Nanoteknologier og bruksområder. Henvisning. Nanomaterialer og nanoteknologi Vitenskapsområder knyttet til nanoteknologi

Russlands president Dmitrij Medvedev er sikker på at landet har alle forutsetninger for vellykket utvikling av nanoteknologi.

Nanoteknologi er en ny retning innen vitenskap og teknologi som har vært aktivt i utvikling de siste tiårene. Nanoteknologi inkluderer opprettelse og bruk av materialer, enheter og tekniske systemer, hvis funksjon bestemmes av nanostrukturen, det vil si dens ordnede fragmenter som varierer i størrelse fra 1 til 100 nanometer.

Prefikset "nano", som kommer fra det greske språket ("nanos" på gresk - gnome), betyr en milliarddel. En nanometer (nm) er en milliarddels meter.

Begrepet "nanoteknologi" ble laget i 1974 av Norio Taniguchi, en materialforsker ved University of Tokyo, som definerte det som "en produksjonsteknologi som kan oppnå ultrahøy presisjon og ultrasmå dimensjoner ... i størrelsesorden 1 nm...”.

I verdenslitteraturen er nanovitenskap klart skilt fra nanoteknologi. Begrepet nanovitenskap brukes også om nanovitenskap.

På det russiske språket og i praktiseringen av russisk lovgivning og reguleringsdokumenter, kombinerer begrepet "nanoteknologi" "nanovitenskap", "nanoteknologi" og noen ganger til og med "nanoindustri" (virksomhets- og produksjonsområder der nanoteknologi brukes).

De viktigste komponentene i nanoteknologi er nanomaterialer, det vil si materialer hvis uvanlige funksjonelle egenskaper bestemmes av den ordnede strukturen til deres nanofragmenter som varierer i størrelse fra 1 til 100 nm.

- nanoporøse strukturer;
- nanopartikler;
- nanorør og nanofibre
- nanodispersjoner (kolloider);
- nanostrukturerte overflater og filmer;
- nanokrystaller og nanokluster.

Nanosystemteknologi- funksjonelt komplette systemer og enheter skapt helt eller delvis på grunnlag av nanomaterialer og nanoteknologier, hvis egenskaper er radikalt forskjellige fra systemer og enheter for lignende formål laget ved bruk av tradisjonelle teknologier.

Bruksområder for nanoteknologi

Det er nesten umulig å liste opp alle områdene der denne globale teknologien i betydelig grad kan påvirke teknologisk utvikling. Vi kan bare nevne noen av dem:

- elementer av nanoelektronikk og nanofotonikk (halvledertransistorer og lasere;
- fotodetektorer; Solceller; ulike sensorer);
- ultratett;
- telekommunikasjons-, informasjons- og datateknologier; superdatamaskiner;
- videoutstyr - flatskjermer, monitorer, videoprojektorer;
- molekylære elektroniske enheter, inkludert brytere og elektroniske kretser på molekylært nivå;
- nanolitografi og nanoimprinting;
- brenselceller og energilagringsenheter;
- enheter av mikro- og nanomekanikk, inkludert molekylære motorer og nanomotorer, nanoroboter;
- nanokjemi og katalyse, inkludert forbrenningskontroll, belegg, elektrokjemi og farmasøytiske produkter;
- applikasjoner for luftfart, rom og forsvar;
- utstyr for miljøovervåking;
- målrettet levering av legemidler og proteiner, biopolymerer og helbredelse av biologisk vev, klinisk og medisinsk diagnostikk, dannelse av kunstige muskler, bein, implantasjon av levende organer;
- biomekanikk; genomikk; bioinformatikk; bioinstrumentering;
- registrering og identifikasjon av kreftfremkallende vev, patogener og biologisk skadelige stoffer;
- sikkerhet i landbruk og matproduksjon.

Datamaskiner og mikroelektronikk

Nanodatamaskin— en dataenhet basert på elektroniske (mekaniske, biokjemiske, kvante) teknologier med størrelsen på logiske elementer i størrelsesorden flere nanometer. Selve datamaskinen, utviklet på grunnlag av nanoteknologi, har også mikroskopiske dimensjoner.

DNA datamaskin- et datasystem som bruker datafunksjonene til DNA-molekyler. Biomolekylær databehandling er et samlenavn for ulike teknikker knyttet på en eller annen måte til DNA eller RNA. I DNA-databehandling er data ikke representert i form av nuller og enere, men i form av en molekylær struktur bygget på basis av DNA-helixen. Rollen til programvare for lesing, kopiering og håndtering av data utføres av spesielle enzymer.

Atomkraftmikroskop- et høyoppløselig skanningsprobemikroskop basert på samspillet mellom en utkragende nål (probe) med overflaten av prøven som studeres. I motsetning til et skanningstunnelmikroskop (STM), kan det undersøke både ledende og ikke-ledende overflater selv gjennom et væskelag, noe som gjør det mulig å arbeide med organiske molekyler (DNA). Den romlige oppløsningen til et atomkraftmikroskop avhenger av størrelsen på utkragingen og krumningen til spissen. Oppløsningen når atomisk horisontalt og overskrider den betydelig vertikalt.

Antenne-oscillator– 9. februar 2005 ble en antenneoscillator med dimensjoner på ca. 1 mikron anskaffet i laboratoriet ved Boston University. Denne enheten har 5000 millioner atomer og er i stand til å oscillere med en frekvens på 1,49 gigahertz, noe som gjør at den kan overføre enorme mengder informasjon.

Nanomedisin og farmasøytisk industri

En retning i moderne medisin basert på bruk av de unike egenskapene til nanomaterialer og nanoobjekter for å spore, designe og modifisere menneskelige biologiske systemer på nanomolekylært nivå.

DNA nanoteknologi- bruke spesifikke baser av DNA og nukleinsyremolekyler for å lage klart definerte strukturer på grunnlag av disse.

Industriell syntese av legemiddelmolekyler og farmakologiske preparater i en klart definert form (bis-peptider).

Tidlig i 2000 ga raske fremskritt innen nanopartikkelteknologi drivkraft til utviklingen av et nytt felt innen nanoteknologi: nanoplasmonikk. Det viste seg å være mulig å overføre elektromagnetisk stråling langs en kjede av metallnanopartikler ved bruk av eksitasjon av plasmonoscillasjoner.

Robotikk

Nanoroboter- roboter laget av nanomaterialer og kan sammenlignes i størrelse med et molekyl, med funksjoner for bevegelse, prosessering og overføring av informasjon, og utførelse av programmer. Nanoroboter som er i stand til å lage kopier av seg selv, dvs. selvreproduksjon kalles replikatorer.

For tiden er det allerede laget elektromekaniske nanoenheter med begrenset mobilitet, som kan betraktes som prototyper av nanoroboter.

Molekylære rotorer- syntetiske nanomotorer som er i stand til å generere dreiemoment når tilstrekkelig energi tilføres dem.

Russlands plass blant land som utvikler og produserer nanoteknologi

Verdenslederne når det gjelder totale investeringer i nanoteknologi er EU-landene, Japan og USA. Nylig har Russland, Kina, Brasil og India økt investeringene i denne industrien betydelig. I Russland vil finansieringsbeløpet under programmet "Utvikling av nanoindustriinfrastruktur i den russiske føderasjonen for 2008 - 2010" beløpe seg til 27,7 milliarder rubler.

Den siste (2008) rapporten fra det London-baserte analysefirmaet Cientifica, kalt Nanotechnology Outlook Report, beskriver russiske investeringer ordrett slik: «Selv om EU fortsatt rangerer først når det gjelder investeringer, har Kina og Russland allerede gått forbi USA. ”

Det er områder innen nanoteknologi hvor russiske forskere ble de første i verden, etter å ha oppnådd resultater som la grunnlaget for utviklingen av nye vitenskapelige trender.

Blant dem er produksjon av ultradisperse nanomaterialer, design av enkeltelektronenheter, samt arbeid innen atomkraft og skanningsprobemikroskopi. Bare på en spesialutstilling som ble holdt innenfor rammen av XII St. Petersburg Economic Forum (2008), ble 80 spesifikke utviklinger presentert på en gang.

Russland produserer allerede en rekke nanoprodukter som er etterspurt på markedet: nanomembraner, nanopulver, nanorør. Imidlertid, ifølge eksperter, ligger Russland i kommersialiseringen av nanoteknologisk utvikling bak USA og andre utviklede land med ti år.

Materialet er utarbeidet basert på informasjon fra åpne kilder

Som et resultat av å mestre materialene i denne delen, bør studentene:

vet

• grunnleggende konsepter for nanoteknologi, utsikter for utvikling av nanovitenskap og nanoteknologi;
• teknologier for å produsere nanopartikler;

være i stand til

Bruk nanomaterialer og nanoteknologi i produksjonen av moderne og lovende produkter;

egen

• ferdigheter i å analysere forskningsresultater innen nanoteknologi;
• metoder for å studere nanomaterialer.

GRUNNLEGGENDE KONSEPT OG DEFINISJONER

Nanoteknologiens historie. Enkle konsepter

Utviklingen av denne nye retningen innen vitenskap og teknologi har allerede blitt en prioritert oppgave i mange land, inkludert Russland. For å løse de mest komplekse problemene med den praktiske implementeringen av nye muligheter basert på nanoteknologi, tildeler stater og bedrifter enorme mengder penger, oppretter spesielle programmer, prosjekter og vitenskapelige koordineringssentre for nanoteknologi. Antallet vitenskapelige publikasjoner på dette området har økt betydelig rundt om i verden. Informasjon om nanomaterialer og nanoteknologi er inkludert i læreplanene til tekniske universiteter, noen av dem har begynt å trene spesialister i et nytt raskt utviklende vitenskapelig felt, på grunnlag av hvilket fantastiske resultater allerede er oppnådd på nesten alle områder av menneskelig aktivitet, og fremtiden lover enda mer dramatiske prestasjoner, som kan sammenlignes med de mest fantastiske ideene.

Det er åpenbart at det store feltet av vitenskap og teknologi i det 21. århundre. vil bli assosiert med begrepet "nanoteknologi". Hvis ordet "techno" er oversatt fra gresk ( tech) betyr kunst, ferdigheter, håndverk og "logikk" (logoer)- vitenskap, ordet "nano" er også av gresk opprinnelse ( nanoer) og betyr dverg. Allerede nå er slike begreper som "nanofysikk", "nanokjemi", "nanoporøs", "nanokrystallinsk", "nanokomposittmaterialer", etc. i bruk.

Faktisk betyr nano bare en milliarddel (10 9) av en meter - en nanometer (nm). Denne verdien kan bare tenkes spekulativt. For eksempel er 1 nm størrelsesordenen til et atom eller molekyl; en tråd av denne størrelsen er flere titusenvis av ganger tynnere enn et menneskehår.

Nanoteknologi, kan derfor defineres som et sett med metoder for å produsere produkter med en gitt atomstruktur ved å manipulere atomer og molekyler.

Samtidig skal det bemerkes at terminologien innen nanomaterialer til en viss grad bare er i ferd med å dukke opp og etableres. Dermed er det en tilnærming til å bestemme nanopartikler ved deres geometriske parametere. Spesielt er partikler med en størrelse på 1 - 100 nm klassifisert som nanostrukturerte. Grensen på 100 nm ble valgt basert på det faktum at fra denne størrelsen og under, er de spesielle fysiske, mekaniske og kjemiske egenskapene til materialet, inkludert styrke, hardhet, etc., merkbart manifestert.

Det er andre tilnærminger som tar hensyn til rollen til flere grensesnitt, tar hensyn til deres volumfraksjon i den totale mengden materiale. Noen forskere baserer sin klassifisering av nanomaterialer på spesielle fysiske fenomener som manifesterer seg ved en viss partikkelstørrelse. Den vanligste, og derfor aksepterte, definisjonen er imidlertid: nanomaterialer- dette er materialer som inneholder konstruksjonselementer hvis geometriske dimensjoner i minst én dimensjon ikke overstiger 100 nm, og som har kvalitativt nye egenskaper, funksjons- og ytelsesegenskaper.

Andre begreper finnes i litteraturen: "ultradisperse materialer", "ultradisperse systemer", "nanostrukturerte materialer", "nanokrystallinske materialer".

