Моделирование кластерных наноструктур.

 Управление образования города Таганрога

ФГБОУ ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт

имени А.П.Чехова»

Наименование секции: физика.

Исследовательская работа

Тема: «Моделирование кластерных наноструктур».

Автор работы: Гончарова Ксения Александровна

Крылов Александр Геннадьевич

Учащиеся 10 класса

МОБУ СОШ № 26

Научный руководитель: Нечипоренко Н.В.

                                          учитель физики

г.Таганрог

2012 г.

Оглавление.

Введение………………………………………………………………………...…3

Глава 1. Наноматериалы и технологии их получения ………………………...5

                 1.1.Классификация наноматериалов…………………………………5

1.2.Технологии получения наноматериалов………………….….......7

1.3.Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях……..…….10

Глава 2. Инструменты нанотехнологий………………………………………..11

Глава 3. Углеродные наноструктуры…………………………………………..12

Глава 4. Нанотехнологии вокруг нас: реальность и перспективы…………...15

4.1.Нанопокрытия…………………………………………………….15

4.2.Катализаторы и фильтры………………………………………...16

4.3.Нанотехнологии в медицине…………………………………….16

4.4.Нанотехнологии в парфюмерии пищевой промышленности....17 4.5.Нанотехнологии, используемые при производстве спортивных товаров..18

4.6.Одежда и обувь…………………………………………………...18

4.7.Нанотехнологии в военном деле………………………………...19  

Глава 5. Моделирование нанотехнологии с помощью подручных средств…20

Приложения……………………………………………………………………… Литература………………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Развитие человеческой цивилизации связано с освоением новых материалов. Первые материалы которые освоил человек – дерево и камень. Орудия труда и охоты изготовленные из этих материалов, позволили человеку успешно выжить в диком первобытном мире. Затем человек научился выплавлять медь и бронзу.  Орудия труда и охоты стали более совершенными, человек стал «хозяином» окружающего мира.  Освоение железа позволило человеку создать и развить промышленность и совершить огромный скачок в своём развитии.

 Достижения электроники перевернули образ жизни современного человека. Мы уже не мыслим свое существование без компьютера, сотового телефона, телевизора и т.д. Развитие электроники произошло благодаря успешному освоению человеком нового материала – кремния.

 Придумывая и развивая новые способы получения и обработки материалов, человек создавал новые технологии.  Слово «технология» произошло от греческих слов «techne» - искусство, мастерство, умение и «logos» - наука.

 Можно дать следующее определение: технология – это совокупность средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала в процессе производства продукции.

 Для того чтобы изготовить каменный топор или компьютер, нужно владеть технологией – наборов методов и средств обработки исходных матеалов и получения из них конечного продукта.

Технология изменяет качество или первоначальное состояние материи в целях получения материального продукта. Задача технологии – превратить знания человека о мире и природе в продукт, необходимый и полезный для человека.

 В процессе обработки материалов и производства продукции человек осваивает материалы различного геометрического размера.

 Макроскопическими ( «macro» - большой ) называют объекты,которые человек видет невоооруженным глазом. В течении тысячелетий человек использовал в быту и технике макроскропические тела, состоящие из большого числа атомов, будь это каменный топор или авиалайнер. Дерево, кошка, стул и т.д.- это объекты макроскропического мира.

С изобретением оптического микроскопа человек открыл для себя объекты микромира.

Микроскопическими («micro»- маленький) называют объекты, размер которых лежит в деопозоне 1-100 мкм. Напомним, что приставка микро- означает одну миллионную часть чего-либо. Единица длинны в 1 мкм равно 10(-6)м или 0,0001 см. биологическая клетка, эритроцит крови и т.д.- это объекты микромира. Получение электронных микросхем, генная модификация- это примеры технологий микромира. Нанометровыми называют объекты размером от 1 до 1000 нм. Приставка нано (от греч. Nannos – карлик) озночает одну миллиардную (10-9) долю какой-либо единицы. Например, нанометр- одна миллиардная доля метра (1нм=10-9).

 Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка от 0,1 до 1 нанометра (для сравнения:  человеческий волос приблизительно в 60 000  раз толще одной молекулы). На этом уровне стираются границы между такими науками , как физика, химия, биология (приложение 1).

Человек всегда стремится создавать удобные для себя технические устройства. Очень часто удобство связано с уменьшением размеров того или иного устройства. Согласитесь, что плоский телевизор удобнее телевизора кубической формы. Если первые компьютеры занимали несколько комнат, то современный компьютер легко помещается в сумке или кармане одежды. Развитие современных технологий часто сопровождается процессом миниатюризации - уменьшением размеров продукта технологии.

