Введение в индустрию наносистем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Введение в индустрию наносистем. Основные понятия и определения

1. История развития нанотехнологий. Основные определения: наносистема, наноматериалы, нанотехнология, нанодиагностика, наносистемотехника, нанонаука, нанотехника, наноинженерия

Прародителем нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита Абдерского. 2400 лет назад он впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Главным достижением философии Демокрита считается развитие им учения о неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей (атомистический материализм). Он описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи, постулируя не только бесконечность числа атомов во Вселенной, но и бесконечность их форм. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и таким образом производят возникновение сложных тел. Само же движение - свойство, естественно присущее атомам. Тела - это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Атомы не могут соприкасаться, поскольку все, что не имеет внутри себя пустоты, является неделимым, то есть единым атомом. Следовательно, между двумя атомами всегда есть хотя бы маленькие промежутки пустоты, так что даже в обычных телах есть пустота. Отсюда следует также, что при сближении атомов на очень маленькие расстояния между ними начинают действовать силы отталкивания. Вместе с тем, между атомами возможно и взаимное притяжение по принципу «подобное притягивается подобным». Различные качества тел полностью определяются свойствами атомов и их комбинаций и взаимодействием атомов с нашими органами чувств.

В 1905г. швейцарский физик Альберт Энштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. Энштейн предложил исследование «Новое определение размеров молекул». Рассуждая о связи вязкости жидкости с размерами растворенных молекул сахара и рассматривая их совокупность, ученый вывел математическое выражение, определяющее скорость диффузии. Сопоставив коэффициент диффузии с вязкостью раствора, ученый определил размеры молекул сахара.

В 1931г. немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. Ими был предложен принцип работы Растрового Электронного Микроскопа (РЭМ), заключающийся в сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и анализе отраженных от поверхности частиц и возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом рентгеновского излучения. Анализ частиц позволял получать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллической структуре приповерхностных слоев. Анализ рентгеновского излучения, возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом, давал возможность качественно и количественно охарактеризовать химический состав приповерхностных слоев.

В 1959г. американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Филлипс Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции «Там, внизу, еще очень много места», произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. В работе Фейнмана впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно, «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Лекция Фейнмана «была столь провидческой, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология».

В 1966г. американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01ангстрем (1нм=10Е).

В 1968г. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании «Bell», разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

В 1974г. японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот термины «нанотехника» и «нанотехнология», предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона и способы их создания.

В 1981г. германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп - прибор, позволяющий осуществлять наблюдение, изучение и атомное манипулирование в нанообъектах. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

В 1985г. американские физики Роберт Керл, Хэрольд Кротои, Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

В 1986г. создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

В 1986г. нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины созидания: приход эры нанотехнологии», в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться. Он предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологий. Воображаемые устройства Дрекслера по своим размерам были значительно меньше, чем хорошо известные всем биологические клетки.

В 1989г. ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра компании «IBM» сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

В 1991г. японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании «NEC», использовал фуллерены для создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм.

В 1998г. голландский профессор Технического университета Сиз Деккер создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы. Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

В 2000г. Администрация США объявила «Национальную нанотехнологическую инициативу» (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002г. сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год «Инициатива» запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.

В 2000г. немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии - создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100нм. Проект финансировала компания «Volkswagen».

В 2001г. Сиз Деккер соединил углеродную нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

В 2003г. профессор Фенг Лью из Университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

В 2004г. Администрация США поддержала «Национальную наномедицинскую инициативу» как часть National Nanotechnology Initiative. В России впервые заявили о развитии нанотехнологий как приоритетной области исследований в рамках «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 г.».

В 2004 - 2006гг. Российский исследователь и изобретатель Виктор Иванович Петрик с помощью разработанного им же газофазного метода очистки металлов и разделения изотопов получил наноструктуры ряда металлов: платины, железа, никеля и других.

В 2008г. в России законодательно утверждена «Концепция национальной системы мониторинга исследований и разработок в сфере нанотехнологий».

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться еще примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров возрастут квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.

