Нанотехника – современное состояние и перспективы развития
Третья научно-техническая революцияВторая половина XX века была ознаменована второй научно-технической революцией (НТР*), открывшей пост - индустриальный этап развития цивилизации. Темпы вхождения в этот этап хорошо иллюстрирует закон Мура (Moore), появившийся в связи с развитием микроэлектроники. Теоретически никем не доказанный, этот закон (ежегодное удвоение реализуемой степени интеграции компонентов внутри чипов ИС) хорошо оправдался и в отношении роста достижимой производительности ЭВМ и в ряде других областей, основанных на так называемых «критических» технологиях.
В конце 90-х годов XX века «критическими» стали молекулярная биология, микроэлектромеханика (MEMS) и микросистемная техника. В наше время закону Мура для «критических» технологий стали удовлетворять такие «прорывные» сферы приложения усилий передовых стран, как наноиндустрия и «открытое» образование (принятый за рубежом термин: E-learning). Перечисленные выше области деятельности характеризуются ежегодным удвоением объёма капиталовложений в развитых странах и, в ряде случаев, наличием приоритетных целевых национальных программ. Поэтому есть основания считать закон Мура экономическим правилом, описывающим динамику развития революционных наукоёмких сфер человеческой деятельности.
Наноиндустрия как универсальная и наукоёмкая область - это путь к третьей*), невиданной по своему размаху научно-технической революции, которая изменит облик мира уже к концу первого десятилетия XХl века.
Наноиндустрия базируется на технологическом, машиностроительном, производственном и научном обеспечении процессов, связанных с манипуляциями атомами и молекулами. Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в высшей степени наукоёмкими и стимулирует развитие таких направлений, как атомно-молекулярный дизайн, вычислительные разделы химии, физики, биологии, электроники, многоуровневое математическое моделирование.
Термин "Нанотехника" является наиболее точным русским эквивалентом английского словосочетания Nanotechnology. Первая часть этого словосочетание - "нано" обозначает 10-9 (имеется в виду одна миллиардная часть метра). Варианты второй части термина - техника, технология, технологии, несмотря на известные различия в русскоязычном их понимании для нанообласти практически пока являются синонимами. Обозначения наноразмеров - не самое главное в нанотехнике. Принципиальным является квантовый характер нанообъектов и нанопроцессов и уникальная возможность целенаправленной сборки веществ на атомно-молекулярном уровне. Наномир бросает вызов большинству привычных представлений о характере физико-химических превращений вещества, об их свойствах и возможностях использования.
Рис.1.
К описанным выше взрывным темпам развития, наблюдаемым в течение последних 3-х лет, нанотехника пришла после более чем полувековых исследовательских усилий, хотя ряд нанообъектов известен и применяется довольно давно. К ним можно отнести коллоиды, мелкодисперсные порошки, тонкие пленки. Нанотехнологией в настоящее время называют технику манипуляций на атомарном и молекулярном уровне.
В 1959 г. Нобелевский лауреат Р. Фейнман написал фразу, воспринимаемую сейчас как пророчество: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами». Эта мысль прозвучала тогда, когда начало постиндустриальной эпохи ещё не было осознано; в эти годы не было ни интегральных схем, ни микропроцессоров, ни персональных компьютеров.
В 1966 г. Р. Янг предложил идею пьезодвигателей, которые ныне обеспечивают позиционирование и перемещение подложки под острием туннельного зонда СТМ и нанотехнологического оборудования с точностью до 0,1 – 0,01 Ангстрем.
В 1974 году японский профессор Норио Танигучи впервые применил термин «Нанотехнология» в своем докладе «Основные принципы нанотехнологий».
1982 – 1985 годы. Немецкий профессор Г. Гляйтер предложил концепцию наноструктуры твердого тела.
В 1985 г. Х. Крото, Р. Кёрл и Р. Смоли открыли фулерены и предопределили стремительный взлёт техники так называемых нанотрубок, которые были получены экспериментально в 1991 году.
В 1982 г. Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Действие СТМ основано на туннелировании электронов через вакуумный барьер. Сканирующий электронный микроскоп позволяет исследовать только проводящие объекты.
Четырьмя годами позже, в 1986 г. появился сканирующий атомно - силовой микроскоп. В отличие от СТМ атомно - силовой микроскоп основан на контакте поверхности с подвижным зондом или балкой (кантилевером) и измерении отклонения зонда и позволяет изучать и диэлектрические материалы.
Наконец, в 1987 – 1988 гг. в отечественном НИИ «Дельта» продемонстрировал в действии первую нанотехнологическую установку, где осуществлялась направленная термическая десорбция частиц с острия зонда.
Базовая системная концепция, осмыслившая эти достижения, впервые прозвучала в книге Эрика Дрекслера "Машины созидания", вышедшей в 1985 г. Под таким термином Дрекслер ввёл в рассмотрение молекулярные самовоспроизводящиеся роботы, способные производить сборку (ассемблирование) молекул, их декомпозицию, запись в память нанокомпьютера программ воспроизведения (репликации) и, наконец, реализацию этих программ (т. е. самовоспроизведение, размножение). Этот, первоначально рассчитанный на многие десятилетия прогноз пути развития нанотехники, ко всеобщему удивлению, оправдывается шаг за шагом с существенным опережением по времени. Проводимые с 1989 г. по инициативе Дрекслера ежегодные Форсайтовские конференции год за годом фиксировали это опережение. На одной из первых таких конференций было принято обращение к учёным и правительствам - не проводить наноразработки в военных целях. К сожалению, погоня за ассигнованиями стимулировала нанопрограммы развития средств вооружения, а также изделий двойного назначения, главным образом в США. Несколько таких разработок уже находятся на вооружении армии этой страны.
В 1990 с помощью СТМ, произведённого фирмой IBM, были нарисованы три буквы (IBM) из 35 атомов ксенона на грани кристалла никеля (рис. 2). Этот эксперимент имел характер научной сенсации, поскольку присутствие или отсутствие на подложке постороннего атома можно в принципе интерпретировать как логический символ. Вместе с тем, эксперимент, проведённый в условиях глубокого вакуума при криогенной температуре, носил сугубо демонстрационный характер: все 35 атомов, будучи химически не связанными с подложкой, "убежали" со своих мест на никеле. Дальнейшие работы, проведённые в том числе в России, уверенно подтвердили возможность валентного "закрепления" атомов на поверхностях, выполненных из различных материалов без какого-либо применения криогенной техники. После 5-й Форсайтовской конференции, в 1997 г. стало ясно, что прогноз Дрекслера относительно возможности сборки атомов оправдывается на несколько десятилетий раньше.
3. Физико-химические особенности наноматериалов
3.1. Размерные эффекты
Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т. е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.
Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный-немонотонный). Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере ее иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.
Среди причин размерных эффектов в наномасштабных объектах есть как вполне очевидные, так и заслуживающие дополнительных комментариев. Например, ясно, что доля атомов, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R. Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от “объемных”, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов.
Рис.3.
Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