Ученым и специалистам, работающим в области электроники, известна закономерность, обнаруженная Г.Э. Муром. Данная закономерность говорит об удвоении вычислительных возможностей микропроцессоров за счет повышения плотности чипов и уменьшения их размеров каждые два года. Этот закон оказался универсальным и уже 40 лет выполняется также в других областях «критических» технологий, таких как молекулярная биология, микромеханика, микросистемная техника. Продолжение этого закона на ближайшее будущее неизбежно приводит электронику от микроструктур к наноструктурам: транзисторы и другие элементы вскоре должны будут состоять из считанного числа атомов.

Сегодня нанотехнологии являются продолжением современных микроэлектронных, оптических, биологических и других технологий.

В истории развития человечества можно выделить несколько важных исторических этапов, связанных с освоением новых материалов и технологий.

Первая научно техническая революция - индустриальная, или энергетическая - условно отсчитывается от получения Д. Уаттом в 1769 году основного патента на усовершенствованный паровой двигатель, который резко увеличил производительность труда на всех видах производства, в сельском хозяйстве и на транспорте. Научно-технический переворот произошел благодаря технологиям изготовления продукции из железа. Продукты этой технологии связаны с привычным нам макромиром.

В 60-х годах XX века, с началом развития микроэлектроники, началась вторая (информационная) научно-техническая революция. Автомобили и другие средства передвижения, станки и приборы оставались макроскопическими телами (так как единицей масштаба служат размеры человеческого тела), но управляющие элементы, устройства для передачи и приема информации становились все сложнее, а составляющие их единицы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления) - все миниатюрнее. Вторая научно-техническая революция связана с кремниевыми технологиями, реализованными на микроуровне.

Ученые предполагают, что ближайшие десятилетия станут эпохой нанотехнологий - третьей научно-технической революцией. Как заявил известный американский физик Э. Теллер: «Тот, кто раньше других овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере XXI века».

Глава 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ

1.1.Классификация наноматериалов

Под структурой понимают особенности в строении, форме, размере материала. В природе встречаются материалы, имеющие структуру шара, иглы, диска, снежинки, дерева, нити, ракушки и т.д. Наноструктурными материалами (или просто наноматериалами) называют материалы, обладающие структурой нанометро- вого размера.

При переходе вещества от макроразмеров к наноразмерам происходит резкое изменение их свойств. Изменения связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов.

Свойства атомов, находящихся вблизи поверхности, отличаются от свойств атомов, находящихся в объеме материала, поэтому поверхность материала можно рассматривать как особое состояние вещества. Чем больше доля атомов, находящихся на поверхности, тем сильнее эффекты, связанные с поверхностью. Особенности электронной структуры нанообъектов объясняются усилением квантовых свойств, связанных с уменьшением размеров. Корпускулярно-волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности, это относится к волнам, характеризующим электрон в кристалле, к волнам, связанным с движением элементарных атомных магнитиков и пр. Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Известно, что наночастицы некоторых веществ обладают неплохими каталитическими и адсорбционными свойствами. Некоторые наноматериалы обладают уникальными оптическими свойствами, например, сверхтонкие пленки органических веществ используют при изготовлении солнечных батарей.

В настоящее время технологи научились получать достаточно большое число разнообразных наноматериалов. Современная наука классифицирует следующие виды наноматериалов: наночастицы, фуллерены, нанотрубки и нановолокна, нанопористые структуры, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллические материалы. Рассмотрим их более подробно.

1.1.1.Наночастицы

Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 106 или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Слово кластер произошло от английского «cluster» - скопление, гроздь. Обычно, в нанокластере содержится до 1000 атомов.

1.1.2.Фуллерены. Нанотрубки и нановолокна

В нанохимии очень велико значение углерода, что во многом связано с открытием фуллеренов и нанотрубок.

Фуллерены - кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие сфероподобные каркасные структуры, напоминающие по форме футбольный мяч. Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре.

1.1.3.Нанопористые вещества

Вспомните, как выглядит губка или мочалка в вашей ванне. Это пример пористых (от греч. роги-S - проход, канал) материалов . Мхи, лишайники, водоросли также являются пористыми материалами. Пористые материалы характеризуются наличием большого количества пустоты в своем объеме. Эту пустоту называют порами.

 Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах 1-100 нм. Выделяют также микро-, мезо- и макропористые материалы, размер пор которых лежит в ми- крометровом диапазоне.

1.1.4.Нанодисперсии

Нанодисперсии - системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами (рис. 2.6). Сегодня нанодисперсии в основном применяются в медицине и косметике.

1.1.5.Наноструктурированные поверхности и пленки

Вы, возможно, наблюдали на поверхности луж радужные пятна. Это пример пленки, которая образовалась из бензина, равномерно «растекшегося» по поверхности воды. Толщина пленок может составлять несколько атомных слоев. Такие пленки являются одним из объектов нанотехнологий.

