G. G. Yelenin
Muallif haqida qisqacha ma’lumot: Lomonosov nomidagi Moskva davlat universitetining hisoblash matematikasi va kibernetika fakulteti professori. M.V.Lomonosov, Amaliy matematika instituti yetakchi ilmiy xodimi. M.V.Keldish RAS.
Agar bir xil atomlardan tashkil topgan po'lat kub yoki tuz kristali qiziqarli xususiyatlarni namoyon qilishi mumkin bo'lsa; agar suv - bir-biridan farq qilib bo'lmaydigan va Yer yuzasini milya va milya masofada qoplagan oddiy tomchilar - to'lqinlar va ko'piklarni, serfing momaqaldiroqlarini va qirg'oq granitida g'alati naqshlarni yaratishga qodir bo'lsa; agar bularning barchasi, suvlar hayotining barcha boyliklari shunchaki atomlar to'dalarining mulki bo'lsa, unda ularda yana qancha imkoniyatlar yashiringan? Agar atomlarni tartib bilan, satrma-satr, ustunma-ustun qilib joylashtirish o'rniga, hatto binafsha hidining murakkab molekulalarini qurish o'rniga, ularni har safar yangicha tartibga solish o'rniga, ularning mozaikasini takrorlamasdan rang-baranglashtirsa. bu, allaqachon sodir bo'lgan narsa - ularning xatti-harakatlarida qanchalik g'ayrioddiy, kutilmagan narsalar paydo bo'lishi mumkinligini tasavvur qiling.
R. P. Feynman
Nanotexnologiya fanining predmeti, maqsadi va asosiy yo'nalishlari
Entsiklopedik lug'atga ko'ra, texnologiya - bu ishlab chiqarish jarayonida amalga oshiriladigan xom ashyo, material yoki yarim tayyor mahsulotlarni qayta ishlash, ishlab chiqarish, holatini, xususiyatlarini, shaklini o'zgartirish usullari majmuidir.
Nanotexnologiyaning o'ziga xosligi shundaki, ko'rib chiqilayotgan jarayonlar va bajariladigan harakatlar fazoviy o'lchamlarning nanometr diapazonida sodir bo'ladi 1 . "Xom ashyo" - bu kamida milliardlab atom va molekulalarni o'z ichiga olgan an'anaviy texnologiyada odatiy bo'lgan mikron yoki makroskopik hajmdagi materiallar emas, balki alohida atomlar, molekulalar, molekulyar tizimlar. An'anaviy texnologiyadan farqli o'laroq, nanotexnologiya "individual" yondashuv bilan tavsiflanadi, bunda tashqi boshqaruv alohida atomlar va molekulalarga etib boradi, bu esa ulardan printsipial jihatdan yangi fizik-kimyoviy va biologik xususiyatlarga ega "nuqsonsiz" materiallarni va yangi sinflarni yaratishga imkon beradi. xarakterli nanometr o'lchamlari bo'lgan qurilmalar. "Nanotexnologiya" tushunchasi hali o'rnashgani yo'q. Ko'rinib turibdiki, quyidagi ish ta'rifiga amal qilish mumkin.
Nanotexnologiya fanlararo soha boʻlib, unda yangi molekulalar, nanostrukturalar, nanoqurilmalar va maxsus fizik-kimyoviy materiallarni yaratishda alohida atomlar, molekulalar, molekulyar tizimlarni boshqarish uchun nanometr oʻlchamdagi fazoviy hududlarda fizik-kimyoviy jarayonlarning qonuniyatlari oʻrganiladi. va biologik xususiyatlar.
Tez rivojlanayotgan hududning bugungi ahvolini tahlil qilish undagi bir qator muhim yo‘nalishlarni aniqlash imkonini beradi.
Molekulyar dizayn. Mavjud molekulalarni tayyorlash va yuqori darajada bir jinsli bo'lmagan elektromagnit maydonlarda yangi molekulalarni sintez qilish.
Materialshunoslik. "Nuqsonsiz" yuqori quvvatli materiallarni, yuqori o'tkazuvchanlikka ega materiallarni yaratish.
Asboblar. Skanerli tunnel mikroskoplarini, atom kuch mikroskoplarini 2, magnit kuch mikroskoplarini, molekulyar dizayn uchun ko'p nuqtali tizimlarni, miniatyura o'ta sezgir sensorlarni, nanorobotlarni yaratish.
Elektronika. Keyingi avlod kompyuterlari, nanosimlar, tranzistorlar, rektifikatorlar, displeylar, akustik tizimlar uchun nanometr elementlar bazasini loyihalash.
Optika. Nanolazerlarni yaratish. Nanolazerlar bilan ko'p nuqtali tizimlarning sintezi.
heterojen kataliz. Selektiv kataliz reaksiyalari sinflari uchun nanostrukturali katalizatorlarni ishlab chiqish.
Dori. Viruslarni yo'q qilish uchun nanotoillarni loyihalash, organlarni mahalliy "ta'mirlash", tirik organizmning ma'lum joylariga dori dozalarini yuqori aniqlik bilan etkazib berish.
Tribologiya. Materiallarning nanostrukturasi va ishqalanish kuchlari o'rtasidagi bog'liqlikni aniqlash va bu bilimlardan istiqbolli ishqalanish juftlarini ishlab chiqarish uchun foydalanish.
Boshqariladigan yadro reaktsiyalari. Zarrachalarning nanotezlatgichlari, statistik bo'lmagan yadro reaksiyalari.
Skanerli tunnel mikroskopiyasi
Nano dunyoni to'xtovsiz tadqiq qilishda kamida ikkita voqea muhim rol o'ynadi:
Skanerli tunnel mikroskopini (G. Bennig, G. Rorer, 1982) va skanerlovchi atom kuch mikroskopini (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) yaratish (1992 yil Nobel mukofoti);
Tabiatda uglerod mavjudligining yangi shakli - fullerenlarning kashf etilishi (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobel mukofoti 1996).
Yangi mikroskoplar monokristallar yuzasining atom-molekulyar strukturasini nanometr o'lchamlari oralig'ida kuzatish imkonini berdi. Asboblarning eng yaxshi fazoviy o'lchamlari sirt normasi bo'ylab nanometrning yuzdan bir qismidir. Skanerli tunnel mikroskopining ishlashi elektronlarning vakuum to'sig'i orqali tunnellanishiga asoslangan. Yuqori aniqlik, to'siqning kengligi atomning o'lchamiga qarab o'zgarganda, tunnel oqimining uch darajaga o'zgarishi bilan bog'liq. Kvant tunnel effekti nazariyasiga G.A. Gamov 1928 yilda a-emirilish haqidagi ishida.
Turli skanerlovchi mikroskoplar yordamida hozirgi vaqtda metallarning monokristallari, yarim o'tkazgichlar, yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlar, organik molekulalar va biologik ob'ektlar sirtlarining atom tuzilishi kuzatilmoqda. Shaklda. 1-rasmda silikon monokristalining (100) yuzining pastki terasining qayta tiklangan yuzasi ko'rsatilgan. Kulrang doiralar kremniy atomlarining tasviridir. Qorong'i joylar mahalliy nanometr nuqsonlaridir. Shaklda. 2-rasmda kumushning (110) yuzining (chap ramka) va kislorod atomlari bilan qoplangan bir xil sirtning (o'ng ramka) toza yuzasining atom tuzilishi ko'rsatilgan. Ma'lum bo'lishicha, kislorod xaotik tarzda adsorbsiyalanmaydi, balki ma'lum bir kristallografik yo'nalish bo'ylab ancha uzun zanjirlar hosil qiladi. Ikki va bitta zanjirning mavjudligi kislorodning ikki shaklini ko'rsatadi.
Bu shakllar etilen kabi uglevodorodlarning tanlab oksidlanishida muhim rol o'ynaydi. Shaklda. 3, yuqori haroratli supero'tkazgich Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 ning nanostrukturasini ko'rish mumkin. Shaklning chap ramkasida. 4, benzol molekulalarining halqalari (C 6 H 6) aniq ko'rinadi. O'ng ramka polietilenning CH 2 zanjirlarini ko'rsatadi. Maqolada virusning tirik hujayraga kirib borishi haqidagi laboratoriya plyonkasi kadrlari ketma-ketligi keltirilgan.
Yangi mikroskoplar nafaqat moddaning atom va molekulyar tuzilishini o'rganish uchun foydalidir. Ular nanostrukturalarni loyihalash uchun mos bo'lib chiqdi. Mikroskop uchi bilan muayyan harakatlar yordamida atom tuzilmalarini yaratish mumkin. 5-rasmda nikel monokristalining (110) yuzidagi alohida ksenon atomlaridan "IBM" yozuvini yaratish bosqichlari ko'rsatilgan. Alohida atomlardan nanostrukturalarni yaratish paytida uchining harakatlari xokkeychining tayoq bilan shaybani oldinga siljitish texnikasiga o'xshaydi. Tegishli matematik modellar asosida uchi harakati va manipulyatsiya qilingan atomlarning harakatlari o'rtasida ahamiyatsiz bo'lmagan aloqani o'rnatadigan kompyuter algoritmlarini yaratish qiziqish uyg'otadi. Modellar va algoritmlar nanostrukturalarning avtomatik "yig'uvchilari" ni ishlab chiqish uchun zarurdir.
