G.G.Yelenin
Yazar hakkında kısa bilgi: Lomonosov Moskova Devlet Üniversitesi Hesaplamalı Matematik ve Sibernetik Fakültesi Profesörü. M.V. Lomonosov, Öncü Araştırmacı, Uygulamalı Matematik Enstitüsü. Keldysh RAS.
Özdeş atomlardan oluşan bir çelik küp veya bir tuz kristali ilginç özellikler sergileyebiliyorsa; su - birbirinden ayırt edilemeyen ve Dünya'nın yüzeyini kilometrelerce kaplayan damlacıklar - dalgalar ve köpük, sörfün gök gürültüsü ve setin granitinde garip desenler yaratabiliyorsa; eğer tüm bunlar, suların yaşamının tüm zenginliği sadece atom demetlerinin bir özelliği ise, o zaman onlarda daha kaç olasılık saklıdır? Atomları sıraya dizmek yerine, satır satır, sütun sütun, hatta menekşe kokusunun girift moleküllerini oluşturmak yerine, her seferinde yeni bir şekilde düzenlemek yerine, mozayiğini tekrar etmeden çeşitlendiriyorsa. o, zaten ne oldu - davranışlarında ne kadar olağandışı, beklenmedik şeylerin ortaya çıkabileceğini hayal edin.
RP Feynman
Nanoteknolojide konu, hedefler ve ana yönler
Ansiklopedik Sözlüğe göre teknoloji, üretim sürecinde gerçekleştirilen hammaddelerin, malzemelerin veya yarı mamul ürünlerin durumunu, özelliklerini, şeklini değiştirme, işleme, üretme yöntemleri kümesidir.
Nanoteknolojinin özelliği, söz konusu süreçlerin ve gerçekleştirilen eylemlerin uzamsal boyutların 1 nanometre aralığında gerçekleşmesi gerçeğinde yatmaktadır. "Hammaddeler", en az milyarlarca atom ve molekül içeren, geleneksel teknolojide alışılagelmiş mikron veya makroskopik hacimlerde değil, tek tek atomlar, moleküller, moleküler sistemlerdir. Geleneksel teknolojiden farklı olarak nanoteknoloji, dış kontrolün bireysel atomlara ve moleküllere ulaştığı ve bunlardan temelde yeni fizikokimyasal ve biyolojik özelliklere sahip "kusursuz" malzemeler ve yeni sınıflar yaratmayı mümkün kılan "bireysel" bir yaklaşımla karakterize edilir. Karakteristik nanometre boyutlarına sahip cihazların. "Nanoteknoloji" kavramı henüz oturmadı. Görünüşe göre, aşağıdaki çalışma tanımı takip edilebilir.
Nanoteknoloji, yeni moleküller, nanoyapılar, nanoaygıtlar ve özel fiziksel, kimyasal özelliklere sahip malzemeler oluştururken tek tek atomları, molekülleri, moleküler sistemleri kontrol etmek için nanometre boyutlarının uzamsal bölgelerindeki fiziksel ve kimyasal süreçlerin düzenliliklerinin incelendiği disiplinler arası bir bilim alanıdır. ve biyolojik özellikler.
Hızla gelişen bölgenin mevcut durumunun analizi, bölgedeki bir dizi önemli alanı belirlememizi sağlar.
Moleküler tasarım. Oldukça homojen olmayan elektromanyetik alanlarda mevcut moleküllerin hazırlanması ve yeni moleküllerin sentezi.
Malzeme Bilimi. "Kusursuz" yüksek mukavemetli malzemelerin, yüksek iletkenliğe sahip malzemelerin oluşturulması.
Enstrümantasyon. Taramalı tünelleme mikroskopları, atomik kuvvet mikroskopları 2 , manyetik kuvvet mikroskopları, moleküler tasarım için çok noktalı sistemler, minyatür aşırı duyarlı sensörler, nanorobotların oluşturulması.
Elektronik. Yeni nesil bilgisayarlar, nanoteller, transistörler, doğrultucular, ekranlar, akustik sistemler için nanometre eleman tabanı tasarlama.
Optik. Nanolazerlerin oluşturulması. Nanolazerlerle çok noktalı sistemlerin sentezi.
heterojen kataliz. Seçici kataliz reaksiyon sınıfları için nanoyapılı katalizörlerin geliştirilmesi.
İlaç. Virüslerin yok edilmesi, organların yerel "onarılması", canlı bir organizmanın belirli yerlerine ilaç dozlarının yüksek hassasiyetle iletilmesi için nanoaraçların tasarlanması.
Triboloji. Malzemelerin nano yapısı ile sürtünme kuvvetleri arasındaki ilişkinin belirlenmesi ve bu bilginin gelecek vadeden sürtünme çiftlerinin üretiminde kullanılması.
Kontrollü nükleer reaksiyonlar. Parçacıkların nano hızlandırıcıları, istatistiksel olmayan nükleer reaksiyonlar.
Taramalı tünelleme mikroskobu
En az iki olay, nanodünyanın durdurulamaz keşfinde önemli bir rol oynadı:
Taramalı tünelleme mikroskobu (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) ve taramalı atomik kuvvet mikroskobunun (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nobel Ödülü 1992) oluşturulması;
Doğada yeni bir karbon varlığının keşfi - fullerenler (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobel Ödülü 1996).
Yeni mikroskoplar, nanometre boyut aralığındaki tek kristallerin yüzeyinin atomik-moleküler yapısını gözlemlemeyi mümkün kıldı. Aletlerin en iyi uzamsal çözünürlüğü, yüzey normali boyunca bir nanometrenin yüzde biri kadardır. Taramalı tünelleme mikroskobunun çalışması, elektronların bir vakum bariyerinden tünellenmesine dayanır. Yüksek çözünürlük, bariyer genişliği atomun boyutuna göre değiştiğinde tünelleme akımının üç büyüklük sırası değişmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Kuantum tünelleme etkisi teorisi G.A. Gamow, 1928'de bir çürüme üzerine yaptığı çalışmada.
Çeşitli tarama mikroskoplarının yardımıyla, metallerin tek kristallerinin, yarı iletkenlerin, yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin, organik moleküllerin ve biyolojik nesnelerin yüzeylerinin atomik yapısı şu anda gözlemlenmektedir. Şek. Şekil 1, bir silikon tek kristalin (100) yüzünün alt terasının yeniden oluşturulmuş yüzeyini göstermektedir. Gri daireler, silikon atomlarının görüntüleridir. Karanlık alanlar yerel nanometre kusurlarıdır. Şek. Şekil 2, gümüş (110) yüzünün (sol çerçeve) temiz bir yüzeyinin ve oksijen atomları ile kaplı aynı yüzeyin (sağ çerçeve) atomik yapısını göstermektedir. Oksijenin düzensiz bir şekilde adsorbe edilmediği, bunun yerine belirli bir kristalografik yön boyunca oldukça uzun zincirler oluşturduğu ortaya çıktı. Çift ve tek zincirlerin varlığı, iki oksijen formunu gösterir.
Bu formlar, etilen gibi hidrokarbonların seçici oksidasyonunda önemli bir rol oynar. Şek. Şekil 3'te, yüksek sıcaklıklı süper iletken Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2'nin nano yapısı görülebilir. Resmin sol çerçevesinde 4, benzen moleküllerinin halkaları (C6H6) açıkça görülmektedir. Sağ çerçeve, polietilenin CH2 zincirlerini göstermektedir. Makale, bir virüsün canlı bir hücreye girmesiyle ilgili bir laboratuvar filminin bir dizi karesini sunuyor.
Yeni mikroskoplar, yalnızca maddenin atomik ve moleküler yapısını incelemek için kullanışlı değildir. Nanoyapıları tasarlamak için uygun oldukları ortaya çıktı. Mikroskobun ucu ile belirli hareketler yardımıyla atomik yapılar oluşturmak mümkündür. Şekil 5, tek bir nikel kristalinin (110) yüzü üzerindeki ayrı ayrı ksenon atomlarından "IBM" yazısının oluşturulması aşamalarını göstermektedir. Tek tek atomlardan nanoyapıların oluşturulması sırasında ucun hareketleri, bir hokey oyuncusunun diski bir sopayla ilerlettiği tekniklere benzer. Ucun hareketleri ile manipüle edilmiş atomların hareketleri arasında uygun matematiksel modeller temelinde önemsiz olmayan bir bağlantı kuran bilgisayar algoritmaları oluşturmak ilgi çekicidir. Nanoyapıların otomatik "birleştiricilerinin" geliştirilmesi için modeller ve algoritmalar gereklidir.
