Г. Г. Єленін
Коротка довідка про автора: професор факультету обчислювальної математики та кібернетики Московського державного університету ім. М.В.Ломоносова, провідний науковий співробітник Інституту прикладної математики ім. М.В.Келдиша РАН.
Якщо вже сталевий кубик або кристал солі, складений з однакових атомів, може виявляти цікаві властивості; якщо вода - прості крапельки, що не відрізняються один від одного і покривають миля за миль поверхню Землі, - здатна породжувати хвилі та піну, грім прибою та дивні візерунки на граніті набережної; якщо все це, все багатство життя вод - лише властивість згустків атомів, то скільки ж ще в них приховано можливостей? Якщо замість того, щоб вибудовувати атоми по ранжиру, стрій за строєм, колону за колоною, навіть замість того, щоб споруджувати з них хитромудрі молекули запаху фіалок, якщо замість цього розташовувати їх щоразу по-новому, урізноманітнюючи їх мозаїку, не повторюючи того, що було, - уявляєте, скільки незвичайного, несподіваного може виникнути у тому поведінці.
Р. П. Фейнман
Предмет, цілі та основні напрямки в нанотехнології
Згідно з Енциклопедичним словником, технологією називається сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану, властивостей, форми сировини, матеріалу або напівфабрикату, що здійснюються в процесі виробництва продукції.
Особливість нанотехнології полягає в тому, що аналізовані процеси і дії, що здійснюються, відбуваються в нанометровому діапазоні просторових розмірів 1 . "Сировиною" є окремі атоми, молекули, молекулярні системи, а не звичні в традиційній технології мікронні або макроскопічні обсяги матеріалу, що містять, принаймні, мільярди атомів та молекул. На відміну від традиційної технології для нанотехнології характерний "індивідуальний" підхід, при якому зовнішнє управління досягає окремих атомів та молекул, що дозволяє створювати з них як "бездефектні" матеріали з принципово новими фізико-хімічними та біологічними властивостями, так і нові класи пристроїв із характерними нанометровими розмірами. Поняття "нанотехнологія" ще не встоялося. Очевидно, можна дотримуватися наступного робочого визначення.
Нанотехнологією називається міждисциплінарна сфера науки, в якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів у просторових областях нанометрових розмірів з метою управління окремими атомами, молекулами, молекулярними системами при створенні нових молекул, наноструктур, наноустрій та матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними та біологічними властивостями.
Аналіз поточного стану бурхливо розвивається дозволяє виділити в ній ряд найважливіших напрямків.
Молекулярний дизайн. Препарування наявних молекул та синтез нових молекул у сильно неоднорідних електромагнітних полях.
Матеріалознавство. Створення "бездефектних" високоміцних матеріалів, матеріалів із високою провідністю.
Приладобудування. Створення скануючих тунельних мікроскопів, атомно-силових мікроскопів 2 магнітних силових мікроскопів, багатогострійних систем для молекулярного дизайну, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів.
Електроніка Конструювання нанометрової елементної бази для ЕОМ наступного покоління, нанопроводів, транзисторів, випрямлячів, моніторів, акустичних систем.
Оптика. Створення нанолазерів. Синтез багатогострих систем з нанолазерами.
Гетерогенний каталіз. Розробка каталізаторів із наноструктурами для класів реакцій селективного каталізу.
Медицина. Проектування наноінструментарію для знищення вірусів, локального "ремонту" органів, високоточної доставки доз ліків у певні місця живого організму.
Трибологія. Визначення зв'язку наноструктури матеріалів та сил тертя та використання цих знань для виготовлення перспективних пар тертя.
Керовані ядерні реакції. Наноприскорювачі частинок, нестатистичні ядерні реакції.
Скануюча тунельна мікроскопія
Значну роль у нестримному дослідженні наноміру відіграли принаймні дві події:
Створення скануючого тунельного мікроскопа (G. Ben-nig, G. Rohrer, 1982) і скануючого атомно-силового мікроскопа (G. Bennig, К. Kuatt, К. Gerber, 1986) (Нобелівська премія 1992);
Відкриття нової форми існування вуглецю в природі - фулеренів (Н. Kroto, J. Health, S. O"Brien, R. Curl, R. Smal-ley, 1985 р.) (Нобелівська премія 1996 р.).
Нові мікроскопи дозволили спостерігати атомно-молекулярну структуру поверхні монокристалів у нанометровому діапазоні розмірів. Найкращий просторовий дозвіл приладів становить соту частку нанометра нормалі до поверхні. Дія скануючого тунельного мікроскопа ґрунтується на тунелюванні електронів через вакуумний бар'єр. Висока роздільна здатність обумовлена тим, що тунельний струм змінюється на три порядки при зміні ширини бар'єру на розміри атома. Теорія квантового ефекту тунелювання закладена Г.А. Гамовим в 1928 р. у роботах з a-розпаду.
За допомогою різних мікроскопів, що сканують, в даний час спостерігають за атомною структурою поверхонь монокристалів металів, напівпровідників, високотемпературних надпровідників, органічних молекул, біологічних об'єктів. На рис. 1 показана реконструйована поверхня нижньої тераси грані (100) монокристалу кремнію. Сірі кружки є образами атомів кремнію. Темні області є локальними дефектами нанометрових. На рис. 2 наведено атомну структуру чистої поверхні грані (110) срібла (ліва рамка) і тієї ж поверхні, покритої атомами кисню (права рамка) . Виявилося, що кисень адсорбується не хаотично, а утворює досить довгі ланцюжки вздовж певного кристалографічного спрямування. Наявність здвоєних та одинарних ланцюжків свідчить про дві форми кисню.
Ці форми відіграють важливу роль у селективному окисненні вуглеводнів, наприклад, етилену. На рис. 3 можна бачити наноструктуру високотемпературного надпровідника Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . У лівій рамці рис. 4 чітко видно кільця молекул бензолу (С6Н6). У правій рамці показані СН 2 -ланцюжки поліетилену. У роботі представлено послідовність кадрів лабораторного фільму про проникнення вірусу в живу клітину.
Нові мікроскопи корисні як щодо атомно-молекулярной структури речовини. Вони виявились придатними для конструювання наноструктур. З допомогою певних рухів вістрям мікроскопа вдається створювати атомні структури. На рис. 5 представлені етапи створення напису "IBM" з окремих атомів ксенону на межі (110) монокристалу нікелю. Рухи вістря під час створення наноструктур з окремих атомів нагадують прийоми хокеїста під час просування шайби ключкою. Цікавим є створення комп'ютерних алгоритмів, що встановлюють нетривіальний зв'язок між рухами вістря та переміщеннями атомів, що маніпулюються, на основі відповідних математичних моделей. Моделі та алгоритми необхідні для розробки автоматичних "збирачів" наноконструкцій.
