ნანოტექნოლოგიები და ნანომასალები. ნანომასალები და ნანოტექნოლოგიები საგანი, მიზნები და ძირითადი მიმართულებები ნანოტექნოლოგიაში

გ.გ.ელენინი

მოკლე ინფორმაცია ავტორის შესახებ: ლომონოსოვის სახელობის მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის გამოთვლითი მათემატიკისა და კიბერნეტიკის ფაკულტეტის პროფესორი. მ.ვ.ლომონოსოვი, გამოყენებითი მათემატიკის ინსტიტუტის წამყვანი მკვლევარი. M.V. Keldysh RAS.

თუ ფოლადის კუბი ან მარილის კრისტალი, რომელიც შედგება იდენტური ატომებისგან, შეიძლება გამოავლინოს საინტერესო თვისებები; თუ წყალს - უბრალო წვეთებს, რომლებიც ერთმანეთისგან არ განსხვავდებიან და დედამიწის ზედაპირს ფარავს მილების და მილების მანძილზე - შეუძლია შექმნას ტალღები და ქაფი, სერფის ჭექა-ქუხილი და უცნაური ნიმუშები სანაპიროს გრანიტზე; თუ ეს ყველაფერი, წყლების სიცოცხლის მთელი სიმდიდრე მხოლოდ ატომების მტევნების საკუთრებაა, მაშინ კიდევ რამდენი შესაძლებლობა იმალება მათში? თუ ატომების მოწყობის ნაცვლად, სტრიქონი სტრიქონი, სვეტი სვეტი, თუნდაც იისფერი სუნის რთულ მოლეკულებში ჩაშენების ნაცვლად, თუ ყოველ ჯერზე ახლებურად დალაგების ნაცვლად, მათი მოზაიკის დივერსიფიკაცია განმეორების გარეშე. ის, რაც უკვე მოხდა - წარმოიდგინეთ, რამდენად უჩვეულო, მოულოდნელი რამ შეიძლება წარმოიშვას მათ ქცევაში.

R. P. Feynman

საგანი, მიზნები და ძირითადი მიმართულებები ნანოტექნოლოგიაში

ენციკლოპედიური ლექსიკონის თანახმად, ტექნოლოგია არის დამუშავების, წარმოების, მდგომარეობის, თვისებების, ფორმის ნედლეულის, მასალის ან ნახევარფაბრიკატის შეცვლის მეთოდების ერთობლიობა, რომელიც ხორციელდება წარმოების პროცესში.

ნანოტექნოლოგიის თავისებურება მდგომარეობს იმაში, რომ განსახილველი პროცესები და განხორციელებული მოქმედებები ხდება სივრცითი განზომილებების ნანომეტრულ დიაპაზონში 1 . „ნედლეული“ არის ინდივიდუალური ატომები, მოლეკულები, მოლეკულური სისტემები და არა მასალის მიკრონი ან მაკროსკოპული მოცულობები, რომლებიც ჩვეულებრივია ტრადიციულ ტექნოლოგიაში, რომელიც შეიცავს მინიმუმ მილიარდ ატომს და მოლეკულას. ტრადიციული ტექნოლოგიისგან განსხვავებით, ნანოტექნოლოგიას ახასიათებს „ინდივიდუალური“ მიდგომა, რომლის დროსაც გარე კონტროლი აღწევს ცალკეულ ატომებსა და მოლეკულებს, რაც შესაძლებელს ხდის მათგან შექმნას როგორც „დეფექტების გარეშე“ მასალები ფუნდამენტურად ახალი ფიზიკოქიმიური და ბიოლოგიური თვისებებით, ასევე ახალი კლასებით. მოწყობილობები დამახასიათებელი ნანომეტრიანი ზომებით. "ნანოტექნოლოგიის" კონცეფცია ჯერ არ დამკვიდრებულა. როგორც ჩანს, შემდეგი სამუშაო განმარტება შეიძლება დაიცვას.

ნანოტექნოლოგია არის მეცნიერების ინტერდისციპლინარული დარგი, რომელშიც შესწავლილია ფიზიკური და ქიმიური პროცესების კანონზომიერებანი ნანომეტრის ზომის სივრცულ რეგიონებში, რათა აკონტროლონ ცალკეული ატომები, მოლეკულები, მოლეკულური სისტემები ახალი მოლეკულების, ნანოსტრუქტურების, ნანომოწყობილობებისა და სპეციალური ფიზიკური, ქიმიური მასალებით შექმნისას. და ბიოლოგიური თვისებები.

სწრაფად განვითარებადი რეგიონის ამჟამინდელი მდგომარეობის ანალიზი საშუალებას გვაძლევს გამოვავლინოთ მასში არაერთი მნიშვნელოვანი სფერო.

მოლეკულური დიზაინი. არსებული მოლეკულების მომზადება და ახალი მოლეკულების სინთეზი უაღრესად არაჰომოგენურ ელექტრომაგნიტურ ველებში.

მასალების მეცნიერება. მაღალი სიმტკიცის მასალების, მაღალი გამტარუნარიანობის მქონე „უნაკლო“ მასალების შექმნა.

ინსტრუმენტაცია. სკანირებადი გვირაბის მიკროსკოპების შექმნა, ატომური ძალის მიკროსკოპები 2, მაგნიტური ძალის მიკროსკოპები, მოლეკულური დიზაინის მრავალწერტილიანი სისტემები, მინიატურული სუპერმგრძნობიარე სენსორები, ნანორობოტები.

ელექტრონიკა. შემდეგი თაობის კომპიუტერების, ნანომავთულის, ტრანზისტორების, გამსწორებლების, დისპლეების, აკუსტიკური სისტემებისთვის ნანომეტრის ელემენტების ბაზის დაპროექტება.

ოპტიკა. ნანოლაზერების შექმნა. მრავალპუნქტიანი სისტემების სინთეზი ნანოლაზერებით.

ჰეტეროგენული კატალიზი. ნანოსტრუქტურებით კატალიზატორების შემუშავება სელექციური კატალიზის რეაქციების კლასებისთვის.

Წამალი. ვირუსების განადგურების ნანო ხელსაწყოების დაპროექტება, ორგანოების ლოკალური „შეკეთება“, წამლის დოზების მაღალი სიზუსტით მიწოდება ცოცხალი ორგანიზმის გარკვეულ ადგილებში.

ტრიბოლოგია. მასალების ნანოსტრუქტურასა და ხახუნის ძალებს შორის კავშირის დადგენა და ამ ცოდნის გამოყენება პერსპექტიული ხახუნის წყვილების წარმოებისთვის.

კონტროლირებადი ბირთვული რეაქციები. ნაწილაკების ნანოამაჩქარებლები, არასტატისტიკური ბირთვული რეაქციები.

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპია

სულ მცირე ორმა მოვლენამ მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ნანოსამყაროს შეუჩერებელ კვლევაში:

სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) და სკანირების ატომური ძალის მიკროსკოპის შექმნა (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (ნობელის პრემია 1992 წ.);

ბუნებაში ნახშირბადის არსებობის ახალი ფორმის - ფულერენების აღმოჩენა (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (ნობელის პრემია 1996 წ.).

ახალმა მიკროსკოპებმა შესაძლებელი გახადა ერთი კრისტალების ზედაპირის ატომურ-მოლეკულური აგებულების დაკვირვება ნანომეტრის ზომის დიაპაზონში. ინსტრუმენტების საუკეთესო სივრცითი გარჩევადობა არის ნანომეტრის მეასედი ნორმალური ზედაპირის გასწვრივ. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის მოქმედება ემყარება ელექტრონების გვირაბს ვაკუუმური ბარიერის მეშვეობით. მაღალი გარჩევადობა განპირობებულია იმით, რომ გვირაბის დენი იცვლება სიდიდის სამი რიგით, როდესაც ბარიერის სიგანე იცვლება ატომის ზომით. კვანტური გვირაბის ეფექტის თეორია დაარსდა გ. გამოვ 1928 წელს თავის ნაშრომში დაშლის შესახებ.

სხვადასხვა სკანირების მიკროსკოპის დახმარებით, ამჟამად შეინიშნება ლითონების ერთკრისტალების, ნახევარგამტარების, მაღალტემპერატურული ზეგამტარების, ორგანული მოლეკულების და ბიოლოგიური ობიექტების ზედაპირების ატომური სტრუქტურა. ნახ. 1 გვიჩვენებს სილიკონის ერთკრისტალის (100) სახის ქვედა ტერასის რეკონსტრუქციულ ზედაპირს. რუხი წრეები სილიციუმის ატომების გამოსახულებაა. ბნელი ადგილები ადგილობრივი ნანომეტრიანი დეფექტებია. ნახ. სურათი 2 გვიჩვენებს ვერცხლის (110) სახის სუფთა ზედაპირის ატომურ სტრუქტურას (მარცხენა ჩარჩო) და იმავე ზედაპირის, რომელიც დაფარულია ჟანგბადის ატომებით (მარჯვენა ჩარჩო). აღმოჩნდა, რომ ჟანგბადი არ შეიწოვება ქაოტურად, არამედ ქმნის საკმაოდ გრძელ ჯაჭვებს გარკვეული კრისტალოგრაფიული მიმართულებით. ორმაგი და ერთჯერადი ჯაჭვების არსებობა მიუთითებს ჟანგბადის ორ ფორმაზე.

ეს ფორმები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ნახშირწყალბადების შერჩევითი ჟანგვის დროს, როგორიცაა ეთილენი. ნახ. 3, შეგიძლიათ ნახოთ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარის Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 ნანოსტრუქტურა. ნახ.-ის მარცხენა ჩარჩოში. 4, ბენზოლის მოლეკულების რგოლები (C 6 H 6) აშკარად ჩანს. მარჯვენა ჩარჩოში ნაჩვენებია პოლიეთილენის CH 2 ჯაჭვები. ნაშრომში წარმოდგენილია ლაბორატორიული ფილმის ჩარჩოების თანმიმდევრობა ცოცხალ უჯრედში ვირუსის შეღწევის შესახებ.

ახალი მიკროსკოპები სასარგებლოა არა მხოლოდ მატერიის ატომური და მოლეკულური სტრუქტურის შესასწავლად. ისინი შესაფერისი აღმოჩნდა ნანოსტრუქტურების შესაქმნელად. მიკროსკოპის წვერით გარკვეული მოძრაობების დახმარებით შესაძლებელია ატომური სტრუქტურების შექმნა. სურათი 5 გვიჩვენებს ცალკეული ქსენონის ატომებისგან "IBM" წარწერის შექმნის ეტაპებს ნიკელის ერთკრისტალის (110) სახეზე. წვერის მოძრაობები ცალკეული ატომებისგან ნანოსტრუქტურების შექმნისას წააგავს ჰოკეის მოთამაშის ტექნიკას ჯოხით წასვლისას. საინტერესოა კომპიუტერული ალგორითმების შექმნა, რომლებიც ამყარებენ არატრივიალურ კავშირს წვერის მოძრაობასა და მანიპულირებული ატომების მოძრაობას შორის შესაბამისი მათემატიკური მოდელების საფუძველზე. მოდელები და ალგორითმები აუცილებელია ნანოსტრუქტურების ავტომატური „ასამბლერების“ შესაქმნელად.

ბრინჯი. 4: a - C6H6; b - CH2 -CH2

ბრინჯი. 5. Xe/Ni (110)

ნანომასალები

ფულერენი, როგორც ბუნებაში ნახშირბადის არსებობის ახალი ფორმა, დიდი ხნის განმავლობაში ცნობილ ალმასთან და გრაფიტთან ერთად, აღმოაჩინეს 1985 წელს, როდესაც ასტროფიზიკოსები ცდილობდნენ აეხსნათ ვარსკვლავთშორისი მტვრის სპექტრები. აღმოჩნდა, რომ ნახშირბადის ატომებს შეუძლიათ შექმნან უაღრესად სიმეტრიული C 60 მოლეკულა. ასეთი მოლეკულა შედგება 60 ნახშირბადის ატომისგან, რომელიც მდებარეობს დაახლოებით ერთი ნანომეტრის დიამეტრის სფეროზე და წააგავს ფეხბურთის ბურთს (ნახ. 6). ლ. ეილერის თეორემის შესაბამისად, ნახშირბადის ატომები ქმნიან 12 რეგულარულ ხუთკუთხედს და 20 რეგულარულ ექვსკუთხედს. მოლეკულას სახელი ეწოდა არქიტექტორ რ. ფულერის პატივსაცემად, რომელმაც ააგო სახლი ხუთკუთხედებისა და ექვსკუთხედებისგან. თავდაპირველად C 60 მიიღეს მცირე რაოდენობით, შემდეგ კი 1990 წელს აღმოაჩინეს მათი ფართომასშტაბიანი წარმოების ტექნოლოგია.

ფულერიტები. C 60 მოლეკულებს, თავის მხრივ, შეუძლიათ შექმნან ფულერიტის კრისტალი სახეზე ორიენტირებული კუბური ბადით და საკმაოდ სუსტი ინტერმოლეკულური ბმებით. ამ კრისტალს აქვს ოქტაედრული და ოთხკუთხა ღრუები, რომლებიც შეიძლება შეიცავდეს უცხო ატომებს. თუ ოქტაედრული ღრუები ივსება ტუტე ლითონის იონებით (¦ = K (კალიუმი), Rb (რუბიდიუმი), Cs (ცეზიუმი)), მაშინ ოთახის ტემპერატურაზე დაბალ ტემპერატურაზე ამ ნივთიერებების სტრუქტურა გადანაწილდება და ახალი პოლიმერული მასალა ¦1C60 არის. ჩამოყალიბდა. თუ ოთხკუთხა ღრუებიც ივსება, მაშინ წარმოიქმნება ზეგამტარი მასალა ¦3С60 კრიტიკული ტემპერატურით 20–40 K. მაქს პლანკი შტუტგარტში. არსებობს ფულერიტები სხვა დანამატებით, რომლებიც მასალას უნიკალურ თვისებებს ანიჭებენ. მაგალითად, C60-ეთილენს აქვს ფერომაგნიტური თვისებები. ქიმიის ახალ დარგში მაღალმა აქტივობამ განაპირობა ის, რომ 1997 წლისთვის იყო 9000-ზე მეტი ფულერენის ნაერთი.

ნახშირბადის ნანომილები. ატომების გიგანტური რაოდენობის მოლეკულების მიღება შესაძლებელია ნახშირბადისგან. ასეთი მოლეკულა, მაგალითად C=1000000, შეიძლება იყოს ერთშრიანი მილი, რომლის დიამეტრი დაახლოებით ნანომეტრია და სიგრძე რამდენიმე ათეული მიკრონი (ნახ. 7). მილის ზედაპირზე ნახშირბადის ატომები განლაგებულია რეგულარული ექვსკუთხედების წვეროებზე. მილის ბოლოები დახურულია ექვსი ჩვეულებრივი ხუთკუთხედით. უნდა აღინიშნოს რეგულარული მრავალკუთხედების გვერდების რაოდენობის როლი ორგანზომილებიანი ზედაპირის ფორმირებაში, რომელიც შედგება

ბრინჯი. 7. არაქირული ნანომილები: a - C(n", n) - ლითონი;

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

mod(n, 3)!= 0 არის ნახევარგამტარი.

ბრინჯი. 8. მოხრილი მილი

ნახშირბადის ატომები, სამგანზომილებიან სივრცეში. რეგულარული ექვსკუთხედები არის უჯრედი ბრტყელ გრაფიტის ფურცელში, რომელიც შეიძლება დაიბრუნოს სხვადასხვა ქირალობის მილებში (m, n) 3 . რეგულარული ხუთკუთხედები (ჰეფტაგონები) არის გრაფიტის ფურცლის ადგილობრივი დეფექტები, რაც შესაძლებელს ხდის მისი დადებითი (უარყოფითი) გამრუდების მიღებას. ამრიგად, რეგულარული ხუთ-, ექვს- და შვიდკუთხედების კომბინაციები შესაძლებელს ხდის ნახშირბადის ზედაპირის სხვადასხვა ფორმის მიღებას სამგანზომილებიან სივრცეში (ნახ. 8). ამ ნანოსტრუქტურების გეომეტრია განსაზღვრავს მათ უნიკალურ ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს და, შესაბამისად, მათი წარმოებისთვის ფუნდამენტურად ახალი მასალებისა და ტექნოლოგიების არსებობის შესაძლებლობას. ახალი ნახშირბადის მასალების ფიზიკოქიმიური თვისებების პროგნოზირება ხორციელდება როგორც კვანტური მოდელების დახმარებით, ასევე გამოთვლებით მოლეკულური დინამიკის ფარგლებში. ერთფენიანი მილების პარალელურად შესაძლებელია მრავალშრიანი მილების შექმნაც. ნანომილების წარმოებისთვის გამოიყენება სპეციალური კატალიზატორები.

რა არის უნიკალური ახალ მასალებში? მოდით, მხოლოდ სამ მნიშვნელოვან თვისებაზე გავამახვილოთ ყურადღება.

სუპერ ძლიერი მასალები. გრაფიტის ფურცელში ნახშირბადის ატომებს შორის არსებული ბმები ყველაზე ძლიერია, ამიტომ ნახშირბადის მილები დეფექტების გარეშე არის ორი რიგით ძლიერი ვიდრე ფოლადი და დაახლოებით ოთხჯერ მსუბუქია ვიდრე ფოლადი! ახალი ნახშირბადის მასალების სფეროში ტექნოლოგიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა „უსასრულო“ სიგრძის ნანომილების შექმნა. ასეთი მილები შეიძლება გამოყენებულ იქნას მსუბუქი წონის კომპოზიტური მასალების დასამზადებლად, მაქსიმალური სიმტკიცით, ახალი ეპოქის ტექნოლოგიების საჭიროებებისთვის. ეს არის ხიდების და შენობების ენერგეტიკული ელემენტები, კომპაქტური თვითმფრინავების მზიდი კონსტრუქციები, ტურბინის ელემენტები, ძრავის სიმძლავრის ბლოკები საწვავის უკიდურესად დაბალი სპეციფიკური მოხმარებით და ა.შ. ამჟამად მათ ისწავლეს, როგორ გააკეთონ ათობით მიკრონი სიგრძის მილები ერთი ნანომეტრის რიგის დიამეტრით.

მაღალი გამტარი მასალები. ცნობილია, რომ კრისტალურ გრაფიტში გამტარობა ფენის სიბრტყის გასწვრივ ყველაზე მაღალია ცნობილ მასალებს შორის და, პირიქით, ფურცელზე პერპენდიკულარული მიმართულებით დაბალია. ამიტომ, ნანომილებისაგან დამზადებულ ელექტრო კაბელებს, სავარაუდოდ, ექნებათ ელექტრული გამტარობა ორი რიგით მეტი სიდიდის ვიდრე სპილენძის კაბელები ოთახის ტემპერატურაზე. საკმარისი სიგრძის და საკმარისი რაოდენობით მილების წარმოების ტექნოლოგიაზეა დამოკიდებული,

ნანოკლასტერები

ნანო-ობიექტების ნაკრები მოიცავს ულტრაპატარა ნაწილაკებს, რომლებიც შედგება ათობით, ასობით ან ათასობით ატომისგან. მტევნის თვისებები ძირეულად განსხვავდება იმავე შემადგენლობის მასალების მაკროსკოპული მოცულობის თვისებებისგან. ნანოკლასტერებიდან, ისევე როგორც დიდი სამშენებლო ბლოკებიდან, შესაძლებელია წინასწარ განსაზღვრული თვისებების მქონე ახალი მასალების მიზანმიმართულად დაპროექტება და მათი გამოყენება კატალიზურ რეაქციებში, გაზის ნარევების გამოყოფისა და გაზების შესანახად. ერთი მაგალითია Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4. დიდი ინტერესია მაგნიტური მტევანი, რომელიც შედგება გარდამავალი ლითონების, ლანტინიდების და აქტინიდების ატომებისგან. ამ კლასტერებს აქვთ საკუთარი მაგნიტური მომენტი, რაც შესაძლებელს ხდის მათი თვისებების გაკონტროლებას გარე მაგნიტური ველის გამოყენებით. ამის მაგალითია მაღალი სპინის ორგანული მეტალის მოლეკულა Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . ეს ელეგანტური კონსტრუქცია შედგება ოთხი Mn 4+ იონისაგან, ტრიალებს 3/2, რომლებიც განლაგებულია ტეტრაედრის წვეროებზე, რვა Mn 3+ იონისაგან, სპინი 2-ით, რომელიც გარშემორტყმულია ამ ტეტრაედრონით. მანგანუმის იონებს შორის ურთიერთქმედება ხორციელდება ჟანგბადის იონებით. Mn 4+ და Mn 3+ იონების სპინების ანტიფერომაგნიტური ურთიერთქმედება იწვევს საკმარისად დიდ ჯამურ სპინს, რომელიც უდრის 10-ს. აცეტატის ჯგუფები და წყლის მოლეკულები გამოყოფენ Mn 12 კლასტერებს ერთმანეთისგან მოლეკულურ კრისტალში. კრისტალში მტევნების ურთიერთქმედება ძალიან მცირეა. ნანომაგნიტები საინტერესოა კვანტური კომპიუტერების პროცესორების დიზაინში. გარდა ამისა, ამ კვანტური სისტემის შესწავლისას აღმოაჩინეს ბისტაბილობის და ჰისტერეზის ფენომენი. თუ გავითვალისწინებთ, რომ მოლეკულებს შორის მანძილი დაახლოებით 10 ნანომეტრია, მაშინ მეხსიერების სიმკვრივე ასეთ სისტემაში შეიძლება იყოს 10 გიგაბაიტი კვადრატულ სანტიმეტრზე.

ნანომოწყობილობები

ნანოტუბებს შეუძლიათ შექმნან ბრტყელი აკუსტიკური სისტემებისა და ბრტყელი დისპლეების ახალი დიზაინის საფუძველი, ანუ ნაცნობი მაკროსკოპული მოწყობილობები. გარკვეული ნანომოწყობილობები შეიძლება შეიქმნას ნანომასალებიდან, მაგალითად, ნანომოტორები, ნანომანიპულატორები, მოლეკულური ტუმბოები, მაღალი სიმკვრივის მეხსიერება, ნანორობოტების მექანიზმების ელემენტები. მოდით მოკლედ ვისაუბროთ ზოგიერთი ნანომოწყობილობის მოდელებზე.

მოლეკულური მექანიზმები და ტუმბოები. ნანომოწყობილობების მოდელები შემოთავაზებული იყო კ.ე. დრექსლერი და რ. მერკლე IMM-დან (მოლეკულური წარმოების ინსტიტუტი, პალო ალტო). გადაცემათა კოლოფში არსებული გადაცემათა ლილვები არის ნახშირბადის ნანომილები, ხოლო კბილები ბენზოლის მოლეკულებია. მექანიზმების ბრუნვის დამახასიათებელი სიხშირეები რამდენიმე ათეული გიგაჰერციია. მოწყობილობები „მუშაობენ“ ან მაღალ ვაკუუმში ან ინერტულ ატმოსფეროში ოთახის ტემპერატურაზე. ინერტული აირები გამოიყენება მოწყობილობის „გაციებისთვის“.

ბრილიანტის მეხსიერება კომპიუტერებისთვის. მაღალი სიმკვრივის მეხსიერების მოდელი შეიმუშავა ჩ. ბაუშლიხერი და ნასას რ.მერკლე. მოწყობილობის სქემა მარტივია და შედგება ზონდისა და ალმასის ზედაპირისგან. ზონდი არის (9, O) ან (5, 5) ნახშირბადის ნანომილაკი, რომელიც მთავრდება C 60 ნახევარსფეროში, რომელზეც დამაგრებულია C 5 H 5 N მოლეკულა. ალმასის ზედაპირი დაფარულია წყალბადის ატომების ერთფენით. წყალბადის ზოგიერთი ატომს ცვლის ფტორის ატომები. როდესაც ზონდი სკანირებულია ალმასის ზედაპირის გასწვრივ, რომელიც დაფარულია ადსორბირებული მონოფენით, C 5 H 5 N მოლეკულა, კვანტური მოდელების მიხედვით, შეუძლია განასხვავოს ადსორბირებული ფტორის ატომი ადსორბირებული წყალბადის ატომისგან. მას შემდეგ, რაც დაახლოებით 1015 ატომი ჯდება ზედაპირის ერთ კვადრატულ სანტიმეტრზე, ჩაწერის სიმკვრივემ შეიძლება მიაღწიოს 100 ტერაბაიტს კვადრატულ სანტიმეტრზე.

ლაბორატორიული ექსპერიმენტის შედეგებისა და ნანომოწყობილობის მოდელების ზემოთ მოყვანილი მაგალითები ახალი გამოწვევაა თეორიის, გამოთვლითი ფიზიკის, ქიმიისა და მათემატიკისთვის. საჭიროა "ნახულის" და "მიღების" გაგება. ის მოითხოვს ინტუიციის განვითარებას ნანომეტრის ზომის დიაპაზონში მუშაობისთვის. კიდევ ერთხელ ისმის ფაუსტის შენიშვნა ვაგნერისადმი:

„რას ნიშნავს გაგება?

მეგობარო, ეს არის კითხვა.

ამ მხრივ, ჩვენ ყველანი კარგად არ ვართ“.

გამოთვლითი ფიზიკისა და გამოთვლითი ქიმიის ახალი ფილიალები

ორმოცდაათ წელზე მეტი ხნის წინ, ატომურმა და თერმობირთვულმა პრობლემებმა, ახალი თვითმფრინავების შექმნის პრობლემებმა და დედამიწის მახლობლად სივრცის შესწავლამ კიდევ ერთხელ დააყენა ფაუსტის საკითხი ფიზიკური და ქიმიური ფენომენების გაგების ახალ დონეზე. ამ პრობლემებზე წარმატებულმა მუშაობამ გამოიწვია გაჩენა და განვითარება

1) გამოთვლითი ფიზიკა, კერძოდ მისი სფეროები, როგორიცაა

მაგნიტური და რადიაციული ჰიდრო და აეროდინამიკა,

კოსმოსური ხომალდის ფრენის მექანიკა,

პლაზმის თეორია და კონტროლირებადი თერმობირთვული შერწყმა;

2) გამოთვლითი ქიმია სექციებით, როგორიცაა

მატერიის მდგომარეობის განტოლების თეორია,

მოლეკულური დინამიკა,

ქიმიური პროცესებისა და აპარატების თეორია;

3) გამოთვლითი მათემატიკა და კომპიუტერული მეცნიერება ისეთი სფეროებით, როგორიცაა

მათემატიკური ფიზიკის რიცხვითი მეთოდები,

ავტომატების თეორია,

ოპტიმალური კონტროლი,

ნიმუშის ამოცნობა,

საექსპერტო სისტემები,

ავტომატური დიზაინი.

ლაბორატორიული ექსპერიმენტის თანამედროვე შესაძლებლობები სივრცითი განზომილებების ნანომეტრული მასშტაბის ფენომენებზე დაკვირვებისა და შესწავლისთვის და უნიკალური მასალებისა და ნანომოწყობილობების შექმნის მაცდური პერსპექტივები წარმოშობს ახალ თეორიულ პრობლემებს.

მინდა გავიგო რეალურად რა არის „დაკვირვებული“ სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის დროს?

რა ახლის პოტენციურად დაკვირვება და რა ახლის პოტენციურად მიღება შეიძლება ნანოსისტემებში? და რა პირობებში?

როგორ ვმართოთ ცალკეული ატომები და ატომებისა და მოლეკულების ჯგუფები გარკვეული მიზნების მისაღწევად? რა არის ამ კონტროლის საზღვრები?

როგორ მოვაწყოთ ნანომოწყობილობისა და უნიკალური „უნაკლო“ მასალების თვითაწყობა?

რამდენად „ავიწროებს“ მაკროგარემო ნანოსისტემის კვანტურ მდგომარეობებს?

ამ პრობლემების კონსტრუქციული გადაწყვეტის აუცილებლობა იწვევს ინტენსიურ კვლევას, ახალი ფილიალების ჩამოყალიბებას გამოთვლით ფიზიკასა და გამოთვლით ქიმიაში. ასეთ მონაკვეთებს გამოვყოფთ მეტროლოგიაში, მექანიკაში, ელექტროდინამიკაში, ოპტიკაში და თვითორგანიზაციის თეორიაში. თითოეულ ამ განყოფილებაში ჩვენ გამოვყოფთ რამდენიმე პრობლემას.

მეტროლოგია

1. „ინსტრუმენტ-ნანოობიექტის“ სისტემების კომპიუტერული მოდელების შექმნა და მათი დაკალიბრება.

2. ნანომეტრის გაზომვების ავტომატიზაცია და მონაცემთა ბაზების შექმნა.

მექანიკა

1. მექანიკური ძაბვისა და დაძაბვის შესწავლა ნანომასალებსა და ნანოობიექტებში, ხახუნის ანალიზი.

2. ზონდის მოძრაობების სიმულაცია ნანოობიექტის მიზანმიმართული მანიპულაციის დროს.

3. მოძრაობების მოდელირება ნანომექანიზმებში ნანომოწყობილობისთვის, ნანომანიპულატორების გამოთვლა.

4. ნანორობოტების მართვის სისტემების შემუშავება.

ელექტროდინამიკა

1. მრავალპუნქტიანი სისტემებით შექმნილ უკიდურესად არაერთგვაროვან ელექტრომაგნიტურ ველებში ატომებისა და მოლეკულების დინამიკის სიმულაცია.
2. ნანომასალების ელექტრული და მაგნიტური თვისებების გამოთვლა.

1. ნანოობიექტებში სინათლის ემისიის, გავრცელებისა და შთანთქმის მექანიზმების მოდელირება.
2. ნანოლაზერების და ჰიბრიდული სისტემების "ზონდები + ნანოლაზერი" გამოთვლა.

თვითორგანიზაციის თეორია

1. ნანოსტრუქტურების თვითაწყობის ფუნდამენტური პრინციპების ფორმულირება.

2. კომპიუტერული თვითაწყობის ალგორითმების შექმნა.

3. თვითაწყობის მოდელების თვისებრივი ანალიზის გამოთვლითი ალგორითმების შემუშავება.

4. ნანომასალების შექმნისას სივრცე-დროითი თვითორგანიზების ფენომენების სიმულაცია.

მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია და ნანოლითოგრაფია

1. თხელი ლითონის ფირების შექმნა, რომლებიც ემსახურება მაღალი ხარისხის მაგნიტური მასალების საფუძველს.

2. ნანოელექტრონიკის ძირითადი ელემენტების დაპროექტება.

3. შერჩევითი კატალიზებისთვის კატალიზატორების შექმნა.

კიდევ ერთხელ მინდა ხაზგასმით აღვნიშნო ლაბორატორიული ექსპერიმენტების, თეორიისა და მათემატიკური მოდელირების მკაცრი ბალანსის დაცვის აუცილებლობა. ზოგჯერ შეიძლება მოისმინოს განცხადებები, რომ ზუსტი ექსპერიმენტი ამჟამად ძალიან ძვირია და შეიძლება შეიცვალოს იაფი მათემატიკური მოდელირებით. ასევე არსებობს საპირისპირო პოზიცია, რომელშიც შემცირებულია მათემატიკური კვლევის მეთოდების როლი. არატრივიალური ფენომენების უმარტივესი მაგალითები სივრცითი განზომილებების ნანომეტრის დიაპაზონში მეტყველებს რადიკალური პოზიციების სრულ წარუმატებლობაზე.

სივრცე-დროის თვითორგანიზების ფენომენები ლითონების ერთკრისტალების ზედაპირზე

განვიხილოთ, ერთი შეხედვით, უმარტივესი, მაგრამ, როგორც ირკვევა, არა ტრივიალური პრობლემა. დავუშვათ, ჩვენ გვსურს გავზარდოთ მაღალი ხარისხის, ერთგვაროვანი ლითონის ფილმი, როგორიცაა პლატინის ფილმი. ამისათვის თქვენ უნდა აიღოთ ერთი ბროლის მჭიდროდ შეფუთული და სივრცით ერთგვაროვანი სახე, როგორც სუბსტრატი და მასზე დაასხით ატომების ფენა კნუდსენის უჯრედიდან მაღალი ვაკუუმის პირობებში. ატომები დაფრინავენ უჯრედიდან, ადსორბირდებიან ერთგვაროვან ზედაპირზე, მიგრირებენ მის გასწვრივ და ქმნიან ახალ ფენას. პირველი ფენის ჩამოყალიბების შემდეგ, ზემოდან დგება შემდეგი ფენა და ა.შ. პროცესი განისაზღვრება მხოლოდ ორი გარე კონტროლის მაკროპარამეტრით - ზედაპირის ტემპერატურა და ატომების ნაკადი ზედაპირზე. საჭიროა მხოლოდ ატომების ტემპერატურისა და მიწოდების სიჩქარის არჩევა ისე, რომ ახალი ატომის მიწოდების დამახასიათებელი პერიოდის განმავლობაში ზედაპირზე მიგრირებულ ატომს ჰქონდეს დრო, რომ ინტეგრირდეს მზარდ ფენაში. როგორც ჩანს, არაფერია უფრო ადვილი ვიდრე კლასიკური მათემატიკური ფიზიკის მოდელების ფარგლებში ფილმის ზრდის სიმულაცია. საჭიროა მხოლოდ ერთი პროცესის აღწერა: შემომავალი ნაწილაკების ზედაპირული დიფუზია. ამისათვის შეიძლება გამოვიყენოთ დიფუზიის განტოლება მუდმივი წყაროსთან ორგანზომილებიან სივრცულ დომენში, შეავსოთ იგი შესაბამისი სასაზღვრო პირობით, მაგალითად, მეორე სახის ერთგვაროვანი სასაზღვრო პირობით და განახორციელოთ გამოთვლები. ცხადია, საკმარისად სწრაფი მიგრაციით, საწყისი პირობების მიუხედავად, სივრცით ერთგვაროვანი ხსნარი მიიღება საკმარისად მაღალი სიზუსტით, დროში მონოტონურად გაზრდილი. თუმცა, ასეთი მოდელირება საერთოდ არ აღწერს ახალი ფენის ზრდას და მის სივრცულ სტრუქტურას.

Pt/Pt(111) 5 ჰომოსისტემით ჩატარებული სკანირებადი გვირაბის მიკროსკოპის გამოყენებით ჩატარებული ექსპერიმენტი (ნახ. 9) აჩვენებს, რომ ადსორბირებული პლატინის ატომები მიგრირებენ პლატინის ერთკრისტალის (111) სახის ზედაპირზე და არ ემორჩილებიან ფიკის კანონს. ისინი ქმნიან ახალი ფენის კუნძულებს სხვადასხვა სივრცითი სტრუქტურით, რაც დამოკიდებულია ზედაპირის ტემპერატურის მნიშვნელობებზე და ატომების მიწოდების სიჩქარეზე. ეს შეიძლება იყოს ფრაქტალის სტრუქტურის ფხვიერი კუნძულები ფრაქტალით

ნახ.9. Pt/Pt (111)

ბრინჯი. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; ბ - Co 2 Re; c - Co 3 Re

განზომილება 1.78 (ნახ. 9a), ან კომპაქტური კუნძულები პლატონური ფორმებით რეგულარული სამკუთხედების (ნახ. 9b, 9d) და ექვსკუთხედების (ნახ. 9c) სახით, უფრო მეტიც, თანაბრად ორიენტირებული კრისტალოგრაფიული ღერძების მიმართ. ამრიგად, 400 K ტემპერატურაზე სამკუთხედების წვეროები გამოიყურება „ქვემოთ“ (ნახ. 9b). 455 K ტემპერატურაზე მზარდი კუნძულები იღებენ რეგულარული ექვსკუთხედების ფორმას (ნახ. 9c). უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, კუნძულების რეგულარული სამკუთხა ფორმა კვლავ ყალიბდება, მაგრამ ამჯერად მათი მწვერვალები გამოიყურება "ზემოთ" (სურ. 9d). სამკუთხა კუნძულების ფორმა და ორიენტაცია სტაბილურია. ატომების შემდგომი მიწოდება იწვევს სამგანზომილებიანი ზრდის რეჟიმს, რის შედეგადაც მზარდი ფენა ყოველთვის არაერთგვაროვანია და აქვს პირამიდული სამგანზომილებიანი სტრუქტურა.

ზრდის თავისებურებებთან დაკავშირებით, სულ მცირე, ორი ფუნდამენტური კითხვა ჩნდება.

თეორიულად როგორ აღვწეროთ უმარტივესი სისტემის არატრივიალური დინამიური ქცევა?

როგორია სისტემის კონტროლის გზები ფენიანი ზრდის უზრუნველსაყოფად და მაღალი ხარისხის სივრცით ერთიანი ფენის მისაღებად?

მსგავსი კითხვები ჩნდება ჰეტეროსისტემებშიც, როდესაც ერთი ლითონის ზედაპირზე იზრდება სხვა ლითონის ფილმი. ასე რომ, პლატინაზე ვერცხლის ფირის გაზრდის შემთხვევაში, შეგიძლიათ დააკვირდეთ ფრაქტალური და დენდრიტული სტრუქტურების კუნძულებს, კუნძულებს მერსედესის კომპანიის სამსხივიანი ვარსკვლავის სახით და სხვა სივრცითი-დროებითი თვითორგანიზაციის ფენომენებს, რომლებიც თან ახლავს არათანაბარ სამს. - თხელი ლითონის ფირის განზომილებიანი ზრდა. კობალტის ფირის ზრდის შემთხვევაში რენიუმის ერთკრისტალის ერთგვაროვან (0001) სახეზე, ზედაპირული შენადნობები წარმოიქმნება სხვადასხვა სტექიომეტრიით და, შესაბამისად, სივრცითი სტრუქტურით: CoRe (ნახ. 10a), Co 2 Re (ნახ. 10b), Co 3 Re (ნახ. 10c) და არატრივიალური ზედაპირის სტრუქტურა. ნახატზე წარმოდგენილ ილუსტრაციებში. 10, ჩანს, რომ დიდი წრეები (რენიუმის ატომები) გარშემორტყმულია სხვადასხვა რაოდენობის მცირე წრეებით (კობალტის ატომები). ამ შენადნობებს აქვთ საინტერესო მაგნიტური თვისებები.

შეუძლებელია არ შევეხოთ კიდევ ერთ პარადოქსულ მოვლენას - დიდი კომპაქტური მტევნების ანომალიურად მაღალ მობილურობას. ღირსშესანიშნავი ექსპერიმენტული ნაშრომის ავტორების შემდეგ, მოდით განვიხილოთ რეგულარული ფორმის კომპაქტური კასეტური, რომელიც შედგება ირიდიუმის ატომების "ჯადოსნური" რაოდენობისგან N = 1 + Зn(n - 1), n ​​= 2, 3, .. მაგალითად, N = 19, მჭიდროდ შეფუთული სახის (111) ირიდიუმის ზედაპირზე. როგორც ჩანს, კლასტერის მობილურობა, რომელიც შეიცავს ორ ათეულ ატომს, მთლიანობაში, სიდიდის მრავალი რიგით ნაკლები უნდა იყოს, ვიდრე ერთი ატომის მობილურობა, რადგან ატომების მიგრაცია, როგორც ჩანს, შემთხვევითი პროცესია. ექსპერიმენტმა დაადგინა, რომ "სწორი" გროვების მიგრაციის სიჩქარე შედარებულია ერთი ატომის მიგრაციის სიჩქარესთან! კასეტური ატომების კოლექტიური მოძრაობის ეს შედეგი მოითხოვს დეტალურ თეორიულ აღწერას და მათემატიკურ მოდელირებას. ასეთი ანალიზის შედეგები საკმაო ინტერესია მიგრაციის წინასწარ ექსპონენციალური და ეფექტური აქტივაციის ენერგიების გამოსათვლელად დინამიური მონტე კარლოს მეთოდისთვის და არაიდეალური ფენის კინეტიკური განტოლებისთვის. ფაქტობრივი მიგრაციის მაჩვენებლების გათვალისწინებით, შეიძლება სწორად შეაფასოს ნანომასშტაბიანი სტრუქტურების სიცოცხლის ხანგრძლივობა.

არ არის საჭირო მკითხველის დარწმუნება, რომ ლაბორატორიული ექსპერიმენტის ჩამოთვლილი შედეგები აჩვენებს მათემატიკური ფიზიკის კლასიკური მოდელების შემუშავების აუცილებლობას. ნანოობიექტების შესწავლისას, სადაც ეს საჭიროა, უნდა უარი თქვას უწყვეტი საშუალების იდეაზე, რომელიც საფუძვლად უდევს მათემატიკური ფიზიკის მოდელების დიდ უმრავლესობას. ინერციით მოდელირება, ლაბორატორიული ექსპერიმენტის შედეგების გათვალისწინების გარეშე, იწვევს აბსოლუტურად არასწორ შედეგებს. ასევე აშკარაა მათემატიკური ფიზიკის ახალი თანამედროვე კურსის საჭიროება, რომელიც ითვალისწინებს ნანოობიექტების თავისებურებებს. ამ კურსში, განსაკუთრებით, ყურადღება უნდა მიექცეს

ბრინჯი. 11. (CO + O 2)/Pt(210)

დისკრეტული მათემატიკის მეთოდები, რიცხობრივი კომბინატორიკა, ჯგუფის თეორია.

ღია არაიდეალური სისტემების არატრივიალური დინამიური ქცევის უფრო რთული მაგალითები მოცემულია ჰეტეროგენული კატალიზის მოდელის რეაქციებით კეთილშობილური ლითონის ერთკრისტალების გარკვეულ სახეებზე (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd( 111), Pd(110) ) დაბალ ნაწილობრივ წნევაზე გაზის ფაზაში. ეს არის ნახშირბადის მონოქსიდის (CO) დაჟანგვის რეაქციები ჟანგბადთან (O 2), ასევე აზოტის მონოქსიდის (NO) შემცირება წყალბადით (H 2), ამიაკით (NH 3) და ნახშირბადის მონოქსიდით. ეს რეაქციები მნიშვნელოვან როლს თამაშობს შიდა წვის ძრავებიდან და თბოელექტროსადგურებიდან დამწვრობის შემდგომი ტოქსიკური გამონაბოლქვის (NO, CO და ა.შ.) ეკოლოგიურ პრობლემაში. ბოლო წლებში ჩატარებულმა კვლევებმა აჩვენა ამ სისტემების მომხიბლავი ნანო- და მეზოდინამიკა. წესრიგის დარღვევის ტიპის ფაზური გადასვლები, რასაც თან ახლავს ზედნაშენების წარმოქმნა ადსორბატულ მონოშრეში, ფაზად დაყოფის ტიპის ფაზაში გადასვლა, ერთკრისტალების ზედაპირის სპონტანური და ადსორბატით გამოწვეული რეკონსტრუქცია და კოროზია. ნაპოვნია კატალიზატორი. ნანომეტრული მასშტაბით მიმდინარე სივრცითი-დროებითი თვითორგანიზაციის პროცესები მჭიდროდ არის დაკავშირებული მსგავს მოვლენებთან, რომლებიც დაფიქსირდა ემისიის ფოტოელექტრონული მიკროსკოპის დახმარებით მიკრომეტრის დიაპაზონში. ასეთ ფენომენებს მიეკუთვნება მიკრომეტრიანი სპირალი, დგომა და გამომწვევი ტალღები, ორმაგი მეტასტაბილურობა და ქიმიური ტურბულენტობა. სურათი 11 გვიჩვენებს სივრცითი-დროებითი თვითორგანიზაციის შესწავლის შედეგებს ნახშირბადის მონოქსიდის დაჟანგვის რეაქციაში Pt(210) ერთკრისტალის სახეზე ემისიის ფოტოელექტრონული მიკროსკოპის მეთოდით. თითოეული ჩარჩო (380 x 380 მმ) გვიჩვენებს ადსორბირებული CO მოლეკულების (მსუბუქი უბნები) და ჟანგბადის ატომების (ბნელი უბნები) სივრცით განაწილებას კატალიზატორის ზედაპირზე სხვადასხვა CO და ჟანგბადის ნაწილობრივი წნევისთვის გაზის ფაზაში ზედაპირის მუდმივ ტემპერატურაზე. აშკარად ჩანს სპირალური ტალღები და ფაზური გადასვლის ავტოტალღები, როგორიცაა ფაზებად გამოყოფა, ორმაგი მეტასტაბილურობის ფენომენი და ა.შ.

1 ატომის ზომა ნანომეტრის რამდენიმე მეათედია.

2 მოწყობილობების აღწერა და მათი მუშაობის პრინციპები მოცემულია.

3 ნატურალური რიცხვების წყვილი (m, n) განსაზღვრავს ქირალობის ვექტორს გრაფიტის ფურცლის სიბრტყეში. ნანომილის ღერძი პერპენდიკულარულია ქირალობის ვექტორთან. ამრიგად, (n, n)-სთვის ((n, 0)) მილის ღერძი პარალელურია (პერპენდიკულარული) რეგულარული ექვსკუთხედის მხარის მიმართ.

4 აბრევიატურა BDC ნიშნავს ბენზოლის დიკარბოქსილს, ხოლო DMF ნიშნავს დიმეთილფორმამიდს.

5 ფრჩხილებში მოცემული რიცხვები აღნიშნავენ ერთკრისტალური სუბსტრატის სახის მილერის მაჩვენებლებს.

ძირითადი ტექნოლოგიები და მასალები ყოველთვის მნიშვნელოვან როლს ასრულებდნენ ცივილიზაციის ისტორიაში, ასრულებდნენ არა მხოლოდ ვიწრო წარმოების ფუნქციებს, არამედ სოციალურ ფუნქციებსაც. საკმარისია გავიხსენოთ, თუ რამდენად განსხვავდებოდა ქვის და ბრინჯაოს ხანა, ორთქლისა და ელექტროენერგიის ეპოქა, ატომური ენერგია და კომპიუტერები. ბევრი ექსპერტის აზრით, 21-ე საუკუნე იქნება ნანომეცნიერებისა და ნანოტექნოლოგიების საუკუნე, რომელიც განსაზღვრავს მის სახეს.

ნანომეცნიერება შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ცოდნის ერთობლიობა მატერიის ქცევის შესახებ ნანომეტრული მასშტაბით, ხოლო ნანოტექნოლოგია, როგორც ობიექტების შექმნისა და ექსპლუატაციის ხელოვნება, ზომით, რომელიც მერყეობს წილადებიდან ასობით ნანომეტრამდე (მინიმუმ სამი განზომილებიდან ერთ ან ორში). .

ნანოტექნოლოგიის ძირითადი კომპონენტები ნაჩვენებია ნახ. 2.1. მისი ფუნდამენტური საფუძველია ხელოვნური და ბუნებრივი მოცულობების ფიზიკა, ქიმია და მოლეკულური ბიოლოგია, რომელიც შედგება ატომების თვლადი რაოდენობისგან, ე.ი. ისეთი ობიექტები, რომლებშიც ყველა თვისების ძლიერი დამოკიდებულება მათ ზომაზე (ზომის ეფექტი), ნივთიერების დისკრეტული ატომურ-მოლეკულური სტრუქტურა და/ან მისი ქცევის კვანტური კანონები უკვე დიდწილად ვლინდება.

ნანოტექნოლოგიის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი კომპონენტია უნარი მიზანმიმართულად შექმნას ან ბუნებაში აღმოაჩინოს ნანოსტრუქტურული მასალები და ობიექტები წინასწარ განსაზღვრული თვისებებით. ნანოტექნოლოგიის შემდეგი კომპონენტი

მზა პროდუქციის, მრავალკომპონენტიანი პროდუქციის შექმნა ახალი სამომხმარებლო თვისებებით და დანიშნულებით (სუპერ სიმძლავრის მეხსიერება, ულტრა სწრაფი პროცესორები, ინტელექტუალური ნანორობოტები და ა.შ.). დაბოლოს, ნანოპროდუქტებისა და ნანოსტრუქტურული მასალების კონტროლის, სერტიფიცირებისა და კვლევის საშუალებები წარმოებისა და გამოყენების ყველა ეტაპზე ასევე ნანოტექნოლოგიის აუცილებელი კომპონენტია.

მსოფლიოს ყველა განვითარებულ ქვეყანაში უკვე ათობით ძირითადი პროგრამა ხორციელდება ნანომეცნიერებისა და ნანოტექნოლოგიის სფეროში. ნანოტექნოლოგიები გამოიყენება საზოგადოებისთვის ისეთ მნიშვნელოვან სფეროებში, როგორიცაა ჯანდაცვა და მედიცინა, ბიოტექნოლოგია და გარემოს დაცვა, თავდაცვა და აერონავტიკა, ელექტრონიკა და კომპიუტერები, ქიმიური და ნავთობქიმიური წარმოება, ენერგია და ტრანსპორტი. ინვესტიციების ზრდის ტემპები და ნანოტექნოლოგიის დანერგვა მსოფლიოს ინდუსტრიულ ქვეყნებში ახლა ძალიან მაღალია და მომდევნო 10-20 წელიწადში ეს განსაზღვრავს საზოგადოების ეკონომიკური განვითარების დონეს და, დიდწილად, სოციალურ პროგრესს. .

ასეთი პერსპექტივა ახალ გამოწვევებს უქმნის განათლების მთელ სისტემას, პირველ რიგში პროფესიულ განათლებას. ვინაიდან ნანოტექნოლოგია გულისხმობს ფუნდამენტური ცოდნისა და მაღალტექნოლოგიური მეთოდების ინტეგრაციას ნანოსტრუქტურული მასალებისა და მზა პროდუქტების წარმოებისთვის, დასავლურ უნივერსიტეტებში იყო ტენდენცია შემცირდეს როგორც "სუფთა" ფიზიკოსების, მათემატიკოსების, ქიმიკოსების, ბიოლოგების ტრენინგის მოცულობა. და ტრადიციული ინჟინრები: მეტალურგები, მექანიკოსები, ენერგეტიკის ინჟინრები, ტექნოლოგები და „სინთეზური“ სპეციალობების წილის გაზრდა ფიზიკური მასალების მეცნიერებისა და ნანოტექნოლოგიის დარგში.

ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში, დაახლოებით 10 ათასი სტატია ნანოპრობლემებზე გამოქვეყნდა მსოფლიო პერიოდულ გამოცემებში და დაახლოებით ათეული ყოველთვიური სპეციალიზებული ჟურნალი გამოქვეყნდა ნანომეცნიერების გარკვეულ სფეროებში.

მაშ, რა არის ახლა გაგებული ნანოტექნოლოგიით? თავად ათობითი პრეფიქსი „ნანო“ ნიშნავს რაღაცის მემილიარდედს. ამრიგად, წმინდა ფორმალურად, ობიექტები, რომლებსაც აქვთ დამახასიათებელი ზომები R (მინიმუმ ერთი კოორდინატის გასწვრივ), გაზომილი ნანომეტრებში (1 ნმ = 10-9 მ = 10E) ამ აქტივობის სფეროს მიეკუთვნება.

სინამდვილეში, განხილული ობიექტებისა და ფენომენების დიაპაზონი გაცილებით ფართოა - ცალკეული ატომებიდან (რ< 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.

გულუბრყვილო იქნება ვიფიქროთ, რომ ნანოტექნოლოგიის ეპოქის დადგომამდე ადამიანი არ ხვდებოდა და არ იყენებდა ობიექტებს და პროცესებს ნანოდონეზე. ასე რომ, ბიოქიმიური რეაქციები მაკრომოლეკულებს შორის, რომლებიც ქმნიან ყველა ცოცხალ არსებას, ფოტოგრაფიული გამოსახულების მიღება, კატალიზი ქიმიურ წარმოებაში, დუღილის პროცესები ღვინის, ყველის, პურის და სხვათა წარმოებაში ნანო დონეზე ხდება. თუმცა, „ინტუიციური ნანოტექნოლოგია“, რომელიც თავდაპირველად განვითარდა სპონტანურად, გამოყენებული ობიექტებისა და პროცესების ბუნების სათანადო გაგების გარეშე, არ შეიძლება იყოს საიმედო საფუძველი მომავალში. აქედან გამომდინარე, ფუნდამენტური კვლევა, რომელიც მიმართულია ფუნდამენტურად ახალი ტექნოლოგიური პროცესებისა და პროდუქტების შექმნაზე, უმნიშვნელოვანესია. შესაძლებელია, რომ ნანოტექნოლოგიებმა შეცვალოს ზოგიერთი მოძველებული და არაეფექტური ტექნოლოგია, მაგრამ მაინც, მისი მთავარი ადგილი ახალ სფეროებშია, რომლებშიც პრინციპულად შეუძლებელია ტრადიციული მეთოდებით საჭირო შედეგების მიღწევა.

ამრიგად, მაკრო დონეს, სადაც კარგად განვითარებული უწყვეტი მედიისა და გამოთვლისა და დიზაინის საინჟინრო მეთოდებისა და ატომური დონის, კვანტური მექანიკის კანონების დაქვემდებარებაში მყოფი, კარგად განვითარებული კონტინუუმის თეორიები და ატომური დონე, რომელიც ექვემდებარება კვანტური მექანიკის კანონებს შორის არსებულ უზარმაზარ და ჯერ კიდევ ცუდად ათვისებულ უფსკრულს შორის, არსებობს ვრცელი მატერიის სტრუქტურის მეზოიერარქიული დონე (ტექსოსი - საშუალო, შუალედური ბერძნულთან). ამ დონეზე სასიცოცხლო ბიოქიმიური პროცესები მიმდინარეობს დნმ-ის, რნმ-ის, ცილების, ფერმენტების, უჯრედქვეშა სტრუქტურების მაკრომოლეკულებს შორის, რაც უფრო ღრმა გაგებას მოითხოვს. ამავდროულად, აქ ხელოვნურად შეიძლება შეიქმნას აქამდე უხილავი პროდუქტები და ტექნოლოგიები, რომლებსაც შეუძლიათ რადიკალურად შეცვალონ მთელი ადამიანური საზოგადოების ცხოვრება. ამავდროულად, არ იქნება საჭირო ნედლეულისა და ენერგიის დიდი ხარჯები, ასევე მათი ტრანსპორტირების საშუალებები, შემცირდება ნარჩენების რაოდენობა და გარემოს დაბინძურება, შრომა გახდება უფრო ინტელექტუალური და ჯანსაღი.

ლექცია #19

ნანოტექნოლოგია ბოლო წლებში გახდა ცოდნის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი და საინტერესო სფერო ფიზიკის, ქიმიის, ბიოლოგიისა და საინჟინრო მეცნიერებების წინა პლანზე. ის დიდ იმედებს ამყარებს ადრეული გარღვევებისა და ახალი მიმართულებების ტექნოლოგიურ განვითარებაში საქმიანობის მრავალ სფეროში. ამ ახალი მიდგომის ფართომასშტაბიანი გამოყენების გასაადვილებლად და დასაჩქარებლად, მნიშვნელოვანია გვქონდეს ზოგადი იდეები და გარკვეული სპეციფიკური ცოდნა, რომელიც, ერთი მხრივ, იქნება საკმარისად დეტალური და ღრმა თემის დეტალურად გასაშუქებლად და ამავე დროს, საკმარისად ხელმისაწვდომი და სრულყოფილი, რათა სასარგებლო იყოს სპეციალისტების ფართო სპექტრისთვის, რომელთაც სურთ გაიგონ მეტი საკითხის არსისა და ამ სფეროში არსებული პერსპექტივების შესახებ.

ნანოტექნოლოგიისადმი ამჟამინდელი ფართო ინტერესი თარიღდება 1996-1998 წლებში, როდესაც სამთავრობო კომისიამ, მსოფლიო ტექნოლოგიების შეფასების ცენტრის (WTEC) დახმარებით, დაფინანსებული აშშ-ს ეროვნული სამეცნიერო ფონდისა და სხვა ფედერალური სააგენტოების მიერ, ჩაატარა მსოფლიო გამოცდილების შესწავლა. კვლევა და განვითარება ნანოტექნოლოგიების დარგში მათი ტექნოლოგიური ინოვაციური პოტენციალის შესაფასებლად. ნანოტექნოლოგია ეფუძნება იმის გაგებას, რომ 100 ნანომეტრზე მცირე ნაწილაკები (ნანომეტრი არის მეტრის მემილიარდედი) ახალ თვისებებსა და ქცევას ანიჭებენ მათგან დამზადებულ მასალებს. ეს იმიტომ ხდება, რომ დამახასიათებელ სიგრძეზე ნაკლები ობიექტები (რაც განპირობებულია კონკრეტული ფენომენის ბუნებით) ხშირად ავლენენ განსხვავებულ ფიზიკას და ქიმიას, რაც იწვევს ეგრეთ წოდებულ ზომის ეფექტებს, ახალ ქცევას, რომელიც დამოკიდებულია ნაწილაკების ზომაზე. ასე, მაგალითად, ცვლილებები ელექტრონულ სტრუქტურაში, გამტარებლობაში, რეაქტიულობაში, დნობის ტემპერატურასა და მექანიკურ მახასიათებლებში დაფიქსირდა ნაწილაკების ნაკლებად კრიტიკულ ზომებში. ქცევის დამოკიდებულება ნაწილაკების ზომებზე საშუალებას გაძლევთ შექმნათ მასალები ახალი თვისებებით იმავე საწყისი ატომებიდან.

WTEC-ის თანახმად, ამ ტექნოლოგიას აქვს დიდი პოტენციალი გამოსაყენებლად პრაქტიკულ სფეროებში ძალიან დიდ და მრავალფეროვან დიაპაზონში - უფრო ძლიერი და მსუბუქი სტრუქტურული მასალების წარმოებიდან დაწყებული ნანოსტრუქტურული წამლების მიწოდების დროის შემცირებამდე სისხლის მიმოქცევის სისტემაში, მაგნიტური მედიის ტევადობის გაზრდამდე. და ტრიგერების შექმნა სწრაფი კომპიუტერებისთვის. ამ და შემდგომი კომიტეტების მიერ მიღებულმა რეკომენდაციებმა განაპირობა ბოლო წლებში ძალიან დიდი თანხების გამოყოფა ნანომეცნიერებისა და ნანოტექნოლოგიის განვითარებისთვის. ინტერდისციპლინურმა კვლევამ მოიცვა თემების ფართო სპექტრი - ნანონაწილაკების მიერ კატალიზის ქიმიიდან დაწყებული კვანტური წერტილოვანი ლაზერების ფიზიკამდე. შედეგად, ნანოტექნოლოგიის განვითარების ყველაზე ზოგადი პერსპექტივებისა და შედეგების შესაფასებლად და ამ ახალი საინტერესო საქმიანობის სფეროში წვლილის შეტანის მიზნით, გაირკვა, რომ მკვლევარებმა პერიოდულად უნდა გასცდნენ თავიანთ ვიწრო პროფესიულ სფეროს. ცოდნა. ტექნიკურმა მენეჯერებმა, ექსპერტებმა და მათ, ვინც ფინანსურ გადაწყვეტილებებს იღებენ, უნდა გაიგონ დისციპლინების ძალიან ფართო სპექტრი.

ნანოტექნოლოგია აღიქმება არა მხოლოდ როგორც მაღალი ტექნოლოგიების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული ფილიალი, არამედ როგორც სისტემის ფორმირების ფაქტორი 21-ე საუკუნის ეკონომიკაში - ცოდნაზე დაფუძნებული ეკონომიკა და არა ბუნებრივი რესურსების ან მათი გამოყენება. დამუშავება. გარდა იმისა, რომ ნანოტექნოლოგია ასტიმულირებს ყველა საწარმოო საქმიანობის ახალი პარადიგმის განვითარებას ("ქვემოდან ზევით" - ცალკეული ატომებიდან - პროდუქტამდე და არა "ზემოდან ქვევით", როგორც ტრადიციულ ტექნოლოგიაში, რომელშიც პროდუქტი მიიღება ჭარბი მასალის უფრო მასიური ბლანკებიდან მოწყვეტით), ის თავისთავად არის ახალი მიდგომების წყარო პოსტინდუსტრიულ საზოგადოებაში ცხოვრების დონის ამაღლებისა და მრავალი სოციალური პრობლემის გადაჭრის მიზნით. მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების პოლიტიკისა და ინვესტიციების სფეროს ექსპერტების უმეტესობის აზრით, ნანოტექნოლოგიური რევოლუცია, რომელიც დაიწყო, მოიცავს ადამიანის საქმიანობის ყველა სასიცოცხლო სფეროს (კოსმოსის ძიებიდან მედიცინამდე, ეროვნული უსაფრთხოებიდან ეკოლოგიამდე და სოფლის მეურნეობამდე) და მისი შედეგები იქნება უფრო ფართო და ღრმა ვიდრე მე-20 საუკუნის ბოლო მესამედის კომპიუტერული რევოლუციები. ეს ყველაფერი აჩენს ამოცანებს და კითხვებს არა მხოლოდ სამეცნიერო და ტექნიკურ სფეროში, არამედ სხვადასხვა დონის ადმინისტრატორების, პოტენციური ინვესტორების, განათლების სექტორისა და სახელმწიფო ორგანოების წინაშე. მენეჯმენტი და ა.შ.

ბოლო წლებში იყო საკმარისი რაოდენობის პუბლიკაცია, რომელიც მიეძღვნა ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიის თეორიას, თვისებებსა და პრაქტიკულ გამოყენებას. კერძოდ, ეს თემა ფართოდ არის წარმოდგენილი ჩ.პულისა და ჯ.ფ. ოუენსი, ნანოტექნოლოგია, ტრანს. ინგლისურიდან, მე-2, შესწორებული გამოცემა, რედ. „ტექნოსფერო“, მ., 2006, 335წ. ავტორები აღნიშნავენ, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ეს წიგნი თავდაპირველად ნანოტექნოლოგიის შესავალად იყო დაგეგმილი, ამ მეცნიერების ბუნებიდან გამომდინარე, იგი გახდა შესავალი ნანოტექნოლოგიის გარკვეული სფეროებში, რომლებიც, როგორც ჩანს, მისი ტიპიური წარმომადგენლები არიან. განვითარების მაღალი სიჩქარისა და ინტერდისციპლინური ხასიათის გამო, შეუძლებელია საგნის მართლაც ყოვლისმომცველი პრეზენტაცია. წარმოდგენილი თემები შეირჩა საკითხის მიღწეული გაგების სიღრმის, მათი პოტენციალის მოცულობის ან ტექნოლოგიაში არსებული გამოყენების საფუძველზე. ბევრი თავი განიხილავს არსებულ და მომავალ შესაძლებლობებს. მათთვის, ვისაც სურს მეტი გაიგოს კონკრეტულ სფეროებზე, რომლებშიც ვითარდება ეს ტექნოლოგია, მოცემულია ლიტერატურის მითითებები.

ავტორები ცდილობდნენ წარმოედგინათ შესავალი ნანოტექნოლოგიის საგანში, დაწერილი ისეთ დონეზე, რომ სხვადასხვა სფეროს მკვლევარებმა შეაფასონ დარგის განვითარება მათი პროფესიული ინტერესების მიღმა და ტექნიკური ლიდერები და მენეჯერები მიიღონ მიმოხილვა ამ საკითხზე. შესაძლოა, ეს წიგნი საფუძვლად დაედო საუნივერსიტეტო კურსის ნანოტექნოლოგიას. ბევრ თავში მოცემულია შესავალი ფიზიკური და ქიმიური პრინციპების შესახებ, რომლებიც საფუძვლად უდევს განხილულ სფეროებს. ამრიგად, ბევრი თავი თვითკმარია და მათი შესწავლა შესაძლებელია ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად. ამრიგად, მე-2 თავი იწყება ნაყარი მასალების თვისებების მოკლე მიმოხილვით, რაც აუცილებელია იმის გასაგებად, თუ როგორ და რატომ იცვლება მასალების თვისებები, როდესაც მათი სტრუქტურული ერთეულების ზომა უახლოვდება ნანომეტრს. ნანოტექნოლოგიის ასეთი სწრაფი განვითარების მნიშვნელოვანი სტიმული იყო ახალი ხელსაწყოების შექმნა (როგორიცაა სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი), რამაც შესაძლებელი გახადა ნანომეტრის ზომის თვისებების დანახვა მასალების ზედაპირზე. მაშასადამე, მე-3 თავი აღწერს ყველაზე მნიშვნელოვან ინსტრუმენტულ სისტემებს და იძლევა ნანომასალებში გაზომვების ილუსტრაციებს. დანარჩენი თავები პრობლემის სხვა ასპექტებს ეხება. წიგნი მოიცავს პრობლემებისა და თემების ძალიან ფართო სპექტრს: ეფექტები, რომლებიც დაკავშირებულია ნანომეცნიერული და ტექნოლოგიური ობიექტების ზომასთან და განზომილებასთან, ნანოსტრუქტურული მასალების მაგნიტურ, ელექტრულ და ოპტიკურ თვისებებთან, მათი მომზადებისა და შესწავლის მეთოდებს, თვითაწყობას და კატალიზებას ნანოსტრუქტურებში, ნანობიოტექნოლოგია, ინტეგრირებული ნანოელექტრომექანიკური მოწყობილობები, ფულერიტები, ნანომილები და მრავალი სხვა. აღწერილია ნანოსტრუქტურებისა და ნანოობიექტების კვლევისა და სერტიფიცირების რიგი თანამედროვე მეთოდები: ელექტრონული და იონ-ველის მიკროსკოპია, ოპტიკური, რენტგენის და მაგნიტური სპექტროსკოპია.

ამავდროულად, აშკარაა ხარვეზები ცალკეული მონაკვეთების სტრუქტურასა და შინაარსში. ამრიგად, ინფორმაცია ნანოელექტრონიკის, სპინტრონიკის, ახალი იდეების შესახებ კვანტური გამოთვლებისა და კომპიუტერების შესახებ თითქმის სრულიად არ არსებობს. მათი უმეტესობა არც კი არის ნახსენები. აბსოლუტურად არასაკმარისი ყურადღება დაეთმო კვლევის, სერტიფიცირების, ლითოგრაფიის და ატომური და მოლეკულური დიზაინის უკიდურესად მძლავრ და ფართოდ გავრცელებულ ზონდის სკანირების მეთოდებს. ამ საკითხებს მიძღვნილი პატარა აბზაცი სრულიად არაპროპორციულია ზონდის ნანოტექნოლოგიის როლსა და ადგილს. ძალიან მოკრძალებული ადგილი ეთმობა სუსტ ზეგამტარობას და მასზე დაფუძნებულ ძალიან პერსპექტიულ მოწყობილობებს. ფილმები და ჰეტეროსტრუქტურები, რომლებიც მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ თანამედროვე პლანტურ ელექტრონიკაში, ზემყარ და აცვიათ მდგრად საფარებში და ა.შ. იშვიათად არის წარმოდგენილი. ing, nano-scraping და სხვ.).

აქვე აღვნიშნავთ, რომ ნანოტექნოლოგიის ობიექტებისა და პროცესების სისტემატიზაცია არსად არის მოცემული, რის შედეგადაც გამოუცდელი მკითხველისთვის გაურკვეველი რჩება ამ წიგნის წაკითხვის შემდეგ საგნის რა ნაწილის გაცნობას შეძლებს.

ზემოაღნიშნული ხარვეზების მიუხედავად, ზოგადად, წიგნი შეიძლება ჩაითვალოს გამოსადეგად მკითხველთა ფართო სპექტრისთვის, მათ შორის ფიზიკური, ქიმიური და მასალათმცოდნეობის სპეციალობების სტუდენტებისთვის. ეს უკანასკნელი მით უფრო აქტუალურია, რადგან ნანოტექნოლოგიის შესახებ საგანმანათლებლო ლიტერატურა რუსულ ენაზე თითქმის მთლიანად არ არსებობს და ამის საჭიროება დიდია ნანომასალებისა და ნანოელექტრონული სპეციალისტების მომზადების გამო, რომელიც 2003 წელს დაიწყო რუსეთის 12 უნივერსიტეტში.

ავტორის ყველა იდეა და ინტერპრეტაცია არ შეიძლება უპირობოდ შეთანხმდეს. თუმცა, იმისთვის, რომ ტექსტი დიდი რაოდენობით კომენტარებით, დამატებებითა და კრიტიკით არ გადაიტვირთოს, თარგმანისა და რედაქტირებისას აღმოიფხვრა მხოლოდ აშკარა შეცდომები, შეუსაბამობები და ბეჭდვითი შეცდომები.

წიგნის დაწერისა და რუსულ ენაზე ხელახალი დაბეჭდვის დროს გამოიცა მრავალი სასარგებლო წიგნი, რომელთაგან ზოგიერთი ქვემოთ ჩამოთვლილია. მათივე თქმით, დაინტერესებულ მკითხველს შეუძლია უფრო ღრმად გაეცნოს ცალკეულ განყოფილებებს და მთლიანად ნანოტექნოლოგიის პანორამას.

ნანომასალები ჩვეულებრივ მოიცავს დისპერსიულ და მასიურ მასალებს, რომლებიც შეიცავს სტრუქტურულ ელემენტებს (მარცვლები, კრისტალები, ბლოკები, მტევანი და სხვა), რომელთა გეომეტრიული ზომები არ აღემატება 100 ნმ-ს მინიმუმ ერთ განზომილებაში და გააჩნიათ თვისობრივად ახალი ფუნქციური და ოპერატიული მახასიათებლები. ნანოტექნოლოგიები მოიცავს ტექნოლოგიებს, რომლებიც უზრუნველყოფენ ნანომასალების კონტროლირებადი წესით შექმნისა და მოდიფიცირების შესაძლებლობას, აგრეთვე მათ ინტეგრირებას სრულად მოქმედ ფართომასშტაბიან სისტემებში. ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიების მეცნიერების ძირითად კომპონენტებს შორის შეიძლება გამოიყოს შემდეგი:

მასალების თვისებების ფუნდამენტური კვლევები ნანომასშტაბიან დონეზე;

ნანოტექნოლოგიების შემუშავება ნანომასალების მიზანმიმართული შესაქმნელად, აგრეთვე ნანოსტრუქტურული ელემენტებით ბუნებრივი ობიექტების ძიება და გამოყენება, ნანომასალების გამოყენებით მზა პროდუქტების შექმნა და ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიების ინტეგრირება სხვადასხვა ინდუსტრიებსა და მეცნიერებებში;

ნანომასალების სტრუქტურისა და თვისებების შესწავლის ინსტრუმენტებისა და მეთოდების შემუშავება, აგრეთვე ნანოტექნოლოგიებისთვის პროდუქციისა და ნახევარფაბრიკატების მონიტორინგისა და სერტიფიცირების მეთოდები.

21-ე საუკუნე აღინიშნა რევოლუციური დასაწყისით ნანოტექნოლოგიებისა და ნანომასალების განვითარებაში. ისინი უკვე გამოიყენება მსოფლიოს ყველა განვითარებულ ქვეყანაში ადამიანის საქმიანობის ყველაზე მნიშვნელოვან სფეროებში (მრეწველობა, თავდაცვა, საინფორმაციო სფერო, რადიო ელექტრონიკა, ენერგეტიკა, ტრანსპორტი, ბიოტექნოლოგია, მედიცინა). ინვესტიციების ზრდის, ამ თემაზე პუბლიკაციების რაოდენობის და ფუნდამენტური და საძიებო განვითარების ტემპის ანალიზი საშუალებას გვაძლევს დავასკვნათ, რომ მომდევნო 20 წლის განმავლობაში ნანოტექნოლოგიების და ნანომასალების გამოყენება იქნება ერთ-ერთი განმსაზღვრელი ფაქტორი. სახელმწიფოთა სამეცნიერო, ეკონომიკური და თავდაცვის განვითარება. ამჟამად მუდმივად იზრდება ინტერესი მასალების ახალი კლასის მიმართ როგორც ფუნდამენტური, ისე გამოყენებითი მეცნიერების, ასევე მრეწველობისა და ბიზნესის სფეროში. ეს გამოწვეულია შემდეგი მიზეზების გამო:

პროდუქტების მინიატურიზაციისკენ სწრაფვა,

მასალების უნიკალური თვისებები ნანოსტრუქტურულ მდგომარეობაში,

ხარისხობრივად და რაოდენობრივად ახალი თვისებების მქონე მასალების შემუშავებისა და დანერგვის საჭიროება,

ახალი ტექნოლოგიური მეთოდებისა და მეთოდების შემუშავება თვითშეკრებისა და თვითორგანიზაციის პრინციპებზე დაფუძნებული,

ნანომასალების კვლევის, დიაგნოსტიკისა და მოდიფიკაციის თანამედროვე ინსტრუმენტების პრაქტიკული დანერგვა (სკანირების ზონდის მიკროსკოპია),

ახალი ტექნოლოგიების შემუშავება და დანერგვა, რომლებიც წარმოადგენს ლითოგრაფიული პროცესების თანმიმდევრობას, ნანოფხვნილების მიღების ტექნოლოგიებს.

ნანოსტრუქტურული კვლევის მიმართულება თითქმის მთლიანად გადავიდა ნანოკრისტალური ნივთიერებებისა და მასალების მოპოვებიდან და შესწავლიდან ნანოტექნოლოგიის სფეროზე, ანუ ნანო ზომის ელემენტებით პროდუქტების, მოწყობილობების და სისტემების შექმნაზე. ნანომასშტაბიანი ელემენტების გამოყენების ძირითადი სფეროებია ელექტრონიკა, მედიცინა, ქიმიური ფარმაცევტიკა და ბიოლოგია.

რუსეთის პრეზიდენტი დიმიტრი მედვედევი დარწმუნებულია, რომ ქვეყანას აქვს ყველა პირობა ნანოტექნოლოგიის წარმატებული განვითარებისთვის.

ნანოტექნოლოგია არის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ახალი სფერო, რომელიც აქტიურად ვითარდება ბოლო ათწლეულების განმავლობაში. ნანოტექნოლოგიები მოიცავს მასალების, მოწყობილობებისა და ტექნიკური სისტემების შექმნას და გამოყენებას, რომელთა ფუნქციონირებას განსაზღვრავს ნანოსტრუქტურა, ანუ მისი მოწესრიგებული ფრაგმენტები ზომით 1-დან 100 ნანომეტრამდე.

პრეფიქსი „ნანო“, რომელიც ბერძნული ენიდან მოვიდა (ბერძნულად „ნანოს“ - ჯუჯა), მემილიარდედ ნაწილს ნიშნავს. ერთი ნანომეტრი (ნმ) არის მეტრის მემილიარდედი.

ტერმინი "ნანოტექნოლოგია" (ნანოტექნოლოგია) გამოიგონა 1974 წელს ტოკიოს უნივერსიტეტის პროფესორმა მატერიალურმა მეცნიერმა ნორიო ტანიგუჩიმ (ნორიო ტანიგუჩი), რომელმაც იგი განსაზღვრა, როგორც "წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც საშუალებას იძლევა მივაღწიოთ ულტრა მაღალი სიზუსტის და ულტრა მცირე ზომის ზომებს. .. 1 ნმ რიგის ..." .

მსოფლიო ლიტერატურაში ნანომეცნიერება აშკარად გამოირჩევა ნანოტექნოლოგიისგან. ტერმინი ნანომასშტაბიანი მეცნიერება ასევე გამოიყენება ნანომეცნიერებისთვის.

რუსულ ენაში და რუსეთის კანონმდებლობისა და რეგულაციების პრაქტიკაში, ტერმინი "ნანოტექნოლოგია" აერთიანებს "ნანომეცნიერებას", "ნანოტექნოლოგიებს" და ზოგჯერ "ნანოინდუსტრიას" (ბიზნესისა და წარმოების სფეროებს, სადაც ნანოტექნოლოგიები გამოიყენება).

ნანოტექნოლოგიის ყველაზე მნიშვნელოვანი კომპონენტია ნანომასალებიეს არის მასალები, რომელთა უჩვეულო ფუნქციური თვისებები განისაზღვრება მათი ნანოფრაგმენტების მოწესრიგებული სტრუქტურით, ზომით 1-დან 100 ნმ-მდე.

- ნანოფოროვანი სტრუქტურები;
- ნანონაწილაკები;
- ნანომილები და ნანობოჭკოები
- ნანოდისპერსიები (კოლოიდები);
- ნანოსტრუქტურული ზედაპირები და ფილმები;
- ნანოკრისტალები და ნანოკლასტერები.

ნანოსისტემური ტექნოლოგია- სრულად ან ნაწილობრივ შექმნილი ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიების, ფუნქციურად სრული სისტემებისა და მოწყობილობების საფუძველზე, რომელთა მახასიათებლები ძირეულად განსხვავდება ტრადიციული ტექნოლოგიების გამოყენებით შექმნილი მსგავსი დანიშნულების სისტემებისა და მოწყობილობებისგან.

ნანოტექნოლოგიის აპლიკაციები

თითქმის შეუძლებელია ჩამოვთვალოთ ყველა ის სფერო, რომლებშიც ამ გლობალურ ტექნოლოგიას შეუძლია მნიშვნელოვნად იმოქმედოს ტექნოლოგიურ პროგრესზე. ჩვენ შეგვიძლია დავასახელოთ მხოლოდ რამდენიმე მათგანი:

- ნანოელექტრონიკისა და ნანოფოტონიკის ელემენტები (ნახევარგამტარული ტრანზისტორები და ლაზერები;
- ფოტოდეტექტორები; მზის უჯრედები; სხვადასხვა სენსორები)
- მოწყობილობები ინფორმაციის ულტრა მკვრივი ჩაწერისთვის;
- ტელეკომუნიკაციები, საინფორმაციო და გამოთვლითი ტექნოლოგიები; სუპერკომპიუტერები;
- ვიდეო აპარატურა - ბრტყელი ეკრანები, მონიტორები, ვიდეო პროექტორები;
- მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობები, მათ შორის გადამრთველები და ელექტრონული სქემები მოლეკულურ დონეზე;
- ნანოლითოგრაფია და ნანოიმპრინტინგი;
- საწვავის უჯრედები და ენერგიის შესანახი მოწყობილობები;
- მიკრო და ნანომექანიკის მოწყობილობები, მათ შორის მოლეკულური ძრავები და ნანომოტორები, ნანორობოტები;
- ნანოქიმია და კატალიზი, მათ შორის წვის კონტროლი, საფარი, ელექტროქიმია და ფარმაცევტული საშუალებები;
- საავიაციო, კოსმოსური და თავდაცვის პროგრამები;
- მოწყობილობები გარემოს მდგომარეობის მონიტორინგისთვის;
- წამლებისა და ცილების მიზანმიმართული მიწოდება, ბიოპოლიმერები და ბიოლოგიური ქსოვილების შეხორცება, კლინიკური და სამედიცინო დიაგნოსტიკა, ხელოვნური კუნთების, ძვლების შექმნა, ცოცხალი ორგანოების იმპლანტაცია;
- ბიომექანიკა; გენომიკა; ბიოინფორმატიკა; ბიოინსტრუმენტაცია;
- კანცეროგენული ქსოვილების, პათოგენების და ბიოლოგიურად მავნე აგენტების რეგისტრაცია და იდენტიფიკაცია;
- უსაფრთხოება სოფლის მეურნეობაში და სურსათის წარმოებაში.

კომპიუტერები და მიკროელექტრონიკა

ნანოკომპიუტერი- ელექტრონულ (მექანიკურ, ბიოქიმიურ, კვანტურ) ტექნოლოგიებზე დაფუძნებული გამოთვლითი მოწყობილობა რამდენიმე ნანომეტრის რიგის ლოგიკური ელემენტების ზომით. თავად კომპიუტერს, რომელიც შემუშავებულია ნანოტექნოლოგიის საფუძველზე, ასევე აქვს მიკროსკოპული ზომები.

დნმ კომპიუტერი- გამოთვლითი სისტემა, რომელიც იყენებს დნმ-ის მოლეკულების გამოთვლით შესაძლებლობებს. ბიომოლეკულური გამოთვლა არის კოლექტიური სახელწოდება სხვადასხვა ტექნიკისთვის, რომელიც დაკავშირებულია დნმ-თან ან რნმ-თან ამა თუ იმ გზით. დნმ-ის გამოთვლაში მონაცემები წარმოდგენილია არა ნულებისა და ერთეულების სახით, არამედ დნმ-ის სპირალის საფუძველზე აგებული მოლეკულური სტრუქტურის სახით. მონაცემთა წაკითხვის, კოპირებისა და მართვის პროგრამული უზრუნველყოფის როლს სპეციალური ფერმენტები ასრულებენ.

ატომური ძალის მიკროსკოპი- მაღალი გარჩევადობის სკანირების ზონდის მიკროსკოპი, რომელიც ეფუძნება კონსოლის ნემსის (ზონდის) ურთიერთქმედებას შესასწავლი ნიმუშის ზედაპირთან. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპისგან (STM) განსხვავებით, მას შეუძლია შეისწავლოს როგორც გამტარ, ისე არაგამტარ ზედაპირები თხევადი შრის მეშვეობითაც კი, რაც შესაძლებელს ხდის ორგანულ მოლეკულებთან (დნმ) მუშაობას. ატომური ძალის მიკროსკოპის სივრცითი გარჩევადობა დამოკიდებულია კონსოლის ზომაზე და მისი წვერის გამრუდებაზე. გარჩევადობა აღწევს ატომს ჰორიზონტალურად და მნიშვნელოვნად აღემატება მას ვერტიკალურად.

ანტენის ოსცილატორი- 2005 წლის 9 თებერვალს ბოსტონის უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში მიიღეს ოსცილატორის ანტენა, რომლის ზომა დაახლოებით 1 მიკრონი იყო. ამ მოწყობილობას აქვს 5000 მილიონი ატომი და შეუძლია რხევა 1,49 გიგაჰერცის სიხშირით, რაც საშუალებას გაძლევთ გადაიტანოთ უზარმაზარი ინფორმაცია მასთან.

ნანომედიცინა და ფარმაცევტული ინდუსტრია

მიმართულება თანამედროვე მედიცინაში, რომელიც დაფუძნებულია ნანომასალებისა და ნანოობიექტების უნიკალური თვისებების გამოყენებაზე ნანომოლეკულურ დონეზე ადამიანის ბიოლოგიური სისტემების თვალთვალის, დიზაინისა და შეცვლისთვის.

დნმ ნანოტექნოლოგიები- გამოიყენონ დნმ-ის მოლეკულების და ნუკლეინის მჟავების სპეციფიკური ბაზები მათ საფუძველზე მკაფიოდ განსაზღვრული სტრუქტურების შესაქმნელად.

წამლების მოლეკულების და კარგად გამოკვეთილი ფორმის ფარმაკოლოგიური პრეპარატების სამრეწველო სინთეზი (ბის-პეპტიდები).

2000 წლის დასაწყისში, ნანო ზომის ნაწილაკების წარმოების ტექნოლოგიაში სწრაფი პროგრესის წყალობით, ბიძგი მიეცა ნანოტექნოლოგიის ახალი დარგის განვითარებას - ნანოპლაზმონიკა. აღმოჩნდა, რომ შესაძლებელი გახდა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გადაცემა ლითონის ნანონაწილაკების ჯაჭვის გასწვრივ პლაზმონის რხევების აგზნების გზით.

რობოტები

ნანობოტები- ნანომასალებისგან შექმნილი რობოტები, რომლებიც ზომით შედარებულია მოლეკულასთან, გადაადგილების, ინფორმაციის დამუშავებისა და გადაცემის, პროგრამების შესრულების ფუნქციებით. ნანორობოტები, რომლებსაც შეუძლიათ საკუთარი თავის ასლების შექმნა, ე.ი. თვითგამრავლებას რეპლიკატორებს უწოდებენ.

დღეისათვის უკვე შექმნილია შეზღუდული მობილურობის ელექტრომექანიკური ნანომოწყობილობები, რომლებიც შეიძლება ჩაითვალოს ნანორობოტების პროტოტიპებად.

მოლეკულური როტორები- სინთეზური ნანომასშტაბიანი ძრავები, რომლებსაც შეუძლიათ ბრუნვის გამომუშავება, როდესაც მათზე საკმარისი ენერგია გამოიყენება.

რუსეთის ადგილი ნანოტექნოლოგიის მწარმოებელ და მწარმოებელ ქვეყნებს შორის

ნანოტექნოლოგიის სფეროში მთლიანი ინვესტიციების მხრივ მსოფლიო ლიდერები არიან ევროკავშირის ქვეყნები, იაპონია და შეერთებული შტატები. ბოლო დროს რუსეთმა, ჩინეთმა, ბრაზილიამ და ინდოეთმა მნიშვნელოვნად გაზარდეს ინვესტიციები ამ ინდუსტრიაში. რუსეთში დაფინანსების ოდენობა პროგრამის „ნანოინდუსტრიის ინფრასტრუქტურის განვითარება რუსეთის ფედერაციაში 2008-2010 წლებში“ ფარგლებში 27,7 მილიარდ რუბლს შეადგენს.

ლონდონში დაფუძნებული კვლევითი ფირმის Cientifica-ს უახლეს (2008) ანგარიშში, სახელწოდებით "ნანოტექნოლოგიის პერსპექტივის ანგარიში", რუსული ინვესტიციების შესახებ სიტყვასიტყვით ნათქვამია შემდეგი: "მიუხედავად იმისა, რომ ევროკავშირი ჯერ კიდევ პირველ ადგილზეა ინვესტიციების თვალსაზრისით, ჩინეთმა და რუსეთმა უკვე გაუსწრეს. Შეერთებული შტატები."

ნანოტექნოლოგიაში არის ისეთი სფეროები, სადაც რუსი მეცნიერები პირველი გახდნენ მსოფლიოში, მიიღეს შედეგები, რომლებმაც საფუძველი ჩაუყარეს ახალი სამეცნიერო ტენდენციების განვითარებას.

მათ შორისაა ულტრაწვრილი ნანომასალების წარმოება, ერთელექტრონული მოწყობილობების დიზაინი, ასევე მუშაობა ატომური ძალისა და სკანირების ზონდის მიკროსკოპის სფეროში. მხოლოდ სანქტ-პეტერბურგის XII ეკონომიკური ფორუმის ფარგლებში გამართულ სპეციალურ გამოფენაზე (2008 წ.) ერთდროულად წარმოდგენილი იყო 80 კონკრეტული განვითარება.

რუსეთი უკვე აწარმოებს უამრავ ნანოპროდუქტს, რომლებიც მოთხოვნადია ბაზარზე: ნანომემბრანები, ნანოფხვნილები, ნანომილები. თუმცა, ექსპერტების აზრით, რუსეთი ათი წლით ჩამორჩება შეერთებულ შტატებსა და სხვა განვითარებულ ქვეყნებს ნანოტექნოლოგიური განვითარების კომერციალიზაციაში.

მასალა მომზადდა ღია წყაროებიდან მიღებული ინფორმაციის საფუძველზე