Лекция 4 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР

Моделирование наноструктур

Чтобы создать любой нанообъект, будь то наноробот либо новая молекула, нужно сначала в детально разработать ее структуру и технологию создания. Но как это сделать, если такие структуры даже невозможно увидеть? Чтобы избежать конструирования многочисленных дорогих прототипов наносистем, чтобы понять, какая из них будет работать, а какая нет, инженеры используют модели.

Молекулярные модели могут быть разными. В самом простом случае это физические модели из цветных шариков, украшающие школьные кабинеты химии. Такие модели предельно просты и наглядны, однако их достоверность оставляет желать лучшего. Ведь атомы – это отнюдь не твердые пластиковые шарики, сложные физические системы, живущие по своим законам. Поскольку модели цветных шариков плохо отражают реальные свойства молекул, нанотехнологи обычно используют компьютерные модели, в которых можно задать настоящие законы квантовой физики.

Что же представляет собой компьютерное моделирование? Наверняка многие читатели имеют представление о различных САПР – системах автоматизированного проектирования (или по английски CAD – computer aided design). Обычные инженеры, дизайнеры и архитекторы давно используют преимущества компьютерного моделирования, применяя в работе известные программы, такие как MathCAD, AutoCAD, ArchiCAD и т.п.

Творчество молекулярного инженера очень похоже на творчество архитектора, проектирующего здание, который, в зависимости от назначения, рассчитывает его прочность, устойчивость, удобство строительства, стоимость, влияние окружающей среды и т.п. При этом большинство необходимых расчетов, основанных на теоретических данных, берет на себя компьютерная программа. При современном уровне знаний, позволяющем судить о квантовых законах с большой достоверностью, расчет и моделирование наноструктур стали вполне реальной задачей, сходной с обычными задачами CAD.

Существуют несколько основных типов математического моделирования в нанотехнологии:

Тип моделирования    Примеры программ

Визуализационное      RasMol

Вычислительное          Chem3D

Инженерное                 NanoXplorer

Визуализационное моделирование

Наиболее простая из современных визуализационных программ – небольшая программа RasMol, которая ничего не рассчитывает, но позволяет наблюдать в трехмерном виде наноструктуры, созданные другими.

В программе можно хорошенько рассмотреть наноструктуру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы, а также экспортировать результаты в графический файл. На сайте www.pdb.org есть модели всех известных белков и биомолекул, а на нашем сайте есть даже модели деталей будущих нано машин.

Рис ___ Наноструктуры в окне программы RasMol. Вирус SV40 и молекула этилового спирта

Инженерное моделирование

Теперь поговорим о различных программах, помогающих инженеру нанотехнологу создавать наносистемы, которые за тем можно испытать, подвергая различным тестам.

С тех пор, как алхимики начали обозначать таинственными символами химические элементы, человечество изобрело множество способов записи информации о веществе: от химических формул до компьютерных файлов, содержащих координа ты каждого атома. Так, например, для описания продукта микронных размеров необходимо учесть взаимное расположение триллионов атомов, составляющих продукт. Однако после создания различных “шаблонов” и готовых узлов описание можно свести к файлу малого размера, содержащего набор и описание шаблонов, деталей и их взаимосвязей. Если необходимо заполнить определенный объем, то это можно описать с помощью “шаблона” элементарной единицы объема и использовать за тем этот шаблон столько раз, сколько необходимо для заполнения искомого объема.

Описание дизайна нанодеталей должно быть параметрическим. То есть если нужно построить нанотрубку, то необходимо создать модель одной секции нанотрубки, указав ее длину. Задаем затем длину всей нанотрубки и программа самостоятельно дублирует модель одной секции нужное количество раз.

Компания NanoTitan разработала иерархический язык описания наноструктур nanoML (на основе языка XML). С его помощью можно описать наносистему на молекулярном уровне, а также определить ее основные электрические, оптические, физические свойства, информацию о применении, авторских правах изобретателя и др.

