Две стратегии развития нанотехнологий
Глобальная цель нанотехнологии – создание самовоспроизводящихся наносистем и наноустройств, наделенных развитым компьютерным интеллектом, способных выполнять механические действия и проводить физико-химический анализ и модификацию окружающей среды.
Возникновение нанотехнологий является результатом двух стратегий предметной деятельности человека: процесса минитюаризации (процесс “up-bottom” – “сверху-вниз“) и процесса усложнения молекулярной структуры (процесс “bottom-up ” – “снизу-вверх“). Этим двум стратегиям соответствуют две группы методов синтеза нанообъектов: методы диспергирования и методы агрегации. Уже сами названия этих двух групп методов указывают на принципиальную противоположность их синтетических стратегий и тактик (рис. 20).
В первом случае необходимо тем или иным способом раздробить крупные частицы материала до наноразмеров, затратив при этом значительное количество энергии на резкое увеличение поверхности раздела твердое тело–жидкость (или газ). Так, суммарная поверхность всех частиц, содержащихся в порошке металлического Ni и имеющих средний размер 0,1 мм, увеличивается в 1000 раз при их диспергировании до размера 100 нм, а сам порошок становится пирофорным, то есть воспламеняется при соприкосновении с воздухом.
Рис. 20. Основные стратегии получения наночастиц и наноматериалов
При процессе “сверху-вниз“ ученый работает как скульптор, формируя наноструктуру (рис. 21). Этот процесс наиболее ярко представлен в микроэлектронике, осваивающей рубеж 0,1– микронного размера элементов микросхем. Роль резца выполняет нанолитография, являющаяся развитием основного метода микроэлектроники — фотолитографии. Размер фрагментов, на которые распадется монокристалл при диспергировании, уменьшается до тех пор, пока процессы, приводящие к разрушению фрагментов, не скомпенсируются их агрегированием и срастанием. При значительных затратах механической энергии частицы могут иметь нанометровый размер. Система останется в стационарном наносостоянии, пока не уменьшится приток энергии. После прекращения притока энергии начнется срастание и укрупнение частиц.
Во втором способе наночастицы образуются в результате химического превращения соединения-предшественника (прекурсора) с последующей агрегацией молекул или атомов продукта реакции. Например, при восстановлении водных растворов солей палладия газообразным Н2 атомы металлического Pd быстро собираются в крупные кристаллики, которые оседают на дно реакционного сосуда. Здесь главная задача состоит в том, чтобы найти способ, позволяющий частицам продукта расти только до наноразмеров.
Рис. 21. Две стратегии синтеза наноматериалов [54]
Однако, как нетрудно видеть, у этих двух различных способов получения ультрадисперсных частиц материала есть один общий термодинамический враг – большой избыток поверхностной свободной энергии, который и является движущей силой самопроизвольного, если не предпринять соответствующих мер, укрупнения наночастиц с потерей их уникальных свойств, как это наглядно иллюстрирует рис. 22. При этом отметим, что объединение наночастиц в объеме и на плоскости существенно различаются: трехмерная диффузия приводит к образованию компактных объемных вторичных частиц, в то время как объединение наночастиц на плоской поверхности носит ярко выраженный фрактальный характер [5].
Рис. 22. Термодинамическая нестабильность наночастиц
При процессе “снизу–вверх" ученый работает как дизайнер проектирующий, конструирующий и собирающий наноструктуры из “строительных блоков”. При этом безотходный молекулярный дизайн вещества происходит путем сборки или самосборки (self-assembly)нанообъекта из элементарных "кирпичиков" природы – атомов, молекул, химических соединений. Вещество испаряют или растворяют, пары конденсируют, из раствора осаждают ультрадисперсное вещество. В процессе конденсации зарождаются и укрупняются наночастицы. Они объединяются в агрегаты. Границы между наночастицами в агрегатах исчезают. За счет изотермической перегонки (мелкие частицы испаряются, а крупные растут) образуется монокристалл. Если проводится процесс гетерогенной конденсации, то частицы укрупняются до коллоидных размеров, а тепловое движение отрывает их от стенки. При этом образуются монодисперсные частицы.