Мал. 4: а - З 6 Н 6; b - СН 2 -СН 2
Мал. 5. Xe/Ni (110)
Наноматеріали
Фулерени, як нова форма існування вуглецю в природі поряд з давно відомими алмазом і графітом, були відкриті в 1985 р. при спробах астрофізиків пояснити спектри міжзоряного пилу. Виявилося, що атоми вуглецю можуть утворити високосиметричну молекулу 60 . Така молекула складається з 60 атомів вуглецю, розташованих на сфері з діаметром приблизно один нанометр і нагадує футбольний м'яч (рис. 6). Відповідно до теореми Л. Ейлера, атоми вуглецю утворюють 12 правильних п'ятикутників та 20 правильних шестикутників. Молекула названа на честь архітектора Р. Фуллера, який побудував будинок із п'ятикутників та шестикутників. Спочатку С 60 отримували в невеликих кількостях, а потім, в 1990 р., було відкрито технологію їхнього великомасштабного виробництва.
Фулерити. Молекули С60, у свою чергу, можуть утворити кристал фуллерит з гранецентрованими кубічними гратами і досить слабкими міжмолекулярними зв'язками. У цьому кристалі є октаедричні та тетраедричні порожнини, в яких можуть знаходитися сторонні атоми. Якщо октаедричні порожнини заповнені іонами лужних металів ( = К (калій), Rb (рубідій), Cs (цезій)), то при температурах нижче кімнатної структура цих речовин перебудовується і утворюється новий полімерний матеріал 1С60. Якщо заповнити також і тетраедричні порожнини, то утворюється надпровідний матеріал ЗС60 з критичною температурою 20-40 К. Вивчення надпровідних фулеритів проводиться, зокрема, в Інституті ім. Макса Планка у Штутгарті. Існують фулерит і з іншими присадками, що дають матеріалу унікальні властивості. Наприклад, С60-етилен має феромагнітні властивості. Висока активність у новій галузі хімії призвела до того, що вже до 1997 р. налічувалося понад 9000 фулеренових сполук.
Вуглецеві нанотрубки. З вуглецю можна отримати молекули з гігантським числом атомів. Така молекула, наприклад С=1000000, може бути одношаровою трубкою з діаметром близько нанометра і завдовжки кілька десятків мікрон (рис. 7). На поверхні трубки атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників. Кінці трубки закриті шістьма правильними п'ятикутниками. Слід зазначити роль числа сторін правильних багатокутників у формуванні двомірних поверхонь, що складаються з
Мал. 7. Нехіральні нанотрубки: а - С(n", n) - метал;
Ь-С(n, 0): mod (n, 3) = 0 - напівметал
mod (n, 3)! = 0 - напівпровідник.
Мал. 8. Вигнута трубка
атомів вуглецю, у тривимірному просторі. Правильні шестикутники є осередком у плоскому графітовому листі, який можна згорнути до трубок різної хіральності (m, n) 3 . Правильні п'ятикутники (семикутники) є локальними дефектами в графітовому листі, що дозволяють отримати його позитивну (негативну) кривизну. Таким чином, комбінації правильних п'яти-, шести- та семикутників дозволяють отримувати різноманітні форми вуглецевих поверхонь у тривимірному просторі (рис. 8). Геометрія цих наноконструкцій визначає їх унікальні фізичні та хімічні властивості і, отже, можливість існування нових матеріалів і технологій їх виробництва. Пророцтво фізико-хімічних властивостей нових вуглецевих матеріалів здійснюється як за допомогою квантових моделей, так і розрахунків у рамках молекулярної динаміки. Поряд з одношаровими трубками є можливість створювати і багатошарові трубки. Для виробництва нанотрубок використовуються спеціальні каталізатори.
У чому унікальність нових матеріалів? Зупинимося лише з трьох важливих властивостях.
Надміцні матеріали. Зв'язки між атомами вуглецю в графітовому листі є найсильнішими серед відомих, тому бездефектні вуглецеві трубки на два порядки міцніші за сталі і приблизно в чотири рази легші за неї! Одне з найважливіших завдань технології в галузі нових вуглецевих матеріалів полягає у створенні нанотрубок "нескінченної" довжини. З таких трубок можна виготовляти легкі композитні матеріали граничної міцності потреб техніки нового століття. Це силові елементи мостів та будов, що несуть конструкції компактних літальних апаратів, елементи турбін, силові блоки двигунів із гранично малим питомим споживанням палива тощо. В даний час навчилися виготовляти трубки завдовжки десятки мікрон при діаметрі порядку одного нанометра.
Високопровідні матеріали. Відомо, що в кристалічному графіті провідність вздовж площини шару найбільш висока серед відомих матеріалів і, навпаки, в напрямку перпендикулярному листу, мала. Тому очікується, що електричні кабелі, виготовлені з нанотрубок, при кімнатній температурі матимуть електропровідність на два порядки вище, ніж мідні кабелі. Справа за технологією, що дозволяє виробляти трубки достатньої довжини та в достатній кількості,
Нанокластери
До багатьох нанооб'єктів відносяться надмалі частинки, що складаються з десятків, сотень або тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально відрізняються від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів того самого складу. З нанокластерів, як із великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали із заздалегідь заданими властивостями та використовувати їх у каталітичних реакціях, для поділу газових сумішей та зберігання газів. Одним із прикладів є Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4 . Великий інтерес представляють магнітні кластери, які з атомів перехідних металів, лантиноїдів, актиноїдів. Ці кластери мають власний магнітний момент, що дозволяє керувати їх властивостями за допомогою зовнішнього магнітного поля. Прикладом є високоспинова металоорганічна молекула Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Ця витончена конструкція складається з чотирьох іонів Мn 4+ зі спином 3/2, розташованих у вершинах тетраедра, восьми іонів Мn 3+ зі спином 2, що оточують цей тетраедр. Взаємодія між іонами марганцю здійснюється іонами кисню. Антиферомагнітні взаємодії спинів іонів Мn 4+ і Мn 3+ призводять до повного досить великого спину, що дорівнює 10. Ацетатні групи та молекули води відокремлюють кластери Мn 12 один від одного в молекулярному кристалі. Взаємодія кластерів у кристалі надзвичайно мала. Наномагніти становлять інтерес при проектуванні процесорів для квантових комп'ютерів. Крім того, при дослідженні цієї квантової системи виявлено явища бістабільності та гістерезису. Якщо врахувати, що відстань між молекулами становить близько 10 нанометрів, то щільність пам'яті в такій системі може бути 10 гігабайт на квадратний сантиметр.
