G. G. Yelenin
Informacion i shkurtër për autorin: Profesor i Fakultetit të Matematikës Kompjuterike dhe Kibernetikës, Universiteti Shtetëror i Moskës Lomonosov. M.V. Lomonosov, Hulumtues Kryesor, Instituti i Matematikës së Aplikuar. M.V. Keldysh RAS.
Nëse një kub çeliku ose një kristal kripe, i përbërë nga atome identike, mund të shfaqë veti interesante; nëse uji - thjesht pika, të padallueshme nga njëra-tjetra dhe që mbulojnë sipërfaqen e Tokës për milje e milje - është në gjendje të krijojë valë dhe shkumë, bubullima të sërfit dhe modele të çuditshme në granitin e argjinaturës; nëse e gjithë kjo, gjithë pasuria e jetës së ujërave, është vetëm një veti e tufave të atomeve, atëherë sa mundësi të tjera fshihen në to? Nëse, në vend që t'i rregulloni atomet sipas radhës, rresht pas rreshti, kolonë pas kolone, edhe në vend që t'i ndërtoni ato në molekulat e ndërlikuara të erës së manushaqesisë, nëse në vend që t'i rregulloni në një mënyrë të re çdo herë, të diversifikoni mozaikun e tyre pa përsëritur. atë, çfarë ka ndodhur tashmë - imagjinoni se sa gjëra të pazakonta, të papritura mund të lindin në sjelljen e tyre.
R. P. Feynman
Lënda, qëllimet dhe drejtimet kryesore në nanoteknologji
Sipas Fjalorit Enciklopedik, teknologjia është një grup metodash të përpunimit, prodhimit, ndryshimit të gjendjes, vetive, formës së lëndëve të para, materialeve ose produkteve gjysëm të gatshme të kryera në procesin e prodhimit.
E veçanta e nanoteknologjisë qëndron në faktin se proceset në shqyrtim dhe veprimet e kryera ndodhin në rangun nanometër të dimensioneve hapësinore 1 . "Lëndët e para" janë atome individuale, molekula, sisteme molekulare dhe jo vëllime mikron ose makroskopike të materialit që janë të zakonshme në teknologjinë tradicionale, që përmbajnë të paktën miliarda atome dhe molekula. Ndryshe nga teknologjia tradicionale, nanoteknologjia karakterizohet nga një qasje "individuale", në të cilën kontrolli i jashtëm arrin atome dhe molekula individuale, gjë që bën të mundur krijimin prej tyre si materiale "pa defekte" me veti thelbësisht të reja fiziko-kimike dhe biologjike, dhe klasa të reja. të pajisjeve me madhësi karakteristike nanometër. Koncepti i "nanoteknologjisë" nuk është vendosur ende. Me sa duket, mund të ndiqet përkufizimi i mëposhtëm i punës.
Nanoteknologjia është një fushë ndërdisiplinore e shkencës në të cilën studiohen rregullsitë e proceseve fizike dhe kimike në rajone hapësinore me përmasa nanometërsh për të kontrolluar atomet individuale, molekulat, sistemet molekulare kur krijohen molekula të reja, nanostruktura, nan pajisje dhe materiale me të veçanta fizike, kimike. dhe vetitë biologjike.
Një analizë e gjendjes aktuale të rajonit me zhvillim të shpejtë na lejon të identifikojmë një sërë fushash të rëndësishme në të.
Dizajni molekular. Përgatitja e molekulave ekzistuese dhe sinteza e molekulave të reja në fusha elektromagnetike shumë johomogjene.
Shkenca e Materialeve. Krijimi i materialeve "pa defekte" me rezistencë të lartë, materiale me përçueshmëri të lartë.
Instrumentimi. Krijimi i mikroskopëve të tunelit skanues, mikroskopëve të forcës atomike 2 , mikroskopëve të forcës magnetike, sistemeve me shumë pika për dizajn molekular, sensorëve miniaturë supersensitive, nanorobotëve.
Elektronikë. Projektimi i bazës së elementeve nanometër për kompjuterë të gjeneratës së ardhshme, nanotela, transistorë, ndreqës, ekrane, sisteme akustike.
Optika. Krijimi i nanolazerëve. Sinteza e sistemeve me shumë pika me nanolazer.
kataliza heterogjene. Zhvillimi i katalizatorëve me nanostruktura për klasat e reaksioneve të katalizës selektive.
Ilaçi. Dizajnimi i nanoveglave për shkatërrimin e viruseve, "riparimi" lokal i organeve, dërgimi i dozave me precizion të lartë në vende të caktuara në një organizëm të gjallë.
Tribologjia. Përcaktimi i marrëdhënies midis nanostrukturës së materialeve dhe forcave të fërkimit dhe përdorimi i kësaj njohurie për prodhimin e çifteve premtuese të fërkimit.
Reaksionet bërthamore të kontrolluara. Nanopërshpejtuesit e grimcave, reaksionet bërthamore jo statistikore.
Mikroskopi skanues i tunelit
Të paktën dy ngjarje luajtën një rol të rëndësishëm në eksplorimin e pandalshëm të nanobotës:
Krijimi i një mikroskopi tunelimi skanues (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) dhe i një mikroskopi të forcës atomike skanuese (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Çmimi Nobel 1992);
Zbulimi i një forme të re të ekzistencës së karbonit në natyrë - fullerenet (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Çmimi Nobel 1996).
Mikroskopët e rinj bënë të mundur vëzhgimin e strukturës atomiko-molekulare të sipërfaqes së kristaleve të vetme në diapazonin e madhësisë nanometër. Rezolucioni më i mirë hapësinor i instrumenteve është një e qindta e nanometrit përgjatë normales në sipërfaqe. Funksionimi i një mikroskopi tunelues skanues bazohet në tunelizimin e elektroneve përmes një pengese vakumi. Rezolucioni i lartë është për shkak të faktit se rryma e tunelit ndryshon me tre rend të madhësisë kur gjerësia e pengesës ndryshon nga madhësia e atomit. Teoria e efektit të tunelit kuantik u themelua nga G.A. Gamow në vitin 1928 në veprën e tij mbi një kalbje.
Me ndihmën e mikroskopëve të ndryshëm skanues, aktualisht vërehet struktura atomike e sipërfaqeve të kristaleve të vetme të metaleve, gjysmëpërçuesve, superpërçuesve me temperaturë të lartë, molekulave organike dhe objekteve biologjike. Në fig. 1 tregon sipërfaqen e rindërtuar të tarracës së poshtme të (100) faqes së një kristali silikoni. Rrathët gri janë imazhe të atomeve të silikonit. Zonat e errëta janë defekte lokale në nanometri. Në fig. Figura 2 tregon strukturën atomike të një sipërfaqeje të pastër të (110) faqes prej argjendi (korniza e majtë) dhe e njëjta sipërfaqe e mbuluar me atome oksigjeni (korniza e djathtë). Doli që oksigjeni nuk absorbohet në mënyrë kaotike, por formon zinxhirë mjaft të gjatë përgjatë një drejtimi të caktuar kristalografik. Prania e zinxhirëve të dyfishtë dhe të vetëm tregon dy forma të oksigjenit.
Këto forma luajnë një rol të rëndësishëm në oksidimin selektiv të hidrokarbureve si etilen. Në fig. 3, mund të shihet nanostruktura e superpërçuesit me temperaturë të lartë Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . Në kornizën e majtë të Fig. 4, unazat e molekulave të benzenit (C 6 H 6) janë qartë të dukshme. Korniza e djathtë tregon zinxhirët CH 2 të polietilenit. Punimi paraqet një sekuencë kornizash të një filmi laboratorik rreth depërtimit të një virusi në një qelizë të gjallë.
Mikroskopët e rinj janë të dobishëm jo vetëm për studimin e strukturës atomike dhe molekulare të materies. Ato rezultuan të përshtatshme për projektimin e nanostrukturave. Me ndihmën e lëvizjeve të caktuara me majën e mikroskopit është e mundur të krijohen struktura atomike. Figura 5 tregon fazat e krijimit të mbishkrimit "IBM" nga atomet individuale të ksenonit në faqen (110) të një kristali të vetëm nikeli. Lëvizjet e majës gjatë krijimit të nanostrukturave nga atomet individuale ngjajnë me teknikat e një lojtari hokej kur përparon topin me një shkop. Është me interes të krijohen algoritme kompjuterike që vendosin një lidhje jo të parëndësishme midis lëvizjeve të majës dhe lëvizjeve të atomeve të manipuluara në bazë të modeleve të përshtatshme matematikore. Modelet dhe algoritmet janë të nevojshme për zhvillimin e "montuesve" automatikë të nanostrukturave.