Guruch. 4: a - C 6 H 6; b - CH 2 - CH 2
Guruch. 5. Xe/Ni (110)
Nanomateriallar
Fullerenlar tabiatda uglerod mavjudligining yangi shakli sifatida, uzoq vaqtdan beri ma'lum bo'lgan olmos va grafit bilan bir qatorda, 1985 yilda astrofiziklar yulduzlararo chang spektrlarini tushuntirishga harakat qilganlarida kashf etilgan. Ma'lum bo'lishicha, uglerod atomlari juda simmetrik C 60 molekulasini hosil qilishi mumkin. Bunday molekula diametri taxminan bir nanometr bo'lgan sharda joylashgan 60 ta uglerod atomidan iborat va futbol to'piga o'xshaydi (6-rasm). L. Eyler teoremasiga muvofiq, uglerod atomlari 12 ta muntazam beshburchak va 20 ta muntazam olti burchak hosil qiladi. Molekula beshburchak va olti burchakli uy qurgan arxitektor R.Fuller sharafiga nomlangan. Dastlab, C 60 oz miqdorda olingan, keyin esa 1990 yilda ularni keng miqyosda ishlab chiqarish texnologiyasi kashf etilgan.
Fulleritlar. C 60 molekulalari, o'z navbatida, yuz markazli kubik panjara va juda zaif molekulalararo aloqalarga ega fullerit kristalini hosil qilishi mumkin. Bu kristall oktaedr va tetraedr bo'shliqlarga ega bo'lib, ular tarkibida begona atomlar bo'lishi mumkin. Agar oktaedral bo'shliqlar ishqoriy metall ionlari bilan to'ldirilgan bo'lsa (¦ = K (kaliy), Rb (rubidiy), Cs (seziy)), u holda xona haroratidan past haroratlarda bu moddalarning tuzilishi qayta tartibga solinadi va yangi polimer materiali ¦1C60 hosil bo'ladi. shakllangan. Agar tetraedral bo'shliqlar ham to'ldirilgan bo'lsa, u holda kritik harorati 20-40 K bo'lgan ¦3C60 o'ta o'tkazuvchan material hosil bo'ladi. Shtutgartdagi Maks Plank. Materialga o'ziga xos xususiyatlarni beradigan boshqa qo'shimchalar bilan fulleritlar mavjud. Masalan, C60-etilen ferromagnit xususiyatlarga ega. Kimyoning yangi sohasidagi yuqori faollik 1997 yilga kelib 9000 dan ortiq fulleren birikmalari mavjudligiga olib keldi.
Uglerod nanotubalari. Ugleroddan juda ko'p atomli molekulalarni olish mumkin. Bunday molekula, masalan, C=1000000, diametri taxminan bir nanometr va uzunligi bir necha o'n mikron bo'lgan bir qavatli naycha bo'lishi mumkin (7-rasm). Naycha yuzasida uglerod atomlari muntazam olti burchakli uchlarida joylashgan. Naychaning uchlari oltita muntazam beshburchak bilan yopilgan. dan iborat ikki o'lchovli yuzalarning hosil bo'lishida muntazam ko'pburchaklar tomonlari sonining rolini ta'kidlash kerak.
Guruch. 7. Xiral bo'lmagan nanotubalar: a - C(n, n) - metall;
b-c (n, 0): mod (n, 3) = 0 - yarim metall
mod(n, 3)!= 0 - yarim o'tkazgich.
Guruch. 8. Egri trubka
uglerod atomlari, uch o'lchovli fazoda. Muntazam olti burchakli tekis grafit varaqdagi hujayra bo'lib, ular turli xil chirallik (m, n) 3 ga o'ralishi mumkin. Muntazam beshburchaklar (heptagonlar) grafit varag'idagi mahalliy nuqsonlar bo'lib, uning ijobiy (salbiy) egriligini olish imkonini beradi. Shunday qilib, muntazam besh, olti va etti burchakli birikmalar uch o'lchovli fazoda uglerod sirtlarining turli shakllarini olish imkonini beradi (8-rasm). Ushbu nanostrukturalarning geometriyasi ularning noyob fizik-kimyoviy xususiyatlarini va shuning uchun ularni ishlab chiqarish uchun printsipial jihatdan yangi materiallar va texnologiyalarning mavjudligini aniqlaydi. Yangi uglerod materiallarining fizik-kimyoviy xossalarini bashorat qilish kvant modellari yordamida ham, molekulyar dinamika doirasidagi hisob-kitoblar yordamida ham amalga oshiriladi. Bir qatlamli quvurlar bilan bir qatorda ko'p qatlamli quvurlarni yaratish ham mumkin. Nanotubalarni ishlab chiqarish uchun maxsus katalizatorlar qo'llaniladi.
Yangi materiallarning o'ziga xosligi nimada? Keling, faqat uchta muhim xususiyatga e'tibor qarataylik.
Super kuchli materiallar. Grafit varaqdagi uglerod atomlari orasidagi bog'lanishlar eng kuchli ma'lum, shuning uchun nuqsonsiz uglerod naychalari po'latdan ikki baravar kuchliroq va po'latdan taxminan to'rt baravar engilroqdir! Yangi uglerodli materiallar sohasida texnologiyaning eng muhim vazifalaridan biri "cheksiz" uzunlikdagi nanotubalarni yaratishdir. Bunday quvurlar yangi asr texnologiyasi ehtiyojlari uchun eng yuqori quvvatga ega engil kompozit materiallarni ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin. Bular ko'priklar va binolarning quvvat elementlari, ixcham samolyotlarning yuk ko'taruvchi tuzilmalari, turbinalar, yoqilg'i sarfi juda past bo'lgan dvigatel quvvat bloklari va boshqalar. Ayni paytda ular diametri bir nanometrga teng bo'lgan o'nlab mikron uzunlikdagi quvurlar yasashni o'rgandilar.
yuqori o'tkazuvchan materiallar. Ma'lumki, kristalli grafitda qatlam tekisligi bo'ylab o'tkazuvchanlik ma'lum materiallar orasida eng yuqori va aksincha, qatlamga perpendikulyar yo'nalishda past bo'ladi. Shu sababli, nanotubalardan yasalgan elektr kabellari xona haroratida mis kabellardan ikki baravar yuqori elektr o'tkazuvchanligiga ega bo'lishi kutilmoqda. Etarli uzunlikdagi va etarli miqdorda quvurlar ishlab chiqarish texnologiyasiga bog'liq,
nanoklasterlar
Nano-ob'ektlar to'plami o'nlab, yuzlab yoki minglab atomlardan tashkil topgan o'ta kichik zarralarni o'z ichiga oladi. Klasterlarning xususiyatlari bir xil tarkibdagi materiallarning makroskopik hajmlarining xususiyatlaridan tubdan farq qiladi. Nanoklasterlardan ham, yirik qurilish bloklaridan ham maqsadli ravishda oldindan belgilangan xususiyatlarga ega yangi materiallarni loyihalash va ularni katalitik reaktsiyalarda, gaz aralashmalarini ajratish va gazlarni saqlash uchun ishlatish mumkin. Bir misol Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4. O'tish metallari, lantinidlar va aktinidlar atomlaridan tashkil topgan magnit klasterlar katta qiziqish uyg'otadi. Ushbu klasterlar o'zlarining magnit momentlariga ega, bu ularning xususiyatlarini tashqi magnit maydon yordamida boshqarish imkonini beradi. Masalan, yuqori spinli organometall molekulasi Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Bu nafis konstruksiya tetraedrning uchlarida joylashgan spini 3/2 boʻlgan toʻrtta Mn 4+ ionidan va bu tetraedr atrofida spin 2 boʻlgan sakkizta Mn 3+ ionidan iborat. Marganets ionlari orasidagi o'zaro ta'sir kislorod ionlari tomonidan amalga oshiriladi. Mn 4+ va Mn 3+ ionlari spinlarining antiferromagnit o'zaro ta'siri 10 ga teng bo'lgan etarlicha katta umumiy spinga olib keladi. Asetat guruhlari va suv molekulalari Mn 12 klasterlarini molekulyar kristalda bir-biridan ajratib turadi. Kristaldagi klasterlarning o'zaro ta'siri juda kichik. Nanomagnitlar kvant kompyuterlari uchun protsessorlarni loyihalashda qiziqish uyg'otadi. Bundan tashqari, ushbu kvant tizimini o'rganishda bistabillik va histerezis hodisalari aniqlandi. Agar molekulalar orasidagi masofa taxminan 10 nanometr ekanligini hisobga olsak, bunday tizimdagi xotira zichligi kvadrat santimetr uchun 10 gigabaytga teng bo'lishi mumkin.
nanoqurilmalar
Nanotubalar yassi akustik tizimlar va yassi displeylarning yangi dizaynlari, ya'ni tanish makroskopik qurilmalarning asosini tashkil qilishi mumkin. Nanomateryallardan ma'lum nanoqurilmalar yaratilishi mumkin, masalan, nanomatorlar, nanomanipulyatorlar, molekulyar nasoslar, yuqori zichlikdagi xotira, nanorobot mexanizmlari elementlari. Keling, ba'zi nanoqurilmalarning modellariga qisqacha to'xtalib o'tamiz.