Pirinç. 4: a - C6H6; b - CH2 -CH2
Pirinç. 5. Xe/Ni (110)
nanomalzemeler
Uzun zamandır bilinen elmas ve grafit ile birlikte doğadaki karbon varlığının yeni bir şekli olan fullerenler, 1985 yılında astrofizikçiler yıldızlararası tozun tayfını açıklamaya çalışırken keşfedildi. Karbon atomlarının oldukça simetrik bir C60 molekülü oluşturabileceği ortaya çıktı. Böyle bir molekül, yaklaşık bir nanometre çapında bir küre üzerinde yer alan ve bir futbol topunu andıran 60 karbon atomundan oluşur (Şekil 6). L. Euler teoremine göre karbon atomları 12 düzgün beşgen ve 20 düzgün altıgen oluşturur. Molekül, beşgen ve altıgenlerden oluşan bir ev inşa eden mimar R. Fuller'ın adını almıştır. Başlangıçta C 60 küçük miktarlarda elde edildi ve ardından 1990'da büyük ölçekli üretimleri için teknoloji keşfedildi.
Fulleritler. C 60 molekülleri ise, yüz merkezli kübik bir kafese ve oldukça zayıf moleküller arası bağlara sahip bir fullerit kristali oluşturabilir. Bu kristal, yabancı atomlar içerebilen oktahedral ve tetrahedral boşluklara sahiptir. Oktahedral boşluklar alkali metal iyonları (¦ = K (potasyum), Rb (rubidyum), Cs (sezyum)) ile doldurulursa, oda sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda bu maddelerin yapısı yeniden düzenlenir ve yeni bir polimer malzeme ¦1C60 oluşur. oluşturulan. Dört yüzlü boşluklar da doldurulursa, kritik sıcaklığı 20–40 K olan bir süperiletken malzeme ¦3С60 oluşur. Stuttgart'ta Max Planck. Malzemeye benzersiz özellikler kazandıran diğer katkı maddelerine sahip fulleritler vardır. Örneğin, C60-etilen, ferromanyetik özelliklere sahiptir. Yeni kimya alanındaki yüksek aktivite, 1997 yılına kadar 9000'den fazla fulleren bileşiğinin bulunmasına yol açtı.
Karbon nanotüpler. Karbondan çok sayıda atom içeren moleküller elde edilebilir. Böyle bir molekül, örneğin C=1000000, çapı yaklaşık bir nanometre ve uzunluğu birkaç on mikron olan tek katmanlı bir tüp olabilir (Şekil 7). Tüpün yüzeyinde, karbon atomları düzgün altıgenlerin köşelerinde bulunur. Tüpün uçları altı düzgün beşgen ile kapatılmıştır. Şunlardan oluşan iki boyutlu yüzeylerin oluşumunda düzgün çokgenlerin kenar sayısının rolüne dikkat edilmelidir:
Pirinç. 7. Kiral olmayan nanotüpler: a - C(n", n) - metal;
b-c(n, 0): mod (n, 3) = 0 - yarı metal
mod(n, 3)!= 0 bir yarı iletkendir.
Pirinç. 8. Eğimli boru
üç boyutlu uzayda karbon atomları. Düzenli altıgenler, çeşitli kiralitelerde (m, n) 3 tüpler halinde yuvarlanabilen düz bir grafit levhadaki bir hücredir. Düzenli beşgenler (yedigenler), pozitif (negatif) eğriliğini elde etmeyi mümkün kılan bir grafit levhadaki yerel kusurlardır. Böylece, düzenli beş-, altı- ve yedigen kombinasyonları, üç boyutlu uzayda çeşitli karbon yüzey biçimleri elde etmeyi mümkün kılar (Şekil 8). Bu nanoyapıların geometrisi, benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklerini ve sonuç olarak, üretimleri için temelde yeni malzemelerin ve teknolojilerin var olma olasılığını belirler. Yeni karbon malzemelerinin fizikokimyasal özelliklerinin tahmini, hem kuantum modelleri yardımıyla hem de moleküler dinamik çerçevesinde hesaplamalar ile gerçekleştirilir. Tek katmanlı tüplerin yanı sıra çok katmanlı tüpler oluşturmak da mümkündür. Nanotüpleri üretmek için özel katalizörler kullanılır.
Yeni malzemeler hakkında benzersiz olan nedir? Sadece üç önemli özelliğe odaklanalım.
Süper güçlü malzemeler. Bir grafit levhadaki karbon atomları arasındaki bağlar bilinen en güçlü bağlardır, bu nedenle hatasız karbon tüpler çelikten iki kat daha güçlü ve çelikten yaklaşık dört kat daha hafiftir! Yeni karbon malzemeler alanında teknolojinin en önemli görevlerinden biri "sonsuz" uzunlukta nanotüpler yaratmaktır. Bu tür tüpler, yeni çağ teknolojisinin ihtiyaçları için nihai mukavemete sahip hafif kompozit malzemeler üretmek için kullanılabilir. Bunlar köprülerin ve binaların güç elemanları, kompakt uçakların yük taşıyan yapıları, türbin elemanları, son derece düşük özgül yakıt tüketimine sahip motor güç blokları vb. Şu anda, onlarca mikron uzunluğunda ve bir nanometre mertebesinde çapında tüpler yapmayı öğrendiler.
yüksek iletken malzemeler. Bilinen malzemeler arasında kristal grafitte tabaka düzlemi boyunca iletkenliğin en yüksek olduğu ve aksine tabakaya dik yönde düşük olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, nanotüplerden yapılan elektrik kablolarının, oda sıcaklığında bakır kablolardan iki kat daha yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olması beklenir. Yeterli uzunlukta ve miktarda tüp üretmek teknolojinin elinde,
nanokümeler
Nano nesneler seti, onlarca, yüzlerce veya binlerce atomdan oluşan ultra küçük parçacıkları içerir. Kümelerin özellikleri, aynı bileşime sahip makroskobik hacimlerdeki malzemelerin özelliklerinden temel olarak farklıdır. Büyük yapı taşlarından olduğu gibi nanokümelerden, önceden belirlenmiş özelliklere sahip yeni malzemeleri kasıtlı olarak tasarlamak ve bunları gaz karışımlarını ayırmak ve gazları depolamak için katalitik reaksiyonlarda kullanmak mümkündür. Bir örnek, Zn40(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)4'tür. Geçiş metalleri, lantinitler ve aktinitlerin atomlarından oluşan manyetik kümeler büyük ilgi görmektedir. Bu kümelerin, harici bir manyetik alan kullanarak özelliklerini kontrol etmeyi mümkün kılan kendi manyetik momentleri vardır. Bir örnek, yüksek spinli organometalik molekül Mn12O12(CH3COO)16(H20)4'tür. Bu zarif yapı, tetrahedronun köşelerinde bulunan 3/2 spinli dört Mn 4+ iyonundan ve bu tetrahedronu çevreleyen 2 spinli sekiz Mn 3+ iyondan oluşur. Manganez iyonları arasındaki etkileşim, oksijen iyonları tarafından gerçekleştirilir. Mn 4+ ve Mn 3+ iyonlarının dönüşlerinin antiferromanyetik etkileşimleri, 10'a eşit yeterince büyük bir toplam dönüşe yol açar. Asetat grupları ve su molekülleri, moleküler kristalde Mn 12 kümelerini birbirinden ayırır. Bir kristaldeki kümelerin etkileşimi son derece küçüktür. Nanomıknatıslar, kuantum bilgisayarlar için işlemci tasarımında ilgi çekicidir. Ek olarak, bu kuantum sisteminin çalışmasında, çift kararlılık ve histerezis fenomeni keşfedildi. Moleküller arasındaki mesafenin yaklaşık 10 nanometre olduğunu hesaba katarsak, böyle bir sistemdeki bellek yoğunluğu santimetre kare başına 10 gigabayt mertebesinde olabilir.
nano cihazlar
Nanotüpler, düz akustik sistemlerin ve düz ekranların, yani tanıdık makroskobik cihazların yeni tasarımlarının temelini oluşturabilir. Belirli nanocihazlar, nanomalzemelerden oluşturulabilir, örneğin nanomotorlar, nanomanipülatörler, moleküler pompalar, yüksek yoğunluklu bellek, nanorobot mekanizmalarının elemanları. Bazı nanocihazların modelleri üzerinde kısaca duralım.
