<<
>>

Измерение новых свойств

Комбинируя состав и строение атомных соединений, а также размерности создаваемых на этой основе структур, можно изменять свойства вещества в нанометровом масштабе и получать физические характеристики, которые вообще не имеют аналогов в рамках классических методик и подходов.

Примерами успешного применения таких комбинированных и неожиданных комбинаций могут служить упомянутые выше специфические материалы и компоненты (создаваемые на основе фуллеренов), механические вибраторы с очень высокой частотой колебаний или зависящая от размера флуоресценция полупроводниковых квантовых точек.

Наноструктурные объемные материалы обладают, как правило, целым рядом новых свойств, возникающих из-за высокого отношения площади к объему образца, что показано схематически на рис. 4.4. Площадь нанокристалл и ческого вещества значительно отличается от соответствующего параметра в гомогенных объемных материалах, в результате чего возникает и существенная разница свойств атомных соединений на границе зерна и в объеме кристалла. Разумеется, в виде наноструктурных материалов могут быть реализованы и представленные в таблице 4.1 комбинации различных агрегатных состояний, известным примером чего служит так называемый нанопорис-

Рис. 4.4. Различие в структуре вещества на нанометровом уровне при высоких значениях отношения площадь/объем. Слева представлена аморфная керамика ТЮ2 (полученная обычным спеканием), справа — схематическая структура упорядоченных молекул и кристаллов

тый кремний, получаемый травлением. В отличие от монолитного кристалла, наяопористый кремний обладает флуоресценцией и электролюминесценцией, что делает этот материал очень перспективным для самых разнообразных технических применений.

При этом следует четко различать неупорядоченные наноструктурные материалы и регулярные наноструктурные кристаллы (читатель может сравнить рис. 4.2 и 4.4). Еще более сложным строением (в некотором смысле, противоположным пенистым структурам) обладают образования типа цеолитов (см. табл. 4.1), то есть пористые материалы с некоторым пространственно-симметричным упорядочением пор. Проблема классификации и описания наноматериалов является очень сложной, особенно если вспомнить о возможности введения в поры вещества наночастиц или кластеров, что схематически показано на рис. 4.5.

Легко представить, что существует целый набор переходных форм между неупорядоченными наноструктурными материалами и нанокристаллами. В этой связи следует, прежде всего, упомянуть наноструктурные многослойные материалы, в которых на уровне всего одного слоя происходит переход от крайне неупорядоченной поликристаллической структуры к не

которой наноструктуре, причем изменения в толщине слоя (и даже в последовательности атомов) очень трудно количественно определить и описать. Строение сложного наноструктурного материала определяется множеством структурных единиц с различной размерностью и с варьирующейся, но упорядоченной последовательностью. Еще более сложными системами являются так называемые сшитые полимеры, в которых нанокристаллы представляют собой лишь составные элементы. В сущности, нанотехнологии предоставляют материаловедам почти неограниченное поле для фантазии и возможностей синтеза новых веществ с неожиданными свойствами.

Нанотехнологии открывают огромные возможности для придания функциональности поверхностям традиционно изготовляемых материалов на основе комбинации апробированных характеристик этих материалов с новыми свойствами, обусловленными нанопроцессами и наноструктурами, как будет показано ниже в главе 7.

Уже сейчас существуют возможности производства (даже в промышленно необходимых количествах) наночастиц некоторых типов, размеры которых регулируются точными физико-химическими методами.