В основе научно-технического прорыва на наноуровне, форсируемого промышленно развитыми странами, лежит использование новых, ранее не известных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании.

Обратимся к важнейшему фактору - геометрическому размеру и приставке «нано», входящей в ряд основных, наиболее часто используемых в официальных документах, понятий: нанотехнология, наноматериалы, наносистемы.

Первоначально обратим внимание на исходные смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристические и геометрические размеры изучаемых объектов:

микро - (от греч. mikros - малый);

нано - (от греч. nannos - карлик).

Применительно к индустрии наносистем границы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадиционных свойств, не присущих макро- и микросистемам, формально определены от единиц до 100 нм. Однако вполне очевидно, что некоторый характеристический размер, идентифицирующий изучаемый объект по геометрическому параметру (толщина пленки, диаметр кластера или нанотрубки), должен рассматриваться не просто как абсолютная величина, а в отношении к определенным фундаментальным параметрам материалов, имеющим аналогичную метрическую размерность (так называемый размерный эффект). Размерный эффект - зависимость свойств тела от его размера. Этот эффект возникает, если протяженность тела, по крайней мере в одном измерении, становится сравнимой с некоторой критической величиной lk. Для классических размерных эффектов lk - классическая величина, например, диффузионная длина, длина свободного пробега электронов и т.д. Особенно сложно определить границы геометрического фактора применительно к биоорганическим объектам, обладающим многообразием связей и конформаций. Поэтому приставка «нано» скорее особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, чем просто характеристика протяженности базового структурного элемента.

Если Вы пользуетесь Интернетом, то можете найти, по меньшей мере, несколько десятков определений нанотехнологии. Вот определение, взятое с сайта «РОСНАНОТЕХ»:

Нанотехнологии - совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

Вот еще одно определение, данное Нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым в журнале «Микросистемная техника» №8, 2003, стр.3-13:

«Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям.»

Итак, обобщая наши представления об индустрии наносистем, отметим, что ряд базовых понятий с приставкой «нано» наиболее полно отражает именно проявление функционально-системных свойств, а не только чисто геометрические особенности (параметры) объектов. Именно с этой точки зрения приведем эти базовые понятия.

Наносистема - материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Наноматериалы - вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология - совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанодиагностика - совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наносистемотехника - совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.

Нанонаука - система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов.

Нанотехника - машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Наноинженерия - научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, обладающих новыми свойствами, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологии.

2. Место объектов наномира на общей шкале размеров. Дисперсные системы. Классификации дисперсных систем

При изучении нанотехнологии необходимо пояснить о каких объектах и размерах пойдет речь и определить их место в окружающем нас мире. Легко заметить, что название новой науки возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано», означающей изменение масштаба в 10-9 (миллиард) раз, то есть 1 нанометр=1нм=10-9м, что составляет одну миллионную привычного нам миллиметра (для наглядности можно указать, что 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса).

На рис. 1 приведены размеры некоторых известных естественных и искусственных созданий природы в диапазоне размеров от 10 метров до 1 ангстрема (1Е=10-10м) в 10 раз меньше нанометра и соответствует диаметру самого маленького из атомов (атома водорода). К нанотехнологии принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. С другой стороны, интересно, что многие вирусы имеют размер 10 нм, а 1 нм почти точно соответствует характерному размеру белковых молекул (в частности, радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм).

Из сказанного ясно, что нанотехнология как бы объединяет все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами. Именно поэтому она представляется перспективной для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т.д.

Особо нужно подчеркнуть, что мы пока не можем оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом.

Для того чтобы разобраться в понятиях и определениях наноразмерных объектов (прежде всего наноразмерных материалов), необходимо рассмотреть дисперсные системы и их классификацию.

В том случае, когда структурные и морфологические элементы материала имеют размеры от 10-8 до 10-9 м, для его определения используются такие понятия, как наноматериалы, нанокристаллы, наночастицы, нанокомпозиты, нанофазы, наноразмерные среды, а также кластеры, коллоидные и субколлоидные частицы, ультрадисперсные, высокодисперсные, ультратонкие порошки. Встречаются и другие термины, например, термины коллоидной химии: золь, гель, аэрозоль, аэрогель.

