بر روی پلاتین، می توان جزایری از ساختارهای فراکتالی و دندریتی، جزایری به شکل یک ستاره سه پرتو از شرکت مرسدس و سایر پدیده های خودسازماندهی فضایی-زمانی را مشاهده کرد که سه ناهموار را همراهی می کند. - رشد بعدی یک فیلم فلزی نازک. در مورد رشد فیلم کبالت روی یک وجه همگن (0001) تک کریستال رنیم، آلیاژهای سطحی با استوکیومتری و بر این اساس ساختار فضایی متفاوت تشکیل می شوند: CoRe (شکل 10a)، Co 2 Re (شکل 10b)، Co 3 Re (شکل 10c) و ساختار سطحی غیر ضروری. در تصاویر ارائه شده در شکل. 10، می توان دید که دایره های بزرگ (اتم های رنیوم) توسط تعداد متفاوتی از دایره های کوچک (اتم های کبالت) احاطه شده اند. این آلیاژها خواص مغناطیسی جالبی دارند.

غیرممکن است که روی یک پدیده متناقض دیگر تمرکز نکنیم - تحرک غیرعادی زیاد خوشه های فشرده بزرگ. به دنبال نویسندگان یک کار آزمایشی قابل توجه، اجازه دهید یک خوشه فشرده با شکل منظم را در نظر بگیریم که از تعداد "جادویی" اتم های ایریدیوم N = 1 + Zn(n - 1)، n = 2، 3، .. تشکیل شده است. برای مثال، N = 19، بر روی سطح یک صورت فشرده (111) ایریدیوم. به نظر می رسد که تحرک یک خوشه حاوی دو دوجین اتم، به طور کلی، باید چندین مرتبه قدر کمتر از تحرک یک اتم باشد، زیرا مهاجرت اتم ها یک فرآیند تصادفی به نظر می رسد. این آزمایش نشان داد که سرعت مهاجرت خوشه های "درست" با سرعت مهاجرت یک اتم منفرد قابل مقایسه است! این پیامد حرکت جمعی اتم‌های خوشه‌ای نیازمند توصیف نظری دقیق و مدل‌سازی ریاضی است. نتایج چنین تحلیلی در محاسبه انرژی‌های فعال‌سازی پیش‌نمایی و مؤثر مهاجرت برای روش مونت کارلو پویا و برای معادلات جنبشی یک لایه غیر ایده‌آل جالب توجه است. با دانستن نرخ مهاجرت واقعی، می توان به درستی طول عمر ساختارهای نانومقیاس را تخمین زد.

نیازی به متقاعد کردن خواننده نیست که نتایج فهرست شده آزمایش آزمایشگاهی نیاز به توسعه مدل های کلاسیک فیزیک ریاضی را نشان می دهد. در مطالعه نانو اشیاء، در مواردی که مورد نیاز است، باید ایده یک محیط پیوسته را که زیربنای اکثریت قریب به اتفاق مدل‌های فیزیک ریاضی است، کنار گذاشت. مدل سازی با اینرسی، بدون در نظر گرفتن نتایج یک آزمایش آزمایشگاهی، منجر به نتایج کاملاً اشتباه می شود. نیاز به یک درس مدرن جدید در فیزیک ریاضی که ویژگی های نانو اشیاء را در نظر بگیرد نیز آشکار است. در این دوره به ویژه باید به آن توجه شود

برنج. 11. (CO + O 2)/Pt(210)

روش های ریاضیات گسسته، ترکیبات شمارشی، نظریه گروه.

نمونه‌های پیچیده‌تر از رفتار دینامیکی غیرمعمول سیستم‌های غیر ایده‌آل باز با واکنش‌های مدل کاتالیز ناهمگن بر روی وجوه خاصی از تک بلورهای فلز نجیب (Pt(111)، Pt(100)، Pt(110)، Pt(210)، Pd( 111)، Pd(110)) در فشارهای جزئی کم در فاز گاز. اینها واکنشهای اکسیداسیون مونوکسید کربن (CO) با اکسیژن (O 2) و همچنین کاهش مونوکسید نیتروژن (NO) با هیدروژن (H2)، آمونیاک (NH3) و مونوکسید کربن هستند. این واکنش ها نقش مهمی در مشکل زیست محیطی انتشارات سمی پس از سوختن (NO، CO و غیره) از موتورهای احتراق داخلی و نیروگاه های حرارتی دارند. تحقیقات انجام شده در سال های اخیر نانو و مزودینامیک جذاب این سیستم ها را آشکار کرده است. انتقال فاز از نوع نظم-بی نظمی، همراه با تشکیل روبناها در تک لایه جاذب، انتقال فاز از نوع جداسازی به فاز، بازسازی خود به خود و ناشی از جذب سطح سطوح تک بلورها و خوردگی کاتالیزور پیدا شد. فرآیندهای خودسازماندهی مکانی-زمانی که در مقیاس نانومتری اتفاق می‌افتد، ارتباط نزدیکی با پدیده‌های مشابه مشاهده شده با کمک میکروسکوپ فوتوالکترون گسیلی در محدوده میکرومتری دارد. چنین پدیده هایی شامل مارپیچ میکرومتری، امواج ایستاده و ماشه ای، فراپایداری مضاعف و تلاطم شیمیایی است. شکل 11 نتایج مطالعه خودسازماندهی فضایی-زمانی در واکنش اکسیداسیون مونوکسید کربن روی صفحه تک بلور Pt(210) با روش میکروسکوپ فوتوالکترون گسیلی را نشان می دهد. هر فریم (380×380 میلی‌متر) توزیع فضایی مولکول‌های CO جذب‌شده (مناطق روشن) و اتم‌های اکسیژن (مناطق تاریک) را روی سطح کاتالیزور برای فشارهای جزئی CO و اکسیژن مختلف در فاز گاز در دمای سطح ثابت نشان می‌دهد. امواج مارپیچی و امواج خودکار یک انتقال فاز مانند جداسازی به فازها، پدیده‌های فراپایداری مضاعف و غیره به وضوح قابل مشاهده هستند.