Приведенный на рис. 2.3 пример

наглядно демонстрирует, что металлические и полупроводниковые наночастицы могут обладать очень любопытными и необычными оптическими свойствами, так как электронные свойства микрочастиц принципиально отличаются от свойств соответствующих объемных материалов. Электронные характеристики, естественно, представляют основной интерес для технологов, и именно они очень сильно зависят от диаметра изучаемых или используемых частиц. В качестве очевидного примера можно привести зависимость химической активности многих частиц от их размеров. Активность сравнительно незначительна для стабильных кластеров (типа С60 или Аи55), но при некоторых размерах кластеров (в частности, для тех, которые не обладают ¦магическим числом» атомов и соответствующими размерами) она неожиданно настолько возрастает, что некоторые металлические кластеры начинают воспламеняться в обычных условиях. В каждой такой ситуации наночастица обладает очень высоким отношением поверхность/объем, что создает дополнительные возможности для физического или химического поглощения новых компонентов активной поверхностью. Многие такие реакции, естественно, могут служить средством стабилизации нанокластеров или придания им новых функциональных характеристик, ярким примером чего может служить обсуждаемая в главе 7 возможность использования наночастиц в качестве носителей фармацевтических препаратов или гормонов. Более того, следует учитывать, что коллективные свойства ансамбля частиц часто зависят от их взаимодействия друг с другом, и это предоставляет дополнительные возможности регулирования или изменения их свойств.

Вообще говоря, свойства нанокомпонентов системы можно формально подразделить на электронные, магнитные, оптические, механические, термические, химические и биологические. Особый интерес в техническом отношении представляют не столько новые функциональные возможности, сколько возникающее в результате изменения масштабов увеличение возможностей исходных принципов функционирования.

Такие изменения почти всегда обусловлены резким увеличением чувствительности нанокомпонентов системы по отношению к окружающей среде (по сравнению с взаимодействием в обычных, крупномасштабных соотношениях). В качестве ярких примеров использования новых возможностей можно привести два следующих:

• нанотехнология позволяет создавать механические вибраторы с ультравысокими частотами резонанса, что в макро-

скопическом масштабе требует использования сложных систем с огромным числом молекул;

• сохранение заряда в электрическом конденсаторе при типичных на сегодня условиях эксплуатации (1,6 В. 1 нФ) для записи единицы информации в полупроводниковом запоминающем устройстве требует использования около Ю10 электронов, однако в наноразмерных туннельных транзисторах уже сегодня электрические потоки порождаются отдельными единичными электронами, что позволяет обеспечить исключительно высокую чувствительность по отношению к внешним воздействиям.

Эти простые примеры демонстрируют, что даже обычная миниатюризация компонентов на базе известных принципов функционирования может приводить к абсолютно новым возможностям применения, и именно на такой основе уже создаются новые изделия. В более далекой перспективе математические модели нанотехнологических процессов могут позволить нам выявить и использовать абсолютно новые принципы функционирования, и эта идея лежит в основе известной концепции Эрика Дрекслера, которая давно стала предметом острых дискуссий (Drexler, 1990). Предложенные им молекулярные НТ в перспективе позволяют мечтать о создании элементов или устройств, в которых отсутствуют силы трения и вязкости. Например, мы можем совместить на одной оси две нанотрубки типа показанных на рис. разница в радиусах которых соответствует постоянной решетки графита. В этой системе пространство между трубками можно сделать настолько «узким», что их относительному вращению практически не могут препятствовать не только никакие твердые или жидкие примеси, но даже и отдельные атомы.

Другими словами, мы можем создавать молекулярные структуры, в которых уравновешены силы притяжения и отталкивания между нанотрубками. Кстати, примеры движения «без трения» реально существуют в природе, образцом чего может служить показанный схематически на рис. 4.6 молекулярный «роторный двигатель» из отдельных молекул, действующий под воздействием поступающих в него атомов водорода (протонов). Этот двигатель (при диаметре в 8 нм, длине 14 нм и рабочей частоте в несколько Гц) создает вращающий момент в несколько пН • нм, что позволяет перемещать объекты через клеточные мембраны и т. п. Такие нанодвигатели можно легко обнаружить в митохондриях, мембранах бактерий и простейших жизненных форм.

Рис. 4.6. Схематичное изображение внутриклеточного «роторного дви- гателя» из биологических молекул и элементов с размерами несколько нанометров

Природа создала их в рамках эволюции еще миллиард лет назад, и они непрерывно и безотказно действуют в течение миллионов лет жизни любой клетки, и это доказывает, что речь идет о формах движения, не сопровождающегося трением.