К сожалению по сей день нет устоявшейся и общепринятой терминологии в области дисперсных сред. Дадим определение дисперсной системе.

Дисперсные системы - образования из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

В дисперсной системе по крайней мере одна из фаз распределена в виде мелких частиц в другой, сплошной, фазе. Раздробленную (прерывную) часть дисперсной системы принято называть дисперсной фазой, а нераздробленную (непрерывную) - дисперсионной средой.

Способов классификации существует множество. Мы рассмотрим только основные.

Классификация по агрегатному состоянию. Впервые дисперсные системы по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды классифицировал В. Оствальд в 1891г. Согласно этой классификации возможны девять комбинаций дисперсной фазы и дисперсионной среды, каждая из которых может находиться в виде газа, жидкости и твердого тела. На практике реализуются только восемь комбинаций, поскольку газы в нормальных условиях неограниченно растворимы друг в друге и, следовательно, образуют гомогенную систему.

Золи (коллоидные растворы) - устойчивые высокодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Коллоидные системы - предельно высокодисперсные системы. Частицы дисперсной фазы в коллоидной системе - коллоидные частицы - обычно имеют размер от 1 нм до 100 нм. В газе или жидкости они свободно и независимо одна от другой участвуют в интенсивном броуновском движении, равномерно заполняя весь объем дисперсионной среды.

Аэрозоли - дисперсные системы, в газовой дисперсионной среде которых находятся во взвешенном состоянии твердые или жидкие частицы дисперсной фазы.

Гели - высокодисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, содержащей структурную сетку (каркас), образованную частицами дисперсной фазы. Если дисперсионная среда газообразная, то образуются аэрогели.

Порошки - двухфазные системы, представляющие собой твердые частицы дисперсной фазы, распределенные в воздухе или другой газовой среде. Другими словами, порошки представляют собой совокупность находящихся в соприкосновении индивидуальных твердых тел или их агломератов (агрегатов).

Обычно к порошкам относят большинство сыпучих материалов. Однако термин «порошки» корректно применять к высокодисперсным системам с такими размерами частиц, при которых сила межчастичного взаимодействия становится соизмерима или меньше их веса. Согласно данному условию, размер каждой частицы лежит, как правило, в пределах от 1 нм до 1000 мкм. Дисперсные фазы величиной менее 1 нм обычно называют кластерами, 1000 мкм и более - гранулами. Порошки, состоящие из частиц с размером менее 1 мкм, взвешенные в газовой фазе и участвующие в броуновском движении, образуют аэрозоли, пыли и дымы.

Частица - единица порошка, которую нельзя легко разделить в обычных сепарационных процессах. Частица может состоять из нескольких зерен (рис. 2), поэтому термин «зерно» - не синоним слову «частица».

Агломерат (агрегат) - несколько частиц, соединенных в более крупные образования. Агрегаты и агломераты различают по наличию внутренней пористости. В агломератах присутствуют межчастичные пустоты, в агрегатах - нет.

Классификация по размерам. Классификация дисперсных систем по размерам и удельной поверхности дисперсной фазы достаточно широко используется в различных областях науки и производства. При этом используются различные критерии, что порождает большое количество классификаций и определений одного и того же материала. Вот некоторые из них.

В первом приближении дисперсные системы можно разделить на грубодисперсные (размер частицы от 1 мкм и выше; удельная поверхность не более 1 м2/г) и высокодисперсные (тонкодисперсные или коллоидные) - размер частицы от 1 нм до 1 мкм; удельная поверхность может достигать сотен м2/г.

В коллоидной химии принята следующая классификация дисперсных систем: молекулярно-дисперсные - размер дисперсной фазы менее 1 нм; высокодисперсные - 1-100 нм; среднедисперсные - 100нм - 10мкм; грубодисперсные - более 10 мкм.

Для порошков, используемых в металлургии, наиболее распространен следующий тип разделения частиц по дисперсности: ультратонкий порошок - размер частиц менее 500 нм; весьма тонкий порошок - 500нм - 10мкм; тонкий порошок - 10-40 мкм; порошок средней крупности - 40-150 мкм; грубый порошок - 150-500 мкм.