Модель наноустройства описывается отдельными наносистемами и молекулярными машинами, которые, в свою очередь, разворачиваются в набор молекул, нанотрубок, других деталей и взаимосвязей между ними. Для облегчения работы с языком nanoML и создана программа NanoXplorer, позволяющая создавать модели наноустройств по примеру программы AutoCAD. Различия, разумеется, есть, однако проектировать наноустройства в программе NanoXplorer гораздо легче, чем, например, в Chem 3D, которая ограничивается моделированием отдельных узлов наномашин.

Установив программу на своем компьютере, пользователь получает доступ к всемирной базе данных наноструктур. С ее помощью можно использовать в своей разработке уже созданные модели наноподшипников, валов, компьютеров, двигателей, манипуляторов и пр. С другой стороны, создав свою собственную структуру, можно через Internet закачать ее в базу данных для использования такими же изобретателями. Таким образом, база данных постоянно пополняется новыми моделями наноструктур.

Рис 159. Интерфейс программы NanoXplorer

 

С помощью программы можно создать разнообразные модели: от биочипов и искусственных энзимов до нанороботов.

Рис 160. Панель инструментов NanoXplorer

Рис 161. Настройка свойств нанотрубки в NanoXplorer

Рис 162. Просмотр полученной нанотрубки

Рис. 9. Нанопоршень из фуллерена и нанотрубки

С помощью программы NanoXplorer разработано уже немало сложных и функциональных наносистем (см. рисунок 163).

Рис 163. Модели наносистем: а) нанонасос для атомов Ne, б) наноманипулятор, в)наноподшипник из углерода

Прогресс компьютерного моделирования наноструктур очень сильно зависит от мощности имеющихся компьютеров и эффективности вычислительных алгоритмов. Чем мощнее компьютер и чем оптимальнее его программа, тем более сложную наносистему можно спроектировать. Поскольку, согласно закону Мура, производительность компьютеров со временем растет экспоненциально, с каждым годом ученым становятся доступны все новые и новые возможности. Достижения наноэлектроники, основанной на точных компьютерных моделях квантовых явлений, позволят создать еще более мощные компьютеры, способные быстро рассчитывать сверхсложные наносистемы, например, нанороботов из миллиардов атомов.

Сегодня, чтобы смоделировать несколько атомов, компьютер перегоняет миллиард раз в секунду неимоверные количества электронов по запутанным и гигантским (с точки зрения на нотехнолога) лабиринтам макроскопических микросхем. Совершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.

 Зондовые нанотехнологии  

Атомная инженерия Нанотехнологии, использующие сканирующие зонды, базируются на научном фундаменте и технических приемах, разработанных для сканирующей туннельной микроскопии и атомной силовой микроскопии. В их основе лежит возможность позиционирования с высокой точностью атомарно острого зонда вблизи поверхности образца. Контролируя возмущение, создаваемое зондом у поверхности образца, можно осуществлять управляемую локальную модификацию этой поверхности с атомным разрешением. Этому способствуют экстремальные условия, которые можно реализовать у острия зонда, а именно – электрические поля напряженностью до 10⁹ В/м и пропускать токи с плотностью до 10⁷ А/см². Преимущества использования зондовых методов модификации материалов включают не только высокую локальность воздействия, но и возможности непосредственной визуализации результата воздействия и даже локальных электрических измерений с использованием того же самого зонда.

Развитие атомной инженерии связано, прежде всего, с использованием техники сканирующей туннельной микроскопии. В зависимости от специфики наблюдаемых при этом закономерностей выделяют параллельные и перпендикулярные процессы переноса атомов. В параллельных процессах атомы или молекулы заставляют двигаться вдоль поверхности. В перпендикулярных процессах их переносят с поверхности на острие зонда и обратно. Такую перестройку можно рассматривать как серию последовательных действий, приводящих к селективному разрыву химических связей между атомами и к последующему образованию новых связей. Параллельные процессы Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть осуществлено в процессе полевой диффузии или скольжения. Полевая диффузияадсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30…50В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. В обоих случаях связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрываются. Адсорбированный атом всегда находится в потенциальной яме. Энергия, необходимая для его перемещения, соответствует энергетическому барьеру для диффузии по поверхности. Она обычно находится в пределах от 1/10 до 1/3 от энергии адсорбции, что соответствует диапазону 0, 01–1, 0 эВ.

