Основные понятия нанотехнологии
Физические и химические основы наномира. Принципы формирования и размеры кластеров. Основные задачи наноэлектроники. Перспективы применения ферромагнетиков в компьютерной технике. Направления развития нанотехнологической отрасли в Российской Федерации.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.10.2016 |
| Размер файла | 164,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Алматинский Технологический Университет
РЕФЕРАТ
По дисциплине «Основы нанотехнологии»
Тема: Основные понятия нанотехнологии
Выполнил: студент гр. ИС Жумагали Ж.Ж
Проверил: д.т.н, профессор Крученецкий В.З.
Алматы 2016
Содержание
Введение
1. Основные сведения о нанотехнологии и нанопродукции
2. Положения наноэлектроники
3. Физические и химические основы наномира
3.1 Кристаллы и кристаллиты
3.2 Кластеры
Заключение
Введение
Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности.
Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.
Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу.
Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.
Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема работы заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь людей на абсолютно новый уровень.
Цель моего теоретического исследования состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалёком будущем.
Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.
Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов.
1. Основные сведения о нанотехнологии и нанопродукции
На сегодняшний день (сентябрь 2015 года) в мире нет единого стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии и нанопродукция.
В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:[2]
· знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
· использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.
На территории Российской Федерации понятие нанотехнологий установлено в ГОСТ Р 55416-2013 «Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения»[3], а именно: совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона.
Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.)[4] нанотехнология определяется, как совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами.
Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм -- это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.
Нанотехнология и в особенности молекулярная технология -- новые, очень мало исследованные дисциплины.
Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.
Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология -- следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
2. Положения наноэлектроники
Наноэлектроника -- область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Основные задачи наноэлектроники:
· разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;
· разработка физических основ технологических процессов;
· разработка самих приборов и технологий их изготовления;
· разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.
Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы - основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов (см. рис. 2).
Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали равен 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния (голубыми столбиками). Зелёный слой - окись кремния.
Однако сейчас уже ведутся работы, чтобы размеры транзисторов сделать ещё на порядок меньше,заменяя их наноструктурами.
Очень широки возможности применения в наноэлектронике нанотрубок. Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки - идеальные претенденты на роль элементов для электронных схем. Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем - нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов. Углеродные нанотрубки с "нанопочками" обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек - источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения. Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.
Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.
Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы -- исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические "магнитные элементы" -- железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.
Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала "памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания" ( NRAM - Nanotube- based/ Nonvolatile RAM).
Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.
В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.
3. Физические и химические основы наномира
Свойства ианоструктурных, или, что то же самое, наноструктурированных материалов отличаются от свойств известных массивных материалов. Это объясняется прежде всего тем, что каждая физическая константа связана с характеристической длиной образца. Так, электросопротивление металлического образца объясняется рассеиванием электронов проводимости на колеблющихся атомах в примесях. В качестве характерного параметра следует брать длину свободного пробега электронов, или характеристическую длину. При приближении характерного размера образца к характеристической длине значение электросопротивления меняется на порядок.
Дело в том, что электронная структура сильно зависит от числа измерений, по которым образец имеет нанометровые размеры.
В твердом теле, помимо свободных электронов, образующих электронный газ, существуют связанные электроны. Связанные электроны находятся в атомах и ионах на соответствующих орбитах.
В природе в настоящее время обнаружены атомы 91 элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Атомы каждого из элементов отличаются друг от друга зарядом ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Положительный заряд ядра равен числу входящих в ядро протонов, однако атом в целом является электронейтральным, поскольку на его орбитах находится число электронов, равное числу протонов в ядре.
Самый легкий атом -- атом водорода -- содержит один протон и один электрон. Затем следуют гелий (+2), литий(+3) и т. д. Самый тяжелый из найденных в природе атомов -- уран. Он имеет заряд (+92), столько же электронов находится на орбитах атома урана. Как видите, число обнаруженных в природе атомов на единицу меньше, чем заряд ядра самого большого из найденных атомов. Причина этого в том, что элемент, занимающий место с номером 43 в таблице Менделеева, -- технеций -- в природе до сих пор не найден.