1.1.6.Нанокристаллические материалы

Под понятиями «атом» и «молекула» мы представляли минимальные строительные «кирпичики», из которых строится вещество. Оказывается, вещество можно строить не только из кирпичей, но и из целых блоков. В качестве блоков могут выступать нанокластеры и наночастицы. Кристаллические материалы, состоящие из наноразмерных блоков, называются объемными на- нокристаллическими материалами.

1.2.Технологии получения наноматериалов

Нанотехнологии позволяют создавать и использовать материалы и устройства нанометровых размеров. Существует два подхода при получении нанометровых объектов и изделий. Эти подходы принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы можно получить, перемалывая в специальной мельнице материал макроскопических размеров.

1.2.1Литография

В настоящее время литография является одним из основных инструментов получения наноструктур в электронике. Название «литография» происходит от греческих слов «литос» - камень и «графо» - пишу, что дословно означает «пишу на камне». Литография позволяет создавать наноструктуры на поверхности твердых тел.

В простейшем случае литография состоит из нескольких этапов.

На первом этапе на поверхность твердого тела наносится слой фоторезиста.

Фоторезист - это светочувствительное вещество, которое поддействием излучения изменяет структуру поверхности, на которую нанесено. Далее на поверхность наносится фотошаблон, представляющий собой маску из прозрачных и непрозрачных для излучения участков, иными словами, трафарет для «резьбы» по поверхности твердого тела.

Следующий этап процесса литографии называется экспонированием. Поверхность твердого тела с нанесенным на нее фоторезистом и наложенным сверху фотошаблоном подвергается облучению оптическим источником излучения (лампа или лазер). В результате, под прозрачными для излучения участками фотошаблона происходит изменение структуры поверхности, вызванное действием фоторезиста. Измененная фоторезистом часть поверхности может быть удалена вместе с фоторезистом с помощью процедуры травления. Химическое травление основано на растворении специальными химическими веществами (травителями) поверхности, изменившей свою структуру под действием облученного фоторезиста. Таким образом можно «вырезать» на поверхности твердого тела достаточно сложные структуры.

Литография является одним из основных этапов создания микросхем - устройств, управляющих электронной техникой. Уменьшение размеров микросхем может быть достигнуто при уменьшении размеров «рисунков», формируемых при литографии.

Характеристикой источника оптического излучения, используемого для «засветки» фоторезиста через фотошаблон является длина волны излучения. Из-за явления дифракции данная величина не может быть больше размера деталей, которые мы хотим вырезать с помощью литографии. Если мы используем в литографии источник излучения с длиной волны в 1 микрон, то и минимальный размер деталей, которые нам удастся нарисовать, будет таким же. Для того чтобы нарисовать с помощью литографии объект нанометрового размера, необходимо использовать источники дальнего ультрафиолетового излучения с длиной волны в несколько десятков нанометров.

1.2.2.Эпитаксия

Технология «снизу-вверх» сводится к получению наноразмер- ного объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул. В большинстве технологий сборки наноматериалов из отдельных атомов лежит явление конденсации.

Конденсация (от лат. condenso - уплотняю, сгущаю) - переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое вследствие его охлаждения или сжатия.

Дождь, снег, роса, иней - все эти явления природы представляют собой следствие конденсации водяного пара в атмосфере. Конденсация пара возможна только при температурах ниже критической для данного вещества. Аналогично молекулам воды, можно «конденсировать» атомы и молекулы других химических элементов. Конденсация, как и обратный процесс - испарение, является примером фазовых превращений вещества.

Процесс фазового превращения из газа в жидкость или из жидкости в твердое вещество протекает за определенное время. На начальной стадии процесса превращения образуются наночастицы, которые затем перерастают в макроскопические объекты. Наночастицы можно получить, если «заморозить» фазовый переход на начальной стадии.

При конденсационном методе получения наночастиц необходимо испарить из макроскопического тела атомы, из которых и будет проходить «сборка». Испарение можно произвести за счет термического или лазерного разогрева макроскопического тела. Испаренные атомы необходимо перенести в область по ниженных температур, где и происходит их конденсация в наночастицы. Сложность технологического процесса заключается в создании условий, при которых наночастицы не перерастут в макроскопические тела.

На основе явления конденсации получают фуллерены, углеродные трубки, нанокластеры и наночастицы различного размера.

Управляемая конденсация атомов на поверхности кристалла (подложки) лежит в основе технологии эпитаксии.

Эпитаксия (от греч. epi - на, над и греч. taxis - расположение, порядок) - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки).