Наноустрою
Нанотрубки можуть становити основу нових конструкцій плоских акустичних систем та плоских дисплеїв, тобто звичних макроскопічних приладів. З наноматеріалів можуть бути створені певні наноустрою, наприклад нанодвигуни, наноманіпулятори, молекулярні насоси, високощільна пам'ять, елементи механізмів нанороботів. Стисло зупинимося на моделях деяких наноустроїв.
Молекулярні шестерні та насоси. Моделі наноустроїв запропоновані К.Є. Drexler і R. Merkle з IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Валами шестерень у коробці є вуглецеві нанотрубки, а зубцями служать молекули бензолу. Характерні частоти обертання шестерень складають кілька десятків гігагерц. Пристрої працюють або в глибокому вакуумі, або в інертному середовищі при кімнатній температурі. Інертні гази використовуються для "охолодження" пристрою.
Діамантова пам'ять для комп'ютерів. Модель високощільної пам'яті розроблена Ch. Bauschlicher та R. Merkle з NASA. Схема пристрою проста і складається із зонда та алмазної поверхні. Зонд являє собою вуглецеву нанотрубку (9, Про) або (5, 5), що закінчується напівсферою 60 , до якої кріпиться молекула C 5 H 5 N. Алмазна поверхня покривається моношаром атомів водню. Деякі атоми водню замінюються атомами фтору. При скануванні зонда вздовж алмазної поверхні, покритої моношаром адсорбату, молекулу C 5 H 5 N, згідно з квантовими моделями, здатна відрізнити адсорбований атом фтору від адсорбованого атома водню. Оскільки на одному квадратному сантиметрі поверхні міститься близько 1015 атомів, то щільність запису може досягати 100 терабайт на квадратний сантиметр.
Наведені вище приклади результатів лабораторного експерименту та моделей наноустроїв є новим викликом теорії, обчислювальної фізики, хімії та математики. Потрібно осмислення "побаченого" та "отриманого". Потрібно вироблення інтуїції до роботи в нанометровому діапазоні розмірів. У черговий раз чути репліку Фауста Вагнеру:
"Що означає розуміти?"
Ось, друже мій, у чому питання.
Щодо цього у нас не все гаразд".
Нові розділи обчислювальної фізики та обчислювальної хімії
Понад п'ятдесят років тому атомна і термоядерна проблеми, проблеми створення нових літальних апаратів і освоєння навколоземного простору в черговий раз поставили фаустовський питання про новий рівень розуміння фізичних і хімічних явищ. Успішна робота над цими проблемами призвела до виникнення та розвитку
1) обчислювальної фізики, зокрема таких її напрямів, як
магнітна та радіаційна гідро- та аеродинаміка,
механіка польоту космічних апаратів,
теорія плазми та керованого термоядерного синтезу;
2) обчислювальної хімії з такими розділами, як
теорія рівняння стану речовини,
молекулярна динаміка,
теорія хімічних процесів та апаратів;
3) обчислювальної математики та інформатики з такими напрямками, як
чисельні методи математичної фізики,
теорія автоматів,
оптимальне керування,
розпізнавання образів,
експертні системи,
автоматичне проектування.
Сучасні можливості лабораторного експерименту зі спостереження та вивчення явищ у нанометровій шкалі просторових розмірів та привабливі перспективи створення унікальних матеріалів та наноустроїв породжують нові теоретичні проблеми.
Хотілося б зрозуміти, що насправді "спостерігається" при скануючій тунельній мікроскопії?
Що нового можна потенційно спостерігати та що нового можна потенційно отримувати в наносистемах? І за яких умов?
Як управляти окремими атомами та групами атомів та молекул для досягнення певних цілей? Які межі цього управління?
Як організувати самоскладання наноустроїв та унікальних "бездефектних" матеріалів?
Якою мірою макрооточення "стисняє" квантові стани наносистеми?
Необхідність конструктивного вирішення цих проблем веде до інтенсивних досліджень, що формують нові розділи у обчислювальній фізиці та обчислювальній хімії. Виділимо такі розділи у метрології, механіці, електродинаміці, оптиці, теорії самоорганізації. У кожному із цих розділів позначимо кілька проблем.
Метрологія
1. Створення комп'ютерних моделей систем "прилад-нанооб'єкт" та їх калібрування.
2. Автоматизація нанометрових вимірів та створення банків даних.
Механіка
1. Дослідження механічних напруг та деформацій у наноматеріалах та нанооб'єктах, аналіз тертя.
2. Моделювання рухів зонда при цільовому маніпулюванні нанооб'єктом.
3. Моделювання рухів у наномеханізмах для наноустроїв, розрахунок наноманіпуляторів.
4. Розробка систем керування нанороботами.
Електродинаміка
1. Моделювання динаміки атомів і молекул у гранично неоднорідних електромагнітних полях, що створюються багатогострими системами.
2. Розрахунок електричних та магнітних властивостей наноматеріалів.
1. Моделювання механізмів випромінювання, поширення та поглинання світла в нанооб'єктах.
2. Розрахунок нанолазерів та гібридних систем "зонди + нанолазер".
Теорія самоорганізації
1. Формулювання фундаментальних принципів самоскладання наноконструкцій.
2. Створення комп'ютерних алгоритмів самоскладання.
3. Розробка обчислювальних алгоритмів для якісного аналізу моделей самоскладання.
4. Моделювання явищ просторово-часової самоорганізації під час створення наноматеріалів.
Молекулярно-променева епітаксия та нанолітографія
1. Створення тонких металевих плівок, що є основою високоякісних магнітних матеріалів.
2. Конструювання базових елементів наноелектроніки.
3. Створення каталізаторів для селективного каталізу.
Хотілося б ще раз наголосити на необхідності дотримання суворого балансу між лабораторним експериментом, теорією та математичним моделюванням. Іноді можна почути висловлювання у тому, що прецизійний експеримент нині дуже дорогий і його можна замінити дешевшим математичним моделюванням. Існує і протилежна позиція, за якої принижується роль математичних методів дослідження. Найпростіші приклади нетривіальних явищ нанометровому діапазоні просторових розмірів демонструють повну неспроможність радикальних позицій.