Для порошков, синтезированных в плазме, используется следующая классификация: наноразмерные - 130-50 нм; высокодисперсные - 30-50100-500 нм; микронные - 100-500нм10мкм.

В научных кругах используется несколько отличная классификация: 1-100 нм - ультрадисперсные порошки; 100нм - 10 мкм - тонкодисперсные; 10-200 мкм - среднедисперсные; 200-1000 - грубодисперсные.

Во всех приведенных классификациях деление дисперсных систем на классы по линейным размерам достаточно условно, поскольку определяется метрической системой измерений и в большинстве случаев не отражает качественного и количественного изменения свойств материалов с уменьшением их протяженности.

До настоящего времени не разработана физически обоснованная классификация дисперсных систем. Наиболее распространено определение, что к нано- (ультрадисперсным) относят системы, в которых размер морфологических элементов (частиц, зерен, кристаллитов) менее 100 нм. Этот класс дисперсных систем также называют нанопорошками, наноразмерными средами, нанокристаллическими материалами. Однако с физической точки зрения представляется обоснованным относить дисперсные системы к классу наноразмерных на основе изменения свойств с уменьшением линейных размеров материала.

Объекты с размером 1-10 нм в последнее время называют наночастицами. Нижняя размерная граница существования наночастиц весьма размыта. Она может определяться переходом от кристаллической фазы к молекулярной. Столь малые образования принято называть кластерами.

Кластеры (от англ. «cluster» - пучок, рой, скопление) - группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов.

В ряде работ разделяются такие понятия, как нанопорошки (или наночастицы) и массивные твердые вещества с нанокристаллической структурой. В последнем случае в материале теми или иными, обычно физическими, воздействиями созданы области наноразмеров, которые могут быть разделены прослойками иной структуры и (или) иного состава.

Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, нанокомпозитными) материалами принято понимать такие материалы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении.

Нанокристаллические материалы, строго говоря, не попадают под определение дисперсных систем, поскольку в них нет дисперсной фазы и дисперсионной среды. В действительности между дисперсными системами и массивными материалами с дисперсной структурой много общего. Нанопорошки и массивные твердые вещества с нанокристаллической структурой можно представить как два типа ансамбля малых частиц. В первом случае они изолированы друг от друга или слабо взаимодействуют между собой, а во втором - имеют жесткую связь. Но в обоих наноматериалах специфика свойств определяется малыми размерами их морфологических составляющих.

Можно заключить, что при движении вдоль оси размеров от единичного атома до массивного состояния дисперсная система проходит через ряд промежуточных состояний, включающих кластерообразование, формирование наночастиц и нано- или ультрадисперсных сред (рис. 4).

Классификация по мерности. Дисперсные фазы в реальных системах имеют разнообразную форму: это могут быть сферы, иголки, чешуйки, цилиндры, неравновесные образования. Кроме того, дисперсную фазу могут составлять покрытия, пленки, мембраны, нити, капилляры, различные волокна, поры. В связи с этим, классификация дисперсных систем по мерности основывается на геометрии или числе измерений характерных размеров дисперсной фазы.

Характерными следует считать такие размеры, которые определяют дисперсность. Дисперсность - величина, обратная размеру частиц дисперсной фазы.

Характерные размеры и дисперсность трехмерных тел определяются в трех взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5,а). По современной классификации, если мы рассматриваем размерности локализации, то к трехмерным дисперсным системам относятся нано- (ультрадисперсные) порошки и наночастицы.

Дисперсность двумерных тел характеризуется двумя размерами, которые определяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5,б), а третий размер L на дисперсность не влияет. Двумерные системы составляют волокна, нити, капилляры, которые имеют макродлину, а два других размера измеряются в нанометрах.

В случае одномерных тел только один размер а определяет дисперсность (рис. 5,в). К одномерным материалам относятся пленки, мембраны, покрытия, толщина которых измеряется в нанометрах, а два других измерения имеют макроскопические размеры.

К нульмерным наносистемам относятся объемные наноматериалы.