Eksisterende nanomaterialer kan deles inn i flere grupper:

• a) materialer (faste stoffer) med dimensjoner på minst én koordinat mindre enn 100 nm;
• b) materialer i form av mikrogjenstander som varierer i størrelse fra 1 mikron til 1 mm;
• c) bulk nanomaterialer med dimensjoner på flere millimeter. Imidlertid består de av elementer i nanostørrelse med en kornstørrelse på 1 - 100 nm;
• d) sammensatte nanostrukturerte materialer. I slike kompositter er modifikatorer forskjellige typer nanopartikler.

Historien om utviklingen av nanoteknologi kan spores tilbake til antikken. Faktisk var selve antagelsen om at alle stoffer består av en liten partikkel kalt et atom allerede et nødvendig skritt i den påfølgende implementeringen av ideene om nanoteknologi. Og den greske filosofen Demokritos gjorde dette ved å introdusere konseptet "atom" for 2400 år siden. Den amerikanske fysikeren Richard Feynman (1959) underbygget ideen om å lage materielle objekter direkte fra atomer ved å manipulere dem. I 1974 introduserte den japanske fysikeren Porio Toniguchi konseptet "nanoteknologi" i vitenskapelig sirkulasjon.

I Russland tilsvarte teoretisk forskning innen nanoteknologi praktisk talt internasjonalt nivå. Det var et visst etterslep i utviklingen av innenlandsk presisjonsutstyr for forskning på dette området. Fremskritt i den akselererte utviklingen av nanoteknologi var nettopp forbundet med etableringen av en unik teknikk som gjør det mulig å studere mikroverdenen med tidligere ukjente muligheter. Selv de kraftigste elektronmikroskopene som fantes gjorde det mulig å skille atomgitter, men det var nødvendig å se atomene – først da kunne man drive med nanovitenskap.

I 1981 bygde G. Biening og G. Rohrsr et skanningstunnelmikroskop (STM) basert på den såkalte tunneleffekten og brukte det til å avbilde overflaten av gull og silisium med atomoppløsning. STM er utstyrt med den tynneste ledende nålesonden. Sonden beveger seg i en avstand på omtrent 0,5 nm over overflaten som studeres. En konstant lav spenning påføres sonden, som skaper en tunnelstrøm. Deretter fører en liten endring i avstanden mellom sonden og overflaten til metallet som studeres til en betydelig endring i gjeldende verdi, som karakteriserer følsomheten til STM. Sporingssystemet skanner overflaten slik at sonden kontinuerlig sporer topografien. Nøyaktigheten av skannebevegelser når tusendeler av en nanometer. Denne nøyaktigheten oppnås ved å bruke en spesiell mekanisk manipulator laget av piezokeramisk materiale.

Skannetunnelmikroskopet har vist seg å være et veldig nyttig og delikat verktøy for å studere objekter i nanostørrelse. For oppfinnelsen i 1985 ble forskere tildelt Nobelprisen. Imidlertid kunne den brukes til å studere materialer som leder elektrisk strøm, noe som var en ganske alvorlig begrensning for forskere.

I 1986 ble neste generasjons mikroskop, atomkraftmikroskopet (ACM), opprettet ved IBM-laboratoriet (avdeling i Zürich, Sveits). Den er basert på bruk av interatomiske bindinger. Når sonden (diamantnålen) beveger seg over overflaten til objektet som studeres, oppstår det en interaksjonskraft mellom sonden og overflaten.

Når den tynneste nålen nærmer seg et atom, øker først tiltrekningskreftene, og med ytterligere tilnærming - til og med frastøting. Sensitive sensorer overfører denne effekten til en datamaskin, som konverterer signalet til et synlig bilde. Dette mikroskopet, i motsetning til ACM, er et universelt verktøy for å studere materialer; den har funnet bredere anvendelse.

Introduksjon.

En rekke nanoobjekter har vært kjent og brukt i ganske lang tid. Disse inkluderer: kolloider, fint pulver, tynne filmer.

1) R. Feynman er nobelprisvinner. "Så vidt jeg kan se, forbyr ikke fysikkens prinsipper manipulering av individuelle atomer" 1959

2) 1996 R. Young foreslo ideen om piezomotorer, som nå gir presisjonsbevegelse av nanoteknologiske verktøy med en nøyaktighet på 0,01 Å. Å=

3) I 1974 brukte Norio Taniguchi første gang begrepet "nanoteknologi"

4) I 1982-1985. Den tyske professoren G. Gleiter foreslo konseptet med solid kropps nanostruktur.

5) I 1985 et team av forskere Robert Curl, Harold Kroto, Richard Smalley oppdaget fullerener og skapte teorien om CNT, som ble eksperimentelt oppnådd i 1991.

6) I 1982 opprettet G. Biening og G. Rohrer det første skanningstunnelmikroskopet (STM).

7) I 1986 dukket det skanende atomkraftmikroskopet opp.

8) I 1987-1988 ble driftsprinsippet til den første nanoteknologiske installasjonen, som gjorde det mulig å manipulere individuelle atomer, demonstrert. (I USSR)

E. Drexler - oppsummerte all kunnskap om nanoteknologi, definerte konseptet med selvreproduserende molekylære roboter, som skulle settes sammen og dekomponere, registrere informasjon i minnet på atomnivå, lagre selvreproduksjonsprogrammer og implementere dem.

9) I 1990 Ved hjelp av STM ble 3 bokstaver tegnet av IBM. De ble tegnet av Xe-atomer (35 atomer) på den flate overflaten av en nikkelkrystall.

Til dags dato er teknologiske metoder for de såkalte allerede utviklet. konjugering av atomer på overflater og dannelse av ulike kombinasjoner av atomer i volumet - ved romtemperatur.

Det mest realistiske resultatet av nanoteknologi er det som kalles selvmontering av atomstrukturer. Oppgaven til moderne nanoteknologi er å finne naturlover som vil sikre sammenstilling av atomstrukturer.

Konseptet med et nanoobjekt, nanomateriale, nanoteknologi.

Nano - "". Dermed omfatter omfanget av nanoteknologi objekter som har en størrelse målt i nm i minst én dimensjon. I virkeligheten er spekteret av objekter som vurderes mye bredere - fra størrelsen på et enkelt atom til et konglomerat av organiske molekyler (organiske molekyler som inneholder over 10 9 atomer med dimensjoner større enn 1 mikron i 1,2 eller 3 dimensjoner. Det er grunnleggende sett viktig at disse objektene ikke består av et b.b antall atomer, noe som forårsaker manifestasjonen av en diskret atom-molekylær struktur av et stoff eller kvantelover for dets oppførsel.

1) Definisjon av et nanoobjekt. Ethvert fysisk objekt med nanometerdimensjoner i 1x, 2x, 3x romlige koordinater (snart kanskje i tide).

2) Definisjon av et nanoobjekt. Et nanoobjekt er ethvert materiell objekt der antallet atomer nær overflaten er sammenlignbart med eller overstiger antallet atomer som befinner seg i volumet.

3) Definisjon av et nanoobjekt. Et nanoobjekt er et objekt med dimensjoner i 1 eller flere koordinater, sammenlignbar med de Broglie-bølgelengden for elektroner. (I 1924 sa fysikeren de Broglie at bølge-partikkel-dualitet for fotoner er iboende i enhver partikkel i naturen). , hvor h er Plancks konstant, p er momentum. Elektron – har den største de Broglie-bølgen.

4) Definisjon av et nanoobjekt. De navngir objekter som i deres dimensjon er mindre enn den kritiske størrelsen på hendelsen. (størrelsen er i samsvar med polarisasjonsradiusen til et bestemt kritisk fenomen, den gjennomsnittlige frie banen til elektroner, størrelsen på det magnetiske domenet, størrelsen på kjernedannelsen til den faste fasen).

5) Definisjon av et nanoobjekt. Et nanoobjekt er et objekt med en størrelse på mindre enn 100 nm i minst 1 av 3 romlige dimensjoner. 100nm er de Broglie-bølgelengden for et elektron i p/p.

Nanomaterialer kalles i seg selv nanoobjekter (hvis de brukes til produksjon av enheter og enheter for ulike tekniske formål), samt materialer der nanoobjekter brukes til å danne visse egenskaper i disse materialene, eller nanostrukturerte materialer. Konseptet «nanoteknologi» er nært knyttet til begrepet "nanomaterialer".

Begrepet "teknologi" refererer til tre konsepter:

1) teknologisk prosess
2) sett med teknologisk dokumentasjon

3) En vitenskapelig disiplin som studerer mønstrene som følger med prosesseringsprosesser og produkter.

Nanoteknologi er en vitenskapelig disiplin som studerer mønstre i prosessering og bruk av nanomaterialer.

Fysiske årsaker til spesifisiteten til nanopartikler og nanomaterialer.

1) I nanoobjekter blir antallet overflatenære eller korngrenseatomer sammenlignbart med antall atomer. Ligger i volum.

2) Atomer lokalisert på overflaten også ved nodene til trinn og trinn har et lite antall fullførte bindinger. I motsetning til atomer som ligger i volumet til et fast legeme. Dette fører til en annen økning i den kjemiske og katalytiske aktiviteten til nanoobjekter og monostrukturerte materialer. I tillegg skjer migrasjon fra karbonatomer langs overflaten mye raskere, d.v.s. øke hastigheten på diffusjonsmigrering, rekrystallisering, samt sorpsjonskapasitet, etc.

3) For nanoobjekter er bildekreftene til lineær og overflatespenning mye sterkere enn for nanoobjekter, fordi Når man beveger seg bort fra overflaten i volumet til et fast legeme, svekkes disse kreftene betydelig. Størrelsen på disse kreftene fører til rensing av volumet til nanoobjektet på grunn av kreftene til defekter i krystallstrukturen. Et nanoobjekt har en mer perfekt krystallstruktur enn et nanoobjekt.

Bildekrefter får navnet sitt fra metoden for å beregne elektriske felt.

4) I nanoobjekter blir dimensjonale effekter forårsaket av spredning, rekombinasjon og refleksjon ved grensene til objekter (vi snakker om bevegelse av mikropartikler) av stor betydning.

I ethvert overføringsfenomen (elektrisk strøm, termisk ledningsevne, plast, deformasjon, etc.)

Bærerne kan tildeles en viss effektiv middelfri bane, når størrelsen på objektet>>middelfri bane til bæreren, prosessen med spredning og død av bærere avhenger svakt av objektets geometri. Hvis størrelsen på objektet er sammenlignbar med den gjennomsnittlige frie banen til bæreren, skjer disse prosessene mer intenst og de avhenger sterkt av geometrien til prøven.

5) Størrelsen på nanopartikler er sammenlignbar med eller mindre enn størrelsen på en ny fasekjerne, domene, dislokasjonssløyfe, etc. Dette fører til en radikal reduksjon i de magnetiske egenskapene (en Fe-nanopartikkel har ikke magnetiske egenskaper), dielektriske egenskaper og styrkeegenskaper til nanoobjekter og nanomaterialer sammenlignet med makroobjekter.

6) Et lite antall atomer av et stoff er preget av overflaterekonstruksjon, selvorganisering og selvmontering. de. Når et atom kombineres til en klynge, dannes geometriske strukturer, som senere kan brukes til å løse tekniske problemer

Figur 1 - Kraften til interaksjon mellom atomer.

7) I nanoobjekter manifesteres kvantemønstre for oppførsel av forskjellige elementære partikler (elektroner). Fra kvantemekanikkens posisjon kan et elektron representeres av en bølge som beskriver de tilsvarende bølgefunksjonene. Utbredelsen av denne bølgen i et fast stoff styres av effekter forbundet med den såkalte. kvantebegrensning (bølgeinterferens, mulighet for tunnelering gjennom potensielle barrierer). For metalliske materialer er begrensningene pålagt av bølgenaturen til elementærpartikler ennå ikke relevante, fordi for dem (for elektroner) de Broglie-bølge 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) Når dimensjonen til et nanoobjekt avtar, øker graden av diskretisering av elektronenergispekteret. For en kvanteprikk (et objekt som bokstavelig talt består av flere atomer), får elektroner et spektrum av tillatte energier som er praktisk talt lik et individuelt atom.

KLASSIFISERING AV NANOOBJEKTER.

Dimensjonen til et nanoobjekt er grunnlaget for klassifiseringen av nanoobjekter.