Moleküler dişliler ve pompalar. Nanocihazların modelleri K.E. IMM'den Drexler ve R. Merkle (Moleküler Üretim Enstitüsü, Palo Alto). Dişli kutusundaki dişlilerin milleri karbon nanotüp, dişleri ise benzen molekülleridir. Dişlilerin karakteristik dönüş frekansları birkaç on gigahertz'dir. Cihazlar, yüksek vakumda veya oda sıcaklığında inert bir atmosferde "çalışır". İnert gazlar, cihazı "soğutmak" için kullanılır.
Bilgisayarlar için elmas bellek. Yüksek yoğunluklu bellek modeli, Ch tarafından geliştirilmiştir. Bauschlicher ve NASA'dan R. Merkle. Cihazın şeması basittir ve bir sonda ve bir elmas yüzeyden oluşur. Prob, bir C5H5N molekülünün eklendiği bir C60 yarıkürede biten bir (9, O) veya (5,5) karbon nanotüptür.Elmas yüzeyi, tek bir hidrojen atomu tabakasıyla kaplıdır. Bazı hidrojen atomları, flor atomları ile değiştirilir. Prob, bir adsorbat tek tabakasıyla kaplı bir elmas yüzey boyunca tarandığında, kuantum modellerine göre C5H5N molekülü, adsorbe edilmiş bir flor atomunu adsorbe edilmiş bir hidrojen atomundan ayırt edebilir. Yüzeyin bir santimetre karesine yaklaşık 1015 atom sığdığından, kayıt yoğunluğu santimetre kare başına 100 terabayta ulaşabilir.
Laboratuvar deney sonuçlarının ve nanocihaz modellerinin yukarıdaki örnekleri teori, hesaplamalı fizik, kimya ve matematik için yeni bir meydan okumadır. "Görüldü" ve "alındı" anlayışı gereklidir. Nanometre boyut aralığında çalışmak için sezginin geliştirilmesini gerektirir. Faust'un Wagner'e söylediği sözler bir kez daha duyulur:
"Anlamak ne demek?
Dostum soru bu.
Bu anlamda aramız pek iyi değil."
Hesaplamalı fizik ve hesaplamalı kimyanın yeni dalları
Elli yıldan daha uzun bir süre önce, atomik ve termonükleer problemler, yeni uçak yaratma problemleri ve Dünya'ya yakın uzayın keşfi, bir kez daha fiziksel ve kimyasal fenomenlerin yeni bir anlayış düzeyine ilişkin Faustvari soruyu gündeme getirdi. Bu sorunların ortaya çıkmasına ve gelişmesine yol açan başarılı çalışmalar
1) hesaplamalı fizik, özellikle aşağıdaki gibi alanlar
manyetik ve radyasyon hidro- ve aerodinamik,
uzay aracı uçuş mekaniği,
plazma ve kontrollü termonükleer füzyon teorisi;
2) gibi bölümler içeren hesaplamalı kimya
maddenin hal denklemi teorisi,
moleküler Dinamik,
kimyasal süreçler ve aparatlar teorisi;
3) hesaplamalı matematik ve bilgisayar bilimi gibi alanlarla
matematiksel fiziğin sayısal yöntemleri,
otomat teorisi,
optimum kontrol,
desen tanıma,
uzman sistemler,
otomatik tasarım.
Mekansal boyutların nanometre ölçeğinde fenomenlerin gözlemlenmesi ve incelenmesi için laboratuvar deneyinin modern olanakları ve benzersiz materyallerin ve nanocihazların yaratılması için cazip beklentiler, yeni teorik problemlere yol açar.
Taramalı tünelleme mikroskobunda gerçekte neyin "gözlemlendiğini" anlamak isterim.
Potansiyel olarak hangi yeni şeyler gözlemlenebilir ve nanosistemlerde potansiyel olarak hangi yeni şeyler elde edilebilir? Ve hangi koşullar altında?
Belirli hedeflere ulaşmak için bireysel atomlar ve atom ve molekül grupları nasıl yönetilir? Bu kontrolün sınırları nelerdir?
Nanocihazların ve benzersiz "kusursuz" malzemelerin kendi kendine montajı nasıl organize edilir?
Makro çevre, nanosistemin kuantum durumlarını ne ölçüde "daraltır"?
Bu problemlerin yapıcı bir çözümüne olan ihtiyaç, hesaplamalı fizik ve hesaplamalı kimyada yeni dallar oluşturan yoğun araştırmalara yol açar. Metroloji, mekanik, elektrodinamik, optik ve kendi kendine organizasyon teorisinde bu tür bölümleri ayırıyoruz. Bu bölümlerin her birinde, çeşitli sorunları özetliyoruz.
Metroloji
1. "Enstrüman-nanonesne" sistemlerinin bilgisayar modellerinin oluşturulması ve kalibrasyonlarının yapılması.
2. Nanometre ölçümlerinin otomasyonu ve veri bankalarının oluşturulması.
mekanik
1. Nanomalzemelerde ve nanonesnelerde mekanik gerilmeler ve gerinimlerin incelenmesi, sürtünme analizi.
2. Bir nanonesnenin hedeflenen manipülasyonu sırasında prob hareketlerinin simülasyonu.
3. Nanocihazlar için nanomekanizmalarda hareketlerin modellenmesi, nanomanipülatörlerin hesaplanması.
4. Nanorobotlar için kontrol sistemlerinin geliştirilmesi.
Elektrodinamik
1. Çok noktalı sistemler tarafından oluşturulan son derece homojen olmayan elektromanyetik alanlarda atomların ve moleküllerin dinamiklerinin simülasyonu.
2. Nanomalzemelerin elektriksel ve manyetik özelliklerinin hesaplanması.
1. Nanonesnelerde ışığın emisyon, yayılma ve absorpsiyon mekanizmalarının modellenmesi.
2. Nanolazerlerin ve hibrit sistemlerin "problar + nanolaser" hesaplanması.
kendi kendine organizasyon teorisi
1. Nanoyapıların kendiliğinden montajının temel ilkelerinin formülasyonu.
2. Bilgisayarın kendi kendine montaj algoritmalarının oluşturulması.
3. Kendinden montajlı modellerin niteliksel analizi için hesaplamalı algoritmaların geliştirilmesi.
4. Nanomalzemelerin yaratılmasında uzay-zamansal öz-örgütlenme fenomeninin simülasyonu.
Moleküler ışın epitaksisi ve nanolitografi
1. Yüksek kaliteli manyetik malzemelerin temelini oluşturan ince metal filmlerin oluşturulması.
2. Nanoelektronik ile ilgili temel unsurların tasarlanması.
3. Seçici kataliz için katalizörlerin oluşturulması.
Laboratuvar deneyi, teori ve matematiksel modelleme arasında sıkı bir dengenin sağlanması gerektiğini bir kez daha vurgulamak istiyorum. Bazen hassas bir deneyin şu anda çok pahalı olduğu ve daha ucuz matematiksel modelleme ile değiştirilebileceği ifadeleri duyulabilir. Matematiksel araştırma yöntemlerinin rolünün küçümsendiği karşıt bir konum da vardır. Uzamsal boyutların nanometre aralığındaki önemsiz olmayan fenomenlerin en basit örnekleri, radikal konumların tamamen başarısız olduğunu gösterir.