Явлення просторово-часової самоорганізації на поверхні монокристалів металів
Розглянемо, з першого погляду найпростіше, але, як виявиться, нетривіальне завдання. Припустимо, що ми хотіли б виростити якісну, однорідну металеву плівку, наприклад плівку платини. Для цього слід взяти щільно упаковану і просторово однорідну грань монокристалу як підкладку і напилити на неї шар атомів із кнудсенівського осередку в умовах глибокого вакууму. Атоми вилітають із комірки, адсорбуються на однорідній поверхні, мігрують уздовж неї та утворюють новий шар. Як перший шар сформувався, на ньому утворюється наступний шар, і так далі. Процес визначається всього двома зовнішніми керуючими макропараметрами - температурою поверхні та потоком атомів до поверхні. Треба вибрати лише температуру і швидкість подачі атомів таким чином, щоб за характерний час подачі нового атома атом, що мігрує по поверхні, встиг вбудуватися в шар, що росте. Здається, нічого простіше, ніж моделювати зростання плівки у межах моделей класичної математичної фізики. Потрібно описати лише один процес: поверхневу дифузію частинок, що приходять. Для цього можна скористатися рівнянням дифузії з постійним джерелом у двовимірній просторовій області, доповнити його відповідною граничною умовою, наприклад, однорідною граничною умовою другого роду, і провести розрахунки. Очевидно, що при досить швидкій міграції, незалежно від початкових умов, з досить високою точністю вийде просторово однорідне рішення, що монотонно зростає за часом. Однак таке моделювання зовсім не описує зростання нового шару і його просторову структуру.
Експеримент, виконаний за допомогою скануючого тунельного мікроскопа з гомосистемою Pt/Pt(111) 5 показує (рис. 9), що адсорбовані атоми платини мігрують по поверхні грані (111) монокристалу платини, не підкоряючись закону Фіка. Вони утворюють острови нового шару з різною просторовою структурою залежно від значень температури поверхні та швидкості подачі атомів. Це можуть бути пухкі острови фрактальної структури з фрактальної
Рис.9. Pt/Pt (111)
Мал. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; з - Co 3 Re
розмірністю 1.78 (рис. 9a), або компактні острови з платоновими формами у вигляді правильних трикутників (рис. 9b, 9d) та шестикутників (рис. 9с), причому однаково орієнтованих щодо кристалографічних осей. Так, за температури 400 К вершини трикутників дивляться " вниз " (рис. 9Ь). При температурі 455 К острови, що ростуть, набувають форми правильних шестикутників (рис. 9с). За більш високої температури знову утворюється правильна трикутна форма островів, але цього разу їх вершини дивляться "вгору" (рис. 9d). Форма та орієнтація трикутних островів є стійкими. Подальша подача атомів призводить до режиму тривимірного зростання, в результаті якого шар завжди не однорідний і має пірамідальну тривимірну структуру.
У зв'язку з особливостями зростання виникають принаймні два фундаментальні питання.
Як теоретично описати нетривіальну динамічну поведінку найпростішої системи?
Які способи управління системою для забезпечення пошарового зростання та отримання високоякісного просторово однорідного шару?
Аналогічні питання виникають і в гетеросистемах, коли на поверхні металу вирощують плівку іншого металу. Так, у разі вирощування плівки срібла на платині можна спостерігати острови фрактальної та дендритної структур, острови у вигляді трипроменевої зірки фірми "Мерседес" та інші явища просторово-часової самоорганізації, що супроводжують нерівномірне тривимірне зростання тонкої плівки металу. У разі зростання плівки кобальту на однорідній грані (0001) монокристала ренію утворюються поверхневі сплави з різною стехіометрією і відповідно до просторової структури: CoRe (рис. 10a), Co 2 Re (рис. 10Ь), Co 3 Re (рис. 10с) і нетривіальної поверхневою структурою. На ілюстраціях на рис. 10 видно, що великі кола (атоми ренію) оточені різним числом маленьких кіл (атоми кобальту). Ці сплави мають цікаві магнітні властивості.
Не можна не зупинитися ще на одному парадоксальному явищі – аномально високій рухливості великих компактних кластерів. Після авторами чудової експериментальної роботи розглянемо компактний кластер правильної форми, що з " магічного " числа атомів іридію N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, ... , наприкладN = 19, лежить на поверхні щільно упакованої грані (111) іридію. Здавалося б, рухливість кластера, що містить два десятки атомів, як цілого, повинна бути на багато порядків менше рухливості одиночного атома, оскільки міграція атомів є випадковим процесом. В експерименті встановлено, що швидкість міграції "правильних" кластерів можна порівняти зі швидкістю міграції одиночного атома! Це наслідок колективного руху атомів кластера вимагає детального теоретичного опису та математичного моделювання. Результати такого аналізу становлять значний інтерес при обчисленні передекспонентів та ефективних енергій активації міграції для динамічного методу Монте-Карло та для кінетичних рівнянь неідеального шару. Знаючи реальні швидкості міграції, можна правильно оцінити життя наномерових конструкцій.
Не потрібно переконувати читача у цьому, що перелічені результати лабораторного експерименту демонструють необхідність розвитку класичних моделей математичної фізики. При дослідженні нанооб'єктів там, де це потрібно, слід відмовитися від ідеї безперервного середовища, що лежить в основі переважної більшості моделей математичної фізики. Моделювання за інерцією, не враховуючи результатів лабораторного експерименту, призводить до абсолютно неправильних результатів. Також очевидна потреба у новому сучасному курсі математичної фізики, що враховує особливості нанооб'єктів. У цьому курсі, зокрема, слід приділити увагу
Мал. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
методів дискретної математики, перечислювальної комбінаторики, теорії груп
Більш складні приклади нетривіальної динамічної поведінки відкритих неідеальних систем дають модельні реакції гетерогенного каталізу на певних гранях монокристалів шляхетних металів (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) при низьких парціальних тисках у газовій фазі. Це реакції окислення монооксиду вуглецю (СО) киснем (Про 2), а також редукція монооксиду азоту (NO) воднем (Н 2), аміаком (NH 3) та монооксидом вуглецю. Перелічені реакції відіграють істотну роль в екологічній проблемі допалювання отруйних викидів (NO, CO та ін) двигунів внутрішнього згоряння та теплових електростанцій. Дослідження, виконані останніми роками, відкрили чудову нано- та мезодинаміку цих систем. Виявлено фазові переходи типу порядок-безлад, що супроводжуються утворенням надструктур у моношарі адсорбату, фазові переходи типу розшарування на фази, спонтанна та індукована адсорбатом реконструкція поверхні граней монокристалів, корозія каталізатора. Процеси просторово-часової самоорганізації, що протікають у нанометровій шкалі розмірів, тісно пов'язані з аналогічними явищами, що спостерігаються за допомогою емісійної фотоелектронної мікроскопії в мікрометровому діапазоні. До таких явищ відносяться мікрометрові спіральні, стоячі та тригерні 0олни, подвійна метастабільність, хімічна турбулентність. На рис, 11 представлені результати дослідження просторово-часової самоорганізації реакції окислення монооксиду вуглецю на межі монокристалу Pt(210) методом емісійної фотоелектронної мікроскопії . У кожній рамці (380 х 380мm) показано просторовий розподіл адсорбованих молекул СО (світлі області) та атомів кисню (темні області) на поверхні каталізатора для різних значень парціальних тисків СО та кисню в газовій фазі при постійній температурі поверхні. Виразно видно спіральні хвилі та автохвилі фазового переходу типу розшарування на фази, явища подвійної метастабільності тощо.