I henhold til dimensjonene skilles de ut:

1) 0-D nanoobjekter er de der alle 3 romlige dimensjonene ligger i nanometerområdet (omtrent: alle 3 dimensjonene<100нм)

Et slikt objekt i makroskopisk forstand er nulldimensjonalt, og derfor kalles slike objekter fra et synspunkt av elektroniske egenskaper kvanteprikker. I dem er de Broglie-bølgen større enn noen romlig dimensjon. Kvanteprikker brukes i laserteknikk, optoelektronikk, fotonikk, sensorer, etc.

2) 1-D nanoobjekter er de objektene som har nanometerdimensjoner i to dimensjoner og makroskopiske dimensjoner i den tredje. Disse inkluderer: nanotråder, nanofibre, enkeltveggede og flerveggede nanorør, organiske makromolekyler, inkl. DNA doble helikser.

3) 2-D nanoobjekter er de som har en nanometerstørrelse i bare én dimensjon, og i de to andre vil denne størrelsen være makroskopisk. Slike gjenstander inkluderer: tynne overflatenære lag av homogent materiale: filmer, belegg, membraner, flerlags heterostrukturer. Deres kvasi-to-dimensjonalitet gjør det mulig å endre egenskapene til elektrongassen, egenskapene til elektroniske overganger (p-n-kryss), etc. Det er 2-D nanoobjekter som gjør det mulig å komme med et grunnlag for utviklingen av en fundamentalt ny elementær base for radioelektronikk. Dette vil være nanoelektronikk, nanooptikk osv.

For tiden fungerer 2D nanoobjekter oftest som alle slags antifraksjoner, anti-korrosjonsbelegg, etc. De er også av stor betydning for dannelsen av ulike typer membraner i molekylære filtre, sorbenter, etc.

KLASSIFISERING AV NANOMATERIALER.

Tatt i betraktning det faktum at for tiden kjente nanomaterialer kom inn i moderne nanoteknologi fra forskjellige felt innen vitenskap og teknologi, eksisterer en akseptabel enhetlig klassifisering, uansett grunnlag, rett og slett ikke.

Nanomaterialer:

Bulk nanostrukturerte materialer

Nanoklynger, nanopartikler, nanopulver

Flerlags nanofilmer, flerlags nanostrukturer, flerlags nanobelegg.

Funksjonelle (smarte) nanomaterialer

Nanoporøs

Fullerener og deres derivater av nanorør

Biologiske og biosamarbeidende materialer

Nanostrukturerte væsker: kolloider, geler, suspensjoner, polymerkompositter

Nanokompositter.

NANOPARTIKLER, NANOPULVER

De første nanopartikler ble skapt av mennesker utilsiktet, ved et uhell, i forskjellige teknologiske prosesser. For tiden begynte de å bli designet og produsert spesielt, noe som la grunnlaget for nanoteknologi. Utviklingen av nanoteknologi har ført til en grunnleggende revisjon av noen grunnleggende prinsipper:

sti" ovenfra og ned"– generelt paradigme for nanoteknologi (overskudd kuttes av arbeidsstykket)

Nanoteknologi tilbyr en måte " ned opp"– fra liten til stor (fra atom til objekt). Dette er nanoteknologiparadigmet.

I utgangspunktet er nanoteknologi for tiden dominert av teknologiske teknikker som kom til oss fra makroteknologier. Å lage nanopartikler som tilhører klassen 0-D objekter. Moderne nanoteknologi bruker dispersjonsmetoden, dvs. sliping. For å male (spre) ethvert makroskopisk objekt til nanostørrelse, er konvensjonell dispersjon ikke egnet. Jo mindre partikkelstørrelsen er, desto høyere aktivitet har overflaten deres; som et resultat blir individuelle partikler kombinert til voluminøse konglomerater. Derfor krever ultrafin dispersjon bruk av en bestemt type medium i form av overflateaktive midler som reduserer overflatespenningskrefter, samt stabilisatorer. Såpelignende sammensetninger som forhindrer gjenfusjon. Under visse forhold. Når overflateenergien ved grensen til et fast stoff er sterkt redusert, kan spredningsprosessen skje spontant, pga. For eksempel termisk bevegelse av partikler. Disse metodene kan produsere Me-pulver med partikkelstørrelser på titalls nm. Oksider av disse metallene med partikkelstørrelser på 1 nm. Og også for å utføre dispergering av polymerer, keramiske komponenter, etc.

Slipemetoder: kulemølle, vibrerende mølle, attraktorer, jetmøller.

1)

2) I tillegg til spredning er en prosess som er en kombinasjon av to-grense paradigmer mye brukt. Denne prosessen involverer fordampning av et fast stoff etterfulgt av kondensasjon under forskjellige forhold. For eksempel kondensering av damp av et stoff oppvarmet til 5000-10000 ° C i et avkjølt inertgassmiljø med rask fjerning av det resulterende pulveret fra kondensasjonssonen. På denne måten er det mulig å få pulver med partikkelstørrelser på 3-5 nm.

1 – Kilde til fordampende stoff

2- Pumping

3 – Pulver

4 – Skraper

5 – Kondensertrommel

3) Den tredje metoden er også relatert til tradisjonell dispersjon og kalles å sprøyte et smeltet stoff inn i en strøm av avkjølt gass eller væske.

N 2, Ar 2 kan tjene som et gassmedium i en stråle som slår ned en dråpe, og alkoholer, vann og aceton kan tjene som væske. På denne måten kan partikler med størrelser på ca. 100 nm oppnås.

Alle de beskrevne prosessene er svært produktive, men gir som regel ikke ultradispergering av pulveret, stabilitet av partikkelstørrelser og sikrer ikke prosessens renhet. Dette er ikke de eneste kjente måtene å danne nanopartikler på. I tillegg til ultrafine pulver inkluderer 0-D nanoobjekter også fullerener og karbon 0-D nanoobjekter.

Kapittel 1- D nanoobjekter.

Hver av disse nanoobjektene finner sin anvendelse i ulike grener av teknologi. For eksempel foreslås nanotråder brukt som ledere i submikron- og nanoelektroniske sammenstillinger. Nanofibre brukes som et element i nanostrukturerte nanokomposittfibre. Organiske makromolekyler brukes også til å lage nanostrukturerte materialer.

I medisin, i kjemisk industri.

For elektronikk har 1-D nanoobjekter som nanorør blitt svært viktige. I det store og hele er alle nanorør delt inn i 2 store klasser:

1) Karbon nanorør (CNT).

2) Nanorør uten karbon.

I tillegg er alle nanorør forskjellige i antall lag: enkeltlag, dobbeltlag, flerlags.

IKKE-KARBON NANORUER

Alle ikke-CNT-er er delt inn i to systemer:

1) Overgangs nanostrukturer som inneholder karbon

2) Dichalcogenide nanorør. For tiden er MoS 2, WS 2, WSe 2, MoTe 2, etc. kjent fra dikalkogenidrør. Slike nanorør er ultratynne, ideelt sett monoatomiske lag, av materialer rullet til en rull.

Noen lagdelte materialer, på grunn av asymmetrien til kjemiske bindinger, ruller ganske fritt inn i slike ruller på egen hånd, og det eneste problemet i dannelsen av slike strukturer er å få et fritt lag av atomstørrelser som ikke er forbundet med noe. Andre materialer er ikke utsatt for spontan folding og derfor utvikles det for tiden teknologiske metoder som gjør det mulig å tvangsforme nanorør. Det er 3 alternativer for slike prosesser:

1) Heteroepitaksial vekst av tynne lag av materiale som vi ønsker å danne et nanorør av, basert på et eksisterende nanorør. Eksempel GaN→ZnO

Den største ulempen med denne metoden er at det er vanskelig å velge et par materialer for heteroepitaksial vekst

2) Enkeltveggede nanorør oppnådd ved suksessivt å redusere den originale nanotråden med en elektronstråle. Eksempel: Gull og platina nanorør. D Pt nanorør – 0,48 nm.

3) Den er basert på å dyrke en tynn, anstrengt heteroepitaksial struktur, flere monolag tykke, på et flatt underlag, etterfulgt av å frigjøre denne heterostrukturen fra dens forbindelse med underlaget og rulle den inn i et rør eller rulle. 1ML – ett enkeltlag.

Foldeprosessen skjer på grunn av virkningen av interatomiske krefter i en spent heterofilm.

AlAs, som er i god overensstemmelse med det, dyrkes på In ved bruk av heteroepitaxy-metoden, deretter dyrkes et AsIn-lag på denne strukturen ved hjelp av HE-metoden. Det har krystallgitterparametere som er større enn AlAs, og derfor, når dette laget vokser, ser det ut til at det krymper. Deretter dyrkes et GaAs-lag på dette laget igjen ved å bruke HE-metoden. Men, i motsetning til AsIn, har dette laget en mindre krystallgitterparameter (mindre enhetscellestørrelse) og strekker det tvert imot. Som et resultat, når vi begynner å etse AsAl-laget, begynner den frigjorte InAs c AsGa-strukturen å foldes til et rør på grunn av kreftene som utvider InAs og trekker sammen GaAs-laget.

Fordeler med metoden:

1) Diameteren på rørene varierer mye og kan enkelt spesifiseres ved å velge passende materialer for heterostrukturen.

2) Metoden lar deg bruke nesten alle materialer (p/p, Me, dielektrikk) og rulle dem alle sammen til nanorør.

3) God kvalitet og relativt lange rør med jevn veggtykkelse.

4) Metoden passer godt med IC integrert kretsteknologi.

5) De fysiske egenskapene til slike nanorør bestemmes av materialene i den opprinnelige heterostrukturen.

2- D NANOOBJEKTER (TYNNE FILM)

Brukes i teknologi. Som belegg. Opprettelsen av tynnfilmbelegg gjør det mulig å endre egenskapene til kildematerialet betydelig uten å påvirke volumet eller øke de geometriske dimensjonene. Tykkelse ikke mer enn 1 mikron. De vanligste beleggformålene er:

1) Øke slitestyrken, termisk og korrosjonsbestandighet for materialer av forskjellige deler.

2) Oppretting av plan, enkeltlags. Flerlags- og heterostrukturer for elementer av mikro0, nanoelektronikk, optoelektronikk, sensorer, etc.

3) Endre de optiske egenskapene til overflaten (kameleonbriller)

4) for å skape magnetiske miljøer i elementer for registrering og lagring av informasjon.

5) Opprettelse av optiske midler for opptak og lagring av informasjon. CDer, DVDer.

6) Opprettelse av absorbere, separatorer av gassblandinger, katalysatorer, kjemisk modifiserte membraner, etc. Det er to fundamentalt forskjellige tilnærminger for å forbedre ytelsesegenskapene til en overflate (dvs. lage filmer på dem):

1) Modifisering av overflatenære lag ved ulike typer behandling (kjemisk, termisk, mekanisk, stråling eller kombinasjoner derav).

2) påføring av ytterligere lag med fremmede atomer.

Alle belegningsmetoder kan kombineres i to grupper:

1) Fysisk dampavsetning. PVD

2) Kjemisk dampavsetning. CVD

I begge tilfeller utføres prosessen i et vakuumkammer, der det noen ganger dannes et svakt trykk av prosessgassen (relativt kjemisk nøytrale gasser - Ar, N 2, etylen)

Fysiske dampavsetningsteknikker (PVD) bruker primært to metoder for å levere nytt materiale til underlaget.

1) Sputtering på grunn av termisk oppvarming (oppvarming kan utføres på en rekke måter: resistiv, elektronstråle, induksjon, laser, etc.

2) Sputtering på grunn av kinetisk energi Ek av akselererte ioner av nøytrale gasser, for eksempel Ar-ioner. Et positivt Ar-ion bombarderer katoden, på katoden er det et mål av sputteret materiale, etc. fysisk spredning av dette materialet oppstår.

Den eneste forskjellen er i metodene for å sprøyte materialet

Et bredt utvalg av belegg påføres ved bruk av fysiske dampavsetningsmetoder, fordi... Disse metodene har en rekke fordeler:

1) Stort utvalg av materialer. Som kan brukes på denne måten (Me. Legeringer, polymerer, noen kjemiske forbindelser)

2) Mulighet for å oppnå belegg av høy kvalitet i et meget bredt spekter av underlagstemperaturer.

3) Den høye renheten til denne prosessen sikrer god bindingskvalitet.

4) Ingen vesentlige endringer i dimensjonene til delene.