Физическими основаниями для такой технологии являются силы притяжения и отталкивания между атомами на расстояниях 0,1 < R < 1 нм. Разумеется, для разных атомов количественные характеристики потенциалов взаимодействия отличаются, нo наличие минимума энергии на некотором расстоянии Rо – универсальное свойство взаимодействующих систем атомов. В результате взаимодействия атомов могут образовываться конфигурации с прочными связями (ковалентными, ионными, металлическими) или слабыми (ван-дер-ваальсовыми, водородными и др.). Методы первой стратегии в основном базируются на физических, а второй – на химических методах. Интересно, что, используя эти два разных подхода, часто получают наноматериал одного и того же состава, но с разными свойствами. Сравнительная характеристика двух стратегий развития нанотехнологий представлена в таблице 7 [44].
В настоящее время физика и химия наносистем подошла к новому этапу развития, который можно назвать этапом визуализации атомов и наночастиц с наблюдением за их взаимодействием in situ с помощью современных методов и приборов (рис. 23-25, таблица 8).
Рис. 23. Техника, которая используется для характеризации морфологии
материалов и ее возможности [55]
Рис. 24. Техника, которая используется для характеризации химии
материалов и ее возможности [55]
Были разработаны методы автоионной, электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, позволившие наблюдать за поведением отдельного атома и состоянием отдельного нанообъекта. Чувствительность спектральных методов ныне доведена до уровня, при котором удается измерить флуоресценцию и люминесценцию отдельной молекулы, а по инфракрасным спектрам судить о структуре молекул, состоящих из 50 атомов и более.
Рис. 25. Техника, которая используется для характеризации кристаллической
структуры материалов и ее возможности [55]
Наблюдения за отдельными атомами и нанообъектами стали доступны широкому кругу исследователей. Например, сообщение в 2000 г. в журнале “Nature” (работа Т. Фишлока и др.) о том, что удалось наблюдать за отдельными атомами брома на поверхности монокристалла меди и с помощью специальных наноманипуляторов сдвинуть один из атомов, почти не сместив остальные, воспринималось как научная сенсация. Публикации же 2002 г. о визуализации и перемещении наноманипуляторами молекул ДНК рассматриваются как важное, но рядовое событие. Наука о нанообъектах позволяет "собирать" нанообъекты из атомов с помощью наноманипуляторов и выявлять, как изменяются свойства нанообъектов непосредственно в момент отрыва атома или его присоединения с визуализацией промежуточных стадий процесса.
.
Сравнительная характеристика двух стратегий развитии нанотехнологий
Таблица 7
| Стратегии | Стратегия “bottom-up ” (“снизу-вверх“) | Стратегия “up-bottom” (“сверху-вниз“) | |||
| Метод | Химический синтез | Самосборка | Позиционная сборка | Литография | Прецезионная механика |
| Промежуточные продукты | Частицы, молекулы | Кристаллиты, пленки, трубы | Экспериментальные атомные или молекулярные устройства | Маски для интегральных схем | Прецизионная обработка поверхности |
| Конечные продукты | Косметика, краски, добавки к катализаторам и др. | Дисплеи | Компьютерные чипы, лазеры на квантовых ямах | Высококачественные зеркала и поверхности в механизмах | |
| Достоинства | – Малые затраты вещества и энергии; – малое количество отходов; – “однородные“ свойства продуктов | – Большие объемы производств; – высокая скорость; – высокая сложность получаемых структур | |||
| Недостатки | – низкая скорость; – возможность получения разных продуктов или продуктов с различными размерами | – Большие затраты вещества и энергии; – неоднородность размеров; – большая сложность контролирования структур на наноуровне | |||
| Основные задачи | Получение все больших структур с достаточной скоростью и качеством | Получение все более малых структур с достаточной точностью | |||
Некоторые современные методы исследования морфологии,
состава и структуры наноматериалов
Таблица 8.