1 Розмір атома становить кілька десятих нанометрів.
2 Опис приладів та принципів їхньої дії міститься в .
3 Пара натуральних чисел (m, n) визначає вектор хіральності у площині графітового листа. Вісь нанотрубки перпендикулярна вектору хіральності. Так, при (n, n) ((n, 0)) вісь трубки паралельна (перпендикулярна) стороні правильного шестикутника.
4 Абревіатура BDC позначає бензолдикарбоксил, a DMF - диметилформамід.
5 Цифри в дужках позначають індекси Міллера грані монокристалічної підкладки.
Ключові технології та матеріали завжди грали велику роль в історії цивілізації, виконуючи не лише вузьковиробничі функції, а й соціальні. Досить, як сильно відрізнялися кам'яний і бронзовий вік, століття пара і електрики, атомної енергії та комп'ютерів. На думку багатьох експертів, XXI століття буде віком нанонауки та нанотехнологій, які й визначать його особу.
Нанонауку можна визначити як сукупність знань про особливості поведінки речовини в нанометровому масштабі розмірів, а нанотехнології - як мистецтво створювати та оперувати об'єктами з розмірами в діапазоні від часток до сотень нанометрів (хоч би в одному або двох із трьох вимірів).
Основні компоненти нанотехнології представлені на рис. 2.1. Її важливим фундаментом є фізика, хімія та молекулярна біологія штучних та природних обсягів, що складаються з лічильного числа атомів, тобто. таких об'єктів, у яких вже значною мірою проявляйся сильна залежність усіх властивостей від їх розмірів (розмірні ефекти), дискретна атомно-молекулярна структура речовини та/або квантові закономірності її поведінки.
Інший найважливішою складовою нанотехнології є вміння цілеспрямовано створювати або знаходити в природі наноструктуровані матеріали та об'єкти з наперед заданими властивостями. Наступна складова нанотехнології
Створення готових продуктів, багатокомпонентних виробів з новими споживчими якостями та призначенням (надйомна пам'ять, надшвидкісні процесори, інтелектуальні нанороботи та ін.). Нарешті, засоби контролю, атестації та дослідження нановиробів та наноструктурованих матеріалів на всіх стадіях виготовлення та використання – також необхідна компонента нанотехнології.
Вже зараз у галузі нанонауки та нанотехнології реалізуються десятки великих програм у всіх розвинених країнах світу. Нанотехнології використовуються в таких значущих для суспільства сферах як охорона здоров'я та медицина, біотехнології та охорона навколишнього середовища, оборона та космонавтика, електроніка та обчислювальна техніка, хімічне та нафтохімічне виробництво, енергетика та транспорт. Темпи зростання інвестицій та впровадження нанотехнології в індустріально розвинених країнах світу зараз дуже високі, і в найближчі 10 – 20 років вона визначатиме рівень економічного розвитку та значною мірою – соціальний прогрес у суспільстві.
Така перспектива ставить нові завдання і всій системі освіти, насамперед – професійної. Оскільки нанотехнологія передбачає інтеграцію фундаментальних знань та високотехнологічних способів виробництва наноструктурованих матеріалів та готових виробів, у західних університетах намітилася тенденція скорочення обсягів підготовки як «чистих» фізиків, математиків, хіміків, біологів, так і інженерів традиційних напрямів: металургів, механіків, енергетиків, технологів, та збільшення частки «синтетичних» спеціальностей у галузі фізичного матеріалознавства та нанотехнології.
За останні кілька років у світовій періодиці опубліковано близько 10 тис. статей з нанопроблематики та почало видаватися близько десятка щомісячних спеціалізованих журналів з окремих напрямків нанонауки.
Отже, що зараз розуміють під нанотехнологіями? Сама десяткова приставка «нано» означає одну мільярдну частину чогось. Таким чином, суто формально у сферу цієї діяльності потрапляють об'єкти з характерними розмірами R (хоч би вздовж однієї координати), що вимірюються нанометрами (1 нм = 10-9 м = 10Е).
Реально діапазон об'єктів і явищ, що розглядаються, набагато ширший - від окремих атомів (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.
Наївно було б думати, що до настання ери нанотехнології людина не стикалася і не використовувала об'єктів та процесів на нанорівні. Так, біохімічні реакції між макромолекулами, з яких складається все живе, одержання фотографічних зображень, каталіз у хімічному виробництві, бродильні процеси при виготовленні вина, сиру, хліба та інші відбуваються на нанорівні. Проте «інтуїтивна нанотехнологія», що спочатку розвинулася стихійно, без належного розуміння природи об'єктів і процесів, що використовуються, не може бути надійною основою в майбутньому. Тому першочергового значення мають фундаментальні дослідження, створені задля створення принципово нових технологічних процесів і товарів. Можливо, нанотехнології зможуть замінити деяку частину морально застарілих та неефективних технологій, але все-таки її головне місце – у нових галузях, у яких традиційними методами в принципі неможливо досягти необхідних результатів.
Таким чином, у величезному і поки що слабко освоєному зазорі між макрорівнем, де діють добре розроблені континуальні теорії суцільних середовищ та інженерні методи розрахунку та конструювання, і атомарним, підпорядкованим законам квантової механіки, знаходиться мезоієрархічний рівень структури матерії (техоs - середній, проміжний). грецької). На цьому рівні протікають життєво важливі біохімічні процеси між макромолекулами ДНК, РНК, білків, ферментів, субклітинних структур, що потребують глибшого розуміння. Водночас тут можуть бути штучно створені небачені раніше продукти та технології, здатні радикально змінити життя всього людського співтовариства. При цьому не знадобляться великих витрат сировини та енергії, як і засобів для їх транспортування, зменшиться кількість відходів та забруднення навколишнього середовища, праця стане більш інтелектуальною та здоровою.