I kjemiske dampavsetningsmetoder vokser faste produkter (film) på et substrat som et resultat av en kjemisk reaksjon som involverer atomer i arbeidsatmosfæren i kammeret. Plasma av en viss elektrisk utladning, noen ganger laserstråling, brukes som energikilder for en slik reaksjon. Denne typen teknologiske prosesser er mer mangfoldige enn den forrige. Det brukes ikke bare til å lage belegg, men til å produsere nanopulver, som deretter fjernes fra overflaten av underlaget.

På denne måten er det mulig å få kjemiske forbindelser med karbon - karbider, med N - nitrider, oksider osv.

Fordelene med kjemisk dampavsetning er:

1) fleksibilitet og stor variasjon, noe som gjør at belegg kan avsettes på underlag av forskjellig natur og form (på fibre, pulver, etc.)

2) Relativ enkelhet av nødvendig teknologisk utstyr. Enkel automatisering.

3) Stort utvalg av kjemiske reaksjoner og stoffer egnet for bruk

4) Justerbarhet og kontrollerbarhet av beleggstrukturen, dens tykkelse og kornstørrelse.

5) korn er elementer av en polykrystallinsk struktur, de krystallene som utgjør polykrystaller.

Epitaksiale prosesser spiller en stor rolle i produksjonen av tynnfilmstrukturer. Epitaksi er en teknologisk prosess med orientert vekst av et lag med materiale på overflaten av det samme eller et annet materiale, dvs. et underlag som utfører funksjonen å skape en orienterende påvirkning. Hvis materialene til substratet og filmen er de samme, kalles prosessen autoepitaksi; hvis materialene til substratet og filmen er forskjellige, er det heteroepitaksi. Alle epitaksiale prosesser er delt inn i to klasser:

1) Prosesser med et bæremedium (væskefase- og gassfaseepitaksi).

2) Uten bæremedium (vakuumepitaksi). Molekylær stråle eller molekylær stråleepitaksi.

Flytende fase epitaksi. Fordeler ulemper.

Væskefase-epitaksi brukes hovedsakelig til å produsere flerlags halvlederforbindelser som GaAs, CdSnP2; er også hovedmetoden for å produsere monokrystallinsk silisium. Prosessen utføres i en atmosfære av nitrogen og hydrogen (for å gjenopprette oksidfilmer på overflaten av substrater og smelten) eller i et vakuum (etter å redusere oksidfilmene). Smelten påføres overflaten av underlaget, løser den delvis opp og fjerner smuss og defekter.

Gassfase-epitaksi. Fordeler ulemper.

Dampfaseepitaksi er produksjonen av epitaksiale lag av halvledere ved avsetning fra dampgassfasen. Mest brukt i silisium-, germanium- og galliumarsenid-halvleder- og IC-teknologi. Prosessen utføres ved atmosfærisk eller redusert trykk i spesielle vertikale eller horisontale reaktorer. Reaksjonen skjer på overflaten av underlag (halvlederskiver) oppvarmet til 750 - 1200 °C

Molekylær stråle (stråle) epitaksi. Fordeler ulemper.

Molekylær stråleepitaksi (MBE) eller molekylær stråleepitaksi (MBE) er epitaksial vekst under forhold med ultrahøyt vakuum. Tillater vekst av heterostrukturer av en gitt tykkelse med monatomisk glatte heterogrensesnitt og med en gitt dopingprofil. Epitaksiprosessen krever spesielle, godt rengjorte underlag med en atomisk glatt overflate.

Orientert utvidelse. En krystallinsk kropp er synlig for det blotte øye - en flat, hard overflate.

Gjennom mikroskopet: atomære og kjemiske bindinger

Ethvert atom som ligger direkte på overflaten har en dinglende, ufullstendig kjemisk binding. Og denne forbindelsen representerer minimum Ep.

Den orienterende effekten av substratatomer på plasseringen av et fritt atom når det er avsatt på en overflate.

KARBON NANOMATERIALER

Den amerikanske arkitekten Fuller introduserte et nytt designelement i arkitekturen.

I 1985 Karbonpartikler ble funnet koblet i en lignende struktur. Disse stoffene ble kalt fullerener. Fulleren C-60 (60 atomer C), fulleren C-70 (70 atomer C), fulleren C-1000000 er mulig.

Karbonatomer kan danne et svært symmetrisk C-60-molekyl, bestående av 60 atomer og plassert i en kule med en diameter på 1 nm. Dessuten, i samsvar med Leonhard Eulers teorem, danner karbonatomer 12 regulære femkanter og 20 vanlige sekskanter.

C-60-molekyler kan på sin side danne en krystall kalt fulleritt, som har et ansiktssentrert kubisk gitter (fcc) og ganske svake intermolekylære bindinger. Tatt i betraktning at fullerener er mye større enn atomer, viser gitteret seg å være løst pakket, d.v.s. har oktaedriske hulrom i volumet, og tetraedriske hulrom der fremmede atomer kan lokaliseres. Hvis du fyller de oktaedriske hulrommene med alkali-Me-ioner (K, Rb, Cs), blir fulleren ved temperaturer under romtemperatur til et fundamentalt nytt polymermateriale, som er veldig praktisk å danne fra en polymer-preform i rom nær jorden (for eksempel bobler). Hvis de tetraedriske hulrommene fylles med andre ioner, dannes et nytt superledende materiale med en kritisk t=40÷20 K. På grunn av evnen til å adsorbere ulike stoffer, tjener fulleritter som grunnlag for dannelsen av nye unike materialer. For eksempel har C 60 C 2 H 4 kraftige ferromagnetiske egenskaper. For tiden er mer enn 10 000 arter kjent og brukt. Molekyler med et gigantisk antall atomer kan fås fra karbon. For eksempel C 1000000. Disse er som oftest enkeltveggede eller flerveggede CNT-er (forlengede nanorør). Samtidig er diameteren til et slikt nanorør ≈1 nm, og lengden er enheter, titalls mm - maksimal lengde. Endene av et slikt rør er lukket med 6 vanlige femkanter. For øyeblikket er dette det mest holdbare materialet. Grafen er en vanlig sekskant, har en flat struktur, men den kan også være bølget hvis grafenarket ikke er laget av vekslende vanlige sekskanter, men fra en kombinasjon av 5-7 trekanter.

SYNTESE AV KARBON NANOMATERIALER.

De første fullerenene ble isolert fra kondenserte grafittdamper oppnådd ved laserfordamping av faste grafittprøver. I 1990 En rekke forskere (Kretcher, Hoffman) har utviklet en metode for å produsere fullerener i størrelsen på flere gram. Metoden bestod i å brenne grafittstaver - elektroder i en elektrisk lysbue i en He-atmosfære ved lavt trykk. Valget av optimale prosessparametere gjorde det mulig å optimalisere utbyttet av brukbare fullerener, som fra startmassen til stangen er 3-5 % av anodemassen, noe som delvis forklarer den høye kostnaden for fullerener. Japanerne ble interessert i dette. Mitsubishi klarte å etablere industriell produksjon av egnede fullerener ved å brenne hydrokarboner. Men slike fullerener er ikke rene; de ​​inneholder O 2. Derfor er den eneste rene måten å oppnå det ved å brenne Han i en atmosfære.

Den relativt raske økningen i det totale antallet installasjoner for produksjon av fullerener og deres rensing førte til en betydelig reduksjon i prisene for dem (først 1 gram - $ 10 000, og nå - $ 10÷15). De høye kostnadene for fulleren (så vel som andre karbon-n/m) forklares ikke bare av det lave %-utbyttet, men også av et komplekst rensesystem. Standard rengjøringsskjema: når det brennes, dannes noe som sot. Den blandes med et løsningsmiddel (toluen), deretter filtreres denne blandingen, deretter destilleres den av i en sentrifuge, slik at de største isoleres fra de gjenværende små inneslutningene. Deretter fordampes det. Det gjenværende mørke sedimentet er en fint spredt blanding av forskjellige fullerener. Denne blandingen bør deles inn i individuelle komponenter. Dette gjøres ved hjelp av væskekromatografi, høyoppløselig elektronmikroskopi og skanningsprobemikroskopi.

Opprinnelig ble CNT-er også produsert ved elektrisk lysbue eller laserfordampning av grafitt etterfulgt av kondensering i et inertgassmiljø. Denne metoden viste seg å være langt fra den beste. Derfor er den mest praktiske metoden for øyeblikket kjemisk dampavsetning. For å gjøre dette, ta en karbonholdig forbindelse, for eksempel acetylen, og dekomponer den på overflaten av en veldig varm Me-katalysator. Og på overflaten av denne katalysatoren begynner CNT-er å vokse i en tett haug. Denne reaksjonen kalles katalytisk pyrolyse av gassformige hydrokarboner. Oftest implementert i roterende rørovner. I dette tilfellet fungerer Fe, Co, Ni som katalysatorer, hvis partikler er mettet med zeolittstykker. Zeolitt er et naturlig mineral. I motsetning til elektrisk lysbue, laser og andre typer høytemperatursyntese, tillater katalytisk pyrolyse produksjon av karbon-nanostrukturer på industriell snarere enn laboratorieskala, og selv om de er mindre rene og mindre ensartede i sammensetning, kan de brukes. Grafen – grafittpartikkel. Grafenflak legges på et oksidert Si-substrat, som gjør det mulig å studere grafen som et selvstendig materiale, d.v.s. for elektriske målinger. Et eksempel er en kjemisk metode for å produsere grafen: krystallinsk grafitt utsettes for HCl og H2SO4, noe som fører til oksidasjon i kantene av disse grafenarkene. Karboksylgruppen i grafen omdannes til klorider ved å behandle tionylklorid. Deretter, under påvirkning av oktadecylamin, i løsninger av tetrahydrofuraner, karbontetraklorid og dikloretan, skjer transformasjon til grafenlag med en tykkelse på 0,54 nm.

Fremgangsmåte for fremstilling av grafen på silisiumkarbidsubstrater, hvor grafen dannes ved termisk dekomponering av silisiumkarbid på overflaten av substratet. Studier har vist at laget av grafitt som frigjøres i dette tilfellet har en tykkelse større enn ett atomlag, men siden Ved grensesnittet mellom silisiumkarbid SiC dannes en ukompensert ladning på grunn av forskjellen i elektronarbeidsfunksjoner, da deltar bare ett atomlag av grafitt i konduktiviteten, det vil si at dette laget faktisk er grafen.

BRUK AV KARBON NANOMATERIALER

1) Fullerener brukes til å modifisere optiske medier.

2) For produksjon av fundamentalt nye komposittmaterialer, både med innblanding av nanorør og fullerener

3) For superharde belegg. Overflater på verktøy, gnidningsdeler osv. Nå egenskapene til diamant i hardhet.

4) For smøremidler og tilsetningsstoffer.

5) For containere, såkalte hydrogenbrensel, som senere skal brukes som kjemiske energikilder

6) For produksjon av nanosensorer som registrerer fysiske og kjemiske effekter. Følsomhet – 1 molekyl fremmedstoff.

7) Prober for skannemikroskopi.

8) For produksjon av atommanipulatorer

9) For produksjon av nanomekaniske informasjonslagringsenheter.

10) For produksjon av nanoledere, nanomotstander, nanotransistorer, nano-optiske elementer.

11) For produksjon av beskyttelsesskjermer mot elektromagnetisk stråling og høye temperaturer. Stealth-teknologi.

12) Nanobeholdere for narkotika kan lages.

13) For produksjon av store planparallelle skjermer med høy oppløsning og lysstyrke.

DRIFTSPRINSIPP FOR SKANNINGETUNNELMIKROSKOP (STM)

Hvis du bringer to separate atomer nær nok til hverandre, kan elektroner utveksles mellom disse atomene uten ytterligere tilegnelse av energi av disse elektronene. Følgelig, hvis du tar to kropper og bringer dem sammen i tilstrekkelig avstand, vil en elektrisk tunnelstrøm flyte mellom disse kroppene, fordi prosessen med elektroner som passerer gjennom en potensiell barriere uten å tilegne seg energi kalles tunnelering. For å implementere dette må to betingelser være oppfylt:

1) En av kroppene må ha frie elektroner, og den andre må ha ufylte elektroniske nivåer som disse elektronene kan bevege seg til.

2) Det er nødvendig å bruke en potensiell forskjell mellom kroppene, og verdien er mindre enn under sammenbrudd av luftgapet.

I STM er en av slike kropper en sonde.

Når sonden og overflaten til objektet nærmer seg en avstand på omtrent 0,5 nm (når bølgefunksjonene til atomene nærmest hverandre begynner å overlappe) og når en potensialforskjell på ≈0,1÷1 V påføres, vil kalt flyt begynner mellom sonden og objektet. tunnelstrøm.

Strålediameteren til denne tunnelstrømmen er ≈0,4 nm, noe som gir høy oppløsning av mikroskopet langs objektplanet. Tunnelstrømmen vil være 3 nA. Det er viktig å merke seg at når avstanden L endres med 0,1 nm, endres tunnelstrømmen med en faktor på 10. Det er dette som sikrer den høye oppløsningen til mikroskopet i høyden av objektet. Faktisk, under måleprosessen, opprettholder sonden, som beveger seg over overflaten av objektet, en konstant høyde.

Ved å fikse posisjonen til sonden og dens koordinater i XYZ-systemet kan du spore overflateprofilen og deretter konvertere den til det tilsvarende bildet på LCD-skjermen.

Fordi avstanden mellom sonden og overflaten som studeres under måleprosessen er ikke mer enn 0,3÷1 nm, da kan det argumenteres for at måleprosessen faktisk endres i et vakuum. I luft – 20 nm. Faktisk utøver miljøet en påvirkning på grunn av molekylene som er adsorbert på overflaten.

TEKNISKE KAPABILITETER TIL SKANNINGETUNNELMIKROSKOP (STM)

De viktigste tekniske egenskapene er:

1) Oppløsning normal til objektoverflaten som studeres

2) Oppløsning i XY-planet, dvs. i planet til objektets overflate

Høy oppløsning av STM normal til overflaten av objektet er omtrent 0,01 nm. Bestemmes av tunnelstrømmens bratte eksponentielle avhengighet av avstanden mellom objektet og sonden. I XY-planet tilveiebringes høy oppløsning av diameteren til tunnelstrømmens elektronstråle, som igjen avhenger av graden av skjerping av sondenålen. Når sonden passerer gjentatte ganger med et trinn på ≈0,02 nm, kan oppløsningen i XY-planet nå 0,03 nm. Den faktiske oppløsningen til STM avhenger av mange faktorer, de viktigste er: eksterne vibrasjoner, akustisk støy og kvaliteten på probene. I tillegg til oppløsningen til mikroskopet er den viktigste egenskapen den såkalte. nyttig økning,

hvor dG=200 µm (øyeoppløsning), er dM mikroskopets maksimale oppløsning. dM = 0,03 nm (for STM). At. en gang. Til sammenligning: de beste optiske mikroskopene har tider

Andre viktige egenskaper ved STM:

Maksimal skannefeltstørrelse er 1x1 µm.

Maksimal bevegelse av sonden langs OZ (under måleprosessen) overstiger nesten ikke 1 µm.

I prinsippet kan moderne mikroskoper gi et skannefelt på opptil flere hundre, men nøyaktigheten blir dårligere. I tillegg til å måle profilen til overflaten og lage dens visuelle modell, lar STM en bedømme typen elektrisk ledningsevne til materialet (for p/p), etablere parametrene til valensbåndet til IC, ledningsbåndet til GB, og energikarakteristikkene til urenheter (dvs. bestemmer plasseringen av urenhetsnivåer). Bestem den kjemiske typen binding mellom atomer på overflaten av et objekt; bestemme den kjemiske sammensetningen av overflaten til et objekt eller overflatelag - den såkalte. STM-spektroskopi.

ATOMIC FORCE MICROSCOPE (SCANNING FORCE MICROSCOPE) ACM.

Forskjellen fra STM er at probene (cantilevers) samhandler med overflaten som studeres, ikke elektrisk, men med makt.

Avhengighet av kraften til to atomer av avstand. Den frastøtende kraften øker i . Det er fundamentalt umulig å kombinere to atomer på ett punkt i rommet.

Utkragingsspissen berører overflaten av objektet og blir frastøtt av denne overflaten når den nærmer seg avstanden til interatomisk interaksjon. Vibrasjonene til cantilever-sonden konverteres til elektriske signaler på ulike måter (den enkleste er den optiske metoden). Optisk metode:

Dette signalet inneholder informasjon om høyde. Til hvilken utkragingen gikk ned på et spesifikt måletrinn. Informasjon om bevegelse i XY-planet er fanget fra bevegelsesmekanismene til dette flyet som studeres.

I tillegg til optiske konverteringsmetoder kan kapasitive eller tunnelsensorer brukes, pga mellom objektet som studeres og sonden (i e-modus for AFM-mikroskopi), så kan AFM undersøke ikke bare ledende objekter, men også dielektriske. Krav til objektet - det må være glatt (slik at det ikke er store høydeforskjeller) og solid (det er ingen vits i å utforske gassformige og flytende objekter).

Oppløsningen til AFM avhenger direkte av kvaliteten på sondeslipingen.

De viktigste tekniske vanskelighetene ved denne typen mikroskopi:

1) Vanskeligheten med å produsere en sonde skjerpet til størrelsen på ett atom.

2) Tilbyr mekanisk. Gjelder også. Termisk og vibrasjonsstabilitet er bedre enn 0,1 Å.

3) Opprettelse av en detektor. Kan registrere så små bevegelser.

4) Oppretting av et skannesystem med trinn av brøkdeler av Å.

5) Sikrer jevn tilnærming av sondenålen til overflaten.

Sammenlignet med et skanningselektronmikroskop (SEM), har AFM en rekke fordeler:

1) AFM lar deg oppnå en virkelig tredimensjonal overflaterelieff, mens SEM gir et 2D-bilde

2) En ikke-ledende overflate sett med AFM krever ikke påføring av et metalllag.

3) SEM krever vakuum for normal drift, men AFM krever ikke vakuum.

4) AFM kan potensielt gi høyere oppløsning enn SEM
Ulempene med AFM kan vurderes:

1) Liten skannefeltstørrelse (sammenlignet med SEM).

2) Strenge krav til størrelsen på vertikale høydeforskjeller på den skannede overflaten. I SEM vil vi se filen, men i AFM vil vi ikke.

3) Strenge krav til sondegeometri. Som er veldig lett å skade.

4) Den praktiske uunngåelsen av forvrengninger. Som introduserer termisk bevegelse av atomer på overflaten som studeres. Denne ulempen kunne utryddes hvis skanningshastigheten oversteg hastigheten på termisk bevegelse av molekylene, dvs. i hvert øyeblikk er bildet annerledes.

Alle disse problemene kompenseres på en eller annen måte ved programvarebehandling av måleresultater, men det bør huskes at det vi ser på dataskjermen ikke er en ekte overflate, men en modell, og graden av pålitelighet til modellen er i spørsmålet.

For tiden har skanningsprobemikroskoper (STM og AFM) funnet bred anvendelse innen alle vitenskapsfelt (fysikk, kjemi, biologi, materialvitenskap).

Nanoteknologiske sondemaskiner.

Opprinnelig, da den grunnleggende muligheten for å flytte individuelle atomer med en STM-sonde ble etablert, opplevde forskere en viss eufori - de drømte allerede om å sette sammen alle slags objekter, ikke bare fra nanoverdenen, men også fra makroverdenen. Ikke desto mindre, basert på prestasjonene til STM-mikroskopi, har det blitt laget enheter kalt nanoteknologiske probemaskiner. Hvis det påføres en større potensialforskjell mellom objektet og sonden enn ved måling av parametrene til objektets overflate, kan et hvilket som helst overflateatom eksiteres (reves av overflaten) ved hjelp av energi. Dette begeistrede atomet. Som regel fester den seg til sonden, og kan følgelig flyttes av denne sonden til et nytt sted, og når energien som tilføres sonden avtar (med en reduksjon i potensialforskjellen), senkes den igjen til flate. Men på den tiden ble ikke problemet med å feste (tvunget) fremmede atomer på overflaten av et objekt under andre forhold enn absolutt null eller nær absolutt null løst.

Takket være forskningen vår kjenner vi nå eksitasjonsenergiene til atomer av forskjellige materialer, og problemet med å tilføre atomgass til driftsområdet til STM-sonden er løst. Faktisk er det tilstedeværelsen av en enhet for tilførsel av atomgass til arbeidsområdet som skiller en probe nanoteknologisk maskin fra en STM.

For tiden er det allerede utviklet prinsipper for styring av multi-probe maskiner, noe som gjør det mulig å øke produktiviteten, og dermed øke sannsynligheten for bredere bruk av en slik sonde-atom-montering og til slutt gjøre nedenfra og opp-montering kostnadseffektiv. .

I HVILKE RETNINGER UTVIKLER NANOTEKNOLOGI?

1) Retningen implementeres «bottom-up», dvs. atomforsamlingen.

2) Skapelse av nye nanomaterialer ved hjelp av makroskopiske og fysiokjemiske metoder.

NANOTEKNOLOGISKE RESULTATER.

1) Nanometer overflatekontroll er etterspurt i produksjon av slike ting som kontaktlinser og opprettelse av nanoelektroniske enheter.

2) Skanneprobemikroskopi er for tiden uovertruffen i nøyaktighet. Med dens hjelp kan du finne og flytte individuelle atomer og lage grupper av atomer. Imidlertid er slike design ikke egnet for massebruk.

Det mest lovende materialet fra nanoteknologiens synspunkt er karbon C, som har unike kjemiske egenskaper:

1) Lar deg lage molekyler med et ubegrenset antall atomer.

2) Den har et isomorft krystallgitter, dvs. forskjellige typer krystallgitter.

For tiden investeres det enorme mengder penger i nanoteknologi.

Begrepet "nanoelektronikk" er logisk relatert til begrepet "mikroelektronikk" og reflekterer overgangen til moderne halvlederelektronikk fra elementer med en karakteristisk størrelse i mikron- og submikronområdet til elementer med størrelse i nanometerområdet. Denne prosessen med teknologiutvikling gjenspeiler den empiriske loven til Moore, som sier at antall transistorer på en brikke dobles hvert halvannet til annet år.

Foredrag nr. 19

Nanoteknologi har de siste årene blitt et av de viktigste og mest spennende kunnskapsområdene i forkant av fysikk, kjemi, biologi og ingeniørvitenskap. Den har et stort håp om tidlige gjennombrudd og nye retninger innen teknologisk utvikling på mange virksomhetsområder. For å lette og akselerere storskalabruken av denne nye tilnærmingen, er det viktig å ha generell forståelse og en viss spesifikk kunnskap, som på den ene siden vil være detaljert og dyp nok til å dekke emnet i detalj, og samtidig tid, tilgjengelig og fullstendig nok til å være nyttig for et bredt spekter av spesialister, de som ønsker å lære mer om essensen av problemet og prospekter på dette området.

Den nåværende utbredte interessen for nanoteknologi går tilbake til 1996 - 1998, da en regjeringskommisjon, tilrettelagt av World Technology Evaluation Center (WTEC), finansiert av US National Science Foundation og andre føderale byråer, gjennomførte en studie av global erfaring innen forskning og forskning. utvikling på feltet nanoteknologi for å vurdere deres teknologiske innovative potensial. Nanoteknologi er basert på forståelsen av at partikler mindre enn 100 nanometer (en nanometer er en milliarddels meter) gir nye egenskaper og oppførsel til materialer laget av dem. Dette er fordi objekter med dimensjoner mindre enn den karakteristiske lengden (som bestemmes av det spesielle fenomenets natur) ofte viser ulik fysikk og kjemi, noe som fører til såkalte størrelseseffekter – ny oppførsel avhengig av størrelsen på partiklene. For eksempel ble endringer i elektronisk struktur, ledningsevne, reaktivitet, smeltepunkt og mekaniske egenskaper observert ved partikkelstørrelser som var mindre enn kritiske. Atferdens avhengighet av partikkelstørrelse gjør det mulig å designe materialer med nye egenskaper fra de samme startatomene.

WTEC konkluderte med at denne teknologien har et enormt potensial for bruk i et ekstremt stort og mangfoldig spekter av praktiske anvendelser, fra å produsere sterkere og lettere strukturelle materialer til å redusere leveringstiden for nanostrukturerte legemidler inn i sirkulasjonssystemet, øke kapasiteten til magnetiske medier og skape triggere for raske datamaskiner. Anbefalingene fra dette og påfølgende utvalg har ført til at det er bevilget svært store midler til utvikling av nanovitenskap og nanoteknologi de siste årene. Tverrfaglig forskning har dekket et bredt spekter av emner, fra kjemien til nanopartikkelkatalyse til fysikken til kvantepunktlasere. Som et resultat, for å sette pris på de bredere utsiktene og implikasjonene av nanoteknologiutviklingen og gi et bidrag til dette spennende nye feltet, har det blitt innsett at forskere med jevne mellomrom må gå utenfor deres snevre kompetansefelt. Tekniske ledere, eksperter og økonomiske beslutningstakere må forstå et svært bredt spekter av disipliner.

Nanoteknologi har blitt sett på ikke bare som en av de mest lovende grenene innen høyteknologi, men også som en systemdannende faktor i økonomien i det 21. århundre - en økonomi basert på kunnskap, snarere enn bruk av naturressurser eller deres behandling. I tillegg til at nanoteknologi stimulerer utviklingen av et nytt paradigme for alle produksjonsaktiviteter ("bottom-up" - fra individuelle atomer - til produktet, og ikke "top-down", som i strålingsteknologi, der produktet oppnås ved å kutte av overflødig materiale fra et mer massivt preparat), er det i seg selv en kilde til nye tilnærminger for å forbedre levestandarden og løse mange sosiale problemer i det postindustrielle samfunnet. I følge de fleste eksperter innen vitenskapelig og teknologisk politikk og investering vil nanoteknologirevolusjonen som har begynt dekke alle vitale områder av menneskelig aktivitet (fra romutforskning til medisin, fra nasjonal sikkerhet til økologi og landbruk), og konsekvensene vil være bredere og dypere enn datarevolusjonene i siste tredjedel av det 20. århundre. Alt dette byr på utfordringer og spørsmål ikke bare på den vitenskapelige og tekniske sfæren, men også for administratorer på ulike nivåer, potensielle investorer, utdanningssektoren og offentlige etater. ledelse osv.

De siste årene har det dukket opp et tilstrekkelig antall publikasjoner viet teoretiske problemstillinger, egenskaper og praktiske anvendelser av nanomaterialer og nanoteknologi. Spesielt er dette emnet mye presentert i boken av forfatterne C. Poole og Jr. F. Owens, Nanoteknologi, trans. fra engelsk, 2., utvidet utgave, utg. "Technosphere", M., 2006, 335 s. Forfatterne bemerker at selv om denne boken opprinnelig var ment som en introduksjon til nanoteknologi, på grunn av denne vitenskapens natur, har den utviklet seg til en introduksjon til visse områder av nanoteknologi som ser ut til å karakterisere den. På grunn av det raske utviklingstakten og tverrfagligheten er det umulig å gi en virkelig helhetlig presentasjon av emnet. De presenterte emnene ble valgt basert på oppnådd dybde av forståelse av problemet, omfanget av deres potensial eller eksisterende anvendelser innen teknologi. Mange kapitler diskuterer nåværende og fremtidige muligheter. Litteraturreferanser er gitt for de som ønsker å lære mer om de spesifikke områdene der denne teknologien utvikles.

Forfatterne har forsøkt å gi en introduksjon til emnet nanoteknologi, skrevet på et nivå slik at forskere innen ulike felt kan sette pris på utviklingen på feltet utover sine faglige interesser, og tekniske ledere og ledere kan få oversikt over emnet. Kanskje denne boken kan brukes som grunnlag for et universitetskurs om nanoteknologi. Mange kapitler gir introduksjoner til de fysiske og kjemiske prinsippene som ligger til grunn for de diskuterte områdene. Dermed er mange kapitler selvstendige og kan studeres uavhengig av hverandre. Kapittel 2 starter derfor med en kort oversikt over egenskapene til bulkmaterialer, nødvendig for å forstå hvordan og hvorfor egenskapene til materialer endres når størrelsen på deres strukturelle enheter nærmer seg nanometeret. En viktig drivkraft for en så rask utvikling av nanoteknologi var etableringen av nye instrumenter (som skannetunnelmikroskopet), som gjorde det mulig å se nanometerstore trekk på overflaten av materialer. Derfor beskriver kapittel 3 de viktigste instrumentsystemene og gir illustrasjoner av målinger i nanomaterialer. De resterende kapitlene tar for seg andre aspekter ved problemet. Boken dekker et veldig bredt spekter av problemer og emner: effekter knyttet til størrelsen og dimensjonen til objekter innen nanovitenskap og teknologi, magnetiske, elektriske og optiske egenskaper til nanostrukturerte materialer, metoder for deres fremstilling og forskning, selvmontering og katalyse i nanostrukturer , nanobioteknologi, integrerte nanoelektromekaniske enheter, fulleritter, nanorør og mye mer. En rekke moderne metoder for å studere og sertifisere nanostrukturer og nanoobjekter er beskrevet: elektron- og ionefeltmikroskopi, optisk, røntgen- og magnetisk spektroskopi.

Samtidig er hull i strukturen og innholdet i enkeltseksjoner også åpenbare. Dermed er det nesten ingen informasjon om nanoelektronikk, spintronikk eller nye ideer angående kvantedatabehandling og datamaskiner. De fleste av dem er ikke engang nevnt. Helt utilstrekkelig oppmerksomhet har blitt gitt til de ekstremt kraftige og utbredte sondeskanningsmetodene for forskning, kvalifisering, litografi og atom-molekylær design. Et lite avsnitt viet til disse spørsmålene er fullstendig uforholdsmessig til rollen og stedet til sondenanoteknologi. En veldig beskjeden plass er gitt til svak superledning og veldig lovende enheter basert på den. Filmer og heterostrukturer, som spiller en viktig rolle i moderne plan elektronikk, superharde og slitesterke belegg etc., er sparsomt presentert, og det er derfor ingen materialer som dekker metoder for å sertifisere disse strukturene, spesielt som karakteriserer de mekaniske egenskapene av tynne lag og nanovolumer ved bruk av lokale kraft nanotestmetoder (nanoindentasjon), sjon, nanoscrubbing, etc.).

Vi legger også merke til at ingen steder er gitt en systematisering av objektene og prosessene til nanoteknologi, som et resultat av at den uerfarne leser forblir uklar hvilken del av emnet han vil kunne bli kjent med etter å ha lest denne boken.

Til tross for manglene nevnt ovenfor, kan boken generelt betraktes som nyttig for et bredt spekter av lesere, inkludert studenter i fysikk, kjemi og materialvitenskap. Sistnevnte er desto mer relevant siden undervisningslitteratur om nanoteknologi på russisk er nesten helt fraværende, og behovet for det er stort på grunn av opplæringen av spesialister i nanomaterialer og nanoelektronikk som startet i 2003 ved 12 russiske universiteter.

Ikke alle forfatternes synspunkter og tolkninger kan være ubetinget enige. For ikke å rote teksten med et stort antall kommentarer, tillegg og kritikk, ble imidlertid bare åpenbare feil, inkonsekvenser og skrivefeil eliminert under oversettelse og redigering.

Under skrivingen av boken og dens republisering på russisk ble det utgitt mange nyttige bøker, noen av dem er listet opp nedenfor. Ved å bruke dem kan den interesserte leseren bli bedre kjent med enkeltseksjoner og panoramaet av nanoteknologi som helhet.

G.G. Elenin

Kort informasjon om forfatteren: Professor, fakultet for beregningsmatematikk og kybernetikk, Moskva statsuniversitet. M.V. Lomonosov, ledende forsker ved Institute of Applied Mathematics oppkalt etter. M.V.Keldysh RAS.

Hvis en stålterning eller en saltkrystall sammensatt av identiske atomer kan vise interessante egenskaper; hvis vann - enkle dråper som ikke kan skilles fra hverandre og dekker kilometer etter kilometer av jordoverflaten - er i stand til å generere bølger og skum, torden fra brenningene og merkelige mønstre på granitten på vollen; hvis alt dette, all rikdommen av liv i vannet, bare er en egenskap ved klumper av atomer, hvor mange flere muligheter er det da skjult i dem? Hvis, i stedet for å ordne atomer i rekkefølge, linje for linje, kolonne for kolonne, til og med i stedet for å konstruere intrikate molekyler av lukten av fioler av dem, hvis vi i stedet ordner dem hver gang på en ny måte, og diversifiserer mosaikken deres, uten å gjenta det , hva som allerede har skjedd - forestill deg hvor mange uvanlige, uventede ting som kan oppstå i oppførselen deres.

R.P. Feynman

Fag, mål og hovedretninger innen nanoteknologi

I følge Encyclopedic Dictionary er teknologi et sett med metoder for prosessering, produksjon, endring av tilstand, egenskaper, form for råvarer, materialer eller halvfabrikata utført i produksjonsprosessen.

Det særegne ved nanoteknologi er at prosessene som vurderes og handlingene som utføres skjer i nanometerområdet av romlige dimensjoner 1 . "Råmaterialer" er individuelle atomer, molekyler, molekylære systemer, og ikke mikron eller makroskopiske volumer av materiale som er kjent i tradisjonell teknologi, som inneholder minst milliarder av atomer og molekyler. I motsetning til tradisjonell teknologi er nanoteknologi preget av en "individuell" tilnærming, der ekstern kontroll når individuelle atomer og molekyler, noe som gjør det mulig å lage fra dem både "defektfrie" materialer med fundamentalt nye fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper. , og nye klasser av enheter med karakteristiske nanometerstørrelser. Konseptet "nanoteknologi" er ennå ikke etablert. Tilsynelatende kan følgende arbeidsdefinisjon følges.

Nanoteknologi er et tverrfaglig vitenskapsfelt der lovene for fysiske og kjemiske prosesser i romlige områder av nanometerdimensjoner studeres for å kontrollere individuelle atomer, molekyler, molekylære systemer i dannelsen av nye molekyler, nanostrukturer, nanoenheter og materialer med spesielle fysiske , kjemiske og biologiske egenskaper.

Analyse av den nåværende tilstanden til det raskt utviklende området lar oss identifisere en rekke av de viktigste områdene i det.

Molekylær design. Disseksjon av eksisterende molekyler og syntese av nye molekyler i svært inhomogene elektromagnetiske felt.

Materialvitenskap. Oppretting av "feilfrie" materialer med høy styrke, materialer med høy ledningsevne.

Instrumentering. Opprettelse av skanningstunnelmikroskoper, atomkraftmikroskoper 2 , magnetiske kraftmikroskoper, flerpunktssystemer for molekylær design, ultrasensitive miniatyrsensorer, nanoroboter.

Elektronikk. Design av nanometerelementbase for neste generasjons datamaskiner, nanotråder, transistorer, likerettere, displayer, akustiske systemer.

Optikk. Opprettelse av nanolasere. Syntese av multi-tip-systemer med nanolasere.

Heterogen katalyse. Utvikling av katalysatorer med nanostrukturer for klasser av selektive katalysereaksjoner.

Medisin. Utforming av nanoinstrumenter for ødeleggelse av virus, lokal "reparasjon" av organer og høypresisjonslevering av medikamentdoser til bestemte steder i en levende organisme.

Tribologi. Bestemme forholdet mellom nanostrukturen til materialer og friksjonskrefter og bruke denne kunnskapen til å produsere lovende friksjonspar.

Kontrollerte kjernefysiske reaksjoner. Nanopartikkelakseleratorer, ikke-statistiske kjernefysiske reaksjoner.

Skannetunnelmikroskopi

Minst to hendelser spilte en betydelig rolle i den ustoppelige utforskningen av nanoverdenen:

Opprettelse av et skanningstunnelmikroskop (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) og et skanningsmikroskop for atomkraft (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nobelprisen 1992);

Oppdagelse av en ny form for eksistens av karbon i naturen - fullerener (N. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobelprisen 1996).

Nye mikroskoper har gjort det mulig å observere den atom-molekylære strukturen til overflaten til enkeltkrystaller i nanometerstørrelsesområdet. Den beste romlige oppløsningen til enhetene er en hundredel av en nanometer normal på overflaten. Operasjonen til et skanningstunnelmikroskop er basert på tunnelering av elektroner gjennom en vakuumbarriere. Den høye oppløsningen skyldes at tunnelstrømmen endres med tre størrelsesordener når barrierebredden endres med størrelsen på atomet. Teorien om kvantetunneleffekten ble lagt ned av G.A. Gamow i 1928 i sine arbeider om a-forfall.

Ved hjelp av forskjellige skanningsmikroskoper observeres for tiden atomstrukturen til overflatene til enkeltkrystaller av metaller, halvledere, høytemperatursuperledere, organiske molekyler og biologiske objekter. I fig. Figur 1 viser den rekonstruerte overflaten av den nedre terrassen av (100)-flaten til en silisium-enkeltkrystall. De grå sirklene er bilder av silisiumatomer. Mørke områder er lokale nanometerfeil. I fig. Figur 2 viser atomstrukturen til den rene overflaten av (110) sølvflaten (venstre ramme) og den samme overflaten dekket med oksygenatomer (høyre ramme). Det viste seg at oksygen ikke adsorberes tilfeldig, men danner ganske lange kjeder langs en viss krystallografisk retning. Tilstedeværelsen av doble og enkle kjeder indikerer to former for oksygen.

Disse formene spiller en viktig rolle i den selektive oksidasjonen av hydrokarboner som etylen. I fig. 3 kan du se nanostrukturen til høytemperatursuperlederen Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2. I venstre ramme på fig. 4 er ringene til benzenmolekyler (C 6 H 6) tydelig synlige. Den høyre rammen viser CH 2-kjedene av polyetylen. Verket presenterer en sekvens av rammer fra en laboratoriefilm om hvordan et virus trenger inn i en levende celle.

Nye mikroskoper er nyttige ikke bare for å studere atom- og molekylstrukturen til materie. De viste seg å være egnet til å konstruere nanostrukturer. Ved hjelp av visse bevegelser med spissen av mikroskopet er det mulig å lage atomstrukturer. Figur 5 viser stadiene for å lage inskripsjonen "IBM" fra individuelle xenon-atomer på (110) overflaten av en nikkel-enkeltkrystall. Bevegelsene til tuppen når du lager nanostrukturer fra individuelle atomer minner om en hockeyspillers teknikker når du beveger pucken med en pinne. Det er av interesse å lage dataalgoritmer som etablerer en ikke-triviell forbindelse mellom bevegelsene til spissen og bevegelsene til manipulerte atomer basert på passende matematiske modeller. Modeller og algoritmer er nødvendig for å utvikle automatiske «montører» av nanostrukturer.

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

Ris. 5. Xe/Ni (110)

Nanomaterialer

Fullerener, som en ny form for eksistensen av karbon i naturen, sammen med den lenge kjente diamanten og grafitten, ble oppdaget i 1985 da astrofysikere forsøkte å forklare spektrene til interstellart støv. Det viste seg at karbonatomer kan danne et svært symmetrisk C 60-molekyl. Et slikt molekyl består av 60 karbonatomer arrangert på en kule med en diameter på omtrent en nanometer og ligner en fotball (fig. 6). I samsvar med L. Eulers teorem danner karbonatomer 12 regulære femkanter og 20 regulære sekskanter. Molekylet er oppkalt etter arkitekten R. Fuller, som bygde et hus av femkanter og sekskanter. Opprinnelig ble C 60 produsert i små mengder, og deretter, i 1990, ble teknologien for storskala produksjon oppdaget.

Fulleritter. C60-molekyler kan på sin side danne en fullerittkrystall med et ansiktssentrert kubisk gitter og ganske svake intermolekylære bindinger. Denne krystallen har oktaedriske og tetraedriske hulrom der fremmede atomer kan være lokalisert. Hvis de oktaedriske hulrommene er fylt med alkalimetallioner (¦ = K (kalium), Rb (rubidium), Cs (cesium)), blir strukturen til disse stoffene omorganisert ved temperaturer under romtemperatur og et nytt polymermateriale ¦1C60 er dannet. Hvis de tetraedriske hulrommene også fylles, dannes det et superledende materiale ¦3C60 med en kritisk temperatur på 20-40 K. Studiet av superledende fulleritter utføres spesielt ved instituttet. Max Planck i Stuttgart. Det finnes fulleritter med andre tilsetningsstoffer som gir materialet unike egenskaper. For eksempel har C60-etylen ferromagnetiske egenskaper. Høy aktivitet i det nye kjemifeltet førte til at det i 1997 var mer enn 9000 fullerenforbindelser.

Karbon nanorør. Molekyler med et gigantisk antall atomer kan fås fra karbon. Et slikt molekyl, for eksempel C=1.000.000, kan være et enkeltlagsrør med en diameter på omtrent en nanometer og en lengde på flere titalls mikron (fig. 7). På overflaten av røret er karbonatomer plassert ved hjørnene til vanlige sekskanter. Endene av røret er lukket med seks vanlige femkanter. Det bør bemerkes rollen til antall sider av vanlige polygoner i dannelsen av todimensjonale overflater som består av

Ris. 7. Ikke-kirale nanorør: a - C(n", n) - metall;

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

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

Ris. 8. Buet rør

karbonatomer, i tredimensjonalt rom. Vanlige sekskanter er en celle i et flatt grafittark som kan rulles inn i rør med varierende kiralitet (m, n) 3 . Vanlige femkanter (heptagoner) er lokale defekter i et grafittark, slik at dets positive (negative) krumning kan oppnås. Dermed gjør kombinasjoner av regulære femkanter, sekskanter og sekskanter det mulig å oppnå ulike former på karbonoverflater i tredimensjonalt rom (fig. 8). Geometrien til disse nanostrukturene bestemmer deres unike fysiske og kjemiske egenskaper og, følgelig, muligheten for eksistensen av fundamentalt nye materialer og teknologier for deres produksjon. Prediksjon av de fysisk-kjemiske egenskapene til nye karbonmaterialer utføres ved bruk av både kvantemodeller og beregninger innenfor rammen av molekylær dynamikk. Sammen med enkeltlagsrør er det mulig å lage flerlagsrør. Spesielle katalysatorer brukes til å produsere nanorør.

Hva er unikt med de nye materialene? La oss bare dvele ved tre viktige egenskaper.

Ultra-holdbare materialer. Bindingene mellom karbonatomer i en grafittplate er de sterkeste kjente, så defektfrie karbonrør er to størrelsesordener sterkere enn stål og omtrent fire ganger lettere! En av de viktigste teknologiutfordringene innen nye karbonmaterialer er å lage nanorør med «uendelig» lengde. Fra slike rør er det mulig å produsere lette komposittmaterialer med ekstrem styrke for behovene til det nye århundrets teknologi. Dette er kraftelementer til broer og bygninger, lastbærende konstruksjoner av kompakte fly, turbinelementer, kraftenheter til motorer med ekstremt lavt spesifikt drivstofforbruk, etc. For tiden har de lært å lage rør som er titalls mikron lange med en diameter i størrelsesorden én nanometer.

Svært ledende materialer. Det er kjent at i krystallinsk grafitt er ledningsevnen langs lagets plan høyest blant kjente materialer, og tvert imot, i retningen vinkelrett på arket, er den liten. Elektriske kabler laget av nanorør forventes derfor å ha elektrisk ledningsevne to størrelsesordener høyere ved romtemperatur enn kobberkabler. Det er et spørsmål om teknologi som gjør det mulig å produsere rør av tilstrekkelig lengde og mengde,

Nanokluster

Mange nanoobjekter inkluderer ultrasmå partikler som består av titalls, hundrevis eller tusenvis av atomer. Egenskapene til klynger er radikalt forskjellige fra egenskapene til makroskopiske volumer av materialer med samme sammensetning. Fra nanokluster, som fra store byggeklosser, er det mulig å målrettet konstruere nye materialer med forhåndsbestemte egenskaper og bruke dem i katalytiske reaksjoner, for å separere gassblandinger og lagre gasser. Ett eksempel er Zn4O(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)4. Av stor interesse er magnetiske klynger som består av atomer av overgangsmetaller, lantinider og aktinider. Disse klyngene har sitt eget magnetiske moment, som gjør det mulig å kontrollere egenskapene deres ved hjelp av et eksternt magnetfelt. Et eksempel er det høyspinn organometalliske molekylet Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Denne elegante designen består av fire spinn 3/2 Mn 4+ ioner plassert ved toppunktene til et tetraeder, åtte spinn 2 Mn 3+ ioner som omgir tetraederet. Samspillet mellom manganioner utføres av oksygenioner. Antiferromagnetiske interaksjoner av spinnene til Mn 4+ og Mn 3+ ionene fører til et totalt spinn på 10, noe som er ganske stort. Acetatgrupper og vannmolekyler skiller Mn 12-klyngene fra hverandre i en molekylær krystall. Samspillet mellom klynger i en krystall er ekstremt lite. Nanomagneter er av interesse i utformingen av prosessorer for kvantedatamaskiner. I tillegg, når man studerte dette kvantesystemet, ble fenomenene bistabilitet og hysterese oppdaget. Hvis vi vurderer at avstanden mellom molekyler er omtrent 10 nanometer, kan minnetettheten i et slikt system være i størrelsesorden 10 gigabyte per kvadratcentimeter.

Nanoenheter

Nanorør kan danne grunnlaget for nye design av flate akustiske systemer og flate skjermer, det vil si kjente makroskopiske enheter. Visse nanoenheter kan lages fra nanomaterialer, for eksempel nanomotorer, nanomanipulatorer, molekylære pumper, minne med høy tetthet og elementer av nanorobotmekanismer. La oss kort se på modellene til noen nanoenheter.

Molekylære tannhjul og pumper. Modeller av nanoenheter ble foreslått av K.E. Drexler og R. Merkle fra IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Girakslene i girkassen er karbon nanorør, og tennene er benzenmolekyler. De karakteristiske rotasjonshastighetene til girene er flere titalls gigahertz. Enhetene "fungerer" enten i et dypt vakuum eller i et inert miljø ved romtemperatur. Inerte gasser brukes til å "kjøle" enheten.

Diamantminne for datamaskiner. Minnemodellen med høy tetthet ble utviklet av Ch. Bauschlicher og R. Merkle fra NASA. Utformingen av enheten er enkel og består av en sonde og en diamantoverflate. Proben er et karbon-nanorør (9, O) eller (5, 5), som ender i en C 60-halvkule, som det er festet et C 5 H 5 N-molekyl til. Diamantoverflaten er dekket med et monolag av hydrogenatomer. Noen hydrogenatomer er erstattet av fluoratomer. Når man skanner en sonde langs en diamantoverflate belagt med et monolag av adsorbat, er C 5 H 5 N-molekylet, i henhold til kvantemodeller, i stand til å skille et adsorbert fluoratom fra et adsorbert hydrogenatom. Siden omtrent 1015 atomer passer på en kvadratcentimeter av overflaten, kan registreringstettheten nå 100 terabyte per kvadratcentimeter.

Eksemplene ovenfor på laboratorieeksperimentelle resultater og modeller av nanoenheter presenterer en ny utfordring for teori, beregningsfysikk, kjemi og matematikk. Forståelse av "sett" og "mottatt" er nødvendig. Det krever utvikling av intuisjon for å jobbe i nanometerstørrelsesområdet. Nok en gang høres Fausts bemerkning til Wagner:

"Hva vil det si å forstå?

Det, min venn, er spørsmålet.

Vi gjør det ikke bra på denne poengsummen."

Nye områder innen beregningsfysikk og beregningsbasert kjemi

For mer enn femti år siden reiste atom- og termonukleære problemer, problemer med å lage nye fly og utforske verdensrommet nær jorden igjen det faustiske spørsmålet om et nytt nivå av forståelse av fysiske og kjemiske fenomener. Vellykket arbeid med disse problemene førte til fremveksten og utviklingen

1) beregningsfysikk, spesielt områder som

magnetisk og strålingshydro- og aerodynamikk,

mekanikk for romfartøysflyvning,

teori om plasma og kontrollert termonukleær fusjon;

2) beregningskjemi med slike seksjoner som

teori om ligningen for materietilstand,

molekylær dynamikk,

teori om kjemiske prosesser og apparater;

3) beregningsmatematikk og informatikk med slike områder som

numeriske metoder for matematisk fysikk,

automatteori,

optimal kontroll,

mønstergjenkjenning,

ekspertsystemer,

automatisk design.

Moderne muligheter for laboratorieeksperimenter for å observere og studere fenomener på nanometerskala av romlige dimensjoner og attraktive muligheter for å lage unike materialer og nanoenheter gir opphav til nye teoretiske problemer.

Jeg vil gjerne forstå hva som faktisk "observeres" med skannetunnelmikroskopi?

Hvilke nye ting kan potensielt observeres og hvilke nye ting kan potensielt fås i nanosystemer? Og under hvilke forhold?

Hvordan kontrollere individuelle atomer og grupper av atomer og molekyler for å oppnå bestemte mål? Hva er grensene for denne kontrollen?

Hvordan organisere selvmontering av nanoenheter og unike "feilfrie" materialer?

I hvilken grad «begrenser» makromiljøet kvantetilstandene til et nanosystem?

Behovet for en konstruktiv løsning på disse problemene fører til intensiv forskning, og danner nye områder innen beregningsfysikk og beregningsbasert kjemi. La oss fremheve slike seksjoner innen metrologi, mekanikk, elektrodynamikk, optikk og selvorganiseringsteori. I hver av disse delene vil vi identifisere flere problemer.

Metrologi

1. Oppretting av datamodeller av "device-nanoobject"-systemer og deres kalibrering.

2. Automatisering av nanometermålinger og opprettelse av databanker.

Mekanikk

1. Studie av mekaniske spenninger og deformasjoner i nanomaterialer og nanoobjekter, friksjonsanalyse.

2. Simulering av sondebevegelser under målrettet manipulering av et nanoobjekt.

3. Modellering av bevegelser i nanomekanismer for nanoenheter, beregning av nanomanipulatorer.

4. Utvikling av kontrollsystemer for nanoroboter.

Elektrodynamikk

1. Modellering av dynamikken til atomer og molekyler i ekstremt inhomogene elektromagnetiske felt skapt av flerpunktssystemer.
2. Beregning av elektriske og magnetiske egenskaper til nanomaterialer.

1. Modellering av mekanismene for stråling, forplantning og absorpsjon av lys i nanoobjekter.
2. Beregning av nanolasere og hybridsystemer "prober + nanolaser".

Selvorganiseringsteori

1. Formulering av de grunnleggende prinsippene for selvmontering av nanostrukturer.

2. Opprettelse av selvmonteringsalgoritmer for datamaskiner.

3. Utvikling av beregningsalgoritmer for kvalitativ analyse av selvmonteringsmodeller.

4. Modellering av fenomenene spatiotemporal selvorganisering under dannelsen av nanomaterialer.

Molekylær stråleepitaksi og nanolitografi

1. Opprettelse av tynne metallfilmer som tjener som grunnlag for magnetiske materialer av høy kvalitet.

2. Design av grunnleggende elementer av nanoelektronikk.

3. Opprettelse av katalysatorer for selektiv katalyse.

Jeg vil nok en gang understreke behovet for å opprettholde en streng balanse mellom laboratorieeksperiment, teori og matematisk modellering. Noen ganger kan du høre påstander om at presisjonseksperiment for tiden er veldig dyrt og kan erstattes av billigere matematisk modellering. Det er også den motsatte posisjonen, der rollen til matematiske forskningsmetoder bagatelliseres. De enkleste eksemplene på ikke-trivielle fenomener i nanometerområdet av romlige dimensjoner viser den fullstendige inkonsekvensen av radikale posisjoner.

Fenomener av spatiotemporal selvorganisering på overflaten av metall-enkeltkrystaller

La oss vurdere hva som ved første øyekast er det enkleste, men, som det viser seg, ikke-trivielt problem. La oss si at vi ønsker å dyrke en ensartet metallfilm av høy kvalitet, for eksempel en platinafilm. For å gjøre dette bør man ta en tettpakket og romlig homogen overflate av en enkelt krystall som et substrat og avsette et lag med atomer fra en Knudsen-celle på den under høyvakuumforhold. Atomer flyr ut av cellen, blir adsorbert på en homogen overflate, vandrer langs den og danner et nytt lag. Når det første laget er dannet, dannes det neste laget på det, og så videre. Prosessen bestemmes av kun to eksterne kontrollmakroparametre - overflatetemperatur og strømmen av atomer til overflaten. Det er bare nødvendig å velge temperatur og tilførselshastighet for atomer på en slik måte at i løpet av den karakteristiske tiden for tilførsel av et nytt atom, har atomet som migrerer langs overflaten tid til å integrere seg i det voksende laget. Det ser ut til at ingenting er enklere enn å simulere filmvekst innenfor rammen av klassiske matematiske fysikkmodeller. Bare én prosess må beskrives: overflatediffusjon av innkommende partikler. For å gjøre dette kan du bruke diffusjonsligningen med en konstant kilde i et todimensjonalt romlig domene, supplere den med en passende grensebetingelse, for eksempel en homogen grensebetingelse av den andre typen, og utføre beregninger. Det er åpenbart at med tilstrekkelig rask migrasjon, uavhengig av startforholdene, med tilstrekkelig høy nøyaktighet vil det oppnås en romlig homogen løsning, monotont økende i tid. Imidlertid beskriver slik modellering ikke i det hele tatt prosessen med vekst av et nytt lag og dets romlige struktur.

Et eksperiment utført ved bruk av et skanningstunnelmikroskop med Pt/Pt(111) 5-homosystemet viser (fig. 9) at adsorberte platinaatomer migrerer langs overflaten av (111)-overflaten til en platina-enkeltkrystall, uten å følge Ficks lov. De danner øyer av et nytt lag med forskjellige romlige strukturer avhengig av overflatetemperaturen og tilførselshastigheten til atomer. Dette kan være løse øyer av en fraktalstruktur med en fraktal

Fig.9. Pt/Pt (111)

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

med en dimensjon på 1,78 (fig. 9a), eller kompakte øyer med platoniske former i form av regulære trekanter (fig. 9b, 9d) og sekskanter (fig. 9c), og identisk orientert i forhold til de krystallografiske aksene. Således, ved en temperatur på 400 K, ser trekantenes toppunkter "ned" (fig. 9b). Ved en temperatur på 455 K har de voksende øyene form av vanlige sekskanter (fig. 9c). Ved høyere temperaturer dannes igjen den regelmessige trekantformen på øyene, men denne gangen peker toppene deres «opp» (fig. 9d). Formen og orienteringen til de trekantede øyene er stabile. Ytterligere tilførsel av atomer fører til et tredimensjonalt vekstregime, som et resultat av at det voksende laget alltid er ujevnt og har en pyramideformet tredimensjonal struktur.

Vekstens natur reiser minst to grunnleggende spørsmål.

Hvordan teoretisk beskrive den ikke-trivielle dynamiske oppførselen til det enkleste systemet?

Hva er måtene å kontrollere systemet for å sikre lag-for-lag-vekst og produsere et romlig jevnt lag av høy kvalitet?

Lignende spørsmål oppstår i heterosystemer, når en film av et annet metall vokser på overflaten av ett metall. Når det gjelder dyrking av en sølvfilm på platina, kan man således observere øyer med fraktale og dendrittiske strukturer, øyer i form av en trestrålet Mercedes-stjerne og andre fenomener med spatiotemporal selvorganisering som følger med den ujevne tredimensjonale vekst av en tynn metallfilm. I tilfelle av vekst av en koboltfilm på en homogen overflate (0001) av en rhenium-enkeltkrystall, dannes overflatelegeringer med forskjellig støkiometri og følgelig romlig struktur: CoRe (fig. 10a), Co 2 Re (fig. 10b) ), Co 3 Re (fig. 10c) og ikke-triviell overflatestruktur. I illustrasjonene presentert i fig. 10 kan man se at store sirkler (rheniumatomer) er omgitt av et varierende antall små sirkler (koboltatomer). Disse legeringene har interessante magnetiske egenskaper.

Man kan ikke unngå å dvele ved et mer paradoksalt fenomen - den unormalt høye mobiliteten til store kompakte klynger. Etter forfatterne av det bemerkelsesverdige eksperimentelle arbeidet, vurderer vi en kompakt klynge med regelmessig form, bestående av det "magiske" antallet iridiumatomer N = 1 + 3n(n - 1), n ​​​​= 2, 3, ... , for eksempel N = 19, på overflaten av en tettpakket flate (111) iridium. Det ser ut til at mobiliteten til en klynge som inneholder to dusin atomer som helhet burde være mange størrelsesordener mindre enn mobiliteten til et enkelt atom, siden migrasjonen av atomer ser ut til å være en tilfeldig prosess. Eksperimentet fastslo at migrasjonshastigheten til "riktige" klynger er sammenlignbar med migrasjonshastigheten til et enkelt atom! Denne konsekvensen av den kollektive bevegelsen til klyngeatomer krever en detaljert teoretisk beskrivelse og matematisk modellering. Resultatene av en slik analyse er av betydelig interesse ved beregning av pre-eksponentialer og effektive migrasjonsaktiveringsenergier for den dynamiske Monte Carlo-metoden og for de kinetiske ligningene til et ikke-ideelt lag. Når man kjenner til de faktiske migrasjonshastighetene, kan man korrekt estimere levetiden til strukturer i nanoskala.

Det er ingen grunn til å overbevise leseren om at de listede resultatene fra laboratorieeksperimentet viser behovet for utvikling av klassiske modeller for matematisk fysikk. Når man studerer nanoobjekter, der dette er nødvendig, bør man forlate ideen om et kontinuerlig medium, som ligger til grunn for det store flertallet av modeller for matematisk fysikk. Treghetsmodellering, uten å ta hensyn til resultatene av et laboratorieeksperiment, fører til helt feil resultater. Behovet for et nytt moderne kurs i matematisk fysikk som tar hensyn til egenskapene til nanoobjekter er også åpenbart. Spesielt i dette kurset bør man være oppmerksom på

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

metoder for diskret matematikk, enumerativ kombinatorikk, gruppeteori.

Mer komplekse eksempler på den ikke-trivielle dynamiske oppførselen til åpne ikke-ideelle systemer er gitt av modellreaksjoner av heterogen katalyse på visse overflater av enkeltkrystaller av edelmetaller (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd(111), Pd(110) ) ved lave partialtrykk i gassfasen. Dette er oksidasjonsreaksjonene av karbonmonoksid (CO) med oksygen (O 2), samt reduksjon av nitrogenmonoksid (NO) med hydrogen (H 2), ammoniakk (NH 3) og karbonmonoksid. De listede reaksjonene spiller en betydelig rolle i miljøproblemet med etterforbrenning av giftige utslipp (NO, CO, etc.) fra forbrenningsmotorer og termiske kraftverk. Forskning utført de siste årene har avslørt den fascinerende nano- og mesodynamikken til disse systemene. Faseoverganger med ordensforstyrrelse ble oppdaget, ledsaget av dannelsen av overbygninger i adsorbatmonolaget, faseoverganger som faseseparasjon, spontan og adsorbatindusert rekonstruksjon av overflaten av enkeltkrystallflater og katalysatorkorrosjon. Prosessene med spatiotemporal selvorganisering som skjer på nanometerstørrelsesskalaen er nært knyttet til lignende fenomener observert ved bruk av emisjonsfotoelektronmikroskopi i mikrometerområdet. Slike fenomener inkluderer spiral i mikrometerskala, stående og triggerbølger, dobbel metastabilitet og kjemisk turbulens. Figur 11 viser resultatene av en studie av spatiotemporal selvorganisering i oksidasjonsreaksjonen av karbonmonoksid på overflaten av en Pt(210) enkeltkrystall ved bruk av emisjonsfotoelektronmikroskopi. Hver ramme (380 x 380 mm) viser den romlige fordelingen av adsorberte CO-molekyler (lyse områder) og oksygenatomer (mørke områder) på katalysatoroverflaten for forskjellige verdier av partialtrykk av CO og oksygen i gassfasen ved en konstant konstant overflatetemperatur. Spiralbølger og autobølger av en faseovergang som faseseparasjon, doble metastabilitetsfenomener osv. er tydelig synlige.

1 Størrelsen på et atom er flere tideler av en nanometer.

2 En beskrivelse av enhetene og prinsippene for deres drift er inneholdt i.

3 Et par naturlige tall (m, n) definerer chiralitetsvektoren i planet til grafittarket. Nanorøraksen er vinkelrett på kiralitetsvektoren. Så ved (n, n) ((n, 0)) er rørets akse parallell (vinkelrett) på siden av en vanlig sekskant.

4 Forkortelsen BDC står for benzendikarboksyl, og DMF står for dimetylformamid.

5 Tallene i parentes indikerer Miller-indeksene til overflaten til enkeltkrystallsubstratet.