 Полевая диффузия адсорбированных на поверхности атомов инициируется сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30–50 В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. Для ускорения же поверхностной диффузии достаточно электрических полей и меньшей напряженности. Взаимодействие дипольного момента адсорбированного атома с неоднородным электрическим полем, индуцированным в его окрестности зондом, приводит к диффузии этого атома в направлении убывания созданного градиента потенциала. Эта потенциальная энергия добавляется к периодическому потенциалу поверхности (рис. 3.5, а), образуя потенциальный рельеф, благоприятный для направленного движения адсорбированного атома в область, находящуюся непосредственно под острием зонда. Возможно два варианта результирующего потенциального рельефа, который зависит от особенностей взаимодействия рассматриваемого атома и зонда. 

Рис. 3.5. Потенциальная энергия атома, адсорбированного на поверхности кристаллической подложки, в зависимости от его положения относительно зонда сканирующего туннельного микроскопа

При слабом взаимодействии обычно формируется широкая потенциальная яма (рис. 3.5, б) с рельефом, модулированным периодическим потенциалом поверхности. В случае же сильного ориентированного взаимного притяжения атома и зонда, связанного с их химической природой, потенциальная яма для атома сужается и локализуется строго под зондом (рис. 3.5, в). В процессе диффузии по поверхности адсорбированный атом «проваливается» в эту яму и задерживается в ней.

Скольжение инициируется силами взаимодействия атомов зонда и перемещаемого атома на поверхности. Величина этих сил определяется потенциалом межатомного взаимодействия. Задавая определенное положение зонда, можно управлять величиной и направлением действия результирующей этих сил.

Манипуляция атомом посредством скольжения схематически показана на рис. 3.6. Первоначально зонд устанавливается в позиции наблюдения адсорбированного атома по обычной процедуре. Затем зонд приближают к атому на расстояние, необходимое для проявления сил межатомного взаимодействия. Это достигается заданием большей величины туннельного тока. Поддерживая его постоянным, зонд перемещают вдоль поверхности в новую позицию, после чего, уменьшая контролируемый туннельный ток, отводят от поверхности на прежнее расстояние. 

Рис. 3.6. Схема манипулирования атомами посредством скольжения а и д – наблюдение; б – связывание с зондом; в – скольжение; г – отделение от зонда 

 

 Для того чтобы атом на поверхности двигался в направлении перемещения зонда, результирующая сил их межатомного взаимодействия должна превышать силу связи атома с подложкой.

Перпендикулярные процессы.

В этой группе процессов отдельные атомы, молекулы или их группы переносятся с поверхности подложки на острие зонда и обратно. Контактный перенос представляет собой простейшую реализацию перпендикулярных процессов. Он осуществляется путем сближения зонда и предназначенного для переноса атома до расстояния, при котором потенциальные ямы для адсорбции на зонде и на подложке не сольются. Атом в такой ситуации оказывается одновременно связанным и с зондом, и с подложкой. Зонд затем отводят от поверхности вместе с адсорбированным на нем атомом. Безусловно, что такое поведение перемещаемого атома может иметь место лишь в случае, когда его связь с подложкой слабее сил адсорбции на зонде.

Классический пример, иллюстрирующий возможности манипулирования атомами на поверхности твердого тела, показан на рис. 3.7. Искусственный коралл построен из атомов железа на поверхности меди. Изображение этого коралла, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа, представляет собой распределение плотности электронных состояний, соответствующих атомам железа и меди.

Рис.3.7. Изображение в сканирующем туннельном микроскопе искусственного коралла, созданного из 48 атомов Fe на Cu-подложке.

 

Рассмотренные подходы к манипулированию атомами на поверхности подложки составляют основы атомной инженерии. Они позволяют создавать наноразмерные структуры с заданным атомным составом.

Лазерный пинцет

Пинцет, способный захватывать частицы и клетки, это изобретение позволило в новом свете увидеть сверхмалые объекты и сверхбыстрые процессы. Так Нобелевский комитет по физике охарактеризовал значение революционной разработки лауреатов 2018 года. Им стал Артур Ашкин из США, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикланд. Созданные учеными высокоточные инструменты открывают неисследованные наукой области и множество возможностей для применения лазеров в медицине и промышленности.