1 اندازه یک اتم چند دهم نانومتر است.

2 شرح دستگاه ها و اصول عملکرد آنها در آمده است.

3 یک جفت اعداد طبیعی (m, n) بردار کایرالیته را در صفحه ورق گرافیت تعیین می کند. محور نانولوله بر بردار کایرالیتی عمود است. بنابراین، برای (n، n) ((n، 0)) محور لوله موازی (عمود) با ضلع یک شش ضلعی منظم است.

4 مخفف BDC مخفف benzene dicarboxyl و DMF مخفف dimethylformamide است.

5 اعداد داخل پرانتز نمایانگر شاخص های میلر سطح زیرلایه تک کریستالی هستند.

فناوری ها و مواد کلیدی همیشه نقش مهمی در تاریخ تمدن ایفا کرده اند و نه تنها عملکردهای تولید محدود، بلکه اجتماعی را نیز انجام می دهند. کافی است به یاد بیاوریم که عصر حجر و برنز، عصر بخار و الکتریسیته، انرژی اتمی و کامپیوترها چقدر با هم تفاوت داشتند. به عقیده بسیاری از کارشناسان، قرن بیست و یکم قرن علم و فناوری نانو خواهد بود که چهره آن را مشخص خواهد کرد.

علم نانو را می‌توان مجموعه‌ای از دانش درباره رفتار ماده در مقیاس نانومتری، و فناوری نانو را هنر ایجاد و به کار انداختن اشیایی با اندازه‌های مختلف از کسری تا صدها نانومتر (حداقل در یک یا دو بعد از سه بعد) تعریف کرد. .

اجزای اصلی فناوری نانو در شکل 1 نشان داده شده است. 2.1. اساس بنیادی آن فیزیک، شیمی و بیولوژی مولکولی حجم های مصنوعی و طبیعی است که از تعداد قابل شمارش اتم تشکیل شده است. چنین اشیایی، که در آنها وابستگی شدید همه ویژگی ها به اندازه آنها (اثرات اندازه)، ساختار اتمی-مولکولی گسسته یک ماده و/یا قوانین کوانتومی رفتار آن قبلاً تا حد زیادی آشکار شده است.

یکی دیگر از اجزای مهم فناوری نانو، توانایی ایجاد یا یافتن هدفمند در طبیعت مواد و اشیاء نانوساختار با خواص از پیش تعیین شده است. جزء بعدی فناوری نانو

ایجاد محصولات نهایی، محصولات چند جزئی با کیفیت و هدف مصرفی جدید (حافظه با ظرفیت فوق العاده، پردازنده های فوق سریع، نانوروبات های هوشمند و غیره). در نهایت، ابزار کنترل، صدور گواهینامه و تحقیقات نانومحصولات و مواد نانوساختار در تمام مراحل ساخت و استفاده نیز جزء ضروری فناوری نانو است.

در حال حاضر ده ها برنامه بزرگ در زمینه علوم و فناوری نانو در تمامی کشورهای توسعه یافته جهان اجرا می شود. فناوری نانو در حوزه‌های مهمی برای جامعه مانند مراقبت‌های بهداشتی و پزشکی، بیوتکنولوژی و حفاظت از محیط زیست، دفاع و هوافضا، الکترونیک و کامپیوتر، تولید مواد شیمیایی و پتروشیمی، انرژی و حمل‌ونقل استفاده می‌شود. نرخ رشد سرمایه گذاری ها و ورود فناوری نانو در کشورهای صنعتی جهان در حال حاضر بسیار بالاست و در 10 تا 20 سال آینده سطح توسعه اقتصادی و تا حد زیادی پیشرفت اجتماعی را در جامعه تعیین خواهد کرد. .