Если число электронов не равно числу протонов, то атом имеет ненулевой заряд и называется ионом. Различают положительно заряженные ионы (анионы) и отрицательно заряженные (катионы).
Ниже показаны размеры (радиусы) некоторых элементов.
Рис.2.1 Радиусы различных ионов (по JI. Полингу)
Все атомы имеют размер порядка одного ангстрема. Наибольший диаметр атома -- у урана, он составляет примерно 2,2 ангстрема. Размеры атомов различаются не более, чем в 3 раза.
Атомы связываются между собой в стационарную структуру и формируют молекулы. К настоящему времени известно более миллиона типов молекул, а сотни молекул синтезируются и открываются каждый год.
Атомы связываются в молекулы за счет химических связей, которые порождены взаимодействием электронов и атомов или ионов.
Разрыв или формирование новых связей является химической реакцией. Эти связи являются ключом к процессам нанотехнологий.
В наномире молекулы могут выполнять функцию устройств, а связи могут быть компонентами этих устройств.
Большие молекулы с периодической структурой называются полимерами и являются весьма распространенными материалами в на нот ехнологиях.
3.1 Кристаллы и кристаллиты
Кристаллом называется конденсированная среда, обладающая трехмерной периодической атомной структурой и имеющая естественную форму правильных симметричных многогранников. Большинство твердых тел имеют кристаллическую структуру.
Рис. 2.2. Простые формы кристаллов
На рис. 2.2 приведены некоторые простые формы кристаллов.
При равновесных условиях образования кристаллы имеют равновесную форму -- форму правильных симметричных многогранников. В кристаллах присутствует так называемый дальний порядок, благодаря которому упорядоченность распространяется на весь кристалл. В отличие от кристаллических, аморфные материалы имеют ближний порядок, но этот порядок не сохраняется на значительных (по меркам структуры) расстояниях.
Системные исследования показали, что все кристаллы классифицируются всего на пять возможных способов упорядочения в плоскости: квадратный, прямоугольный, центрированный прямоугольный, гексагональный , косоугольный .
В трехмерном случае решетка определяется тремя параметрами решетки А, В и С и тремя углами между каждыми из двух этих сторон Такие компоновки называют «решетками Бравэ». Существуют 14 видов объемных решеток Бравэ.
Большинство атомов металлов кристаллизуются в плотно упакованные решетки. Например, Ag, Аl, Аи, Со, Си, Pb, Pt, Rh кристаллизуются в гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), а Mg, Nd, Os, Re, Zn -- в гексагональную плотно упакованную, структуру (ГПУ).
На рис. 2.3 показаны элементарные ячейки гранецентрированной кубической решетки, сформированной вокруг центрального атома.
Рис. 2.3 Элементарные ячейки для простой кубической решетки (а), кубических объемно- и г ране центрирован ной решеток (б)
Существуют другие модификации гранецентрированных решеток, построенных вокруг центрального атома и 12 его соседей.
На частицу можно нарастить один слой из 42 атомов и получить декатессараэдрическую наночастицу из 55 атомов. Добавляя слои, можно получить еще большие наночастицы, которые могут образовывать кластеры с суммарным количеством атомов N = 1, 13, 55, 147, 309, 561, ... Эти числа называются «магическими».
Заметим, что для гексагональной плотно упакованной структуры «магические» числа составляют следующий ряд: 1, 13, 57, 153, 321, 581, ...
Магические числа называются также структурными. Они соответствуют минимизации объема и максимизации плотности наночастиц. Форма таких плотно упакованных наночастиц близка к сферической. Магические числа никакого отношения к электронной структуре наночастиц не имеют.
Энергетический минимум структуры наночастицы определяется также взаимодействием валентных электронов. Конфигурации атомных кластеров, в которых электроны образуют заполненные оболочки, являются устойчивыми структурами. Для таких структур существует свой ряд магических чисел.
Небольшие кластеры определяются в основном электронной структурой, а большие -- структурой кристаллической решетки.