3. Подходы «сверху-вниз» и «снизу-вверх» к получению нанообъектов. Понятия самосборки и автосборки и примеры их реализации. Понятие молекулярного ассемблера

В технологии твердых тел известны два подхода (две концепции) к обработке вещества и созданию планируемых изделий: «top-down» («сверху-вниз») и «bottom-up» («снизу-вверх»).

Подход «сверху-вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или ионной обработкой, вплоть до получения объектов с ультрамикроскопическими, нанометровыми параметрами.

В качестве простого примера можно указать некоторые полупроводниковые устройства, структура которых создается фотолитографической обработкой. При фотолитографии полупроводниковая заготовка подвергается обработке лазерным лучом, что позволяет получить в ней заранее спланированную конфигурацию схемы. Разрешающая способность (то есть минимальный размер элементов изготавливаемой схемы) определяется при этом длиной волны лазерного излучения.

Другим примером может служить применение тонкого перемола материала (или его измельчения). При этом под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления.

Идея технологии «снизу-вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т.п.), располагаемых в требуемом порядке (рис. 7). Этот подход можно считать «обратным» по отношению к привычному методу миниатюризации «сверху-вниз», когда мы просто уменьшаем размеры деталей. дисперсный молекулярный ассемблер наносистема

Типичным примером подхода «снизу-вверх» может служить поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности при помощи сканирующего туннельного микроскопа или других устройств этого типа. Метод позволяет наносить друг на друга не только отдельные атомы, но и слои атомов. Конечно, в настоящее время описываемый подход характеризуется очень низкой эффективностью и производительностью, однако ему принадлежит будущее. Данный подход открывает принципиально новые горизонты, характеризующиеся практической безотходностью, экологической чистотой, наноразмерами и возможностями использовать их в любой области науки и техники.

Другими примерами может служить применение методов молекулярно-лучевой эпитаксии через трафарет, методов самосборки за счет поверхностной диффузии и т.п.

В подходах «сверху-вниз» и «снизу-вверх» возможны и промежуточные варианты, например технология материалов и изделий на «пористом» кремнии, когда на подложке монокристаллического кремния методами травления создается наноструктура (то есть, когда вначале по технологии «сверху-вниз» методами травления создается «пористый» кремний, а затем по технологии «снизу-вверх» в созданные поры внедряются частицы примесей).

Необходимо отметить следующее важное обстоятельство. При использовании технологии «сверху-вниз» в конечных наночастицах сохраняется структура исходного материала с большими размерами. Однако при формировании объектов сборкой «снизу-вверх» свойства этих объектов могут определяться как природой и количеством исходных элементов (атомов, молекул), так и их взаимным расположением. Таким образом, нанотехнология позволяет варьировать свойства нанообъектов в зависимости от числа и взаимного расположения атомов. Изготовление нанообъектов с нанометровой точностью дает возможность получать уникальные функциональные характеристики.

Одним из основных направлений развития нанотехнологии является сборка или самосборка деталей и изделий методом поатомного или помолекулярного дизайна.

Самосборка - процесс конструирования наноматериалов по принципу «снизу-вверх», основанный на самоорганизованном формировании различных нанообъектов.

В реализации самосборки могут участвовать следующие механизмы.

- увеличение давления сближает частицы, способствуя их соединению;

- увеличение температуры повышает свободную энергию частицы, способствует разориентированию;

- жидкое состояние способствует диссоциации молекул; нейтральные молекулы становятся заряженными частицами; уменьшаются трение и вязкость; облегчается миграция молекул;

- электрическое, магнитное поля ориентируют диполи вдоль силовых линий.

Отметим, что можно выделить три вида самосборки наноструктурных материалов. Физическая самосборка, ярким примером которой является создание квантовых точек за счет повышенной диффузии атомов по поверхности подложки или методами молекулярно-лучевой эпитаксии. Химическая самосборка, при которой происходит процесс образования крупных молекулярных или кристаллических структур из большого числа атомов или молекул. При этом требуется заданная и воспроизводимая форма этих структур. В данном варианте процесс самосборки может происходить на поверхностях или без них. Наиболее ярким примером таких процессов является образование фуллеренов, нанотрубок и других углеродных материалов. Биологическая самосборка, позволяющая создавать конструкции из биологических объектов, например из ДНК и РНК, и соединение этих объектов с неорганическими молекулами. Элементы «низшего» порядка (атомы, молекулы, фрагменты биологических клеток) располагаются в требуемой последовательности для сборки необходимой конструкции. При таком типе по существу безотходной технологии резко уменьшается материало- и энергоемкость, улучшаются экологические показатели и технико-экономические характеристики изделия. Указанные методы позволяют наносить друг на друга слои атомов разного типа и формировать гетероструктуры - ключевые элементы наноэлектронных устройств.

Для реализации самосборки необходимы:

- определенная структура молекул (тип кристаллической решетки, полярность, намагниченность и т.п.);

- наличие «лекала» (шаблона) (генного кода);

- определенное состояние окружающей среды (например, пониженная вязкость), способствующее подвижности молекул;

- адекватное внешнее воздействие, стимулирующее фазовый переход (например, высокие температура и давление для алмаза) или определенную конформацию (структурообразование) для молекул;

- адресации потоков вещества и информации.

Как уже ранее отмечалось наночастицы можно достаточно точно и надежно установить в требуемых положениях на плоскости, используя щуп туннельного микроскопа в качестве автоматического устройства (робота). Таким образом осуществляется автосборка нанообъектов.

Автосборка - процесс конструирования наноматериалов по принципу «снизу-вверх», основанный на механосинтезе и выполняемый с использованием некоторой автоматизированной системы (например, Сканирующей Туннельной Микроскопии) по заданной программе.

Решение проблемы манипулирования веществом на уровне атомов и молекул предложил Эрик Дрекслер в книге «Машины созидания: приход эры нанотехнологии». Для манипулирования атомами он придумал специальные наномашины, или ассемблеры.

Ассемблер - молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Чтобы представить ассемблеры, нужно сначала наглядно представить, как выглядит молекула. Для этого мы изобразим атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, соединенные между собой кусочками проволоки (несмотря на чрезвычайную простоту такого представления, химики часто используют именно его, строя модели из пластмассовых шаров, связанных спицами в нескольких направлениях). Атомы имеют круглую форму подобно шарам, и хотя молекулярные связи - не кусочки проволоки, наша визуальная модель, как минимум, дает важное представление о том, что связи могут быть порваны и восстановлены (рис. 8).

Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии с заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами.

Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экспериментальные искусственные наномашины, используя биологический природный материал: аминокислоты, белки, молекулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) - это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разрушаются при повышенных температурах и давлениях (происходит сворачивание белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твердый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных наработок человечества в сфере балк-технологии. Это все то, до чего «не додумалась» природа, от колеса до компьютера. В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины-ассемблеры должны представлять собой синтез живых и технических систем.

Главная задача ассемблера - соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на «перфолентах» типа цепочек РНК или ДНК.

Внешний вид сборщика можно представить себе как «ящик» нанометрового размера с «рукой» - манипулятором длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипулятора могут служить атомы, молекулы и химически активные молекулярные конструкции. Внутри сборщика размещены устройства, управляющие работой манипулятора, и содержащие программу всех его действий. Поскольку составление больших молекул со сложной структурой потребует особой точности в позиционировании, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов. Возможно, ассемблер будет чем-то похож на паука, при этом одними лапами он будет держаться за поверхность, а другими складывать сложные молекулярные структуры атом за атомом.

Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами и имеющие связь с обычным компьютером, которым управляет человек. Представим, что человек-оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию, особым образом задавая ее молекулярную структуру. «Нарисовав» нужный объект, он передает команду ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом. И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь с заданными характеристиками при минимальном вмешательстве человека.

Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами - наномашинами, способными разбирать объект на атомы с записью его структуры на молекулярном уровне. Например, для создания копии какого-то объекта необходимо, чтобы дизассемблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретически такая копия ничем не будет уступать оригиналу - она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры также помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру.

Ассемблеры будут обладать способностью к репликации (размножению). Когда речь идет об эволюции, то репликатор - это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплицируется (размножается путем создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.

Таким образом, создав один единственный универсальный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложность их первоначального конструирования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борются за право быть первыми в этом революционном прорыве.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от «проживающих» в организме нанокомпьютеров, излечивающих больные клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.

Сегодня Foresight Institute - базис всех мировых нанотехнологий - обещает $250.000 тому, кто построит наноманипулятор-«руку», которая сможет оперировать на молекулярном уровне.

4. Методологические и фундаментальные основы индустрии наносистем. Характеристика индустрии наносистем

Наиболее характерными проявлениями «наномира» даже по сравнению с традиционными объектами с микроскопическими характеристическими размерами следует признать:

· появление нетрадиционных видов симметрии и особых видов сопряжения границ раздела, конформаций (форма, расположение) с динамически перестраиваемой структурой;

· доминирование над процессами искусственного упорядочения явлений самоупорядочения и самоорганизации, отражающих проявление эффектов матричного копирования и особенностей синтеза в условиях, далеких от равновесных (равновесное состояние - это когда все величины системы не зависят от времени);

· высокая «полевая» (электрическая, магнитная) активность и «каталитическая» (химическая) избирательность поверхности ансамблей на основе наночастиц, включая интегрированные композиции неорганической и органической природы;

· особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического (синергетический процесс - процесс взаимоусиления воздействий различных факторов, когда итоговый результат выше простой суммы) процесса.

Причиной появления этих особенностей в условиях «наномира» является:

· изменение отношения площади поверхности к объему при переходе к наноразмерным системам;

· энергетическая, полевая и «вещественная» неравновесность поверхности, охватывающая значительные объемы наночастиц;

· усиление роли различных видов размерных эффектов вследствие значительной площади границ раздела в условиях нанокомпозиций;

· проявление в условиях больших коллективов энергетически активных наночастиц нетрадиционных механизмов упорядочения, переноса энергии и заряда;

· малые характеристические размеры частиц и особый характер их упорядочения, обеспечивающие энергетическую и пространственную доступность транспорта заряда, энергии и конформационных изменений.

Как отмечалось ранее, основными понятиями в индустрии наносистем являются такие как наноматериалы, нанотехнология, нанодиагностика и наносистемотехника. Приведем характеристику индустрии наносистем с точки зрения направлений развития и функциональных особенностей, используя именно эти понятия (табл.2).

Табл.2 Характеристика «Индустрии наносистем»

Направления развития	Функциональные особенности
Наноматериалы
* 0-мерные: квантовые точки * 1-мерные: квантовые нити, нанотрубки, нановолокна, линейные полимеры * 2-мерные: квантовые ямы, сверхрешетки, биомембраны * 3-мерные: нанокомпозиты, фуллерены, мицеллы, биоорганические полимеры	* Легкость * Прочность * Стойкость * Эластичность * Биосовместимость * Селективность * Энергоемкость * Память
Нанотехнология
* Атомно-молекулярное наслаивание * Атомно-молекулярная сборка и самосборка * Атомно-молекулярное модифицирование и удаление * Атомно-молекулярная селекция	* Наноточность * Нанолокализация * Нанопозиционирование * Наноизбирательность * Нанокатализ * Самоформирование * Самоорганизация
Нанодиагностика
* Атомно-зондовая микроскопия * Электронная микроскопия и спектроскопия * Масс-спектрометрия * Оптическая спектроскопия * Дифрактометрия	* Наноточность * Наночувствительность * Наноколичество
Наносистемотехника
* Кооперативность * Избирательность * Полиморфизм * Распределенность * Интеграция синтеза и функционирования	* Наномасштабирование * Квантовые размерные эффекты * Синергетические эффекты * «Гигантские» эффекты * Неравновесные процессы

Таким образом, фундаментальным базисом индустрии наносистем являются новые ранее неизвестные свойства материалов и композиций, возникающие при переходе к объектам, представляющим собой интеграцию искусственно или естественно упорядоченных наносистем. Это обусловлено особым проявлением в нанокомпозициях и ансамблях субмолекулярных комплексов кооперативно-синергетических явлений и процессов, квантово-размерных и «гигантских» эффектов.

5. Основные постулаты индустрии наносистем. Научно-техническое развитие индустрии наносистем

Существует ряд постулатов, определяющих характерные признаки и направления развития наноматериалов, нанотехнологий и наносистем (табл. 3).

Табл. 3 Основные постулаты индустрии наносистем

Наноматериалы Макро- и микрообъекты - интеграция искусственно или естественно упорядоченных (самоупорядоченных) наносистем	Нанотехнологии Наноточность, наноизбирательность и самоорганизация в условиях синтеза макро- и микрообъектов	Наносистемы Макросистемные свойства - проявление кооперативного взаимодействия и избирательности границ раздела наносистем
От макрокристаллов к композициям нанокристаллов и субмолекулярным комплексам	От микро- к наноточности (нанолокализации, нанопозиционированию, наноизбирательности)	От микро- к наномасштабированию
От искусственно упорядоченных систем к самоупорядоченным	От организации к самоформированию, самосборке (самоорганизации)	От классических размерных эффектов к квантовым
От статического упорядочения к динамическому (неравновесному)	От квазиравновесных процессов к неравновесным	От изолированных консервативных систем к открытым кооперативным (индивидуальное взаимодействие наночастиц, молекул и т.п.)

Индустрия наносистем - интегрированный комплекс, включающий: оборудование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно-экономическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем при переходе к наномасштабам.

В представлен перечень наиболее актуальных научно-технических проектов, определяющих среднесрочные перспективы индустрии наносистем.

Табл. 4 Перечень наиболее актуальных научно-технических проектов развития индустрии наносистем

Направления развития	Названия проектов
Наноматериалы	* Нанокомпозиционные материалы со специальными механическими свойствами для сверхпрочных, сверхэластичных, сверхлегких конструкций. * Нанокомпозиционные и нанодисперсные материалы для высокоэффективной сепарации и избирательного катализа. * Нанокомпозиционные материалы с особой устойчивостью к экстремальным факторам для термически-, химически- и радиационностойких конструкций. * Нанокомпозиционные материалы, обладающие «интеллектуальными» свойствами, включая: адаптивность, ассоциативность, память. * Наноструктуры и нанокомпозиции для электронных и фотонных информационных систем. * Нанокомпозиционные биоорганические материалы для медицины и биотехнологии. * Специальные нанокомпозиционные материалы с низкой эффективной отражающей или сверхвысокой поглощающей способностью в СВЧ и оптическом диапазонах длин волн. * Специальные нанодисперсные материалы с максимально эффективным энерговыделением, в том числе, импульсным.
Нанотехнологии	* Машиностроительные нанотехнологии (механическая и корпускулярная обработка с наноточностью). * Физико-химические нанотехнологии (атомно-молекулярная химическая сборка неорганических и органических веществ). * Атомно-зондовые нанотехнологии (нанозондовый сверхлокальный синтез и модифицирование). * Биомедицинские нанотехнологии (биочипы и биокластеры; сверхлокальная наноизбирательная диагностика, терапия, хирургия; генная инженерия). * Аппаратно-методическое обеспечение чистоты и микроклимата в индустрии наносистем.
Нанодиагностика	* Экспресс-методы контроля химического состава и геометрии нанообъектов. * Экспресс-методы регистрации электрических, магнитных и акустических полей нанообъектов, контроль их физических и химических свойств.
Наносистемы (наноустройства)	* Нанохимические компоненты (сорбенты, катализаторы, насосы, реакторы) для высокоэффективной очистки, избирательного сверхскоростного высокопроизводительного синтеза, атомно-молекулярной инженерии. * Наноэлектронные компоненты (элементная база) для сверхинтегрированных сверхмощных сверхскоростных систем генерации, хранения, передачи и обработки информации. * Нанооптические компоненты (элементная база -- излучатели, фотоприемники, преобразователи) для энергетически эффективной светотехники, систем сверхскоростной "сверхплотной" высокопо-мехозащищенной передачи и обработки информации. * Микро- и наноинструмент для процессов атомно-молекулярной инженерии.

Размещено на Allbest.ru

...