چنین چشم‌اندازی چالش‌های جدیدی را برای کل سیستم آموزش و پرورش و در درجه اول آموزش حرفه‌ای ایجاد می‌کند. از آنجایی که فناوری نانو متضمن ادغام دانش بنیادی و روش‌های با فناوری پیشرفته برای تولید مواد نانوساختار و محصولات نهایی است، در دانشگاه‌های غربی تمایل به کاهش حجم آموزش فیزیکدانان، ریاضیدانان، شیمی‌دانان، زیست‌شناسان «خالص» وجود دارد. و مهندسان سنتی: متالوژیست ها، مکانیک ها، مهندسان قدرت، فناوران و افزایش سهم تخصص های "مصنوعی" در زمینه علم مواد فیزیکی و فناوری نانو.

طی چند سال گذشته، حدود 10 هزار مقاله در مورد مسائل نانو در نشریات جهانی و حدود 12 مجله تخصصی ماهانه در زمینه های خاصی از علم نانو منتشر شده است.

بنابراین، اکنون چه چیزی با فناوری نانو درک می شود؟ پیشوند اعشاری "nano" خود به معنای یک میلیاردم چیزی است. بنابراین، به طور کاملاً رسمی، اشیایی با ابعاد مشخصه R (حداقل در امتداد یک مختصات) اندازه‌گیری شده در نانومتر (1 نانومتر = 10-9 متر = 10E) در محدوده این فعالیت قرار می‌گیرند.

در واقعیت، دامنه اشیاء و پدیده های مورد بررسی بسیار گسترده تر است - از اتم های منفرد (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.

ساده لوحانه است اگر فکر کنیم قبل از ظهور عصر فناوری نانو، شخصی با اشیاء و فرآیندها در سطح نانو مواجه نمی شد و از آنها استفاده نمی کرد. بنابراین، واکنش های بیوشیمیایی بین ماکرومولکول هایی که همه موجودات زنده را تشکیل می دهند، به دست آوردن تصاویر عکاسی، کاتالیز در تولید شیمیایی، فرآیندهای تخمیر در ساخت شراب، پنیر، نان و غیره در سطح نانو رخ می دهد. با این حال، «نانو فناوری شهودی» که در ابتدا به طور خود به خود و بدون درک درستی از ماهیت اشیاء و فرآیندهای مورد استفاده توسعه یافت، نمی تواند مبنای قابل اعتمادی در آینده باشد. بنابراین، تحقیقات بنیادی با هدف ایجاد فرآیندها و محصولات فناوری اساساً جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. این امکان وجود دارد که فناوری نانو بتواند جایگزین برخی از فناوری‌های منسوخ و ناکارآمد شود، اما همچنان جایگاه اصلی آن در حوزه‌های جدیدی است که اصولاً دستیابی به نتایج مورد نیاز با روش‌های سنتی غیرممکن است.

بنابراین، در شکاف وسیع و هنوز ضعیف بین سطح کلان، جایی که نظریه‌های پیوسته به خوبی توسعه‌یافته در مورد رسانه‌های پیوسته و روش‌های مهندسی محاسبه و طراحی عمل می‌کنند، و سطح اتمی، تابع قوانین مکانیک کوانتومی، وجود دارد. سطح میان سلسله مراتبی ساختار ماده (تکسوس - متوسط، متوسط ​​با یونانی). در این سطح، فرآیندهای بیوشیمیایی حیاتی بین ماکرومولکول‌های DNA، RNA، پروتئین‌ها، آنزیم‌ها، ساختارهای درون سلولی انجام می‌شود که نیاز به درک عمیق‌تری دارد. در عین حال، محصولات و فناوری‌هایی که قبلاً دیده نشده بودند را می‌توان به طور مصنوعی در اینجا ایجاد کرد که می‌تواند زندگی کل جامعه بشری را به طور اساسی تغییر دهد. در عین حال، نیازی به هزینه های زیاد مواد خام و انرژی و همچنین وسایل حمل و نقل آنها نخواهد بود، میزان زباله و آلودگی محیط زیست کاهش می یابد، نیروی کار هوشمندتر و سالم تر می شود.

سخنرانی شماره 19

نانوتکنولوژی در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین و هیجان‌انگیزترین حوزه‌های دانش در خط مقدم علوم فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و مهندسی تبدیل شده است. امیدهای زیادی برای پیشرفت های اولیه و جهت گیری های جدید در توسعه فناوری در بسیاری از زمینه های فعالیت ایجاد می کند. به منظور تسهیل و تسریع در استفاده گسترده از این رویکرد جدید، داشتن ایده های کلی و برخی دانش خاص، که از یک سو، به اندازه کافی دقیق و عمیق باشد تا موضوع را با جزئیات پوشش دهد، مهم است. در عین حال، به اندازه کافی در دسترس و کامل است که برای طیف گسترده ای از متخصصان مفید باشد، که مایلند در مورد ماهیت موضوع و چشم انداز در این زمینه اطلاعات بیشتری کسب کنند.