а б в
Рис. 2.4 Элементарные ячейки: алмазоподобная (а), типа цинковой обманки (б).
Меньший куб. показанный штриховой линией, ограничивает один тетраэдр. Упаковка атомов серы (большие) и атомов цинка (маленькие шары) в структуре цинковой обманки (в)
Кремний и германий кристаллизуются в ГЦК-решетку. Атомы занимают все возможные узлы, и в элементарной ячейке располагаются восемь одинаковых атомов. Такая решетка называется решеткой алмазного типа (рис. 2.4а).
В полупроводниковых соединениях типа A,I,BV или AIIBIV, таких, как GaAs, ZnS, CdS, атомы одного типа кристаллизуются в гранецентрированную кубическую, а атомы второго типа в аналогичную подрешетку, сдвинутую относительно первой по диагонали куба (рис. 2.46).
Такая решетка называется сфалеритом, или цинковой обманкой. Каждый атом расположен в центре тетраэдра, состоящего из атомов другого типа.
Заметим, что типичное соединение GaAS имеет постоянную решетки а = 0,565 нм, а элементарный объем составляет 0,18 нм3, что соответствует 22 атомам каждого типа на кубический нанометр.
В некоторых кристаллах ионы, образующие решетку, располагаются так, что кристалл оказывается самопроизвольно поляризованным.
Кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды, называют пироэлектриками. В ряде кристаллов без центра симметрии возможна электрическая поляризация под действием деформации. Это кристаллы называют пьезоэлектриками.
При полиморфных фазовых переходах свойства кристалла меняются. В результате потери одной из плоскостей симметрии кристаллом приобретается свойство спонтанной электрической поляризации. Такой кристалл называют сегнетоэлектриком.
Окраска многих кристаллов зависит от наличия в них примесей тех или иных атомов. Многие кристаллы обладают электрическими свойствами. Некоторые кристаллы, например КН2Р04 и др. являются нелинейными оптическими кристаллами, и их используют для удвоения частоты лазерного излучения.
Кристаллиты представляют собой мелкие монокристаллы, не имеющие ясно выраженной огранки. К кристаллитам относятся кристаллические зерна в горных породах, металлических слитках, поликристаллических образованиях.
Поликристаллы представляют собой агрегаты мелких монокристаллов различной ориентации. В поликристаллах имеются кристаллические зерна размером от 1-2 нм до миллиметра. Поликристалл называют текстурированным„ если есть преимущественная ориентация зерен. Такой образец будет обладать анизотропией, близкой к анизотропии монокристалла
3.2 Кластеры
В нанометровом диапазоне измерений открываются принципиально новые возможности в материаловедении и технологии. В этом диапазоне длин, где существуют наночастицы и кластеры, меняются многие физические и химические свойства вещества.
К наночастицам отнесем объекты сфероидальной формы, состоящие из 10 - 1000 атомов, диаметром до 10 нм.
Металлические наночастицы получают путем нуклеации атомов металлов, либо диспергированием контактного металла. Под диспергированием будем понимать тонкое измельчение тела в условиях заданной окружающей среды.
Свойства металлических наночастиц в основном определяются средой, в которой находится наночастица. Энергия взаимодействия системы «частица--среда» находится на уровне ван-дер-ваальсовых сил, или ослабленной химической связи.
Когда частица находится на поверхности, влияние окружающей среды асимметрично. Хорошо организованная поверхность оказывает структурирующее влияние на формирование и рост наночастицы. Как правило, форма наночастицы на поверхности меняется и отходит от сферической.
Электронное строение наночастицы отличается от массивного металла. Для наночастиц характерна дискретность одноэлектронных уровней и статический характер их распределения. От кластерных молекул наночастицы отличаются тем, что в электронном спектре отсутствует энергетическая щель. Если наночастицы внедрены в регулярные структуры типа матриц, то они сохраняют свои уникальные магнитные и электрофизические свойства. Благодаря таким уникальным свойствам наночастицы используются в системах записи и хранения информации, биомедицинской электронике, ианохимии и нанотехнологии, космических технологиях.
К наночастицам отнесем и кластеры. Под кластерами будем понимать систему из большого числа слабосвязанных атомов или молекул.
Если кластер содержит ион, то он называется кластерным ионом. Кластеры характеризуются макроскопическими параметрами, которые по мере увеличения в нем числа частиц приближаются к соответствующим характеристикам дисперсной конденсированной фазы. Формирование кластеров происходит в соответствии с магическими числами, которые представляют собой энергетически наиболее выгодные числа элементарных частиц в составе кластера.
Отметим, что малые наночастицы имеют несколько отличную от объемной структуру. Показано, что частицы (3 -4- 5 нм) золота, например, имеют икосаэндрическую структуру, в то время как в объеме золото имеет ГЦК-решетку.
В процессе формирования решетки атомами их дискретные энергетические уровни расщепляются и образуются энергетические зоны. В металле верхняя энергетическая зона полностью не заполнена. Когда частица металла уменьшается в размерах до нескольких сотен атомов, то плотность состояний в зоне проводимости меняется. Под плотностью состояний понимается количество энергетических уровней в заданном интервале энергий. ферромагнетик нанотехнологический кластер
Непрерывная плотность состояний заменяется набором дискретных уровней, интервалы между которыми могут превышать тепловую энергию кТ. Формируются энергетические щели (рис. 2.5).
Формирование энергетических зон связано с квантовым размерным эффектом, В металлах длина волны электрона составляет порядка 0,5 нм, а в полупроводниках достигает значений микрона, поэтому квантовый размерный эффект в полупроводниках появляется при больших размерах, чем в металлах.
А 6 в
Рис. 2.5 Изменение энергетических уровней при уменьшении количества атомов: а -- валентная зона объемного металла; 6 -- в большом металлическом кластере из 100 атомов формируется запрещенная зона; в -- кластер из 3 атомов формирует дискретные энергетические уровни
Многократная ионизация кластеров вызывает его нестабильность и приводит к взрыву под действием кулоновских сил или к высокоэнергетической диссоциации. В этом случае энергия электростатического отталкивания между атомами становится больше энергии связи. Атомы разлетаются с большими скоростями.
Определенный интерес представляют собой кластеры из инертных газов. При формировании таких кластеров используются магические числа: 13, 19, 25, 55, 71, 87 и 147.
На большем расстоянии происходит притяжение атомов, на меньшем -- отталкивание .
Существуют молекулярные кластеры металлов, представляющие собой многоядерные комплексные соединения. В основе их молекулярной структуры находится остов из атомов металлов, окруженный лиган- дами, или молекулами и ионами, непосредственно связанными с атомами. К таким кластерам относятся гигантские кластеры палладия, кластерные анионы молибдена и др.
Некоторые молекулы также образуют кластеры. Наиболее известный пример -- кластеризованная вода (рис. 2.6).
Рис. 2.6 Кластер из пяти молекул воды. Большая сфера соответствует атому кислорода, маленькая -- атому водорода
При нормальных условиях 80% объема воды состоит из кластеров. При повышении температуры кластеры диссоциируют на отдельные молекулы.
В настоящее время известно три аллотропные модификации углерода: графит, алмаз и фуллерит (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Кристаллические аллотропные модификации углерода: а -- графит; б -- алмаз; в, г -- фуллерены (молекулы С60 и С70)
Последняя аллотропная модификация углерода была получена сравнительно недавно -- в 1990-м году, вслед за открытием в середине 1980-х годов молекулы Сй0 -- и вызвала настоящий бум исследовательских работ, связанных с получением на основе фуллернта новых материалов с необычными свойствами.
Рассмотрим сначала все три аллотропные модификации углерода.
В кристаллической структуре графита атомы углерода соединяются между собой в шестигранники, образуя гексагональную сетку. Множество таких сеток располагается друг над другом слоями. При этом три электрона каждого из атомов участвуют в образовании ковал ентной химической связи между атомами одного слоя, образуя так называемую сг-связь (расстояние между атомами в узлах гексагональной сетки составляет 0,142 нм). Сами же слои связаны между собой достаточно слабыми ван-дер-ваальсовскими связями, получившими название л-связей (расстояние между гексагональными сетками составляет 0,335 нм -
В образовании ст-связи участвует четвертый электрон атома углерода. Эта связь определяет специфические свойства графита -- прежде всего, пластичность, низкую твердость, анизотропию свойств, способность легко расслаиваться на мелкие чешуйки.
Второй аллотропной модификацией углерода является алмаз. В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в узлах тетраэдра, и все атомы связаны между собой очень сильными ковалентными связями. Среднее расстояние между атомами составляет 0,154 нм. Обе структуры -- и графит, и алмаз -- представляют собой периодическую решетку атомов.
В третьей аллотропной модификации углерода -- фуллерите -- минимальный элемент структуры представляет собой не атом, как в графите и алмазе, а молекулу -- фуллерен.
Фуллерены представляют собой аллотропные молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных пяти- или шестиугольников, покрывающих поверхность сферы. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т. д. атомов углерода. Одними из наиболее устойчивых фуллеренов являются молекулы С^ и С70, структура которых показана на рис. 2.7.
Фуллерены получили свое название в честь американского изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера, который в середине XX века запатентовал строительные конструкции в виде фрагментов многогранных поверхностей, составляющих полусферу или полусфероид, которые можно использовать в качестве крыш больших зданий.
Фуллерены могут образовывать соединения и комплексы с простыми элементами и их соединениями. Такие соединения получили название фуллериды. Возможность введения в структуру различных присадок увеличивает число фуллереновых материалов со свойствами полупроводников, металлов, ферромагнетиков, полимеров.
Внешняя электронная оболочка углерода обеспечивает довольно устойчивые связи, при которых атомы связываются в пяти- или шестиугольники. Именно эти многоугольники формируют кластеры фуллерита. Каркас молекулы Cw состоит из 12 правильных пента- говов (пятиугольников) и 20 неравносторонних гексагонов (шестиугольников). Длина сторон, соединяющих два гексагена, составляет 0,139 нм, а гексаген с Пентагеном соединяет ребро длиной 0,144нм. Длинные стороны в сетке связи С60 соответствуют одинарным, короткие -- двойным связям.
Существует модель, в соответствии с которой образуются фуллерены. При нагреве графита разрываются связи между отдельными гексагональными связями. Линейные углеродные цепи связываются вместе, и образованные графитные слои отжигаются по мере роста в среде горячего пара.
Образование стабильных структур в форме полой «клетки» происходит в соответствии с правилом пятиугольника.
Заключение
С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин.
Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.
Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь.
Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош ВолфеJosh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
История развития нанотехнологий; их значение в медицине, науке, экономике, информационном окружении. Схематическое изображение и направления применения однослойной углеродной нанотрубки. Создание нанотехнологических центров в Российской Федерации.
презентация [894,7 K], добавлен 23.09.2013Понятие о ферромагнетике как о твердом материале, обладающем спонтанной намагниченностью, которая изменяется под влиянием внешних воздействий. Область применения и особенности использования ферромагнитных материалов в технике и в сфере промышленности.
презентация [318,9 K], добавлен 21.11.2013Основные понятия и технологические процессы порошковой металлургии. Сущность изготовления деталей и заготовок по этому методу. Экономическая целесообразность применения порошковой металлургии в промышленности, основные направления и перспективы развития.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 04.06.2009Направления и этапы исследований в сфере строения и свойств металлов, их отражение в трудах отечественных и зарубежных ученых разных эпох. Типы кристаллических решеток металлов, принципы их формирования. Основные физические и химические свойства сплавов.
презентация [1,3 M], добавлен 29.09.2013Цели и задачи материаловедения наносистем. Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии, ее особенности. Сканирующая туннельная микроскопия, наилучшее пространственное разрешение приборов. Виды и свойства, применение наноматериалов, технологии.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 05.05.2009Различные направления нанотехнологии. Проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин. Манипулирование материалами в атомном и молекулярном масштабах. Самоорганизующееся производство структур, объектов, материалов. Нанотехнологии Б-типа.
презентация [558,9 K], добавлен 24.05.2014Развитие нанотехнологий в XXI веке. Нанотехнологии в современной медицине. Эффект лотоса, примеры использования его уникального свойства. Интересное в нанотехнологиях, виды нанопродукции. Сущность нанотехнологий, достижения в этой отрасли науки.
реферат [21,4 K], добавлен 09.11.2010Методы получения ферромагнетиков: самосборка аминокислот в полипептидную цепь и катализ химической реакции. Технология получения наноструктурированных магнитных материалов в лабораторных условиях. Использование магнитных наночастиц в биомедицинских целях.
курсовая работа [5,2 M], добавлен 29.08.2013Понятие и общая характеристика легкоплавких металов на основе пяти наиболее распространенных их представителей: свинца, цинка, ртути, олова и лития. Основные физические и химические свойства данных металлов, сферы их практического применения на сегодня.
реферат [704,1 K], добавлен 21.05.2013История и перспективы развития Аракчинского гипсового завода. Описание общезаводского хозяйства. Физико-химические основы технологического процесса. Технологии и оборудование для производства гипса, техника безопасности, перспективы развития производства.
отчет по практике [244,7 K], добавлен 16.04.2011Основные направления развития и перспективы использования информационных технологий в современном бизнесе в целом, и в фармацевтике в частности. Внедрение информационных технологий в фармацевтической отрасли на примере завода АО "Гедеон-Рихтер".
реферат [30,1 K], добавлен 31.07.2010Размеры наночастиц, особенности их получения из элементов и общие свойства. Физический и химический способы получения наночастиц. Понятие наноструктур как ансамбля атомов или молекул, их разделение на сплошные и пористые. Сферы применения нанотехнологий.
презентация [28,5 M], добавлен 11.12.2012Основы, цели, задачи и функции стандартизации. Категории и виды стандартов, порядок их разработки. Органы и службы по стандартизации. Метрологические понятия. Классификация измерений. Роль метрологии. Вопросы сертификации в законах Российской Федерации.
реферат [109,1 K], добавлен 09.01.2009Принципы осуществления стандартизации. Направления деятельности ее органов и служб: Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, Технических комитетов (ТК). Основные документы данной области. Структура национальных стандартов.
презентация [861,6 K], добавлен 16.11.2014Основные понятия и определения прикладной гидравлики. Физические свойства жидкости. Основные элементы и законы гидростатики. Характеристика основных положений гидродинамики. Законы гидромеханики и их практическое приложение. Понятие идеальной жидкости.
презентация [2,4 M], добавлен 16.05.2015Основные виды деятельности законодательной метрологии, области применения ее правил. Содержание и цели Федерального закона "Об обеспечении единства измерений". Правовые основы и принципы стандартизации. Направления государственной политики в данной сфере.
курсовая работа [33,0 K], добавлен 25.02.2015Основные этапы формирования и развития фирмы Sega, предпосылки расширения производства игровых продуктов. Разработка первых консолей, оценка их функциональности, ассортимент типы. Современное состояние компании и направления ее деятельности, перспективы.
презентация [2,1 M], добавлен 22.10.2014Происхождение нефти, главные периоды знакомства с ней человека и этапы освоения как источника топлива и энергии. Особенности становления и современное состояние нефтяной промышленности в России. Правовые основы развития данной отрасли в ХП-ХIХ вв.
учебное пособие [64,9 K], добавлен 17.01.2010Типы и формы производства. Принципы, формы и методы организации его подготовки. Назначение и тенденция развития заготовительного производства. Основные понятия о заготовках и их характеристика. Основные понятия и показатели технологичности заготовок.
лекция [96,3 K], добавлен 20.09.2012Виды движений, их основные характеристики и передаточные механизмы. Вращательное движение в машинах. Разновидности передач, особенности устройства, специфика работы и сфера применения в технике. Достоинства и недостатки механизмов, их назначение.
реферат [5,7 M], добавлен 10.11.2010