Лекція №19
Нанотехнологія останніми роками стала однією з найважливіших та захоплюючих областей знань на передньому краї фізики, хімії, біології, технічних наук. Вона подає великі надії на швидкі прориви та нові напрями у технологічному розвитку у багатьох сферах діяльності. Для полегшення та прискорення широкомасштабного використання цього нового підходу важливо мати загальні уявлення та деякі конкретні знання, які з одного боку були б досить докладними та глибокими для ґрунтовного охоплення теми, і водночас досить доступними та закінченими, щоб бути корисними широкому колу фахівців, охочих більше дізнатися про суть питання та перспективи в цій галузі.
Поточний широкий інтерес до нанотехнології сягає 1996 - 1998 років, коли урядова комісія за сприяння Центру Оцінки Світових Технологій (World Тесhno1оgу Еvaluation Сепtег) (WТЕС), що фінансується Національним Фондом Науки США та іншими федеральними агентствами, зробила дослідження нанотехнології з метою оцінки їхнього технологічного інноваційного потенціалу. Нанотехнологія базується на розумінні того, що частинки розміром менше 100 нанометрів (нанометр це одна мільярдна частка метра) надають зробленим із них матеріалам нові властивості та поведінку. Це відбувається внаслідок того, що об'єкти з розмірами менш характерної довжини (яка обумовлена природою конкретного явища) часто демонструють іншу фізику та хімію, що призводить до так званих розмірних ефектів – нової поведінки, яка залежить від розміру частинок. Так, наприклад, спостерігалися зміни електронної структури, провідності, реакційної здатності, температури плавлення та механічних характеристик при розмірах менш критичних частинок. Залежність поведінки від розмірів частинок дозволяє конструювати матеріали з новими властивостями тих самих вихідних атомів.
За висновком WTЕС ця технологія має величезний потенціал для використання у надзвичайно великій та різноманітній множині практичних областей - від виробництва більш міцних та легких конструкційних матеріалів до зменшення часу доставки наноструктурованих ліків до кровоносної системи, збільшення ємності магнітних носіїв та створення тригерів для швидких комп'ютерів. Рекомендації, дані цим і наступними комітетами, призвели до асигнування дуже великих коштів на розвиток нанонауки та нанотехнології в останні роки. Міждисциплінарні дослідження охопили широке коло тем – від хімії каталізу наночастинками до фізики лазерів на квантових точках. В результаті для того, щоб оцінити найбільш загальні перспективи та наслідки розвитку нанотехнології та зробити свій внесок на цьому новому захоплюючому полі діяльності було усвідомлено, що дослідникам необхідно періодично виходити за межі їхньої вузькопрофесійної галузі знань. Технічні менеджери, експерти та ті, хто ухвалюють фінансові рішення, повинні розбиратися в дуже широкому колі дисциплін.
Нанотехнологія почала розглядатися не тільки як одна з найбільш перспективних гілок високої технології, але і як системоутворюючий фактор економіки 21-го століття - економіки, заснованої на знаннях, а не використання природних ресурсів або їх переробки. Крім того, що нанотехнологія стимулює розвиток нової парадигми всієї виробничої діяльності («знизу-вгору» - від окремих атомів – до виробу, а не «сверх-вниз», як у радіційній технології, в яких виріб отримують шляхом відсікання зайвого матеріалу від більш масивної заготівлі), вона сама є джерелом нових підходів до підвищення рівня життя та вирішення багатьох соціальних проблем у постіндустріальному суспільстві. На думку більшості експертів у галузі науково-технічної політики та інвестування коштів, що розпочалася нанотехнологічна революція охопить усі життєво важливі сфери діяльності людини (від освоєння космосу – до медицини, від національної безпеки – до екології та сільського господарства), а її наслідки будуть ширші та глибші , ніж комп'ютерні революції останньої третини 20 століття. Усе це стоїть завдання та питання у науково-технічної сфері, а й перед адміністраторами різного рівня, потенційними інвесторами, сферою освіти, органами держ. управління і т.д.
В останні роки з'являються достатня кількість публікацій, присвячених питанням теорії, властивостям та практичному застосуванню наноматеріалів та нанотехнології. Зокрема, широко представлена ця тема у книзі авторів Ч. Пула та мл.Ф. Оуенса "Нанотехнології", пров. з англ., 2-ге, доповнене видання, вид. "Техносфера", М., 2006р., 335с. Автори відзначають, що хоча ця книга спочатку планувалася як введення в нанотехнологію, через саму природу цієї науки вона перетворилася на введення в окремі галузі нанотехнології, які, мабуть, є її типовими представниками. Через високу швидкість розвитку та міждисциплінарної природи неможливо дати справді всеосяжний виклад предмета. Представлені теми відбиралися з досягнутої глибини розуміння питання, обсягу їх потенційних чи вже існуючих застосувань у техніці. У багатьох розділах обговорюються нинішні та майбутні можливості. Для тих, хто бажає дізнатися більше про конкретні галузі, в яких розвивається ця технологія, дано посилання на літературу.
Автори спробували дати запровадження предмет нанотехнології, написаний такому рівні, щоб дослідники у різних галузях змогли оцінити розвиток області поза межами їхніх професійних інтересів, а технічні керівники та менеджери - отримати огляд предмета. Можливо, цю книгу можна використовувати як основу для курсу університету з нанотехнології. Багато глав містять введення у фізичні та хімічні принципи, що лежать в основі областей, що обговорюються. Таким чином, багато глав самодостатні і можуть вивчатися незалежно один від одного. Так, глава 2 починається з короткого огляду властивостей об'ємних матеріалів, необхідного розуміння того, як і чому змінюються властивості матеріалів при наближенні розмірів їх структурних одиниць до нанометру. Важливим стимулом настільки швидкого розвитку нанотехнології стало створення нових інструментів (таких як скануючий тунельний мікроскоп), які дозволили побачити особливості нанометрових розмірів на поверхні матеріалів. Тому в розділі 3 описані найважливіші інструментальні системи та надано ілюстрації вимірювань у наноматеріалах. Інші глави розглядають інші аспекти проблеми. У книзі охоплено дуже широке коло проблем і тем: ефекти, пов'язані з розмірами та розмірністю об'єктів нанонауки та технології, магнітні, електричні та оптичні властивості наноструктурованих матеріалів, методи їх отримання та дослідження, самозбирання та каталіз у наноструктурах, нанобіотехнологія, інтегровані наноелектромеханічні пристрої, фуллерити , нанотрубки та багато іншого. Описано ряд сучасних методів дослідження та атестації наноструктур та нанооб'єктів: електронна та іонно-польова мікроскопія, оптична, рентгенівська та магнітна спектроскопія.
