Nanoteknologiat ja niiden sovellusalueet. Viite. Nanomateriaalit ja nanoteknologia Nanoteknologiaan liittyvät tieteenalat

Venäjän presidentti Dmitri Medvedev uskoo, että maassa on kaikki edellytykset nanoteknologian menestyksekkäälle kehitykselle.

Nanoteknologia on uusi tieteen ja teknologian suunta, joka on kehittynyt aktiivisesti viime vuosikymmeninä. Nanoteknologiaan kuuluu materiaalien, laitteiden ja teknisten järjestelmien luominen ja käyttö, joiden toiminnan määrää nanorakenne eli sen järjestyneet fragmentit, joiden koko vaihtelee 1-100 nanometrin välillä.

Etuliite "nano", joka tulee kreikan kielestä ("nanos" kreikaksi - gnome), tarkoittaa yhtä miljardiosaa. Yksi nanometri (nm) on metrin miljardisosa.

Termin "nanoteknologia" loi vuonna 1974 Tokion yliopiston materiaalitutkija Norio Taniguchi, joka määritteli sen "valmistusteknologiaksi, jolla voidaan saavuttaa erittäin suuri tarkkuus ja erittäin pienet mitat...1 luokkaa nm...” .

Maailmankirjallisuudessa nanotiede erotetaan selvästi nanoteknologiasta. Termiä nanomittakaava tiede käytetään myös nanotieteestä.

Venäjän kielessä ja Venäjän lainsäädännön ja säädösasiakirjojen käytännössä termi "nanoteknologia" yhdistää "nanotieteen", "nanoteknologian" ja joskus jopa "nanoteollisuuden" (liiketoiminnan ja tuotannon alat, joilla nanoteknologiaa käytetään).

Nanoteknologian tärkeimmät komponentit ovat nanomateriaalit eli materiaaleja, joiden epätavalliset toiminnalliset ominaisuudet määräytyvät niiden nanofragmenttien järjestyneen rakenteen perusteella, joiden koko vaihtelee välillä 1-100 nm.

- nanohuokoiset rakenteet;
- nanohiukkaset;
- nanoputket ja nanokuidut
- nanodispersiot (kolloidit);
- nanorakenteiset pinnat ja kalvot;
- nanokiteet ja nanoklusterit.

Nanosysteemitekniikka- toiminnallisesti täydelliset järjestelmät ja laitteet, jotka on luotu kokonaan tai osittain nanomateriaalien ja nanoteknologioiden pohjalta ja joiden ominaisuudet poikkeavat radikaalisti perinteisiä teknologioita käyttäen luotujen, vastaaviin tarkoituksiin käytettävien järjestelmien ja laitteiden ominaisuuksista.

Nanoteknologian sovellusalueet

On lähes mahdotonta luetella kaikkia aloja, joilla tämä globaali teknologia voi merkittävästi vaikuttaa teknologian kehitykseen. Voimme mainita niistä vain muutaman:

- nanoelektroniikan ja nanofotoniikan elementit (puolijohdetransistorit ja laserit;
- valokuvailmaisimet; Aurinkokennot; erilaiset anturit);
- erittäin tiheät tiedontallennuslaitteet;
- televiestintä-, tieto- ja laskentateknologiat; supertietokoneet;
- videolaitteet - litteät näytöt, näytöt, videoprojektorit;
- molekyylielektroniikkalaitteet, mukaan lukien kytkimet ja elektroniset piirit molekyylitasolla;
- nanolitografia ja nanoimprinting;
- polttokennot ja energian varastointilaitteet;
- mikro- ja nanomekaniikan laitteet, mukaan lukien molekyylimoottorit ja nanomoottorit, nanorobotit;
- nanokemia ja katalyysi, mukaan lukien palamisen ohjaus, pinnoitus, sähkökemia ja lääkkeet;
- ilmailu-, avaruus- ja puolustussovellukset;
- ympäristönvalvontalaitteet;
- lääkkeiden ja proteiinien kohdennettu jakelu, biopolymeerit ja biologisten kudosten parantaminen, kliininen ja lääketieteellinen diagnostiikka, keinotekoisten lihasten, luiden luominen, elävien elinten istuttaminen;
- biomekaniikka; genomiikka; bioinformatiikka; bioinstrumentointi;
- syöpää aiheuttavien kudosten, patogeenien ja biologisesti haitallisten tekijöiden rekisteröinti ja tunnistaminen;
- turvallisuus maataloudessa ja elintarviketuotannossa.

Tietokoneet ja mikroelektroniikka

Nanotietokone— elektronisiin (mekaanisiin, biokemiallisiin, kvantti)tekniikoihin perustuva laskentalaite, jonka loogisten elementtien koko on useiden nanometrien luokkaa. Itse tietokoneella, joka on kehitetty nanoteknologian pohjalta, on myös mikroskooppiset mitat.

DNA tietokone- laskentajärjestelmä, joka käyttää DNA-molekyylien laskentaominaisuuksia. Biomolekyylilaskenta on kollektiivinen nimi erilaisille tekniikoille, jotka liittyvät tavalla tai toisella DNA:han tai RNA:han. DNA-laskennassa dataa ei esitetä nollien ja ykkösten muodossa, vaan DNA-kierteen pohjalta rakennetun molekyylirakenteen muodossa. Tietojen lukemiseen, kopioimiseen ja hallintaan tarkoitettujen ohjelmistojen roolia suorittavat erityiset entsyymit.

Atomivoimamikroskooppi- korkearesoluutioinen pyyhkäisykoetinmikroskooppi, joka perustuu ulokeneulan (sondin) vuorovaikutukseen tutkittavan näytteen pinnan kanssa. Toisin kuin pyyhkäisytunnelointimikroskoopilla (STM), se pystyy tutkimaan sekä johtavia että johtamattomia pintoja jopa nestekerroksen läpi, mikä mahdollistaa työskentelyn orgaanisten molekyylien (DNA) kanssa. Atomivoimamikroskoopin spatiaalinen resoluutio riippuu ulokkeen koosta ja sen kärjen kaarevuudesta. Tarkkuus saavuttaa atomin vaakasuunnassa ja ylittää sen huomattavasti pystysuunnassa.

Antenni-oskillaattori- 9. helmikuuta 2005 Bostonin yliopiston laboratoriosta hankittiin antennioskillaattori, jonka mitat ovat noin 1 mikroni. Tässä laitteessa on 5000 miljoonaa atomia ja se pystyy värähtelemään 1,49 gigahertsin taajuudella, mikä mahdollistaa valtavien tietomäärien välittämisen.

Nanomelääketiede ja lääketeollisuus

Suunta modernissa lääketieteessä, joka perustuu nanomateriaalien ja nanoobjektien ainutlaatuisten ominaisuuksien käyttöön ihmisen biologisten järjestelmien seurantaan, suunnitteluun ja muokkaamiseen nanomolekyylitasolla.

DNA nanoteknologia- käyttää erityisiä DNA-emäksiä ja nukleiinihappomolekyylejä luodakseen selkeästi määriteltyjä rakenteita niiden pohjalta.

Lääkemolekyylien ja selkeästi määritellyn muodon farmakologisten valmisteiden teollinen synteesi (bis-peptidit).

Vuoden 2000 alussa nanopartikkelitekniikan nopea kehitys antoi sysäyksen uuden nanoteknologian alan kehitykselle: nanoplasmoniikka. Osoittautui mahdolliseksi siirtää sähkömagneettista säteilyä metallinanohiukkasten ketjua pitkin käyttämällä plasmonivärähtelyjen viritystä.

Robotiikka

Nanorobotit- nanomateriaaleista luodut ja kooltaan molekyyliin verrattavat robotit, joilla on liiketoimintoja, tietojen käsittelyä ja siirtoa sekä ohjelmien suorittamista. Nanorobotit, jotka pystyvät luomaan kopioita itsestään, ts. itsensä lisääntymistä kutsutaan replikaattoreiksi.

Tällä hetkellä on jo luotu liikkumisrajoitteisia sähkömekaanisia nanolaitteita, joita voidaan pitää nanorobottien prototyypeinä.

Molekyyliroottorit- synteettiset nanokokoiset moottorit, jotka pystyvät tuottamaan vääntömomentin, kun niihin kohdistetaan riittävästi energiaa.

Venäjän paikka nanoteknologiaa kehittävien ja tuottavien maiden joukossa

Maailman johtajia nanoteknologian kokonaisinvestoinneissa ovat EU-maat, Japani ja Yhdysvallat. Viime aikoina Venäjä, Kiina, Brasilia ja Intia ovat lisänneet investointejaan merkittävästi tälle toimialalle. Venäjällä "Nanoteollisuuden infrastruktuurin kehittäminen Venäjän federaatiossa 2008 - 2010" -ohjelman rahoituksen määrä on 27,7 miljardia ruplaa.

Lontoossa toimivan Cientifican viimeisin (2008) raportti, nimeltään Nanotechnology Outlook Report, kuvaa venäläisiä investointeja sanatarkasti seuraavasti: ”Vaikka EU on edelleen investointien kärjessä, Kiina ja Venäjä ovat jo ohittaneet Yhdysvallat. ”

Nanoteknologiassa on alueita, joilla venäläisistä tiedemiehistä tuli ensimmäisiä maailmassa saatuaan tuloksia, jotka loivat perustan uusien tieteellisten suuntausten kehitykselle.

Niitä ovat ultradispersioiden nanomateriaalien tuotanto, yksielektronilaitteiden suunnittelu sekä työ atomivoiman ja pyyhkäisyanturimikroskopian alalla. Vain Pietarin XII talousfoorumin (2008) puitteissa järjestetyssä erikoisnäyttelyssä esiteltiin 80 erityistä kehitystä kerralla.

Venäjällä valmistetaan jo useita nanotuotteita, joilla on kysyntää markkinoilla: nanokalvoja, nanojauheita, nanoputkia. Asiantuntijoiden mukaan Venäjä on kuitenkin nanoteknologisen kehityksen kaupallistamisessa kymmenellä vuodella jäljessä Yhdysvalloista ja muista kehittyneistä maista.

Materiaali on laadittu avoimista lähteistä saatujen tietojen pohjalta

Tämän osion materiaalien hallitsemisen tuloksena opiskelijoiden tulee:

tietää

• nanoteknologian peruskäsitteet, nanotieteen ja nanoteknologian kehitysnäkymät;
• nanopartikkelien tuotantoteknologiat;

pystyä

Käytä nanomateriaaleja ja nanoteknologiaa nykyaikaisten ja lupaavien tuotteiden tuotannossa;

oma

• nanoteknologian alan tutkimustulosten analysointitaidot;
• nanomateriaalien tutkimusmenetelmiä.

PERUSKÄSITTEET JA MÄÄRITELMÄT

Nanoteknologian historia. Peruskonseptit

Tämän uuden tieteen ja teknologian suunnan kehittäminen on jo noussut ensisijaiseksi tehtäväksi monissa maissa, myös Venäjällä. Nanoteknologiaan perustuvien uusien mahdollisuuksien käytännön toteuttamisen monimutkaisimpien ongelmien ratkaisemiseksi valtiot ja yritykset osoittavat valtavia summia rahaa, luovat erityisiä ohjelmia, projekteja ja tieteellisiä koordinointikeskuksia nanoteknologialle. Tämän alan tieteellisten julkaisujen määrä on lisääntynyt merkittävästi ympäri maailmaa. Nanomateriaaleja ja nanoteknologioita koskevat tiedot sisältyvät teknisten korkeakoulujen opetussuunnitelmiin, osa niistä on aloittanut asiantuntijoiden kouluttamisen uudelle nopeasti kehittyvälle tieteenalalle, jonka pohjalta on saatu jo hämmästyttäviä tuloksia lähes kaikilla ihmisen toiminnan osa-alueilla. tulevaisuus lupaa vieläkin dramaattisempia saavutuksia, jotka ovat verrattavissa upeimpiin ideoihin.

On selvää, että laaja tieteen ja teknologian kenttä 2000-luvulla. yhdistetään käsitteeseen "nanoteknologia". Jos sana "techno" käännetään kreikasta ( tekniikka) tarkoittaa taidetta, taitoa, käsityötä ja "logiaa" (logot)- tiede, sana "nano" on myös kreikkalaista alkuperää ( nanos) ja tarkoittaa kääpiötä. Jo nyt on käytössä sellaisia ​​termejä kuin "nanofysiikka", "nanokemia", "nanohuokoinen", "nanokiteinen", "nanokomposiittimateriaalit" jne.

Itse asiassa nano tarkoittaa vain yhtä miljardiosaa (10 9) metristä - nanometriä (nm). Tätä arvoa voidaan vain kuvitella spekulatiivisesti. Esimerkiksi 1 nm on atomin tai molekyylin koon suuruusluokka; tämän kokoinen lanka on useita kymmeniä tuhansia kertoja ohuempi kuin ihmisen hiukset.

Nanoteknologia Näin ollen se voidaan määritellä joukoksi menetelmiä tietyn atomirakenteen omaavien tuotteiden valmistamiseksi käsittelemällä atomeja ja molekyylejä.

Samaan aikaan on huomattava, että nanomateriaalien alan terminologia on jossain määrin vasta syntymässä ja vakiintumassa. Siten on olemassa lähestymistapa nanohiukkasten määrittämiseen niiden geometristen parametrien perusteella. Erityisesti hiukkaset, joiden koko on 1 - 100 nm, luokitellaan nanorakenteisiksi. 100 nm:n raja valittiin sillä perusteella, että tästä koosta alkaen ja sen alapuolella materiaalin erityiset fysikaaliset, mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet, mukaan lukien lujuus, kovuus jne., tulevat selvästi esiin.

On olemassa muitakin lähestymistapoja, jotka ottavat huomioon useiden rajapintojen roolin ottaen huomioon niiden tilavuusosuuden materiaalin kokonaismäärässä. Jotkut tutkijat perustavat nanomateriaalien luokittelunsa erityisiin fysikaalisiin ilmiöihin, jotka ilmenevät tietyssä hiukkaskoossa. Yleisin ja siksi hyväksytty määritelmä on kuitenkin: nanomateriaalit- nämä ovat materiaaleja, jotka sisältävät rakenteellisia elementtejä, joiden geometriset mitat vähintään yhdessä ulottuvuudessa eivät ylitä 100 nm ja joilla on laadullisesti uusia ominaisuuksia, toiminnallisia ja suorituskykyisiä ominaisuuksia.

Muita termejä löytyy kirjallisuudesta: "ultradispersiset materiaalit", "ultradispersiset järjestelmät", "nanorakenteiset materiaalit", "nanokiteiset materiaalit".

Nykyiset nanomateriaalit voidaan jakaa useisiin ryhmiin:

• a) materiaalit (kiintoaineet), joiden mitat ovat vähintään yksi koordinaatti alle 100 nm;
• b) materiaalit mikroesineiden muodossa, joiden koko vaihtelee 1 mikronista 1 mm:iin;
• c) bulkkinanomateriaalit, joiden mitat ovat useita millimetrejä. Ne koostuvat kuitenkin nanokokoisista elementeistä, joiden raekoko on 1 - 100 nm;
• d) nanorakenteiset komposiittimateriaalit. Tällaisissa komposiiteissa modifioijat ovat erityyppisiä nanopartikkeleita.

Nanoteknologian kehityksen historia voidaan jäljittää muinaisiin ajoiin. Itse asiassa se oletus, että kaikki aineet koostuvat pienestä hiukkasesta, jota kutsutaan atomiksi, oli jo välttämätön askel nanoteknologian ideoiden myöhemmässä toteuttamisessa. Ja kreikkalainen filosofi Demokritos teki tämän ottamalla käyttöön "atomin" käsitteen 2400 vuotta sitten. Amerikkalainen fyysikko Richard Feynman (1959) perusti ajatuksen aineellisten esineiden luomisesta suoraan atomeista manipuloimalla niitä. Vuonna 1974 japanilainen fyysikko Porio Toniguchi toi "nanoteknologian" käsitteen tieteelliseen liikkeeseen.

Venäjällä nanoteknologian teoreettinen tutkimus vastasi käytännössä kansainvälistä tasoa. Tämän alan tutkimukseen tarkoitettujen kotimaisten tarkkuuslaitteiden kehittämisessä oli jonkin verran viivettä. Nanoteknologian nopeutetun kehityksen edistyminen liittyi nimenomaan ainutlaatuisen tekniikan luomiseen, joka mahdollistaa mikromaailman tutkimisen aiemmin tuntemattomilla mahdollisuuksilla. Jopa tehokkaimmat olemassa olevat elektronimikroskoopit tekivät mahdolliseksi erottaa atomihilat, mutta atomit piti nähdä - vasta silloin voitiin harjoittaa nanotieteitä.

Vuonna 1981 G. Biening ja G. Rohrsr rakensivat ns. tunneliefektiin perustuvan pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM) ja käyttivät sitä kullan ja piin pinnan kuvaamiseen atomiresoluutiolla. STM on varustettu ohuimmalla johtavalla neula-anturilla. Koetin liikkuu noin 0,5 nm:n etäisyydellä tutkittavan pinnan yläpuolella. Anturin päälle syötetään jatkuva matala jännite, joka luo tunnelivirran. Seuraavaksi pieni muutos koettimen ja tutkittavan metallin pinnan välisessä etäisyydessä johtaa merkittävään muutokseen virta-arvossa, joka luonnehtii STM:n herkkyyttä. Seurantajärjestelmä skannaa pintaa niin, että luotain seuraa jatkuvasti sen topografiaa. Skannausliikkeiden tarkkuus saavuttaa nanometrin tuhannesosat. Tämä tarkkuus saavutetaan käyttämällä erityistä pietsokeraamisesta materiaalista valmistettua mekaanista manipulaattoria.

Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi on osoittautunut erittäin hyödylliseksi ja herkäksi työkaluksi nanokokoisten esineiden tutkimiseen. Sen keksinnöstä vuonna 1985 tiedemiehet saivat Nobel-palkinnon. Sitä voitaisiin kuitenkin käyttää sähkövirtaa johtavien materiaalien tutkimiseen, mikä oli melko vakava rajoitus tutkijoille.

Vuonna 1986 IBM:n laboratoriossa (sivukonttori Zürichissä, Sveitsissä) luotiin seuraavan sukupolven mikroskooppi, atomivoimamikroskooppi (ACM). Se perustuu atomien välisten sidosten käyttöön. Kun koetin (timanttineula) liikkuu tutkittavan kohteen pinnan yli, syntyy vuorovaikutusvoima anturin ja pinnan välille.

Kun ohuin neula lähestyy atomia, vetovoimat ensin lisääntyvät ja jatkossa jopa hylkiminen. Herkät anturit välittävät tämän vaikutuksen tietokoneelle, joka muuntaa signaalin näkyväksi kuvaksi. Tämä mikroskooppi, toisin kuin ACM, on universaali työkalu materiaalien tutkimiseen; se on löytänyt laajempaa sovellusta.

Johdanto.

Useita nanoobjekteja on tunnettu ja käytetty jo jonkin aikaa. Näitä ovat: kolloidit, hienot jauheet, ohuet kalvot.

1) R. Feynman on Nobel-palkittu. "Sikäli kuin näen, fysiikan periaatteet eivät kiellä yksittäisten atomien manipulointia" 1959

2) 1996 R. Young ehdotti ideaa pietsomoottoreista, jotka tarjoavat nyt nanoteknologian työkalujen tarkan liikkeen 0,01 Å:n tarkkuudella. Å=

3) Vuonna 1974 Norio Taniguchi käytti ensimmäisen kerran termiä "nanoteknologia".

4) Vuosina 1982-1985. Saksalainen professori G. Gleiter ehdotti käsitteen kiinteän kappaleen nanorakenne.

5) Vuonna 1985 tutkijaryhmä Robert Curl, Harold Kroto ja Richard Smalley löysi fullereenit ja loi teorian CNT:istä, jotka saatiin kokeellisesti vuonna 1991.

6) Vuonna 1982 G. Biening ja G. Rohrer loivat ensimmäisen pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM).

7) Vuonna 1986 ilmestyi skannaava atomivoimamikroskooppi.

8) Vuosina 1987-1988 esiteltiin ensimmäisen nanoteknologisen asennuksen toimintaperiaate, joka mahdollisti yksittäisten atomien manipuloinnin. (Neuvostoliitossa)

E. Drexler - tiivisti kaiken tiedon nanoteknologiasta, määritteli käsitteen itseään toistuvista molekyyliroboteista, joiden oli tarkoitus koota ja hajottaa, tallentaa tietoa muistiin atomitasolla, tallentaa itsetoisto-ohjelmia ja toteuttaa ne.

9) Vuonna 1990 IBM piirsi STM:n avulla 3 kirjainta. Ne piirrettiin Xe-atomeilla (35 atomia) nikkelikiteen tasaiselle pinnalle.

Tähän mennessä ns. teknisiä menetelmiä kehitetään jo. atomien konjugaatio pinnoilla ja erilaisten atomiyhdistelmien muodostuminen tilavuudessa - huoneenlämpötilassa.

Nanoteknologian realistisin tulos on niin kutsuttu atomirakenteiden itsekokoonpano. Nykyaikaisen nanoteknologian tehtävänä on löytää luonnonlakeja, jotka varmistaisivat atomirakenteiden kokoamisen.

Nanoobjektin käsite, nanomateriaali, nanoteknologia.

Nano - "". Siten nanoteknologian piiriin kuuluvat objektit, joiden koko mitataan nm:ssä ainakin yhdessä ulottuvuudessa. Todellisuudessa tarkasteltavien kohteiden valikoima on paljon laajempi - yksittäisen atomin koosta orgaanisten molekyylien ryhmittymään (orgaaniset molekyylit, jotka sisältävät yli 10 9 atomia, joiden mitat ovat yli 1 mikroni 1,2 tai 3 ulottuvuudessa. Se on pohjimmiltaan on tärkeää, että nämä objektit eivät koostu b.b-luvun atomeista, mikä saa aikaan aineen erillisen atomi-molekyylirakenteen tai sen käyttäytymisen kvanttilakien ilmentymisen.

1) Nanoobjektin määritelmä. Mikä tahansa fyysinen objekti, jonka mitat ovat nanometrit 1x, 2x, 3x tilakoordinaateissa (pian ehkä ajoissa).

2) Nanoobjektin määritelmä. Nanoobjekti on mikä tahansa aineellinen esine, jossa pintaa lähellä olevien atomien lukumäärä on verrattavissa tilavuudessa sijaitsevien atomien määrään tai suurempi.

3) Nanoobjektin määritelmä. Nanoobjekti on objekti, jonka mitat ovat 1 tai useampia koordinaatteja, jotka ovat verrattavissa elektronien de Broglien aallonpituuteen. (Vuonna 1924 fyysikko de Broglie sanoi, että aalto-hiukkasten kaksinaisuus fotonien suhteen on luontaista jokaiselle luonnon hiukkaselle). , jossa h on Planckin vakio, p on liikemäärä. Electronilla on suurin de Broglie-aalto.

4) Nanoobjektin määritelmä. He nimeävät esineitä, jotka niiden ulottuvuudessa ovat pienempiä kuin tapahtuman kriittinen koko. (koko on oikeassa suhteessa tietyn kriittisen ilmiön polarisaatiosäteeseen, elektronien keskimääräiseen vapaaseen polkuun, magneettisen domeenin kokoon, kiinteän faasin ytimien kokoon).

5) Nanoobjektin määritelmä. Nanoobjekti on kohde, jonka koko on alle 100 nm vähintään yhdessä kolmesta avaruudellisesta ulottuvuudesta. 100 nm on de Broglien aallonpituus elektronille p/p:nä.

Nanomateriaaleiksi kutsutaan itse nanoobjekteiksi (jos niitä käytetään laitteiden ja laitteiden valmistukseen erilaisiin teknisiin tarkoituksiin) sekä materiaaleja, joissa nanoobjekteilla muodostetaan tiettyjä ominaisuuksia näissä materiaaleissa, tai nanorakenteisiksi materiaaleiksi. Käsite "nanoteknologia" liittyy läheisesti "nanomateriaalien" käsitteeseen.

Termi "teknologia" viittaa kolmeen käsitteeseen:

1) tekninen prosessi
2) joukko teknisiä asiakirjoja

3) Tieteellinen tieteenala, joka tutkii prosesseihin ja tuotteisiin liittyviä malleja.

Nanoteknologia on tieteellinen tieteenala, joka tutkii nanomateriaalien käsittelyn ja käytön malleja.

Fyysiset syyt nanopartikkelien ja nanomateriaalien spesifisyyteen.

1) Nanoobjekteissa lähellä pintaa tai raerajaa olevien atomien lukumäärästä tulee verrattavissa atomien määrään. Sijaitsee tilavuudessa.

2) Pinnalla sijaitsevissa atomeissa myös askelmien ja askelmien solmukohdissa on pieni määrä valmiita sidoksia. Toisin kuin kiinteän kappaleen tilavuudessa sijaitsevat atomit. Tämä johtaa nanoobjektien ja monostrukturoitujen materiaalien kemiallisen ja katalyyttisen aktiivisuuden erilaiseen kasvuun. Lisäksi kulkeutuminen hiiliatomeista tapahtuu pintaa pitkin paljon nopeammin, ts. lisäämällä diffuusiomigraationopeutta, uudelleenkiteytymistä sekä sorptiokapasiteettia jne.

3) Nanoobjekteilla lineaari- ja pintajännityksen kuvavoimat ovat paljon suurempia kuin nanoobjekteilla, koska Siirtyessään pois pinnasta kiinteän kappaleen tilavuudessa nämä voimat heikkenevät merkittävästi. Näiden voimien suuruus johtaa nanoobjektin tilavuuden puhdistumiseen kiderakenteen vikojen voimien vuoksi. Nanoobjektilla on täydellisempi kiderakenne kuin nanoobjektilla.

Kuvavoimat ovat saaneet nimensä sähkökenttien laskentamenetelmästä.

4) Nanoobjekteissa sironnan, rekombinaation ja heijastuksen aiheuttamat ulottuvuusvaikutukset esineiden rajoilla (puhumme mikrohiukkasten liikkeestä) tulevat suureksi merkitykseksi.

Kaikissa siirtoilmiöissä (sähkövirta, lämmönjohtavuus, muovi, muodonmuutos jne.)

Kantajille voidaan määrittää tietty tehokas keskimääräinen vapaa polku, kun kohteen koko>>kantoaineen keskimääräinen vapaa polku, kantoaaltojen sironta- ja kuoleman prosessi riippuu heikosti kohteen geometriasta. Jos kohteen koko on verrattavissa kantoaallon keskimääräiseen vapaaseen polkuun, niin nämä prosessit tapahtuvat voimakkaammin ja ne riippuvat voimakkaasti näytteen geometriasta.

5) Nanohiukkasten koko on verrattavissa tai pienempi kuin uuden vaiheen ytimen, domeenin, dislokaatiosilmukan jne. Tämä johtaa nanoobjektien ja nanomateriaalien magneettisten ominaisuuksien (Fe-nanohiukkasella ei ole magneettisia ominaisuuksia), dielektristen ominaisuuksien ja lujuusominaisuuksien radikaaliin heikkenemiseen verrattuna makroobjekteihin.

6) Pienelle määrälle aineen atomeja on ominaista pinnan rekonstruktio, itseorganisoituminen ja itsekokoontuminen. nuo. Kun atomi yhdistetään klusteriksi, muodostuu geometrisia rakenteita, joita voidaan myöhemmin käyttää teknisten ongelmien ratkaisemiseen

Kuva 1 - Atomien välinen vuorovaikutusvoima.

7) Nanoobjekteissa ilmenee erilaisten alkuainehiukkasten (elektronien) kvanttikäyttäytymismalleja. Kvanttimekaniikan asemasta katsottuna elektroni voidaan esittää aallolla, joka kuvaa vastaavia aaltofunktioita. Tämän aallon etenemistä kiinteässä aineessa säätelevät ns. kvanttirajoitus (aaltohäiriö, mahdollisuus tunneloida mahdollisten esteiden läpi). Metallimateriaalien osalta alkuainehiukkasten aaltoluonteen asettamat rajoitukset eivät ole vielä relevantteja, koska niille (elektroneille) de Broglie-aalto λe< 1мм, число составляет несколько атомарных размеров. А в п/п эффективная масса электрона и его скорость движения таковы, что длины волны де Бройля для электрона λe может составлять от 10 до 100 мм. Причем, размеры формируемых структур а п/п уже соизмеримы с данными величинами. Современные микропроцессоры (флэш память) || расстояние между контактами от 0.03мкм до 30мкм.

8) Kun nanoobjektin ulottuvuus pienenee, elektronin energiaspektrin diskretisoitumisaste kasvaa. Kvanttipisteessä (kirjaimellisesti useista atomeista koostuva esine) elektronit hankkivat sallittujen energioiden spektrin, joka on käytännössä samanlainen kuin yksittäinen atomi.

NANOOBJEKTIEN LUOKITUS.

Nanoobjektin ulottuvuus on perusta nanoobjektien luokittelulle.

Mittojen mukaan ne erotetaan:

1) 0-D nanoobjektit ovat niitä, joiden kaikki 3 avaruudellista ulottuvuutta ovat nanometrin alueella (karkeasti kaikki 3 ulottuvuutta<100нм)

Tällainen esine on makroskooppisessa mielessä nollaulotteinen ja siksi elektronisten ominaisuuksien kannalta tällaisia ​​kohteita kutsutaan kvanttipisteiksi. Niissä de Broglie-aalto on suurempi kuin mikään avaruudellinen ulottuvuus. Kvanttipisteitä käytetään lasertekniikassa, optoelektroniikassa, fotoniikassa, antureissa jne.

2) 1-D-nanoobjektit ovat kohteita, joilla on nanometrimitat kahdessa ulottuvuudessa ja makroskooppiset mitat kolmannessa. Näitä ovat: nanolangat, nanokuidut, yksi- ja moniseinäiset nanoputket, orgaaniset makromolekyylit, mm. DNA:n kaksoiskierteet.

3) 2-D nanoobjektit ovat niitä, joiden nanometrin koko on vain yhdessä ulottuvuudessa, ja kahdessa muussa tämä koko on makroskooppinen. Tällaisia ​​kohteita ovat: ohuet pinnanläheiset kerrokset homogeenista materiaalia: kalvot, pinnoitteet, kalvot, monikerroksiset heterorakenteet. Niiden lähes kaksiulotteisuus mahdollistaa elektronikaasun ominaisuuksien, elektronisten siirtymien (p-n-liitosten) ominaisuuksien muuttamisen jne. Juuri 2-D-nanoobjektit mahdollistavat perustan radioelektroniikkaan pohjimmiltaan uuden alkuainepohjan kehittämiselle. Tämä on nanoelektroniikkaa, nanooptiikkaa jne.

Tällä hetkellä 2-D-nanoobjektit toimivat useimmiten kaikenlaisina fraktionesto-, korroosionestopinnoitteina jne. Niillä on myös suuri merkitys erilaisten kalvojen luomisessa molekyylisuodattimissa, sorbenteissa jne.

NANOMATERIAALIN LUOKITUS.

Ottaen huomioon sen tosiasian, että tällä hetkellä tunnetut nanomateriaalit tulivat moderniin nanoteknologiaan eri tieteen ja teknologian aloilta, hyväksyttävää yhtenäistä luokitusta ei yksinkertaisesti ole olemassa millään perusteella.

Nanomateriaalit:

Bulkkinanorakenteiset materiaalit

Nanoklusterit, nanopartikkelit, nanojauheet

Monikerroksiset nanofilmit, monikerroksiset nanorakenteet, monikerroksiset nanopinnoitteet.

Toiminnalliset (älykkäät) nanomateriaalit

Nanohuokoinen

Fullereenit ja niiden johdannaiset nanoputket

Biologiset ja bioyhteistyömateriaalit

Nanorakenteiset nesteet: kolloidit, geelit, suspensiot, polymeerikomposiitit

Nanokomposiitit.

NANOHIUKSET, NANOJAUHEET

Ensimmäiset nanohiukkaset loivat ihmiset tahattomasti, vahingossa erilaisissa teknologisissa prosesseissa. Tällä hetkellä niitä alettiin suunnitella ja valmistaa erityisesti, mikä loi perustan nanoteknologialle. Nanoteknologian kehitys on johtanut joidenkin perusperiaatteiden perusteelliseen tarkistamiseen:

Polku" ylhäältä alas"– nanoteknologian yleinen paradigma (ylimäärä leikataan pois työkappaleesta)

Nanoteknologia tarjoaa tavan " alas ylös"– pienestä suureen (atomista esineeseen). Tämä on nanoteknologian paradigma.

Pohjimmiltaan tällä hetkellä nanoteknologiaa hallitsevat tekniset tekniikat, jotka ovat tulleet meille makroteknologiasta. Luoda nanopartikkeleita, jotka kuuluvat 0-D-objektien luokkaan. Nykyaikaiset nanoteknologiat käyttävät dispersiomenetelmää, ts. hiominen. Tavanomainen dispersio ei sovellu minkä tahansa makroskooppisen esineen jauhamiseen (dispergointiin) nanokokoon. Mitä pienempi hiukkaskoko on, sitä suurempi on niiden pinnan aktiivisuus, minkä seurauksena yksittäiset hiukkaset yhdistyvät tilaviksi konglomeraatteiksi. Siksi ultrahieno dispersio vaatii tietyn tyyppisen väliaineen käyttöä pinta-aktiivisten aineiden muodossa, jotka vähentävät pintajännitysvoimia, sekä stabilointiaineita. Saippuaa muistuttavat koostumukset, jotka estävät uudelleensulautumisen. Tietyissä olosuhteissa. Kun pintaenergia kiinteän aineen rajalla pienenee suuresti, dispergointiprosessi voi tapahtua spontaanisti, johtuen. Esimerkiksi hiukkasten lämpöliike. Näillä menetelmillä voidaan tuottaa Me-jauheita, joiden hiukkaskoot ovat kymmeniä nm. Näiden metallien oksidit, joiden hiukkaskoko on 1 nm. Ja myös polymeerien, keraamisten komponenttien jne.

Jauhatusmenetelmät: kuulamylly, tärymylly, attraktorit, suihkumyllyt.

1)

2) Dispersion lisäksi käytetään laajalti prosessia, joka on kahden rajan paradigmien yhdistelmä. Tämä prosessi sisältää kiinteän aineen haihdutuksen, jota seuraa kondensaatio erilaisissa olosuhteissa. Esimerkiksi 5000-10000 °C:seen kuumennetun aineen höyryn kondensaatio jäähdytetyssä inertissä kaasuympäristössä, jolloin tuloksena oleva jauhe poistetaan nopeasti kondensaatiovyöhykkeestä. Tällä tavalla on mahdollista saada jauheita, joiden hiukkaskoot ovat 3-5 nm.

1 – Haihtuvan aineen lähde

2- Pumppaus

3 – jauhe

4 – Kaavin

5 – Kondensaatiorumpu

3) Kolmas menetelmä liittyy myös perinteiseen dispersioon ja sitä kutsutaan sulan aineen ruiskuttamiseksi jäähdytettyyn kaasu- tai nestevirtaan.

N 2 , Ar 2 voivat toimia kaasuväliaineena suihkussa, joka kaataa pisaran, ja alkoholit, vesi ja asetoni voivat toimia nesteenä. Tällä tavalla voidaan saada partikkeleita, joiden koko on noin 100 nm.

Kaikki kuvatut prosessit ovat erittäin tuottavia, mutta ne eivät yleensä tarjoa jauheen ultradispersiota, hiukkaskokojen stabiilisuutta eivätkä takaa prosessin puhtautta. Nämä eivät ole ainoita tunnettuja tapoja muodostaa nanopartikkeleita. Ultrahienojen jauheiden lisäksi 0-D-nanoobjekteihin kuuluvat myös fullereenit ja hiili-0-D-nanoobjektit.

Luku 1- D nanoobjektit.

Jokainen näistä nanoobjekteista löytää sovelluksensa useilla tekniikan aloilla. Esimerkiksi nanolankoja ehdotetaan käytettäväksi johtimina submikronisissa ja nanoelektronisissa kokoonpanoissa. Nanokuituja käytetään nanorakenteisten nanokomposiittikuitujen elementtinä. Orgaanisia makromolekyylejä käytetään myös nanorakenteisten materiaalien luomisessa.

Lääketieteessä, kemianteollisuudessa.

Elektroniikassa 1-D-nanoobjekteista, kuten nanoputkista, on tullut erittäin tärkeitä. Yleisesti ottaen kaikki nanoputket on jaettu kahteen suureen luokkaan:

1) Hiilinanoputket (CNT).

2) Hiilittömät nanoputket.

Lisäksi kaikki nanoputket eroavat kerrosten lukumäärästä: yksikerroksinen, kaksikerroksinen, monikerroksinen.

HIILITTOMAT NANOTUBIT

Kaikki muut kuin CNT:t on jaettu kahteen järjestelmään:

1) Hiiltä sisältävät siirtymänanorakenteet

2) Dikalkogenidin nanoputket. Tällä hetkellä MoS 2, WS 2, WSe 2, MoTe 2 jne. tunnetaan dikalkogenidiputkista. Tällaiset nanoputket ovat erittäin ohuita, mieluiten yksiatomisia kerroksia materiaaleista, jotka on rullattu rullalle.

Jotkut kerrosmateriaalit rullaavat kemiallisten sidosten epäsymmetrian vuoksi melko vapaasti sellaisiksi rulliksi itsestään, ja ainoa ongelma tällaisten rakenteiden muodostuksessa on saada aikaan vapaa kerros atomikokoista ainetta, joka ei ole yhteydessä mihinkään. Muut materiaalit eivät ole alttiita spontaanille laskostumiselle, ja siksi parhaillaan kehitetään teknisiä menetelmiä, jotka mahdollistavat nanoputkien pakotetun muodostamisen. Tällaisille prosesseille on 3 vaihtoehtoa:

1) Heteroepitaksiaalinen kasvu ohuille materiaalikerroksille, joista haluamme muodostaa nanoputken, perustuen olemassa olevaan nanoputkeen. Esimerkki GaN→ZnO

Tämän menetelmän suurin haittapuoli on, että on vaikea valita materiaaliparia heteroepitaksiaalista kasvua varten

2) Yksiseinäiset nanoputket, jotka on saatu pelkistämällä peräkkäin alkuperäinen nanolanka elektronisäteellä. Esimerkki: Kulta- ja platinananoputket. D Pt-nanoputket – 0,48 nm.

3) Se perustuu ohuen, jännittyneen, useita yksikerroksisia kerroksia paksuisen heteroepitaksiaalisen rakenteen kasvattamiseen tasaiselle alustalle, minkä jälkeen tämä heterorakenne irrotetaan liitoksestaan ​​alustan kanssa ja rullataan putkeksi tai rullaksi. 1ml – yksi yksikerros.

Taittoprosessi tapahtuu atomien välisten voimien vaikutuksesta jännittyneessä heterofilmissä.

Sen kanssa hyvin sopusoinnussa oleva AlAs kasvatetaan In:lle heteroepitaksimenetelmällä, sitten tälle rakenteelle kasvatetaan AsIn-kerros HE-menetelmällä. Sen kidehilaparametrit ovat suuremmat kuin AlA:illa, ja siksi tämän kerroksen kasvaessa se näyttää kutistuvan. Sitten tälle kerrokselle kasvatetaan uudelleen GaAs-kerros HE-menetelmällä. Mutta toisin kuin AsIn, tällä kerroksella on pienempi kidehilaparametri (pienempi yksikkösolukoko) ja päinvastoin, se venyttää sitä. Tämän seurauksena, kun alamme syövyttää AsAl-kerrosta, vapautunut InAs c AsGa -rakenne alkaa taittumaan putkeen niiden voimien vuoksi, jotka laajentavat InAs-kerrosta ja supistavat GaAs-kerrosta.

Menetelmän edut:

1) Putkien halkaisija vaihtelee suuresti ja on helposti määriteltävissä valitsemalla sopivat materiaalit heterorakenteeseen.

2) Menetelmän avulla voit käyttää lähes mitä tahansa materiaaleja (p/p, Me, dielektrit) ja rullata ne kaikki nanoputkiksi.

3) Hyvälaatuiset ja suhteellisen pitkät putket tasaisella seinämänpaksuudella.

4) Menetelmä sopii hyvin integroidun IC-piiritekniikan kanssa.

5) Tällaisten nanoputkien fysikaaliset ominaisuudet määräytyvät alkuperäisen heterorakenteen materiaalien mukaan.

2- D NANOOBJECTS (OHUT FILOVOT)

Tekniikassa käytetty. Kuten peitteet. Ohutkalvopinnoitteiden luominen mahdollistaa lähdemateriaalin ominaisuuksien merkittävän muuttamisen ilman, että se vaikuttaa tilavuuteen tai kasvattaa geometrisia mittoja. Paksuus enintään 1 mikroni. Yleisimmät pinnoitustarkoitukset ovat:

1) Lisää eri osien materiaalien kulutuskestävyyttä, lämpö- ja korroosionkestävyyttä.

2) Tasomaisen, yksikerroksisen luominen. Monikerroksiset ja heterorakenteet mikro0-elementeille, nanoelektroniikan, optoelektroniikan, antureiden jne.

3) Pinnan optisten ominaisuuksien muuttaminen (kameleonttilasit)

4) magneettisten ympäristöjen luomiseen elementeissä tiedon tallentamista ja tallentamista varten.

5) Optisten tietojen tallennus- ja tallennusvälineiden luominen. CD-levyt, DVD-levyt.

6) Absorberien, kaasuseosten erottimien, katalyyttien, kemiallisesti modifioitujen kalvojen jne. luominen. On olemassa kaksi pohjimmiltaan erilaista lähestymistapaa pinnan suorituskykyominaisuuksien parantamiseen (eli kalvojen luomiseen niille):

1) Pintaläheisten kerrosten modifiointi erilaisilla käsittelyillä (kemiallinen, lämpö, ​​mekaaninen, säteily tai niiden yhdistelmät).

2) vieraiden atomien lisäkerrosten levittäminen.

Kaikki pinnoitusmenetelmät voidaan yhdistää kahteen ryhmään:

1) Fysikaalinen höyrysaostus. PVD

2) Kemiallinen höyrylaskeuma. CVD

Molemmissa tapauksissa prosessi suoritetaan tyhjiökammiossa, jossa joskus syntyy prosessikaasun pieni paine (suhteellisen kemiallisesti neutraalit kaasut - Ar, N 2, eteeni)

Fysikaaliset höyrypinnoitustekniikat (PVD) käyttävät ensisijaisesti kahta menetelmää uuden materiaalin toimittamiseksi alustalle.

1) Lämpölämmityksestä johtuva sputterointi (kuumennus voidaan suorittaa useilla eri tavoilla: resistiivinen, elektronisuihku, induktio, laser jne.

2) Sputterointi neutraalien kaasujen, esimerkiksi Ar-ionien, kiihdytettyjen ionien liike-energiasta Ek. Positiivinen Ar-ioni pommittaa katodia, katodilla on sputteroituneen materiaalin kohde jne. tämän materiaalin fysikaalista hajaantumista tapahtuu.

Ainoa ero on materiaalin ruiskutusmenetelmissä

Laaja valikoima pinnoitteita levitetään fysikaalisilla höyrypinnoitusmenetelmillä, koska... Näillä menetelmillä on laaja valikoima etuja:

1) Laaja valikoima materiaaleja. Joita voidaan käyttää tällä tavalla (Me. Seokset, polymeerit, jotkut kemialliset yhdisteet)

2) Mahdollisuus saada korkealaatuisia pinnoitteita erittäin laajalla alustan lämpötila-alueella.

3) Tämän prosessin korkea puhtaus takaa hyvän sidoksen laadun.

4) Ei merkittäviä muutoksia osien mitoissa.

Kemiallisissa höyrypinnoitusmenetelmissä kiinteät tuotteet (kalvo) kasvavat substraatille kemiallisen reaktion seurauksena, jossa on mukana kammion työilmakehän atomeja. Jonkin sähköpurkauksen plasmaa, joskus lasersäteilyä, käytetään energialähteenä tällaisessa reaktiossa. Tämän tyyppiset teknologiset prosessit ovat monipuolisempia kuin edellinen. Sitä ei käytetä vain pinnoitteiden luomiseen, vaan myös nanojauheiden valmistukseen, jotka sitten poistetaan alustan pinnalta.

Tällä tavalla on mahdollista saada kemiallisia yhdisteitä hiilikarbidien, N-nitridien, oksidien jne. kanssa.

Kemiallisen höyrypinnoituksen edut ovat:

1) joustavuus ja laaja valikoima, mikä mahdollistaa pinnoitteiden levittämisen erityyppisille ja -muotoisille alustoille (kuiduille, jauheille jne.)

2) Tarvittavien teknisten laitteiden suhteellinen yksinkertaisuus. Helppo automaatio.

3) Laaja valikoima kemiallisia reaktioita ja käyttöön sopivia aineita

4) Pinnoiterakenteen, sen paksuuden ja raekoon säädettävyys ja ohjattavuus.

5) rakeet ovat monikiteisen rakenteen elementtejä, niitä kiteitä, jotka muodostavat monikiteitä.

Epitaksiaalisilla prosesseilla on tärkeä rooli ohutkalvorakenteiden tuotannossa. Epitaksi on teknologinen prosessi, jossa materiaalikerros kasvatetaan suunnatulla tavalla saman tai toisen materiaalin pinnalle, ts. substraatti, joka suorittaa orientoivan vaikutuksen luomisen. Jos substraatin ja kalvon materiaalit ovat samat, prosessia kutsutaan autoepitaksiaksi; jos substraatin ja kalvon materiaalit ovat erilaisia, niin kyseessä on heteroepitaksia. Kaikki epitaksiaaliset prosessit on jaettu kahteen luokkaan:

1) Prosessit kantajaväliaineella (nestefaasi- ja kaasufaasiepitaksi).

2) Ilman kantajaväliainetta (tyhjiöepitaksia). Molekyylisuihku tai molekyylisuihkuepitaksi.

Nestefaasiepitaksi. Edut haitat.

Nestefaasiepitaksia käytetään pääasiassa monikerroksisten puolijohdeyhdisteiden, kuten GaAs, CdSnP2; on myös tärkein menetelmä monokiteisen piin valmistukseen. Prosessi suoritetaan typen ja vedyn ilmakehässä (oksidikalvojen palauttamiseksi substraattien ja sulatteen pinnalle) tai tyhjiössä (oksidikalvojen pelkistämisen jälkeen). Sula levitetään alustan pinnalle liuottaen sen osittain ja poistaen lian ja viat.

Kaasufaasi epitaksi. Edut haitat.

Höyryfaasiepitaksi on puolijohteiden epitaksiaalisten kerrosten valmistaminen kerrostamalla höyry-kaasufaasista. Yleisimmin käytetty pii-, germanium- ja galliumarsenidipuolijohde- ja IC-teknologiassa. Prosessi suoritetaan ilmakehän paineessa tai alennetussa paineessa erityisissä pysty- tai vaakareaktoreissa. Reaktio tapahtuu 750 - 1200 °C:een kuumennettujen substraattien (puolijohdekiekkojen) pinnalla

Molekyylisäteen (säteen) epitaksi. Edut haitat.

Molecular beam epitaxy (MBE) tai Molecular Beam epitaxy (MBE) on epitaksiaalinen kasvu ultrakorkeassa tyhjiöolosuhteissa. Mahdollistaa tietyn paksuisten heterorakenteiden kasvun monoatomisesti sileillä heterorajapinnoilla ja tietyllä dopingprofiililla. Epitaksiprosessi vaatii erityisiä, hyvin puhdistettuja substraatteja, joiden pinta on atomisesti sileä.

Suuntautunut laajennus. Paljaalla silmällä näkyy kiteinen kappale - tasainen, kova pinta.

Mikroskoopin läpi: atomi- ja kemialliset sidokset

Jokaisella suoraan pinnalla sijaitsevalla atomilla on roikkuva, epätäydellinen kemiallinen sidos. Ja tämä yhteys edustaa minimi Ep.

Substraattiatomien orientoiva vaikutus vapaan atomin sijaintiin, kun se kerrostetaan pinnalle.

HIILINANOMATERIAALEJA

Amerikkalainen arkkitehti Fuller toi arkkitehtuuriin uuden suunnitteluelementin.

Vuonna 1985 Hiilihiukkasia löydettiin liittyneenä samanlaiseen rakenteeseen. Näitä aineita kutsuttiin fullereeneiksi. Fullereeni C-60 (60 atomia C), fullereeni C-70 (70 atomia C), fullereeni C-1000000 on mahdollista.

Hiiliatomit voivat muodostaa erittäin symmetrisen C-60-molekyylin, joka koostuu 60 atomista ja sijaitsee pallossa, jonka halkaisija on 1 nm. Lisäksi Leonhard Eulerin lauseen mukaisesti hiiliatomit muodostavat 12 säännöllistä viisikulmiota ja 20 säännöllistä kuusikulmiota.

C-60-molekyylit puolestaan ​​voivat muodostaa fulleriittiksi kutsutun kiteen, jossa on kasvokeskeinen kuutiohila (fcc) ja melko heikot molekyylien väliset sidokset. Ottaen huomioon, että fullereenit ovat paljon suurempia kuin atomit, hila osoittautuu löyhästi pakkautuneeksi, ts. sen tilavuudessa on oktaedrisiä onteloita ja tetraedrisiä onteloita, joihin vieraita atomeja voidaan sijoittaa. Jos täytät oktaedriset ontelot alkalime-ioneilla (K, Rb, Cs), huoneenlämpötilan alapuolella fullereeni muuttuu pohjimmiltaan uudeksi polymeerimateriaaliksi, joka on erittäin kätevää muodostaa polymeeriaihiosta maanläheisessä avaruudessa. (esimerkiksi kuplia). Jos tetraedriontelot täytetään muilla ioneilla, syntyy uutta suprajohtavaa materiaalia, jonka kriittinen t=40÷20 K. Fulleriitit toimivat pohjana uusien ainutlaatuisten materiaalien syntymiselle, koska ne kykenevät adsorboimaan erilaisia ​​aineita. Esimerkiksi C 60 C 2 H 4:llä on voimakkaita ferromagneettisia ominaisuuksia. Tällä hetkellä tunnetaan ja käytetään yli 10 000 lajia. Hiilestä voidaan saada molekyylejä, joissa on jättimäinen määrä atomeja. Esimerkiksi C 1000000. Nämä ovat useimmiten yksi- tai moniseinäisiä CNT:itä (pitkänomaisia ​​nanoputkia). Samaan aikaan tällaisen nanoputken halkaisija on ≈1 nm ja pituus on yksikköä, kymmeniä mm - maksimipituus. Tällaisen putken päät on suljettu 6 tavallisella viisikulmiolla. Tällä hetkellä tämä on kestävin materiaali. Grafeeni on säännöllinen kuusikulmio, sillä on litteä rakenne, mutta se voi olla myös aaltoilevaa, jos grafeenilevyä ei luoda vuorottelevista säännöllisistä kuusikulmioista, vaan 5-7 kolmion yhdistelmästä.

HIILINANOMATERIAALIN SYNTEESI.

Ensimmäiset fullereenit eristettiin kondensoituneista grafiittihöyryistä, jotka saatiin laserhaihduttamalla kiinteitä grafiittinäytteitä. Vuonna 1990 Useat tiedemiehet (Kretcher, Hoffman) ovat kehittäneet menetelmän usean gramman kokoisten fullereenien tuottamiseksi. Menetelmä koostui grafiittisauvojen - elektrodien polttamisesta kaaressa He-ilmakehässä alhaisissa paineissa. Optimaalisten prosessiparametrien valinta mahdollisti käyttökelpoisten fullereenien saannon optimoinnin, joka tangon alkumassasta on 3-5 % anodin massasta, mikä osittain selittää fullereenien korkeaa hintaa. Japanilaiset kiinnostuivat tästä. Mitsubishi onnistui saamaan aikaan sopivien fullereenien teollisen tuotannon polttamalla hiilivetyjä. Mutta sellaiset fullereenit eivät ole puhtaita; ne sisältävät O 2:ta. Siksi ainoa puhdas tapa saada se on polttaa Hän ilmakehässä.

Fullereenien tuotantoon ja niiden puhdistamiseen tarkoitettujen laitosten kokonaismäärän suhteellisen nopea kasvu johti niiden hintojen merkittävään laskuun (alku 1 gramma - 10 000 dollaria ja nyt - 10 ÷15 dollaria). Fullereenin (samoin kuin muun hiilen n/m) korkea hinta ei selity pelkästään alhaisella % saannolla, vaan myös monimutkaisella puhdistusjärjestelmällä. Vakiopuhdistusjärjestelmä: poltettaessa muodostuu jotain noen kaltaista. Se sekoitetaan liuottimen (tolueenin) kanssa, sitten tämä seos suodatetaan, sitten tislataan pois sentrifugissa niin, että suurimmat eristetään jäljelle jääneistä pienistä inkluusioista. Sitten se haihdutetaan. Jäljelle jäänyt tumma sedimentti on hienojakoinen seos erilaisista fullereeneista. Tämä seos on jaettava yksittäisiin komponentteihin. Tämä tehdään käyttämällä nestekromatografiaa, korkearesoluutioista elektronimikroskopiaa ja pyyhkäisykoettimikroskoopiaa.

Aluksi CNT:itä tuotettiin myös grafiitin sähkökaarella tai laserhaihdutuksella, mitä seurasi kondensaatio inertissä kaasuympäristössä. Tämä menetelmä osoittautui kaukana parhaasta. Siksi tällä hetkellä käytännöllisin menetelmä on kemiallinen höyrypinnoitus. Tätä varten otetaan hiiltä sisältävä yhdiste, esimerkiksi asetyleeni, ja hajotetaan se erittäin kuuman Me-katalyytin pinnalle. Ja tämän katalyytin pinnalla CNT:t alkavat kasvaa tiheässä joukossa. Tätä reaktiota kutsutaan kaasumaisten hiilivetyjen katalyyttiseksi pyrolyysiksi. Useimmiten toteutettu pyörivissä putkiuuneissa. Tässä tapauksessa Fe, Co, Ni toimivat katalyytteinä, joiden hiukkaset on kyllästetty zeoliittipaloilla. Zeoliitti on luonnollinen mineraali. Toisin kuin sähkökaari, laser ja muut korkean lämpötilan synteesityypit, katalyyttinen pyrolyysi mahdollistaa hiilinanorakenteiden tuotannon teollisessa mittakaavassa laboratoriomittakaavassa, ja vaikka ne ovat vähemmän puhtaita ja koostumukseltaan epäyhtenäisiä, niitä voidaan käyttää. Grafeeni – grafiittihiukkanen. Grafeenihiutaleet asetetaan hapettuneelle Si-substraatille, mikä mahdollistaa grafeenin tutkimisen itsenäisenä materiaalina, ts. sähkömittauksia varten. Esimerkkinä on kemiallinen menetelmä grafeenin valmistamiseksi: kiteinen grafiitti altistetaan HCl:lle ja H2SO4:lle, mikä johtaa hapettumiseen näiden grafeenilevyjen reunoilla. Grafeenin karboksyyliryhmä muunnetaan klorideiksi käsittelemällä tionyylikloridia. Sitten oktadekyyliamiinin vaikutuksesta tetrahydrofuraanien, hiilitetrakloridin ja dikloorietaanin liuoksissa tapahtuu muunnos 0,54 nm paksuiksi grafeenikerroksiksi.

Menetelmä grafeenin valmistamiseksi piikarbidisubstraateille, jossa grafeeni muodostuu piikarbidin lämpöhajoamisesta substraatin pinnalla. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tässä tapauksessa vapautuvan grafiittikerroksen paksuus on suurempi kuin yksi atomikerros, mutta koska Piikarbidin SiC:n rajapinnalle muodostuu elektronien työfunktioiden erosta johtuen kompensoimaton varaus, jolloin johtavuuteen osallistuu vain yksi atomikerros grafiittia, eli tämä kerros on itse asiassa grafeenia.

HIILINANOMATERIAALIN KÄYTTÖ

1) Fullereeneja käytetään optisten tietovälineiden muokkaamiseen.

2) Pohjimmiltaan uusien komposiittimateriaalien tuotantoon, sekä nanoputkien että fullereenin sekoituksin

3) Erittäin koville pinnoitteille. Työkalujen pinnat, hankausosat jne. Saavuta timantin ominaisuudet kovuudessa.

4) Voiteluaineille ja lisäaineille.

5) Konteille ns vetypolttoainetta, jota käytetään myöhemmin kemiallisena energialähteenä

6) Fysikaalisia ja kemiallisia vaikutuksia tallentavien nanosensorien valmistukseen. Herkkyys – 1 vieraan aineen molekyyli.

7) Anturit skannaavaan mikroskopiaan.

8) Atomimanipulaattorien valmistukseen

9) Nanomekaanisten tiedontallennuslaitteiden valmistukseen.

10) Nanojohteiden, nanovastusten, nanotransistorien, nanooptisten elementtien valmistukseen.

11) Sähkömagneettista säteilyä ja korkeita lämpötiloja vastaan ​​suojattujen näyttöjen valmistukseen. Stealth-tekniikkaa.

12) Nanosäiliöitä huumeille voidaan valmistaa.

13) Suurikokoisten taso-rinnakkaisnäyttöjen tuotantoon teräväpiirto ja kirkkaus.

SKANNAUSTUNNELIMIKROSKOOPIN (STM) TOIMINTAPERIAATE

Jos tuot kaksi erillistä atomia riittävän lähelle toisiaan, elektroneja voidaan vaihtaa näiden atomien välillä ilman, että nämä elektronit hankkivat lisäenergiaa. Näin ollen, jos otat kaksi kappaletta ja tuoda ne yhteen riittävän välimatkan päähän, niin näiden kappaleiden välillä kulkee tunnelisähkövirta, koska prosessia, jossa elektronit kulkevat potentiaaliesteen läpi hankkimatta energiaa, kutsutaan tunneloimiseksi. Tämän toteuttamiseksi on täytettävä kaksi ehtoa:

1) Toisessa kappaleessa on oltava vapaita elektroneja ja toisessa tulee olla täyttämättömiä elektronitasoja, joille nämä elektronit voivat liikkua.

2) On tarpeen soveltaa potentiaalieroa kappaleiden välillä, ja sen arvo on pienempi kuin ilmaraon murtumisen aikana.

STM:ssä yksi sellaisista kappaleista on koetin.

Kun koetin ja kohteen pinta lähestyvät noin 0,5 nm:n etäisyyttä (kun lähimpänä olevien atomien aaltofunktiot alkavat mennä päällekkäin) ja kun potentiaaliero ≈0,1÷1 V on käytössä, ns. nimeltään virtaus alkaa anturin ja kohteen välillä. tunnelivirta.

Tämän tunnelointivirran säteen halkaisija on ≈0,4 nm, mikä tarjoaa mikroskoopin korkean resoluution kohdetasolla. Tunnelin virta tulee olemaan 3 nA. On tärkeää huomata, että kun etäisyys L muuttuu 0,1 nm, tunnelointivirta muuttuu kertoimella 10. Tämä varmistaa mikroskoopin korkean resoluution kohteen korkeudella. Itse asiassa mittausprosessin aikana koetin, joka liikkuu kohteen pinnan yläpuolella, ylläpitää vakiokorkeutta.

Anturin ja sen koordinaattien sijainnin kiinnittäminen XYZ-järjestelmässä mahdollistaa pinnan profiilin seuraamisen ja sen muuntamisen vastaavaksi kuvaksi näyttöruudulla.

Koska Anturin ja tutkittavan pinnan välinen etäisyys mittausprosessin aikana on enintään 0,3÷1 nm, jolloin voidaan väittää, että mittausprosessi todella muuttuu tyhjiössä. Ilmassa - 20 nm. Itse asiassa ympäristö vaikuttaa pintaan adsorboituneiden molekyylien ansiosta.

TEKNISET OMINAISUUDET SKANNAUSTUNNELIMIKROSKOOPIN (STM)

Tärkeimmät tekniset ominaisuudet ovat:

1) Resoluutio normaali tutkittavan kohteen pintaan nähden

2) Resoluutio XY-tasossa, ts. kohteen pinnan tasossa

STM:n korkea resoluutio objektin pintaan nähden on noin 0,01 nm. Määritetään tunnelivirran jyrkän eksponentiaalisen riippuvuuden perusteella kohteen ja anturin välisestä etäisyydestä. XY-tasolla korkean resoluution tarjoaa tunnelointivirran elektronisuihkun halkaisija, joka puolestaan ​​riippuu anturin neulan teroitusasteesta. Kun koetin ohittaa toistuvasti ≈0,02 nm:n askeleella, resoluutio XY-tasolla voi olla 0,03 nm. STM:n todellinen resoluutio riippuu monista tekijöistä, joista tärkeimmät ovat: ulkoinen tärinä, akustinen melu ja anturien laatu. Mikroskoopin resoluution lisäksi tärkein ominaisuus on ns. hyödyllinen lisäys,

missä dG = 200 µm (silmäresoluutio), dM on mikroskoopin suurin resoluutio. dM = 0,03 nm (STM:lle). Että. kerran. Vertailun vuoksi: parhaimmilla optisilla mikroskoopeilla on ajat

Muita tärkeitä STM:n ominaisuuksia:

Skannauskentän enimmäiskoko on 1x1 µm.

Anturin maksimiliike OZ:ia pitkin (mittausprosessin aikana) ei läheskään ylitä 1 µm.

Periaatteessa nykyaikaiset mikroskoopit voivat tarjota jopa useiden satojen skannauskentän, mutta tarkkuus heikkenee. Pinnan profiilin mittaamisen ja sen visuaalisen mallin luomisen lisäksi STM antaa mahdollisuuden arvioida materiaalin sähkönjohtavuuden tyyppiä (p/p:lle), määrittää IC:n valenssikaistan parametrit, johtavuuskaistan. GB ja epäpuhtauksien energiaominaisuudet (eli määrittävät epäpuhtaustasojen sijainnin). Määritä kohteen pinnalla olevien atomien välisen sidoksen kemiallinen tyyppi; määrittää kohteen tai pintakerroksen pinnan kemiallisen koostumuksen - ns. STM-spektroskopia.

ATOMIC FORCE MICROSCOPE (SCANNING FORCE MICROSCOPE) ACM.

Erona STM:stä on se, että anturit (ulokkeet) eivät ole vuorovaikutuksessa tutkittavan pinnan kanssa sähköisesti vaan voimalla.

Kahden atomin voiman riippuvuus etäisyydestä. Torjuntavoima kasvaa . On pohjimmiltaan mahdotonta yhdistää kahta atomia yhdessä pisteessä avaruudessa.

Ulokkeen kärki koskettaa kohteen pintaa ja hylkii sen, kun se lähestyy atomien välisen vuorovaikutuksen etäisyyttä. Ulokemittapään värähtelyt muunnetaan sähköisiksi signaaleiksi eri tavoin (yksinkertaisin on optinen menetelmä). Optinen menetelmä:

Tämä signaali sisältää tietoa korkeudesta. Johon uloke laskeutui tietyssä mittausvaiheessa. Tämän tutkittavan tason liikemekanismeista saadaan tietoa liikkeestä XY-tasossa.

Optisten muunnosmenetelmien lisäksi voidaan käyttää kapasitiivisia tai tunneliantureita, koska tutkittavan kohteen ja anturin välillä (AFM-mikroskoopin e-tilassa), AFM voi tutkia paitsi johtavia, myös dielektrisiä kohteita. Vaatimukset esineelle - sen on oltava sileä (jotta ei ole suuria korkeuseroja) ja kiinteä (kaasumaisten ja nestemäisten esineiden tutkimisessa ei ole mitään järkeä).

AFM:n resoluutio riippuu suoraan anturin teroituksen laadusta.

Tämän tyyppisen mikroskopia tärkeimmät tekniset vaikeudet:

1) Vaikeus valmistaa yhden atomin kokoiseksi teroitettu koetin.

2) Tarjoaa mekaanista. Mukaan lukien. Lämpö- ja tärinästabiilisuus on parempi kuin 0,1 Å.

3) Ilmaisimen luominen. Pystyy tallentamaan niin pieniä liikkeitä.

4) Skannausjärjestelmän luominen Å:n murto-osien askelilla.

5) Varmistetaan, että anturin neula lähestyy tasaisesti pintaa.

Pyyhkäisyelektronimikroskooppiin (SEM) verrattuna AFM:llä on useita etuja:

1) AFM mahdollistaa todella kolmiulotteisen pinnan kohokuvion, kun taas SEM tarjoaa 2D-kuvan

2) AFM:llä katsottuna johtamaton pinta ei vaadi metallikerroksen levittämistä.

3) SEM vaatii tyhjiön normaalia toimintaa varten, mutta AFM ei vaadi tyhjiötä.

4) AFM voi mahdollisesti tarjota korkeamman resoluution kuin SEM
AFM:n haittoja voidaan harkita:

1) Pieni skannauskentän koko (verrattuna SEM:ään).

2) Tiukat vaatimukset skannattavan pinnan korkeuserojen koolle. SEM:ssä näemme tiedoston, mutta AFM:ssä emme.

3) Anturin geometrialle tiukat vaatimukset. Mikä on erittäin helppo vahingoittaa.

4) Vääristymien käytännön väistämättömyys. Joka esittelee tutkittavan pinnan atomien lämpöliikkeen. Tämä epäkohta voitaisiin poistaa, jos skannausnopeus ylittää molekyylien lämpöliikkeen nopeuden, ts. joka hetki kuva on erilainen.

Kaikki nämä ongelmat kompensoidaan tavalla tai toisella mittaustulosten ohjelmistokäsittelyllä, mutta tulee kuitenkin muistaa, että tietokoneen näytöllä näkemämme ei ole todellinen pinta, vaan malli, ja mallin luotettavuusaste on kysymyksessä.

Tällä hetkellä pyyhkäisyanturimikroskoopit (STM ja AFM) ovat löytäneet laajan sovelluksen kaikilla tieteenaloilla (fysiikka, kemia, biologia, materiaalitiede).

Nanoteknologian anturikoneet.

Aluksi, kun perusmahdollisuus yksittäisten atomien siirtämiseen STM-luotaimella vahvistettiin, tiedemiehet kokivat jonkin verran euforiaa - he haaveilivat jo kaikenlaisten esineiden kokoamisesta ei vain nanomaailmasta, vaan myös makromaailmasta. Siitä huolimatta STM-mikroskoopin saavutuksiin perustuen on luotu laitteita, joita kutsutaan nanoteknologian anturikoneiksi. Jos kohteen ja koettimen välille kohdistetaan suurempi potentiaaliero kuin kohteen pinnan parametreja mitattaessa, mikä tahansa pinnan atomi voidaan virittää (revitä irti pinnasta) energialla. Tämä innostunut atomi. Pääsääntöisesti se tarttuu anturiin, ja vastaavasti se voidaan siirtää tällä anturilla uuteen paikkaan, ja kun anturin syötetty energia laskee (potentiaalieron pienentyessä), se lasketaan jälleen pinta. Mutta tuolloin ei ratkaistu ongelmaa (pakotettujen) vieraiden atomien kiinnittämisestä esineen pinnalle muissa olosuhteissa kuin absoluuttisessa nollassa tai lähellä absoluuttista nollaa.

Tutkimuksemme ansiosta tiedämme nyt eri materiaalien atomien viritysenergiat ja kysymys atomikaasun syöttämisestä STM-anturin toiminta-alueelle on ratkaistu. Itse asiassa se on laitteen läsnäolo, joka syöttää atomikaasua työalueelle, mikä erottaa anturin nanoteknologisen koneen STM:stä.

Tällä hetkellä on jo kehitetty periaatteet usean mittapään koneiden ohjaamiseen, mikä mahdollistaa niiden tuottavuuden lisäämisen, mikä lisää todennäköisyyttä tällaisen koetin-atomi-kokoonpanon laajemmalle käyttöönotolle ja viime kädessä alhaalta ylös -kokoonpanon kustannustehokkaaksi. .

MIHIN SUUNTAIN NANOTEKNOLOGIA KEHITTYY?

1) Suunta toteutetaan "alhaalta ylös", eli. atomi kokoonpano.

2) Uusien nanomateriaalien luominen makroskooppisilla ja fysikaalis-kemiallisilla menetelmillä.

NANOTEKNOLOGIAN SAAVUTUKSET.

1) Nanometripintaohjauksella on kysyntää esimerkiksi piilolinssien ja nanoelektronisten laitteiden valmistuksessa.

2) Pyyhkäisyanturimikroskopian tarkkuus on tällä hetkellä vertaansa vailla. Sen avulla voit etsiä ja siirtää yksittäisiä atomeja ja luoda atomiryhmiä. Tällaiset mallit eivät kuitenkaan sovellu massakäyttöön.

Lupaavin materiaali nanoteknologian kannalta on hiili C, jolla on ainutlaatuiset kemialliset ominaisuudet:

1) Voit luoda molekyylejä, joissa on rajoittamaton määrä atomeja.

2) Siinä on isomorfinen kidehila, ts. erityyppisiä kidehilaa.

Tällä hetkellä nanoteknologiaan sijoitetaan valtavia summia.

Termi "nanoelektroniikka" liittyy loogisesti termiin "mikroelektroniikka" ja heijastaa nykyaikaisen puolijohdeelektroniikan siirtymistä elementeistä, joilla on ominaiskoko mikroni- ja submikronialueella, elementteihin, joiden koko on nanometrialueella. Tämä teknologian kehitysprosessi heijastaa Mooren empiiristä lakia, jonka mukaan transistorien määrä sirulla kaksinkertaistuu puolentoista kahden vuoden välein.

Luento nro 19

Nanoteknologiasta on viime vuosina tullut yksi tärkeimmistä ja jännittävimmistä tietoalueista fysiikan, kemian, biologian ja tekniikan tieteiden kärjessä. Se tarjoaa suuria toiveita varhaisista läpimurroista ja uusista teknologisen kehityksen suunnasta monilla toiminta-alueilla. Tämän uuden lähestymistavan laajamittaisen käytön helpottamiseksi ja nopeuttamiseksi on tärkeää saada yleistä ymmärrystä ja tiettyä erityistietoa, joka toisaalta olisi riittävän yksityiskohtainen ja syvällinen kattamaan aiheen yksityiskohtaisesti, ja samalla Aikaa, helposti saatavilla ja riittävän täydellinen ollakseen hyödyllinen laajalle joukolle asiantuntijoita, niille, jotka haluavat oppia lisää ongelman olemuksesta ja tulevaisuudennäkymistä tällä alalla.

Nykyinen laaja kiinnostus nanoteknologiaa kohtaan juontaa juurensa vuosiin 1996–1998, jolloin Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön ja muiden liittovaltion virastojen rahoittaman Maailman teknologian arviointikeskuksen (WTEC) avustuksella hallitus teki tutkimuksen maailmanlaajuisista kokemuksista tutkimuksesta ja alan kehitystä, nanoteknologiaa, jotta voidaan arvioida niiden teknologinen innovaatiopotentiaali. Nanoteknologia perustuu käsitykseen, että alle 100 nanometrin (nanometri on metrin miljardisosa) pienemmät hiukkaset antavat niistä valmistetuille materiaaleille uusia ominaisuuksia ja käyttäytymistä. Tämä johtuu siitä, että esineillä, joiden mitat ovat pienempiä kuin ominaispituus (joka määräytyy tietyn ilmiön luonteesta), esiintyy usein erilaista fysiikkaa ja kemiaa, mikä johtaa niin kutsuttuihin kokoefekteihin - uuteen käyttäytymiseen hiukkasten koosta riippuen. Esimerkiksi muutoksia elektronirakenteessa, johtavuudessa, reaktiivisuudessa, sulamispisteessä ja mekaanisissa ominaisuuksissa havaittiin kriittistä pienemmillä hiukkaskooilla. Käyttäytymisen riippuvuus hiukkaskoosta mahdollistaa uusien ominaisuuksien omaavien materiaalien suunnittelun samoista lähtöatomeista.

WTEC päätteli, että tällä teknologialla on valtavat mahdollisuudet käyttää erittäin laajassa ja monipuolisessa käytännön sovelluksissa vahvempien ja kevyempien rakennemateriaalien valmistuksesta nanorakenteisten lääkkeiden verenkiertoelimistön toimitusajan lyhentämiseen, magneettisten välineiden kapasiteetin lisäämiseen ja luomiseen. laukaisimia nopeille tietokoneille. Tämän ja myöhempien komiteoiden suositukset ovat johtaneet siihen, että nanotieteen ja nanoteknologian kehittämiseen on viime vuosina osoitettu erittäin suuria varoja. Tieteidenvälinen tutkimus on kattanut laajan valikoiman aiheita nanopartikkelikatalyysin kemiasta kvanttipistelaserien fysiikkaan. Tämän seurauksena on havaittu, että tutkijoiden on ajoittain astuttava kapeaan osaamisalueensa ulkopuolelle nanoteknologian kehityksen laajempien näkymien ja seurausten ymmärtämiseksi ja panoksensa tälle jännittävälle uudelle alalle. Teknisten johtajien, asiantuntijoiden ja taloudellisten päättäjien tulee ymmärtää hyvin monenlaisia ​​tieteenaloja.

Nanoteknologiaa on alettu nähdä paitsi yhtenä lupaavimpana korkean teknologian alana, myös järjestelmää muodostavana tekijänä 2000-luvun taloudessa - taloudessa, joka perustuu tietoon, ei luonnonvarojen käyttöön tai niiden käyttöön. käsittelyä. Sen lisäksi, että nanoteknologia stimuloi uuden paradigman kehitystä kaikessa tuotantotoiminnassa ("alhaalta ylös" - yksittäisistä atomeista - tuotteeseen, eikä "ylhäältä alas", kuten säteilyteknologiassa, jossa tuote saadaan leikkaamalla ylimääräistä materiaalia massiivisista valmisteista), se on itsessään uusien lähestymistapojen lähde elintason parantamiseen ja monien jälkiteollisen yhteiskunnan sosiaalisten ongelmien ratkaisemiseen. Useimpien tiede- ja teknologiapolitiikan ja investointien asiantuntijoiden mukaan alkanut nanoteknologian vallankumous kattaa kaikki ihmisen toiminnan elintärkeät alueet (avaruustutkimuksesta lääketieteeseen, kansallisesta turvallisuudesta ekologiaan ja maatalouteen), ja sen seuraukset ovat laajempi ja syvempi kuin 1900-luvun viimeisen kolmanneksen tietokonevallankumoukset. Kaikki tämä asettaa haasteita ja kysymyksiä paitsi tieteen ja tekniikan alalla, myös eri tasojen johtajille, mahdollisille sijoittajille, koulutussektorille ja valtion virastoille. hallinta jne.

Viime vuosina on ilmestynyt riittävä määrä julkaisuja, jotka on omistettu nanomateriaalien ja nanoteknologian teoreettisiin kysymyksiin, ominaisuuksiin ja käytännön sovelluksiin. Erityisesti tämä aihe on laajalti esillä kirjoittajien C. Poolen ja Jr. F. Owens, Nanoteknologia, käänn. englannista, 2., laajennettu painos, toim. "Technosphere", M., 2006, 335 s. Kirjoittajat huomauttavat, että vaikka tämä kirja oli alun perin tarkoitettu johdatukseksi nanoteknologiaan, se on tämän tieteen luonteen vuoksi kehittynyt johdatukseksi tietyille nanoteknologian alueille, jotka näyttävät olevan tyypillisiä sille. Nopean kehitysvauhdin ja tieteidenvälisyyden vuoksi on mahdotonta tarjota aiheen aidosti kattavaa esitystä. Esitetyt aiheet valittiin saavutetun asian ymmärryksen syvyyden, niiden potentiaalin laajuuden tai olemassa olevien teknologiasovellusten perusteella. Monissa luvuissa käsitellään nykyisiä ja tulevia mahdollisuuksia. Kirjallisuusviitteet tarjotaan niille, jotka haluavat oppia lisää erityisalueista, joilla tätä tekniikkaa kehitetään.

Kirjoittajat ovat yrittäneet antaa nanoteknologian aiheeseen johdannon, joka on kirjoitettu sellaisella tasolla, että eri alojen tutkijat voivat arvostaa alan kehitystä ammatillisten kiinnostusten lisäksi ja tekniset johtajat ja johtajat saavat yleiskuvan aiheesta. Ehkä tätä kirjaa voitaisiin käyttää nanoteknologian yliopistokurssin pohjana. Monet luvut sisältävät johdantoja käsiteltyjen alueiden taustalla oleviin fysikaalisiin ja kemiallisiin periaatteisiin. Siten monet luvut ovat itsenäisiä ja niitä voidaan tutkia toisistaan ​​riippumatta. Luku 2 alkaa siis lyhyellä yleiskatsauksella bulkkimateriaalien ominaisuuksista, mikä on tarpeen ymmärtääksemme kuinka ja miksi materiaalien ominaisuudet muuttuvat, kun niiden rakenneyksiköiden koko lähestyy nanometriä. Tärkeä sysäys nanoteknologian nopealle kehitykselle oli uusien instrumenttien (kuten pyyhkäisytunnelimikroskoopin) luominen, joka mahdollisti nanometrin kokoisten piirteiden näkemisen materiaalien pinnalla. Siksi luvussa 3 kuvataan tärkeimmät instrumenttijärjestelmät ja esitetään havainnollistuksia nanomateriaalien mittauksista. Loput luvut käsittelevät muita ongelman näkökohtia. Kirja kattaa hyvin laajan kirjon ongelmia ja aiheita: nanotieteen ja teknologian esineiden kokoon ja mittoihin liittyvät vaikutukset, nanorakenteisten materiaalien magneettiset, sähköiset ja optiset ominaisuudet, niiden valmistus- ja tutkimusmenetelmät, itsekokoaminen ja katalyysi nanorakenteissa , nanobioteknologia, integroidut nanoelektromekaaniset laitteet, fulleriitit, nanoputket ja paljon muuta. Kuvataan useita nykyaikaisia ​​menetelmiä nanorakenteiden ja nanoobjektien tutkimiseen ja sertifiointiin: elektroni- ja ionikenttämikroskopia, optinen, röntgen- ja magneettispektroskopia.

Samalla yksittäisten osioiden rakenteessa ja sisällössä on myös ilmeisiä aukkoja. Näin ollen nanoelektroniikasta, spintroniikasta tai kvanttilaskentaan ja tietokoneisiin liittyvistä uusista ideoista ei ole juuri mitään tietoa. Useimpia niistä ei edes mainita. Täysin riittämätöntä huomiota on kiinnitetty tutkimuksen, pätevöinnin, litografian ja atomi-molekyylisuunnittelun erittäin tehokkaisiin ja laajalle levinneisiin luotainskannausmenetelmiin. Näille aiheille omistettu pieni kappale on täysin suhteeton luotainnanoteknologian rooliin ja paikkaan nähden. Hyvin vaatimaton paikka on heikko suprajohtavuus ja siihen perustuvat erittäin lupaavat laitteet. Nykyaikaisessa tasoelektroniikassa tärkeässä asemassa olevia kalvoja ja heterorakenteita, superkovia ja kulutusta kestäviä pinnoitteita jne. on esitelty harvakseltaan, minkä vuoksi ei ole olemassa materiaaleja, jotka peittäisivät menetelmiä näiden rakenteiden sertifioimiseksi, erityisesti mekaanisten ominaisuuksien karakterisoimiseksi. ohuita kerroksia ja nanotilavuuksia käyttäen paikallisia voimananotestausmenetelmiä (nanoindentaatio), nanopesu, jne.).

Huomioimme myös, että missään ei ole annettu systematisointia nanoteknologian objekteista ja prosesseista, minkä seurauksena kokematon lukija jää epäselväksi, mihin aiheen osaan hän voi tutustua tämän kirjan luettuaan.

Edellä mainituista puutteista huolimatta kirjaa voidaan yleisesti ottaen pitää hyödyllisenä laajalle lukijajoukolle, mukaan lukien fysiikan, kemian ja materiaalitieteen opiskelijat. Jälkimmäinen on sitäkin tärkeämpi, koska venäjänkielinen nanoteknologian koulutuskirjallisuus puuttuu lähes kokonaan, ja tarve sille on suuri johtuen nanomateriaalien ja nanoelektroniikan asiantuntijoiden koulutuksesta, joka alkoi vuonna 2003 12 Venäjän yliopistossa.

Kaikista tekijöiden näkemyksistä ja tulkinnoista ei voida ehdoitta sopia. Jotta teksti ei kuitenkaan sotkeutuisi suurella määrällä kommentteja, lisäyksiä ja kritiikkiä, vain ilmeiset virheet, epäjohdonmukaisuudet ja kirjoitusvirheet poistettiin kääntämisen ja editoinnin aikana.

Kirjan kirjoittamisen ja venäjänkielisen uudelleenjulkaisun aikana julkaistiin monia hyödyllisiä kirjoja, joista osa on lueteltu alla. Niitä käyttämällä kiinnostunut lukija voi tutustua yksittäisiin osiin ja nanoteknologian panoraamaan kokonaisuutena syvällisemmin.

G. G. Elenin

Lyhyet tiedot kirjoittajasta: Professori, laskennallisen matematiikan ja kybernetiikan tiedekunta, Moskovan valtionyliopisto. M.V. Lomonosov, johtava tutkija sovelletun matematiikan instituutissa. M.V.Keldysh RAS.

Jos teräskuutiolla tai identtisistä atomeista koostuvalla suolakiteellä voi olla mielenkiintoisia ominaisuuksia; jos vesi – yksinkertaiset pisarat, jotka eivät erotu toisistaan ​​ja peittävät mailia toisensa jälkeen maan pinnasta – pystyy synnyttämään aaltoja ja vaahtoa, surffauksen ukkosen ja outoja kuvioita penkereen graniittiin; jos kaikki tämä, kaikki vesien elämän rikkaus, on vain atomimöykkyjen omaisuutta, niin kuinka monta muuta mahdollisuutta niihin piilee? Jos sen sijaan, että järjestäisimme atomit järjestykseen, rivi riviltä, ​​sarake sarakkeelta, jopa sen sijaan, että rakentaisimme niistä monimutkaisia ​​orvokkien tuoksu molekyylejä, jos sen sijaan järjestämme ne joka kerta uudella tavalla monipuolistaen niiden mosaiikkia toistamatta sitä , mitä on jo tapahtunut - kuvittele kuinka paljon epätavallisia, odottamattomia asioita voi ilmaantua heidän käyttäytymiseensä.

R. P. Feynman

Aihe, tavoitteet ja pääsuunnat nanoteknologiassa

Encyclopedic Dictionary -sanakirjan mukaan tekniikka on joukko tuotantoprosessissa suoritettavia menetelmiä prosessoida, valmistaa, muuttaa raaka-aineiden, materiaalien tai puolivalmisteiden tilaa, ominaisuuksia, muotoa.

Nanoteknologian erikoisuus on, että tarkasteltavat prosessit ja suoritettavat toiminnot tapahtuvat nanometrien avaruudellisten ulottuvuuksien alueella 1 . "Raaka-aineet" ovat yksittäisiä atomeja, molekyylejä, molekyylijärjestelmiä, eivät perinteisessä tekniikassa tuttuja mikroni- tai makroskooppisia materiaalin tilavuuksia, jotka sisältävät vähintään miljardeja atomeja ja molekyylejä. Perinteiseen teknologiaan poiketen nanoteknologialle on ominaista "yksilöllinen" lähestymistapa, jossa ulkoinen ohjaus saavuttaa yksittäiset atomit ja molekyylit, jolloin niistä voidaan luoda molempia "virheettömiä" materiaaleja, joilla on täysin uusia fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia ominaisuuksia. ja uusia laiteluokkia, joilla on tyypillinen nanometrikoko. "Nanoteknologian" käsitettä ei ole vielä vahvistettu. Ilmeisesti seuraavaa työmääritelmää voidaan noudattaa.

Nanoteknologia on monitieteinen tieteenala, jossa tutkitaan fysikaalisten ja kemiallisten prosessien lakeja nanometrimittaisilla spatiaalisilla alueilla yksittäisten atomien, molekyylien, molekyylijärjestelmien ohjaamiseksi uusien molekyylien, nanorakenteiden, nanolaitteiden ja materiaalien luomisessa erityisillä fysikaalisilla alueilla. , kemialliset ja biologiset ominaisuudet.

Nopeasti kehittyvän alueen nykytilan analyysi mahdollistaa sen, että voimme tunnistaa useita sen tärkeimpiä alueita.

Molekyylisuunnittelu. Olemassa olevien molekyylien dissektio ja uusien molekyylien synteesi erittäin epähomogeenisissa sähkömagneettisissa kentissä.

Materiaalitieteen. Luodaan "virheettömiä" lujia materiaaleja, korkean johtavuuden omaavia materiaaleja.

Instrumentointi. Pyyhkäisytunnelimikroskooppien, atomivoimamikroskooppien 2, magneettivoimamikroskooppien, molekyylisuunnittelun monipistejärjestelmien, pienoiskokoisten ultraherkkien sensorien, nanorobottien luominen.

Elektroniikka. Nanometrielementtipohjan suunnittelu seuraavan sukupolven tietokoneille, nanojohdoille, transistoreille, tasasuuntaajille, näytöille, akustisille järjestelmille.

Optiikka. Nanolaserien luominen. Monikärkisten järjestelmien synteesi nanolasereilla.

Heterogeeninen katalyysi. Nanorakenteiden katalyyttien kehittäminen selektiivisten katalyysireaktioiden luokkiin.

Lääke. Nanoinstrumenttien suunnittelu virusten tuhoamiseen, elinten paikalliseen "korjaukseen" ja lääkeannosten erittäin tarkkaan toimittamiseen tiettyihin paikkoihin elävässä organismissa.

Tribologia. Materiaalien nanorakenteen ja kitkavoimien välisen suhteen selvittäminen ja tämän tiedon hyödyntäminen lupaavien kitkaparien valmistamisessa.

Hallitut ydinreaktiot. Nanohiukkaskiihdyttimet, ei-tilastolliset ydinreaktiot.

Pyyhkäisevä tunnelimikroskooppi

Ainakin kahdella tapahtumalla oli merkittävä rooli nanomaailman pysäyttämättömässä tutkimisessa:

Pyyhkäisytunnelimikroskoopin (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) ja pyyhkäisevän atomivoimamikroskoopin (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) luominen (Nobel-palkinto 1992);

Uuden hiilen olemassaolon muodon löytäminen luonnossa - fullereenit (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobel-palkinto 1996).

Uudet mikroskoopit ovat mahdollistaneet nanometrin kokoluokan yksittäiskiteiden pinnan atomi-molekyylirakenteen havainnoinnin. Laitteiden paras tilaresoluutio on nanometrin sadasosa normaalipinnan suhteen. Pyyhkäisevän tunnelointimikroskoopin toiminta perustuu elektronien tunneloimiseen tyhjiösurun läpi. Korkea resoluutio johtuu siitä, että tunnelointivirta muuttuu kolme suuruusluokkaa, kun esteen leveys muuttuu atomin koon mukaan. Kvanttitunnelointiefektin teorian esitti G.A. Gamow vuonna 1928 teoksissaan a-hajoamisesta.

Erilaisten pyyhkäisymikroskooppien avulla tarkkaillaan tällä hetkellä metallien, puolijohteiden, korkean lämpötilan suprajohteiden, orgaanisten molekyylien ja biologisten esineiden pintojen atomirakennetta. Kuvassa Kuvassa 1 on esitetty piin yksikiteen (100) pinnan alemman terassin rekonstruoitu pinta. Harmaat ympyrät ovat kuvia piiatomeista. Tummat alueet ovat paikallisia nanometrivirheitä. Kuvassa Kuva 2 esittää (110) hopeapinnan (vasen kehys) ja saman happiatomeilla peitetyn pinnan (oikea kehys) atomirakennetta. Kävi ilmi, että happi ei adsorboidu satunnaisesti, vaan muodostaa melko pitkiä ketjuja tietyssä kristallografisessa suunnassa. Kaksois- ja yksiketjuisten läsnäolo osoittaa hapen kahta muotoa.

Näillä muodoilla on tärkeä rooli hiilivetyjen, kuten eteenin, selektiivisessä hapetuksessa. Kuvassa Kuvassa 3 näet korkean lämpötilan suprajohteen Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 nanorakenteen. Kuvan vasemmassa kehyksessä. Kuvassa 4 bentseenimolekyylien (C 6 H 6) renkaat ovat selvästi näkyvissä. Oikeassa kehyksessä näkyvät polyeteenin CH2-ketjut. Teos esittää sarjan otoksia laboratoriofilmistä viruksen tunkeutumisesta elävään soluun.

Uudet mikroskoopit ovat hyödyllisiä paitsi aineen atomi- ja molekyylirakenteen tutkimiseen. Ne osoittautuivat soveltuviksi nanorakenteiden rakentamiseen. Tiettyjen mikroskoopin kärjen liikkeiden avulla on mahdollista luoda atomirakenteita. Kuvassa 5 esitetään vaiheet, joissa merkintä "IBM" luodaan yksittäisistä ksenonatomeista nikkeliyksikiteen (110) pinnalle. Kärjen liikkeet luotaessa nanorakenteita yksittäisistä atomeista muistuttavat jääkiekkoilijan tekniikoita siirrettäessä kiekkoa mailalla. On mielenkiintoista luoda tietokonealgoritmeja, jotka muodostavat ei-triviaalin yhteyden kärjen liikkeiden ja manipuloitujen atomien liikkeiden välille sopivien matemaattisten mallien perusteella. Nanorakenteiden automaattisten "kokoajien" kehittämiseen tarvitaan malleja ja algoritmeja.

Riisi. 4: a - C6H6; b - CH2-CH2

Riisi. 5. Xe/Ni (110)

Nanomateriaalit

Fullereenit, uusi muoto hiilen olemassaolosta luonnossa, yhdessä pitkään tunnetun timantin ja grafiitin kanssa, löydettiin vuonna 1985, kun astrofyysikot yrittivät selittää tähtienvälisen pölyn spektrejä. Kävi ilmi, että hiiliatomit voivat muodostaa erittäin symmetrisen C60-molekyylin. Tällainen molekyyli koostuu 60 hiiliatomista, jotka on järjestetty pallolle, jonka halkaisija on noin nanometri ja joka muistuttaa jalkapalloa (kuva 6). L. Eulerin lauseen mukaan hiiliatomit muodostavat 12 säännöllistä viisikulmiota ja 20 säännöllistä kuusikulmiota. Molekyyli on nimetty arkkitehti R. Fullerin mukaan, joka rakensi talon viisikulmioista ja kuusikulmioista. Aluksi C 60 valmistettiin pieniä määriä, ja sitten vuonna 1990 löydettiin tekniikka niiden laajamittaiseen tuotantoon.

Fulleriitit. C60-molekyylit puolestaan ​​voivat muodostaa fulleriittikiteen, jossa on pintakeskeinen kuutiohila ja melko heikot molekyylien väliset sidokset. Tässä kiteessä on oktaedrisiä ja tetraedrisiä onteloita, joissa voi sijaita vieraita atomeja. Jos oktaederiset ontelot täytetään alkalimetalli-ioneilla (¦ = K (kalium), Rb (rubidium), Cs (cesium)), niin huoneenlämpötilan alapuolella näiden aineiden rakenne järjestyy uudelleen ja syntyy uusi polymeerimateriaali ¦1C60. muodostettu. Jos myös tetraedriset ontelot täytetään, muodostuu suprajohtava materiaali ¦3C60, jonka kriittinen lämpötila on 20-40 K. Suprajohtavien fulleriittien tutkimusta tehdään erityisesti instituutissa. Max Planck Stuttgartissa. Siinä on fulleriitteja muiden lisäaineiden kanssa, jotka antavat materiaalille ainutlaatuisia ominaisuuksia. Esimerkiksi C60-eteenillä on ferromagneettisia ominaisuuksia. Korkea aktiivisuus uudella kemian alalla johti siihen, että vuoteen 1997 mennessä fullereeniyhdisteitä oli yli 9 000.

Hiilinanoputket. Hiilestä voidaan saada molekyylejä, joissa on jättimäinen määrä atomeja. Tällainen molekyyli, esimerkiksi C=1 000 000, voi olla yksikerroksinen putki, jonka halkaisija on noin nanometri ja pituus useita kymmeniä mikroneja (kuva 7). Putken pinnalla hiiliatomit sijaitsevat säännöllisten kuusikulmioiden kärjessä. Putken päät on suljettu kuudella säännöllisellä viisikulmiolla. On syytä huomata säännöllisten monikulmioiden sivujen lukumäärän rooli kaksiulotteisten pintojen muodostumisessa, jotka koostuvat

Riisi. 7. Ei-kiraaliset nanoputket: a - C(n", n) - metalli;

L-C(n, 0): mod (n, 3) = 0 - puolimetalli

mod (n, 3)!= 0 - puolijohde.

Riisi. 8. Kaareva putki

hiiliatomit kolmiulotteisessa avaruudessa. Säännölliset kuusikulmiot ovat litteän grafiittilevyn solu, joka voidaan rullata putkiksi, joiden kiraalisuus vaihtelee (m, n) 3 . Säännölliset viisikulmiot (seitsenkulmiot) ovat paikallisia vikoja grafiittilevyssä, mikä mahdollistaa sen positiivisen (negatiivisen) kaarevuuden saavuttamisen. Näin ollen säännöllisten viisikulmioiden, kuusikulmioiden ja seitsemänkulmioiden yhdistelmät mahdollistavat erimuotoisten hiilipintojen aikaansaamisen kolmiulotteisessa avaruudessa (kuva 8). Näiden nanorakenteiden geometria määrää niiden ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ja näin ollen mahdollisuuden perustavanlaatuisten uusien materiaalien ja tekniikoiden olemassaolosta niiden tuotantoa varten. Uusien hiilimateriaalien fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien ennustaminen tapahtuu sekä kvanttimalleilla että laskelmilla molekyylidynamiikan puitteissa. Yksikerroksisten putkien lisäksi on mahdollista luoda monikerroksisia putkia. Nanoputkien valmistukseen käytetään erityisiä katalyyttejä.

Mitä ainutlaatuista uusissa materiaaleissa on? Pysähdytään vain kolmeen tärkeään ominaisuuteen.

Erittäin kestävät materiaalit. Grafiittilevyn hiiliatomien väliset sidokset ovat vahvimmat tunnetut, joten virheetön hiiliputki on kaksi suuruusluokkaa terästä vahvempi ja noin neljä kertaa kevyempi! Yksi tärkeimmistä teknologian haasteista uusien hiilimateriaalien alalla on luoda ”äärettömän” pituisia nanoputkia. Tällaisista putkista on mahdollista valmistaa äärimmäisen lujia kevyitä komposiittimateriaaleja uuden vuosisadan teknologian tarpeisiin. Näitä ovat siltojen ja rakennusten voimaelementit, kompaktien lentokoneiden kantavat rakenteet, turbiinielementit, erittäin alhaisen ominaiskulutuksen omaavien moottoreiden voimayksiköt jne. Tällä hetkellä he ovat oppineet valmistamaan kymmenien mikrometrien pituisia putkia, joiden halkaisija on nanometrin luokkaa.

Erittäin johtavat materiaalit. Tiedetään, että kiteisessä grafiitissa johtavuus kerroksen tasoa pitkin on tunnetuista materiaaleista korkein ja päinvastoin levyyn nähden kohtisuorassa suunnassa pieni. Nanoputkista valmistettujen sähkökaapeleiden sähkönjohtavuuden odotetaan siksi olevan kaksi kertaluokkaa korkeampi huoneenlämpötilassa kuin kuparikaapeleilla. Kysymys on tekniikasta, joka mahdollistaa riittävän pituisten ja määrällisten putkien valmistamisen,

Nanoklusterit

Monet nano-objektit sisältävät erittäin pieniä hiukkasia, jotka koostuvat kymmenistä, sadaista tai tuhansista atomeista. Klusterien ominaisuudet eroavat radikaalisti saman koostumuksen materiaalien makroskooppisten tilavuuksien ominaisuuksista. Nanoklustereista, kuten suurista rakennuspalikoista, voidaan tarkoituksellisesti rakentaa uusia materiaaleja, joilla on ennalta määrätyt ominaisuudet ja käyttää niitä katalyyttisissä reaktioissa, kaasuseosten erottamiseen ja kaasujen varastointiin. Yksi esimerkki on Zn40(BDC)3(DMF)8(C6H5CI)4. Erittäin kiinnostavia ovat magneettiset klusterit, jotka koostuvat siirtymämetallien atomeista, lantinideista ja aktinideista. Näillä klustereilla on oma magneettimomenttinsa, mikä mahdollistaa niiden ominaisuuksien ohjauksen ulkoisen magneettikentän avulla. Esimerkki on korkean pyörimisnopeuden organometallimolekyyli Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Tämä tyylikäs muotoilu koostuu neljästä spin 3/2 Mn 4+ -ionista, jotka sijaitsevat tetraedrin huipuissa, ja kahdeksasta spin 2 Mn 3+ -ionista, jotka ympäröivät tetraedria. Mangaani-ionien välinen vuorovaikutus tapahtuu happi-ionien avulla. Mn 4+- ja Mn 3+ -ionien spinien antiferromagneettiset vuorovaikutukset johtavat varsin suureen kokonaisspin 10. Asetaattiryhmät ja vesimolekyylit erottavat Mn 12 -klusterit toisistaan ​​molekyylikiteessä. Klusterien vuorovaikutus kiteessä on erittäin pieni. Nanomagneetit ovat kiinnostavia kvanttitietokoneiden prosessorien suunnittelussa. Lisäksi tätä kvanttijärjestelmää tutkittaessa löydettiin bistabiiliuden ja hystereesin ilmiöt. Jos ajatellaan, että molekyylien välinen etäisyys on noin 10 nanometriä, niin muistitiheys tällaisessa järjestelmässä voi olla luokkaa 10 gigatavua neliösenttimetriä kohti.

Nanolaitteet

Nanoputket voivat muodostaa perustan uusille litteille akustisille järjestelmille ja litteille näyttöille, eli tutuille makroskooppisille laitteille. Nanomateriaaleista voidaan luoda tiettyjä nanolaitteita, kuten nanomoottoreita, nanomanipulaattoreita, molekyylipumppuja, korkeatiheyksisiä muistia ja nanorobottimekanismien elementtejä. Katsotaanpa lyhyesti joidenkin nanolaitteiden malleja.

Molekyylivaihteet ja pumput. Nanolaitteiden malleja ehdotti K.E. Drexler ja R. Merkle IMM:stä (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Vaihteiston vaihteiston akselit ovat hiilinanoputkia ja hampaat bentseenimolekyylejä. Vaihteiden ominaispyörimisnopeudet ovat useita kymmeniä gigahertsejä. Laitteet ”toimivat” joko syvässä tyhjiössä tai inertissä ympäristössä huoneenlämmössä. Inerttejä kaasuja käytetään laitteen "jäähdyttämiseen".

Timanttimuisti tietokoneille. Suuritiheyksisen muistimallin on kehittänyt Ch. Bauschlicher ja R. Merkle NASA:sta. Laitteen muotoilu on yksinkertainen ja koostuu mittapäästä ja timanttipinnasta. Koetin on hiilinanoputki (9, O) tai (5, 5), joka päättyy C 60 -puolipalloon, johon on kiinnittynyt C 5 H 5 N -molekyyli, jonka timanttipinta on peitetty yksikerroksisella vetyatomikerroksella. Jotkut vetyatomit on korvattu fluoriatomeilla. Kun skannataan koetinta pitkin timanttipintaa, joka on päällystetty yksikerroksisella adsorbaattikerroksella, C 5 H 5 N -molekyyli pystyy kvanttimallien mukaan erottamaan adsorboituneen fluoriatomin adsorboituneesta vetyatomista. Koska yhdelle neliösenttimetrille pintaa mahtuu noin 1015 atomia, tallennustiheys voi olla 100 teratavua neliösenttimetriä kohti.

Yllä olevat esimerkit laboratoriokoetuloksista ja nanolaitteiden malleista asettavat uuden haasteen teorialle, laskennalliselle fysiikalle, kemialle ja matematiikalle. "nähty" ja "vastaanotettu" on ymmärrettävä. Se vaatii intuition kehittämistä toimiakseen nanometrin kokoalueella. Jälleen kuullaan Faustin huomautus Wagnerille:

"Mitä tarkoittaa ymmärtää?

Se, ystäväni, on kysymys.

Meillä ei mene hyvin tällä pisteellä."

Laskennallisen fysiikan ja laskennallisen kemian uusia alueita

Yli viisikymmentä vuotta sitten atomi- ja lämpöydinongelmat, uusien lentokoneiden luomisen ja Maan lähiavaruuden tutkimisen ongelmat nostivat jälleen kerran faustisen kysymyksen fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden ymmärtämisen uudelle tasolle. Onnistunut työ näiden ongelmien parissa johti syntymiseen ja kehitykseen

1) laskennallinen fysiikka, erityisesti sellaiset osa-alueet kuin

magneettinen ja säteilyhydro- ja aerodynamiikka,

avaruusalusten lennon mekaniikka,

plasman ja kontrolloidun lämpöydinfuusion teoria;

2) laskennallinen kemia sellaisilla osioilla kuin

aineen tilayhtälön teoria,

molekyylidynamiikka,

kemiallisten prosessien ja laitteiden teoria;

3) laskennallinen matematiikka ja tietojenkäsittelytiede muun muassa

matemaattisen fysiikan numeeriset menetelmät,

automaatti teoria,

optimaalinen ohjaus,

hahmontunnistus,

asiantuntijajärjestelmät,

automaattinen suunnittelu.

Laboratoriokokeiden nykyaikaiset mahdollisuudet havaita ja tutkia ilmiöitä nanometrimittakaavassa ja houkuttelevat mahdollisuudet luoda ainutlaatuisia materiaaleja ja nanolaitteita synnyttävät uusia teoreettisia ongelmia.

Haluaisin ymmärtää, mitä todellisuudessa "havaitaan" pyyhkäisytunnelimikroskoopilla?

Mitä uutta nanosysteemeissä voidaan mahdollisesti havaita ja mitä uutta voidaan saada? Ja millä ehdoilla?

Kuinka hallita yksittäisiä atomeja ja atomi- ja molekyyliryhmiä tiettyjen tavoitteiden saavuttamiseksi? Mitkä ovat tämän ohjauksen rajat?

Kuinka järjestää nanolaitteiden ja ainutlaatuisten "virheettömien" materiaalien itsekokoonpano?

Missä määrin makroympäristö "rajoittaa" nanojärjestelmän kvanttitiloja?

Tarve rakentavaan ratkaisuun näihin ongelmiin johtaa intensiiviseen tutkimukseen, joka muodostaa uusia alueita laskennalliseen fysiikkaan ja laskennalliseen kemiaan. Korostakaamme sellaisia ​​metrologian, mekaniikan, sähködynamiikan, optiikan ja itseorganisaatioteorian osia. Jokaisessa näistä osista tunnistamme useita ongelmia.

Metrologia

1. "Device-nanoobject" -järjestelmien tietokonemallien luominen ja niiden kalibrointi.

2. Nanometrimittausten automatisointi ja tietopankkien luominen.

Mekaniikka

1. Nanomateriaalien ja nanoobjektien mekaanisten jännitysten ja muodonmuutosten tutkimus, kitkaanalyysi.

2. Anturin liikkeiden simulointi nanoobjektin kohdistetun manipuloinnin aikana.

3. Liikkeiden mallinnus nanolaitteiden nanomekanismeissa, nanomanipulaattoreiden laskenta.

4. Ohjausjärjestelmien kehittäminen nanoroboteille.

Elektrodynamiikka

1. Atomien ja molekyylien dynamiikan mallintaminen monipistejärjestelmien luomissa erittäin epähomogeenisissa sähkömagneettisissa kentissä.
2. Nanomateriaalien sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien laskeminen.

1. Nanoobjektien valon säteilyn, etenemisen ja absorption mekanismien mallintaminen.
2. Nanolaserien ja hybridijärjestelmien laskenta "koettimet + nanolaser".

Itseorganisaatioteoria

1. Nanorakenteiden itsekokoamisen perusperiaatteiden muotoilu.

2. Tietokoneiden itsekokoonpanoalgoritmien luominen.

3. Laskennallisten algoritmien kehittäminen itsekokoonpanomallien kvalitatiiviseen analyysiin.

4. Temporaalisen itseorganisoitumisen ilmiöiden mallintaminen nanomateriaalien luomisen aikana.

Molekyylisuihkuepitaksia ja nanolitografia

1. Ohut metallikalvojen luominen, jotka toimivat pohjana korkealaatuisille magneettisille materiaaleille.

2. Nanoelektroniikan peruselementtien suunnittelu.

3. Katalyyttien luominen selektiivistä katalyysiä varten.

Haluan vielä kerran korostaa tarvetta säilyttää tiukka tasapaino laboratoriokokeen, teorian ja matemaattisen mallinnuksen välillä. Joskus kuulee väitteitä, että tarkkuuskoe on tällä hetkellä erittäin kallista ja se voidaan korvata halvemmalla matemaattisella mallinnuksella. On myös päinvastainen kanta, jossa matemaattisten tutkimusmenetelmien roolia vähätellään. Yksinkertaisimmat esimerkit ei-triviaalisista ilmiöistä avaruudellisten ulottuvuuksien nanometrialueella osoittavat radikaalien asemien täydellisen epäjohdonmukaisuuden.

Spatiotemporaalisen itseorganisoitumisen ilmiöt metallisten yksittäiskiteiden pinnalla

Tarkastellaanpa sitä, mikä on ensi silmäyksellä yksinkertaisin, mutta, kuten käy ilmi, ei-triviaali ongelma. Oletetaan, että haluaisimme kasvattaa korkealaatuisen, yhtenäisen metallikalvon, kuten platinakalvon. Tätä varten tulisi ottaa substraatiksi tiiviisti pakattu ja avaruudellisesti homogeeninen yksikiteinen pinta ja kerrostaa sille kerros atomia Knudsen-kennosta suurtyhjiöolosuhteissa. Atomit lentävät ulos solusta, adsorboituvat homogeeniselle pinnalle, kulkeutuvat sitä pitkin ja muodostavat uuden kerroksen. Kun ensimmäinen kerros on muodostunut, seuraava kerros muodostuu sen päälle ja niin edelleen. Prosessin määrää vain kaksi ulkoista ohjausmakroparametria - pintalämpötila ja atomien virtaus pintaan. On vain tarpeen valita lämpötila ja atomien syöttönopeus siten, että uuden atomin tyypillisen syöttöajan aikana pintaa pitkin kulkeva atomi ehtii integroitua kasvavaan kerrokseen. Näyttää siltä, ​​​​että mikään ei ole yksinkertaisempaa kuin elokuvan kasvun simulointi klassisten matemaattisten fysiikan mallien puitteissa. Vain yksi prosessi on kuvattava: sisään tulevien hiukkasten pintadiffuusio. Tätä varten voit käyttää diffuusioyhtälöä vakiolähteen kanssa kaksiulotteisessa tila-alueessa, täydentää sitä sopivalla rajaehdolla, esimerkiksi homogeenisella toisen tyyppisellä rajaehdolla, ja suorittaa laskelmia. On selvää, että riittävän nopealla migraatiolla, alkuolosuhteista riippumatta, riittävän suurella tarkkuudella saadaan aikaan avaruudellisesti homogeeninen, monotonisesti ajassa kasvava ratkaisu. Tällainen mallinnus ei kuitenkaan kuvaa lainkaan uuden kerroksen kasvuprosessia ja sen tilarakennetta.

Pt/Pt(111)5-homosysteemillä pyyhkäisytunnelointimikroskoopilla suoritettu koe osoittaa (kuva 9), että adsorboituneet platinaatomit kulkeutuvat platinayksikiteen (111) pinnan pintaa pitkin Fickin lain vastaisesti. Ne muodostavat saarekkeita uudesta kerroksesta, joilla on erilaiset avaruudelliset rakenteet riippuen pintalämpötilasta ja atomien syöttönopeudesta. Nämä voivat olla irtonaisia ​​saaria, joissa on fraktaaleja ja fraktaaleja

Kuva 9. Pt/Pt (111)

Riisi. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; c - Co 3 Re

joiden mitat ovat 1,78 (kuva 9a), tai kompakteja saaria, joilla on platoniset muodot säännöllisten kolmioiden (kuva 9b, 9d) ja kuusikulmioiden muodossa (kuva 9c) ja jotka on suunnattu identtisesti kristallografisiin akseleihin nähden. Näin ollen 400 K:n lämpötilassa kolmioiden kärjet näyttävät "alas" (kuva 9b). 455 K:n lämpötilassa kasvavat saaret ovat säännöllisten kuusikulmioiden muotoisia (kuva 9c). Korkeammissa lämpötiloissa saarten säännöllinen kolmion muoto muodostuu jälleen, mutta tällä kertaa niiden huiput osoittavat "ylös" (kuva 9d). Kolmion muotoisten saarten muoto ja suunta ovat vakaat. Atomien lisäsyöttö johtaa kolmiulotteiseen kasvujärjestelmään, jonka seurauksena kasvava kerros on aina epätasainen ja sillä on pyramidin kolmiulotteinen rakenne.

Kasvun luonne herättää ainakin kaksi peruskysymystä.

Kuinka kuvata teoreettisesti yksinkertaisimman järjestelmän ei-triviaalista dynaamista käyttäytymistä?

Millä tavoilla järjestelmää ohjataan, jotta varmistetaan kerros kerrokselta kasvu ja tuotetaan laadukas, tilallisesti yhtenäinen kerros?

Samanlaisia ​​kysymyksiä syntyy heterosysteemeissä, kun toisen metallin kalvo kasvatetaan yhden metallin pinnalle. Siten, kun kasvatetaan hopeakalvoa platinalle, voidaan havaita fraktaali- ja dendriittirakenteiden saaria, kolmisäteisen Mercedes-tähden muodossa olevia saaria ja muita spatiotemporaalisen itseorganisoitumisen ilmiöitä, jotka seuraavat epätasaista kolmiulotteisuutta. ohuen metallikalvon kasvu. Jos kobolttikalvo kasvaa reniumin yksikiteen homogeeniselle pinnalle (0001), muodostuu pintaseoksia, joilla on erilainen stoikiometrinen ja vastaavasti spatiaalinen rakenne: CoRe (kuva 10a), Co 2 Re (kuva 10b). ), Co 3 Re (kuva 10c) ja ei-triviaali pintarakenne. Kuvassa esitetyissä kuvissa. Kuvassa 10 voidaan nähdä, että suuria ympyröitä (reniumatomeja) ympäröi vaihteleva määrä pieniä ympyröitä (kobolttiatomeja). Näillä seoksilla on mielenkiintoisia magneettisia ominaisuuksia.

Ei voi muuta kuin jäädä kiinni yhteen paradoksaaliseen ilmiöön - suurten kompaktien klustereiden poikkeuksellisen suureen liikkuvuuteen. Huomattavan kokeellisen työn tekijöitä seuraten tarkastelemme säännöllisen muotoista kompaktia klusteria, joka koostuu iridiumatomien "maagisesta" määrästä N = 1 + 3n(n - 1), n ​​= 2, 3, ... Esimerkiksi N = 19, tiiviisti pakatun pinnan (111) iridiumin pinnalla. Vaikuttaa siltä, ​​että kaksikymmentä atomia sisältävän klusterin liikkuvuuden kokonaisuutena pitäisi olla monta suuruusluokkaa pienempi kuin yhden atomin liikkuvuuden, koska atomien vaeltaminen näyttää olevan satunnainen prosessi. Kokeessa todettiin, että "oikeiden" klustereiden vaellusnopeus on verrattavissa yksittäisen atomin vaellusnopeuteen! Tämä klusterin atomien kollektiivisen liikkeen seuraus vaatii yksityiskohtaisen teoreettisen kuvauksen ja matemaattisen mallintamisen. Tällaisen analyysin tulokset ovat erittäin kiinnostavia laskettaessa esieksponentiaaleja ja tehollisia migraatioaktivaatioenergioita dynaamiselle Monte Carlo -menetelmälle ja ei-ideaalikerroksen kineettisille yhtälöille. Kun tiedetään todelliset migraationopeudet, voidaan arvioida oikein nanomittakaavan rakenteiden elinikä.

Lukijaa ei tarvitse vakuuttaa siitä, että luetellut laboratoriokokeen tulokset osoittavat tarpeen kehittää matemaattisen fysiikan klassisia malleja. Nanoobjekteja tutkittaessa, missä sitä vaaditaan, tulee luopua ajatus jatkuvasta väliaineesta, joka on valtaosan matemaattisen fysiikan mallien taustalla. Hitaalla mallinnus, ottamatta huomioon laboratoriokokeen tuloksia, johtaa täysin vääriin tuloksiin. Tarve uudelle modernille matemaattisen fysiikan kurssille, joka ottaa huomioon nanoobjektien ominaisuudet, on myös ilmeinen. Tällä kurssilla tulee kiinnittää huomiota erityisesti

Riisi. 11. (CO + O 2)/Pt(210)

diskreetin matematiikan menetelmät, numeratiivinen kombinatoriikka, ryhmäteoria.

Monimutkaisempia esimerkkejä avoimien ei-ideaalisten järjestelmien ei-triviaalista dynaamisesta käyttäytymisestä tarjoavat heterogeenisen katalyysin mallireaktiot jalometallien yksittäiskiteiden tietyillä pinnoilla (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) alhaisissa osapaineissa kaasufaasissa. Näitä ovat hiilimonoksidin (CO) hapettumisreaktiot hapen (O 2) kanssa sekä typpimonoksidin (NO) pelkistys vedyllä (H 2), ammoniakilla (NH 3) ja hiilimonoksidilla. Luetteloiduilla reaktioilla on merkittävä rooli polttomoottoreiden ja lämpövoimaloiden myrkyllisten päästöjen (NO, CO jne.) jälkipolton ympäristöongelmassa. Viime vuosina tehty tutkimus on paljastanut näiden järjestelmien kiehtovan nano- ja mesodynamiikan. Havaittiin järjestyshäiriön faasisiirtymiä, joihin liittyi superrakenteiden muodostuminen adsorbaattien yksikerroksisessa kerroksessa, faasisiirtymiä, kuten faasien erottuminen, yksikidepintojen pinnan spontaani ja adsorbaattien aiheuttama rekonstruktio ja katalyytin korroosio. Nanometrin kokoasteikolla tapahtuvat spatiotemporaalisen itseorganisoitumisen prosessit liittyvät läheisesti vastaaviin ilmiöihin, joita havaitaan emmikrometrialueella. Tällaisia ​​ilmiöitä ovat mikrometrimittakaavan spiraali, seisova- ja laukaisuaallot, kaksoismetastabiilisuus ja kemiallinen turbulenssi. Kuva 11 esittää tulokset tutkimuksesta spatiotemporaalisesta itseorganisaatiosta hiilimonoksidin hapetusreaktiossa Pt(210)-yksikiteen pinnalla käyttämälläa. Jokainen kehys (380 x 380 mm) näyttää adsorboituneiden CO-molekyylien (vaaleat alueet) ja happiatomien (tummia alueita) avaruudellisen jakautumisen katalyytin pinnalla CO:n ja hapen eri osapaineiden arvoille kaasufaasissa vakiolla. pintalämpötila. Spiraaliaallot ja faasisiirtymän autoaallot, kuten faasierottelu, kaksoismetastabiilisuusilmiöt jne. ovat selvästi näkyvissä.

1 Atomin koko on useita nanometrin kymmenesosia.

2 Kuvaus laitteista ja niiden toimintaperiaatteista on mukana.

3 Luonnollisten lukujen pari (m, n) määrittää kiraalisuusvektorin grafiittilevyn tasossa. Nanoputken akseli on kohtisuorassa kiraalisuusvektoriin nähden. Joten kohdassa (n, n) ((n, 0)) putken akseli on yhdensuuntainen (pystysuorassa) säännöllisen kuusikulmion sivuun nähden.

4 Lyhenne BDC tarkoittaa bentseenidikarboksyyliä ja DMF tarkoittaa dimetyyliformamidia.

5 Suluissa olevat numerot osoittavat yksikiteisen alustan pinnan Millerin indeksejä.