علاقه گسترده کنونی به فناوری نانو به سال‌های 1996 تا 1998 بازمی‌گردد، زمانی که یک کمیسیون دولتی با کمک مرکز ارزیابی فناوری جهانی (WTEC)، با بودجه بنیاد ملی علوم ایالات متحده و سایر آژانس‌های فدرال، مطالعه تجربیات جهانی را در این زمینه انجام داد. تحقیق و توسعه در زمینه فناوری نانو به منظور ارزیابی پتانسیل نوآوری فناوری آنها. نانوتکنولوژی بر این درک استوار است که ذرات کوچکتر از 100 نانومتر (نانو متر یک میلیاردم متر است) خواص و رفتار جدیدی به مواد ساخته شده از آنها می دهند. این به این دلیل است که اجسام کوچکتر از طول مشخصه (که به دلیل ماهیت پدیده خاص است) اغلب فیزیک و شیمی متفاوتی را نشان می دهند که منجر به به اصطلاح اثرات اندازه می شود، یک رفتار جدید وابسته به اندازه ذرات. بنابراین، به عنوان مثال، تغییرات در ساختار الکترونیکی، هدایت، واکنش، دمای ذوب و ویژگی های مکانیکی در اندازه ذرات کمتر بحرانی مشاهده شد. وابستگی رفتار به اندازه ذرات به فرد اجازه می دهد تا موادی با خواص جدید از همان اتم های اولیه طراحی کند.

به گفته WTEC، این فناوری پتانسیل زیادی برای استفاده در طیف بسیار وسیع و متنوعی از زمینه های کاربردی دارد - از تولید مواد ساختاری قوی تر و سبک تر تا کاهش زمان تحویل داروهای نانوساختار به سیستم گردش خون، افزایش ظرفیت رسانه های مغناطیسی. و ایجاد محرک برای کامپیوترهای سریع. توصیه های ارائه شده توسط این کمیته و کمیته های بعدی منجر به تخصیص بودجه بسیار زیادی برای توسعه علم و فناوری نانو در سال های اخیر شده است. تحقیقات بین رشته ای طیف گسترده ای از موضوعات را پوشش داده است - از شیمی کاتالیز توسط نانوذرات تا فیزیک لیزرهای نقطه کوانتومی. در نتیجه، به منظور درک کلی‌ترین دیدگاه‌ها و پیامدهای توسعه فناوری نانو و کمک به این حوزه جدید فعالیت هیجان‌انگیز، متوجه شدیم که محققان باید به‌طور دوره‌ای از حوزه تخصصی محدود خود فراتر بروند. دانش مدیران فنی، کارشناسان و کسانی که تصمیمات مالی می گیرند باید طیف وسیعی از رشته ها را بدانند.

نانوتکنولوژی نه تنها به‌عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین شاخه‌های فناوری پیشرفته، بلکه به‌عنوان یک عامل سیستم‌ساز در اقتصاد قرن بیست و یکم - اقتصادی مبتنی بر دانش، به جای استفاده از منابع طبیعی یا آنها تلقی شده است. در حال پردازش. علاوه بر این واقعیت که نانوتکنولوژی توسعه یک پارادایم جدید از تمام فعالیت‌های تولیدی را تحریک می‌کند ("از پایین به بالا" - از اتم‌های منفرد - به محصول، و نه "از بالا به پایین"، مانند فناوری سنتی، که در آن محصول با بریدن مواد اضافی از فضای خالی انبوه تر به دست می آید)، خود منبعی از رویکردهای جدید برای افزایش سطح زندگی و حل بسیاری از مشکلات اجتماعی در یک جامعه فراصنعتی است. به عقیده اکثر کارشناسان حوزه سیاست گذاری و سرمایه گذاری علم و فناوری، انقلاب نانوتکنولوژی که آغاز شده است، تمامی حوزه های حیاتی فعالیت های بشری (از اکتشاف فضا تا پزشکی، از امنیت ملی تا بوم شناسی و کشاورزی) را در بر می گیرد و پیامدهای آن نیز خواهد بود. گسترده تر و عمیق تر از انقلاب های کامپیوتری در یک سوم آخر قرن بیستم. همه اینها وظایف و سوالاتی را نه تنها در حوزه علمی و فنی، بلکه پیش روی مدیران در سطوح مختلف، سرمایه گذاران بالقوه، بخش آموزش و نهادهای دولتی ایجاد می کند. مدیریت و غیره

در سال‌های اخیر، تعداد کافی نشریه به تئوری، خواص و کاربرد عملی نانومواد و فناوری نانو اختصاص یافته است. به ویژه، این موضوع به طور گسترده در کتاب Ch. Pool and Jr.F. اونز، نانوتکنولوژی، ترجمه. از انگلیسی، 2nd، ویرایش اصلاح شده، ویرایش. "تکنوسفر"، M.، 2006، 335s. نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که اگرچه این کتاب در ابتدا به عنوان مقدمه‌ای بر فناوری نانو برنامه‌ریزی شده بود، اما به دلیل ماهیت این علم، به مقدمه‌ای برای حوزه‌های خاصی از فناوری نانو تبدیل شده است که ظاهراً نمایندگان معمولی آن هستند. به دلیل سرعت بالای توسعه و ماهیت میان رشته ای، ارائه یک ارائه واقعا جامع از موضوع غیرممکن است. موضوعات ارائه شده بر اساس عمق درک به دست آمده از موضوع، حجم پتانسیل یا کاربردهای موجود در فناوری انتخاب شدند. بسیاری از فصل‌ها درباره فرصت‌های فعلی و آینده بحث می‌کنند. برای کسانی که مایلند در مورد زمینه های خاصی که این فناوری در آن توسعه می یابد بیشتر بیاموزند، ارجاعاتی به ادبیات ارائه شده است.