Водночас очевидні й прогалини у структурі та змісті окремих розділів. Так, майже повністю відсутні відомості про наноелектроніку, спінтронік, нові ідеї щодо квантових обчислень і комп'ютерів. Про більшість із них немає навіть згадки. Цілком недостатньо приділено увагу надзвичайно потужним та поширеним зондовим скануючим методам дослідження, атестації, літографії та атомно-молекулярного дизайну. Крихітний параграф, присвячений цим питанням, зовсім не пропорційний ролі та місцю зондової нанотехнології. Дуже скромне місце відведено слабкій надпровідності та дуже перспективним пристроям на її основі. Скупо представлені плівки і гетероструктури, що відіграють важливу роль у сучасній планарній електроніці, надтверді та зносостійкі покриття та ін. ня, наноскрабування і т.п.).
Зазначимо також, що ніде не наводиться систематизація об'єктів та процесів нанотехнології, внаслідок чого недосвідченому читачеві залишається незрозумілим, з якою ж частиною предмета йому вдасться познайомитись, прочитавши цю книгу.
Незважаючи на зазначені вище недоліки, загалом книгу можна визнати корисною для широкого кола читачів, включаючи студентів фізичних, хімічних та матеріалознавчих спеціальностей. Останнє тим більше актуально, що навчальна література з нанотехнології російською мовою практично повністю відсутня, а потреба в ній - велика у зв'язку з підготовкою фахівців з наноматеріалів і наноелектроніки в 12 російських ВНЗ, що почалася з 2003 року.
Не з усіма уявленнями та інтерпретаціями авторів можна погодитись беззастережно. Однак, щоб не захаращувати текст великою кількістю коментарів, доповнень та критичних зауважень, при перекладі та редагуванні усунуто лише очевидні помилки, невідповідності та помилки.
За час написання книги та її перевидання російською мовою вийшло багато корисних книг, частина з яких перерахована нижче. За ними зацікавлений читач може ознайомитися з окремими розділами та панорамою нанотехнології загалом глибше.
До наноматеріалів умовно відносять дисперсні та масивні матеріали, що містять структурні елементи (зерна, кристаліти, блоки, кластери та інші), геометричні розміри яких хоча б в одному вимірі не перевищують 100 нм, що володіють якісно новими функціональними та експлуатаційними характеристиками. До нанотехнологій можна віднести технології, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати та модифікувати наноматеріали, а також здійснювати їх інтеграцію у повноцінно функціонуючі системи більшого масштабу. Серед основних складових науки про наноматеріали та нанотехнології можна виділити такі:
фундаментальні дослідження властивостей матеріалів на наномасштабному рівні;
розвиток нанотехнологій для цілеспрямованого створення наноматеріалів, а також пошуку та використання природних об'єктів з наноструктурними елементами, створення готових виробів з використанням наноматеріалів та інтеграція наноматеріалів та нанотехнологій у різні галузі промисловості та науки;
розвиток засобів та методів дослідження структури та властивостей наноматеріалів, а також методів контролю та атестації виробів та напівфабрикатів для нанотехнологій.
XXI століття ознаменувалося революційним початком розвитку нанотехнологій та наноматеріалів. Вони вже використовуються у всіх розвинених країнах світу у найбільш значущих галузях людської діяльності (промисловості, обороні, інформаційній сфері, радіоелектроніці, енергетиці, транспорті, біотехнології, медицині). Аналіз зростання інвестицій, кількості публікацій з даної тематики та темпів впровадження фундаментальних та пошукових розробок дозволяє зробити висновок про те, що у найближчі 20 років використання нанотехнологій та наноматеріалів буде одним із визначальних факторів наукового, економічного та оборонного розвитку держав. В даний час інтерес до нового класу матеріалів в галузі як фундаментальної та прикладної науки, так промисловості та бізнесу постійно збільшується. Це зумовлено такими причинами:
прагненням до мініатюризації виробів,
унікальними властивостями матеріалів у наноструктурному стані,
необхідністю розробки та впровадження матеріалів з якісно та кількісно новими властивостями,
розвитком нових технологічних прийомів та методів, що базуються на принципах самоскладання та самоорганізації,
практичним впровадженням сучасних приладів дослідження, діагностики та модифікації наноматеріалів (сканувальна зондова мікроскопія),
розвитком та впровадженням нових технологій, що є послідовністю процесів літографії, технологій отримання нанопорошків.
Напрямок наноструктурних досліджень вже майже повністю змістився від отримання та вивчення нанокристалічних речовин і матеріалів в область нанотехнології, тобто створення виробів, пристроїв та систем з нанорозмірними елементами. Основні сфери застосування нанорозмірних елементів - це електроніка, медицина, хімічна фармацевтика та біологія.
Президент Росії Дмитро Медведєв упевнений, що у країні є всі умови для успішного розвитку нанотехнологій.
Нанотехнології - це новий напрямок науки і технології, що активно розвивається в останні десятиліття. Нанотехнології включають створення та використання матеріалів, пристроїв та технічних систем, функціонування яких визначається наноструктурою, тобто її впорядкованими фрагментами розміром від 1 до 100 нанометрів.
Приставка "нано", що прийшла з грецької мови ("нанос" по-грецьки - гном), означає одну мільярдну частку. Один нанометр (нм) – одна мільярдна частка метра.
Термін "нанотехнологія" (nanotechnology) був запроваджений у 1974 році професором-матеріалознавцем з Токійського університету Норіо Танігучі (Norio Taniguchi), який визначив його як "технологія виробництва, що дозволяє досягати надвисокої точності та ультрамалі розміри...порядку 1 нм..." .
У світовій літературі чітко відрізняють нанонауку (nanoscience) від нанотехнологій (nanotechnology). Для нанонауки використовується також термін - nanoscale science (нанорозмірна наука).
Російською мовою та в практиці російського законодавства та нормативних документів термін "нанотехнології" поєднує "нанонауку", "нанотехнології", і іноді навіть "наноіндустрію" (напрями бізнесу та виробництва, де використовуються нанотехнології).