1.3.Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях

Современную науку всегда интересовали вопросы: Как из отдельных атомов и молекул возникают сложные организмы и системы? Как появились первые живые существа на Земле? Для ответа на них нужно понять принципы возникновения более сложного из простого. Процесс возникновения сложных упорядоченных структур из более простых называется самоорганизацией.

Данное понятие ввел немецкий ученый Герман Хакен: «Самоорганизация - процесс упорядочения в открытой системе за счет согласованного взаимодействия множества элементов - ее составляющих». Самоорганизация связана с формированием более сложной структуры, чем изначальная. В физике и химии самоорганизация представляет собой переход от неупорядоченного движения атомов и молекул к упорядоченным структурам.

Науку о самоорганизующихся системах называют синергетикой (греч. sinergetike - совместное действие). Главная идея синергетики - идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии. Самоорганизация - одно из наиболее удивительных явлений природы. В природе известно много самоорганизующихся систем. В животном мире, в качестве примера, можно привести строительство шестиугольных сот у пчел , коллективное поведение муравьев и т.д.

Классическим примером возникновения пространственной упорядоченной структуры является возникновение ячеек Бенара .

Глава 2. ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Минимальный размер объектов, доступный человеческому глазу, составляет на расстоянии наилучшего зрения, равном 25 см, величину порядка 0,1 мм. Для изучения более мелких объектов применяются различные оптические приборы - как простейшие, например лупа, так и более сложные, состоящие из нескольких линз - оптические микроскопы. Современные оптические микроскопы дают увеличение в 1500 раз, это означает, что с их помощью можно различать объекты размером порядка 10-7 м, т. е. в сотни нанометров.

На пути дальнейшего увеличения разрешающей способности оптических микроскопов возникают трудности принципиального характера. Дело здесь в существовании так называемого дифракционного предела разрешения (установленного Рэлеем в 70-х годах XIX века): нельзя различить объекты, расстояние между которыми меньше, чем

d — 0,61X/ n,

где X - длина световой волны, а П - показатель преломления среды.

Как известно, оптический диапазон (т.е. видимый глазом свет) простирается от 400 (фиолетовый) до 800 нм (красный). Таким образом, даже теоретически при помощи самого сильного микроскопа нельзя рассмотреть объекты меньше 200 нм. В этот диапазон попадают живые клетки, размер которых составляет сотни и тысячи нанометров. Атомы, размеры которых не превышают нескольких десятых нанометра, оптическому микроскопу уже недоступны. Естественным выходом в данной ситуации представляется уменьшение длины волны излучения. Причем для того, чтобы при помощи оптического микроскопа можно было различать отдельные атомы, длину волны излучения придётся уменьшить в тысячу раз.

1.Электронная просвечивающая микроскопия

2.Электронная сканирующая микроскопия

3.Полевая ионная микроскопия

4.Сканирующая зондовая микроскопия

5.Сканирующая туннельная микроскопия

6.Атомно-силовая микроскопия

7.Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия

8.Зондовая нанолитография

Глава 3. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ

Углерод является неметаллическим химическим элементом

4. группы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов Д.И. Менделеева, поэтому у углерода 4 валентных электрона. Он широко распространен, составляет основу живой природы, но содержание его в земной коре всего 0,19%. Д.И. Менделеев писал, что «ни в одном из элементов такой способности к усложнению не развито в такой мере, как в углероде».

Способность атомов одного химического элемента соединяться друг с другом различными способами, образуя различные пространственные конфигурации, называется аллотропией.

Углерод в полной мере обладает этим свойством. Действительно, у углерода четыре аллотропические модификации - алмаз, графит, карбин и фуллерен. В последние годы обнаружены новые модификации углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен, уникальные свойства которых открывают большие возможности в области нанотехнологий.

У алмаза все четыре валентных электрона атомов углерода образуют высокопрочные ковалентные связи С-С. Их трудно разорвать. Поэтому у него отсутствуют электроны проводимости, и он относится к диэлектрикам. По этой же причине алмаз обладает исключительной твердостью и высокой температурой плавления (3550°C).

Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит - мягкое черное вещество из легко слоящихся плоскостей, называемых графеновыми. В пределах графеновой плоскости атомы углерода соединены сильными ковалентными связями. Эти связи образуют двухмерную гексагональную решетку, в основе которой лежит правильный шестиугольник. Однако, в отличие от алмаза, в образовании связей участвуют только 3 электрона. Четвертые электроны атомов свободны. Это обусловливает хорошую электропроводность графеновых плоскостей (электрическое сопротивление - 0,0014 Ом-см). Между графеновыми плоскостями существует слабое притяжеэлектронной оболочки атома с положительно заряженным ядром соседнего атома, куло- новское поле которого экранировано собственными электронами. Слабое взаимодействие между плоскостями приводит к тому, что они легко скользят относительно друг друга и могут отслаиваться от графита.