Tek metal kristallerinin yüzeyinde uzay-zaman kendi kendine örgütlenme fenomenleri
İlk bakışta en basit, ancak ortaya çıktığı gibi önemsiz olmayan sorunu düşünün. Platin film gibi yüksek kaliteli, düzgün bir metal film geliştirmek istediğimizi varsayalım. Bunu yapmak için, tek bir kristalin yoğun bir şekilde paketlenmiş ve uzamsal olarak tek biçimli bir yüzünü substrat olarak almalı ve bunun üzerine yüksek vakum koşulları altında bir Knudsen hücresinden bir atom tabakası bırakmalıdır. Atomlar hücreden dışarı uçar, homojen bir yüzey üzerinde adsorbe edilir, bunun boyunca hareket eder ve yeni bir katman oluşturur. İlk katman oluşturulduktan sonra, bir sonraki katman onun üzerinde oluşturulur ve bu böyle devam eder. İşlem, yalnızca iki harici kontrol makroparametresi tarafından belirlenir - yüzey sıcaklığı ve atomların yüzeye akışı. Sadece, yeni bir atomun karakteristik tedarik süresi boyunca, yüzey üzerinde hareket eden bir atomun büyüyen katmana entegre olması için zamana sahip olacağı şekilde, atomların sıcaklığını ve tedarik oranını seçmek gereklidir. Klasik matematiksel fizik modelleri çerçevesinde film büyümesini simüle etmekten daha kolay bir şey yok gibi görünüyor. Sadece tek bir işlemin tanımlanması gerekiyor: gelen parçacıkların yüzey difüzyonu. Bunu yapmak için, iki boyutlu bir uzamsal alanda sabit bir kaynağa sahip difüzyon denklemi kullanılabilir, bunu uygun bir sınır koşuluyla, örneğin ikinci türden homojen bir sınır koşuluyla tamamlayabilir ve hesaplamalar yapabilirsiniz. Açıkçası, yeterince hızlı bir geçişle, başlangıç koşullarından bağımsız olarak, zaman içinde monoton bir şekilde artan, yeterince yüksek bir doğrulukla uzamsal olarak homojen bir çözüm elde edilecektir. Bununla birlikte, böyle bir modelleme, yeni bir katmanın büyümesini ve onun uzamsal yapısını hiçbir şekilde tanımlamaz.
Pt/Pt(111)5 homosistemli bir taramalı tünelleme mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilen bir deney, adsorbe edilmiş platin atomlarının, tek bir platin kristalinin (111) yüzeyi üzerinde Fick yasasına uymadan hareket ettiğini göstermektedir (Şekil 9). Yüzey sıcaklığının değerlerine ve atom tedarik hızına bağlı olarak farklı uzamsal yapılara sahip yeni bir katmanın adalarını oluştururlar. Bunlar, bir fraktal ile bir fraktal yapının gevşek adaları olabilir.
Şekil 9. Nokta/Nokta (111)
Pirinç. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; c - Co 3 Yeniden
boyut 1.78 (Şekil 9a) veya düzenli üçgenler (Şekil 9b, 9d) ve altıgenler (Şekil 9c) biçiminde Platonik şekillere sahip, ayrıca kristalografik eksenlere göre eşit şekilde yönlendirilmiş kompakt adalar. Böylece, 400 K sıcaklıkta, üçgenlerin köşeleri "aşağıya" bakar (Şekil 9b). 455 K sıcaklıkta, büyüyen adacıklar düzgün altıgen şeklini alır (Şekil 9c). Daha yüksek bir sıcaklıkta, adaların düzenli üçgen şekli yeniden oluşur, ancak bu sefer tepeleri "yukarı" görünür (Şekil 9d). Üçgen adaların şekli ve yönü sabittir. Daha fazla atom arzı, büyüyen katmanın her zaman homojen olmadığı ve piramidal üç boyutlu bir yapıya sahip olduğu bir üç boyutlu büyüme rejimine yol açar.
Büyümenin özellikleriyle bağlantılı olarak en az iki temel soru ortaya çıkıyor.
En basit sistemin önemsiz olmayan dinamik davranışı teorik olarak nasıl tanımlanır?
Katmanlı büyümeyi sağlamak ve yüksek kaliteli mekansal olarak tekdüze bir katman elde etmek için sistemi kontrol etmenin yolları nelerdir?
Benzer sorular, bir metalin yüzeyinde başka bir metalden oluşan bir film büyüdüğünde heterosistemlerde de ortaya çıkar. Bu nedenle, platin üzerinde bir gümüş filmin büyütülmesi durumunda, fraktal ve dendritik yapıların adaları, Mercedes şirketinden üç ışınlı bir yıldız şeklindeki adalar ve düzensiz üçe eşlik eden diğer uzay-zamansal kendi kendine örgütlenme fenomenleri gözlemlenebilir. ince bir metal filmin boyutlu büyümesi. Bir renyum tek kristalinin homojen (0001) yüzü üzerinde kobalt film büyümesi durumunda, farklı stokiyometri ve buna bağlı olarak uzamsal yapı ile yüzey alaşımları oluşturulur: CoRe (Şekil 10a), Co 2 Re (Şekil 10b), Co 3 Re (Şekil 10c) ve önemsiz olmayan yüzey yapısı. Şek. Şekil 10'da, büyük dairelerin (renyum atomları) farklı sayıda küçük dairelerle (kobalt atomları) çevrili olduğu görülebilir. Bu alaşımlar ilginç manyetik özelliklere sahiptir.
Başka bir paradoksal fenomen üzerinde durmamak imkansızdır - büyük kompakt kümelerin anormal derecede yüksek hareketliliği. Dikkate değer bir deneysel çalışmanın yazarlarını takiben, iridyum atomlarının "sihirli" sayısından oluşan N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, .. . , örneğin, N = 19, yoğun bir şekilde paketlenmiş bir yüzün (111) yüzeyinde iridyum. Görünüşe göre, bir bütün olarak iki düzine atom içeren bir kümenin hareketliliği, tek bir atomun hareketliliğinden birçok kat daha az olmalıdır, çünkü atomların göçü rastgele bir süreç gibi görünmektedir. Deney, "doğru" kümelerin göç hızının, tek bir atomun göç hızıyla karşılaştırılabilir olduğunu buldu! Küme atomlarının toplu hareketinin bu sonucu, ayrıntılı bir teorik açıklama ve matematiksel modelleme gerektirir. Böyle bir analizin sonuçları, dinamik Monte Carlo yöntemi ve ideal olmayan bir katmanın kinetik denklemleri için göçün üstel öncesi ve etkili aktivasyon enerjilerinin hesaplanmasında büyük ilgi görmektedir. Gerçek göç hızlarını bilmek, nano ölçekli yapıların ömrünü doğru bir şekilde tahmin edebilir.
Laboratuvar deneyinin listelenen sonuçlarının matematiksel fiziğin klasik modellerinin geliştirilmesine duyulan ihtiyacı gösterdiğine okuyucuyu ikna etmeye gerek yoktur. Gerektiğinde nanonesnelerin incelenmesinde, matematiksel fizik modellerinin büyük çoğunluğunun altında yatan sürekli ortam fikrinden vazgeçilmelidir. Bir laboratuvar deneyinin sonuçlarını hesaba katmadan ataletle modelleme, kesinlikle yanlış sonuçlara yol açar. Nanonesnelerin özelliklerini hesaba katan matematiksel fizikte yeni bir modern derse duyulan ihtiyaç da açıktır. Bu derste özellikle şu hususlara dikkat edilmelidir:
Pirinç. 11. (CO + O2)/Pt(210)
ayrık matematik yöntemleri, numaralandırmalı kombinatorik, grup teorisi.
Açık ideal olmayan sistemlerin önemsiz olmayan dinamik davranışının daha karmaşık örnekleri, soy metal tek kristallerinin (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd() belirli yüzleri üzerindeki heterojen katalizin model reaksiyonları ile verilmektedir. 111), Pd(110) ) gaz fazında düşük kısmi basınçlarda. Bunlar, karbon monoksitin (CO) oksijen (O2) ile oksidasyon reaksiyonlarının yanı sıra nitrojen monoksitin (NO) hidrojen (H2), amonyak (NH3) ve karbon monoksit ile indirgenmesidir. Bu reaksiyonlar, içten yanmalı motorlardan ve termik santrallerden kaynaklanan yanma sonrası toksik emisyonların (NO, CO, vb.) Çevresel probleminde önemli bir rol oynamaktadır. Son yıllarda yapılan araştırmalar, bu sistemlerin büyüleyici nano ve mezodinamiklerini ortaya çıkardı. Adsorbat tek tabakasında üst yapıların oluşumu ile birlikte sıra-düzensizlik tipi faz geçişleri, fazlara ayrılma tipi faz geçişleri, tek kristallerin yüzlerinin yüzeyinin kendiliğinden ve adsorbat kaynaklı rekonstrüksiyonu ve korozyon katalizör bulundu. Nanometre ölçeğinde meydana gelen uzay-zamansal kendi kendine örgütlenme süreçleri, mikrometre aralığında emisyon fotoelektron mikroskobu yardımıyla gözlemlenen benzer fenomenlerle yakından ilişkilidir. Bu tür fenomenler arasında mikrometre spirali, duran ve tetikleyici dalgalar, çift metastabilite ve kimyasal türbülans bulunur. Şekil 11, emisyon fotoelektron mikroskobu yöntemiyle bir Pt(210) tek kristalinin yüzünde karbon monoksit oksidasyonunun reaksiyonunda uzay-zamansal kendi kendine örgütlenme çalışmasının sonuçlarını göstermektedir. Her çerçeve (380 x 380 mm), sabit bir yüzey sıcaklığında gaz fazındaki çeşitli CO ve oksijen kısmi basınçları için katalizör yüzeyinde adsorbe edilmiş CO moleküllerinin (açık alanlar) ve oksijen atomlarının (karanlık alanlar) uzamsal dağılımını gösterir. Fazlara ayrılma, çift metastabilite fenomeni, vb. gibi bir faz geçişinin sarmal dalgaları ve otomatik dalgaları açıkça görülebilir.