Нобелевскую премию 2018 года по физике присудили трем исследователям — за достижения в области лазерной оптики. Артуру Ашкину — за «лазерный пинцет»

Оптический пинцет— это устройство для перемещения вещества с помощью света. Иными словами, это устройство, которое захватывает маленькие кусочки вещества при помощи лазерного луча.

У маленьких частиц очень большая поверхность по отношению к их очень маленькому объему. Поэтому сила давления света для них очень велика по отношению к их массе. Ашкин в 1970-х годах посчитал, что, если на частицу размером 1 микрон посветить лазером мощностью 1 миливатт, то ускорение, которое создаст давление света, будет огромным — порядка тысячи g (ускорение свободного падения на Земле). Однако в эксперименте выяснилось, что, кроме давления света, есть еще какая-то сила, которая действует поперек силы давления света и «затаскивает» частицы внутрь лазерного луча. Дело в том, что если частица, попавшая в луч света, хочет из него выйти, то свет начинает преломляться на ней неравномерно. Это значит, что фотоны меняют направление своего движения, то есть меняется их импульс. Когда изменяется импульс, возникает сила. И эта сила затаскивает частицу обратно в луч света. Так Ашкин пришел к идее создания оптического пинцета.

Практические применения его изобретения — просто фантастические. Раньше, когда биологам нужно было исследовать какую-то клетку или создать колонию этих клеток, они брали клетку пинцетом, чтобы отделить ее от остальных. При этом клетку очень легко повредить (точнее — сложно не повредить). Если использовать оптический пинцет Ашкина, клетка не повредится, ведь сила захвата в этом случае невелика и очень хорошо регулируется. Можно предположить, что клетка перегреется под действием света, но этого тоже не будет именно из-за того, что у нее огромная поверхность по отношению к ее объему. Более того, в работах Ашкина было показано, в оптическом пинцете клетки могут даже размножаться.

Сейчас особенно активно оптические пинцеты применяют в нанотехнологиях, например, когда нужно посадить квантовую точку, крохотный кристалл или наночастицу в определенное место на микросхеме.

Механосинтез и нанофабрика

В последнее время бурное развитие электронной, атомно силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие ин формационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за поведением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей.

Кроме того, современная прецизионная техника позволяет не только визуализировать отдельные атомы, но даже манипулировать ими – катать по поверхности, переставлять с места на место и т.д. Об успехах в этом направлении говорит популярность так называемой “нанолитографии” – выкладывания из атомов различных “рисунков” на поверхности подложки. На рисунках представ лены несколько примеров подобного “нанорисования”.

а )                                                                           б)

Рис 165. а) иероглифы, выложенные атомами железа на поверхности меди, б) “пляшущий человечек” выложенный молекулами СО

Выкладывать по подложке различные “атомные рисунки”, конечно, интересно, но имеет ли это какой нибудь практический смысл? Ведь одна из главных идей нанотехнологии состоит том, чтобы производить обычные, необходимые человеку вещи, такие как еда, одежда, мебель, оргтехника и т.п., но улучшенного качества и из простого сырья.

Поэтому, несмотря на успехи микроскопии, до настоящей нанотехнологии, в том виде, в котором её описывал Дрекслер, сканирующим методам еще далеко. Согласитесь, сложно представить себе массовое производство какого нибудь продукта, основанное на работе сканирующего микроскопа, поатомно собирающего каждый предмет. Даже если мы будем размещать атомы со скоростью один атом в секунду (что соответствует скорости современных нанотехнологических установок), то сборка малюсенькой батареечки для наручных часов заняло бы более 10¹⁷ лет, что в десять миллионов раз превышает возраст нашей Вселенной!

Конечно, при виде подобных чисел может показаться, что нанотехнология по Дрекслеру невозможна в принципе. Но ведь это происходит только оттого, что мы подходим к ней с привычной для нас точки зрения: измеряем расстояние и время в макроскопических величинах – метрах и секундах.

Но в наномире действуют совсем иные величины: миллиардные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы бы ли нанометровыми человечками, то вращение сверла бормаши ны в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим “громадным” глазом, мы бы успели основать и построить наноскопический Санкт Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет!