| Название метода | Английское название | Абравиатура |
| Сканирующая электронная микроскопия | Scanning electron microscopy | SEM |
| Аналитическая трансмиссионная электронная микроскопия | Analytical transmission electron microscopy | ATEM |
| Сканирующая туннельная микроскопия /Атомно-силовая микроскопия | Scanning tunneling microscopy/Atomic force microscopy | STM/AFM |
| ИК-спектроскопия | Infrared spectroscopy | IR |
| Обратное резерфордовское рассеяние | Rutherford back scattering | RBS |
| Визуальная электронная микроскопия | Auger electron spectroscopy | AES |
| Рентгеновский флюоресцентный анализ | X-ray fluoriscence | XRF |
| Электронный микроанализ | Electron probe microanalys | EPMA |
| Вторичная масс-ионная спектроскопия | Secondary ion mass spectroscopy | SIMS |
| Рентгеноструктурный анализ | X-ray diffraction | XRD |
| Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия | X-ray photoelectron spectroscopy | XPS |
| Аналитический электронный микроанализ | Analytical electron microscopy | AEM |
| Низкоэнергетическая электронная дифракция | Low energy electron diffraction | LEED |
В настоящее время нанотехнологии развиваются в следующих основных направлениях:
– наноматериалы (наноструктурированные материалы),
– наноэлектроника и компьютерные технологии,
– нанотехнологии в биологии и медицине,
– катализ,
– аэронавтика и космические технологии,
– окружающая среда и производство энергии,
– биотехнологии и сельское хозяйство.
Очевидно, что XXI век в США, ведущих европейских странах, России будет веком приоритетного развития нанотехнологий.
Литература
1.Минкин В.И. Векторы эволюции химии: молекулярная инженерия и молекулярная социология //Научная мысль Кавказа. – 1997. – N1. – C.11-18.
2.Минкин В.И. Молекулярная электроника на пороге нового тысячелетия //Россий- ский хим. Журнал ЖВХО им. Д.И. Менделеева. – 2000. – Т44, N6. – C.3-15.
3.Минкин В.И. Молекулярные компьютеры //Научная мысль Кавказа. – 2004. – N3. – C.32-40.
4.Минкин В.И. Органические и металлорганические соединения для материалов электроники и спинтроники //Тезисы докладов XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии: В 5 т.; т.1. – М.: Граница, 2007. – C.16.
5.Губин С.П. Что такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии //Росс. Хим. Журнал. – 2000. – Т.44(6). – С.23-31.
6.Feinman R. Miniaturization / Ed. by A. Gilbert. N.Y.: Reinhold, 1961. – P.282-296.
7.Taniguchi N. On the basic concept of “nanotechnology”//Proceeding of the International Conference on Production Engineering Tokyo, Part II, Japanes Society of Precision Engineering. - 1974
8.Drexler K.E. Engines of creation: the coming era of nanotechnology. – New York: Anchor, 1984.
9.Templier C., Acbari Ali Reza, Pranevicius Liudvikas. Nanomaterials. Режим доступа:
http://www.google.com/search?hl=ru&q=Templier+C.+Nanomaterials+&btnG=%D0%9F%D0%BE%D0%B8%D1%81%D0%BA&lr=
10.Физическая энциклопедия. Т 1 – 5. М: Изд. Сов. Энциклопедия. 1988 – 1998 гг.
11.Петрий О.А., Цирлина Г.А. Размерные эффекты в электрохимии // Успехи химии. 2001 – Т.70, № 4. – C. 330–344.
12.Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б, Юрков Г.Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. – 2005. – Т.74, № 6. - C. 539–572.
13.Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. / Под ред. М.К. Роко, Р.С.Уильямса и П. Аливисотоса. М.: Мир, 2002. – 292с.
14.Pitkethly M.J. Nanopaticles as building blocks? // Materials Today. –2003. – December. – P.36-42.
15.Einstein A. Eine neue der Molekuldimen-sionen. Inaugural Dissertation. Zurich Universitat. – Bern: Buchdruck K.J. Wyss. – 1905. – 28p.
16.Smoluchowski M. Zur kinetischen Theorie der Molekularbewegungen und der Suspensionen // Z. Physik. – 1906. – Bd.21. – S.756-780.
17.Svedberg T. Colloid Chemistry: Wiskonsin Lectures. – New York: Chemical Catalog Comp. – 1924. – 265p.
18.Фейнман Р.Ф. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики // Российск. Хим. Журнал. – 2002. Т. 46. – N5. – С.4-6.
19.Binnig G., Rohrer H., Gerber H., Wiebel E. Surface studies by scanning tunneling microscopy //Phys. Rev. Lett. – 1982.V.49. – N1. – P.57-61.
20.Gleiter H. Materials with ultrafine microstructure: retrospectives and perspectives // Nanostruct. Mater. – 1982. – V.1, N1. – P.1-19
21.Binnig G., Quate C.F., Gerber H. Atomic force microscopy //Phys. Rev. Lett. – 1986. – V.56, N9. – P.930-933.
22.Martin M., Roschier L., Hakonen P., Parts Ü., Paalanen M., Schleicher B., Kauppinen E. I. Manipulation of Ag nanoparticles utilizing noncontact atomic force microscopy//Applied Physics Letters. – V. 73, Issue 11. - p. 1505-1507.
23.Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon// Nature. – 1991. – V.354, N6348. – P.56-58.
24.Kroto H.W., Heath J.R., O`Brien S.C., et al. C60:buckminsterfullerene. //Nature. – 1985 – V.318, N6042. – P.162-16
25.Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии //УФН. – 2002 – Т. 172, N9. – С.1072-1086.
26.Кульбачинский В.А. Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверхрешетки. М.: МГУ (изд-во физического факультета МГУ, НЭВЦ ФИПТ), 1998. – 164с.
27.Ивановский А.Л. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. – 176с.
28.Биленко Д.И. Физические основы нанотехнологии // Современное естествознание: энциклопедия. В 10 т. М.: Издательский дом МАГИСТР-ПРЕСС. – 2001. – Т.10. Современные технологии. – 272с.
29.Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера, 2003. – 336с.
30.Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004 . – 328с.
31.Имри Й. Введение в мезоскопическую физику. – М.: Физматлит, 2004. – 304c.
Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика“, 2005. – 160с.
32.Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. – 416с.
33.Фуллерены: Учебное пособие / Л.Н. Сидоров, М.А. Юровская и др. – М.: Издательство “Экзамен“, 2005. – 688с.
34.Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Издательский центр “Академия“, 2005. – 192с.
35.Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год. М.: Техносфера, 2006.-152с.
36.Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. – М.: Университетская книга, Логос, 2006. – 376с.
37.Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 293с.
38.Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.:КомКнига, 2006. – 592с.
39.Погосов В.В. Введение в физику зарядовых и размерных эффектов. Поверхность, кластеры, низкоразмерные системы. – М.:Физматлит, 2006. – 328с.
40.Строшио М., Дута М. Фононы в наноструктурах. – М.:Физматлит, 2006. – 320с.
41.Nanoparticles, Nanostructures, Nanocomposites. Meeting held July 2004 in Saint-Peterburg. – Russia. – Editor Vladimir Ya. Shevchenko. – St. - Peterburg: VVM. Com. Ltd., 2006. – 550p.
42.Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 309с.
43.Сергеев Г.Б. Нанохимия: Учебное пособие (2-е изд.) – М.: КДУ, 2007. – 336с.
44.Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Машиностроение-1, 2003. – 112с.
45.Витязь П.А., Жорник В.И., Комаров А.И., Комарова В.И. Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем. М.: МИФИ, 2002. – 393с.
46.Гусейн-заде Н.Г., Звездин К.А., Пятаков А.П., Хвальковский А.В. Введение в физику наноструктур. – М.: МИРЭА, 2005. – 68с.
47.Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий). – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 344с.
48.Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика“, 2005. – 160с.
49.Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. Пособие для вузов. – М.: ИКЦ “Академкнига“, 2006. – 325с.
50.Рамбиди Н.Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры. – М.: Физматлит, 2007. – 256с.
51.Шевченко В.Я., Мадисон А.Е. Строение нанодисперсных частиц. II. Магические числа наночастиц диоксида циркония //Физика и химия стекла. – 2002. – Т.28, N1. – C.66-73.
52.Суздалев И.П., Суздалев П.И. Дискретность наноструктур и критические размеры нанокластеров// Успехи химии. – 2006. – Т. 75, N 8. - С. 715-752.
53.Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Свойства кластерных ионов // Успехи физических наук. - 1989, вып.1. – С.45-81.
54.Fahlman B.D. Materials Chemistry. Springer, 2003. – 485p.
55.Kelsall R., Hamley I., Geoghean M., editors. Nanoscale science and technology. John Wiley& Sons Ltd., 2005.
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1323; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!