1 Bir atomun boyutu bir nanometrenin birkaç onda biri kadardır.
2 Cihazların tanımları ve çalışma prensipleri içinde yer almaktadır.
3 Bir çift doğal sayı (m, n), grafit levha düzlemindeki kiralite vektörünü belirler. Nanotüp ekseni, kiralite vektörüne diktir. Böylece, (n, n) ((n, 0)) için tüpün ekseni düzgün bir altıgenin kenarına paraleldir (diktir).
4 BDC kısaltması, benzen dikarboksil anlamına gelir ve DMF, dimetilformamid anlamına gelir.
5 Parantez içindeki sayılar, tek kristal substratın yüzünün Miller indekslerini belirtir.
Kilit teknolojiler ve malzemeler, yalnızca dar üretim işlevlerini değil, aynı zamanda sosyal işlevleri de yerine getirerek medeniyet tarihinde her zaman önemli bir rol oynamıştır. Taş ve Tunç Çağlarının, buhar ve elektrik çağının, atom enerjisinin ve bilgisayarların ne kadar farklı olduğunu hatırlamak yeterli. Pek çok uzmana göre 21. yüzyıl, çehresini belirleyecek olan nanobilim ve nanoteknolojilerin yüzyılı olacak.
Nanobilim, maddenin nanometre ölçeğindeki davranışı hakkında bir bilgi bütünü olarak ve nanoteknoloji, kesirlerden yüzlerce nanometreye kadar değişen boyutlarda (üç boyuttan en az bir veya ikisinde) nesneler yaratma ve çalıştırma sanatı olarak tanımlanabilir. .
Nanoteknolojinin ana bileşenleri, Şek. 2.1. Temel temeli, sayılabilir sayıda atomdan oluşan yapay ve doğal hacimlerin fiziği, kimyası ve moleküler biyolojisidir, yani. tüm özelliklerin boyutlarına (boyut etkileri), bir maddenin ayrık atomik-moleküler yapısına ve/veya davranışının kuantum yasalarına güçlü bir şekilde bağlı olduğu bu tür nesneler, halihazırda büyük ölçüde kendini gösterir.
Nanoteknolojinin bir diğer önemli bileşeni, önceden belirlenmiş özelliklere sahip nanoyapılı malzemeleri ve nesneleri doğada kasıtlı olarak yaratma veya bulma yeteneğidir. Nanoteknolojinin bir sonraki bileşeni
Yeni tüketici niteliklerine ve amacına sahip (süper kapasiteli bellek, ultra hızlı işlemciler, akıllı nanorobotlar, vb.) bitmiş ürünlerin, çok bileşenli ürünlerin yaratılması. Son olarak, üretim ve kullanımın tüm aşamalarında nanoürünlerin ve nanoyapılı malzemelerin kontrol edilmesi, sertifikalandırılması ve araştırılması da nanoteknolojinin gerekli bir bileşenidir.
Dünyanın tüm gelişmiş ülkelerinde nanobilim ve nanoteknoloji alanında onlarca büyük program halihazırda uygulanıyor. Nanoteknolojiler sağlık ve tıp, biyoteknoloji ve çevre koruma, savunma ve havacılık, elektronik ve bilgisayar, kimyasal ve petrokimya üretimi, enerji ve ulaşım gibi toplum için çok önemli alanlarda kullanılmaktadır. Dünyanın sanayileşmiş ülkelerinde yatırımların büyüme oranları ve nanoteknolojinin tanıtılması şu anda çok yüksek ve önümüzdeki 10-20 yıl içinde ekonomik gelişme düzeyini ve büyük ölçüde toplumdaki sosyal ilerlemeyi belirleyecek. .
Böyle bir beklenti, başta profesyonel eğitim olmak üzere tüm eğitim sistemine yeni zorluklar getirir. Nanoteknoloji, nanoyapılı malzemelerin ve bitmiş ürünlerin üretimi için temel bilgi ve yüksek teknoloji yöntemlerinin entegrasyonunu ima ettiğinden, Batı üniversitelerinde hem "saf" fizikçilerin, matematikçilerin, kimyagerlerin, hem de biyologların eğitim hacmini azaltma eğilimi olmuştur. ve geleneksel mühendisler: metalürjistler, mekanikçiler, enerji mühendisleri, teknoloji uzmanları ve fiziksel malzeme bilimi ve nanoteknoloji alanında "sentetik" uzmanlıkların payının artması.
Son birkaç yılda, dünya dergilerinde nanoproblemler üzerine yaklaşık 10 bin makale yayınlandı ve nanobilimin belirli alanlarında aylık yaklaşık bir düzine özel dergi yayınlandı.
Peki, şimdi nanoteknolojiden ne anlaşılıyor? Ondalık öneki "nano"nun kendisi bir şeyin milyarda biri anlamına gelir. Bu nedenle, tamamen biçimsel olarak, nanometre cinsinden ölçülen (1 nm = 10-9 m = 10E) karakteristik boyutları R (en az bir koordinat boyunca) olan nesneler bu aktivitenin kapsamına girer.
Gerçekte, incelenen nesnelerin ve fenomenlerin aralığı çok daha geniştir - bireysel atomlardan (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.
Nanoteknoloji çağının gelişinden önce, bir kişinin nano düzeyde nesneler ve süreçlerle karşılaşmadığını ve bunları kullanmadığını düşünmek saflık olur. Böylece tüm canlıları oluşturan makromoleküller arasındaki biyokimyasal reaksiyonlar, fotoğrafik görüntülerin elde edilmesi, kimyasal üretimde kataliz, şarap, peynir, ekmek ve diğer ürünlerin üretiminde fermantasyon süreçleri nano düzeyde gerçekleşir. Ancak kullanılan nesnelerin ve süreçlerin doğası tam olarak anlaşılmadan başlangıçta kendiliğinden gelişen "sezgisel nanoteknoloji" gelecekte güvenilir bir temel olamaz. Bu nedenle, temelde yeni teknolojik süreçler ve ürünler yaratmayı amaçlayan temel araştırmalar büyük önem taşımaktadır. Nanoteknolojilerin bazı eskimiş ve verimsiz teknolojilerin yerini alması mümkündür, ancak yine de asıl yeri, geleneksel yöntemlerle istenen sonuçlara ulaşmanın prensipte imkansız olduğu yeni alanlardadır.
Bu nedenle, sürekli ortamın iyi geliştirilmiş süreklilik teorilerinin ve mühendislik hesaplama ve tasarım yöntemlerinin işlediği makro düzey ile kuantum mekaniği yasalarına tabi olan atomik düzey arasındaki geniş ve hâlâ tam olarak anlaşılamayan boşlukta, kapsamlı bir boşluk vardır. maddenin yapısının mezo-hiyerarşik düzeyi (texos - orta, Yunanca ile orta). Bu seviyede DNA, RNA, proteinler, enzimler, hücre altı yapıların makromolekülleri arasında daha derin bir anlayış gerektiren hayati biyokimyasal süreçler gerçekleşir. Aynı zamanda, daha önce görülmemiş ürünler ve teknolojiler burada yapay olarak yaratılabilir ve tüm insan topluluğunun hayatını kökten değiştirebilir. Aynı zamanda, büyük hammadde ve enerji harcamalarının yanı sıra bunların taşınması için araçlar gerektirmeyecek, atık miktarı ve çevre kirliliği azalacak, emek daha akıllı ve sağlıklı hale gelecektir.