Oriz. 4: a - C6H6; b - CH2-CH2
Oriz. 5. Xe/Ni (110)
Nanomaterialet
Fullerenet, si një formë e re e ekzistencës së karbonit në natyrë, së bashku me diamantin dhe grafitin e njohur prej kohësh, u zbuluan në vitin 1985 kur astrofizikanët u përpoqën të shpjegonin spektrat e pluhurit ndëryjor. Doli se atomet e karbonit mund të formojnë një molekulë C 60 shumë simetrike. Një molekulë e tillë përbëhet nga 60 atome karboni të vendosura në një sferë me diametër afërsisht një nanometër dhe i ngjan një topi futbolli (Fig. 6). Në përputhje me teoremën e L. Euler-it, atomet e karbonit formojnë 12 pesëkëndësha të rregullt dhe 20 gjashtëkëndësha të rregullt. Molekula është emëruar pas arkitektit R. Fuller, i cili ndërtoi një shtëpi me pesëkëndësh dhe gjashtëkëndësh. Fillimisht, C 60 u përftua në sasi të vogla dhe më pas, në vitin 1990 u zbulua teknologjia për prodhimin e tyre në shkallë të gjerë.
Fulleritet. Molekulat C 60, nga ana tjetër, mund të formojnë një kristal fullerit me një rrjetë kubike të përqendruar në fytyrë dhe lidhje mjaft të dobëta ndërmolekulare. Ky kristal ka zgavra oktaedrale dhe tetraedrale, të cilat mund të përmbajnë atome të huaja. Nëse zgavrat oktaedrale janë të mbushura me jone të metaleve alkali (¦ = K (kalium), Rb (rubidium), Cs (cesium)), atëherë në temperatura nën temperaturën e dhomës struktura e këtyre substancave riorganizohet dhe një material i ri polimer ¦1C60 është formuar. Nëse mbushen edhe zgavrat tetraedrale, atëherë formohet një material superpërçues ¦3С60 me një temperaturë kritike 20–40 K. Max Planck në Shtutgart. Ka fullerite me aditivë të tjerë që i japin materialit veti unike. Për shembull, C60-etilen ka veti feromagnetike. Aktiviteti i lartë në fushën e re të kimisë çoi në faktin se deri në vitin 1997 kishte më shumë se 9000 komponime fullerene.
Nanotubat e karbonit. Molekulat me një numër gjigant atomesh mund të merren nga karboni. Një molekulë e tillë, për shembull C=1000000, mund të jetë një tub me një shtresë me një diametër rreth një nanometër dhe një gjatësi prej disa dhjetëra mikron (Fig. 7). Në sipërfaqen e tubit, atomet e karbonit janë të vendosura në majat e gjashtëkëndëshave të rregullt. Skajet e tubit janë të mbyllura me gjashtë pesëkëndësha të rregullt. Duhet të theksohet roli i numrit të anëve të shumëkëndëshave të rregullt në formimin e sipërfaqeve dydimensionale që përbëhen nga
Oriz. 7. Nanotuba jokirale: a - C(n", n) - metal;
b-c(n, 0): mod (n, 3) = 0 - gjysmëmetal
mod(n, 3)!= 0 është një gjysmëpërçues.
Oriz. 8. Tub i lakuar
atomet e karbonit, në hapësirën tredimensionale. Gjashtëkëndëshat e rregullt janë një qelizë në një fletë grafiti të sheshtë që mund të rrotullohet në tuba me kiralitete të ndryshme (m, n) 3 . Pentagonët e rregullt (heptagonët) janë defekte lokale në një fletë grafiti, të cilat bëjnë të mundur marrjen e lakimit të saj pozitiv (negativ). Kështu, kombinimet e pesëkëndëshave të rregullt, gjashtë dhe shtatëkëndëshave bëjnë të mundur marrjen e formave të ndryshme të sipërfaqeve të karbonit në hapësirën tredimensionale (Fig. 8). Gjeometria e këtyre nanostrukturave përcakton vetitë e tyre unike fizike dhe kimike dhe, rrjedhimisht, mundësinë e ekzistencës së materialeve dhe teknologjive thelbësisht të reja për prodhimin e tyre. Parashikimi i vetive fiziko-kimike të materialeve të reja të karbonit kryhet si me ndihmën e modeleve kuantike ashtu edhe me llogaritjet brenda kornizës së dinamikës molekulare. Së bashku me tubat me një shtresë, është gjithashtu e mundur të krijohen tuba me shumë shtresa. Për prodhimin e nanotubave përdoren katalizatorë të veçantë.
Çfarë është unike për materialet e reja? Le të përqendrohemi vetëm në tre veti të rëndësishme.
Materiale super të forta. Lidhjet midis atomeve të karbonit në një fletë grafiti janë më të fortat e njohura, kështu që tubat e karbonit pa defekte janë dy rend të madhësisë më të fortë se çeliku dhe rreth katër herë më të lehta se çeliku! Një nga detyrat më të rëndësishme të teknologjisë në fushën e materialeve të reja të karbonit është krijimi i nanotubave me gjatësi "të pafund". Tuba të tillë mund të përdoren për të prodhuar materiale kompozite të lehta me forcë maksimale për nevojat e teknologjisë së epokës së re. Këto janë elementë fuqie të urave dhe ndërtesave, struktura mbajtëse të avionëve kompakt, elementë turbinash, blloqe të fuqisë së motorit me konsum jashtëzakonisht të ulët specifik të karburantit, etj. Aktualisht, ata kanë mësuar se si të bëjnë tuba dhjetëra mikron në gjatësi me një diametër të rendit të një nanometër.
materiale me përçueshmëri të lartë. Dihet se në grafitin kristalor përçueshmëria përgjatë rrafshit të shtresës është më e larta midis materialeve të njohura dhe, përkundrazi, në drejtimin pingul me fletën është e ulët. Prandaj, kabllot elektrike të bëra nga nanotuba pritet të kenë përçueshmëri elektrike dy renditje më të madhe se kabllot e bakrit në temperaturën e dhomës. I takon teknologjisë për të prodhuar tuba me gjatësi të mjaftueshme dhe në sasi të mjaftueshme,
nanoklustera
Grupi i nano-objekteve përfshin grimca ultra të vogla që përbëhen nga dhjetëra, qindra ose mijëra atome. Vetitë e grupimeve janë thelbësisht të ndryshme nga vetitë e vëllimeve makroskopike të materialeve të së njëjtës përbërje. Nga nanoklusterat, si nga blloqet e mëdha ndërtimore, është e mundur që me qëllim të projektohen materiale të reja me veti të paracaktuara dhe të përdoren në reaksionet katalitike, për ndarjen e përzierjeve të gazit dhe ruajtjen e gazrave. Një shembull është Zn4O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 . Me interes të madh janë grupimet magnetike të përbëra nga atome të metaleve kalimtare, lantinideve dhe aktinideve. Këto grupime kanë momentin e tyre magnetik, i cili bën të mundur kontrollin e vetive të tyre duke përdorur një fushë magnetike të jashtme. Një shembull është molekula organometalike me spin të lartë Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Ky konstruksion elegant përbëhet nga katër jone Mn 4+ me rrotullim 3/2 të vendosur në kulmet e katërkëndëshit, tetë jone Mn 3+ me rrotullim 2 që rrethojnë këtë katërkëndor. Ndërveprimi ndërmjet joneve të manganit kryhet nga jonet e oksigjenit. Ndërveprimet antiferromagnetike të rrotullimeve të joneve Mn 4+ dhe Mn 3+ çojnë në një rrotullim total mjaft të madh të barabartë me 10. Grupet e acetatit dhe molekulat e ujit ndajnë grupet Mn 12 nga njëra-tjetra në kristalin molekular. Ndërveprimi i grupimeve në një kristal është jashtëzakonisht i vogël. Nanomagnetët janë me interes në hartimin e procesorëve për kompjuterët kuantikë. Përveç kësaj, në studimin e këtij sistemi kuantik, u zbuluan dukuritë e bistabilitetit dhe histerezës. Nëse marrim parasysh se distanca midis molekulave është rreth 10 nanometra, atëherë dendësia e memories në një sistem të tillë mund të jetë rreth 10 gigabajt për centimetër katror.
nanopajisje
Nanotubat mund të formojnë bazën e modeleve të reja të sistemeve akustike të sheshta dhe ekraneve të sheshta, domethënë pajisjeve makroskopike të njohura. Disa nanopajisje mund të krijohen nga nanomateriale, për shembull, nanomotorë, nanomanipulues, pompa molekulare, memorie me densitet të lartë, elementë të mekanizmave nanorobot. Le të ndalemi shkurtimisht në modelet e disa nan-pajisjeve.