Хотя графит известен с незапамятных времен, изолированные графеновые плоскости ние, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Природа этих сил объясняется взаимодействием научились получать и исследовать только в 2004 году. Профессор А. Гейм совместно с группой доктора наук К.С. Новоселова (Черноголовка, Россия) сумели получить материал толщиной в один атом углерода. Этот материал, названный графеном, представляет собой двухмерную плоскую молекулу углерода толщиной в один атом.

Свойства графена оказались совершенно удивительными. Оказалось, что в графене электроны обладают большой подвижностью. Их подвижность в сотни раз превосходит подвижность электронов и дырок в кристаллическом кремнии, который является самым распространенным материалом современной микроэлектроники.

Графен позволяет создавать транзисторы и другие полупроводниковые приборы очень малых габаритов (порядка нескольких нанометров), что приводит к изменению их свойств. С уменьшением размеров происходит переход в наномир, где усиливается роль квантовых эффектов. Электроны перемещаются по каналу как волны де Бройля, а это уменьшает количество столкновений (актов рассеяния) и, соответственно, повышает эффективность транзистора, так как уменьшаются потери энергии, неизбежные при рассеянии электронов.

Третьей аллотропической формой углерода является карбин, открытый в 60-х годах XX века. Карбин представляет линейную структуру, в которой атомы углерода соединены двойными связями (=С=С=) либо чередующимися одинарными и тройными связями. Таким образом, структура карбина одномерная. Эти нити могут формировать углеродные волокна, обладающие большой прочностью и проводящими свойствами. Карбиновые нити могут замыкаться в кольца.

В 1985 году была открыта ранее неизвестная форма углерода - фуллерены.

Фуллерен представлял собой новую аллотропическую форму углерода. В фуллерене каждый атом углерода соединён тремя прочными химическими связями с другими атомами. Это име ет место и на графеновой плоскости. Однако, в отличие от графена, фуллерен образует выпуклую, замкнутую поверхность, состоящую из правильных шести и пятиугольников. По виду он напоминает футбольный мяч. Формы фулле- ренов могут быть достаточно разнообразными. В то же время квантовохимические расчеты показывают, что их построение подчиняется определенным правилам. Стабильные кластеры углерода имеют вид полиэдров, в которых каждый атом углерода имеет координационное число 3. Более стабильны карбополиэ- дры, содержащие только пяти- и шестичленные циклы. Наиболее исследованной является молекула фуллерена, которая состоит из 60 атомов и обозначается С60. Структура С60 содержит 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, причем каждый шестиугольник граничит с 3 пятиугольниками и 3 шестиугольниками, пятиугольники граничат только с шестиугольниками. Такая структура обеспечивает молекуле С60 необычайную устойчивость. Наличие пятиугольников при построении замкнутых объемных геометрических фигур обязательно, именно они обеспечивают искривление графитовых слоев. Длины С-С связей различаются в зависимости от того, на какой границе они находятся: длина С-С связи на границе шестиугольник-шестиугольник равна 0,139 нм, а длина С-С связи на границе шестиугольник-пятиугольник 0,144 нм.

Уже упоминалось, что в образовании структуры фуллерена принимает участие 3 электрона. Четвертый электрон находится на свободной химической связи. Поэтому данные молекулы обладают важными химическими свойствами. Они могут образовывать полимерные структуры, а также присоединять водород (гидрированные фуллерены), фтор (фторированные фуллерены) и другие атомы. Одним из явлений, наблюдаемых в твердых материалах на основе фуллеренов, является сверхпроводимость, причем критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достаточно высока. Еще в 1991 году было установлено, что при легировании твердого С60 небольшим количеством щелочного металла образуется материал с металлической проводимостью, который при низкой температуре переходит в сверхпроводящее состояние.

Твердые фуллериты представляют собой полупроводники. Они являются одними из лучших фотопроводящих органических материалов. Из них можно изготавливать оптические преобразователи, удваивающие и утраивающие частоту падающего света.

После открытия фуллерена ученые выяснили, что графено- вые плоскости могут при определенных условиях сворачиваться в трубки. Эти образования были названы углеродными нанотрубками (УНТ). УНТ - это полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров и длиной порядка десятков микронправильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Формы углеродных нанотрубок очень разнообразны. Они могут быть одностенными или многостенными (однослойными или многослойными), прямыми или спиральными, длинными и короткими и т. д. Нанотрубки необыкновенно прочны на растяжение и на изгиб. Под действием больших механических напряжений они не рвутся, не ломаются, а просто перестраивают свою структуру. УНТ обладают важными для практического использования свойствами: они способны проводить ток очень высокой плотности, менять свои свойства при присоединении (адсорбции) других атомов и молекул, испускать электроны со своих концов при низких температурах (холодная электронная эмиссия) и т.д. Поэтому во всем мире ведутся интенсивные исследования их свойств, что расширяет область их практического использования.