Ders #19
Nanoteknoloji son yıllarda fizik, kimya, biyoloji ve mühendislik bilimlerinin ön saflarında yer alan en önemli ve heyecan verici bilgi alanlarından biri haline gelmiştir. Birçok faaliyet alanında teknolojik gelişmede erken atılımlar ve yeni yönler için büyük umutlar veriyor. Bu yeni yaklaşımın geniş ölçekli kullanımını kolaylaştırmak ve hızlandırmak için, bir yandan konuyu ayrıntılı olarak kapsayacak kadar ayrıntılı ve derin olacak genel fikirlere ve bazı özel bilgilere sahip olmak önemlidir; aynı zamanda, konunun özü ve bu alandaki beklentiler hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyen çok çeşitli uzmanlar için yararlı olacak kadar erişilebilir ve eksiksiz.
Nanoteknolojiye yönelik mevcut yaygın ilgi, ABD Ulusal Bilim Vakfı ve diğer federal kurumlar tarafından finanse edilen Dünya Teknoloji Değerlendirme Merkezi'nin (WTEC) yardımıyla bir hükümet komisyonunun nanoteknoloji alanındaki dünya deneyimi üzerine bir çalışma üstlendiği 1996-1998 yıllarına dayanmaktadır. teknolojik yenilik potansiyellerini değerlendirmek için nanoteknolojiler alanında araştırma ve geliştirme. Nanoteknoloji, 100 nanometreden (bir nanometre, metrenin milyarda biridir) daha küçük parçacıkların, onlardan yapılan malzemelere yeni özellikler ve davranışlar kazandırdığı anlayışına dayanmaktadır. Bunun nedeni, karakteristik uzunluktan daha küçük nesnelerin (belirli olgunun doğasından kaynaklanmaktadır) genellikle farklı fizik ve kimya sergilemesidir, bu da parçacık boyutuna bağlı yeni bir davranış olan boyut etkilerine yol açar. Örneğin, daha az kritik parçacık boyutlarında elektronik yapı, iletkenlik, reaktivite, erime sıcaklığı ve mekanik özelliklerdeki değişiklikler gözlemlendi. Davranışın parçacık boyutlarına bağlı olması, aynı ilk atomlardan yeni özelliklere sahip materyaller tasarlamaya izin verir.
WTEC'e göre, bu teknoloji, daha güçlü ve daha hafif yapısal malzemelerin üretiminden, nanoyapılı ilaçların dolaşım sistemine teslim süresinin azaltılmasına, manyetik ortamın kapasitesini artırmaya kadar, son derece geniş ve çeşitli pratik alanlarda kullanım için büyük bir potansiyele sahiptir. ve hızlı bilgisayarlar için tetikleyiciler oluşturma. Bu ve sonraki komiteler tarafından verilen tavsiyeler, son yıllarda nanobilim ve nanoteknolojinin gelişimi için çok büyük fonların tahsis edilmesine yol açmıştır. Disiplinlerarası araştırma, nanoparçacıkların kataliz kimyasından kuantum nokta lazerlerinin fiziğine kadar çok çeşitli konuları kapsadı. Sonuç olarak, nanoteknolojinin gelişiminin en genel perspektiflerini ve sonuçlarını takdir etmek ve bu yeni heyecan verici faaliyet alanına katkıda bulunmak için, araştırmacıların periyodik olarak dar mesleki alanlarının ötesine geçmeleri gerektiği anlaşıldı. bilgi. Teknik yöneticilerin, uzmanların ve finansal kararlar verenlerin çok çeşitli disiplinleri anlaması gerekir.
Nanoteknoloji, yalnızca yüksek teknolojinin en umut verici dallarından biri olarak değil, aynı zamanda 21. yüzyıl ekonomisinde sistem oluşturan bir faktör olarak görülmeye başlandı - doğal kaynakların kullanımından ziyade bilgiye dayalı bir ekonomi. işleme. Nanoteknolojinin, ürünün içinde bulunduğu geleneksel teknolojide olduğu gibi "yukarıdan aşağıya" değil, tüm üretim faaliyetlerinin ("aşağıdan yukarıya" - tek tek atomlardan - ürüne) yeni bir paradigmasının geliştirilmesini teşvik ettiği gerçeğine ek olarak. fazla malzemeyi daha büyük boşluklardan keserek elde edilir), kendisi, post-endüstriyel bir toplumda yaşam standardını yükseltmek ve birçok sosyal sorunu çözmek için yeni yaklaşımların kaynağıdır. Bilim ve teknoloji politikası ve yatırım alanındaki uzmanların çoğuna göre, başlamış olan nanoteknoloji devrimi, insan faaliyetinin tüm yaşamsal alanlarını (uzay araştırmalarından tıbba, ulusal güvenlikten ekoloji ve tarıma) kapsayacak ve sonuçları şu şekilde olacaktır: 20. yüzyılın son üçte birinde yaşanan bilgisayar devrimlerinden daha geniş ve derin. Bütün bunlar, yalnızca bilimsel ve teknik alanda değil, aynı zamanda çeşitli düzeylerdeki yöneticiler, potansiyel yatırımcılar, eğitim sektörü ve devlet organları önünde de görevler ve sorular ortaya çıkarıyor. yönetim vb.
Son yıllarda, nanomalzemeler ve nanoteknolojinin teorisi, özellikleri ve pratik uygulamalarına yönelik yeterli sayıda yayın yapılmıştır. Özellikle, bu konu Ch. Pool ve Jr.F.'nin kitabında geniş bir şekilde sunulmaktadır. Owens, Nanoteknoloji, çev. İngilizce'den, 2., gözden geçirilmiş baskı, ed. "Teknosfer", M., 2006, 335s. Yazarlar, bu kitabın başlangıçta nanoteknolojiye bir giriş olarak planlanmış olmasına rağmen, bu bilimin doğası gereği, nanoteknolojinin, görünüşe göre tipik temsilcileri olan belirli alanlarına bir giriş haline geldiğini belirtiyorlar. Yüksek gelişim hızı ve disiplinler arası doğası nedeniyle, konunun gerçekten kapsamlı bir sunumunu yapmak imkansızdır. Sunulan konular, konunun derinlemesine anlaşılmasına, teknolojideki potansiyel veya mevcut uygulamalarının hacmine göre seçildi. Pek çok bölüm mevcut ve gelecekteki fırsatları tartışıyor. Bu teknolojinin geliştirilmekte olduğu belirli alanlar hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyenler için literatüre referanslar verilmektedir.
Yazarlar, nanoteknoloji konusuna, çeşitli alanlardaki araştırmacıların mesleki ilgi alanları dışında alanın gelişimini takdir edebilecekleri ve teknik liderler ve yöneticilerin konu hakkında genel bir bakış elde edebilecekleri düzeyde yazılmış bir giriş sağlamaya çalışmışlardır. Belki de bu kitap, nanoteknoloji üzerine bir üniversite dersi için temel olarak kullanılabilir. Pek çok bölüm, tartışılan alanların altında yatan fiziksel ve kimyasal ilkelere giriş sağlar. Bu nedenle birçok bölüm kendi kendine yeterlidir ve birbirinden bağımsız olarak çalışılabilir. Bu nedenle, Bölüm 2, yapısal birimlerinin boyutu nanometreye yaklaştıkça malzemelerin özelliklerinin nasıl ve neden değiştiğini anlamak için gerekli olan, dökme malzemelerin özelliklerine kısa bir genel bakışla başlar. Nanoteknolojinin bu kadar hızlı gelişmesi için önemli bir teşvik, malzemelerin yüzeyinde nanometre boyutundaki özellikleri görmeyi mümkün kılan yeni araçların (tarama tünelleme mikroskobu gibi) yaratılmasıydı. Bu nedenle, Bölüm 3 en önemli enstrümantal sistemleri tanımlar ve nanomalzemelerdeki ölçümlerin örneklerini sunar. Geri kalan bölümler, sorunun diğer yönleriyle ilgilidir. Kitap çok geniş bir sorun ve konu yelpazesini kapsar: nanobilim ve teknoloji nesnelerinin boyutu ve boyutuyla ilgili etkiler, nanoyapılı malzemelerin manyetik, elektriksel ve optik özellikleri, bunların hazırlanma ve çalışma yöntemleri, nanoyapılarda kendi kendine birleştirme ve kataliz, nanobiyoteknoloji, entegre nanoelektromekanik cihazlar, fulleritler, nanotüpler ve çok daha fazlası. Nanoyapıların ve nanonesnelerin bir dizi modern araştırma ve sertifikalandırma yöntemi açıklanmaktadır: elektron ve iyon alan mikroskobu, optik, X-ışını ve manyetik spektroskopi.