Molekulyar viteslar va nasoslar. Nanoqurilmalarning modellari K.E. Drexler va R. Merkle IMM (Molekulyar ishlab chiqarish instituti, Palo Alto). Vites qutisidagi tishli viteslarning vallari uglerod nanotubalari, tishlari esa benzol molekulalaridir. Viteslar aylanishning xarakterli chastotalari bir necha o'nlab gigagertsga teng. Qurilmalar yuqori vakuumda yoki xona haroratida inert atmosferada "ishlaydi". Qurilmani "sovutish" uchun inert gazlar ishlatiladi.
Kompyuterlar uchun olmos xotira. Yuqori zichlikdagi xotira modeli Ch. Bauschlicher va NASAdan R. Merkle. Qurilmaning sxemasi oddiy va prob va olmos yuzasidan iborat. Zond C 60 yarim sharida tugaydigan (9, O) yoki (5, 5) uglerod nanotuba bo‘lib, unga C 5 H 5 N molekulasi biriktirilgan.Olmos yuzasi vodorod atomlarining monoqatlami bilan qoplangan. Ba'zi vodorod atomlari ftor atomlari bilan almashtiriladi. Prob adsorbat monoqatlami bilan qoplangan olmos yuzasi bo'ylab skanerdan o'tkazilsa, C 5 H 5 N molekulasi, kvant modellariga ko'ra, adsorbsiyalangan ftor atomini adsorbsiyalangan vodorod atomidan ajrata oladi. Taxminan 1015 atom sirtning bir kvadrat santimetriga to'g'ri kelganligi sababli, yozuv zichligi kvadrat santimetr uchun 100 terabaytga yetishi mumkin.
Laboratoriya tajribalari natijalari va nanoqurilma modellarining yuqoridagi misollari nazariya, hisoblash fizikasi, kimyo va matematika uchun yangi muammo hisoblanadi. "Ko'rilgan" va "qabul qilingan" tushunchalarini tushunish kerak. Nanometr diapazonida ishlash uchun sezgi rivojlanishini talab qiladi. Yana Faustning Vagnerga aytgan gapi eshitiladi:
"Tushunish nimani anglatadi?
Bu, do'stim, savol.
Bu borada bizda hammasi yaxshi emas”.
Hisoblash fizikasi va hisoblash kimyosining yangi tarmoqlari
Ellik yildan ko'proq vaqt oldin atom va termoyadro muammolari, yangi samolyotlarni yaratish va Yerga yaqin fazoni o'rganish muammolari yana bir bor fizik va kimyoviy hodisalarni tushunishning yangi darajasi haqidagi Faustiya savolini ko'tardi. Ushbu muammolar bo'yicha muvaffaqiyatli ish paydo bo'lishiga va rivojlanishiga olib keldi
1) hisoblash fizikasi, xususan uning sohalari, masalan
magnit va radiatsion gidro- va aerodinamika;
kosmik kemalarning parvoz mexanikasi,
plazma va boshqariladigan termoyadro sintezi nazariyasi;
2) kabi bo'limlar bilan hisoblash kimyosi
materiya holati tenglamalari nazariyasi,
molekulyar dinamika,
kimyoviy jarayonlar va apparatlar nazariyasi;
3) hisoblash matematikasi va informatika kabi sohalarga ega
matematik fizikaning raqamli usullari,
avtomatlar nazariyasi,
optimal nazorat,
naqshni aniqlash,
ekspert tizimlari,
avtomatik dizayn.
Fazoviy o'lchamlarning nanometr shkalasida hodisalarni kuzatish va o'rganish bo'yicha laboratoriya tajribasining zamonaviy imkoniyatlari va noyob materiallar va nanoqurilmalarni yaratishning jozibali istiqbollari yangi nazariy muammolarni keltirib chiqarmoqda.
Tunnel mikroskopini skanerlashda aslida nima "kuzatilganini" tushunmoqchiman?
Nanotizimlarda qanday yangi narsalarni potentsial ravishda kuzatish mumkin va qanday yangi narsalarni olish mumkin? Va qanday sharoitlarda?
Muayyan maqsadlarga erishish uchun alohida atomlar va atomlar va molekulalar guruhlarini qanday boshqarish kerak? Ushbu nazoratning chegaralari qanday?
Nanoqurilmalar va noyob "nuqsonsiz" materiallarni o'z-o'zini yig'ishni qanday tashkil qilish kerak?
Makro muhit nanosistemaning kvant holatlarini qay darajada “siqadi”?
Ushbu muammolarni konstruktiv hal qilish zarurati intensiv tadqiqotlarga olib keladi, hisoblash fizikasi va hisoblash kimyosida yangi tarmoqlarni shakllantiradi. Biz bunday bo'limlarni metrologiya, mexanika, elektrodinamika, optika va o'z-o'zini tashkil etish nazariyasida ajratib ko'rsatamiz. Ushbu bo'limlarning har birida biz bir nechta muammolarni ko'rsatamiz.
Metrologiya
1. "Asbob-nanoob'ekt" tizimlarining kompyuter modellarini yaratish va ularni kalibrlash.
2. Nanometr o'lchovlarini avtomatlashtirish va ma'lumotlar banklarini yaratish.
Mexanika
1. Nanomateriallar va nanoob'ektlardagi mexanik kuchlanish va deformatsiyalarni o'rganish, ishqalanish tahlili.
2. Nanoob'ektni maqsadli manipulyatsiyasi paytida zond harakatlarini simulyatsiya qilish.
3. Nanoqurilmalar uchun nanomexanizmlarda harakatlarni modellashtirish, nanomanipulyatorlarni hisoblash.
4. Nanorobotlarni boshqarish tizimlarini ishlab chiqish.
Elektrodinamika
1. Ko'p nuqtali tizimlar tomonidan yaratilgan o'ta bir xil bo'lmagan elektromagnit maydonlardagi atomlar va molekulalar dinamikasini simulyatsiya qilish.
2. Nanomateryallarning elektr va magnit xossalarini hisoblash.
1. Nanoob'ektlarda yorug'likning emissiyasi, tarqalishi va yutilishi mexanizmlarini modellashtirish.
2. Nanolazerlar va gibrid tizimlar "zondlar + nanolazerlar" ni hisoblash.
O'z-o'zini tashkil etish nazariyasi
1. Nanostrukturalarni o'z-o'zini yig'ishning asosiy tamoyillarini shakllantirish.
2. Kompyuterning o'z-o'zini yig'ish algoritmlarini yaratish.
3. O'z-o'zini yig'ish modellarini sifatli tahlil qilish uchun hisoblash algoritmlarini ishlab chiqish.
4. Nanomateryallarni yaratishda fazoviy-vaqtinchalik o'z-o'zini tashkil qilish hodisalarini simulyatsiya qilish.
Molekulyar nur epitaksisi va nanolitografiya
1. Yuqori sifatli magnit materiallar uchun asos bo'lib xizmat qiladigan yupqa metall plyonkalarni yaratish.
2. Nanoelektronikaning asosiy elementlarini loyihalash.
3. Selektiv kataliz uchun katalizatorlar yaratish.
Laboratoriya tajribasi, nazariya va matematik modellashtirish o'rtasidagi qat'iy muvozanatni saqlash zarurligini yana bir bor ta'kidlamoqchiman. Ba'zida aniq tajriba hozirda juda qimmat va arzonroq matematik modellashtirish bilan almashtirilishi mumkinligi haqidagi gaplarni eshitish mumkin. Qarama-qarshi pozitsiya ham mavjud bo'lib, unda matematik tadqiqot usullarining roli past bo'ladi. Fazoviy o'lchamlarning nanometr diapazonidagi notrivial hodisalarning eng oddiy misollari radikal pozitsiyalarning to'liq muvaffaqiyatsizligini ko'rsatadi.
Metalllarning monokristallari yuzasida fazo-vaqt o'z-o'zini tashkil etish hodisalari
Bir qarashda, eng oddiy, ammo ma'lum bo'lishicha, ahamiyatsiz muammoni ko'rib chiqing. Aytaylik, biz platina plyonkasi kabi yuqori sifatli, bir xil metall plyonka etishtirishni xohlaymiz. Buning uchun substrat sifatida bir kristallning zich o'ralgan va fazoda bir xil yuzini olish va yuqori vakuum sharoitida Knudsen hujayrasidan atomlar qatlamini joylashtirish kerak. Atomlar hujayradan uchib chiqib, bir jinsli sirtda adsorbsiyalanadi, u bo'ylab ko'chib o'tadi va yangi qatlam hosil qiladi. Birinchi qatlam hosil bo'lgach, uning ustiga keyingi qatlam hosil bo'ladi va hokazo. Jarayon faqat ikkita tashqi boshqaruv makroparametri - sirt harorati va atomlarning sirtga oqimi bilan belgilanadi. Atomlarning harorati va tezligini shunday tanlash kerakki, yangi atomni etkazib berishning xarakterli vaqtida, sirt ustida ko'chib o'tadigan atom o'sib borayotgan qatlamga qo'shilishga vaqt topadi. Klassik matematik fizika modellari doirasida kino o'sishini taqlid qilishdan osonroq narsa yo'qdek tuyuladi. Faqat bitta jarayonni ta'riflash kerak: kiruvchi zarralarning sirt diffuziyasi. Buning uchun ikki o'lchovli fazoviy sohada doimiy manba bilan diffuziya tenglamasidan foydalanish mumkin, uni tegishli chegara sharti, masalan, ikkinchi turdagi bir hil chegara sharti bilan to'ldirish va hisob-kitoblarni amalga oshirish mumkin. Shubhasiz, etarlicha tez migratsiya bilan, boshlang'ich sharoitlardan qat'i nazar, vaqt o'tishi bilan monoton ravishda ortib borayotgan etarlicha yuqori aniqlik bilan fazoviy bir hil yechim olinadi. Biroq, bunday modellashtirish yangi qatlamning o'sishini va uning fazoviy tuzilishini umuman tasvirlamaydi.
Pt/Pt(111) 5 gomosistemali skanerlovchi tunnel mikroskop yordamida amalga oshirilgan tajriba shuni ko'rsatadiki (9-rasm) adsorbsiyalangan platina atomlari platina monokristalining (111) yuzi yuzasida Fik qonuniga bo'ysunmasdan migratsiya qiladi. Ular sirt haroratining qiymatlari va atomlarni etkazib berish tezligiga qarab turli xil fazoviy tuzilmalarga ega bo'lgan yangi qatlam orollarini hosil qiladi. Bu fraktalli fraktal tuzilishning bo'shashgan orollari bo'lishi mumkin
9-rasm. Pt/Pt (111)
Guruch. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
o'lchami 1.78 (9a-rasm), yoki muntazam uchburchaklar (9b-rasm, 9d) va olti burchakli (9c-rasm) shaklida Platonik shakllarga ega bo'lgan ixcham orollar, bundan tashqari, kristallografik o'qlarga nisbatan teng ravishda yo'naltirilgan. Shunday qilib, 400 K haroratda uchburchaklarning uchlari "pastga" ko'rinadi (9b-rasm). 455 K haroratda o'sayotgan orollar muntazam olti burchakli shaklni oladi (9c-rasm). Yuqori haroratda orollarning muntazam uchburchak shakli yana hosil bo'ladi, lekin bu safar ularning tepalari "yuqoriga" qaraydi (9d-rasm). Uchburchak orollarning shakli va yo'nalishi barqaror. Atomlarning keyingi ta'minlanishi uch o'lchovli o'sish rejimiga olib keladi, buning natijasida o'sayotgan qatlam har doim bir hil bo'lmaydi va piramidal uch o'lchovli tuzilishga ega.
O'sishning o'ziga xos xususiyatlari bilan bog'liq holda, kamida ikkita asosiy savol tug'iladi.
Eng oddiy tizimning notrivial dinamik harakatini nazariy jihatdan qanday tasvirlash mumkin?
Qatlamli o'sishni ta'minlash va yuqori sifatli fazoviy bir xil qatlamni olish uchun tizimni nazorat qilish usullari qanday?
Xuddi shunday savollar geterotizimlarda ham, bitta metall yuzasida boshqa metall plyonkasi o'stirilganda paydo bo'ladi. Shunday qilib, platina ustida kumush plyonka o'stirilganda fraktal va dendritik tuzilmalar orollarini, Mercedes kompaniyasining uch nurli yulduz shaklidagi orollarini va notekis uchta bilan birga keladigan boshqa fazoviy-zamoniy o'zini o'zi tashkil qilish hodisalarini kuzatish mumkin. -nozik metall plyonkaning o'lchovli o'sishi. Reniy monokristalining bir hil (0001) yuzida kobalt plyonkasi o'sishi holatida turli stexiometriya va shunga mos ravishda fazoviy tuzilishga ega sirt qotishmalari hosil bo'ladi: CoRe (10a-rasm), Co 2 Re (10b-rasm), Co 3 Re (10c-rasm) va notrivial sirt tuzilishi. Shaklda keltirilgan rasmlarda. 10-rasmdan ko'rinib turibdiki, katta doiralar (reniy atomlari) har xil miqdordagi kichik doiralar (kobalt atomlari) bilan o'ralgan. Ushbu qotishmalar qiziqarli magnit xususiyatlarga ega.
Yana bir paradoksal hodisa - yirik ixcham klasterlarning anomal darajada yuqori harakatchanligi haqida to'xtalib o'tmaslik mumkin emas. Ajoyib eksperimental ish mualliflariga ergashib, N = 1 + Zn (n - 1), n = 2, 3, .. iridiy atomlarining "sehrli" sonidan iborat muntazam shakldagi ixcham klasterni ko'rib chiqaylik. ., masalan, N = 19, zich joylashgan yuz (111) iridiy yuzasida. Ko'rinishidan, yigirma o'nlab atomlarni o'z ichiga olgan klasterning harakatchanligi, umuman olganda, bitta atomning harakatchanligidan ko'p miqdorda kichikroq bo'lishi kerak, chunki atomlarning migratsiyasi tasodifiy jarayon bo'lib tuyuladi. Tajriba shuni ko'rsatdiki, "to'g'ri" klasterlarning ko'chish tezligi bitta atomning migratsiya tezligi bilan solishtirish mumkin! Klaster atomlarining jamoaviy harakatining bu natijasi batafsil nazariy tavsif va matematik modellashtirishni talab qiladi. Bunday tahlil natijalari dinamik Monte-Karlo usuli va ideal bo'lmagan qatlamning kinetik tenglamalari uchun migratsiyaning eksponensial va samarali faollashuv energiyalarini hisoblashda katta qiziqish uyg'otadi. Haqiqiy migratsiya stavkalarini bilib, nano o'lchamdagi tuzilmalarning ishlash muddatini to'g'ri baholash mumkin.
Laboratoriya tajribasining sanab o'tilgan natijalari matematik fizikaning klassik modellarini ishlab chiqish zarurligini ko'rsatadi, deb o'quvchini ishontirishning hojati yo'q. Nanoob'ektlarni o'rganishda, agar kerak bo'lsa, matematik fizika modellarining ko'pchiligi asosidagi uzluksiz muhit g'oyasidan voz kechish kerak. Laboratoriya tajribasi natijalarini hisobga olmasdan, inertsiya bo'yicha modellashtirish mutlaqo noto'g'ri natijalarga olib keladi. Matematik fizikaning nanoob'ektlar xususiyatlarini hisobga oladigan yangi zamonaviy kursiga ehtiyoj ham yaqqol ko'rinib turibdi. Bu kursda, ayniqsa, e'tibor qaratish lozim
Guruch. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
diskret matematika usullari, sanab kombinatorika, guruhlar nazariyasi.
Ochiq ideal bo'lmagan tizimlarning notrivial dinamik xatti-harakatlarining yanada murakkab misollari asil metal monokristallarining (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd() ayrim yuzalaridagi heterojen katalizning model reaksiyalari orqali berilgan. 111), Pd(110) ) gaz fazasida past qisman bosimlarda. Bular uglerod oksidi (CO) ning kislorod (O 2) bilan oksidlanish reaktsiyalari, shuningdek, azot oksidi (NO) ning vodorod (H 2), ammiak (NH 3) va uglerod oksidi bilan qaytarilishi. Bu reaksiyalar ichki yonuv dvigatellari va issiqlik elektr stansiyalarining yonayotgan zaharli chiqindilarining (NO, CO va boshqalar) ekologik muammosida muhim rol o'ynaydi. So'nggi yillarda olib borilgan tadqiqotlar ushbu tizimlarning ajoyib nano- va mezodinamikasini ochib berdi. Adsorbat monoqatlamida ustki tuzilmalarning shakllanishi, fazalarga bo'linish turining fazaviy o'tishlari, monokristallarning yuzlari yuzasining o'z-o'zidan va adsorbat bilan induktsiyalangan rekonstruktsiyasi va korroziya bilan birga keladigan tartib-tartib turidagi fazali o'tishlar. katalizator topildi. Nanometr shkalasida sodir bo'ladigan fazoviy-zamoniy o'z-o'zini tashkil etish jarayonlari mikrometr diapazonida emissiya fotoelektron mikroskopiyasi yordamida kuzatilgan shunga o'xshash hodisalar bilan chambarchas bog'liq. Bunday hodisalarga mikrometr spirali, turgan va tetik to'lqinlar, ikki tomonlama metastabillik va kimyoviy turbulentlik kiradi. 11-rasmda emissiya fotoelektron mikroskopiya usulida Pt(210) monokristalining yuzidagi uglerod oksidi oksidlanish reaksiyasida fazoviy-zamoniy o'z-o'zini tashkil qilishni o'rganish natijalari ko'rsatilgan. Har bir ramka (380 x 380 mm) doimiy sirt haroratida gaz fazasida turli CO va kislorod qisman bosimlari uchun katalizator yuzasida adsorbsiyalangan CO molekulalari (yorug'lik joylari) va kislorod atomlarining (qorong'i joylar) fazoviy taqsimotini ko'rsatadi. Spiral to'lqinlar va fazaga o'tishning avtoto'lqinlari, masalan, fazalarga bo'linish, ikki tomonlama metastabillik hodisalari va boshqalar aniq ko'rinadi.
1 Atomning o'lchami nanometrning o'ndan bir necha qismidir.
2 Qurilmalarning tavsifi va ularning ishlash tamoyillari bo'limda keltirilgan.
3 Bir juft natural sonlar (m, n) grafit varaq tekisligidagi chirallik vektorini aniqlaydi. Nanotuba o'qi chirallik vektoriga perpendikulyar. Shunday qilib, (n, n) ((n, 0)) uchun trubaning o'qi muntazam olti burchakli tomonga parallel (perpendikulyar) bo'ladi.
4 BDC qisqartmasi benzol dikarboksilni va DMF dimetilformamidni anglatadi.
5 Qavslar ichidagi raqamlar monokristalli substrat yuzining Miller indekslarini bildiradi.
Asosiy texnologiyalar va materiallar nafaqat tor ishlab chiqarish funktsiyalarini, balki ijtimoiy funktsiyalarni ham bajaradigan tsivilizatsiya tarixida doimo muhim rol o'ynagan. Tosh va bronza asrlari, bug' va elektr energiyasi, atom energiyasi va kompyuterlar asrlari qanchalik farq qilganini eslash kifoya. Ko‘pgina mutaxassislarning fikricha, XXI asr nanofan va nanotexnologiyalar asri bo‘ladi, bu esa uning qiyofasini belgilaydi.
Nanotexnologiyani nanometr shkalasida materiyaning xatti-harakatlari haqidagi bilimlar majmuasi, nanotexnologiyani esa kasrlardan yuzlab nanometrgacha bo'lgan o'lchamdagi ob'ektlarni yaratish va ishlatish san'ati sifatida aniqlash mumkin (kamida uchta o'lchovdan bitta yoki ikkitasida). .
Nanotexnologiyaning asosiy komponentlari rasmda ko'rsatilgan. 2.1. Uning asosiy asosi sanoqli sonli atomlardan tashkil topgan sun'iy va tabiiy hajmlarning fizikasi, kimyosi va molekulyar biologiyasi, ya'ni. Bunday ob'ektlar, ularda barcha xususiyatlarning ularning kattaligiga (o'lcham effektlariga), moddaning diskret atom-molekulyar tuzilishiga va/yoki uning xatti-harakatlarining kvant qonunlariga kuchli bog'liqligi allaqachon katta darajada namoyon bo'ladi.
Nanotexnologiyaning yana bir muhim komponenti tabiatda nanostrukturali materiallar va ob'ektlarni oldindan belgilangan xususiyatlarga ega maqsadli yaratish yoki topish qobiliyatidir. Nanotexnologiyaning navbatdagi komponenti
Yangi iste'molchi sifatlari va maqsadiga ega bo'lgan tayyor mahsulotlar, ko'p komponentli mahsulotlarni yaratish (o'ta sig'imli xotira, o'ta tezkor protsessorlar, aqlli nanorobotlar va boshqalar). Va nihoyat, ishlab chiqarish va foydalanishning barcha bosqichlarida nanomahsulotlar va nanostrukturali materiallarni nazorat qilish, sertifikatlash va tadqiq qilish vositalari ham nanotexnologiyaning zarur tarkibiy qismi hisoblanadi.
Dunyoning barcha rivojlangan mamlakatlarida nanofan va nanotexnologiyalar sohasida o‘nlab yirik dasturlar allaqachon amalga oshirilmoqda. Nanotexnologiyalar sog'liqni saqlash va tibbiyot, biotexnologiya va atrof-muhitni muhofaza qilish, mudofaa va aerokosmik, elektronika va kompyuter texnikasi, kimyo va neft-kimyo ishlab chiqarishi, energetika va transport kabi jamiyat uchun muhim sohalarda qo'llaniladi. Dunyoning sanoati rivojlangan mamlakatlarida investitsiyalarning o'sish sur'atlari va nanotexnologiyalarning joriy etilishi hozirda juda yuqori bo'lib, yaqin 10-20 yil ichida jamiyatning iqtisodiy rivojlanish darajasini va ko'p jihatdan ijtimoiy taraqqiyotni belgilaydi. .
Bunday istiqbol butun ta'lim tizimi, birinchi navbatda, kasbiy ta'lim oldiga yangi vazifalarni qo'yadi. Nanotexnologiya nanostrukturali materiallar va tayyor mahsulotlarni ishlab chiqarish uchun fundamental bilimlar va yuqori texnologiyali usullarning integratsiyasini nazarda tutganligi sababli, G'arb universitetlarida ham "sof" fiziklar, matematiklar, kimyogarlar, biologlar va boshqa mutaxassislarni tayyorlash hajmini qisqartirish tendentsiyasi kuzatildi. va an'anaviy muhandislar: metallurglar, mexaniklar, energetiklar, texnologlar va fizik materialshunoslik va nanotexnologiya sohasidagi "sintetik" mutaxassisliklar ulushini oshirish.
So'nggi bir necha yil ichida jahon davriy nashrlarida nanomuammolar bo'yicha 10 mingga yaqin maqolalar va nanofanning ayrim yo'nalishlari bo'yicha o'nga yaqin oylik ixtisoslashtirilgan jurnallar chop etildi.
Xo'sh, endi nanotexnologiya nimani tushunadi? O'nlik "nano" prefiksi o'zi biror narsaning milliarddan birini anglatadi. Shunday qilib, sof rasmiy ravishda, nanometrlarda (1 nm = 10-9 m = 10E) o'lchangan R (hech bo'lmaganda bitta koordinata bo'ylab) xarakterli o'lchamli ob'ektlar ushbu faoliyat doirasiga kiradi.
Aslida, ko'rib chiqilayotgan ob'ektlar va hodisalar doirasi ancha kengroq - alohida 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.
Nanotexnologiyalar davri paydo bo'lishidan oldin, odam nano darajada ob'ektlar va jarayonlarga duch kelmagan va ulardan foydalanmagan deb o'ylash sodda bo'lar edi. Shunday qilib, barcha tirik mavjudotlarni tashkil etuvchi makromolekulalar o'rtasidagi biokimyoviy reaktsiyalar, fotografik tasvirlarni olish, kimyoviy ishlab chiqarishda kataliz, vino, pishloq, non va boshqalarni ishlab chiqarishda fermentatsiya jarayonlari nanolevelda sodir bo'ladi. Biroq, dastlab o'z-o'zidan, foydalanilayotgan ob'ektlar va jarayonlarning mohiyatini to'g'ri tushunmasdan rivojlangan "intuitiv nanotexnologiya" kelajakda ishonchli asos bo'la olmaydi. Shuning uchun fundamental yangi texnologik jarayonlar va mahsulotlarni yaratishga qaratilgan fundamental tadqiqotlar katta ahamiyatga ega. Nanotexnologiyalar ba'zi eskirgan va samarasiz texnologiyalarning o'rnini bosa olishi mumkin, ammo baribir uning asosiy o'rni yangi sohalarda bo'lib, unda an'anaviy usullar bilan talab qilinadigan natijalarga erishish printsipial jihatdan imkonsizdir.
Shunday qilib, uzluksiz muhitning yaxshi ishlab chiqilgan kontinuum nazariyalari va hisoblash va loyihalashning muhandislik usullari mavjud bo'lgan makrodaraja bilan kvant mexanikasi qonunlariga bo'ysunadigan atom darajasi o'rtasidagi keng va hali ham yomon o'zlashtirilgan bo'shliq mavjud. materiya tuzilishining mezoierarxik darajasi (texos - o'rta, yunoncha oraliq). Bu darajada DNK, RNK, oqsillar, fermentlar, hujayra osti tuzilmalarining makromolekulalari o'rtasida chuqurroq tushunishni talab qiluvchi hayotiy muhim biokimyoviy jarayonlar sodir bo'ladi. Shu bilan birga, ilgari ko'rilmagan mahsulotlar va texnologiyalar bu erda sun'iy ravishda yaratilishi mumkin, ular butun insoniyat jamiyati hayotini tubdan o'zgartirishi mumkin. Shu bilan birga, xom ashyo va energiya, shuningdek, ularni tashish uchun vositalar katta xarajatlarni talab qilmaydi, chiqindilar miqdori va atrof-muhitning ifloslanishi kamayadi, mehnat yanada aqlli va sog'lom bo'ladi.
Ma'ruza №19
So'nggi yillarda nanotexnologiya fizika, kimyo, biologiya va muhandislik fanlarining eng muhim va qiziqarli bilim sohalaridan biriga aylandi. Bu faoliyatning ko'plab sohalarida texnologik rivojlanishning dastlabki yutuqlari va yangi yo'nalishlariga katta umid beradi. Ushbu yangi yondashuvni keng miqyosda qo'llashni osonlashtirish va tezlashtirish uchun umumiy g'oyalar va ba'zi maxsus bilimlarga ega bo'lish muhimdir, bu esa, bir tomondan, mavzuni batafsil yoritish uchun etarlicha batafsil va chuqur bo'ladi. bir vaqtning o'zida, masalaning mohiyati va ushbu sohadagi istiqbollar haqida ko'proq ma'lumot olishni xohlovchi keng doiradagi mutaxassislar uchun foydali bo'lishi uchun etarli darajada qulay va to'liq.
Hozirgi kunda nanotexnologiyaga keng qiziqish 1996-1998 yillarga to'g'ri keladi, o'shanda hukumat komissiyasi Jahon texnologiyalarini baholash markazi (WTEC) ko'magida AQSH Milliy fan jamg'armasi va boshqa federal agentliklar tomonidan moliyalashtiriladi. ularning texnologik innovatsion salohiyatini baholash maqsadida nanotexnologiyalar sohasida tadqiqot va ishlanmalar. Nanotexnologiya 100 nanometrdan kichikroq zarrachalar (nanometr metrning milliarddan bir qismi) ulardan tayyorlangan materiallarga yangi xususiyatlar va xatti-harakatlar berishini tushunishga asoslanadi. Buning sababi shundaki, xarakterli uzunlikdan kichikroq ob'ektlar (bu ma'lum bir hodisaning tabiati bilan bog'liq) ko'pincha turli xil fizika va kimyoni namoyon qiladi, bu esa zarrachalar hajmiga bog'liq bo'lgan yangi xatti-harakatlarga olib keladi. Masalan, elektron tuzilishi, o'tkazuvchanligi, reaktivligi, erish harorati va mexanik xususiyatlarining o'zgarishi kamroq muhim bo'lgan zarracha o'lchamlarida kuzatildi. Xulq-atvorning zarracha o'lchamiga bog'liqligi bir xil boshlang'ich atomlardan yangi xususiyatlarga ega bo'lgan materiallarni loyihalash imkonini beradi.
WTEC ma'lumotlariga ko'ra, ushbu texnologiya juda keng va xilma-xil amaliy sohalarda foydalanish uchun katta imkoniyatlarga ega - kuchliroq va engilroq strukturaviy materiallar ishlab chiqarishdan tortib, nanostrukturali dori vositalarini qon aylanish tizimiga etkazib berish vaqtini qisqartirish, magnit muhitlar sig'imini oshirish. va tez kompyuterlar uchun triggerlar yaratish. Bu va undan keyingi qoʻmitalar tomonidan berilgan tavsiyalar soʻnggi yillarda nanofan va nanotexnologiyani rivojlantirish uchun juda katta mablagʻlar ajratilishiga olib keldi. Fanlararo tadqiqotlar keng mavzularni qamrab oldi - nanozarrachalar orqali kataliz kimyosidan tortib kvant nuqta lazerlari fizikasigacha. Natijada, nanotexnologiyalar rivojlanishining eng umumiy istiqbollari va oqibatlarini baholash va ushbu yangi qiziqarli faoliyat sohasiga o'z hissasini qo'shish uchun tadqiqotchilar vaqti-vaqti bilan o'zlarining tor professional sohalaridan tashqariga chiqishlari kerakligi tushunildi. bilim. Texnik menejerlar, ekspertlar va moliyaviy qarorlar qabul qiladiganlar juda keng doiradagi fanlarni tushunishlari kerak.
Nanotexnologiya nafaqat yuqori texnologiyalarning eng istiqbolli tarmoqlaridan biri, balki XXI asr iqtisodiyotida tizimni shakllantiruvchi omil – tabiiy resurslardan yoki ulardan foydalanishga emas, balki bilimga asoslangan iqtisodiyot sifatida ham ko‘rilmoqda. qayta ishlash. Bundan tashqari, nanotexnologiya barcha ishlab chiqarish faoliyatining yangi paradigmasini ishlab chiqishni rag'batlantiradi ("pastdan yuqoriga" - alohida atomlardan - mahsulotga, an'anaviy texnologiyada bo'lgani kabi, "yuqoridan pastga" emas. kattaroq bo'shliqlardan ortiqcha materiallarni kesib tashlash orqali olinadi), bu o'z-o'zidan postindustrial jamiyatda turmush darajasini oshirish va ko'plab ijtimoiy muammolarni hal qilishda yangi yondashuvlar manbai hisoblanadi. Fan-texnika siyosati va investitsiya sohasidagi aksariyat ekspertlarning fikricha, boshlangan nanotexnologiya inqilobi inson faoliyatining barcha hayotiy sohalarini (kosmik tadqiqotlardan tortib tibbiyotgacha, milliy xavfsizlikdan tortib ekologiya va qishloq xo‘jaligigacha) qamrab oladi va uning oqibatlari shunday bo‘ladi. 20-asrning oxirgi uchdan bir qismidagi kompyuter inqiloblariga qaraganda kengroq va chuqurroq. Bularning barchasi nafaqat ilmiy-texnik sohada, balki turli darajadagi rahbarlar, salohiyatli investorlar, ta’lim sohasi, davlat organlari oldida ham vazifa va savollarni qo‘ymoqda. boshqaruv va boshqalar.
So'nggi yillarda nanomateriallar va nanotexnologiyalarning nazariyasi, xususiyatlari va amaliy qo'llanilishi bo'yicha etarli miqdordagi nashrlar paydo bo'ldi. Xususan, bu mavzu Ch.Pool va Jr.F.ning kitobida keng yoritilgan. Ouens, Nanotexnologiya, trans. Ingliz tilidan, 2-chi, qayta ko'rib chiqilgan nashr, ed. "Texnosfera", M., 2006, 335s. Mualliflarning ta'kidlashicha, ushbu kitob dastlab nanotexnologiyaga kirish sifatida rejalashtirilgan bo'lsa-da, bu fanning o'ziga xos xususiyatidan kelib chiqqan holda, u nanotexnologiyaning ma'lum sohalariga kirishga aylangan, shekilli, uning tipik vakillari. Rivojlanishning yuqori tezligi va fanlararo tabiati tufayli mavzuni haqiqatan ham har tomonlama taqdim etish mumkin emas. Taqdim etilgan mavzular muammoni tushunishning erishilgan chuqurligi, ularning potentsial hajmi yoki texnologiyadagi mavjud ilovalari asosida tanlangan. Ko'pgina boblarda hozirgi va kelajakdagi imkoniyatlar muhokama qilinadi. Ushbu texnologiya ishlab chiqilayotgan aniq sohalar haqida ko'proq ma'lumot olishni istaganlar uchun adabiyotlarga havolalar taqdim etiladi.
Mualliflar nanotexnologiya faniga shunday darajada kirishga harakat qildilarki, turli sohalardagi tadqiqotchilar ushbu sohaning rivojlanishini o'zlarining kasbiy manfaatlaridan tashqarida baholashlari va texnik rahbarlar va menejerlar mavzu haqida umumiy ma'lumot olishlari mumkin. Ehtimol, ushbu kitobdan nanotexnologiya bo'yicha universitet kursi uchun asos sifatida foydalanish mumkin. Ko'pgina boblar muhokama qilingan sohalar asosidagi fizikaviy va kimyoviy tamoyillarga kirishlar beradi. Shunday qilib, ko'plab boblar o'z-o'zidan etarli va bir-biridan mustaqil ravishda o'rganilishi mumkin. Shunday qilib, 2-bob quyma materiallarning xususiyatlarini qisqacha ko'rib chiqish bilan boshlanadi, bu materiallarning xususiyatlari qanday va nima uchun ularning strukturaviy birliklarining o'lchamlari nanometrga yaqinlashganda o'zgarishini tushunish uchun zarur. Nanotexnologiyaning bunday jadal rivojlanishi uchun muhim rag'bat bo'lgan yangi asboblar (masalan, skanerlovchi tunnel mikroskopi) yaratilishi bo'lib, bu materiallar yuzasida nanometr o'lchamdagi xususiyatlarni ko'rish imkonini berdi. Shuning uchun 3-bob eng muhim instrumental tizimlarni tavsiflaydi va nanomateriallarda o'lchovlarning rasmlarini taqdim etadi. Qolgan boblarda muammoning boshqa jihatlari ko‘rib chiqiladi. Kitob juda keng muammo va mavzularni qamrab oladi: nanofan va texnologiya ob'ektlarining o'lchamlari va o'lchamlari bilan bog'liq effektlar, nanostrukturali materiallarning magnit, elektr va optik xususiyatlari, ularni tayyorlash va o'rganish usullari, nanostrukturalarda o'z-o'zini yig'ish va katalizlash, nanobiotexnologiya, integratsiyalangan nanoelektromexanik qurilmalar, fulleritlar, nanotubalar va boshqalar. Nanostrukturalar va nanoob'ektlarni tadqiq qilish va sertifikatlashning bir qator zamonaviy usullari tasvirlangan: elektron va ion-maydon mikroskopiyasi, optik, rentgen va magnit spektroskopiya.
Shu bilan birga, alohida bo'limlarning tuzilishi va mazmunidagi bo'shliqlar ham aniq. Shunday qilib, nanoelektronika, spintronika, kvant hisoblash va kompyuterlarga oid yangi g'oyalar haqida ma'lumotlar deyarli yo'q. Ularning aksariyati hatto tilga olinmagan. Tadqiqot, sertifikatlash, litografiya, atom va molekulyar dizaynning o'ta kuchli va keng tarqalgan zondlarni skanerlash usullariga mutlaqo e'tibor berilmagan. Ushbu masalalarga bag'ishlangan kichik bir paragraf zond nanotexnologiyasining o'rni va roliga mutlaqo mos kelmaydi. Juda kamtarona joy zaif supero'tkazuvchanlik va unga asoslangan juda istiqbolli qurilmalarga beriladi. Zamonaviy planar elektronikada muhim rol o'ynaydigan plyonkalar va heterostrukturalar, o'ta qattiq va aşınmaya bardoshli qoplamalar va boshqalar juda kam taqdim etiladi. ing, nano-scraping va boshqalar).
Shuni ham ta'kidlaymizki, nanotexnologiya ob'ektlari va jarayonlarining tizimliligi hech qayerda berilmagan, buning natijasida tajribasiz o'quvchi ushbu kitobni o'qib chiqqandan keyin fanning qaysi qismi bilan tanishishi mumkinligi noaniq bo'lib qolmoqda.
Yuqorida qayd etilgan kamchiliklarga qaramay, umuman olganda, kitobni keng kitobxonlar, jumladan, fizika, kimyo va materialshunoslik mutaxassisliklari talabalari uchun foydali deb hisoblash mumkin. Ikkinchisi ko'proq dolzarbdir, chunki nanotexnologiya bo'yicha rus tilida o'quv adabiyotlari deyarli yo'q va 2003 yilda Rossiyaning 12 universitetida nanomateriallar va nanoelektronika bo'yicha mutaxassislarni tayyorlash tufayli unga bo'lgan ehtiyoj katta.
Mualliflarning barcha g'oyalari va talqinlarini so'zsiz kelishib bo'lmaydi. Biroq matnni ko‘p sonli izohlar, qo‘shimchalar va tanqidlar bilan chigallashtirishga yo‘l qo‘ymaslik uchun tarjima va tahrirda faqat yaqqol ko‘zga tashlanadigan xatolar, nomuvofiqliklar va matn terish xatolari bartaraf etilgan.
Kitobni yozish va uni rus tilida qayta nashr qilish jarayonida ko'plab foydali kitoblar nashr etilgan, ulardan ba'zilari quyida keltirilgan. Ularga ko‘ra, qiziqqan o‘quvchi alohida bo‘limlar va umuman nanotexnologiya panoramasi bilan yanada chuqurroq tanishishi mumkin.
An'anaviy ravishda nanomateriallarga geometrik o'lchamlari kamida bitta o'lchamda 100 nm dan oshmaydigan va sifat jihatidan yangi funktsional va ekspluatatsion xususiyatlarga ega bo'lgan strukturaviy elementlarni (donalar, kristallitlar, bloklar, klasterlar va boshqalar) o'z ichiga olgan dispers va massiv materiallar kiradi. Nanotexnologiyalar nanomateriallarni boshqariladigan tarzda yaratish va o'zgartirish, shuningdek, ularni to'liq ishlaydigan keng ko'lamli tizimlarga integratsiya qilish imkoniyatini beruvchi texnologiyalarni o'z ichiga oladi. Nanomateryallar va nanotexnologiyalar fanining asosiy tarkibiy qismlari orasida quyidagilarni ajratib ko'rsatish mumkin:
nano o'lchovdagi materiallarning xususiyatlarini fundamental tadqiqotlar;
nanomateriallarni maqsadli yaratish uchun nanotexnologiyalarni rivojlantirish, shuningdek, nanostrukturaviy elementlarga ega tabiiy obyektlarni izlash va ulardan foydalanish, nanomateriallardan foydalangan holda tayyor mahsulotlar yaratish hamda nanomateriallar va nanotexnologiyalarni turli sanoat va fanlarga integratsiyalash;
nanomateriallarning tuzilishi va xossalarini o‘rganish vositalari va usullarini, shuningdek, nanotexnologiyalar uchun mahsulotlar va yarim tayyor mahsulotlarni monitoring qilish va sertifikatlash usullarini ishlab chiqish.
XXI asr nanotexnologiyalar va nanomateriallar rivojlanishining inqilobiy boshlanishi bilan belgilandi. Ular allaqachon dunyoning barcha rivojlangan mamlakatlarida inson faoliyatining eng muhim sohalarida (sanoat, mudofaa, axborot sohasi, radioelektronika, energetika, transport, biotexnologiya, tibbiyot) qo'llaniladi. Investitsiyalar hajmining o'sishi, ushbu mavzu bo'yicha nashrlar soni va fundamental va qidiruv ishlanmalarni amalga oshirish sur'atlarini tahlil qilish kelgusi 20 yil ichida nanotexnologiyalar va nanomateriallardan foydalanishni hal qiluvchi omillardan biri bo'ladi degan xulosaga kelishimizga imkon beradi. davlatlarning ilmiy, iqtisodiy va mudofaa rivojlanishi. Hozirgi vaqtda fundamental va amaliy fanlar, shuningdek, sanoat va biznes sohasidagi materiallarning yangi sinfiga qiziqish doimiy ravishda ortib bormoqda. Bu quyidagi sabablarga bog'liq:
mahsulotlarni miniatyuralashtirishga intilish,
nanostrukturaviy holatdagi materiallarning noyob xususiyatlari,
sifat va miqdoriy jihatdan yangi xususiyatlarga ega materiallarni ishlab chiqish va amalga oshirish zarurati;
o'z-o'zini yig'ish va o'z-o'zini tashkil etish tamoyillariga asoslangan yangi texnologik usullar va usullarni ishlab chiqish;
nanomateriallarni tadqiq qilish, diagnostika qilish va modifikatsiyalash uchun zamonaviy asboblarni amaliy tatbiq etish (skanerli zond mikroskopiyasi);
litografiya jarayonlari ketma-ketligi bo'lgan yangi texnologiyalarni, nano kukunlarni olish texnologiyalarini ishlab chiqish va joriy etish.
Nanostrukturaviy tadqiqotlar yo‘nalishi deyarli butunlay nanokristalli moddalar va materiallarni olish va o‘rganishdan nanotexnologiya sohasiga, ya’ni nano o‘lchamli elementlarga ega mahsulotlar, qurilmalar va tizimlar yaratishga o‘tdi. Nano o'lchamli elementlarni qo'llashning asosiy sohalari elektronika, tibbiyot, kimyoviy farmatsevtika va biologiyadir.
Rossiya prezidenti Dmitriy Medvedev mamlakatda nanotexnologiyani muvaffaqiyatli rivojlantirish uchun barcha shart-sharoit mavjudligiga ishonch bildiradi.
Nanotexnologiya - bu so'nggi o'n yilliklarda faol rivojlanayotgan fan va texnologiyaning yangi sohasi. Nanotexnologiyalar faoliyati nanostruktura, ya'ni o'lchamlari 1 dan 100 nanometrgacha bo'lgan uning tartiblangan bo'laklari bilan belgilanadigan materiallar, qurilmalar va texnik tizimlarni yaratish va ulardan foydalanishni o'z ichiga oladi.
Yunon tilidan (yunoncha "nanos" - mitti) olingan "nano" prefiksi milliarddan bir qismini anglatadi. Bir nanometr (nm) metrning milliarddan bir qismidir.
"Nanotexnologiya" (nanotexnologiya) atamasi 1974 yilda Tokio universitetining professor-materialshunos olimi Norio Taniguchi (Norio Taniguchi) tomonidan kiritilgan bo'lib, uni "o'ta yuqori aniqlik va o'ta kichik o'lchamlarga erishish imkonini beruvchi ishlab chiqarish texnologiyasi" deb ta'riflagan. .. 1 nm tartibida ...".
Nanotexnologiya jahon adabiyotida nanotexnologiyadan aniq farqlanadi. Nano o'lchovli fan atamasi nanofan uchun ham qo'llaniladi.
Rus tilida va Rossiya qonunchiligi va me'yoriy-huquqiy hujjatlari amaliyotida "nanotexnologiyalar" atamasi "nanofan", "nanotexnologiyalar" va ba'zan hatto "nanosanoat" (nanotexnologiyalar qo'llaniladigan biznes va ishlab chiqarish sohalari) ni birlashtiradi.
Nanotexnologiyaning eng muhim komponenti hisoblanadi nanomateriallar, ya'ni g'ayrioddiy funktsional xossalari 1 dan 100 nm gacha bo'lgan o'lchamdagi nanofragmentlarning tartiblangan tuzilishi bilan belgilanadigan materiallar.
- nano gözenekli tuzilmalar;
- nanozarrachalar;
- nanotubalar va nanotolalar
- nanodispersiyalar (kolloidlar);
- nanostrukturali yuzalar va plyonkalar;
- nanokristallar va nanoklasterlar.
Nanostizim texnologiyasi- to'liq yoki qisman nanomateriallar va nanotexnologiyalar asosida yaratilgan, funktsional jihatdan to'liq tizimlar va qurilmalar, xususiyatlari an'anaviy texnologiyalar yordamida yaratilgan o'xshash maqsadli tizimlar va qurilmalardan tubdan farq qiladi.
Nanotexnologiyaning qo'llanilishi
Ushbu global texnologiya texnologik taraqqiyotga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin bo'lgan barcha sohalarni sanab o'tish deyarli mumkin emas. Biz ulardan faqat bir nechtasini nomlashimiz mumkin:
- nanoelektronika va nanofotonika elementlari (yarim o'tkazgichli tranzistorlar va lazerlar);
- fotodetektorlar; Quyosh xujayralari; turli sensorlar)
- axborotni o'ta zich qayd qilish uchun qurilmalar;
- telekommunikatsiya, axborot va hisoblash texnologiyalari; superkompyuterlar;
- videotexnika - tekis ekranlar, monitorlar, video proyektorlar;
- molekulyar elektron qurilmalar, shu jumladan molekulyar darajadagi kalitlar va elektron sxemalar;
- nanolitografiya va nanoimprinting;
- yoqilg'i xujayralari va energiya saqlash qurilmalari;
- mikro- va nanomexanika qurilmalari, shu jumladan molekulyar motorlar va nanomotorlar, nanorobotlar;
- nanokimyo va kataliz, shu jumladan yonishni nazorat qilish, qoplama, elektrokimyo va farmatsevtika;
- aviatsiya, kosmik va mudofaa sohalarida qo'llanilishi;
- atrof-muhit holatini kuzatish uchun asboblar;
- dori vositalari va oqsillarni, biopolimerlarni va biologik to'qimalarni davolashni, klinik va tibbiy diagnostikani, sun'iy mushaklar, suyaklarni yaratish, tirik organlarni implantatsiya qilish;
- biomexanika; genomika; bioinformatika; bioinstrumentatsiya;
- kantserogen to'qimalar, patogenlar va biologik zararli moddalarni ro'yxatga olish va aniqlash;
- qishloq xo'jaligi va oziq-ovqat ishlab chiqarishda xavfsizlik.
Kompyuterlar va mikroelektronika
Nanokompyuter- elektron (mexanik, biokimyoviy, kvant) texnologiyalarga asoslangan mantiqiy elementlarning o'lchami bir necha nanometr bo'lgan hisoblash qurilmasi. Nanotexnologiyalar asosida ishlab chiqilgan kompyuterning o'zi ham mikroskopik o'lchamlarga ega.
DNK kompyuter- DNK molekulalarining hisoblash imkoniyatlaridan foydalanadigan hisoblash tizimi. Biomolekulyar hisoblash - bu DNK yoki RNK bilan bog'liq bo'lgan turli xil texnikalarning umumiy nomi. DNK hisoblashda ma'lumotlar nol va birliklar ko'rinishida emas, balki DNK spiral asosida qurilgan molekulyar struktura shaklida ifodalanadi. Ma'lumotlarni o'qish, nusxalash va boshqarish uchun dasturiy ta'minotning rolini maxsus fermentlar bajaradi.
Atom kuch mikroskopi- konsol ignasi (zond) o'rganilayotgan namuna yuzasi bilan o'zaro ta'siriga asoslangan yuqori aniqlikdagi skanerlash zond mikroskopi. Skanerli tunnel mikroskopidan (STM) farqli o'laroq, u o'tkazuvchan va o'tkazmaydigan sirtlarni hatto suyuq qatlam orqali ham tekshira oladi, bu esa organik molekulalar (DNK) bilan ishlash imkonini beradi. Atom kuch mikroskopining fazoviy o'lchamlari konsolning o'lchamiga va uning uchining egriligiga bog'liq. Ruxsat gorizontal ravishda atom darajasiga etadi va vertikal ravishda sezilarli darajada oshadi.
Antenna osilatori- 2005 yil 9 fevralda Boston universiteti laboratoriyasida taxminan 1 mikron o'lchamdagi osilator antennasi qabul qilindi. Ushbu qurilma 5000 million atomga ega va 1,49 gigagerts chastotada tebranish qobiliyatiga ega, bu esa u bilan katta hajmdagi ma'lumotlarni uzatish imkonini beradi.
Nanomedici va farmatsevtika sanoati
Nanomolekulyar darajada inson biologik tizimlarini kuzatish, loyihalash va o'zgartirish uchun nanomateriallar va nanoob'ektlarning noyob xususiyatlaridan foydalanishga asoslangan zamonaviy tibbiyot yo'nalishi.
DNK nanotexnologiyalari- DNK molekulalari va nuklein kislotalarning o'ziga xos asoslaridan foydalanish, ular asosida aniq belgilangan tuzilmalarni yaratish.
Dori vositalari molekulalarining sanoat sintezi va aniq shakldagi farmakologik preparatlar (bis-peptidlar).
2000 yil boshida nanotexnologiyaning yangi sohasini rivojlantirishga turtki bo'ldi - nano o'lchamdagi zarrachalarni ishlab chiqarish texnologiyasining jadal rivojlanishi. nanoplazmonika. Plazmon tebranishlarini qo'zg'atish orqali elektromagnit nurlanishni metall nanozarrachalar zanjiri bo'ylab uzatish mumkin bo'ldi.
Robototexnika
Nanobotlar- nanomateriallardan yaratilgan va hajmi bo'yicha molekula bilan taqqoslanadigan, harakat qilish, ma'lumotlarni qayta ishlash va uzatish, dasturlarni bajarish funktsiyalariga ega robotlar. O'zlarining nusxalarini yaratishga qodir nanorobotlar, ya'ni. o'z-o'zini ko'paytirish replikatorlar deyiladi.
Hozirgi vaqtda harakatlanish qobiliyati cheklangan elektromexanik nanoqurilmalar allaqachon yaratilgan, ularni nanorobotlarning prototipi deb hisoblash mumkin.
Molekulyar rotorlar- Sintetik nano o'lchovli motorlar, ularga etarli energiya qo'llanilganda tork hosil qila oladi.
Rossiyaning nanotexnologiyalarni rivojlantiruvchi va ishlab chiqaruvchi davlatlar orasida o'rni
Nanotexnologiyalar sohasiga jami investitsiyalar hajmi boʻyicha jahon yetakchilari Yevropa Ittifoqi davlatlari, Yaponiya va AQSh hisoblanadi. So'nggi paytlarda Rossiya, Xitoy, Braziliya va Hindiston bu sohaga sarmoyalarni sezilarli darajada oshirdi. Rossiyada "2008-2010 yillarda Rossiya Federatsiyasida nanosanoat infratuzilmasini rivojlantirish" dasturi doirasida moliyalashtirish hajmi 27,7 milliard rublni tashkil qiladi.
Londonda joylashgan Cientifica tadqiqot kompaniyasining "Nanotexnologiyalar istiqbollari to'g'risida hisobot" deb nomlangan so'nggi (2008 yil) hisobotida Rossiya investitsiyalari haqida so'zma-so'z shunday deyilgan: "Yevropa Ittifoqi hali ham sarmoya kiritish bo'yicha birinchi o'rinni egallab turgan bo'lsa-da, Xitoy va Rossiya allaqachon o'tib ketgan. Qo'shma Shtatlar."
Nanotexnologiyada shunday yo'nalishlar borki, rus olimlari yangi ilmiy yo'nalishlarni rivojlantirishga asos solgan natijalarni qo'lga kiritib, dunyoda birinchi bo'lishdi.
Ular orasida o'ta nozik nanomateriallar ishlab chiqarish, bitta elektronli qurilmalarni loyihalash, shuningdek, atom kuchi va skanerlash zond mikroskoplari sohasidagi ishlar mavjud. Faqat XII Sankt-Peterburg iqtisodiy forumi (2008 yil) doirasida o'tkazilgan maxsus ko'rgazmada bir vaqtning o'zida 80 ta aniq ishlanmalar namoyish etildi.
Rossiya allaqachon bozorda talabga ega bo'lgan bir qator nanomahsulotlarni ishlab chiqaradi: nanomembranalar, nano changlar, nanotubalar. Biroq, ekspertlarning fikricha, Rossiya nanotexnologik ishlanmalarni tijoratlashtirish bo‘yicha AQSh va boshqa rivojlangan davlatlardan o‘n yil orqada.
Material ochiq manbalardan olingan ma'lumotlar asosida tayyorlangan