УНТ могут быть открытыми, как это показано на, и закрытыми. В последнем случае они заканчиваются половинкой фуллерена, поэтому фуллерены и УНТ являются родственными структурами купольного типа.

Глава 4. НАНОТЕХНОЛОГИИ ВОКРУГ НАС: РЕАЛЬНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Предполагается, что в будущем нанотехнологии войдут во все сферы нашей повседневной жизни. На сегодняшний день нанотехнологии достигли наибольшего развития в электронике. Быстрое уменьшение размеров и увеличение числа функций сотовых телефонов, персональных компьютеров, плееров, переход на новые компактные носители информации - все это произошло за последние годы. Существуют, однако, и другие области применения нанотехнологий в окружающем нас мире. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.

4.1.Нанопокрытия

Запотевание автомобильных стекол, защитных очков спортсменов является проблемой и даже может привести к серьезным авариям. Обычно для ее решения применяются специальные спреи, но срок их действия ограничен. В настоящее время разработано покрытие, состоящее из полимерных слоев и наночастиц кварца. В ближайшие годы оно будет использоваться для автомобильных стекол, зеркал для ванных комнат, линз цифровых фотоаппаратов, спортивных очков и пр.

Покрытия, произведенные с помощью золь / гель-технологий и содержащие твердые наночастицы, могут сделать лобовые стекла машин устойчивыми к появлению царапин, при этом стекла останутся прозрачными, так как наночастицы настолько малы, что не рассеивают свет. Этот принцип уже используется в очках, хотя и не доведен до совершенства. Лобовые стекла с покрытием из наночастиц могут также поддерживать и контролировать микроклимат, в большей или меньшей степени отражая световые и тепловые излучения. Применение этой технологии поможет сэкономить огромное количество энергии. Немецкие специалисты разработали краску для внешней окраски домов, которая «отталкивает» грязь и влагу и надолго сохраняет свои качества. Самоочищающиеся покрытия для тканей создают фантастический эффект защиты одежды от грязи, жира, кофе и пр. Создана водонепроницаемая бумага с защитным слоем из наночастиц. На новой бумаге можно писать ручкой, карандашом или краской, в том числе под водой.

Фирма Kodak представила многослойную (9 слоев) бумагу для струйных принтеров; в каждом слое присутствует свой сорт наночастиц, обеспечивающий определенную функцию. Так, в верхнем слое керамические наночастицы обеспечивают бумаге блеск и плотность. Пигментные наночастицы улучшают качество печати, а полимерные обеспечивают быструю фиксацию краски.

4.2.Катализаторы и фильтры

Нанотехнологии позволят применять золото в новых нетрадиционных для него областях. Так, наночастицы золота на пористом материале-носителе являются хорошим катализатором в автомобилях: даже при запуске холодного двигателя они разлагают оксиды азота и моноксид углерода до безвредных веществ. Наночастицы золота могут стать катализаторами для топливных батарей.

В настоящее время испытываются свойства наночастиц золота предотвращать появление запахов. В небольших системах кондиционирования, например, в автомобилях, они могут предотвращать запахи, появляющиеся из-за присутствия в системе бактерий. В Японии наночастицы золота уже используются в туалетах.

Исключительно важными при обработке жидкостей, а также снабжении чистой питьевой водой становятся керамические мембраны с нанопорами. Такие мембраны позволят легко отфильтровывать бактерии и вирусы.

4.3.Нанотехнологии в медицине

Рассмотрим применение нанотехнологий в повседневной медицинской практике. Например, выпущены повязки для обеззараживания ран, содержащие наночастицы серебра (10-30 нм). Наночастицы убивают даже те микроорганизмы, которые малочувствительны к стандартным антисептикам. Наночастицами серебра компания Samsung покрывает некоторые модели сотовых телефонов. Покрытие этими наночастицами барабана стиральной машины обеззараживает белье при стирке.

Немецкие ученые ввели ионы серебра в одежду и постельное белье, которые рекомендуют использовать при экземе и других нарушениях кожного покрова.

Нанотехнологические методы могут применяться для создания надмолекулярных лекарственных капсул (в стадии разработки). Вводимые лекарства могут быть чрезвычайно сложными по структуре. Они будут находиться в надмолекулярных полых молекулах - транспортировочных нано-контейнерах с антенной, к которой прикреплены антитела сенсорных белков. При вступлении в контакт со структурами, принадлежащими агенту, вызвавшему заболевание - например, с внешней частью раковых клеток или бактериями, - антитела пристыковываются к ним и посылают сигнал в полую молекулу, которая открывается и выпускает содержимое. При помощи таких нанотехнологий большие дозы лекарств могут доставляться прямо в источник заболевания, не подвергая воздействию весь организм и сводя к минимуму побочные эффекты.