Aynı zamanda, tek tek bölümlerin yapısındaki ve içeriğindeki boşluklar da açıktır. Bu nedenle, nanoelektronik, spintronik, kuantum hesaplama ve bilgisayarlarla ilgili yeni fikirler hakkında bilgi neredeyse tamamen yok. Çoğunun adı bile geçmiyor. Araştırma, sertifikalandırma, litografi ve atomik ve moleküler tasarımın son derece güçlü ve yaygın prob tarama yöntemlerine kesinlikle yetersiz ilgi gösterildi. Bu konulara ayrılan küçücük bir paragraf, prob nanoteknolojinin rolü ve yeri ile tamamen orantısızdır. Zayıf süper iletkenliğe ve buna dayalı çok umut verici cihazlara çok mütevazı bir yer verilir. Modern düzlemsel elektronikte, süper sert ve aşınmaya dayanıklı kaplamalarda vb. önemli bir rol oynayan filmler ve heteroyapılar idareli bir şekilde sunulmuştur.
Ayrıca, nanoteknolojinin nesnelerinin ve süreçlerinin herhangi bir sistematikleştirilmesinin hiçbir yerde verilmediğini, bunun sonucunda deneyimsiz bir okuyucunun bu kitabı okuduktan sonra konunun hangi bölümünü tanıyabileceğinin belirsizliğini koruduğunu da not ediyoruz.
Yukarıda belirtilen eksikliklere rağmen, genel olarak kitap, fiziksel, kimyasal ve malzeme bilimi uzmanlık öğrencileri de dahil olmak üzere geniş bir okuyucu kitlesi için yararlı kabul edilebilir. İkincisi, Rusça'da nanoteknoloji üzerine eğitim literatürü neredeyse tamamen bulunmadığından ve 2003 yılında 12 Rus üniversitesinde başlayan nanomalzemeler ve nanoelektronik uzmanların eğitimi nedeniyle buna olan ihtiyaç çok daha alakalı olduğu için daha önemlidir.
Yazarların tüm fikirleri ve yorumları koşulsuz olarak kabul edilemez. Ancak, çok sayıda yorum, ekleme ve eleştiriyle metni karıştırmamak için çeviri ve redaksiyon sırasında sadece bariz hatalar, tutarsızlıklar ve yazım hataları giderilmiştir.
Kitabın yazılması ve Rusça olarak yeniden basılması sırasında, bazıları aşağıda listelenen birçok faydalı kitap yayınlandı. Onlara göre, ilgilenen okuyucu, bireysel bölümleri ve bir bütün olarak nanoteknolojinin panoramasını daha derinlemesine tanıyabilir.
Nanomalzemeler geleneksel olarak geometrik boyutları en az bir boyutta 100 nm'yi geçmeyen ve niteliksel olarak yeni fonksiyonel ve operasyonel özelliklere sahip yapısal elemanlar (taneler, kristalitler, bloklar, kümeler ve diğerleri) içeren dağınık ve masif malzemeleri içerir. Nanoteknolojiler, nanomateryalleri kontrollü bir şekilde yaratma ve değiştirme ve ayrıca bunları tamamen işleyen büyük ölçekli sistemlere entegre etme yeteneği sağlayan teknolojileri içerir. Nanomalzemeler ve nanoteknoloji biliminin ana bileşenleri arasında aşağıdakiler ayırt edilebilir:
malzemelerin özelliklerinin nano ölçekte temel çalışmaları;
nanomalzemelerin amaca yönelik olarak yaratılması için nanoteknolojilerin geliştirilmesi ve ayrıca nanoyapısal elemanlarla doğal nesnelerin aranması ve kullanılması, nanomalzemeler kullanılarak bitmiş ürünlerin oluşturulması ve nanomalzemelerin ve nanoteknolojilerin çeşitli endüstrilere ve bilimlere entegrasyonu;
nanomalzemelerin yapısını ve özelliklerini incelemek için araç ve yöntemlerin yanı sıra nanoteknolojiler için ürünleri ve yarı mamul ürünleri izleme ve sertifikalandırma yöntemlerinin geliştirilmesi.
21. yüzyıla, nanoteknolojilerin ve nanomalzemelerin geliştirilmesinde devrim niteliğinde bir başlangıç damgasını vurdu. İnsan faaliyetinin en önemli alanlarında (sanayi, savunma, bilgi alanı, radyo elektroniği, enerji, ulaşım, biyoteknoloji, tıp) dünyanın tüm gelişmiş ülkelerinde halihazırda kullanılmaktadırlar. Yatırımlardaki büyümenin, bu konudaki yayınların sayısının ve temel ve arama geliştirmelerinin uygulama hızının analizi, önümüzdeki 20 yılda nanoteknolojilerin ve nanomalzemelerin kullanımının belirleyici faktörlerden biri olacağı sonucuna varmamızı sağlar. devletlerin bilimsel, ekonomik ve savunma gelişimi. Şu anda, hem temel hem de uygulamalı bilimlerin yanı sıra endüstri ve ticaret alanında yeni bir malzeme sınıfına olan ilgi sürekli artmaktadır. Bu, aşağıdaki nedenlerden kaynaklanmaktadır:
Ürünlerin minyatürleştirilmesi için çaba sarf etmek,
nanoyapılı durumdaki malzemelerin benzersiz özellikleri,
Niteliksel ve niceliksel olarak yeni özelliklere sahip materyaller geliştirme ve uygulama ihtiyacı,
kendi kendine montaj ve kendi kendini örgütleme ilkelerine dayanan yeni teknolojik yöntemlerin ve yöntemlerin geliştirilmesi,
nanomalzemelerin araştırılması, teşhis edilmesi ve değiştirilmesi için modern araçların pratik uygulaması (tarama sondası mikroskobu),
bir dizi litografi işlemi olan yeni teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanması, nanotoz elde etmek için teknolojiler.
Nanoyapısal araştırmanın yönü, neredeyse tamamen nanokristalin maddeler ve materyaller elde etmek ve incelemekten nanoteknoloji alanına, yani nano boyutlu elemanlarla ürün, cihaz ve sistemlerin oluşturulmasına kaymıştır. Nano ölçekli elementlerin ana uygulama alanları elektronik, tıp, kimyasal ilaçlar ve biyolojidir.
Rusya Devlet Başkanı Dmitry Medvedev, ülkenin nanoteknolojinin başarılı gelişimi için tüm koşullara sahip olduğundan emin.
Nanoteknoloji, son yıllarda aktif olarak gelişen yeni bir bilim ve teknoloji alanıdır. Nanoteknolojiler, işleyişi nano yapı, yani boyutları 1 ila 100 nanometre arasında değişen sıralı parçaları tarafından belirlenen malzemelerin, cihazların ve teknik sistemlerin oluşturulmasını ve kullanılmasını içerir.
Yunancadan (Yunanca "nanos" - cüce) gelen "nano" ön eki, milyarda bir kısım anlamına gelir. Bir nanometre (nm), metrenin milyarda biridir.
"Nanoteknoloji" (nanoteknoloji) terimi, 1974 yılında Tokyo Üniversitesi'nden profesör-malzeme bilimcisi Norio Taniguchi (Norio Taniguchi) tarafından "ultra yüksek hassasiyet ve ultra küçük boyutlar elde etmeyi sağlayan üretim teknolojisi" olarak tanımlandı. .. 1 nm mertebesinde ..." .
Nanobilim, dünya literatüründe nanoteknolojiden açıkça ayrılmaktadır. Nano ölçekli bilim terimi aynı zamanda nanobilim için de kullanılmaktadır.
Rusça'da ve Rus yasa ve düzenlemelerinin uygulamasında "nanoteknolojiler" terimi, "nanobilim", "nanoteknolojiler" ve hatta bazen "nanoendüstri"yi (nanoteknolojilerin kullanıldığı iş ve üretim alanları) birleştirir.
