В этом параграфе мы попробуем последовательно разобраться в понимании такого термина, как нанотехнология. Практически каждый человек, который хоть в малой мере интересуется передовыми открытиями науки и инженерными приложениями слышал это понятие, и знает, что определение связано с размерами объектов, с которыми производится манипуляция. Действительно, определение нанотехнология заимствует приставку нано- от соответствующей единицы пространственной меры – нанометра. Практически каждому восьмикласснику известно, что 1 нм = 10-9 м. На практике же, размеры объектов варьируются от 1 до 100 нанометров. В данный диапазон попадают, например, молекулы ДНК, вирусы, углеродные нанотрубки. Атом же имеет размер приблизительно 10-10 м. Можно сказать, что нанотехнология как бы объединяет все технические процессы, связанные с атомами и молекулами. Очевидно, что данная отрасль имеет большой потенциал для получения новых материалов, полупроводников приборов, устройств для записи информации и так далее. Нанотехнологию можно определить как набор методик и технологий для манипуляции с отдельными атомами или молекулами, иными словами методик регулирования структуры веществ. Кроме того, за счет подобного манипулирования мы можем создавать такие структуры, которые будут проявлять квантовые свойства в тех условиях и ситуациях, определяющихся инженерной задачей. Примером будет являться разработка сканирующих туннельных микроскопов (далее СТМ). Опишем работу такого микроскопа. Исследователь подводит зонд  на расстояние одного микрона к поверхности изучаемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, величина которого будет меняться в зависимости от состояния поверхности образца (наличие впадин и выступов). Замеряя величину этого тока, исследователь может сделать вывод о рельефе поверхности изучаемого образца. Работая с таким микроскопом ученые постепенно вышли на новый уровень – стали проводить прямые технологические манипуляции на атомарном уровне. Приложив к зонду СТМ соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомарного резца. Позднее, исследователи научились перемещать атомы внутри более сложных структур. Данная методика перемещения атомов была названа атомным переключением и осуществлялась она внутри монокристалла. 

         В нанотехнологии существует два принципа создания объектов. Подход «сверху-вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или ионной обработкой, вплоть до получения объектов с ультрамикроскопическими, нанометровыми параметрами.В качестве простого примера можно указать некоторые полупроводниковые устройства, структура которых создается фотолитографической обработкой. При фотолитографии полупроводниковая заготовка подвергается обработке лазерным лучом, что позволяет получить в ней заранее спланированную конфигурацию схемы. Разрешающая способность (то есть минимальный размер элементов изготавливаемой схемы) определяется при этом длиной волны лазерного излучения. Другим примером может служить применение тонкого перемола материала (или его измельчения). При этом под измельчением понимают уменьшение начального размера частиц материала путем разрушения их под действием внешних усилий, преодолевающих внутренние силы сцепления. Идея технологии «снизу-вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т.п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать «обратным» по отношению к привычному методу миниатюризации «сверху-вниз», когда мы просто уменьшаем размеры деталей. Существуют и промежуточные варианты.

         Выше мы уже говорили о том, что наноструктуры проявляют квантовые свойства. Мы рассмотрели такое явление на примере СТМ и туннельного эффекта, но обобщая, мы обязаны разобраться в таком понятии, как квантовая точка. Уменьшение размера частицы приводит к проявлению весьма необычных свойств материала, из которого она сделана. Причиной этого являются квантово-механические эффекты, возникающие при пространственном ограничении движения носителей заряда: энергия носителей в этом случае становится дискретной. А число уровней энергии, как учит квантовая механика, зависит от размера «потенциальной ямы», высоты потенциального барьера и массы носителя заряда. Увеличение размера «ямы» ведет к росту числа уровней энергии, которые при этом становятся все ближе друг к другу, пока не сольются, и энергетический спектр не станет «сплошным». Ограничить движение носителей заряда можно по одной координате (формируя квантовые пленки), по двум координатам (квантовые проволоки или нити) или по всем трем направлениям — это будут квантовые точки.

         Продолжая определять основные понятия, нам необходимо упомянуть про металлические нанокластеры. Металлические нанокластеры состоят из небольшого числа атомов, в лучшем случае в десятки. Эти нанокластеры могут состоять либо из одного или нескольких элементов , и обычно измеряют менее 2 нм . Такие нанокластеры проявляют привлекательные электронные, оптические и химические свойства по сравнению с их более крупными аналогами. Материалы могут быть разделены на три различных режимах, а именно в массе, наночастиц или наноструктур и атомных кластеров. Объемные металлы являются электрические проводники и хорошие оптические отражатели, в то время как металлические наночастицы отображать интенсивные цвета. Нанокластеры известны как связь между мостиковыми атомами и наночастицами.

         Отдельно стоит упомянуть про углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей. Углеродные нанотрубки являются одной из аллотропных форм углерода наряду с алмазом, графитом, графеномфуллереномкарбином и пр. Если смотреть на углеродную нанотрубку в микроскоп с увеличением в миллион раз, то можно наблюдать полый цилиндр, поверхность которого формируется множеством шестиугольных многоугольников. На самой вершине равностороннего многоугольника располагается атом углерода. Углеродная нанотрубка визуально напоминает лист бумаги свернутый в трубку, только вместо бумажной поверхности следует рассматривать графитовую (точнее – графеновую) плоскость. В научной среде цилиндрическую плоскость трубки принято называть графеновой. Толщина графеновой плоскости не превышает один атом углерода. Длина углеродной нанотрубки может достигать до нескольких сантиметров. Некоторым ученым удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной 20 см. Для получения более длинных структур их можно сплести в нити неограниченной длины. Физические свойства нанотрубок пребывают в прямой зависимости от хиральности (особенность мельчайших частиц вещества не накладываться полностью на свое зеркальное отображение). Степень хиральности определяется зависимостью, существующей между специальными индексами хиральности (n, m) и неким углом сворачивания трубки (α). Индексы хиральности (n, m) при этом являются координатами радиус-вектора R в заданной на графеновой плоскости косоугольной системе координат, определяющего ориентацию оси трубки относительно графеновой плоскости и ее диаметр. Индексы (n, m) указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания трубки должен совпасть с шестиугольником в начале координат.


ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ:

1. Что изображено на картинке?
2. Принадлежит ли молекула ДНК наномиру?

ЗАДАНИЕ № 1505
Составить сравнительную характеристику двух подходов в нанотехнологиях: сверху-вниз и снизу-вверх