Подобные приемы можно использовать для доставки магнитных наночастиц к источникам раковых опухолей. Нагретые с помощью переменного электромагнитного поля, эти частицы могут уничтожить опухоль. Наночастицы способны проникнуть и через «пропускной пункт», стоящий на пути крови в мозг, поэтому могут использоваться и для борьбы с опухолью мозга. Данный метод гипотермии магнитной жидкостью был разработан рабочей группой под руководством биолога Андреаса Джордана. В настоящее время начались его клинические испытания.

9.4.Нанотехнологии в парфюмерии и пищевой промышленности

Косметика, улучшенная с помощью нанотехнологии, стала не только эффективнее, но и вошла в моду (что способствует дальнейшему развитию этой отрасли). Нанокапсулы, в которых содержатся полезные для кожи вещества, имеют размер 50-200 нм и легко проникают внутрь клеток эпидермиса. Аналогично действуют кремы против болей в суставах и мышцах, появляющихся при интенсивных занятиях спортом.

Малые размеры нанокапсул в некоторых дезинфицирующих средствах позволяют им проникать через клеточные мембраны микроорганизмов, обеспечивая высокую эффективность при отсутствии побочных эффектов для человека.

Окисление первичных спиртов до альдегидов - один из фундаментальных процессов в фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в производстве вкусовых добавок. Вкусовые добавки во многом производятся искусственным путем, например, так получают почти 95% ванили. Химики и физики из Великобритании разработали и исследовали новые экологически безопасные катализаторы для этого процесса - наночастицы, состоящие из золотого «ядра» и палладиевой оболочки.

В пищевой промышленности нанотехнология прежде всего поможет с помощью различных сенсоров контролировать качество и безопасность пищи. Наномембраны обеспечивают эффективную фильтрацию воды от примесей и микроорганизмов.

9.5.Нанотехнологии, используемые при производстве спортивных товаров

Успехи применения нанотехнологии в этой области связаны в основном с новыми материалами.

Швейцарская компания изготовила для соревнований Tour de France-2005 спортивный велосипед весом всего 1 кг. Его рама была сделана из композиционного материала на основе углеродных нанотрубок.

Одна из японских компаний производит клюшки для гольфа, которые на 12% жестче титановых и увеличивают дальность полета мяча на 13 м. Клюшки пользуются повышенным спросом.

Новым утеплительным материалом для обувных стелек пользуется одна из канадских лыжных команд, выигравшая в 2004 году марафон к Северному полюсу. Материал состоит из полимера с нанопорами .Мазь для лыж с использованием наночастиц позволяет им  лучше скользить по снегу. 9.6.Одежда и обувь

С применением нанотехнологий возможно создание «умной одежды» для опасных, экстремальных условий. Особая терморегулирующая одежда охлаждает тело в жару, а при понижении внешней температуры излучает тепло. Самым легким в мире материалом считают материал из аэрогеля («абсолютный холод»), который на 99,8% состоит из воздуха. Одежда из него предназначена для работ при температуре до -80 оС. Такая «умная одежда» входит и в повседневное использование.

Английские специалисты в ближайшее время обещают появление в магазинах костюмов, отгоняющих комаров и москитов, в жаркое время создающих охлаждающий эффект за счет выделения наночастиц ментола, а также носков, содержащих абсорбенты и благоухающих цветочным ароматом. Во всех случаях в ткань внедряются увлажняющие, дезодорирующие частицы, частицы витаминов и абсорбентов, включенные в специальные капсулы. Капсулы разрушаются при движениях человека. Тем не менее, свойства одежды сохраняются после 30 стирок.

В Гонконгском политехническом университете для получения самоочищающихся тканей используют покрытие из наночастиц диоксида титана: на свету это покрытие расщепляет органические загрязнители.

9.7.Нанотехнологии в военном деле

Как показывает история, новые технологии в первую очередь привлекают специалистов-оборонщиков, которые стремятся найти им применение в военном деле. Не стали исключением и нанотехнологии. Военные рассчитывают, что созданные на основе нанотехнологий боевая техника и вооружения коренным образом изменят характер ведения боевых действий. В военных кругах прочно укоренилась точка зрения, что широкое внедрение нанотехнологий в строительство и развитие вооруженных сил позволит одержать победу в нечеловечески быстрой и разрушительной войне. Поэтому в мире уже усиленно работают над созданием новых вооружений и защиты от них, используя нанотехнологии.

Одним из направлений применения нанотехнологий в военном деле является разработка так называемой «мягкой брони», которая может быть применена для изготовления экипировки солдата будущего. Такая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность.