Найважливішою складовою нанотехнології є наноматеріалитобто матеріали, незвичайні функціональні властивості яких визначаються впорядкованою структурою їх нанофрагментів розміром від 1 до 100 нм.
‑ нанопористі структури;
‑ наночастки;
‑ нанотрубки та нановолокна
‑ нанодисперсії (колоїди);
‑ наноструктуровані поверхні та плівки;
‑ нанокристали та нанокластери.
Наносистемна техніка‑ повністю або частково створені на основі наноматеріалів та нанотехнологій функціонально закінчені системи та пристрої, характеристики яких кардинально відрізняються від показників систем та пристроїв аналогічного призначення, створених за традиційними технологіями.
Області застосування нанотехнологій
Перелічити всі галузі, у яких ця глобальна технологія може суттєво вплинути на технічний прогрес, практично неможливо. Можна назвати лише деякі з них:
‑ елементи наноелектроніки та нанофотоніки (напівпровідникові транзистори та лазери;
‑ фотодетектори; Сонячні елементи; різні сенсори);
‑ пристрої надщільного запису інформації;
‑ телекомунікаційні, інформаційні та обчислювальні технології; суперкомп'ютери;
‑ відеотехніка — плоскі екрани, монітори, відеопроектори;
‑ молекулярні електронні пристрої, у тому числі перемикачі та електронні схеми на молекулярному рівні;
‑ нанолітографія та наноімпринтінг;
‑ паливні елементи та пристрої зберігання енергії;
- пристрої мікро-і наномеханіки, у тому числі молекулярні мотори та наномотори, нанороботи;
‑ нанохімія та каталіз, у тому числі управління горінням, нанесення покриттів, електрохімія та фармацевтика;
‑ авіаційні, космічні та оборонні програми;
‑ устрою контролю стану навколишнього середовища;
‑ цільова доставка ліків та протеїнів, біополімери та загоєння біологічних тканин, клінічна та медична діагностика, створення штучних м'язів, кісток, імплантація живих органів;
- Біомеханіка; геноміка; біоінформатика; біоінструментарій;
‑ реєстрація та ідентифікація канцерогенних тканин, патогенів та біологічно шкідливих агентів;
‑ безпека у сільському господарстві та при виробництві харчових продуктів.
Комп'ютери та мікроелектроніка
Нанокомп'ютер- Обчислювальний пристрій на основі електронних (механічних, біохімічних, квантових) технологій з розмірами логічних елементів близько кількох нанометрів. Сам комп'ютер, який розробляється на основі нанотехнологій, також має мікроскопічні розміри.
ДНК-комп'ютер- Обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливості молекул ДНК. Біомолекулярні обчислення - це збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних із ДНК або РНК. При ДНК-обчислення дані подаються над формі нулів і одиниць, а вигляді молекулярної структури, побудованої з урахуванням спіралі ДНК. Роль програмного забезпечення для читання, копіювання та управління даними виконують спеціальні ферменти.
Атомно-силовий мікроскоп- скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності, заснований на взаємодії голки кантилевера (зонда) з поверхнею досліджуваного зразка. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) може досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні навіть через шар рідини, що дозволяє працювати з органічними молекулами (ДНК). Просторова роздільна здатність атомно-силового мікроскопа залежить від розміру кантилевера і кривизни його вістря. Роздільна здатність досягає атомарного по горизонталі і істотно перевищує його по вертикалі.
Антена-осцилятор- 9 лютого 2005 року в лабораторії Бостонського університету була отримана антена-осцилятор розмірами близько 1 мкм. Цей пристрій налічує 5000 мільйонів атомів і здатний осцилювати із частотою 1,49 гігагерц, що дозволяє передавати за її допомогою величезні обсяги інформації.
Наномедицина та фармацевтична промисловість
Напрямок у сучасній медицині заснований на використанні унікальних властивостей наноматеріалів та нанооб'єктів для відстеження, конструювання та зміни біологічних систем людини на наномолекулярному рівні.
ДНК-нанотехнології‑ використовують специфічні основи молекул ДНК та нуклеїнових кислот для створення на їх основі чітко заданих структур.
Промисловий синтез молекул ліків та фармакологічних препаратів чітко визначеної форми (біс-пептиди).
На початку 2000-го року, завдяки швидкому прогресу в технології виготовлення частинок нанорозмірів, було дано поштовх до розвитку нової галузі нанотехнології. наноплазмоніці. Виявилося можливим передавати електромагнітне випромінювання вздовж ланцюжка металевих наночастинок за допомогою збудження плазмових коливань.
Робототехніка
Нанороботи- Роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівняні з молекулою, що володіють функціями руху, обробки та передачі інформації, виконання програм. Нанороботи, здатні до створення власних копій, тобто. самовідтворення, називаються реплікаторами.
В даний час вже створені електромеханічні наноустрою, які обмежено здатні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботів.
Молекулярні ротори- синтетичні нанорозмірні двигуни, здатні генерувати крутний момент при додатку до них достатньої кількості енергії.
Місце Росії серед країн, що розробляють та виробляють нанотехнології.
Світовими лідерами із загального обсягу капіталовкладень у сфері нанотехнологій є країни ЄС, Японія та США. Останнім часом значно збільшили інвестиції у цю галузь Росія, Китай, Бразилія та Індія. У Росії обсяг фінансування в рамках програми "Розвиток інфраструктури наноіндустрії в Російській Федерації на 2008-2010 роки" складе 27,7 млрд.руб.
В останньому (2008 рік) звіті лондонської дослідницької фірми Cientifica, який називається "Звіт про перспективи нанотехнологій", про російські вкладення написано дослівно таке: "Хоча ЄС за рівнем вкладень все ще посідає перше місце, Китай та Росія вже випередили США".
У нанотехнологіях існують такі галузі, де російські вчені стали першими у світі, отримавши результати, що започаткували розвиток нових наукових течій.
Серед них можна виділити отримання ультрадисперсних наноматеріалів, проектування одноелектронних приладів, а також роботи в галузі атомно-силової та скануючої зондової мікроскопії. Тільки на спеціальній виставці, що проводилася в рамках XII Петербурзького економічного форуму (2008), було представлено відразу 80 конкретних розробок.
У Росії її вже виробляється низку нанопродуктів, затребуваних над ринком: наномембрани, нанопорошки, нанотрубки. Однак, на думку експертів, з комерціалізації нанотехнологічних розробок Росія відстає від США та інших розвинених країн на десять років.
Матеріал підготовлений на основі інформації відкритих джерел