Таким образом, нанометровые инструменты и манипуляторы, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если движение большой и тяжелой “руки” макроскопического робота сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими “ручонками” за миллиардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные доли ватт. Кроме того, промышленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 10¹⁷ наноманипуляторов. С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскопическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет “штамповать” десятками тысяч штук в секунду!

Возможность производить любую вещь по желанию ее владельца издревле будоражила умы людей. Вспомните хотя бы мечты алхимиков о философском камне. И вот в конце ХХ века, имея за плечами более основательный багаж знаний о природе, чем в Средние века, человечество вновь возвращается к своей древней мечте, предлагая в качестве подобной “скатерти самобранки” идею нанофабрики – небольшой установки, способной на молекулярном уровне создавать различные предметы.

Рис 166. Схема процесса сборки продукции в нанофабрике

Впервые о подобной нанофабрике упоминал еще основатель нанотехнологии Э. Дрекслер. Впоследствии другими учеными было предложено огромное количество проектов молекулярной нанофабрики, среди которых наибольшую популярность получили проекты, основанные на конвергентной и параллельной сборке.

Идея конвергентной сборки принадлежит Крису Фениксу – директору Центра ответственных нанотехнологий CRN (Center For Responsible Nanotechnology, CША). Ее суть заключается в том, что конечный продукт составляется из маленьких кубиков, последовательно объединяющихся во все более крупные “строительные блоки”. Весь процесс осуществляется с помощью так называемых фабрикаторов, способных захватывать отдельный блок, перетаскивать его в нужное место и соединять химическими связями с другими.

Фабрикатор, являясь ключевым устройством нанофабрики, представляет собой управляемое устройство, способное комбинировать атомы друг с другом, создавая различные химические связи между ними. Фактически, фабрикатор – это нано манипулятор, связанный с компьютером и линией доставки сырья. В отличие от мобильного наноробота ассемблера он не подвижен и привязан к какой либо основе.

Итак, процесс конвергентной сборки выглядит следующим образом: сначала самые маленькие фабрикаторы создают из атомов элементарные “кирпичики”. Затем фабрикаторы по больше берут эти “кирпичики” и соединяют их друг с другом в более крупные блоки. Эти блоки, в свою очередь, также соединяются между собой фабрикаторами третьего уровня и т.д. Весь процесс повторяется до тех пор, пока необходимый продукт с заданной пользователем формой, структурой, размерами и пр. не будет собран полностью.

Рис 167.Схема конвергентной сборки

Весь процесс напоминает роботизированную сборку изделия на обычной фабрике. За счет того, что сборка на самом деле происходит не поатомно, а все возрастающими блоками, время производства конечного продукта не выходит за рамки разумного.

Суть параллельной сборки еще проще: матрица из множества одинаковых наноманипуляторов, работающих одновременно, создает необходимый предмет, как бы наращивая его слой за слоем.

Рис 168. Cхема параллельной сборки

Если мы хотим произвести продукт высотой 1 мм, это потребует укладки 100 тысяч атомных слоев. Если один сборщик будет обслуживать поверхность около 5000 атомов и укладывать 4 слоя в секунду, сборка полного продукта займет несколько часов. Таким образом, скорость работы сборщиков должна быть не меньше 20.000 атомов в секунду. Конечно, ломать не строить, но, как мы уже писали, современный атомный томограф разбирает поверхность с такой же скоростью, успевая записывать параметры каждого атома.

Предполагается, что первые примитивные нанофабрики смогут строить предметы на основе алмазоида, благодаря относительной легкости образования ковалентных связей между атомами углерода. Теоретические расчеты показывают, что создание алмазоидных поверхностей и структур методами механосинтеза вполне осуществимо. Необходимо только иметь поатомное описание вещи, которую надо собрать (оно должно включать как взаимное расположение атомов и их типы, так и химические связи между атомами).

Чтобы выпускать продукт в больших количествах, производство должно быть автоматизировано и поставлено на поток. Если на сегодняшний день НЭМС системы изготавливаются долго и с большим трудом, то нанофабрика значительно облегчит их производство и тиражирование. Также нанофабрика сможет делать свои копии, т.е. реплицироваться.