Для того чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным, в нем предполагается использовать решение, подсмотренное в живой природе, а именно структуру паутины. В настоящее время созданы нановолокна из полиуретана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче настоящей. Жесткость костюму будут обеспечивать наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой.

Костюм солдата будущего будет настоящим произведением технической мысли: все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер. Ряд полимерных линейных приводов (актюаторов), из которых будет состоять костюм, по сигналу от «медицинского» компьютера будет делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат сломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма. По словам конструкторов, специально сконструированные наномашины-усилители, входящие в состав экзоскелета брони, смогут увеличить силу солдата на 300%.

Костюм будет способен распознавать химическую или биологическую атаку. Для этого уже создан чип, на котором содержится около 1,5 миллиона живых клеток человеческой печени, чувствительной, как известно, к различным вирусам и ядам. Чип представляет собой две ультратонкие пластины из кремния, разделенные рядом микроканалов и расположенные специальным образом на костюме. Как только к клеткам поступят вещества, вредные для человека, они выработают определенный химический ответ, который будет интерпретирован «медицинским» компьютером, и солдат получит сообщение об опасности. Это позволит ему защититься от химической или биологической атаки раньше, чем она станет смертоносной.

В 2008 году Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, заявил, что вместе с коллегами ему удалось создать математическую модель собирания кибернетических микроустройств в стаи. Большинство частиц могут «разговаривать» только с ближайшими соседями, но, когда их много, они могут «общаться» на больших расстояниях, Собранные в одном месте тысячи роботов образуют ударную группу, готовую действовать по воле человека. По мнению американских военных, ее можно применять, например, для поражения танков противника: «облако» микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Такое «облако» может использоваться и в интересах разведки. Сценарий здесь может быть таким. Распыленное в окрестностях важного объекта «облако» незаметно перемещается в его сторону. Попутно выбираются оптимальные места для размещения «субоблачков». «Облако» видеонаблюдения, каждая «пылинка» которого представляет собой отдельный пиксель матрицы с интерфейсом связи с соседями, стремится занять лучшую позицию для большего обзора пространства. «Жучки» или, возможно, «мошки» устанавливают контроль за звуками. Самая сложная часть - передача информации в штаб разведки - в ближайшее время вряд ли сможет обойтись без засылки агента с устройством.

Перспективным направлением применения нанотехнологии в военном деле считается создание новых материалов для боевой техники и оружия. Например, военные машины предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит менять им цвет, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины. «Краска» будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.

Таким образом, на сегодняшний день основные усилия военных нанотехнологов направлены на поиск новых материалов, улучшение систем управления боевой техникой, создание самовосстанавливающихся систем, обеспечение связи и разработку защиты от бактериологического и химического оружия.

Глава 5. Моделирование нанотехнологии с помощью подручных средств.

Мы сами решили смоделировать нанообъекты. В этом нам поможет нэокуб и различные конструкторы. Собранная деталь из нэокуба похожа на наночастичу, а один шарик- это нанокластер. С помощью этого мы сможем смоделировать много наночастич или наобектов.

Приложение 1

Иллюстрация к понятию нанометра: соотнесение объектов и их размеров на логарифмической шкале.

Литература

«Нанотехнологии. Азбука для всех» – Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова. – М., Физматлит, 2007.

«Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника». – Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева. – М., Техносфера, 2006.

 «Наноструктурные материалы» - Андриевский Р.А., Рагуля А.В. – М., Академия, 2005.

 «Сила нанотехнологий: наука & бизнес» – Андрюшин Е.А М., Фонд «Успехи физики», 2007.

«Введение в Нанотехнологию» -  Кобаяси Н. М., Изд-во Бином, 2005.

 «Нанотехнологии» – Пул Ч., Оуэнс Ф. М., Техносфера, 2006.

 «Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи» – Ратнер М., Ратнер Д. М., Изд-во «Вильямс», 2005.

 «Углеродные нанотрубы и родственные структуры» – Харрис П. М., Техносфера, 2003.

 «Что могут нанотехнологии?» – Богданов К.Ю. Газета «Физика» (М., Изд. дом «Первое сентября»), №22 (2007), №2 (2008).

Интернет – ресурсы

http://www.nanometer.ru/ – Сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»

http://www.nanonewsnet.ru/ – Сайт о нанотехнологиях №1 в России

http://www.nanorf.ru/ – Журнал «Российские нанотехнологии»

http://www.nanojournal.ru/ – Российский электронный наножурнал

http://www.nanoware.ru/ – Официальный сайт потребителей нанотоваров

http://nauka.name/category/nano/ – Научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках

http://kbogdanov1.narod.ru/ – «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях .