Գ.Գ.Էլենին
Համառոտ տեղեկատվություն հեղինակի մասին՝ Մոսկվայի պետական համալսարանի հաշվողական մաթեմատիկայի և կիբեռնետիկայի ֆակուլտետի պրոֆեսոր։ Մ.Վ.Լոմոնոսով, Կիրառական մաթեմատիկայի ինստիտուտի առաջատար գիտաշխատող։ M.V.Keldysh RAS.
Եթե պողպատե խորանարդը կամ նույն ատոմներից կազմված աղի բյուրեղը կարող են հետաքրքիր հատկություններ դրսևորել. եթե ջուրը - պարզ կաթիլներ, որոնք չեն տարբերվում միմյանցից և ծածկում են Երկրի մակերևույթը մղոն առ կիլոմետր, կարող է առաջացնել ալիքներ և փրփուր, ալիքի ամպրոպ և տարօրինակ նախշեր թմբի գրանիտի վրա. եթե այս ամենը, ջրերում կյանքի ողջ հարստությունը ընդամենը ատոմների կույտերի հատկություն է, ապա էլի քանի՞ հնարավորություն կա դրանցում թաքնված։ Եթե ատոմները հերթականությամբ, տող առ տող, սյուն առ սյուն դասավորելու փոխարեն, նույնիսկ դրանցից մանուշակի հոտի բարդ մոլեկուլներ կառուցելու փոխարեն, եթե փոխարենը ամեն անգամ դրանք դասավորենք նոր ձևով՝ դիվերսիֆիկացնելով նրանց խճանկարը, առանց կրկնելու։ , այն, ինչ արդեն տեղի է ունեցել - պատկերացրեք, թե որքան անսովոր, անսպասելի բաներ կարող են առաջանալ նրանց վարքագծի մեջ։
R. P. Feynman
Նանոտեխնոլոգիայի առարկան, նպատակները և հիմնական ուղղությունները
Ըստ Հանրագիտարանային բառարանի՝ տեխնոլոգիան արտադրության գործընթացում իրականացվող հումքի, նյութերի կամ կիսաֆաբրիկատների վիճակի, հատկությունների, ձևի փոփոխման, մշակման, արտադրության, փոխելու մեթոդների ամբողջություն է։
Նանոտեխնոլոգիայի առանձնահատկությունն այն է, որ դիտարկվող գործընթացները և կատարված գործողությունները տեղի են ունենում տարածական չափերի նանոմետրային տիրույթում 1: «Հումք»-ը առանձին ատոմներ, մոլեկուլներ, մոլեկուլային համակարգեր են, և ոչ թե ավանդական տեխնոլոգիային ծանոթ նյութի միկրոն կամ մակրոսկոպիկ ծավալները, որոնք պարունակում են առնվազն միլիարդավոր ատոմներ և մոլեկուլներ: Ի տարբերություն ավանդական տեխնոլոգիայի, նանոտեխնոլոգիան բնութագրվում է «անհատական» մոտեցմամբ, որի դեպքում արտաքին հսկողությունը հասնում է առանձին ատոմների և մոլեկուլների, ինչը հնարավորություն է տալիս դրանցից ստեղծել երկու «թերությունից զերծ» նյութեր՝ սկզբունքորեն նոր ֆիզիկական, քիմիական և կենսաբանական հատկություններով։ , և նոր դասերի սարքեր՝ բնորոշ նանոմետրային չափսերով։ «Նանոտեխնոլոգիա» հասկացությունը դեռ հաստատված չէ։ Ըստ երևույթին, կարելի է հետևել հետևյալ աշխատանքային սահմանմանը.
Նանոտեխնոլոգիան գիտության միջդիսցիպլինար ոլորտ է, որտեղ ուսումնասիրվում են ֆիզիկական և քիմիական գործընթացների օրենքները նանոմետրային չափերի տարածական շրջաններում՝ նոր մոլեկուլների, նանոկառուցվածքների, նանո սարքերի և նյութերի ստեղծման համար առանձին ատոմների, մոլեկուլների, մոլեկուլային համակարգերի վերահսկման նպատակով։ , քիմիական և կենսաբանական հատկություններ:
Արագ զարգացող տարածքի ներկա վիճակի վերլուծությունը թույլ է տալիս բացահայտել դրա մի շարք կարևորագույն ոլորտներ:
Մոլեկուլային դիզայն. Գոյություն ունեցող մոլեկուլների դիսեկցիա և նոր մոլեկուլների սինթեզ խիստ անհամասեռ էլեկտրամագնիսական դաշտերում:
Նյութագիտություն. «Առանց թերությունների» բարձր ամրության նյութերի, բարձր հաղորդունակությամբ նյութերի ստեղծում։
Գործիքավորում. Սկանավորող թունելային մանրադիտակների, ատոմային ուժային մանրադիտակների 2, մագնիսական ուժի մանրադիտակների, մոլեկուլային նախագծման բազմակետ համակարգերի, մանրանկարչության ուլտրազգայուն սենսորների, նանոռոբոտների ստեղծում։
Էլեկտրոնիկա. Հաջորդ սերնդի համակարգիչների, նանոլարերի, տրանզիստորների, ուղղիչ սարքերի, դիսփլեյների, ակուստիկ համակարգերի համար նանոմետրային տարրերի բազայի ձևավորում:
Օպտիկա. Նանոլազերների ստեղծում. Բազմաթև համակարգերի սինթեզ նանոլազերներով.
Տարասեռ կատալիզ. Նանոկառուցվածքներով կատալիզատորների մշակում ընտրովի կատալիզի ռեակցիաների դասերի համար:
Դեղ. Նանոգործիքների նախագծում վիրուսների ոչնչացման, օրգանների տեղային «վերանորոգման» և դեղամիջոցի չափաբաժինների բարձր ճշգրտության առաքման համար կենդանի օրգանիզմի որոշակի վայրեր:
Տրիբոլոգիա. Նյութերի նանոկառուցվածքի և շփման ուժերի միջև կապի որոշում և այս գիտելիքի օգտագործումը խոստումնալից շփման զույգեր արտադրելու համար:
Վերահսկվող միջուկային ռեակցիաներ. Նանոմասնիկների արագացուցիչներ, ոչ վիճակագրական միջուկային ռեակցիաներ։
Սկանավորող թունելային մանրադիտակ
Առնվազն երկու իրադարձություն էական դեր խաղացին նանոաշխարհի անկասելի հետազոտության մեջ.
Սկանավորող թունելային մանրադիտակի (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) և սկանավորող ատոմային ուժային մանրադիտակի ստեղծում (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Նոբելյան մրցանակ 1992 թ.);
Բնության մեջ ածխածնի գոյության նոր ձևի՝ ֆուլերենների հայտնաբերում (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Նոբելյան մրցանակ 1996 թ.):
Նոր մանրադիտակները հնարավորություն են տվել դիտարկել միայնակ բյուրեղների մակերեսի ատոմային-մոլեկուլային կառուցվածքը նանոմետրերի չափերի միջակայքում։ Սարքերի լավագույն տարածական լուծումը մակերեսին նորմալ նանոմետրի հարյուրերորդն է: Սկանավորող թունելային մանրադիտակի աշխատանքը հիմնված է էլեկտրոնների թունելավորման վրա վակուումային պատնեշի միջով: Բարձր լուծաչափը պայմանավորված է նրանով, որ թունելային հոսանքը փոխվում է մեծության երեք կարգով, երբ արգելքի լայնությունը փոխվում է ատոմի չափով: Քվանտային թունելավորման էֆեկտի տեսությունը դրվել է Գ.Ա. Գամովը 1928 թվականին իր աշխատություններում քայքայման մասին։
Օգտագործելով տարբեր սկանավորող մանրադիտակներ, ներկայումս դիտարկվում է մետաղների, կիսահաղորդիչների, բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների, օրգանական մոլեկուլների և կենսաբանական առարկաների միաբյուրեղների մակերեսների ատոմային կառուցվածքը: Նկ. Նկար 1-ը ցույց է տալիս սիլիկոնային մեկ բյուրեղի (100) երեսի ստորին տեռասի վերակառուցված մակերեսը: Մոխրագույն շրջանակները սիլիցիումի ատոմների պատկերներ են: Մութ տարածքները տեղական նանոմետրային թերություններ են: Նկ. Նկար 2-ը ցույց է տալիս (110) արծաթագույն դեմքի (ձախ շրջանակ) և թթվածնի ատոմներով պատված նույն մակերեսի մաքուր մակերեսի ատոմային կառուցվածքը (աջ շրջանակ): Պարզվել է, որ թթվածինը պատահականորեն չի ներծծվում, այլ բյուրեղագրական որոշակի ուղղությամբ բավականին երկար շղթաներ է կազմում։ Կրկնակի և միայնակ շղթաների առկայությունը ցույց է տալիս թթվածնի երկու ձև:
Այս ձևերը կարևոր դեր են խաղում ածխաջրածինների ընտրովի օքսիդացման մեջ, ինչպիսին էթիլենն է: Նկ. 3 դուք կարող եք տեսնել բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչ Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 նանոկառուցվածքը։ Նկ.-ի ձախ շրջանակում: 4, բենզոլի մոլեկուլների օղակները (C 6 H 6) հստակ տեսանելի են: Աջ շրջանակում պատկերված են պոլիէթիլենային CH 2 շղթաները: Աշխատանքը ներկայացնում է կադրերի հաջորդականություն լաբորատոր ֆիլմից՝ կենդանի բջիջ վիրուսի ներթափանցման մասին։
Նոր մանրադիտակները օգտակար են ոչ միայն նյութի ատոմային և մոլեկուլային կառուցվածքն ուսումնասիրելու համար։ Պարզվեց, որ դրանք հարմար են նանոկառուցվածքների կառուցման համար։ Մանրադիտակի ծայրով որոշակի շարժումների օգնությամբ հնարավոր է ստեղծել ատոմային կառուցվածքներ։ Նկար 5-ում ներկայացված են «IBM» մակագրության ստեղծման փուլերը առանձին քսենոնի ատոմներից նիկելի միաբյուրեղի (110) երեսի վրա: Անհատական ատոմներից նանոկառուցվածքներ ստեղծելիս ծայրի շարժումները հիշեցնում են հոկեյիստի տեխնիկան, երբ ցատկը փայտով տեղափոխում են: Հետաքրքիր է ստեղծել համակարգչային ալգորիթմներ, որոնք կապ են հաստատում ծայրի շարժումների և շահարկվող ատոմների շարժումների միջև՝ հիմնված համապատասխան մաթեմատիկական մոդելների վրա: Նանոկառուցվածքների ավտոմատ «հավաքիչներ» մշակելու համար անհրաժեշտ են մոդելներ և ալգորիթմներ:
Բրինձ. 4: a - C 6 H 6; b - CH 2 -CH 2
Բրինձ. 5. Xe/Ni (110)
Նանոնյութեր
Ֆուլերենները, որպես բնության մեջ ածխածնի գոյության նոր ձև, վաղուց հայտնի ադամանդի և գրաֆիտի հետ միասին, հայտնաբերվել են 1985 թվականին, երբ աստղաֆիզիկոսները փորձեցին բացատրել միջաստղային փոշու սպեկտրը: Պարզվել է, որ ածխածնի ատոմները կարող են ձևավորել բարձր սիմետրիկ C 60 մոլեկուլ։ Նման մոլեկուլը բաղկացած է 60 ածխածնի ատոմներից, որոնք դասավորված են մոտավորապես մեկ նանոմետր տրամագծով գնդիկի վրա և հիշեցնում է ֆուտբոլի գնդակ (նկ. 6): Լ.Էյլերի թեորեմի համաձայն՝ ածխածնի ատոմները կազմում են 12 կանոնավոր հնգանկյուն և 20 կանոնավոր վեցանկյուն։ Մոլեկուլն անվանվել է ճարտարապետ Ռ.Ֆուլերի պատվին, ով տուն է կառուցել հնգանկյուններից և վեցանկյուններից։ Սկզբում C 60-ն արտադրվում էր փոքր քանակությամբ, իսկ հետո՝ 1990 թվականին, հայտնաբերվեց դրանց լայնածավալ արտադրության տեխնոլոգիան։
Ֆուլերիտներ. C60 մոլեկուլները, իրենց հերթին, կարող են ձևավորել ֆուլերիտի բյուրեղ՝ դեմքի կենտրոնացված խորանարդ ցանցով և բավականին թույլ միջմոլեկուլային կապերով: Այս բյուրեղն ունի ութանիստ և քառանիստ խոռոչներ, որոնցում կարող են տեղակայվել օտար ատոմներ։ Եթե ութանիստ խոռոչները լցված են ալկալիական մետաղի իոններով (¦ = K (կալիում), Rb (ռուբիդիում), Cs (ցեզիում)), ապա սենյակային ջերմաստիճանից ցածր ջերմաստիճանի դեպքում այդ նյութերի կառուցվածքը վերադասավորվում է, և նոր պոլիմերային նյութ է ¦1C60: ձեւավորվել է. Եթե քառանիստ խոռոչները նույնպես լցված են, ապա առաջանում է ¦3C60 գերհաղորդիչ նյութ՝ 20-40 Կ կրիտիկական ջերմաստիճանով:Գերհաղորդիչ ֆուլերիտների ուսումնասիրությունն իրականացվում է, մասնավորապես, ինստիտուտում։ Մաքս Պլանկը Շտուտգարտում. Կան ֆուլերիտներ այլ հավելումներով, որոնք նյութին տալիս են յուրահատուկ հատկություններ: Օրինակ, C60-էթիլենը ունի ֆերոմագնիսական հատկություններ: Քիմիայի նոր ոլորտում բարձր ակտիվությունը հանգեցրեց նրան, որ մինչև 1997 թվականը կային ավելի քան 9000 ֆուլերենային միացություններ:
Ածխածնային նանոխողովակներ. Ածխածնից կարելի է ստանալ հսկայական քանակությամբ ատոմներ ունեցող մոլեկուլներ։ Այդպիսի մոլեկուլ, օրինակ C=1,000,000, կարող է լինել մոտ մեկ նանոմետր տրամագծով և մի քանի տասնյակ միկրոն երկարությամբ միաշերտ խողովակ (նկ. 7): Խողովակի մակերեսին ածխածնի ատոմները գտնվում են կանոնավոր վեցանկյունների գագաթներում։ Խողովակի ծայրերը փակված են վեց կանոնավոր հնգանկյուններով։ Պետք է նշել կանոնավոր բազմանկյունների կողմերի քանակի դերը երկչափ մակերեսների ձևավորման մեջ, որոնք բաղկացած են.
Բրինձ. 7. Ոչ քիրալային նանոխողովակներ՝ a - C(n", n) - մետաղ;
L-C (n, 0): mod (n, 3) = 0 - կիսամետաղ
mod (n, 3)!= 0 - կիսահաղորդիչ:
Բրինձ. 8. Կոր խողովակ
ածխածնի ատոմները՝ եռաչափ տարածության մեջ։ Կանոնավոր վեցանկյունները հարթ գրաֆիտի թերթիկի բջիջ են, որը կարող է գլորվել տարբեր քիրալության խողովակների մեջ (m, n) 3: Կանոնավոր հնգանկյունները (յոթանկյունները) գրաֆիտի թերթիկի տեղային թերություններն են, որոնք թույլ են տալիս ստանալ դրա դրական (բացասական) կորությունը: Այսպիսով, կանոնավոր հնգանկյունների, վեցանկյունների և յոթանկյունների համակցությունները հնարավորություն են տալիս եռաչափ տարածության մեջ ստանալ ածխածնային մակերեսների տարբեր ձևեր (նկ. 8): Այս նանոկառուցվածքների երկրաչափությունը որոշում է նրանց յուրահատուկ ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները և, հետևաբար, դրանց արտադրության համար սկզբունքորեն նոր նյութերի և տեխնոլոգիաների առկայության հնարավորությունը։ Նոր ածխածնային նյութերի ֆիզիկաքիմիական հատկությունների կանխատեսումն իրականացվում է ինչպես քվանտային մոդելների, այնպես էլ մոլեկուլային դինամիկայի շրջանակներում հաշվարկների միջոցով։ Միաշերտ խողովակների հետ միասին հնարավոր է ստեղծել բազմաշերտ խողովակներ: Նանոխողովակների արտադրության համար օգտագործվում են հատուկ կատալիզատորներ:
Ինչո՞վ է եզակի նոր նյութերը: Եկեք կանգ առնենք միայն երեք կարևոր հատկությունների վրա.
Ծայրահեղ դիմացկուն նյութեր. Գրաֆիտի թերթիկի մեջ ածխածնի ատոմների միջև կապերն ամենաուժեղն են, ուստի ածխածնի առանց թերությունների խողովակները երկու կարգով ավելի ուժեղ են, քան պողպատը և մոտավորապես չորս անգամ ավելի թեթև: Նոր ածխածնային նյութերի ոլորտում տեխնոլոգիական ամենակարևոր մարտահրավերներից մեկը «անսահման» երկարությամբ նանոխողովակների ստեղծումն է: Նման խողովակներից կարելի է արտադրել թեթև կոմպոզիտային նյութեր՝ ծայրահեղ ամրության նոր դարի տեխնոլոգիայի կարիքների համար։ Սրանք են կամուրջների և շենքերի ուժային տարրերը, կոմպակտ ինքնաթիռների կրող կառույցները, տուրբինային տարրերը, վառելիքի չափազանց ցածր հատուկ սպառում ունեցող շարժիչների էներգաբլոկները և այլն: Ներկայումս նրանք սովորել են տասնյակ միկրոն երկարությամբ խողովակներ պատրաստել մեկ նանոմետրի կարգի տրամագծով:
Բարձր հաղորդունակ նյութեր. Հայտնի է, որ բյուրեղային գրաֆիտում շերտի հարթության երկայնքով հաղորդունակությունը ամենաբարձրն է հայտնի նյութերի մեջ և, ընդհակառակը, թերթին ուղղահայաց ուղղությամբ՝ փոքր է։ Հետևաբար, ակնկալվում է, որ նանոխողովակներից պատրաստված էլեկտրական մալուխները սենյակային ջերմաստիճանում երկու կարգով ավելի մեծ էլեկտրական հաղորդունակություն կունենան, քան պղնձե մալուխները: Դա տեխնոլոգիայի խնդիր է, որը հնարավորություն է տալիս արտադրել բավարար երկարությամբ և քանակով խողովակներ,
Նանոկլաստերներ
Շատ նանո-օբյեկտներ ներառում են ծայրահեղ փոքր մասնիկներ, որոնք բաղկացած են տասնյակ, հարյուրավոր կամ հազարավոր ատոմներից: Կլաստերների հատկությունները արմատապես տարբերվում են նույն կազմի նյութերի մակրոսկոպիկ ծավալների հատկություններից։ Նանոկլաստերներից, ինչպես նաև խոշոր շինարարական բլոկներից, հնարավոր է նպատակաուղղված կառուցել նոր նյութեր՝ կանխորոշված հատկություններով և դրանք օգտագործել կատալիտիկ ռեակցիաներում, գազային խառնուրդների առանձնացման և գազերի պահպանման համար: Օրինակներից մեկն է Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4: Մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում անցումային մետաղների, լանտինիդների և ակտինիդների ատոմներից կազմված մագնիսական կլաստերները։ Այս կլաստերներն ունեն իրենց մագնիսական մոմենտը, ինչը հնարավորություն է տալիս վերահսկել դրանց հատկությունները արտաքին մագնիսական դաշտի միջոցով։ Օրինակ է բարձր պտտվող օրգանոմետաղական մոլեկուլը Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4: Այս նրբագեղ դիզայնը բաղկացած է չորս պտտվող 3/2 Mn 4+ իոններից, որոնք տեղակայված են քառաեդրոնի գագաթներում, ութ սպին 2 Mn 3+ իոններից, որոնք շրջապատում են քառաեդրոնը: Մանգանի իոնների փոխազդեցությունն իրականացվում է թթվածնի իոնների միջոցով։ Mn 4+ և Mn 3+ իոնների սպինների հակաֆերոմագնիսական փոխազդեցությունները հանգեցնում են ընդհանուր պտույտի 10-ի, որը բավականին մեծ է: Ացետատի խմբերը և ջրի մոլեկուլները բաժանում են Mn 12 կլաստերները միմյանցից մոլեկուլային բյուրեղում: Կլաստերների փոխազդեցությունը բյուրեղում չափազանց փոքր է: Նանոմագնիսները հետաքրքրություն են ներկայացնում քվանտային համակարգիչների համար պրոցեսորների նախագծման մեջ: Բացի այդ, այս քվանտային համակարգը ուսումնասիրելիս հայտնաբերվել են երկկայունության և հիստերեզի երևույթները։ Եթե հաշվի առնենք, որ մոլեկուլների միջև հեռավորությունը մոտ 10 նանոմետր է, ապա նման համակարգում հիշողության խտությունը կարող է լինել 10 գիգաբայթ մեկ քառակուսի սանտիմետրի համար:
Նանոսարքեր
Նանոխողովակները կարող են հիմք հանդիսանալ հարթ ակուստիկ համակարգերի և հարթ էկրանների, այսինքն՝ ծանոթ մակրոսկոպիկ սարքերի նոր դիզայնի համար: Որոշ նանոսարքեր կարող են ստեղծվել նանոնյութերից, օրինակ՝ նանոշարժիչներ, նանոմանիպուլյատորներ, մոլեկուլային պոմպեր, բարձր խտության հիշողություն և նանոռոբոտների մեխանիզմների տարրեր: Եկեք համառոտ նայենք որոշ նանո սարքերի մոդելներին:
Մոլեկուլային շարժակներ և պոմպեր: Նանո սարքերի մոդելները առաջարկվել են K.E. Դրեքսլերը և Ռ. Մերկլը IMM-ից (Մոլեկուլային արտադրության ինստիտուտ, Պալո Ալտո): Փոխանցման տուփի փոխանցման լիսեռները ածխածնային նանոխողովակներ են, իսկ ատամները՝ բենզոլի մոլեկուլներ։ Անցանցների պտտման բնորոշ արագությունները մի քանի տասնյակ գիգահերց են։ Սարքերը «աշխատում են» կա՛մ խորը վակուումում, կա՛մ սենյակային ջերմաստիճանի իներտ միջավայրում: Սարքը «սառեցնելու» համար օգտագործվում են իներտ գազեր։
Ադամանդի հիշողություն համակարգիչների համար: Բարձր խտության հիշողության մոդելը մշակվել է Չ. Բաուշլիխերը և NASA-ի Ռ. Մերկլը: Սարքի դիզայնը պարզ է և բաղկացած է զոնդից և ադամանդե մակերեսից։ Զոնդը ածխածնային նանոխողովակ է (9, O) կամ (5, 5), վերջանում է C 60 կիսագնդով, որին կցված է C 5 H 5 N մոլեկուլ, ալմաստի մակերեսը ծածկված է ջրածնի ատոմների միաշերտով։ Ջրածնի որոշ ատոմներ փոխարինվում են ֆտորի ատոմներով։ Ադսորբատի միաշերտով պատված ադամանդի մակերևույթի երկայնքով զոնդը սկանավորելիս C 5 H 5 N մոլեկուլը, ըստ քվանտային մոդելների, ի վիճակի է տարբերել կլանված ֆտորի ատոմը կլանված ջրածնի ատոմից: Քանի որ մոտ 1015 ատոմ տեղավորվում է մեկ քառակուսի սանտիմետր մակերեսի վրա, ձայնագրման խտությունը կարող է հասնել 100 տերաբայթի մեկ քառակուսի սանտիմետրի վրա:
Լաբորատոր փորձարարական արդյունքների և նանո սարքերի մոդելների վերը նշված օրինակները նոր մարտահրավեր են ներկայացնում տեսության, հաշվողական ֆիզիկայի, քիմիայի և մաթեմատիկայի համար: Պահանջվում է «տեսանելի» և «ստացված» հասկացությունները: Նանոմետրի չափերի միջակայքում աշխատելու համար անհրաժեշտ է զարգացնել ինտուիցիա: Կրկին լսվում է Ֆաուստի դիտողությունը Վագներին.
«Ի՞նչ է նշանակում հասկանալ.
Սա է հարցը, բարեկամս:
Այս հաշվով մենք լավ չենք գործում»:
Հաշվողական ֆիզիկայի և հաշվողական քիմիայի նոր ոլորտներ
Ավելի քան հիսուն տարի առաջ ատոմային և ջերմամիջուկային խնդիրները, նոր օդանավերի ստեղծման և Երկրի մերձակայքում տարածության ուսումնասիրության խնդիրները ևս մեկ անգամ բարձրացրին Ֆաուստական հարցը ֆիզիկական և քիմիական երևույթների ըմբռնման նոր մակարդակի վերաբերյալ: Այս խնդիրների շուրջ հաջողված աշխատանքը հանգեցրեց առաջացմանն ու զարգացմանը
1) հաշվողական ֆիզիկա, մասնավորապես այնպիսի ոլորտներ, ինչպիսիք են
մագնիսական և ճառագայթային հիդրոդինամիկա,
տիեզերանավի թռիչքի մեխանիկա,
պլազմայի և վերահսկվող ջերմամիջուկային միաձուլման տեսություն;
2) հաշվողական քիմիա այնպիսի բաժիններով, ինչպիսիք են
նյութի վիճակի հավասարման տեսություն,
մոլեկուլային դինամիկա,
քիմիական գործընթացների և ապարատների տեսություն;
3) հաշվողական մաթեմատիկա և համակարգչային գիտություն այնպիսի ոլորտներով, ինչպիսիք են
մաթեմատիկական ֆիզիկայի թվային մեթոդներ,
ավտոմատների տեսություն,
օպտիմալ հսկողություն,
օրինաչափությունների ճանաչում,
փորձագիտական համակարգեր,
ավտոմատ դիզայն.
Տարածական չափերի նանոմետրային մասշտաբով երևույթները դիտարկելու և ուսումնասիրելու լաբորատոր փորձերի ժամանակակից հնարավորությունները և եզակի նյութերի և նանո սարքերի ստեղծման գրավիչ հեռանկարները առաջացնում են նոր տեսական խնդիրներ:
Ես կցանկանայի հասկանալ, թե իրականում ի՞նչ է «նկատվում» սկանավորող թունելային մանրադիտակով:
Ի՞նչ նոր բաներ կարելի է դիտարկել, և ի՞նչ նոր բաներ կարելի է ձեռք բերել նանոհամակարգերում: Իսկ ի՞նչ պայմաններում։
Ինչպե՞ս վերահսկել առանձին ատոմները և ատոմների և մոլեկուլների խմբերը որոշակի նպատակների հասնելու համար: Որո՞նք են այս վերահսկողության սահմանները:
Ինչպե՞ս կազմակերպել նանո սարքերի և եզակի «անթերի» նյութերի ինքնահավաքումը:
Որքանո՞վ է մակրոմիջավայրը «սահմանափակում» նանոհամակարգի քվանտային վիճակները:
Այս խնդիրների կառուցողական լուծման անհրաժեշտությունը հանգեցնում է ինտենսիվ հետազոտությունների՝ ձևավորելով նոր ոլորտներ հաշվողական ֆիզիկայի և հաշվողական քիմիայի մեջ: Եկեք առանձնացնենք նման բաժինները չափագիտության, մեխանիկայի, էլեկտրադինամիկայի, օպտիկայի և ինքնակազմակերպման տեսության մեջ: Այս բաժիններից յուրաքանչյուրում մենք կբացահայտենք մի քանի խնդիր:
Չափագիտության
1. «Սարք-նանոօբյեկտ» համակարգերի համակարգչային մոդելների ստեղծում և չափորոշում:
2. Նանոմետրային չափումների ավտոմատացում և տվյալների բանկերի ստեղծում։
Մեխանիկա
1. Նանոնյութերում և նանոօբյեկտներում մեխանիկական լարումների և դեֆորմացիաների ուսումնասիրություն, շփման անալիզ։
2. Նանոօբյեկտի նպատակային մանիպուլյացիայի ժամանակ զոնդի շարժումների մոդելավորում:
3. Նանոմեխանիզմներում շարժումների մոդելավորում նանոսարքերի համար, նանոմանիպուլյատորների հաշվարկ:
4. Նանոռոբոտների կառավարման համակարգերի մշակում.
Էլեկտրադինամիկա
1. Բազմակետ համակարգերի կողմից ստեղծված ծայրահեղ անհամասեռ էլեկտրամագնիսական դաշտերում ատոմների և մոլեկուլների դինամիկայի մոդելավորում:
2. Նանոնյութերի էլեկտրական և մագնիսական հատկությունների հաշվարկ:
1. Նանոօբյեկտներում լույսի ճառագայթման, տարածման և կլանման մեխանիզմների մոդելավորում.
2. Նանոլազերների և հիբրիդային համակարգերի «զոնդեր + նանոլազեր» հաշվարկ:
Ինքնակազմակերպման տեսություն
1. Նանոկառուցվածքների ինքնահավաքման հիմնարար սկզբունքների ձևակերպում.
2. Համակարգչային ինքնահավաքման ալգորիթմների ստեղծում.
3. Ինքնահավաքման մոդելների որակական վերլուծության հաշվողական ալգորիթմների մշակում:
4. Նանոնյութերի ստեղծման ժամանակ տարածական ժամանակային ինքնակազմակերպման երեւույթների մոդելավորում.
Մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիա և նանոլիտոգրաֆիա
1. Բարակ մետաղական թաղանթների ստեղծում, որոնք հիմք են հանդիսանում բարձրորակ մագնիսական նյութերի համար։
2. Նանոէլեկտրոնիկայի հիմնական տարրերի ձևավորում.
3. Սելեկտիվ կատալիզի կատալիզատորների ստեղծում:
Ուզում եմ ևս մեկ անգամ ընդգծել լաբորատոր փորձի, տեսության և մաթեմատիկական մոդելավորման միջև խիստ հավասարակշռություն պահպանելու անհրաժեշտությունը։ Երբեմն դուք կարող եք լսել հայտարարություններ, որ ճշգրիտ փորձը ներկայումս շատ թանկ է և կարող է փոխարինվել ավելի էժան մաթեմատիկական մոդելավորմամբ: Կա նաև հակառակ դիրքորոշումը, որում նսեմացվում է մաթեմատիկական հետազոտության մեթոդների դերը։ Տարածական չափերի նանոմետրային տիրույթում ոչ տրիվիալ երևույթների ամենապարզ օրինակները ցույց են տալիս արմատական դիրքերի լիակատար անհամապատասխանությունը:
Մետաղական միաբյուրեղների մակերեսի վրա տարածական ժամանակային ինքնակազմակերպման երևույթները
Եկեք դիտարկենք, թե որն է առաջին հայացքից ամենապարզ, բայց, ինչպես պարզվում է, ոչ տրիվիալ խնդիրը։ Ենթադրենք, մենք կցանկանայինք աճեցնել բարձրորակ, միատեսակ մետաղական թաղանթ, ինչպիսին է պլատինե թաղանթը: Դա անելու համար որպես հիմք պետք է վերցնել մեկ բյուրեղի խիտ փաթեթավորված և տարածականորեն համասեռ երեսը և դրա վրա նստեցնել Կնուդսենի բջջի ատոմների շերտը բարձր վակուումային պայմաններում: Ատոմները դուրս են թռչում բջջից, կլանվում են միատարր մակերեսի վրա, գաղթում դրա երկայնքով և ձևավորում նոր շերտ։ Առաջին շերտը կազմելուց հետո դրա վրա ձևավորվում է հաջորդ շերտը և այլն։ Գործընթացը որոշվում է միայն երկու արտաքին հսկողության մակրոպարամետրով՝ մակերեսի ջերմաստիճանը և ատոմների հոսքը դեպի մակերես։ Միայն անհրաժեշտ է ընտրել ատոմների մատակարարման ջերմաստիճանը և արագությունը այնպես, որ նոր ատոմի մատակարարման բնորոշ ժամանակում մակերևույթի երկայնքով գաղթող ատոմը ժամանակ ունենա ինտեգրվելու աճող շերտին: Թվում է, թե ոչինչ ավելի պարզ չէ, քան դասական մաթեմատիկական ֆիզիկայի մոդելների շրջանակներում ֆիլմերի աճի մոդելավորումը։ Պետք է նկարագրել միայն մեկ գործընթաց՝ մուտքային մասնիկների մակերեսային դիֆուզիոն: Դա անելու համար դուք կարող եք օգտագործել երկչափ տարածական տիրույթում հաստատուն աղբյուրի հետ դիֆուզիոն հավասարումը, լրացնել այն համապատասխան սահմանային պայմանով, օրինակ՝ երկրորդ տեսակի միատարր սահմանային պայմանով և կատարել հաշվարկներ: Ակնհայտ է, որ բավական արագ միգրացիայի դեպքում, անկախ սկզբնական պայմաններից, բավական բարձր ճշգրտությամբ կստացվի տարածական միատարր լուծում՝ ժամանակի ընթացքում միապաղաղ աճող։ Այնուամենայնիվ, նման մոդելավորումը բոլորովին չի նկարագրում նոր շերտի աճի գործընթացը և դրա տարածական կառուցվածքը:
Pt/Pt(111) 5 հոմոհամակարգով սկանավորող թունելային մանրադիտակի միջոցով կատարված փորձը ցույց է տալիս (նկ. 9), որ ներծծված պլատինի ատոմները գաղթում են պլատինե միաբյուրեղի (111) դեմքի մակերեսով՝ չհնազանդվելով Ֆիկի օրենքին։ Նրանք կազմում են նոր շերտի կղզիներ՝ տարբեր տարածական կառուցվածքներով՝ կախված մակերեսի ջերմաստիճանից և ատոմների մատակարարման արագությունից։ Սրանք կարող են լինել ֆրակտալ կառուցվածքի չամրացված կղզիներ՝ ֆրակտալով
Նկ.9. Pt/Pt (111)
Բրինձ. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; բ - Co 2 Re; գ - Co 3 Re
1,78 չափսով (նկ. 9ա) կամ պլատոնական ձևերով կոմպակտ կղզիներ՝ կանոնավոր եռանկյունների (նկ. 9բ, 9դ) և վեցանկյունների (նկ. 9գ) տեսքով և բյուրեղագրական առանցքների նկատմամբ նույնական կողմնորոշված։ Այսպիսով, 400 Կ ջերմաստիճանի դեպքում եռանկյունների գագաթները նայում են «ներքև» (նկ. 9b): 455 Կ ջերմաստիճանի դեպքում աճող կղզիները ստանում են կանոնավոր վեցանկյունների ձև (նկ. 9c): Ավելի բարձր ջերմաստիճանի դեպքում կղզիների կանոնավոր եռանկյունաձև ձևը կրկին ձևավորվում է, բայց այս անգամ նրանց գագաթները ուղղված են «վերև» (նկ. 9դ): Եռանկյուն կղզիների ձևն ու կողմնորոշումը կայուն են։ Ատոմների հետագա մատակարարումը հանգեցնում է եռաչափ աճի ռեժիմի, որի արդյունքում աճող շերտը միշտ ոչ միատարր է և ունի բրգաձև եռաչափ կառուցվածք։
Աճի բնույթը առաջացնում է առնվազն երկու հիմնարար հարց.
Ինչպե՞ս տեսականորեն նկարագրել ամենապարզ համակարգի ոչ տրիվիալ դինամիկ վարքը:
Որո՞նք են համակարգը վերահսկելու ուղիները՝ շերտ առ շերտ աճ ապահովելու և բարձրորակ, տարածական միատեսակ շերտ ստեղծելու համար:
Նմանատիպ հարցեր առաջանում են հետերոհամակարգերում, երբ մեկ մետաղի մակերեսին աճեցվում է մեկ այլ մետաղի թաղանթ: Այսպիսով, պլատինի վրա արծաթե թաղանթ աճեցնելու դեպքում կարելի է դիտարկել ֆրակտալ և դենդրիտ կառուցվածքների կղզիներ, կղզիներ՝ եռափայլ Մերսեդեսի աստղի տեսքով և տարածական ժամանակային ինքնակազմակերպման այլ երևույթներ, որոնք ուղեկցում են անհավասար եռաչափին։ մետաղի բարակ թաղանթի աճ: Ռենիումի միաբյուրեղի միատարր երեսի (0001) վրա կոբալտային թաղանթի աճի դեպքում ձևավորվում են տարբեր ստոյքիոմետրիայով և համապատասխանաբար տարածական կառուցվածքով մակերեսային համաձուլվածքներ՝ CoRe (նկ. 10ա), Co 2 Re (նկ. 10բ): ), Co 3 Re (նկ. 10c) և մակերեսային ոչ տրիվիալ կառուցվածք: Նկ.-ում ներկայացված նկարազարդումներում: 10, կարելի է տեսնել, որ մեծ շրջանակները (ռենիումի ատոմները) շրջապատված են տարբեր թվով փոքր շրջանակներով (կոբալտի ատոմներ): Այս համաձուլվածքները հետաքրքիր մագնիսական հատկություններ ունեն։
Չի կարելի չանդրադառնալ ևս մեկ պարադոքսալ երևույթի՝ խոշոր կոմպակտ կլաստերների անոմալ բարձր շարժունակությանը: Հետևելով ուշագրավ փորձարարական աշխատանքի հեղինակներին, մենք դիտարկում ենք կանոնավոր ձևի կոմպակտ կլաստեր, որը բաղկացած է իրիդիումի ատոմների «կախարդական» թվից N = 1 + 3n(n - 1), n = 2, 3, ... , օրինակ N = 19, խիտ փաթեթավորված դեմքի (111) իրիդիումի մակերեսին։ Թվում է, որ երկու տասնյակ ատոմներ պարունակող կլաստերի շարժունակությունը պետք է լինի շատ կարգով ավելի փոքր, քան մեկ ատոմի շարժունակությունը, քանի որ ատոմների միգրացիան պատահական գործընթաց է թվում: Փորձը պարզեց, որ «ճիշտ» կլաստերների միգրացիայի արագությունը համեմատելի է մեկ ատոմի միգրացիայի արագության հետ: Կլաստերային ատոմների կոլեկտիվ շարժման այս հետևանքը պահանջում է մանրամասն տեսական նկարագրություն և մաթեմատիկական մոդելավորում։ Նման վերլուծության արդյունքները էական հետաքրքրություն են ներկայացնում Մոնտե Կառլոյի դինամիկ մեթոդի և ոչ իդեալական շերտի կինետիկ հավասարումների համար նախնական էքսպոնենցիալների և արդյունավետ միգրացիայի ակտիվացման էներգիաների հաշվարկման ժամանակ: Իմանալով միգրացիայի փաստացի տեմպերը՝ կարելի է ճիշտ գնահատել նանոմաշտաբի կառույցների կյանքի տևողությունը։
Կարիք չկա ընթերցողին համոզել, որ լաբորատոր փորձի թվարկված արդյունքները ցույց են տալիս մաթեմատիկական ֆիզիկայի դասական մոդելների մշակման անհրաժեշտությունը։ Նանոօբյեկտներ ուսումնասիրելիս, որտեղ դա պահանջվում է, պետք է հրաժարվել շարունակական միջավայրի գաղափարից, որը ընկած է մաթեմատիկական ֆիզիկայի մոդելների ճնշող մեծամասնության հիմքում: Իներցիայով մոդելավորումը՝ առանց լաբորատոր փորձի արդյունքները հաշվի առնելու, հանգեցնում է բոլորովին սխալ արդյունքների։ Ակնհայտ է նաև մաթեմատիկական ֆիզիկայի նոր ժամանակակից դասընթացի անհրաժեշտությունը, որը հաշվի կառնի նանոօբյեկտների առանձնահատկությունները։ Այս դասընթացում, մասնավորապես, պետք է ուշադրություն դարձնել
Բրինձ. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
դիսկրետ մաթեմատիկայի մեթոդներ, թվային կոմբինատորիկա, խմբերի տեսություն։
Բաց ոչ իդեալական համակարգերի ոչ տրիվիալ դինամիկ վարքագծի ավելի բարդ օրինակներ բերված են ազնիվ մետաղների միաբյուրեղների առանձին երեսների վրա տարասեռ կատալիզի մոդելային ռեակցիաներով (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) ցածր մասնակի ճնշումների դեպքում գազային փուլում: Սրանք ածխածնի մոնօքսիդի (CO) օքսիդացման ռեակցիաներն են թթվածնի հետ (O 2), ինչպես նաև ազոտի մոնօքսիդի (NO) վերականգնումը ջրածնի (H 2), ամոնիակի (NH 3) և ածխածնի օքսիդի հետ։ Թվարկված ռեակցիաները էական դեր են խաղում ներքին այրման շարժիչների և ջերմաէլեկտրակայանների հետայրման թունավոր արտանետումների (NO, CO և այլն) բնապահպանական խնդրի մեջ: Վերջին տարիներին կատարված հետազոտությունները բացահայտել են այս համակարգերի հետաքրքրաշարժ նանո- և մեզոդինամիկան: Հայտնաբերվել են կարգի-անկարգությունների փուլային անցումներ, որոնք ուղեկցվում են ադսորբատային միաշերտում գերկառուցվածքների ձևավորմամբ, փուլային անցումներով, ինչպիսիք են փուլային տարանջատումը, մեկ բյուրեղային երեսների մակերևույթի ինքնաբուխ և ադսորբատային վերակառուցումը և կատալիզատորի կոռոզիան: Տարածական ժամանակային ինքնակազմակերպման գործընթացները, որոնք տեղի են ունենում նանոմետրի չափի մասշտաբով, սերտորեն կապված են նմանատիպ երևույթների հետ, որոնք դիտվում են արտանետման ֆոտոէլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով միկրոմետրային տիրույթում: Նման երևույթները ներառում են միկրոմետրային մասշտաբի պարուրաձև, կանգնած և ձգանման ալիքներ, կրկնակի մետակայունություն և քիմիական տուրբուլենտություն։ Նկար 11-ը ցույց է տալիս տարածական ժամանակային ինքնակազմակերպման ուսումնասիրության արդյունքները ածխածնի մոնօքսիդի օքսիդացման ռեակցիայի մեջ Pt(210) մեկ բյուրեղի երեսին` արտանետվող ֆոտոէլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով: Յուրաքանչյուր շրջանակ (380 x 380 մմ) ցույց է տալիս ներծծված CO մոլեկուլների (թեթև տարածքներ) և թթվածնի ատոմների (մուգ տարածքներ) տարածական բաշխումը կատալիզատորի մակերեսի վրա՝ գազի ֆազում CO-ի և թթվածնի մասնակի ճնշման տարբեր արժեքների համար՝ հաստատուն: մակերեսի ջերմաստիճանը. Հստակ տեսանելի են պարուրաձև ալիքները և փուլային անցման ավտոալիքները, ինչպիսիք են փուլային տարանջատումը, կրկնակի մետակայունության երևույթները և այլն:
1 Ատոմի չափը նանոմետրի մի քանի տասներորդն է:
2 Սարքերի նկարագրությունը և դրանց շահագործման սկզբունքները պարունակվում են.
3 Բնական թվերի զույգը (m, n) սահմանում է քիրալության վեկտորը գրաֆիտի թերթիկի հարթությունում: Նանոխողովակի առանցքը ուղղահայաց է քիրալության վեկտորին: Այսպիսով, (n, n) ((n, 0)) կետում խողովակի առանցքը զուգահեռ է (ուղղահայաց) կանոնավոր վեցանկյան կողմին:
4 BDC հապավումը նշանակում է benzenedicarboxyl, իսկ DMF նշանակում է դիմեթիլֆորմամիդ:
5 Փակագծերում նշված թվերը ցույց են տալիս միաբյուրեղային ենթաշերտի դեմքի Միլլերի ցուցանիշները:
Հիմնական տեխնոլոգիաները և նյութերը միշտ էլ մեծ դեր են խաղացել քաղաքակրթության պատմության մեջ՝ կատարելով ոչ միայն նեղ արտադրական, այլև սոցիալական գործառույթներ։ Բավական է հիշել, թե որքան տարբեր են եղել քարի և բրոնզի դարերը, գոլորշու և էլեկտրականության, ատոմային էներգիայի և համակարգիչների դարերը։ Շատ փորձագետների կարծիքով՝ 21-րդ դարը լինելու է նանոգիտության և նանոտեխնոլոգիայի դար, որն էլ կորոշի նրա դեմքը։
Նանոգիտությունը կարող է սահմանվել որպես նանոմետրային մասշտաբով նյութի վարքագծի վերաբերյալ գիտելիքների մի ամբողջություն, իսկ նանոտեխնոլոգիան կարող է սահմանվել որպես կոտորակներից մինչև հարյուրավոր նանոմետր չափերով առարկաներ ստեղծելու և գործարկելու արվեստ (առնվազն մեկ կամ երկուսում): եռաչափ):
Նանոտեխնոլոգիայի հիմնական բաղադրիչները ներկայացված են Նկ. 2.1. Դրա հիմնարար հիմքը արհեստական և բնական ծավալների ֆիզիկան, քիմիան և մոլեկուլային կենսաբանությունն է, որը բաղկացած է հաշվելի թվով ատոմներից, այսինքն. այնպիսի առարկաներ, որոնցում բոլոր հատկությունների մեծ կախվածությունը իրենց չափերից (չափի էֆեկտները), նյութի դիսկրետ ատոմային-մոլեկուլային կառուցվածքը և/կամ նրա վարքագծի քվանտային օրենքներն արդեն իսկ զգալի չափով դրսևորվում են։
Նանոտեխնոլոգիայի մեկ այլ կարևոր բաղադրիչ է նպատակաուղղված կերպով ստեղծելու կամ բնության մեջ գտնելու նանոկառուցվածքային նյութեր և նախապես որոշված հատկություններով առարկաներ: Նանոտեխնոլոգիայի հաջորդ բաղադրիչը
Պատրաստի արտադրանքի, բազմաբաղադրիչ արտադրանքի ստեղծում՝ սպառողական նոր որակներով և նպատակներով (բարձր հզորությամբ հիշողություն, գերարագ պրոցեսորներ, խելացի նանորոբոտներ և այլն): Վերջապես, արտադրության և օգտագործման բոլոր փուլերում նանոարտադրանքների և նանոկառուցվածքային նյութերի վերահսկման, հավաստագրման և հետազոտման միջոցները նույնպես նանոտեխնոլոգիայի անհրաժեշտ բաղադրիչն են:
Արդեն տասնյակ խոշոր ծրագրեր են իրականացվում նանոգիտության և նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում աշխարհի բոլոր զարգացած երկրներում։ Նանոտեխնոլոգիաներն օգտագործվում են հասարակության համար այնպիսի կարևոր ոլորտներում, ինչպիսիք են առողջապահությունը և բժշկությունը, կենսատեխնոլոգիան և շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը, պաշտպանությունը և տիեզերագնացությունը, էլեկտրոնիկան և համակարգչային տեխնոլոգիաները, քիմիական և նավթաքիմիական արտադրությունը, էներգիան և տրանսպորտը: Ներդրումների և նանոտեխնոլոգիայի ներդրման աճի տեմպերն աշխարհի արդյունաբերական զարգացած երկրներում այժմ շատ բարձր են, և առաջիկա 10-20 տարում դա կորոշի հասարակության տնտեսական զարգացման մակարդակը և մեծապես սոցիալական առաջընթացը:
Այս հեռանկարը նոր մարտահրավերներ է դնում ողջ կրթական համակարգի համար, առաջին հերթին՝ մասնագիտական: Քանի որ նանոտեխնոլոգիան ենթադրում է ֆունդամենտալ գիտելիքների և նանոկառուցվածքային նյութերի և պատրաստի արտադրանքի արտադրության բարձր տեխնոլոգիական մեթոդների ինտեգրում, արևմտյան համալսարաններում միտում է նկատվել կրճատելու ինչպես «մաքուր» ֆիզիկոսների, մաթեմատիկոսների, քիմիկոսների, կենսաբանների, և ավանդական ոլորտների ինժեներներ՝ մետալուրգներ, մեխանիկներ, էներգետիկ ճարտարագետներ, տեխնոլոգներ, ինչպես նաև ֆիզիկական նյութերի գիտության և նանոտեխնոլոգիայի բնագավառում «սինթետիկ» մասնագիտությունների մասնաբաժնի ավելացում։
Վերջին մի քանի տարիների ընթացքում նանոխնդիրների վերաբերյալ շուրջ 10 հազար հոդված է տպագրվել համաշխարհային պարբերականներում, իսկ մոտ մեկ տասնյակ ամսական մասնագիտացված ամսագրեր սկսել են տպագրվել նանոգիտության որոշ ոլորտներում։
Այսպիսով, հիմա ի՞նչ ենք հասկանում նանոտեխնոլոգիա ասելով: «Նանո» տասնորդական նախածանցն ինքնին նշանակում է ինչ-որ բանի միլիարդերորդ մասը: Այսպիսով, զուտ ֆորմալ առումով, այս գործունեության շրջանակը ներառում է R բնորոշ չափսերով օբյեկտներ (առնվազն մեկ կոորդինատի երկայնքով), որը չափվում է նանոմետրերով (1 նմ = 10-9 մ = 10E):
Իրականում դիտարկվող առարկաների և երևույթների շրջանակը շատ ավելի լայն է՝ սկսած առանձին ատոմներից (Ռ< 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.
Միամտություն կլինի կարծել, որ մինչև նանոտեխնոլոգիայի դարաշրջանի գալուստը մարդիկ չեն հանդիպել և օգտագործել նանոմաշտաբով առարկաներ և գործընթացներ: Այսպիսով, կենսաքիմիական ռեակցիաները մակրոմոլեկուլների միջև, որոնք կազմում են բոլոր կենդանի էակները, լուսանկարչական պատկերներ ստանալը, քիմիական արտադրության մեջ կատալիզացումը, գինու, պանրի, հացի և այլնի արտադրության մեջ խմորման գործընթացները տեղի են ունենում նանոմակարդակում: Այնուամենայնիվ, «ինտուիտիվ նանոտեխնոլոգիան», որն ի սկզբանե զարգանում էր ինքնաբերաբար, առանց օգտագործվող առարկաների և գործընթացների բնույթի պատշաճ ըմբռնման, ապագայում չի կարող հուսալի հիմք հանդիսանալ: Հետևաբար, հիմնարար հետազոտությունները, որոնք ուղղված են սկզբունքորեն նոր տեխնոլոգիական գործընթացների և արտադրանքի ստեղծմանը, առաջնային նշանակություն ունեն: Թերևս նանոտեխնոլոգիան կկարողանա փոխարինել որոշ հնացած և անարդյունավետ տեխնոլոգիաներ, բայց, այնուամենայնիվ, նրա հիմնական տեղը նոր ոլորտներում է, որտեղ սկզբունքորեն անհնար է հասնել պահանջվող արդյունքների ավանդական մեթոդներով:
Այսպիսով, մակրոմակարդակի միջև հսկայական և դեռևս վատ զարգացած անջրպետում, որտեղ գործում են շարունակական միջավայրերի և հաշվարկման և նախագծման ինժեներական մեթոդների լավ զարգացած տեսությունները, և ատոմայինները, որոնք ենթարկվում են քվանտային մեխանիկայի օրենքներին, կա ընդարձակ մեզոհիերարխիկ: նյութի կառուցվածքի մակարդակը (տեխոս՝ միջին, միջանկյալ հունարենով)։ Այս մակարդակում կենսաքիմիական կենսաքիմիական գործընթացները տեղի են ունենում ԴՆԹ-ի, ՌՆԹ-ի, սպիտակուցների, ֆերմենտների և ենթաբջջային կառուցվածքների մակրոմոլեկուլների միջև, որոնք պահանջում են ավելի խորը ընկալում: Միևնույն ժամանակ, այստեղ արհեստականորեն կարող են ստեղծվել աննախադեպ ապրանքներ և տեխնոլոգիաներ, որոնք կարող են արմատապես փոխել ողջ մարդկային համայնքի կյանքը։ Միևնույն ժամանակ, հումքի և էներգիայի, ինչպես նաև դրանց փոխադրման միջոցների մեծ ծախսեր չեն պահանջվի, կկրճատվեն թափոնների և շրջակա միջավայրի աղտոտվածության քանակը, իսկ աշխատանքը կդառնա ավելի խելացի և առողջ։
Դասախոսություն թիվ 19
Նանոտեխնոլոգիան վերջին տարիներին դարձել է ֆիզիկայի, քիմիայի, կենսաբանության և ճարտարագիտական գիտությունների առաջնագծում գտնվող գիտելիքի ամենակարևոր և հետաքրքիր ոլորտներից մեկը: Այն մեծ հույսեր է կապում գործունեության բազմաթիվ ոլորտներում տեխնոլոգիական զարգացման վաղ առաջընթացի և նոր ուղղությունների վրա: Այս նոր մոտեցման լայնածավալ կիրառումը հեշտացնելու և արագացնելու համար կարևոր է ունենալ ընդհանուր ըմբռնում և որոշակի կոնկրետ գիտելիքներ, որոնք, մի կողմից, կլինեն մանրամասն և բավական խորը թեման մանրամասնորեն լուսաբանելու համար, և միևնույն ժամանակ. ժամանակ, բավականաչափ մատչելի և ամբողջական, որպեսզի օգտակար լինի մասնագետների լայն շրջանակի համար, ովքեր ցանկանում են ավելին իմանալ խնդրի էության և այս ոլորտում հեռանկարների մասին:
Նանոտեխնոլոգիայի նկատմամբ ներկայիս լայն հետաքրքրությունը սկսվում է 1996 - 1998 թվականներին, երբ կառավարական հանձնաժողովը, որը աջակցում էր Համաշխարհային տեխնոլոգիաների գնահատման կենտրոնին (WTEC), որը ֆինանսավորվում է ԱՄՆ Ազգային գիտական հիմնադրամի և այլ դաշնային գործակալությունների կողմից, ձեռնարկեց հետազոտությունների և գլոբալ փորձի ուսումնասիրություն: ոլորտում զարգացում Նանոտեխնոլոգիաներ՝ դրանց տեխնոլոգիական նորարարական ներուժը գնահատելու նպատակով։ Նանոտեխնոլոգիան հիմնված է այն հասկացողության վրա, որ 100 նանոմետրից փոքր մասնիկները (նանոմետրը մետրի մեկ միլիարդերորդն է) նոր հատկություններ և վարքագիծ են հաղորդում դրանցից պատրաստված նյութերին: Դա պայմանավորված է նրանով, որ բնորոշ երկարությունից փոքր չափսերով առարկաները (որը որոշվում է տվյալ երևույթի բնույթով) հաճախ ցուցադրում են տարբեր ֆիզիկա և քիմիա, ինչը հանգեցնում է այսպես կոչված չափի էֆեկտների՝ նոր վարքագծի՝ կախված մասնիկների չափից: Օրինակ, էլեկտրոնային կառուցվածքի, հաղորդունակության, ռեակտիվության, հալման կետի և մեխանիկական բնութագրերի փոփոխությունները նկատվել են կրիտիկականից պակաս մասնիկների չափերով: Վարքագծի կախվածությունը մասնիկների չափից հնարավորություն է տալիս նույն սկզբնական ատոմներից նախագծել նոր հատկություններով նյութեր։
WTEC-ը եզրակացրեց, որ այս տեխնոլոգիան հսկայական ներուժ ունի օգտագործելու չափազանց մեծ և բազմազան կիրառական կիրառություններում՝ սկսած ավելի ամուր և թեթև կառուցվածքային նյութեր արտադրելուց մինչև շրջանառության համակարգ նանոկառուցվածքային դեղերի առաքման ժամանակի կրճատում, մագնիսական միջավայրերի հզորության ավելացում և ստեղծում: գործարկիչներ արագ համակարգիչների համար: Այս և հետագա հանձնաժողովների կողմից արված առաջարկությունները հանգեցրել են վերջին տարիներին նանոգիտության և նանոտեխնոլոգիայի զարգացման համար շատ մեծ միջոցների յուրացման: Միջառարկայական հետազոտություններն ընդգրկել են թեմաների լայն շրջանակ՝ նանոմասնիկների կատալիզացիայի քիմիայից մինչև քվանտային կետերի լազերների ֆիզիկա: Արդյունքում, նանոտեխնոլոգիայի զարգացումների ավելի լայն հեռանկարներն ու հետևանքները գնահատելու և այս հետաքրքիր նոր ոլորտում ներդրում ունենալու համար հասկացվեց, որ հետազոտողները պետք է պարբերաբար դուրս գան իրենց նեղ փորձագիտական դաշտից: Տեխնիկական ղեկավարները, փորձագետները և ֆինանսական որոշումներ կայացնողները պետք է հասկանան առարկաների շատ լայն շրջանակ:
Նանոտեխնոլոգիան ընկալվել է ոչ միայն որպես բարձր տեխնոլոգիաների ամենահեռանկարային ճյուղերից մեկը, այլ նաև որպես համակարգ ձևավորող գործոն 21-րդ դարի տնտեսության մեջ՝ գիտելիքի վրա հիմնված տնտեսություն, այլ ոչ թե բնական ռեսուրսների կամ դրանց օգտագործման։ վերամշակում։ Բացի այն, որ նանոտեխնոլոգիան խթանում է նոր պարադիգմի զարգացումը բոլոր արտադրական գործունեության համար («ներքևից վեր»՝ առանձին ատոմներից մինչև արտադրանք, և ոչ «վերևից ներքև», ինչպես ճառագայթային տեխնոլոգիայում, որտեղ արտադրանքը ստացվում է ավելի զանգվածային պատրաստուկներից ավելորդ նյութը կտրելու միջոցով), այն ինքնին նոր մոտեցումների աղբյուր է կենսամակարդակի բարելավման և հետինդուստրիալ հասարակության բազմաթիվ սոցիալական խնդիրների լուծման համար։ Գիտական և տեխնոլոգիական քաղաքականության և ներդրումների ոլորտի փորձագետների մեծամասնության կարծիքով, նանոտեխնոլոգիական հեղափոխությունը, որը սկսվել է, կընդգրկի մարդկային գործունեության բոլոր կենսական ոլորտները (տիեզերական հետազոտությունից մինչև բժշկություն, ազգային անվտանգությունից մինչև էկոլոգիա և գյուղատնտեսություն), և դրա հետևանքները կլինեն. ավելի լայն և խորը, քան 20-րդ դարի վերջին երրորդի համակարգչային հեղափոխությունները։ Այս ամենը մարտահրավերներ և հարցեր է առաջացնում ոչ միայն գիտատեխնիկական ոլորտում, այլև տարբեր մակարդակների ադմինիստրատորների, պոտենցիալ ներդրողների, կրթության ոլորտի և պետական կառույցների համար։ կառավարում և այլն։
Վերջին տարիներին բավական թվով հրապարակումներ են հայտնվել՝ նվիրված նանոնյութերի և նանոտեխնոլոգիայի տեսական խնդիրներին, հատկություններին և գործնական կիրառություններին: Մասնավորապես, այս թեման լայնորեն ներկայացված է գրքում հեղինակներ Ք.Փուլի և կրտսեր Ֆ. Օուենս, Նանոտեխնոլոգիա, թարգմ. անգլերենից, 2-րդ, ընդլայնված հրատարակություն, խմբ. «Տեխնոսֆերա», Մ., 2006, 335 էջ. Հեղինակները նշում են, որ թեև այս գիրքն ի սկզբանե նախատեսված էր որպես նանոտեխնոլոգիայի ներածություն, այս գիտության բուն բնույթի պատճառով այն վերածվել է նանոտեխնոլոգիայի որոշակի ոլորտների ներածության, որոնք, ըստ երևույթին, բնորոշում են այն: Զարգացման արագ տեմպերի և միջդիսցիպլինար բնույթի պատճառով անհնար է առարկայի իսկապես համապարփակ ներկայացում ապահովել: Ներկայացված թեմաներն ընտրվել են՝ հիմնվելով խնդրի ըմբռնման ձեռք բերված խորության, դրանց ներուժի շրջանակի կամ տեխնոլոգիայի մեջ առկա կիրառությունների վրա: Շատ գլուխներ քննարկում են ներկա և ապագա հնարավորությունները: Գրականության հղումներ են տրամադրվում նրանց համար, ովքեր ցանկանում են ավելին իմանալ այն կոնկրետ ոլորտների մասին, որոնցում մշակվում է այս տեխնոլոգիան:
Հեղինակները փորձել են ներածություն տրամադրել նանոտեխնոլոգիայի թեմային, որը գրված է այնպիսի մակարդակով, որպեսզի տարբեր ոլորտների հետազոտողները կարողանան գնահատել ոլորտի զարգացումները իրենց մասնագիտական հետաքրքրություններից դուրս, իսկ տեխնիկական ղեկավարներն ու մենեջերները կարողանան ընդհանուր պատկերացում կազմել այդ թեմայի վերաբերյալ: Թերևս այս գիրքը կարող է օգտագործվել որպես նանոտեխնոլոգիայի համալսարանական դասընթացի հիմք: Բազմաթիվ գլուխներ ներկայացնում են ներածություն քննարկված ոլորտների հիմքում ընկած ֆիզիկական և քիմիական սկզբունքներին: Այսպիսով, շատ գլուխներ ինքնամփոփ են և կարող են ուսումնասիրվել միմյանցից անկախ: Այսպիսով, Գլուխ 2-ը սկսվում է զանգվածային նյութերի հատկությունների համառոտ ակնարկով, որն անհրաժեշտ է հասկանալու համար, թե ինչպես և ինչու են փոխվում նյութերի հատկությունները, քանի որ դրանց կառուցվածքային միավորների չափերը մոտենում են նանոմետրին: Նանոտեխնոլոգիայի նման արագ զարգացման կարևոր խթան հանդիսացավ նոր գործիքների ստեղծումը (օրինակ՝ սկանավորող թունելային մանրադիտակը), որը հնարավորություն տվեց տեսնել նյութերի մակերեսի վրա նանոմետրի չափի հատկանիշներ։ Հետևաբար, Գլուխ 3-ը նկարագրում է ամենակարևոր գործիքային համակարգերը և տրամադրում է նանոնյութերի չափումների նկարազարդումներ: Մնացած գլուխները դիտարկում են խնդրի այլ ասպեկտներ: Գիրքն ընդգրկում է խնդիրների և թեմաների շատ լայն շրջանակ՝ էֆեկտներ՝ կապված նանոգիտության և տեխնիկայի օբյեկտների չափերի և չափերի հետ, նանոկառուցվածքային նյութերի մագնիսական, էլեկտրական և օպտիկական հատկություններ, դրանց պատրաստման և հետազոտության մեթոդներ, ինքնակազմակերպում և կատալիզացում նանոկառուցվածքներում։ , նանոբիոտեխնոլոգիա, ինտեգրված նանոէլեկտրամեխանիկական սարքեր, ֆուլերիտներ, նանոխողովակներ և շատ ավելին: Նկարագրված են նանոկառուցվածքների և նանոօբյեկտների ուսումնասիրման և հավաստագրման մի շարք ժամանակակից մեթոդներ՝ էլեկտրոնային և իոնադաշտային մանրադիտակ, օպտիկական, ռենտգենյան և մագնիսական սպեկտրոսկոպիա։
Միաժամանակ ակնհայտ են նաև առանձին բաժինների կառուցվածքի և բովանդակության բացերը։ Այսպիսով, նանոէլեկտրոնիկայի, սպինտրոնիկայի կամ քվանտային հաշվարկների և համակարգիչների վերաբերյալ նոր գաղափարներ գրեթե չկան: Նրանց մեծ մասը նույնիսկ չի նշվում։ Բացարձակապես անբավարար ուշադրություն է դարձվել հետազոտության, որակավորման, լիտոգրաֆիայի և ատոմային-մոլեկուլային նախագծման չափազանց հզոր և տարածված զոնդային սկանավորման մեթոդներին: Այս խնդիրներին նվիրված մի փոքրիկ պարբերություն լիովին անհամաչափ է զոնդային նանոտեխնոլոգիայի դերին և տեղին: Շատ համեստ տեղ է հատկացվում թույլ գերհաղորդականությանը և դրա հիման վրա շատ հեռանկարային սարքերին։ Թաղանթները և հետերկառուցվածքները, որոնք կարևոր դեր են խաղում ժամանակակից հարթ էլեկտրոնիկայի, գերկարծր և մաշվածության դիմացկուն ծածկույթների և այլնի մեջ, ներկայացված են սակավ, ինչի հետևանքով չկան նյութեր, որոնք ծածկում են այդ կառույցների հավաստագրման մեթոդները, մասնավորապես, մեխանիկական հատկությունները բնութագրող: բարակ շերտերից և նանոծավալներից՝ օգտագործելով տեղական ուժային նանոփորձարկման մեթոդները (նանոինտենտացիա), tion, nanoscrubbing և այլն):
Նաև նշում ենք, որ ոչ մի տեղ չի տրվում նանոտեխնոլոգիայի առարկաների և գործընթացների համակարգվածություն, ինչի արդյունքում անփորձ ընթերցողը մնում է անհասկանալի, թե թեմայի որ հատվածին նա կկարողանա ծանոթանալ այս գիրքը կարդալուց հետո։
Չնայած վերը նշված թերություններին, ընդհանուր առմամբ, գիրքը կարող է օգտակար համարվել ընթերցողների լայն շրջանակի, այդ թվում՝ ֆիզիկայի, քիմիայի և նյութագիտության ուսանողների համար: Վերջինս առավել արդիական է, քանի որ նանոտեխնոլոգիայի վերաբերյալ ուսումնական գրականությունը ռուսերենով գրեթե բացակայում է, և դրա անհրաժեշտությունը մեծ է 2003թ.-ին Ռուսաստանի 12 բուհերում սկսված նանոնյութերի և նանոէլեկտրոնիկայի մասնագետների վերապատրաստման շնորհիվ:
Հեղինակների ոչ բոլոր տեսակետներն ու մեկնաբանությունները կարող են անվերապահորեն համաձայնվել: Սակայն տեքստը մեծ թվով մեկնաբանություններով, լրացումներով ու քննադատություններով չխճճվելու համար թարգմանության և խմբագրման ընթացքում վերացվել են միայն ակնհայտ սխալները, անհամապատասխանությունները և տառասխալները։
Գրքի գրման և ռուսերեն վերահրատարակման ընթացքում հրատարակվել են բազմաթիվ օգտակար գրքեր, որոնցից մի քանիսը ներկայացված են ստորև։ Օգտագործելով դրանք՝ հետաքրքրված ընթերցողը կարող է ավելի խորությամբ ծանոթանալ առանձին բաժիններին և ընդհանուր առմամբ նանոտեխնոլոգիայի համայնապատկերին։
Նանոնյութերը պայմանականորեն ներառում են կառուցվածքային տարրեր պարունակող ցրված և զանգվածային նյութեր (հատիկներ, բյուրեղներ, բլոկներ, կլաստերներ և այլն), որոնց երկրաչափական չափերը առնվազն մեկ հարթությունում չեն գերազանցում 100 նմ, և որոնք ունեն որակապես նոր գործառական և կատարողական բնութագրեր: Նանոտեխնոլոգիաները ներառում են տեխնոլոգիաներ, որոնք ապահովում են նանոնյութերը վերահսկվող եղանակով ստեղծելու և փոփոխելու, ինչպես նաև դրանք ամբողջությամբ գործող ավելի լայնածավալ համակարգերում ինտեգրելու հնարավորություն: Նանոնյութերի և նանոտեխնոլոգիաների գիտության հիմնական բաղադրիչներից են հետևյալը.
Նանոմաշտաբով նյութերի հատկությունների հիմնարար հետազոտություն;
նանոտեխնոլոգիաների մշակում նանոնյութերի նպատակային ստեղծման համար, ինչպես նաև նանոկառուցվածքային տարրերով բնական օբյեկտների որոնում և օգտագործում, նանոնյութերի օգտագործմամբ պատրաստի արտադրանքի ստեղծում և արդյունաբերության և գիտության տարբեր ճյուղերում նանանյութերի և նանոտեխնոլոգիաների ինտեգրում.
նանոնյութերի կառուցվածքի և հատկությունների ուսումնասիրման միջոցների և մեթոդների, ինչպես նաև նանոտեխնոլոգիայի արտադրանքի և կիսաֆաբրիկատների մոնիտորինգի և սերտիֆիկացման մեթոդների մշակում։
21-րդ դարը նշանավորվեց նանոտեխնոլոգիայի և նանոնյութերի զարգացման մեջ հեղափոխական սկիզբով։ Դրանք արդեն կիրառվում են աշխարհի բոլոր զարգացած երկրներում մարդկային գործունեության առավել նշանակալից ոլորտներում (արդյունաբերություն, պաշտպանություն, տեղեկատվական ոլորտ, ռադիոէլեկտրոնիկա, էներգետիկա, տրանսպորտ, կենսատեխնոլոգիա, բժշկություն): Ներդրումների աճի, այս թեմայով հրապարակումների քանակի և հիմնարար և հետախուզական զարգացումների իրականացման տեմպերի վերլուծությունը թույլ է տալիս եզրակացնել, որ առաջիկա 20 տարում նանոտեխնոլոգիաների և նանոնյութերի կիրառումը կլինի գիտության որոշիչ գործոններից մեկը։ , պետությունների տնտեսական և պաշտպանական զարգացում։ Ներկայումս անընդհատ աճում է հետաքրքրությունը նյութերի նոր դասի նկատմամբ ինչպես հիմնարար, այնպես էլ կիրառական գիտության, արդյունաբերության և բիզնեսի ոլորտում: Դա պայմանավորված է հետևյալ պատճառներով.
արտադրանքը մանրացնելու ցանկություն,
նյութերի եզակի հատկություններ նանոկառուցվածքային վիճակում,
որակապես և քանակապես նոր հատկություններով նյութերի մշակման և ներդրման անհրաժեշտությունը,
նոր տեխնոլոգիական տեխնիկայի և մեթոդների մշակում՝ հիմնված ինքնակազմակերպման և ինքնակազմակերպման սկզբունքների վրա,
Նանոնյութերի հետազոտության, ախտորոշման և ձևափոխման ժամանակակից գործիքների գործնական ներդրում (սկանային զոնդի մանրադիտակ),
նոր տեխնոլոգիաների մշակում և ներդրում, որոնք ներկայացնում են լիտոգրաֆիայի գործընթացների հաջորդականություն, նանոփոշիներ արտադրելու տեխնոլոգիաներ։
Նանոկառուցվածքային հետազոտությունների ուղղությունը գրեթե ամբողջությամբ տեղափոխվել է նանոբյուրեղային նյութերի և նյութերի արտադրությունից և ուսումնասիրությունից դեպի նանոտեխնոլոգիայի ոլորտ, այսինքն՝ նանո չափսի տարրերով արտադրանքների, սարքերի և համակարգերի ստեղծում: Նանոմաշտաբով տարրերի կիրառման հիմնական ոլորտներն են էլեկտրոնիկան, բժշկությունը, քիմիական դեղագործությունը և կենսաբանությունը:
Ռուսաստանի նախագահ Դմիտրի Մեդվեդևը վստահ է, որ երկրում կան բոլոր պայմանները նանոտեխնոլոգիայի հաջող զարգացման համար։
Նանոտեխնոլոգիան գիտության և տեխնոլոգիայի նոր ուղղություն է, որն ակտիվորեն զարգանում է վերջին տասնամյակներում։ Նանոտեխնոլոգիաները ներառում են նյութերի, սարքերի և տեխնիկական համակարգերի ստեղծումն ու օգտագործումը, որոնց գործունեությունը որոշվում է նանոկառուցվածքով, այսինքն՝ 1-ից մինչև 100 նանոմետր չափերով դրա պատվիրված բեկորները:
«Նանո» նախածանցը, որը ծագում է հունարենից (հունարենից «նանոս»՝ թզուկ), նշանակում է միլիարդերորդ մասը։ Մեկ նանոմետրը (նմ) մետրի միլիարդերորդականն է:
«Նանոտեխնոլոգիա» տերմինը ստեղծվել է 1974 թվականին Տոկիոյի համալսարանի նյութերագետ Նորիո Տանիգուչիի կողմից, ով այն սահմանել է որպես «արտադրական տեխնոլոգիա, որը կարող է հասնել ծայրահեղ բարձր ճշգրտության և չափազանց փոքր չափերի... 1-ի կարգով։ նմ...»:
Համաշխարհային գրականության մեջ նանոգիտությունը հստակորեն տարբերվում է նանոտեխնոլոգիայից։ Նանոմաշտաբի գիտություն տերմինը օգտագործվում է նաև նանոգիտության համար։
Ռուսաց լեզվում և ռուսական օրենսդրության և կարգավորող փաստաթղթերի պրակտիկայում «նանոտեխնոլոգիա» տերմինը միավորում է «նանոգիտությունը», «նանոտեխնոլոգիան» և երբեմն նույնիսկ «նանոարդյունաբերությունը» (բիզնեսի և արտադրության ոլորտները, որտեղ օգտագործվում են նանոտեխնոլոգիաներ):
Նանոտեխնոլոգիայի ամենակարեւոր բաղադրիչներն են նանոնյութեր, այսինքն՝ նյութեր, որոնց անսովոր ֆունկցիոնալ հատկությունները որոշվում են նրանց նանոբեկորների պատվիրված կառուցվածքով, որոնց չափերը տատանվում են 1-ից մինչև 100 նմ:
- նանոծակոտկեն կառուցվածքներ;
- նանոմասնիկներ;
- նանոխողովակներ և նանոմանրաթելեր
- նանոդիսպերսիաներ (կոլոիդներ);
- նանոկառուցվածքային մակերեսներ և թաղանթներ;
- նանոբյուրեղներ և նանոկլաստերներ.
Նանոհամակարգային տեխնոլոգիա- ֆունկցիոնալ ամբողջական համակարգեր և սարքեր, որոնք ստեղծվել են ամբողջությամբ կամ մասնակիորեն նանոմյութերի և նանոտեխնոլոգիաների հիման վրա, որոնց բնութագրերը արմատապես տարբերվում են ավանդական տեխնոլոգիաների կիրառմամբ ստեղծված նմանատիպ նպատակներով համակարգերի և սարքերի բնութագրերից:
Նանոտեխնոլոգիայի կիրառական ոլորտները
Գրեթե անհնար է թվարկել այն բոլոր ոլորտները, որոնցում այս գլոբալ տեխնոլոգիան կարող է զգալիորեն ազդել տեխնոլոգիական առաջընթացի վրա: Դրանցից կարող ենք նշել միայն մի քանիսը.
- նանոէլեկտրոնիկայի և նանոֆոտոնիկայի տարրեր (կիսահաղորդչային տրանզիստորներ և լազերներ.
- լուսանկարչական դետեկտորներ; Արևային բջիջներ; տարբեր սենսորներ);
- գերխիտ տեղեկատվության ձայնագրման սարքեր;
- հեռահաղորդակցության, տեղեկատվական և հաշվողական տեխնոլոգիաներ. սուպերհամակարգիչներ;
- վիդեո սարքավորումներ - հարթ էկրաններ, մոնիտորներ, վիդեո պրոյեկտորներ;
- մոլեկուլային էլեկտրոնային սարքեր, ներառյալ անջատիչներ և էլեկտրոնային սխեմաներ մոլեկուլային մակարդակում.
- նանոլիտոգրաֆիա և նանոիմպրինտինգ;
- վառելիքի բջիջներ և էներգիայի պահպանման սարքեր;
- միկրո և նանոմեխանիկայի սարքեր, ներառյալ մոլեկուլային շարժիչներ և նանոմարժիչներ, նանոռոբոտներ.
- նանոքիմիա և կատալիզ, ներառյալ այրման հսկողությունը, ծածկույթը, էլեկտրաքիմիան և դեղագործությունը.
- ավիացիոն, տիեզերական և պաշտպանական ծրագրեր;
- շրջակա միջավայրի մոնիտորինգի սարքեր;
- դեղերի և սպիտակուցների նպատակային առաքում, բիոպոլիմերներ և կենսաբանական հյուսվածքների բուժում, կլինիկական և բժշկական ախտորոշում, արհեստական մկանների, ոսկորների ստեղծում, կենդանի օրգանների իմպլանտացիա.
- բիոմեխանիկա; գենոմիկա; կենսաինֆորմատիկա; բիոգործիքավորում;
- քաղցկեղածին հյուսվածքների, պաթոգենների և կենսաբանական վնասակար նյութերի գրանցում և նույնականացում.
- անվտանգություն գյուղատնտեսության և սննդի արտադրության մեջ.
Համակարգիչներ և միկրոէլեկտրոնիկա
Նանոհամակարգիչ— էլեկտրոնային (մեխանիկական, կենսաքիմիական, քվանտային) տեխնոլոգիաների վրա հիմնված հաշվողական սարք՝ մի քանի նանոմետրի կարգի տրամաբանական տարրերի չափերով։ Ինքը՝ նանոտեխնոլոգիայի հիման վրա մշակված համակարգիչը, նույնպես մանրադիտակային չափեր ունի։
ԴՆԹ համակարգիչ- հաշվողական համակարգ, որն օգտագործում է ԴՆԹ-ի մոլեկուլների հաշվողական հնարավորությունները: Biomolecular computing-ը ԴՆԹ-ի կամ ՌՆԹ-ի հետ այս կամ այն կերպ կապված տարբեր տեխնիկայի հավաքական անվանումն է: ԴՆԹ-ի հաշվարկում տվյալները ներկայացված են ոչ թե զրոների և միավորների տեսքով, այլ ԴՆԹ-ի պարույրի հիման վրա կառուցված մոլեկուլային կառուցվածքի տեսքով։ Տվյալները կարդալու, պատճենելու և կառավարելու համար նախատեսված ծրագրերի դերը կատարվում է հատուկ ֆերմենտների միջոցով:
Ատոմային ուժի մանրադիտակ- բարձր լուծաչափով սկանավորող զոնդի մանրադիտակ, որը հիմնված է հետազոտվող նմուշի մակերեսի հետ կանթեղային ասեղի (զոնդի) փոխազդեցության վրա: Ի տարբերություն սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM), այն կարող է ուսումնասիրել ինչպես հաղորդող, այնպես էլ ոչ հաղորդիչ մակերեսները նույնիսկ հեղուկի շերտի միջով, ինչը հնարավորություն է տալիս աշխատել օրգանական մոլեկուլների (ԴՆԹ) հետ: Ատոմային ուժային մանրադիտակի տարածական լուծաչափը կախված է շղթայի չափից և ծայրի կորությունից։ Բանաձևը հասնում է ատոմային հորիզոնական և զգալիորեն գերազանցում է այն ուղղահայաց:
Անտենա-օսցիլյատոր- 2005 թվականի փետրվարի 9-ին Բոստոնի համալսարանի լաբորատորիայում ձեռք է բերվել մոտ 1 մկմ չափսերով ալեհավաք-օսցիլյատոր։ Այս սարքն ունի 5000 միլիոն ատոմ և ունակ է տատանվել 1,49 գիգահերց հաճախականությամբ, ինչը թույլ է տալիս հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն փոխանցել։
Նանոբժշկություն և դեղագործական արդյունաբերություն
Ուղղություն ժամանակակից բժշկության մեջ, որը հիմնված է նանոմոլեկուլային մակարդակում մարդու կենսաբանական համակարգերը հետևելու, նախագծելու և փոփոխելու համար նանոնյութերի և նանոօբյեկտների եզակի հատկությունների օգտագործման վրա:
ԴՆԹ նանոտեխնոլոգիա- օգտագործել ԴՆԹ-ի և նուկլեինաթթվի մոլեկուլների հատուկ հիմքեր՝ դրանց հիման վրա հստակ սահմանված կառուցվածքներ ստեղծելու համար:
Դեղերի մոլեկուլների և հստակ սահմանված ձևի դեղաբանական պատրաստուկների արդյունաբերական սինթեզ (բիս-պեպտիդներ):
2000 թվականի սկզբին նանոմասնիկների տեխնոլոգիայի արագ առաջընթացը խթան հաղորդեց նանոտեխնոլոգիայի նոր բնագավառի զարգացմանը. նանոպլազմոնիկա. Պարզվեց, որ հնարավոր է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը փոխանցել մետաղական նանոմասնիկների շղթայի երկայնքով՝ օգտագործելով պլազմոնի տատանումների գրգռումը։
Ռոբոտաշինություն
Նանորոբոտներ- ռոբոտներ, որոնք ստեղծված են նանոնյութերից և չափերով համեմատելի են մոլեկուլի հետ՝ շարժման, տեղեկատվության մշակման և փոխանցման և ծրագրերի իրականացման գործառույթներով: Նանորոբոտներ, որոնք ունակ են ստեղծել իրենց պատճենները, այսինքն. ինքնավերարտադրումը կոչվում են վերարտադրիչներ:
Ներկայումս արդեն ստեղծվել են սահմանափակ շարժունակությամբ էլեկտրամեխանիկական նանո սարքեր, որոնք կարելի է համարել նանոռոբոտների նախատիպեր։
Մոլեկուլային ռոտորներ- սինթետիկ նանո չափի շարժիչներ, որոնք ունակ են պտտվող ոլորող մոմենտ առաջացնել, երբ դրանց վրա կիրառվում է բավարար էներգիա:
Ռուսաստանի տեղը նանոտեխնոլոգիաներ մշակող և արտադրող երկրների շարքում
Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում ընդհանուր ներդրումների առումով համաշխարհային առաջատարներն են ԵՄ երկրները, Ճապոնիան և ԱՄՆ-ը։ Վերջին շրջանում այս ոլորտում ներդրումները զգալիորեն ավելացրել են Ռուսաստանը, Չինաստանը, Բրազիլիան և Հնդկաստանը։ Ռուսաստանում «2008-2010 թվականներին Ռուսաստանի Դաշնությունում նանոարդյունաբերական ենթակառուցվածքների զարգացում» ծրագրով ֆինանսավորման չափը կկազմի 27,7 միլիարդ ռուբլի:
Լոնդոնում գործող Cientifica հետազոտական ընկերության վերջին (2008) զեկույցը, որը կոչվում է Nanotechnology Outlook Report, բառացիորեն նկարագրում է ռուսական ներդրումները հետևյալ կերպ. »
Նանոտեխնոլոգիայի բնագավառներում կան ոլորտներ, որտեղ ռուս գիտնականները դարձել են առաջինն աշխարհում՝ ստանալով արդյունքներ, որոնք հիմք դրեցին գիտական նոր ուղղությունների զարգացմանը:
Դրանց թվում են գերդիսպերս նանոնյութերի արտադրությունը, մեկէլեկտրոնային սարքերի նախագծումը, ինչպես նաև ատոմային ուժի և սկանավորող զոնդային մանրադիտակի ոլորտում աշխատանքը։ Միայն Սանկտ Պետերբուրգի XII տնտեսական ֆորումի շրջանակներում անցկացված հատուկ ցուցահանդեսում (2008 թ.) ներկայացվել է միանգամից 80 կոնկրետ զարգացում։
Ռուսաստանն արդեն արտադրում է մի շարք նանոարտադրանքներ, որոնք շուկայում պահանջարկ ունեն՝ նանոմեմբրաններ, նանոփոշիներ, նանոխողովակներ։ Սակայն, ըստ փորձագետների, նանոտեխնոլոգիական զարգացումների առևտրայնացման հարցում Ռուսաստանը տասը տարով հետ է մնում ԱՄՆ-ից և մյուս զարգացած երկրներից։
Նյութը պատրաստվել է բաց աղբյուրներից ստացված տեղեկատվության հիման վրա