Ну а как же сделать саму нанофабрику, состоящую из трил лионов отдельных фабрикаторов? Построить нанофабрику с по мощью одного фабрикатора будет сложновато. Скорее всего, несколько фабрикаторов объединят в блоки минифабрик, которые соберут фабрику побольше, и так до тех пор, пока это производство не достигнет макроскопического уровня. Результатом этого “производственного роста” и будет искомая нанофабрика.

На первый взгляд идея саморепликации механизмов, пусть даже молекулярных, вызывает некоторое недоверие – как такое возможно? Но природа создала множество разнообразных «репликаторов» (ДНК, вирусы, животные), а последние исследования НАСА (Национального аэрокосмического агентства США) показали, что искусственные машины, делающие свои копии, могут быть не сложнее, чем существующий чип Pentium IV. Компания General Dynamics совместно с НАСА провела исследования возможности постройки реплицирующихся клеточных автоматов. Математическое моделирование этих систем продемонстрировало возможность постройки репликаторов вообще и нанорепликаторов в частности.

Интерес НАСА к репликаторам объясняется просто: для освоения Луны и тем более Марса потребуется огромное количество оборудования и рабочих рук – даже больше, чем люди использовали для освоения Земли (другие планеты ведь надо еще терраформировать – переделать атмосферу, построить дороги и т.п.). Запускать туда миллионы космических кораблей с миллиардами тонн грузов нереально и дорого. Зато небольшая команда макроскопических роботов репликаторов весом всего 20 тонн сможет размножиться и самостоятельно построить все не обходимые рудники, электростанции, заводы и фабрики. Для участия в этом проекте НАСА, кстати, пригласила Роберта Фрайтаса – известного специалиста по нанороботам. А самих репликаторов придумал в 1960 х основатель кибернетики фон Нейман, правда, только в теории – тогда никто не ожидал, что вскоре они вплотную приблизятся к реальности. По предварительным расчетам, построение первого репликатора займет около 10 15 лет.

Нанофабрика будет иметь блочную конструкцию, чтобы можно было легко сделать ее копию с помощью другой нано фабрики. Блочная система также будет удобна для производства различных компонентов НЭМС систем, нанокомпьютеров и нанороботов. Каждый фабрикатор должен быть способен произвести наноблок размерами 200х200х200 нанометров. Эта структура принимается К. Фениксом как элементарный “кирпичик” нанофабрики. Подобный наноблок может содержать нанокомпьютер (механический или квантовый) или системы привода нанофабрики, генераторы, части конвейеров и наноманипуляторов. Для изготовления одного такого наноблока фабрикатору понадобится несколько часов. По теоретическим расчетам Криса Феникса, одна готовая нанофабрика сможет всего за два дня произвести свою точную копию. На первый взгляд – долго. Но посмотрим, сколько понадобится дней, что бы каждый житель земли получил в подарок по нанофабрике, при условии, что каждая вновь произведенная фабрика начинает в тот же момент строить свои копии.

Лекция 4 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР

Наш мир состоит из множества разнообразнейших вещей: некоторые из них созданы человеком — дома, автомобили, инструменты, картины и т. п., — но остальные сотворены Природой. Внимательно присмотревшись мы видим мир вещей является миром структур, упорядоченных в соответствии со строгими закономерностями. Земля вместе с другими планетами вращается вокруг Солнца по орбитам, подчиняясь строгим законам небесной механики. Наше Солнце — лишь одно из ста миллиардов солнц, входящих в Млечный Путь.

Упорядоченные структуры можно обнаружить не только в космосе.

Оглядитесь вокруг, и вашему взору откроется бесконечное разнообразие таких структур: приведем в качестве примера исполненную благородства форму самой обыкновенной снежинки (рис. 1.2). Живая природа вновь и вновь поражает нас своим изобилием, причем формы, в которых оно выражается, могут быть порой совершенно невероятными.

Мир вокруг нас изобилует всевозможными структурами: начиная с тех, которые мы встречаем в природе, и заканчивая теми, что присущи разумной жизни; мы настолько привыкли к структурам, что зачастую уже не осознаем, каким чудом является само их существование. Если мы, осознавая все бесконечное разнообразие окружающих нас структур, решим выяснить, как же они возникли, то окажемся перед невыполнимой, на первый взгляд, задачей.