Nanoteknolojinin en önemli bileşeni, nanomalzemeler yani, olağandışı işlevsel özellikleri, boyutları 1 ila 100 nm arasında değişen nanofragmanlarının sıralı yapısı tarafından belirlenen malzemelerdir.
- nano gözenekli yapılar;
- nanoparçacıklar;
- nanotüpler ve nanolifler
- nanodağılımlar (kolloidler);
- nanoyapılı yüzeyler ve filmler;
- nanokristaller ve nanokümeler.
Nanosistem teknolojisi- tamamen veya kısmen nanomalzemeler ve nanoteknolojiler temelinde oluşturulmuş, işlevsel olarak eksiksiz sistemler ve cihazlar, özellikleri temelde benzer bir amaca sahip sistem ve cihazlardan farklı olan, geleneksel teknolojiler kullanılarak yaratılmıştır.
Nanoteknoloji uygulamaları
Bu küresel teknolojinin teknolojik ilerlemeyi önemli ölçüde etkileyebileceği tüm alanları listelemek neredeyse imkansızdır. Bunlardan sadece birkaçını sayabiliriz:
- nanoelektronik ve nanofotonik unsurları (yarı iletken transistörler ve lazerler;
- fotodedektörler; Güneş hücreleri; çeşitli sensörler)
- ultra yoğun bilgi kaydı için cihazlar;
- telekomünikasyon, bilgi ve bilgisayar teknolojileri; süper bilgisayarlar;
- video ekipmanı - düz ekranlar, monitörler, video projektörleri;
- moleküler düzeyde anahtarlar ve elektronik devreler dahil olmak üzere moleküler elektronik cihazlar;
- nanolitografi ve nanobaskılama;
- yakıt hücreleri ve enerji depolama cihazları;
- moleküler motorlar ve nanomotorlar, nanorobotlar dahil olmak üzere mikro ve nanomekanik cihazlar;
- yanma kontrolü, kaplama, elektrokimya ve farmasötikler dahil olmak üzere nanokimya ve kataliz;
- havacılık, uzay ve savunma uygulamaları;
- ortamın durumunu izlemek için cihazlar;
- ilaçların ve proteinlerin, biyopolimerlerin ve biyolojik dokuların iyileştirilmesinin, klinik ve tıbbi teşhisin, yapay kasların, kemiklerin yaratılması, canlı organların implantasyonu;
- biyomekanik; genomik; biyoinformatik; biyoenstrümantasyon;
- kanserojen dokuların, patojenlerin ve biyolojik olarak zararlı ajanların kaydı ve tanımlanması;
- tarım ve gıda üretiminde güvenlik.
Bilgisayarlar ve mikroelektronik
nanobilgisayar- birkaç nanometre mertebesindeki mantıksal öğelerin boyutuna sahip elektronik (mekanik, biyokimyasal, kuantum) teknolojilere dayalı bir bilgi işlem cihazı. Nanoteknoloji temelinde geliştirilen bilgisayarın kendisi de mikroskobik boyutlara sahiptir.
DNA bilgisayarı- DNA moleküllerinin hesaplama yeteneklerini kullanan bir hesaplama sistemi. Biyomoleküler hesaplama, bir şekilde DNA veya RNA ile ilgili çeşitli tekniklerin ortak adıdır. DNA hesaplamasında, veriler sıfırlar ve birler şeklinde değil, DNA sarmalı temelinde inşa edilmiş bir moleküler yapı şeklinde temsil edilir. Verileri okumak, kopyalamak ve yönetmek için yazılımın rolü özel enzimler tarafından gerçekleştirilir.
atomik kuvvet mikroskobu- konsol iğnesinin (prob) incelenen numunenin yüzeyi ile etkileşimine dayanan yüksek çözünürlüklü taramalı prob mikroskobu. Taramalı tünelleme mikroskobundan (STM) farklı olarak, hem iletken hem de iletken olmayan yüzeyleri sıvı bir tabaka aracılığıyla bile inceleyebilir, bu da organik moleküllerle (DNA) çalışmayı mümkün kılar. Bir atomik kuvvet mikroskobunun uzamsal çözünürlüğü, konsolun boyutuna ve ucunun eğriliğine bağlıdır. Çözünürlük atomik yatay olarak ulaşır ve dikey olarak onu önemli ölçüde aşar.
anten osilatörü- 9 Şubat 2005 tarihinde Boston Üniversitesi'nin laboratuvarına yaklaşık 1 mikron büyüklüğünde bir osilatör anteni teslim alındı. Bu cihaz 5.000 milyon atoma sahiptir ve 1.49 gigahertz frekansında salınım yapabilir, bu da onunla büyük miktarda bilgi aktarmanıza izin verir.
Nanotıp ve ilaç endüstrisi
İnsan biyolojik sistemlerini nanomoleküler düzeyde izlemek, tasarlamak ve değiştirmek için nanomalzemelerin ve nanonesnelerin benzersiz özelliklerinin kullanımına dayanan modern tıpta bir yön.
DNA nanoteknolojileri- temellerinde açıkça tanımlanmış yapılar oluşturmak için DNA moleküllerinin ve nükleik asitlerin spesifik bazlarını kullanın.
İlaç moleküllerinin ve iyi tanımlanmış bir şekle (bis-peptitler) sahip farmakolojik müstahzarların endüstriyel sentezi.
2000 yılının başında, nano boyutlu parçacıklar üretme teknolojisindeki hızlı ilerleme sayesinde, yeni bir nanoteknoloji alanının gelişimine ivme kazandırıldı - nanoplazmonik. Elektromanyetik radyasyonu, plazmon salınımlarının uyarılmasıyla bir metal nanoparçacık zinciri boyunca iletmenin mümkün olduğu ortaya çıktı.
Robotik
Nanobotlar- nanomalzemelerden yaratılan ve boyut olarak bir molekülle karşılaştırılabilir, hareket işlevleri, bilgilerin işlenmesi ve iletilmesi, programların yürütülmesi ile robotlar. Kendi kopyalarını oluşturabilen nanorobotlar, ör. kendini yeniden üretenlere eşleyiciler denir.
Şu anda, nanorobotların prototipleri olarak kabul edilebilecek sınırlı hareket kabiliyetine sahip elektromekanik nanocihazlar zaten yaratılmıştır.
moleküler rotorlar- Yeterli enerji uygulandığında tork üretebilen sentetik nano ölçekli motorlar.
Nanoteknoloji geliştiren ve üreten ülkeler arasında Rusya'nın yeri
Nanoteknoloji alanındaki toplam yatırım açısından dünya liderleri AB ülkeleri, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri'dir. Son dönemde Rusya, Çin, Brezilya ve Hindistan bu sektöre olan yatırımlarını önemli ölçüde artırdı. Rusya'da, "2008-2010 için Rusya Federasyonu'nda nanoendüstri altyapısının geliştirilmesi" programı çerçevesinde finansman miktarı 27,7 milyar ruble olacak.
Londra merkezli araştırma şirketi Cientifica'nın "Nanoteknoloji Görünüm Raporu" adlı en son (2008) raporu, Rus yatırımları hakkında kelimesi kelimesine şunları söylüyor: "Yatırım açısından AB hala birinci sırada yer alsa da, Çin ve Rusya çoktan birinciliği geçti. Amerika Birleşik Devletleri."
Nanoteknolojide, Rus bilim adamlarının yeni bilimsel eğilimlerin gelişiminin temelini oluşturan sonuçlar elde ederek dünyada ilk oldukları alanlar var.
Bunların arasında ultra ince nanomalzemelerin üretimi, tek elektronlu cihazların tasarımı, ayrıca atomik kuvvet ve taramalı prob mikroskobu alanındaki çalışmalar yer alıyor. Sadece XII St. Petersburg Ekonomik Forumu (2008) çerçevesinde düzenlenen özel bir sergide, aynı anda 80 özel gelişme sunuldu.
Rusya zaten piyasada talep gören bir dizi nano ürün üretiyor: nanomembranlar, nanotozlar, nanotüpler. Ancak uzmanlara göre Rusya, nanoteknolojik gelişmelerin ticarileştirilmesinde ABD ve diğer gelişmiş ülkelerin on yıl gerisinde.
Materyal, açık kaynaklardan alınan bilgilere dayanarak hazırlanmıştır.