نویسندگان سعی کرده‌اند مقدمه‌ای برای موضوع نانوتکنولوژی ارائه دهند که در سطحی نوشته شده است که محققان در زمینه‌های مختلف بتوانند از پیشرفت این رشته خارج از علایق حرفه‌ای خود قدردانی کنند و رهبران و مدیران فنی بتوانند دیدی کلی از این موضوع داشته باشند. شاید بتوان از این کتاب به عنوان پایه یک دوره دانشگاهی در زمینه فناوری نانو استفاده کرد. بسیاری از فصول مقدمه‌ای بر اصول فیزیکی و شیمیایی در زمینه‌های مورد بحث ارائه می‌کنند. بنابراین، بسیاری از فصل ها خودکفا هستند و می توانند مستقل از یکدیگر مطالعه شوند. بنابراین، فصل 2 با یک مرور مختصر از خواص مواد حجیم آغاز می شود، که برای درک چگونگی و چرایی تغییر خواص مواد با نزدیک شدن اندازه واحدهای ساختاری آنها به نانومتر ضروری است. یک محرک مهم برای چنین توسعه سریع فناوری نانو، ایجاد ابزارهای جدید (مانند میکروسکوپ تونل زنی روبشی) بود که امکان مشاهده ویژگی های اندازه نانومتری را بر روی سطح مواد فراهم کرد. بنابراین، فصل 3 مهمترین سیستم های ابزاری را تشریح می کند و تصاویری از اندازه گیری ها در نانومواد ارائه می دهد. بقیه فصل ها به جنبه های دیگر مسئله می پردازند. این کتاب طیف بسیار گسترده ای از مسائل و موضوعات را پوشش می دهد: اثرات مرتبط با اندازه و ابعاد اشیاء علم و فناوری نانو، خواص مغناطیسی، الکتریکی و نوری مواد نانوساختار، روش های آماده سازی و مطالعه آنها، خود مونتاژ و کاتالیز در نانوساختارها، نانوبیوتکنولوژی، دستگاه‌های نانوالکترومکانیکی یکپارچه، فولریت‌ها، نانولوله‌ها و موارد دیگر. تعدادی از روش های مدرن تحقیق و گواهی نانوساختارها و نانو اشیاء شرح داده شده است: میکروسکوپ الکترونی و میدان یونی، نوری، اشعه ایکس و طیف سنجی مغناطیسی.

در عین حال، شکاف هایی در ساختار و محتوای بخش های جداگانه نیز مشهود است. بنابراین، اطلاعات در مورد نانوالکترونیک، اسپینترونیک، ایده های جدید در مورد محاسبات کوانتومی و کامپیوترها تقریباً به طور کامل وجود ندارد. اکثر آنها حتی ذکر نشده اند. توجه کافی به روشهای بسیار قدرتمند و گسترده اسکن پروب تحقیق، صدور گواهینامه، لیتوگرافی و طراحی اتمی و مولکولی شده است. یک پاراگراف کوچک که به این موضوعات اختصاص داده شده است، کاملاً با نقش و جایگاه نانوتکنولوژی کاوشگر تناسب ندارد. جایگاه بسیار متوسطی به ابررسانایی ضعیف و دستگاه های بسیار امیدوار کننده مبتنی بر آن داده شده است. فیلم‌ها و ناهم‌ساختارهایی که نقش مهمی در الکترونیک مسطح مدرن، پوشش‌های فوق‌سخت و مقاوم در برابر سایش و غیره بازی می‌کنند، به‌طور محدود ارائه می‌شوند.

همچنین متذکر می شویم که هیچ سیستم سازی در مورد اشیاء و فرآیندهای فناوری نانو در هیچ کجا ارائه نشده است، در نتیجه برای یک خواننده بی تجربه مشخص نیست که پس از خواندن این کتاب با چه بخشی از موضوع می تواند آشنا شود.

علیرغم کاستی هایی که در بالا ذکر شد، به طور کلی می توان این کتاب را برای طیف وسیعی از خوانندگان از جمله دانشجویان رشته های فیزیکی، شیمیایی و علوم مواد مفید دانست. مورد دوم بسیار مرتبط است زیرا ادبیات آموزشی در مورد فناوری نانو به زبان روسی تقریباً به طور کامل وجود ندارد و نیاز به آن به دلیل آموزش متخصصان نانومواد و نانوالکترونیک که در سال 2003 در 12 دانشگاه روسیه آغاز شد، بسیار زیاد است.

همه نظرات و تفاسیر نویسندگان را نمی توان بدون قید و شرط توافق کرد. اما برای اینکه متن با انبوه نظرات، اضافات و انتقادات شلوغ نشود، در حین ترجمه و ویرایش، تنها اشتباهات آشکار، ناهماهنگی ها و تایپی ها برطرف شده است.

در طول نگارش کتاب و تجدید چاپ آن به زبان روسی، کتاب های مفید زیادی منتشر شده است که در زیر به برخی از آنها اشاره می شود. به گفته آن‌ها، خواننده علاقه‌مند می‌تواند با تک تک بخش‌ها و چشم‌انداز کلی فناوری نانو به طور عمیق‌تری آشنا شود.

نانومواد معمولاً شامل مواد پراکنده و عظیم حاوی عناصر ساختاری (دانه‌ها، بلورها، بلوک‌ها، خوشه‌ها و غیره) هستند که ابعاد هندسی آنها حداقل در یک بعد از 100 نانومتر تجاوز نمی‌کند و ویژگی‌های عملکردی و عملیاتی کیفی جدیدی دارند. فناوری‌های نانو شامل فناوری‌هایی هستند که توانایی ایجاد و اصلاح نانومواد را به شیوه‌ای کنترل‌شده و همچنین ادغام آن‌ها در سیستم‌های با عملکرد کامل در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کنند. از مولفه های اصلی علم نانومواد و فناوری نانو می توان موارد زیر را متمایز کرد:

مطالعات بنیادی خواص مواد در سطح نانو؛

توسعه فناوری نانو برای ایجاد هدفمند مواد نانو و همچنین جستجو و استفاده از اشیاء طبیعی با عناصر نانوساختاری، ایجاد محصولات نهایی با استفاده از نانومواد و ادغام نانومواد و فناوری‌های نانو در صنایع و علوم مختلف؛

توسعه ابزارها و روش‌هایی برای مطالعه ساختار و خواص نانومواد، و همچنین روش‌هایی برای نظارت و تایید محصولات و محصولات نیمه‌تمام برای فناوری‌نانو.

قرن بیست و یکم با شروع انقلابی در توسعه فناوری نانو و مواد نانو مشخص شد. آنها در حال حاضر در تمام کشورهای توسعه یافته جهان در مهمترین زمینه های فعالیت انسانی (صنعت، دفاع، حوزه اطلاعات، الکترونیک رادیویی، انرژی، حمل و نقل، بیوتکنولوژی، پزشکی) استفاده می شوند. تحلیل رشد سرمایه‌گذاری‌ها، تعداد انتشارات در این زمینه و سرعت اجرای پیشرفت‌های بنیادی و جستجو به ما این امکان را می‌دهد تا به این نتیجه برسیم که در 20 سال آینده استفاده از فناوری نانو و مواد نانو یکی از عوامل تعیین‌کننده در توسعه علمی، اقتصادی و دفاعی کشورها. در حال حاضر علاقه به طبقه جدیدی از مواد در زمینه علوم بنیادی و کاربردی و همچنین صنعت و تجارت به طور مداوم در حال افزایش است. این به دلایل زیر است:

تلاش برای کوچک سازی محصولات،

خواص منحصر به فرد مواد در حالت نانوساختار،

نیاز به توسعه و اجرای مواد با ویژگی های کیفی و کمی جدید،

توسعه روش‌ها و روش‌های فن‌آوری جدید بر اساس اصول خودآرایی و خود سازمان‌دهی،

اجرای عملی ابزارهای مدرن برای تحقیق، تشخیص و اصلاح نانومواد (میکروسکوپ پروب روبشی)،

توسعه و پیاده‌سازی فناوری‌های جدید، که دنباله‌ای از فرآیندهای لیتوگرافی، فناوری‌هایی برای به دست آوردن نانوپودر هستند.

جهت تحقیقات نانوساختاری تقریباً به طور کامل از دستیابی و مطالعه مواد و مواد نانوبلور به حوزه نانوتکنولوژی، یعنی ایجاد محصولات، دستگاه‌ها و سیستم‌هایی با عناصر در ابعاد نانو تغییر کرده است. زمینه های اصلی کاربرد عناصر نانومقیاس الکترونیک، پزشکی، داروسازی شیمیایی و زیست شناسی است.

رئیس جمهور روسیه، دیمیتری مدودف، اطمینان دارد که این کشور همه شرایط را برای توسعه موفقیت آمیز فناوری نانو دارد.

نانوتکنولوژی حوزه جدیدی از علم و فناوری است که در دهه های اخیر به طور فعال در حال توسعه بوده است. فناوری‌های نانو شامل ایجاد و استفاده از مواد، دستگاه‌ها و سیستم‌های فنی است که عملکرد آنها توسط نانوساختار تعیین می‌شود، یعنی قطعات مرتب شده آن در اندازه‌های 1 تا 100 نانومتر.

پیشوند "نانو" که از زبان یونانی ("nanos" در یونانی - کوتوله) آمده است، به معنای یک میلیاردم قسمت است. یک نانومتر (nm) یک میلیاردیم متر است.

اصطلاح "نانو فناوری" (نانو فناوری) در سال 1974 توسط استاد دانشمند مواد از دانشگاه توکیو نوریو تانیگوچی (Norio Taniguchi) ابداع شد که آن را به عنوان "فناوری تولیدی که امکان دستیابی به دقت فوق العاده بالا و ابعاد بسیار کوچک را فراهم می کند" تعریف کرد. .. از مرتبه 1 نانومتر ..." .

علم نانو در ادبیات جهان به وضوح از فناوری نانو متمایز است. اصطلاح علم در مقیاس نانو برای علم نانو نیز به کار می رود.

در زبان روسی و در عمل قوانین و مقررات روسیه، اصطلاح "نانو فناوری" ترکیبی از "علم نانو"، "فناوری نانو" و گاهی اوقات حتی "صنعت نانو" (حوزه های کسب و کار و تولید که در آن از فناوری نانو استفاده می شود) ترکیب می شود.

مهمترین مؤلفه فناوری نانو هستند نانو موادیعنی موادی که خواص عملکردی غیرمعمول آنها با ساختار مرتب نانوذرات آنها در اندازه های 1 تا 100 نانومتر تعیین می شود.

- ساختارهای نانومتخلخل؛
- نانو ذرات؛
- نانولوله ها و نانوالیاف
- نانو پراکندگی ها (کلوئیدها)؛
- سطوح و فیلم های نانوساختار؛
- نانوبلورها و نانو خوشه ها

فناوری نانو سیستم- به طور کامل یا جزئی بر اساس نانومواد و فناوری‌های نانو، سیستم‌ها و دستگاه‌هایی از نظر عملکردی کامل که ویژگی‌های آنها اساساً با سیستم‌ها و دستگاه‌هایی با هدف مشابه که با استفاده از فناوری‌های سنتی ایجاد شده‌اند متفاوت است.

کاربردهای فناوری نانو

تقریباً غیرممکن است که تمام زمینه هایی را که این فناوری جهانی می تواند به طور قابل توجهی بر پیشرفت فناوری تأثیر بگذارد فهرست کند. می توانیم تنها تعدادی از آنها را نام ببریم:

- عناصر نانوالکترونیک و نانوفوتونیک (ترانزیستورهای نیمه هادی و لیزر؛
- آشکارسازهای نوری؛ سلول های خورشیدی؛ سنسورهای مختلف)
- دستگاه هایی برای ضبط فوق متراکم اطلاعات؛
- ارتباطات، فناوری اطلاعات و محاسبات؛ ابر رایانه ها؛
- تجهیزات ویدئویی - صفحه نمایش تخت، مانیتور، ویدئو پروژکتور؛
- دستگاه های الکترونیکی مولکولی، از جمله سوئیچ ها و مدارهای الکترونیکی در سطح مولکولی؛
- نانولیتوگرافی و نانوامپرینتینگ؛
- سلول های سوختی و دستگاه های ذخیره انرژی؛
- دستگاه های میکرو و نانومکانیک، از جمله موتورهای مولکولی و نانوموتورها، نانوروبات ها؛
- نانو شیمی و کاتالیز، از جمله کنترل احتراق، پوشش، الکتروشیمی و داروسازی؛
- کاربردهای هوانوردی، فضایی و دفاعی؛
- دستگاه هایی برای نظارت بر وضعیت محیط زیست؛
- تحویل هدفمند داروها و پروتئین ها، بیوپلیمرها و بهبود بافت های بیولوژیکی، تشخیص بالینی و پزشکی، ایجاد ماهیچه های مصنوعی، استخوان ها، کاشت اندام های زنده.
- بیومکانیک؛ ژنومیک؛ بیوانفورماتیک؛ ابزار زیستی؛
- ثبت و شناسایی بافت های سرطان زا، پاتوژن ها و عوامل مضر بیولوژیکی؛
- ایمنی در کشاورزی و تولید مواد غذایی.

کامپیوتر و میکروالکترونیک

نانو کامپیوتر- یک دستگاه محاسباتی مبتنی بر فناوری های الکترونیکی (مکانیکی، بیوشیمیایی، کوانتومی) با اندازه عناصر منطقی در حد چند نانومتر. خود رایانه نیز که بر اساس فناوری نانو توسعه یافته است، دارای ابعاد میکروسکوپی است.

کامپیوتر DNA- یک سیستم محاسباتی که از قابلیت های محاسباتی مولکول های DNA استفاده می کند. محاسبات زیست مولکولی نامی جمعی برای تکنیک های مختلف مربوط به DNA یا RNA به روشی دیگر است. در محاسبات DNA، داده ها به صورت صفر و یک نمایش داده نمی شوند، بلکه به شکل یک ساختار مولکولی که بر اساس مارپیچ DNA ساخته شده است. نقش نرم افزار برای خواندن، کپی و مدیریت داده ها توسط آنزیم های خاص انجام می شود.

میکروسکوپ نیروی اتمی- میکروسکوپ پروب روبشی با وضوح بالا، بر اساس برهمکنش سوزن کنسول (پروب) با سطح نمونه مورد مطالعه. برخلاف میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)، می تواند سطوح رسانا و غیر رسانا را حتی از طریق یک لایه مایع بررسی کند، که کار با مولکول های آلی (DNA) را ممکن می کند. قدرت تفکیک مکانی یک میکروسکوپ نیروی اتمی به اندازه ی کنسول و انحنای نوک آن بستگی دارد. وضوح به صورت افقی به اتمی می رسد و به طور قابل توجهی از آن به صورت عمودی فراتر می رود.

نوسان ساز آنتن- در 9 فوریه 2005 یک آنتن نوسانگر با اندازه حدود 1 میکرون در آزمایشگاه دانشگاه بوستون دریافت شد. این دستگاه دارای 5000 میلیون اتم است و قابلیت نوسان در فرکانس 1.49 گیگاهرتز را دارد که به شما امکان می دهد حجم عظیمی از اطلاعات را با آن انتقال دهید.

نانوپزشکی و صنعت داروسازی

جهت گیری در پزشکی مدرن مبتنی بر استفاده از خواص منحصر به فرد نانومواد و نانو اشیاء برای ردیابی، طراحی و تغییر سیستم های بیولوژیکی انسان در سطح نانومولکولی.

فناوری نانو DNA- از بازهای خاص مولکول های DNA و اسیدهای نوکلئیک برای ایجاد ساختارهای کاملاً مشخص بر اساس آنها استفاده کنید.

سنتز صنعتی مولکول های داروها و آماده سازی های دارویی با شکل کاملاً مشخص (بیس پپتید).

در آغاز سال 2000، به لطف پیشرفت سریع در فناوری ساخت ذرات در اندازه نانو، انگیزه ای برای توسعه حوزه جدیدی از فناوری نانو ایجاد شد. نانوپلاسمونیک. معلوم شد که انتقال تابش الکترومغناطیسی در طول زنجیره ای از نانوذرات فلزی با تحریک نوسانات پلاسمون امکان پذیر است.

رباتیک

نانو ربات ها- روبات‌هایی که از نانومواد ساخته شده‌اند و از نظر اندازه با یک مولکول قابل مقایسه هستند، با عملکردهای حرکت، پردازش و انتقال اطلاعات، اجرای برنامه‌ها. نانوروبات‌هایی که قادر به ایجاد کپی از خود هستند، یعنی. به خود بازتولید کننده ها Replicators گفته می شود.

در حال حاضر نانودستگاه‌های الکترومکانیکی با تحرک محدود ساخته شده‌اند که می‌توان آن‌ها را نمونه اولیه نانوروبات‌ها در نظر گرفت.

روتورهای مولکولی- موتورهای نانومقیاس مصنوعی که قادر به تولید گشتاور در صورت اعمال انرژی کافی به آنها هستند.

جایگاه روسیه در میان کشورهای توسعه دهنده و تولید کننده فناوری نانو

کشورهای اتحادیه اروپا، ژاپن و ایالات متحده از نظر کل سرمایه گذاری در حوزه فناوری نانو پیشتازان جهان هستند. اخیراً روسیه، چین، برزیل و هند سرمایه گذاری در این صنعت را به میزان قابل توجهی افزایش داده اند. در روسیه، میزان تامین مالی در چارچوب برنامه "توسعه زیرساخت های صنعت نانو در فدراسیون روسیه برای سال های 2008-2010" به 27.7 میلیارد روبل خواهد رسید.

آخرین گزارش (2008) شرکت تحقیقاتی سینتفیکا مستقر در لندن، به نام «گزارش چشم‌انداز فناوری نانو»، به طور کلمه‌ای در مورد سرمایه‌گذاری‌های روسیه می‌گوید: «اگرچه اتحادیه اروپا هنوز از نظر سرمایه‌گذاری در رتبه اول قرار دارد، چین و روسیه قبلاً از سرمایه‌گذاری‌های روسیه پیشی گرفته‌اند. ایالات متحده."

چنین حوزه هایی در فناوری نانو وجود دارد که در آن دانشمندان روسی با به دست آوردن نتایجی که پایه و اساس توسعه روندهای علمی جدید را پایه گذاری کرد، اولین در جهان شدند.

از جمله آنها می توان به تولید نانومواد بسیار ریز، طراحی دستگاه های تک الکترونی و همچنین کار در زمینه نیروی اتمی و میکروسکوپ کاوشگر روبشی اشاره کرد. تنها در یک نمایشگاه ویژه که در چارچوب XII مجمع اقتصادی سن پترزبورگ (2008) برگزار شد، 80 پیشرفت خاص به طور همزمان ارائه شد.

روسیه در حال حاضر تعدادی نانومحصولات مورد تقاضا در بازار تولید می کند: نانوغشاها، نانوپودرها، نانولوله ها. این در حالی است که به گفته کارشناسان، روسیه ده سال در زمینه تجاری سازی پیشرفت های فناوری نانو از آمریکا و سایر کشورهای توسعه یافته عقب است.

مطالب بر اساس اطلاعات منابع باز تهیه شده است