Ingranazhet dhe pompat molekulare. Modelet e nanopajisjeve u propozuan nga K.E. Drexler dhe R. Merkle nga IMM (Instituti për Prodhimin Molekular, Palo Alto). Boshtet e ingranazheve në kutinë e marsheve janë nanotuba karboni, dhe dhëmbët janë molekula benzeni. Frekuencat karakteristike të rrotullimit të ingranazheve janë disa dhjetëra gigahertz. Pajisjet "punojnë" ose në një vakum të lartë ose në një atmosferë inerte në temperaturën e dhomës. Gazet inerte përdoren për të "ftohur" pajisjen.
Memorie diamanti për kompjuterë. Modeli i kujtesës me densitet të lartë u zhvillua nga Ch. Bauschlicher dhe R. Merkle të NASA-s. Skema e pajisjes është e thjeshtë dhe përbëhet nga një sondë dhe një sipërfaqe diamanti. Sonda është një nanotub karboni (9, O) ose (5, 5) që përfundon në një hemisferë C 60, në të cilën është ngjitur një molekulë C 5 H 5 N. Sipërfaqja e diamantit është e mbuluar me një shtresë të vetme atomesh hidrogjeni. Disa atome hidrogjeni zëvendësohen nga atomet e fluorit. Kur sonda skanohet përgjatë një sipërfaqe diamanti të mbuluar me një shtresë adsorbati, molekula C 5 H 5 N, sipas modeleve kuantike, është në gjendje të dallojë një atom fluori të përthithur nga një atom hidrogjeni i përthithur. Meqenëse rreth 1015 atome përshtaten në një centimetër katror të sipërfaqes, dendësia e regjistrimit mund të arrijë 100 terabajt për centimetër katror.
Shembujt e mësipërm të rezultateve të eksperimenteve laboratorike dhe modeleve të nanopajisjeve janë një sfidë e re për teorinë, fizikën llogaritëse, kiminë dhe matematikën. Kërkohet kuptimi i "shihet" dhe "marrë". Kërkon zhvillimin e intuitës për të punuar në gamën nanometër të madhësive. Edhe një herë dëgjohet vërejtja e Faustit drejtuar Wagnerit:
“Çfarë do të thotë të kuptosh?
Kjo është pyetja, miku im.
Në këtë drejtim, ne nuk jemi të gjithë në rregull”.
Degë të reja të fizikës llogaritëse dhe kimisë llogaritëse
Më shumë se pesëdhjetë vjet më parë, problemet atomike dhe termonukleare, problemet e krijimit të avionëve të rinj dhe eksplorimi i hapësirës afër Tokës ngritën edhe një herë çështjen Faustiane të një niveli të ri të të kuptuarit të fenomeneve fizike dhe kimike. Puna e suksesshme për këto probleme çoi në shfaqjen dhe zhvillimin
1) fizika llogaritëse, në veçanti fushat e saj si p.sh
hidro- dhe aerodinamikë magnetike dhe rrezatuese,
mekanika e fluturimit të anijes kozmike,
teoria e plazmës dhe shkrirja termonukleare e kontrolluar;
2) kimia llogaritëse me seksione si p.sh
teoria e ekuacionit të gjendjes së materies,
Dinamika molekulare,
teoria e proceseve dhe aparateve kimike;
3) matematika llogaritëse dhe shkenca kompjuterike me fusha të tilla si
metodat numerike të fizikës matematikore,
teoria e automateve,
kontroll optimal,
njohja e modelit,
sistemet eksperte,
dizajn automatik.
Mundësitë moderne të eksperimentit laboratorik për vëzhgimin dhe studimin e dukurive në shkallën nanometrike të përmasave hapësinore dhe perspektivat joshëse për krijimin e materialeve dhe nanopajisjeve unike sjellin probleme të reja teorike.
Do të doja të kuptoja se çfarë "vërehet" në të vërtetë në mikroskopinë skanuese të tunelit?
Cilat gjëra të reja mund të vërehen potencialisht dhe cilat gjëra të reja mund të merren potencialisht në nanosistemet? Dhe në çfarë kushtesh?
Si të menaxhohen atomet individuale dhe grupet e atomeve dhe molekulave për të arritur qëllime të caktuara? Cilat janë kufijtë e këtij kontrolli?
Si të organizoni vetë-montimin e nanopajisjeve dhe materialeve unike "pa defekte"?
Në çfarë mase makromjedisi i “shtrëngon” gjendjet kuantike të nanosistemit?
Nevoja për një zgjidhje konstruktive të këtyre problemeve çon në kërkime intensive, duke formuar degë të reja në fizikën llogaritëse dhe kiminë llogaritëse. Ne veçojmë seksione të tilla në metrologji, mekanikë, elektrodinamikë, optikë dhe teorinë e vetëorganizimit. Në secilin nga këto seksione, ne përshkruajmë disa probleme.
Metrologjia
1. Krijimi i modeleve kompjuterike të sistemeve “instrument-nanoobjekt” dhe kalibrimi i tyre.
2. Automatizimi i matjeve me nanometra dhe krijimi i bazave të të dhënave.
Mekanika
1. Studimi i sforcimeve dhe sforcimeve mekanike në nanomateriale dhe nanoobjekte, analiza e fërkimit.
2. Simulimi i lëvizjeve të sondës gjatë manipulimit të synuar të një nanoobjekti.
3. Modelimi i lëvizjeve në nanomekanizma për nan pajisje, llogaritja e nanomanipulatorëve.
4. Zhvillimi i sistemeve të kontrollit për nanorobotët.
Elektrodinamika
1. Simulimi i dinamikës së atomeve dhe molekulave në fusha elektromagnetike jashtëzakonisht johomogjene të krijuara nga sistemet shumëpikëshe.
2. Llogaritja e vetive elektrike dhe magnetike të nanomaterialeve.
1. Modelimi i mekanizmave të emetimit, përhapjes dhe përthithjes së dritës në nanoobjekte.
2. Llogaritja e nanolazerëve dhe sistemeve hibride "sonda + nanolazer".
Teoria e vetëorganizimit
1. Formulimi i parimeve themelore të vetë-montimit të nanostrukturave.
2. Krijimi i algoritmeve të vetë-montimit kompjuterik.
3. Zhvillimi i algoritmeve llogaritëse për analizën cilësore të modeleve të vetëmontimit.
4. Simulimi i dukurive të vetëorganizimit hapësinor-kohor në krijimin e nanomaterialeve.
Epitaksi me rreze molekulare dhe nanolithografi
1. Krijimi i filmave të hollë metalikë që shërbejnë si bazë për materiale magnetike me cilësi të lartë.
2. Projektimi i elementeve bazë të nanoelektronikës.
3. Krijimi i katalizatorëve për katalizë selektive.
Do të doja të theksoja edhe një herë nevojën për të ruajtur një ekuilibër të rreptë midis eksperimentit laboratorik, teorisë dhe modelimit matematik. Ndonjëherë mund të dëgjohen deklarata se një eksperiment i saktë është aktualisht shumë i shtrenjtë dhe mund të zëvendësohet me modelim matematikor më të lirë. Ekziston edhe një pozicion i kundërt, në të cilin roli i metodave të kërkimit matematikor nënvlerësohet. Shembujt më të thjeshtë të dukurive jo të parëndësishme në rangun nanometër të dimensioneve hapësinore demonstrojnë dështimin e plotë të pozicioneve radikale.
Dukuritë e vetëorganizimit të hapësirë-kohës në sipërfaqen e kristaleve të vetme të metaleve
Konsideroni, në shikim të parë, problemin më të thjeshtë, por, siç rezulton, jo i parëndësishëm. Supozoni se do të donim të rritnim një film metalik të njëtrajtshëm me cilësi të lartë, siç është një film platini. Për ta bërë këtë, duhet të merret një sipërfaqe e mbushur dendur dhe uniforme hapësinore e një kristali të vetëm si një substrat dhe të depozitohet një shtresë atomesh mbi të nga një qelizë Knudsen në kushte vakum të lartë. Atomet fluturojnë jashtë qelizës, absorbohen në një sipërfaqe homogjene, migrojnë përgjatë saj dhe formojnë një shtresë të re. Pasi formohet shtresa e parë, sipër saj formohet shtresa tjetër, e kështu me radhë. Procesi përcaktohet nga vetëm dy makroparametra të kontrollit të jashtëm - temperatura e sipërfaqes dhe rrjedha e atomeve në sipërfaqe. Është e nevojshme vetëm të zgjidhet temperatura dhe shpejtësia e furnizimit të atomeve në atë mënyrë që, gjatë kohës karakteristike të furnizimit të një atomi të ri, një atom që migron mbi sipërfaqe të ketë kohë të integrohet në shtresën në rritje. Duket se nuk ka asgjë më të lehtë sesa të simulosh rritjen e filmit brenda kornizës së modeleve klasike të fizikës matematikore. Duhet të përshkruhet vetëm një proces: difuzioni sipërfaqësor i grimcave hyrëse. Për ta bërë këtë, mund të përdorni ekuacionin e difuzionit me një burim konstant në një fushë hapësinore dy-dimensionale, ta plotësoni atë me një kusht kufitar të përshtatshëm, për shembull, një kusht kufitar homogjen të llojit të dytë, dhe të kryeni llogaritjet. Natyrisht, me një migrim mjaft të shpejtë, pavarësisht nga kushtet fillestare, do të merret një zgjidhje homogjene hapësinore me një saktësi mjaft të lartë, në rritje monotonike në kohë. Megjithatë, një modelim i tillë nuk përshkruan aspak rritjen e një shtrese të re dhe strukturën e saj hapësinore.
Një eksperiment i kryer duke përdorur një mikroskop tunelimi skanues me një homosistem Pt/Pt(111) 5 tregon (Fig. 9) se atomet e platinit të absorbuar migrojnë mbi sipërfaqen e (111) faqes së një kristali platini të vetëm, duke mos iu bindur ligjit të Fick-ut. Ata formojnë ishuj të një shtrese të re me struktura të ndryshme hapësinore në varësi të vlerave të temperaturës së sipërfaqes dhe shkallës së furnizimit të atomeve. Këto mund të jenë ishuj të lirshëm të një strukture fraktal me një fraktal
Fig.9. Pt/Pt (111)
Oriz. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
dimensioni 1.78 (Fig. 9a), ose ishuj kompakt me forma platonike në formën e trekëndëshave të rregullt (Fig. 9b, 9d) dhe gjashtëkëndëshave (Fig. 9c), për më tepër, të orientuar në mënyrë të barabartë në lidhje me boshtet kristalografike. Kështu, në një temperaturë prej 400 K, kulmet e trekëndëshave duken "poshtë" (Fig. 9b). Në një temperaturë prej 455 K, ishujt në rritje marrin formën e gjashtëkëndëshave të rregullt (Fig. 9c). Në një temperaturë më të lartë, forma e rregullt trekëndore e ishujve formohet përsëri, por këtë herë majat e tyre duken "lart" (Fig. 9d). Forma dhe orientimi i ishujve trekëndësh janë të qëndrueshëm. Furnizimi i mëtejshëm i atomeve çon në një regjim të rritjes tre-dimensionale, si rezultat i të cilit shtresa në rritje është gjithmonë johomogjene dhe ka një strukturë piramidale tre-dimensionale.
Në lidhje me veçoritë e rritjes, lindin të paktën dy pyetje themelore.
Si të përshkruani teorikisht sjelljen dinamike jo të parëndësishme të sistemit më të thjeshtë?
Cilat janë mënyrat për të kontrolluar sistemin për të siguruar rritjen e shtresave dhe për të marrë një shtresë të njëtrajtshme hapësinore me cilësi të lartë?
Pyetje të ngjashme lindin edhe në heterosisteme, kur një film i një metali tjetër rritet në sipërfaqen e një metali. Pra, në rastin e rritjes së një filmi argjendi në platin, mund të vëzhgohen ishuj strukturash fraktal dhe dendritikë, ishuj në formën e një ylli me tre rreze nga kompania Mercedes dhe fenomene të tjera vetëorganizimi hapësinor-kohor që shoqërojnë tre të pabarabarta. -rritja dimensionale e një filmi të hollë metalik. Në rastin e rritjes së filmit të kobaltit në një faqe homogjene (0001) të një kristali reniumi, formohen lidhjet sipërfaqësore me stoikiometri të ndryshme dhe, në përputhje me rrethanat, strukturë hapësinore: CoRe (Fig. 10a), Co 2 Re (Fig. 10b), Co 3 Re (Fig. 10c) dhe struktura sipërfaqësore jo e parëndësishme. Në ilustrimet e paraqitura në fig. 10, mund të shihet se rrathët e mëdhenj (atomet e reniumit) janë të rrethuar nga një numër i ndryshëm rrathësh të vegjël (atomet e kobaltit). Këto lidhje kanë veti interesante magnetike.
Është e pamundur të mos ndalemi në një fenomen tjetër paradoksal - lëvizshmërinë anormale të lartë të grupimeve të mëdha kompakte. Duke ndjekur autorët e një pune të jashtëzakonshme eksperimentale, le të shqyrtojmë një grup kompakt me formë të rregullt, i përbërë nga numri "magjik" i atomeve të iridiumit N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, .. , për shembull, N = 19, në sipërfaqen e një fytyre të mbushur dendur (111) iridium. Duket se lëvizshmëria e një grupi që përmban dy duzina atome, në tërësi, duhet të jetë shumë herë më pak se lëvizshmëria e një atomi të vetëm, pasi migrimi i atomeve duket të jetë një proces i rastësishëm. Eksperimenti zbuloi se shkalla e migrimit të grupimeve "korrekte" është e krahasueshme me shpejtësinë e migrimit të një atomi të vetëm! Kjo pasojë e lëvizjes kolektive të atomeve të grupimeve kërkon një përshkrim të hollësishëm teorik dhe modelim matematikor. Rezultatet e një analize të tillë janë me interes të konsiderueshëm në llogaritjen e energjive të aktivizimit paraeksponencial dhe efektiv të migrimit për metodën dinamike të Monte Carlo dhe për ekuacionet kinetike të një shtrese jo ideale. Duke ditur normat aktuale të migrimit, mund të vlerësohet saktë jetëgjatësia e strukturave në shkallë nano.
Nuk ka nevojë për të bindur lexuesin se rezultatet e listuara të eksperimentit laboratorik demonstrojnë nevojën për zhvillimin e modeleve klasike të fizikës matematikore. Në studimin e nanoobjekteve, aty ku kërkohet, duhet të braktiset ideja e një mediumi të vazhdueshëm, i cili qëndron në themel të shumicës dërrmuese të modeleve të fizikës matematikore. Modelimi me inerci, pa marrë parasysh rezultatet e një eksperimenti laboratorik, çon në rezultate absolutisht të gabuara. Nevoja për një kurs të ri modern në fizikën matematikore, i cili merr parasysh veçoritë e nanoobjekteve, është gjithashtu e dukshme. Në këtë kurs, në veçanti, duhet t'i kushtohet vëmendje
Oriz. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
metodat e matematikës diskrete, kombinatorika numerative, teoria e grupeve.
Shembuj më kompleks të sjelljes dinamike jo të parëndësishme të sistemeve të hapura joideale jepen nga reaksionet model të katalizimit heterogjen në disa faqe të kristaleve të vetme metalike fisnike (Pt (111), Pt (100), Pt (110), Pt (210), Pd ( 111), Pd(110) ) në presione të ulëta të pjesshme në fazën e gazit. Këto janë reaksionet e oksidimit të monoksidit të karbonit (CO) me oksigjen (O 2), si dhe reduktimi i monoksidit të azotit (NO) me hidrogjen (H 2), amoniak (NH 3) dhe monoksid karboni. Këto reagime luajnë një rol të rëndësishëm në problemin mjedisor të emetimeve toksike pas djegies (NO, CO, etj.) nga motorët me djegie të brendshme dhe termocentralet. Hulumtimet e kryera vitet e fundit kanë zbuluar nano- dhe mezodinamikën magjepsëse të këtyre sistemeve. Tranzicionet fazore të tipit të rendit-çrregullimit, të shoqëruara nga formimi i superstrukturave në një shtresë adsorbatuese, kalimet fazore të llojit të ndarjes në faza, rindërtimi spontan dhe i shkaktuar nga adsorbimi i sipërfaqes së faqeve të kristaleve të vetme dhe korrozioni i u gjetën katalizator. Proceset e vetëorganizimit hapësinor-kohor që ndodhin në shkallën nanometrike janë të lidhura ngushtë me fenomene të ngjashme të vëzhguara me ndihmën e mikroskopisë fotoelektronike emetuese në diapazonin e mikrometrave. Fenomene të tilla përfshijnë spirale me mikrometër, valë në këmbë dhe nxitëse, metastabilitet të dyfishtë dhe turbulenca kimike. Figura 11 tregon rezultatet e një studimi të vetëorganizimit hapësinor-kohor në reaksionin e oksidimit të monoksidit të karbonit në faqen e një kristali të vetëm Pt(210) me metodën e mikroskopisë fotoelektronike emetuese. Çdo kornizë (380 x 380 mm) tregon shpërndarjen hapësinore të molekulave të absorbuara të CO (zona të lehta) dhe atomeve të oksigjenit (zona të errëta) në sipërfaqen e katalizatorit për presione të ndryshme të pjesshme të CO dhe oksigjenit në fazën e gazit në një temperaturë konstante të sipërfaqes. Dallohen qartë valët spirale dhe autovalët e një tranzicioni fazor si ndarja në faza, dukuritë e metastabilitetit të dyfishtë etj.
1 Madhësia e një atomi është disa të dhjetat e nanometrit.
2 Përshkrimi i pajisjeve dhe parimet e funksionimit të tyre përmbahet në.
3 Një çift numrash natyrorë (m, n) përcakton vektorin kiralitet në rrafshin e fletës së grafitit. Boshti i nanotubit është pingul me vektorin kiralitet. Kështu, për (n, n) ((n, 0)) boshti i tubit është paralel ( pingul) me anën e një gjashtëkëndëshi të rregullt.
4 Shkurtesa BDC qëndron për dikarboksil benzen dhe DMF qëndron për dimetilformamid.
5 Numrat në kllapa tregojnë indekset Miller të faqes së substratit me një kristal.
Teknologjitë dhe materialet kryesore kanë luajtur gjithmonë një rol të rëndësishëm në historinë e qytetërimit, duke kryer jo vetëm funksione të ngushta prodhuese, por edhe sociale. Mjafton të kujtojmë se sa shumë ndryshonin epoka e gurit dhe e bronzit, epoka e avullit dhe elektricitetit, energjia atomike dhe kompjuterët. Sipas shumë ekspertëve, shekulli i 21-të do të jetë shekulli i nanoshkencës dhe nanoteknologjive, të cilat do të përcaktojnë fytyrën e tij.
Nanoshkenca mund të përkufizohet si një grup njohurish rreth sjelljes së materies në një shkallë nanometri, dhe nanoteknologjia si arti i krijimit dhe funksionimit të objekteve me madhësi që variojnë nga fraksionet në qindra nanometra (të paktën në një ose dy nga tre dimensionet) .
Komponentët kryesorë të nanoteknologjisë janë paraqitur në fig. 2.1. Themeli i saj themelor është fizika, kimia dhe biologjia molekulare e vëllimeve artificiale dhe natyrore, të përbërë nga një numër i numërueshëm atomesh, d.m.th. objekte të tilla, në të cilat një varësi e fortë e të gjitha vetive nga madhësia e tyre (efektet e madhësisë), një strukturë diskrete atomiko-molekulare e një lënde dhe/ose ligjet kuantike të sjelljes së saj janë manifestuar tashmë në një masë të madhe.
Një komponent tjetër i rëndësishëm i nanoteknologjisë është aftësia për të krijuar ose gjetur me qëllim në natyrë materiale dhe objekte të nanostrukturuara me veti të paracaktuara. Komponenti tjetër i nanoteknologjisë
Krijimi i produkteve të gatshme, produkteve me shumë komponentë me cilësi dhe qëllime të reja konsumatore (memorie me super kapacitet, procesorë ultra të shpejtë, nanorobotë inteligjentë, etj.). Së fundi, mjetet e kontrollit, certifikimit dhe kërkimit të nanoprodukteve dhe materialeve të nanostrukturuara në të gjitha fazat e prodhimit dhe përdorimit janë gjithashtu një komponent i domosdoshëm i nanoteknologjisë.
Dhjetëra programe madhore janë duke u zbatuar tashmë në fushën e nanoshkencës dhe nanoteknologjisë në të gjitha vendet e zhvilluara të botës. Nanoteknologjitë përdoren në fusha kaq të rëndësishme për shoqërinë si kujdesi shëndetësor dhe mjekësia, bioteknologjia dhe mbrojtja e mjedisit, mbrojtja dhe hapësira ajrore, elektronika dhe kompjuterët, prodhimi kimik dhe petrokimik, energjia dhe transporti. Ritmet e rritjes së investimeve dhe futja e nanoteknologjisë në vendet e industrializuara të botës janë tashmë shumë të larta dhe në 10-20 vitet e ardhshme do të përcaktojnë nivelin e zhvillimit ekonomik dhe në një masë të madhe përparimin social në shoqëri. .
Një perspektivë e tillë paraqet sfida të reja për të gjithë sistemin arsimor, në radhë të parë arsimin profesional. Meqenëse nanoteknologjia nënkupton integrimin e njohurive themelore dhe metodave të teknologjisë së lartë për prodhimin e materialeve me nanostrukturë dhe produkteve të gatshme, në universitetet perëndimore ka pasur një tendencë për të reduktuar vëllimin e trajnimit të fizikanëve, matematikanëve, kimistëve, biologëve "të pastër", dhe inxhinierët tradicionalë: metalurgët, mekanikët, inxhinierët e energjisë, teknologët dhe rritja e peshës së specialiteteve "sintetike" në fushën e shkencës së materialeve fizike dhe nanoteknologjisë.
Gjatë viteve të fundit, rreth 10 mijë artikuj mbi nanoproblemet janë botuar në revista periodike botërore dhe rreth një duzinë revistash mujore të specializuara janë botuar në fusha të caktuara të nanoshkencës.
Pra, çfarë kuptohet tani nga nanoteknologjia? Vetë prefiksi dhjetor "nano" do të thotë një e miliarda e diçkaje. Kështu, thjesht formalisht, objektet me dimensione karakteristike R (të paktën përgjatë një koordinate) të matura në nanometra (1 nm = 10-9 m = 10E) hyjnë në objektin e këtij aktiviteti.
Në realitet, gama e objekteve dhe fenomeneve në shqyrtim është shumë më e gjerë - nga atomet individuale (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.
Do të ishte naive të mendohej se përpara ardhjes së epokës së nanoteknologjisë, një person nuk haste dhe nuk përdorte objekte dhe procese në nivelin nanok. Pra, reaksionet biokimike midis makromolekulave që përbëjnë të gjitha gjallesat, marrja e imazheve fotografike, katalizimi në prodhimin kimik, proceset e fermentimit në prodhimin e verës, djathit, bukës dhe të tjera ndodhin në nan nivel. Megjithatë, "nanoteknologjia intuitive", e cila fillimisht u zhvillua në mënyrë spontane, pa një kuptim të duhur të natyrës së objekteve dhe proceseve të përdorura, nuk mund të jetë një bazë e besueshme në të ardhmen. Prandaj, kërkimi themelor që synon krijimin e proceseve dhe produkteve thelbësisht të reja teknologjike është i një rëndësie të madhe. Është e mundur që nanoteknologjitë të jenë në gjendje të zëvendësojnë disa nga teknologjitë e vjetruara dhe joefikase, por megjithatë, vendi kryesor i saj është në fusha të reja në të cilat është e pamundur në parim të arrihen rezultatet e kërkuara me metoda tradicionale.
Kështu, në hendekun e madh dhe ende të zotëruar dobët midis nivelit makro, ku funksionojnë teoritë e kontinuumit të zhvilluar mirë të mediave të vazhdueshme dhe metodave inxhinierike të llogaritjes dhe projektimit, dhe nivelit atomik, që i nënshtrohet ligjeve të mekanikës kuantike, ekziston një gjë e gjerë. niveli mezohierarkik i strukturës së materies (texos - i mesëm, i ndërmjetëm me greqishten). Në këtë nivel zhvillohen procese biokimike jetike midis makromolekulave të ADN-së, ARN-së, proteinave, enzimave, strukturave nënqelizore, të cilat kërkojnë një kuptim më të thellë. Në të njëjtën kohë, këtu mund të krijohen artificialisht produkte dhe teknologji të papara më parë, të cilat mund të ndryshojnë rrënjësisht jetën e të gjithë komunitetit njerëzor. Në të njëjtën kohë, nuk do të kërkojë shpenzime të mëdha të lëndëve të para dhe energjisë, si dhe mjete për transportin e tyre, sasia e mbeturinave dhe ndotja e mjedisit do të ulet, puna do të bëhet më inteligjente dhe e shëndetshme.
Leksioni #19
Nanoteknologjia në vitet e fundit është bërë një nga fushat më të rëndësishme dhe emocionuese të njohurive në ballë të fizikës, kimisë, biologjisë dhe shkencave inxhinierike. Ai jep shpresa të mëdha për përparime të hershme dhe drejtime të reja në zhvillimin teknologjik në shumë fusha të veprimtarisë. Për të lehtësuar dhe përshpejtuar përdorimin në shkallë të gjerë të kësaj qasjeje të re, është e rëndësishme të keni ide të përgjithshme dhe disa njohuri specifike, të cilat, nga njëra anë, do të ishin të detajuara dhe të thella mjaftueshëm për të mbuluar temën në detaje, dhe në në të njëjtën kohë, mjaft i aksesueshëm dhe i plotë për të qenë i dobishëm për një gamë të gjerë specialistësh, që dëshirojnë të mësojnë më shumë për thelbin e çështjes dhe perspektivat në këtë fushë.
Interesi aktual i përhapur për nanoteknologjinë daton që nga viti 1996 - 1998, kur një komision qeveritar, me ndihmën e Qendrës Botërore të Vlerësimit të Teknologjisë (WTEC), financuar nga Fondacioni Kombëtar i Shkencës i SHBA-së dhe agjenci të tjera federale, ndërmori një studim të përvojës botërore në kërkimin dhe zhvillimin në fushën e nanoteknologjive për të vlerësuar potencialin e tyre teknologjik të inovacionit. Nanoteknologjia bazohet në të kuptuarit se grimcat më të vogla se 100 nanometra (një nanometër është një e miliarda e metrit) u japin veti dhe sjellje të reja materialeve të bëra prej tyre. Kjo ndodh sepse objektet më të vogla se gjatësia karakteristike (që është për shkak të natyrës së fenomenit të veçantë) shpesh shfaqin fizikë dhe kimi të ndryshme, duke çuar në të ashtuquajturat efekte të madhësisë, një sjellje e re që varet nga madhësia e grimcave. Kështu, për shembull, ndryshimet në strukturën elektronike, përçueshmërinë, reaktivitetin, temperaturën e shkrirjes dhe karakteristikat mekanike janë vërejtur në madhësitë e grimcave më pak kritike. Varësia e sjelljes nga madhësia e grimcave lejon që dikush të projektojë materiale me veti të reja nga të njëjtat atome fillestare.
Sipas WTEC, kjo teknologji ka potencial të madh për t'u përdorur në një gamë jashtëzakonisht të madhe dhe të larmishme fushash praktike - nga prodhimi i materialeve strukturore më të forta dhe më të lehta deri te reduktimi i kohës së shpërndarjes së barnave me nanostrukturë në sistemin e qarkullimit të gjakut, duke rritur kapacitetin e mediave magnetike. dhe krijimi i nxitësve për kompjuterë të shpejtë. Rekomandimet e dhëna nga ky dhe komitetet pasuese kanë çuar në ndarjen e fondeve shumë të mëdha për zhvillimin e nanoshkencës dhe nanoteknologjisë në vitet e fundit. Hulumtimi ndërdisiplinor ka mbuluar një gamë të gjerë temash - nga kimia e katalizës nga nanogrimcat tek fizika e lazerëve me pika kuantike. Si rezultat, për të vlerësuar perspektivat dhe implikimet më të përgjithshme të zhvillimit të nanoteknologjisë dhe për të dhënë një kontribut në këtë fushë të re emocionuese të veprimtarisë, u kuptua se studiuesit duhet të shkojnë në mënyrë periodike përtej fushës së tyre të ngushtë profesionale të njohuri. Menaxherët teknikë, ekspertët dhe ata që marrin vendime financiare duhet të kuptojnë një gamë shumë të gjerë disiplinash.
Nanoteknologjia është parë jo vetëm si një nga degët më premtuese të teknologjisë së lartë, por edhe si një faktor sistem-formues në ekonominë e shekullit të 21-të - një ekonomi e bazuar në njohuri dhe jo në përdorimin e burimeve natyrore ose të tyre. përpunimit. Përveç faktit që nanoteknologjia stimulon zhvillimin e një paradigme të re të të gjitha aktiviteteve prodhuese ("nga poshtë-lart" - nga atomet individuale - tek produkti, dhe jo "nga lart-poshtë", si në teknologjinë tradicionale, në të cilën produkti përftohet duke prerë materialin e tepërt nga boshllëqet më masive), ai është në vetvete një burim i qasjeve të reja për rritjen e standardit të jetesës dhe zgjidhjen e shumë problemeve sociale në një shoqëri post-industriale. Sipas shumicës së ekspertëve në fushën e politikës dhe investimeve të shkencës dhe teknologjisë, revolucioni i nanoteknologjisë që ka filluar do të mbulojë të gjitha fushat jetike të veprimtarisë njerëzore (nga eksplorimi i hapësirës te mjekësia, nga siguria kombëtare te ekologjia dhe bujqësia) dhe pasojat e tij do të jenë më të gjera dhe më të thella se revolucionet kompjuterike të të tretës së fundit të shekullit të 20-të. E gjithë kjo ngre detyra dhe pikëpyetje jo vetëm në sferën shkencore dhe teknike, por edhe para administratorëve të niveleve të ndryshme, investitorëve potencialë, sektorit të arsimit dhe organeve shtetërore. menaxhimi etj.
Vitet e fundit, ka pasur një numër të mjaftueshëm botimesh kushtuar teorisë, vetive dhe zbatimit praktik të nanomaterialeve dhe nanoteknologjisë. Në veçanti, kjo temë është paraqitur gjerësisht në librin e Ch. Pool dhe Jr.F. Owens, Nanoteknologji, përkth. nga anglishtja, 2nd, botim i rishikuar, ed. "Technosfera", M., 2006, 335s. Autorët vërejnë se megjithëse ky libër fillimisht ishte planifikuar si një hyrje në nanoteknologji, për shkak të vetë natyrës së kësaj shkence, ai është bërë një hyrje në disa fusha të nanoteknologjisë, të cilat, me sa duket, janë përfaqësuesit e saj tipikë. Për shkak të shpejtësisë së lartë të zhvillimit dhe natyrës ndërdisiplinore, është e pamundur të jepet një prezantim vërtet gjithëpërfshirës i temës. Temat e paraqitura u zgjodhën në bazë të thellësisë së arritur të të kuptuarit të çështjes, vëllimit të potencialit të tyre ose aplikimeve ekzistuese në teknologji. Shumë kapituj diskutojnë mundësitë aktuale dhe të ardhshme. Për ata që dëshirojnë të mësojnë më shumë rreth fushave specifike në të cilat po zhvillohet kjo teknologji, ofrohen referenca në literaturë.
Autorët janë përpjekur të ofrojnë një hyrje në lëndën e nanoteknologjisë, të shkruar në një nivel të tillë që studiuesit në fusha të ndryshme të mund të vlerësojnë zhvillimin e fushës jashtë interesave të tyre profesionale, dhe drejtuesit teknikë dhe menaxherët mund të marrin një pasqyrë të temës. Ndoshta ky libër mund të përdoret si bazë për një kurs universitar mbi nanoteknologjinë. Shumë kapituj ofrojnë hyrje në parimet fizike dhe kimike që qëndrojnë në themel të fushave të diskutuara. Kështu, shumë kapituj janë të vetë-mjaftueshëm dhe mund të studiohen në mënyrë të pavarur nga njëri-tjetri. Kështu, Kapitulli 2 fillon me një përmbledhje të shkurtër të vetive të materialeve me shumicë, e cila është e nevojshme për të kuptuar se si dhe pse ndryshojnë vetitë e materialeve ndërsa madhësia e njësive të tyre strukturore i afrohet nanometrit. Një stimul i rëndësishëm për një zhvillim kaq të shpejtë të nanoteknologjisë ishte krijimi i mjeteve të reja (si p.sh. mikroskopi i tunelit skanues), i cili bëri të mundur shikimin e veçorive me përmasa nanometërsh në sipërfaqen e materialeve. Prandaj, Kapitulli 3 përshkruan sistemet instrumentale më të rëndësishme dhe ofron ilustrime të matjeve në nanomateriale. Pjesa tjetër e kapitujve trajton aspekte të tjera të problemit. Libri mbulon një gamë shumë të gjerë problemesh dhe temash: efektet që lidhen me madhësinë dhe dimensionin e objekteve të nanoshkencës dhe teknologjisë, vetitë magnetike, elektrike dhe optike të materialeve me nanostrukturë, metodat për përgatitjen dhe studimin e tyre, vetë-montimin dhe katalizimin në nanostruktura, nanobioteknologji, pajisje të integruara nanoelektromekanike, fullerite, nanotuba dhe shumë më tepër. Përshkruhen një sërë metodash moderne të kërkimit dhe certifikimit të nanostrukturave dhe nanoobjekteve: mikroskopi elektronik dhe jon-fushë, optik, spektroskopi me rreze X dhe magnetik.
Në të njëjtën kohë, boshllëqet në strukturën dhe përmbajtjen e seksioneve individuale janë gjithashtu të dukshme. Kështu, informacioni për nanoelektronikën, spintronikën, idetë e reja në lidhje me llogaritjen kuantike dhe kompjuterët pothuajse mungon plotësisht. Shumica e tyre as që përmenden. Vëmendje absolutisht e pamjaftueshme i është kushtuar metodave jashtëzakonisht të fuqishme dhe të përhapura të skanimit të sondave të kërkimit, certifikimit, litografisë dhe dizajnit atomik dhe molekular. Një paragraf i vogël kushtuar këtyre çështjeve është krejtësisht jashtë proporcionit me rolin dhe vendin e nanoteknologjisë së sondës. Një vend shumë modest i jepet superpërçueshmërisë së dobët dhe pajisjeve shumë premtuese të bazuara në të. Filmat dhe heterostrukturat që luajnë një rol të rëndësishëm në elektronikën moderne planare, veshjet super të forta dhe rezistente ndaj konsumit, etj., janë paraqitur me masë.
Gjithashtu theksojmë se askund nuk jepet asnjë sistematizim i objekteve dhe proceseve të nanoteknologjisë, si rezultat i së cilës mbetet e paqartë për një lexues të papërvojë se me cilën pjesë të temës do të mund të njihet pasi të lexojë këtë libër.
Pavarësisht nga mangësitë e përmendura më sipër, në përgjithësi, libri mund të konsiderohet i dobishëm për një gamë të gjerë lexuesish, përfshirë studentët e specialiteteve të shkencave fizike, kimike dhe materialeve. Kjo e fundit është edhe më e rëndësishme sepse literatura arsimore për nanoteknologjinë në Rusisht mungon pothuajse plotësisht dhe nevoja për të është e madhe për shkak të trajnimit të specialistëve në nanomateriale dhe nanoelektronikë që filloi në 2003 në 12 universitete ruse.
Jo të gjitha idetë dhe interpretimet e autorëve mund të bien dakord pa kushte. Megjithatë, për të mos rrëmuar tekstin me një numër të madh komentesh, shtesash dhe kritikash, gjatë përkthimit dhe redaktimit janë eliminuar vetëm gabimet e dukshme, mospërputhjet dhe gabimet e shtypit.
Gjatë shkrimit të librit dhe ribotimit të tij në rusisht, janë botuar shumë libra të dobishëm, disa prej të cilëve janë renditur më poshtë. Sipas tyre, lexuesi i interesuar mund të njihet më thellësisht me rubrikat individuale dhe me panoramën e nanoteknologjisë në tërësi.
Nanomaterialet në mënyrë konvencionale përfshijnë materiale të shpërndara dhe masive që përmbajnë elementë strukturorë (kokrra, kristalitë, blloqe, grupime dhe të tjera), dimensionet gjeometrike të të cilave nuk i kalojnë 100 nm në të paktën një dimension, dhe që zotërojnë karakteristika funksionale dhe funksionale cilësisht të reja. Nanoteknologjitë përfshijnë teknologjitë që ofrojnë aftësinë për të krijuar dhe modifikuar nanomaterialet në mënyrë të kontrolluar, si dhe për t'i integruar ato në sisteme plotësisht funksionale në shkallë të gjerë. Ndër përbërësit kryesorë të shkencës së nanomaterialeve dhe nanoteknologjive, mund të dallohen këto:
studime themelore të vetive të materialeve në nivel nano;
zhvillimi i nanoteknologjive për krijimin e qëllimshëm të nanomaterialeve, si dhe kërkimi dhe përdorimi i objekteve natyrore me elemente nanostrukturore, krijimi i produkteve të gatshme duke përdorur nanomateriale dhe integrimi i nanomaterialeve dhe nanoteknologjive në industri dhe shkenca të ndryshme;
zhvillimi i mjeteve dhe metodave për studimin e strukturës dhe vetive të nanomaterialeve, si dhe metodave për monitorimin dhe certifikimin e produkteve dhe produkteve gjysëm të gatshme për nanoteknologjitë.
Shekulli 21 u shënua nga një fillim revolucionar në zhvillimin e nanoteknologjive dhe nanomaterialeve. Ato përdoren tashmë në të gjitha vendet e zhvilluara të botës në fushat më domethënëse të veprimtarisë njerëzore (industria, mbrojtja, sfera e informacionit, radio-elektronika, energjia, transporti, bioteknologjia, mjekësia). Një analizë e rritjes së investimeve, numri i botimeve për këtë temë dhe ritmi i zbatimit të zhvillimeve themelore dhe kërkimore na lejon të konkludojmë se në 20 vitet e ardhshme përdorimi i nanoteknologjive dhe nanomaterialeve do të jetë një nga faktorët përcaktues në zhvillimin shkencor, ekonomik dhe mbrojtës të shteteve. Aktualisht, interesi për një klasë të re materialesh në fushën e shkencës themelore dhe të aplikuar, si dhe në industri dhe biznes, është vazhdimisht në rritje. Kjo është për shkak të arsyeve të mëposhtme:
duke u përpjekur për miniaturizimin e produkteve,
vetitë unike të materialeve në gjendje të nanostrukturuar,
nevoja për të zhvilluar dhe zbatuar materiale me veti të reja cilësore dhe sasiore,
zhvillimi i metodave dhe metodave të reja teknologjike të bazuara në parimet e vetë-montimit dhe vetëorganizimit,
zbatimi praktik i instrumenteve moderne për kërkimin, diagnostikimin dhe modifikimin e nanomaterialeve (mikroskopi me sondë skanuese),
zhvillimi dhe zbatimi i teknologjive të reja, të cilat janë një sekuencë e proceseve të litografisë, teknologji për marrjen e nanopluderave.
Drejtimi i kërkimit nanostrukturor është zhvendosur pothuajse tërësisht nga marrja dhe studimi i substancave dhe materialeve nanokristaline në fushën e nanoteknologjisë, d.m.th., krijimi i produkteve, pajisjeve dhe sistemeve me elementë të përmasave nano. Fushat kryesore të aplikimit të elementeve në shkallë nano janë elektronika, mjekësia, farmaceutika kimike dhe biologjia.
Presidenti rus Dmitry Medvedev është i bindur se vendi i ka të gjitha kushtet për zhvillimin e suksesshëm të nanoteknologjisë.
Nanoteknologjia është një fushë e re e shkencës dhe teknologjisë që është zhvilluar në mënyrë aktive në dekadat e fundit. Nanoteknologjitë përfshijnë krijimin dhe përdorimin e materialeve, pajisjeve dhe sistemeve teknike, funksionimi i të cilave përcaktohet nga nanostruktura, domethënë fragmentet e saj të renditura që variojnë në madhësi nga 1 deri në 100 nanometra.
Parashtesa "nano", e cila erdhi nga gjuha greke ("nanos" në greqisht - xhuxh), do të thotë një e miliarda pjesë. Një nanometër (nm) është një e miliarda e një metri.
Termi "nanoteknologji" (nanoteknologji) u krijua në 1974 nga profesori-shkencëtari i materialeve nga Universiteti i Tokios Norio Taniguchi (Norio Taniguchi), i cili e përcaktoi atë si "teknologji prodhimi që lejon arritjen e saktësisë ultra të lartë dhe dimensioneve ultra të vogla. .. të rendit prej 1 nm ..." .
Nanoshkenca dallohet qartë nga nanoteknologjia në literaturën botërore. Termi shkencë në shkallë nano përdoret gjithashtu për nanoshkencën.
Në rusisht dhe në praktikën e legjislacionit dhe rregulloreve ruse, termi "nanoteknologji" kombinon "nanoshkencë", "nanoteknologji" dhe ndonjëherë edhe "nanoindustri" (fushat e biznesit dhe prodhimit ku përdoren nanoteknologjitë).