Многие другие наблюдаемые в природе механизмы, по-видимому, тоже как-то связаны с концепцией новых свойств технических компонентов с минимальными размерами. Например, хорошо известные биологам ионные каналы в клетках фактически представляют собой сложные нанометровые клапаны, управляемые биопотенциалами организма. В каком-то смысле их можно уподобить крошечным транзисторам, регулирующим электрические потоки изменением напряжения, так как характерные параметры каналов составляют лишь несколько нанометров.

Приведенные примеры биологических механизмов наглядно иллюстрируют особые возможности и значение наноструктур, не говоря уже о том, что принципы их функционирования могут просто стать основой для подражания или создания новых технических устройств.

В этом смысле очень показательным является пример бионики, основанной на использовании нанометровых элементов и явлений в живой природе (Nachtigall и Bluchel, 2002; Hartmann, 2003), где иногда обнаруживается даже возможность интеграции в технические схемы и устройства целых биологических структур или их компонентов.

Сам факт эффективного функционирования отдельных биологических наноструктур является очень важным и интересным, но возможность реального использования таких элементов (или, хотя бы, их аналогов) в науке и технике требует решения нескольких принципиальных вопросов, без которых развитие НТ вообще теряет смысл. Каковы конечные границы возможностей технической миниатюризации? Какими методами мы можем производить одинаковые наноразмерные «детали» в достаточном количестве? Каким образом мы можем соединять их с внешними, макроскопическими устройствами? Как вообще мы представляем себе практическое применение таких структур?

Кристаллические зерна вещества представляют сейчас, по всей видимости, предел миниатюризации структур в производственных процессах. Невозможно представить себе транзистор с размерами меньше отдельного атома, то есть меньше - 0,1 нм. Электрические заряды и токи, используемые в приборах современной микроэлектроники, представляют собой непрерывные величины, что лежит в основе теоретических и технических обоснований их проектирования и принципов функционирования. С другой стороны, еще сто лет назад стало известно, что существует элементарный электрический заряд, представляющий собой как бы естественный предел миниатюризации потоков заряда.

Примеры нижних границ миниатюризации вообще вызывают странное ощущение, что природа когда-то с абсолютной уверенностью создала и уже применила некую атомно-молекулярную НТ с функциональными элементами, определив порядок размеров отдельных атомов или молекул. Сегодня мы не имеем универсальных технологий для массового производства любых компонентов или механизмов очень малых размеров, и это не позволяет даже наметить четкие перспективы развития молекулярных наномеханизмов. Значительные успехи миниатюризации достигнуты лишь в микроэлектронике (где речь идет, в сущности, о двухмерном упорядочении) и в создании микросис- темных устройств (где, впрочем, разработки ограничиваются весьма небольшим набором концепций и используемых материалов). Все сказанное делает сомнительной реализацию концепций молекулярной НТ даже в далеком будущем. Основную проблему, связанную с развитием молекулярных НТ, легко пояснить на следующем примере: любой химик может очень просто синтезировать невероятное количество (например, Ю23) молекул воды Н20, используя водород и кислород, причем размеры этих молекул, несомненно, лежат близко к нижней границе «миниатюризации», существующей в природе. С другой стороны, на сегодняшний день представляется совершенно неразрешимой проблема упорядочения гораздо меньшего числа молекул (например, всего 1000 штук) по простому образцу, типа представленного на рис. 4.7. Реальная сложность НТ состоит не в синтезе множества идентичных маленьких объектов, а в создании из них атомно-молекулярных компонентов более сложных структур. Многие данные свидетельствуют о том, что фактические границы миниатюризации в природе уже заданы биологической программой (в форме описанных двигателей, ионных каналов и других функциональных элементов), поскольку такие программы создавались и работают без существенных изменений в течение миллиардов лет. Возможно, более точные исследования биологических структур позволят нам в

Рис. 4.7. Сочетание двух японских иероглифов (гэнсн, то есть «атом»), построенное на кристаллической поверхности манипуляцией отдельными атомами

будущем определить фундаментальные границы миниатюризации, лежащие в основе природных процессов.

Производство наноструктур в пределах технически достижимой миниатюризации невозможно без использования математических моделей и технических приемов типа сверху - вниз, так как не существует приборов, которые позволили бы последовательно уменьшать размеры изделий без потери точности. Кроме того, следует помнить, что в сложных устройствах всегда существуют или возникают области, недоступные для инструментальной обработки (как было показано выше для нанотрубок на рис. 2.x). Кстати, именно это обстоятельство может сделать невозможным конструирование и реальное использование знаменитых «молекулярных ассемблеров» Дрекслера (Drexler, 1990), создающих материалы и устройства буквально атом за атомом. Интересно отметить, что в биологии нет примеров таких универсальных ассемблеров.

Математические модели и производства типа снизу - вверх могут приводить к самоорганизации отдельных частей и даже целых наноструктур. При самоорганизации в условиях термодинамической неравновесности могут возникать целые биологические единства, однако следует учесть, что для формирования описанных выше фуллеренов и графнтоподобных структур требуется огромная тепловая энергия. Образование определенных структур требует обеспечения условий сложнейших каталитических процессов, что на современном уровне науки представляется невозможным. Вероятность организации таких процессов технически равна нулю и не позволяет даже мечтать о массовом производстве. С другой стороны, приведенные примеры показывают. что законы природы как-то допускают существование абсолютно иных закономерностей функционирования наноструктур, так что проблема сводится лишь к нашей неспособности реализовать определенные возможности из-за технических сложностей их изготовления и использования.

Выводы: Новые функциональные возможности могут быть созданы целенаправленным отбором структурной связи элементов и их размеров. Наноматериалы по структуре можно упрощенно подразделить на аморфные и кристаллические, но во всех случаях мы сталкиваемся с переходными формами, свойства которых очень трудно связать с используемыми при производстве технологиями. Особую роль в новых материалах получают наноструктурные поверхности, обладающие повышенной чувстви- тельностъю элементов по отношению к воздействиям окружающей среды, что создает много новых возможностей для функционального и чисто технического применения. Пока мы недостаточно понимаем смысл существующих в природе границ миниатюризации, но должны, по-видимому, исходить из принципов построения структур снизу — вверх, поскольку современная наука вообще не разработала производств и математических моделей, позволяющих осуществлять процессы производства трехмерных наноструктур по типу сверху - вниз. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Измерение новых свойств:

  1. Результаты исследования реологических свойств теста на приборе "Реотест-2м.
  2. 1.4. Температурное тушение и температурное разгорание люминесценции в комплексных соединениях европия (III). Корреляции люминесцентных и магнитных свойства ацетатодибензоилметаната европия (III)
  3. Глава 1. Основные принципы подхода к изучению свойств нервной системы человека[22]
  4. Глава2. Структура основных свойств нервной системы
  5. Глава 4. Ориентировочные реакции и зависимость их динамики от основных свойств нервной системы
  6. К вопросу об общих и частных свойствах нервной системы[36]
  7. МОТИВАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИЧНОСТИ
  8. Свойства и принципы функционирования знаков и знаковых систем
  9. 3. 2. 1. Прагматические свойства журналистской информации
  10. Основные свойства пространства и времени
  11. ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУПЕДАГОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
  12. 2.5. Шкалы измерений
  13. Классификация измерений и средств измерений
  14. Почему нужно рассматриватьневидимые измерения?
  15. Увеличение и уменьшение в закрученном измерении
  16. Глава 22 Глубокий пассаж: бес конечноедополнительное измерение
  17. Основные свойства внимания
  18. Измерение новых свойств
  19. Глава 3 ПОЛИТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ НЕПОЛИТИЧЕСКИХ ФИЛОСОФИЙ
  20. 1.1 Структура, некоторые физико-химические и спектральные свойства простых белков и апобелковой составляющей сложных белков