G. G. Elenin
Krótka informacja o autorze: Profesor, Wydział Matematyki Obliczeniowej i Cybernetyki, Moskiewski Uniwersytet Państwowy. M.V. Łomonosow, wiodący badacz w Instytucie Matematyki Stosowanej im. M.V.Keldysh RAS.
Jeśli stalowy sześcian lub kryształ soli złożony z identycznych atomów może wykazywać ciekawe właściwości; czy woda – zwykłe kropelki, nie do odróżnienia od siebie i pokrywające milę za milą powierzchnię Ziemi – jest w stanie generować fale i pianę, grzmot fal i dziwne wzory na granicie nasypu; jeśli to wszystko, całe bogactwo życia w wodach, jest tylko własnością zlepków atomów, to ile jeszcze możliwości kryje się w nich? Jeśli zamiast układać atomy wiersz po wierszu, kolumna po kolumnie, a nawet zamiast budować z nich misterne cząsteczki zapachu fiołków, jeśli zamiast tego układamy je za każdym razem na nowo, urozmaicając ich mozaikę, nie powtarzając jej , co już się wydarzyło – wyobraź sobie, ile niezwykłych, nieoczekiwanych rzeczy może wyniknąć w ich zachowaniu.
R. P. Feynmana
Przedmiot, cele i główne kierunki w nanotechnologii
Według Słownika Encyklopedycznego technologia to zespół metod przetwarzania, wytwarzania, zmiany stanu, właściwości, postaci surowców, materiałów lub półproduktów realizowanych w procesie produkcyjnym.
Specyfiką nanotechnologii jest to, że rozpatrywane procesy i wykonywane działania zachodzą w nanometrowym zakresie wymiarów przestrzennych 1 . „Surowce” to pojedyncze atomy, cząsteczki, układy molekularne, a nie mikronowe czy makroskopowe objętości materiału znane z tradycyjnej technologii, zawierające co najmniej miliardy atomów i cząsteczek. W odróżnieniu od technologii tradycyjnej, nanotechnologię charakteryzuje podejście „indywidualne”, w którym kontrola zewnętrzna dociera do poszczególnych atomów i cząsteczek, co pozwala stworzyć z nich zarówno „pozbawione defektów” materiały o zasadniczo nowych właściwościach fizycznych, chemicznych i biologicznych oraz nowe klasy urządzeń o charakterystycznych rozmiarach nanometrowych. Pojęcie „nanotechnologii” nie zostało jeszcze ustalone. Najwyraźniej można zastosować następującą definicję roboczą.
Nanotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauki, w której badane są prawa procesów fizycznych i chemicznych w obszarach przestrzennych o wymiarach nanometrowych w celu kontrolowania poszczególnych atomów, cząsteczek, układów molekularnych w tworzeniu nowych cząsteczek, nanostruktur, nanourządzeń i materiałów o specjalnych właściwościach fizycznych , właściwości chemiczne i biologiczne.
Analiza obecnego stanu dynamicznie rozwijającego się obszaru pozwala zidentyfikować szereg najważniejszych w nim obszarów.
Projekt molekularny. Rozbiór istniejących cząsteczek i synteza nowych w wysoce niejednorodnych polach elektromagnetycznych.
Inżynieria materiałowa. Tworzenie „pozbawionych defektów” materiałów o wysokiej wytrzymałości, materiałów o wysokiej przewodności.
Oprzyrządowanie. Tworzenie skaningowych mikroskopów tunelowych, mikroskopów sił atomowych 2 , mikroskopów sił magnetycznych, wielopunktowych systemów do projektowania molekularnego, miniaturowych czujników ultraczułych, nanorobotów.
Elektronika. Projektowanie podstaw elementów nanometrowych dla komputerów nowej generacji, nanodrutów, tranzystorów, prostowników, wyświetlaczy, systemów akustycznych.
Optyka. Tworzenie nanolaserów. Synteza układów wielotipowych za pomocą nanolaserów.
Kataliza heterogeniczna. Opracowanie katalizatorów z nanostrukturami dla klas selektywnych reakcji katalizy.
Medycyna. Projektowanie nanoinstrumentów do niszczenia wirusów, lokalnej „naprawy” narządów i precyzyjnego dostarczania dawek leków do określonych miejsc żywego organizmu.
Trybologia. Określenie zależności pomiędzy nanostrukturą materiałów a siłami tarcia i wykorzystanie tej wiedzy do wytworzenia obiecujących par ciernych.
Kontrolowane reakcje jądrowe. Akceleratory nanocząstek, niestatystyczne reakcje jądrowe.
Skaningowa mikroskopia tunelowa
Co najmniej dwa wydarzenia odegrały znaczącą rolę w niepowstrzymanej eksploracji nanoświata:
Stworzenie skaningowego mikroskopu tunelowego (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) i skaningowego mikroskopu sił atomowych (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nagroda Nobla 1992);
Odkrycie nowej formy istnienia węgla w przyrodzie – fulerenów (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nagroda Nobla 1996).
Nowe mikroskopy umożliwiły obserwację struktury atomowo-molekularnej powierzchni monokryształów w zakresie wielkości nanometrów. Najlepsza rozdzielczość przestrzenna urządzeń to jedna setna nanometra normalnej do powierzchni. Działanie skaningowego mikroskopu tunelowego opiera się na tunelowaniu elektronów przez barierę próżniową. Wysoka rozdzielczość wynika z faktu, że prąd tunelowania zmienia się o trzy rzędy wielkości, gdy szerokość bariery zmienia się wraz ze zmianą wielkości atomu. Teorię efektu tunelowania kwantowego opracował G.A. Gamowa w 1928 roku w swoich pracach o rozpadzie.
Za pomocą różnych mikroskopów skaningowych obecnie obserwuje się strukturę atomową powierzchni monokryształów metali, półprzewodników, nadprzewodników wysokotemperaturowych, cząsteczek organicznych i obiektów biologicznych. Na ryc. Rysunek 1 przedstawia zrekonstruowaną powierzchnię dolnego tarasu powierzchni (100) monokryształu krzemu. Szare kółka to obrazy atomów krzemu. Ciemne obszary to lokalne defekty nanometrowe. Na ryc. Rysunek 2 przedstawia strukturę atomową czystej powierzchni srebrnej powierzchni (110) (lewa ramka) i tej samej powierzchni pokrytej atomami tlenu (prawa ramka). Okazało się, że tlen nie jest adsorbowany losowo, ale tworzy dość długie łańcuchy wzdłuż określonego kierunku krystalograficznego. Obecność podwójnych i pojedynczych łańcuchów wskazuje na dwie formy tlenu.
Formy te odgrywają ważną rolę w selektywnym utlenianiu węglowodorów, takich jak etylen. Na ryc. 3 widać nanostrukturę nadprzewodnika wysokotemperaturowego Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2. W lewej ramce ryc. 4 wyraźnie widoczne są pierścienie cząsteczek benzenu (C 6 H 6). Prawa ramka przedstawia łańcuchy CH2 z polietylenu. Praca przedstawia sekwencję klatek z filmu laboratoryjnego opowiadającego o przenikaniu wirusa do żywej komórki.
Nowe mikroskopy przydają się nie tylko do badania atomowej i molekularnej struktury materii. Okazały się odpowiednie do konstruowania nanostruktur. Za pomocą pewnych ruchów końcówką mikroskopu można tworzyć struktury atomowe. Rysunek 5 przedstawia etapy tworzenia napisu „IBM” z poszczególnych atomów ksenonu na powierzchni (110) monokryształu niklu. Ruchy końcówki podczas tworzenia nanostruktur z pojedynczych atomów przypominają technikę hokeisty podczas przesuwania krążka kijem. Interesujące jest stworzenie algorytmów komputerowych, które w oparciu o odpowiednie modele matematyczne ustalają nietrywialne powiązanie pomiędzy ruchami końcówki a ruchami manipulowanych atomów. Do opracowania automatycznych „asemblerów” nanostruktur potrzebne są modele i algorytmy.
Ryż. 4: a - C6H6; b - CH2-CH2
Ryż. 5. Xe/Ni (110)
Nanomateriały
Fulereny, jako nowa forma istnienia węgla w przyrodzie, obok znanego od dawna diamentu i grafitu, odkryto w 1985 roku, kiedy astrofizycy próbowali wyjaśnić widma pyłu międzygwiazdowego. Okazało się, że atomy węgla mogą tworzyć wysoce symetryczną cząsteczkę C 60. Taka cząsteczka składa się z 60 atomów węgla ułożonych na kuli o średnicy około jednego nanometra i przypomina piłkę nożną (ryc. 6). Zgodnie z twierdzeniem L. Eulera atomy węgla tworzą 12 pięciokątów foremnych i 20 sześciokątów foremnych. Cząsteczka nosi imię architekta R. Fullera, który zbudował dom z pięciokątów i sześciokątów. Początkowo C 60 produkowano w małych ilościach, a następnie w 1990 roku odkryto technologię ich produkcji na dużą skalę.
Fuleryty. Z kolei cząsteczki C60 mogą tworzyć kryształ fulerytu z sześcienną siatką skupioną na ścianie i dość słabymi wiązaniami międzycząsteczkowymi. Kryształ ten ma wnęki oktaedryczne i czworościenne, w których mogą znajdować się obce atomy. Jeśli wnęki oktaedryczne zostaną wypełnione jonami metali alkalicznych (¦ = K (potas), Rb (rubid), Cs (cez)), to w temperaturach poniżej temperatury pokojowej struktura tych substancji ulega przegrupowaniu i powstaje nowy materiał polimerowy ¦1C60 uformowany. Jeżeli wnęki czworościenne zostaną również wypełnione, wówczas powstanie materiał nadprzewodzący ¦3C60 o temperaturze krytycznej 20-40 K. W Instytucie prowadzone są w szczególności badania fulerytów nadprzewodzących. Maxa Plancka w Stuttgarcie. Istnieją fuleryty z innymi dodatkami, które nadają materiałowi wyjątkowe właściwości. Na przykład C60-etylen ma właściwości ferromagnetyczne. Wysoka aktywność w nowej dziedzinie chemii doprowadziła do tego, że do 1997 roku istniało już ponad 9000 związków fulerenowych.
Nanorurki węglowe. Z węgla można otrzymać cząsteczki o gigantycznej liczbie atomów. Taka cząsteczka, np. C=1 000 000, może być jednowarstwową rurką o średnicy około nanometra i długości kilkudziesięciu mikronów (rys. 7). Na powierzchni rurki atomy węgla znajdują się w wierzchołkach regularnych sześciokątów. Końce rurki zamknięte są sześcioma pięciokątami foremnymi. Należy zauważyć rolę liczby boków wielokątów foremnych w tworzeniu dwuwymiarowych powierzchni składających się z
Ryż. 7. Nanorurki niechiralne: a - C(n", n) - metal;
L-C(n, 0):mod (n, 3) = 0 - półmetal
mod (n, 3)!= 0 - półprzewodnik.
Ryż. 8. Zakrzywiona rura
atomy węgla w przestrzeni trójwymiarowej. Regularne sześciokąty to komórka w płaskiej płycie grafitowej, którą można zwinąć w rurki o różnej chiralności (m, n) 3 . Pięciokąty foremne (heptagony) to lokalne wady blachy grafitowej, umożliwiające uzyskanie jej dodatniej (ujemnej) krzywizny. Zatem kombinacje pięciokątów foremnych, sześciokątów i siedmioboków umożliwiają uzyskanie różnych kształtów powierzchni węglowych w przestrzeni trójwymiarowej (ryc. 8). Geometria tych nanostruktur decyduje o ich unikalnych właściwościach fizykochemicznych, a co za tym idzie o możliwości istnienia zasadniczo nowych materiałów i technologii ich wytwarzania. Prognozowanie właściwości fizykochemicznych nowych materiałów węglowych odbywa się zarówno z wykorzystaniem modeli kwantowych, jak i obliczeń w ramach dynamiki molekularnej. Wraz z rurami jednowarstwowymi istnieje możliwość tworzenia rur wielowarstwowych. Do produkcji nanorurek stosuje się specjalne katalizatory.
Co jest wyjątkowego w nowych materiałach? Zatrzymajmy się tylko na trzech ważnych właściwościach.
Ultra wytrzymałe materiały. Wiązania między atomami węgla w arkuszu grafitu są najsilniejsze ze znanych, dlatego pozbawione defektów rury węglowe są o dwa rzędy wielkości mocniejsze od stali i około cztery razy lżejsze! Jednym z najważniejszych wyzwań technologicznych w dziedzinie nowych materiałów węglowych jest stworzenie nanorurek o „nieskończonej” długości. Z takich rur można wytwarzać lekkie materiały kompozytowe o ekstremalnej wytrzymałości na potrzeby technologii nowego stulecia. Są to elementy energetyczne mostów i budynków, konstrukcje nośne samolotów kompaktowych, elementy turbin, zespoły napędowe silników o wyjątkowo niskim jednostkowym zużyciu paliwa itp. Obecnie nauczyli się wytwarzać rurki o długości kilkudziesięciu mikronów i średnicy rzędu jednego nanometra.
Materiały wysoce przewodzące. Wiadomo, że w graficie krystalicznym przewodnictwo wzdłuż płaszczyzny warstwy jest największe spośród znanych materiałów, natomiast w kierunku prostopadłym do blachy jest małe. Oczekuje się zatem, że kable elektryczne wykonane z nanorurek będą miały przewodność elektryczną o dwa rzędy wielkości wyższą w temperaturze pokojowej niż kable miedziane. To kwestia technologii, która umożliwia produkcję rur o odpowiedniej długości i odpowiedniej ilości,
Nanoklastry
Wiele nanoobiektów zawiera bardzo małe cząstki składające się z dziesiątek, setek lub tysięcy atomów. Właściwości klastrów radykalnie różnią się od właściwości makroskopowych objętości materiałów o tym samym składzie. Z nanoklastrów, jak z dużych bloków konstrukcyjnych, można celowo konstruować nowe materiały o określonych właściwościach i wykorzystywać je w reakcjach katalitycznych, do rozdzielania mieszanin gazowych i magazynowania gazów. Jednym z przykładów jest Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6H 5Cl) 4 . Dużym zainteresowaniem cieszą się klastry magnetyczne składające się z atomów metali przejściowych, lantynowców i aktynowców. Gromady te posiadają własny moment magnetyczny, co umożliwia sterowanie ich właściwościami za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Przykładem jest wysokospinowa cząsteczka metaloorganiczna Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Ta elegancka konstrukcja składa się z czterech jonów Mn 4+ o spinie 3/2 umieszczonych na wierzchołkach czworościanu i ośmiu jonów o spinie 2 Mn 3+ otaczających czworościan. Oddziaływanie pomiędzy jonami manganu odbywa się za pomocą jonów tlenu. Oddziaływania antyferromagnetyczne spinów jonów Mn 4+ i Mn 3+ prowadzą do dość dużego spinu całkowitego wynoszącego 10. Grupy octanowe i cząsteczki wody oddzielają od siebie skupiska Mn 12 w krysztale molekularnym. Oddziaływanie klastrów w krysztale jest niezwykle małe. Nanomagnesy cieszą się zainteresowaniem w projektowaniu procesorów do komputerów kwantowych. Ponadto podczas badania tego układu kwantowego odkryto zjawiska bistabilności i histerezy. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że odległość między cząsteczkami wynosi około 10 nanometrów, wówczas gęstość pamięci w takim układzie może być rzędu 10 gigabajtów na centymetr kwadratowy.
Nanourządzenia
Nanorurki mogą stanowić podstawę nowych projektów płaskich systemów akustycznych i płaskich wyświetlaczy, czyli znanych urządzeń makroskopowych. Z nanomateriałów można tworzyć niektóre nanourządzenia, na przykład nanosilniki, nanomanipulatory, pompy molekularne, pamięć o dużej gęstości i elementy mechanizmów nanorobotów. Przyjrzyjmy się pokrótce modelom niektórych nanourządzeń.
Przekładnie molekularne i pompy. Modele nanourządzeń zaproponował K.E. Drexlera i R. Merkle z IMM (Instytut Produkcji Molekularnej, Palo Alto). Wały zębate w skrzyni biegów to nanorurki węglowe, a zęby to cząsteczki benzenu. Charakterystyczne prędkości obrotowe przekładni wynoszą kilkadziesiąt gigaherców. Urządzenia „pracują” albo w głębokiej próżni, albo w obojętnym środowisku w temperaturze pokojowej. Do „chłodzenia” urządzenia wykorzystywane są gazy obojętne.
Pamięć diamentowa do komputerów. Model pamięci o dużej gęstości został opracowany przez Ch. Bauschlicher i R. Merkle z NASA. Konstrukcja urządzenia jest prosta i składa się z sondy oraz powierzchni diamentowej. Sonda to nanorurka węglowa (9, O) lub (5, 5) zakończona półkulą C 60, do której przyłączona jest cząsteczka C 5 H 5 N. Powierzchnia diamentu pokryta jest monowarstwą atomów wodoru. Niektóre atomy wodoru zastąpiono atomami fluoru. Skanując sondę wzdłuż powierzchni diamentu pokrytej monowarstwą adsorbatu, cząsteczka C 5 H 5 N, zgodnie z modelami kwantowymi, jest w stanie odróżnić zaadsorbowany atom fluoru od zaadsorbowanego atomu wodoru. Ponieważ na jednym centymetrze kwadratowym powierzchni mieści się około 1015 atomów, gęstość zapisu może osiągnąć 100 terabajtów na centymetr kwadratowy.
Powyższe przykłady wyników eksperymentów laboratoryjnych i modeli nanourządzeń stanowią nowe wyzwanie dla teorii, fizyki obliczeniowej, chemii i matematyki. Wymagane jest zrozumienie słów „widziano” i „otrzymywano”. Praca w zakresie rozmiarów nanometrowych wymaga rozwinięcia intuicji. Słychać jeszcze raz uwagę Fausta skierowaną do Wagnera:
„Co to znaczy rozumieć?
Oto jest pytanie, mój przyjacielu.
Pod tym względem nie radzimy sobie dobrze”.
Nowe obszary fizyki obliczeniowej i chemii obliczeniowej
Ponad pięćdziesiąt lat temu problemy atomowe i termojądrowe, problemy tworzenia nowych samolotów i eksploracji przestrzeni blisko Ziemi po raz kolejny postawiły faustowskie pytanie o nowy poziom rozumienia zjawisk fizycznych i chemicznych. Pomyślna praca nad tymi problemami doprowadziła do powstania i rozwoju
1) fizyki obliczeniowej, w szczególności takich dziedzin jak
hydro- i aerodynamika magnetyczna i radiacyjna,
mechanika lotu statku kosmicznego,
teoria plazmy i kontrolowana synteza termojądrowa;
2) chemia obliczeniowa z takimi działami jak
teoria równania stanu materii,
dynamika molekularna,
teoria procesów i aparatury chemicznej;
3) matematyka obliczeniowa i informatyka z takimi dziedzinami jak
metody numeryczne fizyki matematycznej,
teoria automatów,
optymalna kontrola,
rozpoznawanie wzorców,
systemy eksperckie,
projektowanie automatyczne.
Współczesne możliwości eksperymentów laboratoryjnych w zakresie obserwacji i badania zjawisk w skali nanometrowej o wymiarach przestrzennych oraz atrakcyjne perspektywy tworzenia unikalnych materiałów i nanourządzeń rodzą nowe problemy teoretyczne.
Chciałbym zrozumieć, co tak naprawdę „obserwuje się” za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej?
Jakie nowe rzeczy można potencjalnie zaobserwować i jakie nowe rzeczy można potencjalnie uzyskać w nanosystemach? I na jakich warunkach?
Jak kontrolować poszczególne atomy oraz grupy atomów i cząsteczek, aby osiągnąć określone cele? Jakie są granice tej kontroli?
Jak zorganizować samodzielny montaż nanourządzeń i unikalnych, „pozbawionych defektów” materiałów?
W jakim stopniu makrośrodowisko „ogranicza” stany kwantowe nanosystemu?
Potrzeba konstruktywnego rozwiązania tych problemów prowadzi do intensywnych badań, tworząc nowe obszary fizyki obliczeniowej i chemii obliczeniowej. Wyróżnijmy takie sekcje metrologii, mechaniki, elektrodynamiki, optyki i teorii samoorganizacji. W każdej z tych sekcji zidentyfikujemy kilka problemów.
Metrologia
1. Tworzenie modeli komputerowych układów „urządzenie-nanoobiekt” i ich kalibracja.
2. Automatyzacja pomiarów nanometrowych i tworzenie banków danych.
Mechanika
1. Badanie naprężeń i odkształceń mechanicznych w nanomateriałach i nanoobiektach, analiza tarcia.
2. Symulacja ruchów sondy podczas celowanej manipulacji nanoobiektem.
3. Modelowanie ruchów w nanomechanizmach nanourządzeń, obliczenia nanomanipulatorów.
4. Rozwój układów sterowania dla nanorobotów.
Elektrodynamika
1. Modelowanie dynamiki atomów i cząsteczek w skrajnie niejednorodnych polach elektromagnetycznych wytwarzanych przez układy wielopunktowe.
2. Obliczanie właściwości elektrycznych i magnetycznych nanomateriałów.
1. Modelowanie mechanizmów promieniowania, propagacji i absorpcji światła w nanoobiektach.
2. Obliczanie nanolaserów i układów hybrydowych „sondy + nanolaser”.
Teoria samoorganizacji
1. Sformułowanie podstawowych zasad samoorganizacji nanostruktur.
2. Tworzenie komputerowych algorytmów samoorganizacji.
3. Opracowanie algorytmów obliczeniowych do analizy jakościowej modeli samoorganizujących się.
4. Modelowanie zjawisk samoorganizacji czasoprzestrzennej podczas tworzenia nanomateriałów.
Epitaksja z wiązek molekularnych i nanolitografia
1. Tworzenie cienkich folii metalowych, które stanowią podstawę wysokiej jakości materiałów magnetycznych.
2. Projektowanie podstawowych elementów nanoelektroniki.
3. Tworzenie katalizatorów do katalizy selektywnej.
Chciałbym jeszcze raz podkreślić potrzebę zachowania ścisłej równowagi pomiędzy eksperymentem laboratoryjnym, teorią i modelowaniem matematycznym. Czasem można usłyszeć stwierdzenia, że eksperyment precyzyjny jest obecnie bardzo kosztowny i można go zastąpić tańszym modelowaniem matematycznym. Istnieje także stanowisko przeciwne, w którym bagatelizuje się rolę matematycznych metod badawczych. Najprostsze przykłady nietrywialnych zjawisk w nanometrowym zakresie wymiarów przestrzennych pokazują całkowitą niespójność radykalnych położeń.
Zjawiska czasoprzestrzennej samoorganizacji na powierzchni monokryształów metali
Zastanówmy się nad tym, co na pierwszy rzut oka jest najprostszym, ale jak się okazuje nietrywialnym problemem. Załóżmy, że chcielibyśmy wyhodować wysokiej jakości, jednolitą folię metalową, taką jak folia platynowa. Aby to zrobić, należy jako podłoże przyjąć gęsto upakowaną i przestrzennie jednorodną ścianę monokryształu i w warunkach wysokiej próżni osadzić na niej warstwę atomów z ogniwa Knudsena. Atomy wylatują z komórki, są adsorbowane na jednorodnej powierzchni, migrują wzdłuż niej i tworzą nową warstwę. Po uformowaniu się pierwszej warstwy tworzy się na niej następna i tak dalej. O procesie decydują tylko dwa zewnętrzne makroparametry kontrolne – temperatura powierzchni i przepływ atomów do powierzchni. Należy jedynie tak dobrać temperaturę i szybkość dopływu atomów, aby w charakterystycznym czasie dopływu nowego atomu atom wędrujący po powierzchni miał czas na integrację z rosnącą warstwą. Wydaje się, że nie ma nic prostszego niż symulacja wzrostu filmu w ramach klasycznych modeli fizyki matematycznej. Wystarczy opisać tylko jeden proces: dyfuzję powierzchniową napływających cząstek. W tym celu można zastosować równanie dyfuzji ze stałym źródłem w dwuwymiarowej dziedzinie przestrzennej, uzupełnić je odpowiednim warunkiem brzegowym, np. jednorodnym warunkiem brzegowym drugiego rodzaju i przeprowadzić obliczenia. Oczywiste jest, że przy odpowiednio szybkiej migracji, niezależnie od warunków początkowych, z odpowiednio dużą dokładnością otrzyma się rozwiązanie przestrzennie jednorodne, monotonicznie rosnące w czasie. Jednak takie modelowanie w ogóle nie opisuje procesu wzrostu nowej warstwy i jej struktury przestrzennej.
Doświadczenie przeprowadzone przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego z homosystemem Pt/Pt(111) 5 pokazuje (rys. 9), że zaadsorbowane atomy platyny migrują wzdłuż powierzchni (111) powierzchni monokryształu platyny, nie przestrzegając prawa Ficka. Tworzą wyspy nowej warstwy o różnej strukturze przestrzennej w zależności od temperatury powierzchni i szybkości dopływu atomów. Mogą to być luźne wysepki o strukturze fraktalnej z fraktalem
Ryc.9. Pt/Pt (111)
Ryż. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; c - Co3Re
o wymiarze 1,78 (ryc. 9a) lub zwarte wyspy o platońskich kształtach w postaci regularnych trójkątów (ryc. 9b, 9d) i sześciokątów (ryc. 9c), identycznie zorientowanych względem osi krystalograficznych. Zatem w temperaturze 400 K wierzchołki trójkątów patrzą „w dół” (ryc. 9b). W temperaturze 455 K rosnące wyspy przybierają kształt foremnych sześciokątów (ryc. 9c). W wyższych temperaturach wyspy ponownie tworzą regularny trójkątny kształt, ale tym razem ich wierzchołki są skierowane „do góry” (ryc. 9d). Kształt i orientacja trójkątnych wysp są stabilne. Dalszy dopływ atomów prowadzi do trójwymiarowego reżimu wzrostu, w wyniku czego warstwa rosnąca jest zawsze niejednorodna i ma piramidalną trójwymiarową strukturę.
Charakter wzrostu rodzi co najmniej dwa podstawowe pytania.
Jak teoretycznie opisać nietrywialne zachowanie dynamiczne najprostszego układu?
Jakie są sposoby kontrolowania systemu, aby zapewnić wzrost warstwa po warstwie i wytworzyć wysokiej jakości, przestrzennie jednolitą warstwę?
Podobne pytania pojawiają się w heterosystemach, gdy na powierzchni jednego metalu narasta warstwa innego metalu. Tak więc w przypadku narastania srebrnej warstwy na platynie można zaobserwować wyspy struktur fraktalnych i dendrytycznych, wyspy w postaci trójpromiennej gwiazdy Mercedesa oraz inne zjawiska czasoprzestrzennej samoorganizacji towarzyszące nierównej trójwymiarowości wzrost cienkiej warstwy metalu. W przypadku narastania warstewki kobaltu na jednorodnej powierzchni (0001) monokryształu renu powstają stopy powierzchniowe o różnej stechiometrii i odpowiednio strukturze przestrzennej: CoRe (rys. 10a), Co 2 Re (rys. 10b) ), Co 3 Re (rys. 10c) i nietrywialną strukturę powierzchni. Na ilustracjach przedstawionych na ryc. 10 widać, że duże koła (atomy renu) są otoczone różną liczbą małych kółek (atomy kobaltu). Stopy te mają ciekawe właściwości magnetyczne.
Nie można nie wspomnieć o jeszcze jednym paradoksalnym zjawisku - anomalnie wysokiej mobilności dużych zwartych gromad. Idąc za autorami niezwykłej pracy eksperymentalnej, rozważamy zwarty klaster o regularnym kształcie, składający się z „magicznej” liczby atomów irydu N = 1 + 3n(n - 1), n = 2, 3, ... , na przykład N = 19, na powierzchni gęsto upakowanej powierzchni (111) irydu. Wydawałoby się, że ruchliwość gromady zawierającej łącznie dwadzieścia atomów powinna być o wiele rzędów wielkości mniejsza niż ruchliwość pojedynczego atomu, ponieważ migracja atomów wydaje się procesem losowym. Eksperyment wykazał, że prędkość migracji „poprawnych” klastrów jest porównywalna z prędkością migracji pojedynczego atomu! Ta konsekwencja zbiorowego ruchu atomów klastra wymaga szczegółowego opisu teoretycznego i modelowania matematycznego. Wyniki takiej analizy cieszą się dużym zainteresowaniem przy obliczaniu przedwykładniczych i efektywnych energii aktywacji migracji dla dynamicznej metody Monte Carlo oraz dla równań kinetycznych warstwy nieidealnej. Znając rzeczywiste szybkości migracji, można poprawnie oszacować czas życia struktur w nanoskali.
Czytelnika nie trzeba przekonywać, że przytoczone wyniki eksperymentu laboratoryjnego wskazują na potrzebę rozwoju klasycznych modeli fizyki matematycznej. Badając nanoobiekty, gdzie jest to wymagane, należy porzucić koncepcję ośrodka ciągłego, która leży u podstaw zdecydowanej większości modeli fizyki matematycznej. Modelowanie metodą bezwładności, bez uwzględnienia wyników eksperymentu laboratoryjnego, prowadzi do całkowicie błędnych wyników. Oczywista jest także potrzeba stworzenia nowego, nowoczesnego kursu fizyki matematycznej uwzględniającego cechy nanoobiektów. W tym kursie należy zwrócić szczególną uwagę
Ryż. 11. (CO + O2)/Pt(210)
metody matematyki dyskretnej, kombinatoryka enumeratywna, teoria grup.
Bardziej złożonych przykładów nietrywialnego zachowania dynamicznego otwartych układów nieidealnych dostarczają modelowe reakcje katalizy heterogenicznej na niektórych ścianach monokryształów metali szlachetnych (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) przy niskich ciśnieniach cząstkowych w fazie gazowej. Są to reakcje utleniania tlenku węgla (CO) tlenem (O 2), a także redukcja podtlenku azotu (NO) wodorem (H 2), amoniakiem (NH 3) i tlenkiem węgla. Wymienione reakcje odgrywają znaczącą rolę w problemie środowiskowym dopalania toksycznych emisji (NO, CO itp.) silników spalinowych i elektrowni cieplnych. Badania przeprowadzone w ostatnich latach ujawniły fascynującą nano- i mezodynamikę tych układów. Odkryto przejścia fazowe uporządkowania i zaburzenia, którym towarzyszyło powstawanie nadstruktur w monowarstwie adsorbatu, przejścia fazowe, takie jak rozdzielanie faz, spontaniczna i indukowana adsorbatem rekonstrukcja powierzchni ścian monokryształów oraz korozja katalizatora. Procesy samoorganizacji czasoprzestrzennej zachodzące w skali nanometrowej są ściśle powiązane z podobnymi zjawiskami obserwowanymi za pomocą emisyjnej mikroskopii fotoelektronowej w zakresie mikrometrów. Takie zjawiska obejmują spiralę w skali mikrometrowej, fale stojące i wyzwalające, podwójną metastabilność i turbulencje chemiczne. Rysunek 11 przedstawia wyniki badań czasoprzestrzennej samoorganizacji w reakcji utleniania tlenku węgla na powierzchni monokryształu Pt(210) przy użyciu emisyjnej mikroskopii fotoelektronowej. Każda ramka (380 x 380 mm) przedstawia rozkład przestrzenny zaadsorbowanych cząsteczek CO (obszary jasne) i atomów tlenu (obszary ciemne) na powierzchni katalizatora dla różnych wartości ciśnień cząstkowych CO i tlenu w fazie gazowej przy stałym temperatura na powierzchni. Wyraźnie widoczne są fale spiralne i autofale przejść fazowych, takie jak separacja faz, zjawiska podwójnej metastabilności itp.
1 Rozmiar atomu wynosi kilka dziesiątych nanometra.
2 Opis urządzeń i zasad ich działania zawarty jest w.
3 Para liczb naturalnych (m, n) definiuje wektor chiralności w płaszczyźnie arkusza grafitu. Oś nanorurki jest prostopadła do wektora chiralności. Zatem w (n, n) ((n, 0)) oś rury jest równoległa (prostopadła) do boku sześciokąta foremnego.
4 Skrót BDC oznacza benzenodikarboksyl, a DMF oznacza dimetyloformamid.
5 Liczby w nawiasach oznaczają wskaźniki Millera powierzchni podłoża monokryształowego.
Kluczowe technologie i materiały zawsze odgrywały ważną rolę w historii cywilizacji, pełniąc nie tylko wąskie funkcje produkcyjne, ale także społeczne. Wystarczy przypomnieć sobie, jak bardzo odmienna była epoka kamienia i brązu, epoka pary i elektryczności, energii atomowej i komputerów. Zdaniem wielu ekspertów wiek XXI będzie wiekiem nanonauki i nanotechnologii, który zadecyduje o jego obliczu.
Nanonaukę można zdefiniować jako zasób wiedzy o zachowaniu się materii w skali nanometrowej, a nanotechnologię jako sztukę tworzenia i obsługi obiektów o rozmiarach od ułamków do setek nanometrów (przynajmniej w jednym lub dwóch z trzy wymiary).
Główne elementy nanotechnologii przedstawiono na ryc. 2.1. Jej podstawowym założeniem jest fizyka, chemia i biologia molekularna sztucznych i naturalnych objętości składających się z przeliczalnej liczby atomów, tj. takie obiekty, w których silna zależność wszystkich właściwości od ich rozmiarów (efekty wielkości), dyskretna budowa atomowo-molekularna substancji i/lub kwantowe prawa jej zachowania ujawniają się już w znacznym stopniu.
Kolejnym ważnym elementem nanotechnologii jest możliwość celowego tworzenia lub znajdowania w naturze nanostrukturalnych materiałów i obiektów o z góry określonych właściwościach. Kolejny element nanotechnologii
Tworzenie produktów gotowych, wieloskładnikowych o nowych cechach konsumenckich i przeznaczeniu (pamięć o dużej pojemności, ultraszybkie procesory, inteligentne nanoroboty itp.). Wreszcie środki kontroli, certyfikacji i badań nanoproduktów i materiałów nanostrukturalnych na wszystkich etapach produkcji i stosowania są również niezbędnym elementem nanotechnologii.
Już teraz we wszystkich rozwiniętych krajach świata realizowanych jest kilkadziesiąt dużych programów z zakresu nanonauki i nanotechnologii. Nanotechnologie znajdują zastosowanie w tak ważnych dla społeczeństwa dziedzinach jak opieka zdrowotna i medycyna, biotechnologia i ochrona środowiska, obronność i astronautyka, elektronika i informatyka, produkcja chemiczna i petrochemiczna, energetyka i transport. Tempo wzrostu inwestycji i wdrażania nanotechnologii w uprzemysłowionych krajach świata jest obecnie bardzo wysokie, a w ciągu najbliższych 10-20 lat będzie determinować poziom rozwoju gospodarczego i w dużej mierze postępu społecznego społeczeństwa.
Perspektywa ta stawia nowe wyzwania dla całego systemu edukacji, przede wszystkim zawodowej. Ponieważ nanotechnologia implikuje integrację podstawowej wiedzy i zaawansowanych metod produkcji materiałów nanostrukturalnych i gotowych produktów, na zachodnich uniwersytetach istnieje tendencja do ograniczania liczby szkoleń zarówno „czystych” fizyków, matematyków, chemików, biologów, i inżynierów tradycyjnych dziedzin: metalurgów, mechaników, energetyków, technologów oraz zwiększenie udziału specjalności „syntetycznych” w obszarze inżynierii materiałowej i nanotechnologii.
W ciągu ostatnich kilku lat w czasopismach światowych ukazało się około 10 tysięcy artykułów poświęconych nanoproblemom, zaczęto także ukazywać się kilkanaście miesięczników specjalistycznych z określonych dziedzin nanonauki.
Co zatem obecnie rozumiemy pod pojęciem nanotechnologii? Sam przedrostek dziesiętny „nano” oznacza jedną miliardową części czegoś. Zatem czysto formalnie zakresem tej działalności objęte są obiekty o charakterystycznych wymiarach R (przynajmniej w jednej współrzędnej), mierzonych w nanometrach (1 nm = 10-9 m = 10E).
W rzeczywistości zakres rozpatrywanych obiektów i zjawisk jest znacznie szerszy – począwszy od pojedynczych atomów (R< 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, со- держащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях (рис.2.2). В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие - время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нc (10-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины в ряде наноструктур.
Naiwnością byłoby sądzić, że przed nastaniem ery nanotechnologii ludzie nie spotykali się i nie używali przedmiotów i procesów w nanoskali. Zatem reakcje biochemiczne między makrocząsteczkami tworzącymi wszystkie żywe istoty, uzyskiwanie obrazów fotograficznych, kataliza w produkcji chemicznej, procesy fermentacji w produkcji wina, sera, chleba i inne zachodzą na poziomie nano. Jednak „intuicyjna nanotechnologia”, która początkowo rozwijała się samoistnie, bez odpowiedniego zrozumienia natury stosowanych obiektów i procesów, nie może być w przyszłości wiarygodną podstawą. Dlatego ogromne znaczenie mają badania podstawowe mające na celu stworzenie zasadniczo nowych procesów technologicznych i produktów. Być może nanotechnologia będzie w stanie zastąpić część przestarzałych i nieefektywnych technologii, jednak nadal jej główne miejsce znajduje się w nowych obszarach, w których w zasadzie nie da się osiągnąć wymaganych wyników tradycyjnymi metodami.
Zatem w ogromnej i wciąż słabo opanowanej luce pomiędzy poziomem makro, na którym działają dobrze rozwinięte teorie kontinuum ośrodków ciągłych oraz inżynieryjne metody obliczeń i projektowania, a poziomem atomowym, podlegającym prawom mechaniki kwantowej, istnieje rozbudowany poziom mezohierarchiczny struktury materii (techos – średni, pośredni z greckim). Na tym poziomie zachodzą istotne procesy biochemiczne pomiędzy makrocząsteczkami DNA, RNA, białkami, enzymami i strukturami subkomórkowymi, które wymagają głębszego zrozumienia. Jednocześnie mogą tu sztucznie powstawać niespotykane wcześniej produkty i technologie, które mogą radykalnie zmienić życie całej społeczności ludzkiej. Jednocześnie nie będą potrzebne duże nakłady na surowce i energię oraz środki ich transportu, zmniejszy się ilość odpadów i zanieczyszczeń środowiska, a praca stanie się bardziej inteligentna i zdrowsza.
Wykład nr 19
Nanotechnologia w ostatnich latach stała się jedną z najważniejszych i najbardziej ekscytujących dziedzin wiedzy w czołówce nauk fizycznych, chemicznych, biologicznych i inżynieryjnych. Wiąże się to z dużymi nadziejami na wczesne przełomy i nowe kierunki rozwoju technologicznego w wielu obszarach działalności. Aby ułatwić i przyspieszyć wykorzystanie na szeroką skalę tego nowego podejścia, ważne jest, aby posiadać ogólne zrozumienie i pewną wiedzę specjalistyczną, która z jednej strony byłaby na tyle szczegółowa i głęboka, aby szczegółowo omówić temat, a z drugiej czas, przystępny i na tyle kompletny, aby mógł być przydatny dla szerokiego grona specjalistów, pragnących dowiedzieć się więcej o istocie zagadnienia i perspektywach w tym obszarze.
Obecne szerokie zainteresowanie nanotechnologią datuje się na lata 1996–1998, kiedy komisja rządowa, przy wsparciu Światowego Centrum Oceny Technologii (WTEC), finansowanego przez amerykańską Narodową Fundację Nauki i inne agencje federalne, podjęła się badania światowego doświadczenia w badaniach i rozwój w dziedzinie nanotechnologii w celu oceny ich technologicznego potencjału innowacyjnego. Nanotechnologia opiera się na założeniu, że cząstki mniejsze niż 100 nanometrów (nanometr to jedna miliardowa metra) nadają nowe właściwości i zachowanie wykonanym z nich materiałom. Dzieje się tak, ponieważ obiekty o wymiarach mniejszych niż długość charakterystyczna (która wynika z natury danego zjawiska) często wykazują odmienną fizykę i chemię, co prowadzi do tzw. efektów wielkościowych – nowego zachowania zależnego od wielkości cząstek. Na przykład zmiany w strukturze elektronowej, przewodności, reaktywności, temperaturze topnienia i właściwościach mechanicznych zaobserwowano przy rozmiarach cząstek mniejszych niż krytyczne. Zależność zachowania od wielkości cząstek umożliwia projektowanie materiałów o nowych właściwościach z tych samych atomów wyjściowych.
WTEC stwierdził, że technologia ta ma ogromny potencjał do wykorzystania w niezwykle szerokim i zróżnicowanym zakresie zastosowań praktycznych, od produkcji mocniejszych i lżejszych materiałów konstrukcyjnych po skrócenie czasu dostarczania leków nanostrukturalnych do układu krążenia, zwiększenie pojemności nośników magnetycznych i tworzenie wyzwalacze dla szybkich komputerów. Zalecenia tej i kolejnych komisji doprowadziły w ostatnich latach do przeznaczenia bardzo dużych środków na rozwój nanonauki i nanotechnologii. Interdyscyplinarne badania objęły szeroki zakres tematów, od chemii katalizy nanocząstek po fizykę laserów z kropkami kwantowymi. W rezultacie, aby docenić szersze perspektywy i implikacje rozwoju nanotechnologii oraz wnieść wkład w tę ekscytującą nową dziedzinę, zdano sobie sprawę, że badacze muszą okresowo wychodzić poza swoją wąską dziedzinę specjalizacji. Menedżerowie techniczni, eksperci i decydenci finansowi muszą rozumieć bardzo szeroki zakres dyscyplin.
Nanotechnologia zaczęła być postrzegana nie tylko jako jedna z najbardziej obiecujących gałęzi wysokich technologii, ale także jako czynnik systemotwórczy w gospodarce XXI wieku – gospodarce opartej na wiedzy, a nie na wykorzystaniu zasobów naturalnych lub ich przetwarzanie. Oprócz tego, że nanotechnologia stymuluje rozwój nowego paradygmatu wszelkich działań produkcyjnych („od dołu do góry” – od poszczególnych atomów – do produktu, a nie „od góry do dołu”, jak w technologii radiacyjnej, w której produkt uzyskuje się poprzez odcięcie nadmiaru materiału z bardziej masywnych preparatów), samo w sobie jest źródłem nowych podejść do poprawy standardów życia i rozwiązywania wielu problemów społecznych w społeczeństwie postindustrialnym. Zdaniem większości ekspertów w dziedzinie polityki naukowej i technologicznej oraz inwestycji, rozpoczęta rewolucja nanotechnologiczna obejmie wszystkie istotne obszary działalności człowieka (od eksploracji kosmosu po medycynę, od bezpieczeństwa narodowego po ekologię i rolnictwo), a jej konsekwencje będą szersze i głębsze niż rewolucje komputerowe ostatniej tercji XX wieku. Wszystko to stawia wyzwania i pytania nie tylko w sferze naukowo-technicznej, ale także przed administratorami różnych szczebli, potencjalnymi inwestorami, sektorem edukacji i agencjami rządowymi. zarządzanie itp.
W ostatnich latach ukazała się wystarczająca liczba publikacji poświęconych zagadnieniom teoretycznym, właściwościom i praktycznym zastosowaniom nanomateriałów i nanotechnologii. W szczególności temat ten jest szeroko prezentowany w książce autorów C. Poole'a i Jr. F. Owens, Nanotechnologia, przeł. z języka angielskiego, 2. wydanie rozszerzone, wyd. „Technosfera”, M., 2006, 335 s. Autorzy zauważają, że chociaż książka ta była pierwotnie pomyślana jako wprowadzenie do nanotechnologii, ze względu na samą naturę tej nauki, przekształciła się w wprowadzenie do pewnych obszarów nanotechnologii, które wydają się być jej typowym przykładem. Ze względu na szybkie tempo rozwoju i interdyscyplinarny charakter, nie jest możliwe prawdziwie kompleksowe przedstawienie tematu. Prezentowane tematy zostały wybrane w oparciu o uzyskaną głębokość zrozumienia zagadnienia, zakres ich potencjału czy istniejące zastosowania w technologii. Wiele rozdziałów omawia obecne i przyszłe możliwości. Dla tych, którzy chcą dowiedzieć się więcej na temat konkretnych obszarów, w których rozwijana jest ta technologia, podano odniesienia do literatury.
Autorzy starali się przedstawić wprowadzenie do tematyki nanotechnologii, napisane na takim poziomie, aby badacze z różnych dziedzin mogli docenić rozwój w tej dziedzinie wykraczający poza ich zainteresowania zawodowe, a liderzy i menedżerowie techniczni mogli uzyskać przegląd tematu. Być może książka ta mogłaby zostać wykorzystana jako podstawa uniwersyteckiego kursu nanotechnologii. Wiele rozdziałów zawiera wprowadzenie do zasad fizycznych i chemicznych leżących u podstaw omawianych obszarów. Dlatego wiele rozdziałów stanowi samodzielną całość i można je studiować niezależnie od siebie. Zatem rozdział 2 rozpoczyna się od krótkiego przeglądu właściwości materiałów sypkich, niezbędnego do zrozumienia, w jaki sposób i dlaczego właściwości materiałów zmieniają się, gdy wielkość ich jednostek strukturalnych zbliża się do nanometra. Istotnym bodźcem do tak szybkiego rozwoju nanotechnologii było stworzenie nowych instrumentów (takich jak skaningowy mikroskop tunelowy), które pozwoliły dostrzec na powierzchni materiałów cechy o rozmiarach nanometrowych. Dlatego w rozdziale 3 opisano najważniejsze systemy przyrządów i przedstawiono ilustracje pomiarów w nanomateriałach. Pozostałe rozdziały dotyczą innych aspektów problemu. Książka obejmuje bardzo szeroki zakres problemów i tematów: efekty związane z wielkością i wymiarami obiektów nanonauki i technologii, właściwości magnetyczne, elektryczne i optyczne materiałów nanostrukturalnych, metody ich wytwarzania i badań, samoorganizacja i kataliza w nanostrukturach , nanobiotechnologia, zintegrowane urządzenia nanoelektromechaniczne, fuleryty, nanorurki i wiele innych. Opisano szereg nowoczesnych metod badania i certyfikacji nanostruktur i nanoobiektów: mikroskopię elektronową i w polu jonowym, spektroskopię optyczną, rentgenowską i magnetyczną.
Jednocześnie widoczne są także luki w strukturze i treści poszczególnych rozdziałów. Dlatego prawie nie ma informacji na temat nanoelektroniki, spintroniki ani nowych pomysłów dotyczących obliczeń kwantowych i komputerów. O większości z nich nawet się nie wspomina. Całkowicie niewystarczającą uwagę poświęcono niezwykle potężnym i szeroko rozpowszechnionym metodom badań, kwalifikacji, litografii i projektowania atomowo-molekularnego ze skanowaniem sond. Malutki akapit poświęcony tym zagadnieniom jest całkowicie nieproporcjonalny do roli i miejsca sondy nanotechnologicznej. Bardzo skromne miejsce zajmuje słabe nadprzewodnictwo i bardzo obiecujące urządzenia na nim oparte. Rzadko prezentowane są folie i heterostruktury, które odgrywają ważną rolę we współczesnej elektronice planarnej, supertwarde i odporne na zużycie powłoki itp. W związku z tym brak jest materiałów obejmujących metody certyfikacji tych konstrukcji, w szczególności charakteryzujących właściwości mechaniczne cienkich warstw i nanowolumenów przy użyciu metod nanotestowania sił lokalnych (nanoindentacja, nanoszorowanie itp.).
Zwracamy również uwagę, że nigdzie nie jest podana systematyzacja obiektów i procesów nanotechnologii, w wyniku czego niedoświadczony czytelnik pozostaje niejasny, z jaką częścią tematu będzie mógł się zapoznać po przeczytaniu tej książki.
Pomimo wskazanych powyżej niedociągnięć, ogólnie rzecz biorąc, książkę można uznać za przydatną dla szerokiego grona czytelników, w tym studentów fizyki, chemii i materiałoznawstwa. To drugie jest tym bardziej istotne, że literatura edukacyjna na temat nanotechnologii w języku rosyjskim jest prawie w ogóle nieobecna, a zapotrzebowanie na nią jest duże ze względu na kształcenie specjalistów w dziedzinie nanomateriałów i nanoelektroniki rozpoczęte w 2003 roku na 12 rosyjskich uniwersytetach.
Nie ze wszystkimi poglądami i interpretacjami autorów można zgodzić się bezwarunkowo. Aby jednak nie zaśmiecać tekstu dużą ilością komentarzy, uzupełnień i uwag krytycznych, podczas tłumaczenia i redakcji wyeliminowano jedynie oczywiste błędy, niespójności i literówki.
Podczas pisania tej książki i jej ponownej publikacji w języku rosyjskim opublikowano wiele przydatnych książek, z których niektóre są wymienione poniżej. Dzięki nim zainteresowany czytelnik może głębiej zapoznać się z poszczególnymi rozdziałami oraz panoramą nanotechnologii jako całości.
Nanomateriały konwencjonalnie obejmują rozproszone i masywne materiały zawierające elementy strukturalne (ziarna, krystality, bloki, skupiska itp.), których wymiary geometryczne w co najmniej jednym wymiarze nie przekraczają 100 nm i które mają jakościowo nowe cechy funkcjonalne i użytkowe. Nanotechnologie obejmują technologie, które zapewniają możliwość tworzenia i modyfikowania nanomateriałów w sposób kontrolowany, a także integrowania ich w w pełni funkcjonujące systemy o większej skali. Do głównych elementów nauki o nanomateriałach i nanotechnologiach zaliczają się:
badania podstawowe właściwości materiałów na poziomie nanoskali;
rozwój nanotechnologii do ukierunkowanego wytwarzania nanomateriałów, a także poszukiwania i wykorzystania obiektów naturalnych z elementami nanostrukturalnymi, tworzenia gotowych produktów z wykorzystaniem nanomateriałów oraz integracji nanomateriałów i nanotechnologii w różnych gałęziach przemysłu i nauki;
rozwój środków i metod badania struktury i właściwości nanomateriałów oraz metod monitorowania i certyfikacji wyrobów i półproduktów dla nanotechnologii.
XXI wiek upłynął pod znakiem rewolucyjnego początku w rozwoju nanotechnologii i nanomateriałów. Stosowane są już we wszystkich rozwiniętych krajach świata w najważniejszych obszarach działalności człowieka (przemysł, obrona, sfera informacyjna, elektronika radiowa, energetyka, transport, biotechnologia, medycyna). Analiza wzrostu inwestycji, liczby publikacji na ten temat oraz tempa wdrażania osiągnięć zasadniczych i odkrywczych pozwala stwierdzić, że w ciągu najbliższych 20 lat zastosowanie nanotechnologii i nanomateriałów będzie jednym z czynników determinujących rozwój nauki , rozwój gospodarczy i obronny państw. Obecnie zainteresowanie nową klasą materiałów zarówno w obszarze nauk podstawowych, jak i stosowanych, przemysłu i biznesu stale rośnie. Dzieje się tak z następujących powodów:
chęć miniaturyzacji produktów,
unikalne właściwości materiałów w stanie nanostrukturalnym,
konieczność opracowania i wdrożenia materiałów o nowych jakościowo i ilościowo właściwościach,
rozwój nowych technik i metod technologicznych opartych na zasadach samoorganizacji i samoorganizacji,
praktyczne wdrożenie nowoczesnych instrumentów do badań, diagnostyki i modyfikacji nanomateriałów (mikroskopia z sondą skanującą),
opracowywanie i wdrażanie nowych technologii, reprezentujących sekwencję procesów litograficznych, technologii wytwarzania nanoproszków.
Kierunek badań nanostrukturalnych niemal całkowicie przesunął się z produkcji i badania substancji i materiałów nanokrystalicznych na dziedzinę nanotechnologii, czyli tworzenia produktów, urządzeń i systemów z elementów o rozmiarach nano. Główne obszary zastosowań elementów w skali nano to elektronika, medycyna, chemia, farmaceutyka i biologia.
Prezydent Rosji Dmitrij Miedwiediew jest przekonany, że kraj ma wszelkie warunki do pomyślnego rozwoju nanotechnologii.
Nanotechnologia to nowy kierunek nauki i technologii, który aktywnie rozwija się w ostatnich dziesięcioleciach. Nanotechnologie obejmują tworzenie i wykorzystanie materiałów, urządzeń i systemów technicznych, o funkcjonowaniu których decyduje nanostruktura, czyli jej uporządkowane fragmenty o wielkości od 1 do 100 nanometrów.
Przedrostek „nano”, który pochodzi z języka greckiego („nanos” po grecku – gnom), oznacza jedną miliardową część. Jeden nanometr (nm) to jedna miliardowa metra.
Termin „nanotechnologia” został ukuty w 1974 r. przez Norio Taniguchi, naukowca zajmującego się materiałami na Uniwersytecie Tokijskim, który zdefiniował ją jako „technologię produkcyjną, która umożliwia osiągnięcie ultrawysokiej precyzji i bardzo małych wymiarów... rzędu 1 nm…”.
W literaturze światowej nanonaukę wyraźnie odróżnia się od nanotechnologii. Termin nauka w skali nano jest również używany w odniesieniu do nanonauki.
W języku rosyjskim oraz w praktyce rosyjskiego ustawodawstwa i dokumentów regulacyjnych termin „nanotechnologia” łączy w sobie „nanonaukę”, „nanotechnologię”, a czasem nawet „nanoprzemysł” (obszary biznesu i produkcji, w których stosowane są nanotechnologie).
Najważniejszymi składnikami nanotechnologii są nanomateriały, czyli materiały, o których niezwykłych właściwościach użytkowych decyduje uporządkowana struktura ich nanofragmentów o wielkości od 1 do 100 nm.
- struktury nanoporowate;
- nanocząstki;
- nanorurki i nanowłókna
- nanodyspersje (koloidy);
- powierzchnie i folie nanostrukturalne;
- nanokryształy i nanoklastry.
Technologia nanosystemów- funkcjonalnie kompletne systemy i urządzenia powstałe w całości lub w części w oparciu o nanomateriały i nanotechnologie, których właściwości radykalnie różnią się od systemów i urządzeń o podobnym przeznaczeniu, tworzonych przy użyciu tradycyjnych technologii.
Obszary zastosowań nanotechnologii
Niemal niemożliwe jest wymienienie wszystkich obszarów, w których ta globalna technologia może znacząco wpłynąć na postęp technologiczny. Możemy wymienić tylko kilka z nich:
- elementy nanoelektroniki i nanofotoniki (tranzystory półprzewodnikowe i lasery;
- fotodetektory; Ogniwa słoneczne; różne czujniki);
- ultragęste urządzenia rejestrujące informacje;
- technologie telekomunikacyjne, informacyjne i komputerowe; superkomputery;
- sprzęt wideo - telewizory płaskie, monitory, projektory wideo;
- molekularne urządzenia elektroniczne, w tym przełączniki i obwody elektroniczne na poziomie molekularnym;
- nanolitografia i nanoimprinting;
- ogniwa paliwowe i urządzenia magazynujące energię;
- urządzenia mikro- i nanomechaniki, w tym silniki i nanomotory molekularne, nanoroboty;
- nanochemia i kataliza, w tym kontrola spalania, powlekanie, elektrochemia i farmaceutyka;
- zastosowania lotnicze, kosmiczne i obronne;
- urządzenia monitorujące środowisko;
- ukierunkowane dostarczanie leków i białek, biopolimerów oraz gojenie tkanek biologicznych, diagnostyka kliniczna i medyczna, tworzenie sztucznych mięśni, kości, implantacja żywych narządów;
- biomechanika; genomika; bioinformatyka; bioinstrumentacja;
- rejestracja i identyfikacja tkanek rakotwórczych, patogenów i czynników biologicznie szkodliwych;
- bezpieczeństwo w rolnictwie i produkcji żywności.
Komputery i mikroelektronika
Nanokomputer— urządzenie obliczeniowe oparte na technologiach elektronicznych (mechanicznych, biochemicznych, kwantowych) o wielkości elementów logicznych rzędu kilku nanometrów. Sam komputer, opracowany w oparciu o nanotechnologię, również ma mikroskopijne wymiary.
Komputer DNA- system komputerowy wykorzystujący możliwości obliczeniowe cząsteczek DNA. Obliczenia biomolekularne to zbiorcza nazwa różnych technik związanych w taki czy inny sposób z DNA lub RNA. W obliczeniach DNA dane są reprezentowane nie w postaci zer i jedynek, ale w postaci struktury molekularnej zbudowanej na podstawie helisy DNA. Rolę oprogramowania do odczytu, kopiowania i zarządzania danymi pełnią specjalne enzymy.
Mikroskop sił atomowych- mikroskop z sondą skanującą o wysokiej rozdzielczości, oparty na oddziaływaniu igły wspornikowej (sondy) z powierzchnią badanej próbki. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) może badać zarówno powierzchnie przewodzące, jak i nieprzewodzące, nawet przez warstwę cieczy, co umożliwia pracę z cząsteczkami organicznymi (DNA). Rozdzielczość przestrzenna mikroskopu sił atomowych zależy od wielkości wspornika i krzywizny jego końcówki. Rozdzielczość sięga atomowej w poziomie i znacznie ją przewyższa w pionie.
Oscylator antenowy- 9 lutego 2005 roku w laboratorium Uniwersytetu Bostońskiego uzyskano antenę-oscylator o wymiarach około 1 mikrona. Urządzenie to ma 5 miliardów atomów i może oscylować z częstotliwością 1,49 gigaherca, co pozwala mu przesyłać ogromne ilości informacji.
Nanomedycyna i przemysł farmaceutyczny
Kierunek we współczesnej medycynie polegający na wykorzystaniu unikalnych właściwości nanomateriałów i nanoobiektów do śledzenia, projektowania i modyfikowania układów biologicznych człowieka na poziomie nanomolekularnym.
Nanotechnologia DNA- wykorzystywać określone zasady cząsteczek DNA i kwasów nukleinowych do tworzenia na ich podstawie jasno określonych struktur.
Przemysłowa synteza cząsteczek leków i preparatów farmakologicznych o ściśle określonej postaci (bis-peptydy).
Na początku 2000 roku szybki postęp w technologii nanocząstek dał impuls do rozwoju nowej dziedziny nanotechnologii: nanoplazmonika. Okazało się, że możliwe jest przesyłanie promieniowania elektromagnetycznego wzdłuż łańcucha nanocząstek metali za pomocą wzbudzenia oscylacji plazmonowych.
Robotyka
Nanoroboty- roboty stworzone z nanomateriałów i wielkością porównywalną do cząsteczki, posiadające funkcje poruszania się, przetwarzania i przekazywania informacji oraz wykonywania programów. Nanoroboty zdolne do tworzenia kopii samych siebie, tj. samoreprodukujące nazywane są replikatorami.
Obecnie stworzono już nanourządzenia elektromechaniczne o ograniczonej mobilności, które można uznać za prototypy nanorobotów.
Wirniki molekularne- syntetyczne silniki o wielkości nano zdolne do wytwarzania momentu obrotowego po przyłożeniu do nich wystarczającej energii.
Miejsce Rosji wśród krajów rozwijających i produkujących nanotechnologie
Światowymi liderami pod względem całkowitych inwestycji w nanotechnologię są kraje UE, Japonia i USA. W ostatnim czasie znacząco zwiększyły inwestycje w tę branżę Rosja, Chiny, Brazylia i Indie. W Rosji kwota dofinansowania w ramach programu „Rozwój infrastruktury nanoprzemysłowej w Federacji Rosyjskiej na lata 2008 - 2010” wyniesie 27,7 miliarda rubli.
Najnowszy raport (2008) londyńskiej firmy badawczej Cientifica, zatytułowany Nanotechnology Outlook Report, opisuje rosyjskie inwestycje dosłownie w następujący sposób: „Chociaż UE nadal zajmuje pierwsze miejsce pod względem inwestycji, Chiny i Rosja już wyprzedziły Stany Zjednoczone. ”
Istnieją obszary nanotechnologii, w których rosyjscy naukowcy jako pierwsi na świecie uzyskali wyniki, które położyły podwaliny pod rozwój nowych trendów naukowych.
Należą do nich produkcja ultradyspersyjnych nanomateriałów, projektowanie urządzeń jednoelektronowych, a także prace z zakresu sił atomowych i mikroskopii z sondami skanującymi. Dopiero na specjalnej wystawie zorganizowanej w ramach XII Forum Ekonomicznego w Petersburgu (2008) zaprezentowano jednocześnie 80 konkretnych wydarzeń.
Rosja produkuje już szereg nanoproduktów, na które jest zapotrzebowanie na rynku: nanomembrany, nanoproszki, nanorurki. Jednak zdaniem ekspertów pod względem komercjalizacji osiągnięć nanotechnologicznych Rosja pozostaje o dziesięć lat w tyle za Stanami Zjednoczonymi i innymi krajami rozwiniętymi.
Materiał został przygotowany w oparciu o informacje pochodzące z otwartych źródeł