Komponenti më i rëndësishëm i nanoteknologjisë janë nanomateriale, domethënë materiale, vetitë funksionale të pazakonta të të cilave përcaktohen nga struktura e renditur e nanofragmenteve të tyre që variojnë në madhësi nga 1 deri në 100 nm.
- struktura nanoporoze;
- nanogrimca;
- nanotuba dhe nanofibra
- nanodispersionet (koloidet);
- sipërfaqe dhe filma me nanostrukturë;
- nanokristalet dhe nanoklusteret.
Teknologjia e nanosistemit- të krijuara plotësisht ose pjesërisht në bazë të nanomaterialeve dhe nanoteknologjive, sisteme dhe pajisje funksionalisht të plota, karakteristikat e të cilave janë thelbësisht të ndryshme nga ato të sistemeve dhe pajisjeve me qëllim të ngjashëm, të krijuara duke përdorur teknologji tradicionale.
Aplikimet e nanoteknologjisë
Është pothuajse e pamundur të renditen të gjitha fushat në të cilat kjo teknologji globale mund të ndikojë ndjeshëm në përparimin teknologjik. Mund të përmendim vetëm disa prej tyre:
- elemente të nanoelektronikës dhe nanofotonikës (tranzistorë gjysmëpërçues dhe lazer;
- fotodetektorë; Qeliza diellore; sensorë të ndryshëm)
- pajisje për regjistrim ultra të dendur të informacionit;
- teknologjitë e telekomunikacionit, informacionit dhe informatikës; superkompjutera;
- pajisje video - ekrane të sheshta, monitorë, video projektorë;
- pajisje elektronike molekulare, duke përfshirë çelësat dhe qarqet elektronike në nivel molekular;
- nanolithografi dhe nanoimprinting;
- qelizat e karburantit dhe pajisjet e ruajtjes së energjisë;
- pajisje të mikro- dhe nanomekanikës, duke përfshirë motorët molekularë dhe nanomotorët, nanorobotët;
- nanokimi dhe kataliza, duke përfshirë kontrollin e djegies, veshjen, elektrokiminë dhe farmaceutikën;
- aplikimet e aviacionit, hapësirës dhe mbrojtjes;
- pajisje për monitorimin e gjendjes së mjedisit;
- dërgimi i synuar i barnave dhe proteinave, biopolimereve dhe shërimi i indeve biologjike, diagnostikimi klinik dhe mjekësor, krijimi i muskujve artificialë, kockat, implantimi i organeve të gjalla;
- biomekanikë; gjenomikë; bioinformatikë; bioinstrumentacion;
- regjistrimi dhe identifikimi i indeve kancerogjene, patogjenëve dhe agjentëve biologjikisht të dëmshëm;
- siguria në bujqësi dhe prodhim ushqimor.
Kompjuterë dhe mikroelektronikë
Nanokompjuter- një pajisje llogaritëse e bazuar në teknologji elektronike (mekanike, biokimike, kuantike) me madhësi elementesh logjike të rendit të disa nanometrave. Vetë kompjuteri, i zhvilluar në bazë të nanoteknologjisë, ka gjithashtu dimensione mikroskopike.
Kompjuter i ADN-së- një sistem kompjuterik që përdor aftësitë llogaritëse të molekulave të ADN-së. Llogaritja biomolekulare është një emër kolektiv për teknika të ndryshme që lidhen me ADN-në ose ARN-në në një mënyrë ose në një tjetër. Në llogaritjen e ADN-së, të dhënat nuk paraqiten në formën e zeros dhe njëshit, por në formën e një strukture molekulare të ndërtuar mbi bazën e spirales së ADN-së. Roli i softuerit për leximin, kopjimin dhe menaxhimin e të dhënave kryhet nga enzima speciale.
Mikroskop i forcës atomike- mikroskop sondë skanimi me rezolucion të lartë, bazuar në ndërveprimin e gjilpërës së konsolit (sondës) me sipërfaqen e kampionit në studim. Ndryshe nga një mikroskop tunelues skanues (STM), ai mund të ekzaminojë si sipërfaqet përçuese ashtu edhe ato jopërçuese edhe përmes një shtrese të lëngshme, gjë që bën të mundur punën me molekulat organike (ADN). Rezolucioni hapësinor i një mikroskopi të forcës atomike varet nga madhësia e konsolit dhe lakimi i majës së tij. Rezolucioni arrin atomike horizontalisht dhe dukshëm e tejkalon atë vertikalisht.
Oscilator i antenës- Më 9 shkurt 2005, në laboratorin e Universitetit të Bostonit u prit një antenë oshilator me madhësi rreth 1 mikron. Kjo pajisje ka 5000 milionë atome dhe është e aftë të lëkundet me një frekuencë prej 1.49 gigahertz, gjë që ju lejon të transferoni sasi të mëdha informacioni me të.
Nanomjekësia dhe industria farmaceutike
Një drejtim në mjekësinë moderne bazuar në përdorimin e vetive unike të nanomaterialeve dhe nanoobjekteve për gjurmimin, projektimin dhe ndryshimin e sistemeve biologjike njerëzore në nivelin nanomolekular.
Nanoteknologjitë e ADN-së- të përdorë bazat specifike të molekulave të ADN-së dhe acideve nukleike për të krijuar struktura të përcaktuara qartë mbi bazën e tyre.
Sinteza industriale e molekulave të barnave dhe e preparateve farmakologjike të një forme të mirëpërcaktuar (bis-peptide).
Në fillim të vitit 2000, falë përparimit të shpejtë në teknologjinë e prodhimit të grimcave me madhësi nano, një shtysë iu dha zhvillimit të një fushe të re të nanoteknologjisë - nanoplazmonikë. Doli të ishte e mundur të transmetohej rrezatimi elektromagnetik përgjatë një zinxhiri nanogrimcash metalike nga ngacmimi i lëkundjeve të plazmonit.
Robotika
Nanobotët- robotë të krijuar nga nanomateriale dhe të krahasueshëm në madhësi me një molekulë, me funksionet e lëvizjes, përpunimit dhe transmetimit të informacionit, ekzekutimit të programeve. Nanorobotët të aftë për të krijuar kopje të vetvetes, d.m.th. vetë-riprodhues quhen replikatorë.
Aktualisht, tashmë janë krijuar nanopajisje elektromekanike me lëvizshmëri të kufizuar, të cilat mund të konsiderohen prototipe të nanorobotëve.
Rotorët molekularë- Motorë sintetikë në shkallë nano të aftë për të gjeneruar çift rrotullues kur u aplikohet energji e mjaftueshme.
Vendi i Rusisë midis vendeve që zhvillojnë dhe prodhojnë nanoteknologji
Liderët botërorë për sa i përket investimeve totale në fushën e nanoteknologjisë janë vendet e BE-së, Japonia dhe Shtetet e Bashkuara. Kohët e fundit, Rusia, Kina, Brazili dhe India kanë rritur ndjeshëm investimet në këtë industri. Në Rusi, shuma e financimit në kuadër të programit "Zhvillimi i infrastrukturës së nanoindustrisë në Federatën Ruse për 2008-2010" do të arrijë në 27.7 miliardë rubla.
Raporti i fundit (2008) i firmës kërkimore me bazë në Londër Cientifica, i quajtur "Raporti i Perspektivës së Nanoteknologjisë", thotë fjalë për fjalë në lidhje me investimet ruse: "Megjithëse BE-ja ende renditet e para përsa i përket investimeve, Kina dhe Rusia tashmë kanë tejkaluar Shtetet e Bashkuara."
Ka fusha të tilla në nanoteknologji ku shkencëtarët rusë u bënë të parët në botë, pasi morën rezultate që hodhën themelet për zhvillimin e tendencave të reja shkencore.
Midis tyre janë prodhimi i nanomaterialeve ultrafine, dizajnimi i pajisjeve me një elektron, si dhe puna në fushën e forcës atomike dhe mikroskopisë së sondës skanuese. Vetëm në një ekspozitë të veçantë të mbajtur në kuadër të Forumit XII Ekonomik të Shën Petersburgut (2008), u prezantuan 80 zhvillime specifike njëherësh.
Rusia tashmë prodhon një sërë nanoproduktesh që janë të kërkuara në treg: nanomembrana, nanopluhura, nanotuba. Megjithatë, sipas ekspertëve, Rusia është dhjetë vjet prapa Shteteve të Bashkuara dhe vendeve të tjera të zhvilluara në komercializimin e zhvillimeve nanoteknologjike.
Materiali është përgatitur në bazë të informacionit nga burime të hapura