Рис.1 Снежинка

Если Вы хотите создать ту или иную структуру, упорядоченно «разложить» молекулы или наночастицы, последние наверняка не будут разделять Ваше желание. Впрочем, бывают ситуации, когда при определенных условиях микро- или нанообъекты вдруг сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет – система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако в отличие от упомянутых методов, данное воздействие направлено не на конкретную частицу, а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим – создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники. Нанотехнологам, освоившим самосборку.

Если шары “насыпать” в большой ящик и немного потрясти, то они самопроизвольно образуют практически идеально упорядоченную структуру. В некоторых случаях атомы одного сорта также можно рассматривать в виде однородных по размеру шаров, которые аналогичным образом упорядочиваются в ограниченном объеме. В химии и кристаллографии даже существует термин «плотнейшая шаровая упаковка».

Подобно атомарным ансамблям и макросферам сферические наночастицы способны спонтанно собираться в упорядоченные агрегаты (сверхрешетки). Основными причинами такого «слипания» наночастиц являются различные слабые силы (электростатические и капиллярные взаимодействия, поверхностное натяжение), которые, в целом, стремятся уменьшить общую площадь поверхности наночастиц и, следовательно, их поверхностную энергию.

Рис.___ Трехмерное упорядочение монодисперсных сфер, плотная шаровая упаковка

Самосборка — процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру^[1].

Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) «снизу-вверх». Основная задача, которая стоит при её реализации — это необходимость таким образом повлиять на параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов супрамолекулярной химии, где «инструкции», как собирать большие объекты, «закодированы» в структурных особенностях отдельных молекул. Следует отличать самосборку от самоорганизации, которая может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе (см. рис.).

Рис. Пример самосборки: характерные проекции бинарных сверхрешеток, образованных различными наночастицами, и модельные элементарные ячейки соответствующих трехмерных структур.

Отличия состоят в многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергий взаимодействия, а также существование ограничений степеней свободы системы на нескольких различных уровнях её организации. Таким образом, процесс самосборки — более простое явление. Тем не менее, не стоит опускаться до крайностей и считать, например, что процесс роста монокристалла — это самосборка атомов (что соответствует, в принципе, определению), хотя, например, самосборка более крупных объектов — микросфер одинакового размера, формирующих плотнейшую шаровую упаковку, что приводит к образованию так называемого фотонного кристалла (трёхмерной дифракционной решётки из микросфер), — это типичный пример самосборки.

Какими же, собственно, возможностями для изучения структур и протекающих в них процессов мы располагаем? Излюбленным и, пожалуй, используемым

Развитие миниатюризации привело к формированию группы нанотехнологий, реализуемых по принципу “сверху-вниз”. Вместе с тем в результате развития зондовых методов исследований наноматериалов сформировалась другая группа нанотехнологий, реализуемых по принципу “снизу-вверх”. Благодаря использованию сканирующих зондов стало возможным создание атомной инженерии – технологии манипулирования атомами. Особой разновидностью атомной инженерии является технология манипулирования атомами с помощью лазерного луча.

Получение наноматериалов с уникальными свойствами, как правило, основано на формировании тех или иных структур. Поэтому естественным способом получения наноматералов могут являться самосборка и самоорганизация.

Организация (возникновение упорядочения) при самосборке контролируется, главным образом, конкуренцией различных сил взаимодействия, часто молекулярной природы, наподобие гидрофильных – гидрофобных взаимодействий, сил гравитации, Ван-дер-Ваальсовых или кулоновских взаимодействий.

Пример самоорганизации образование и рост совершенных монокристаллов

 

Суть процессов самоорганизации заключается в том, что атомы, молекулы, а также отдельные наночастицы способны под действием сил взаимного притяжения самопроизвольно объединяться в упорядоченные структуры, последовательного соединяясь между собой. Движущей силой самоорганизующихся процессов является стремление атомной или молекулярной системы принять конфигурацию, соответствующую минимуму ее потенциальной энергии.

12345Следующая ⇒

Поделиться: