Nanoqurilmalar
Nanotubalar yassi akustik tizimlar va yassi displeylarning yangi dizaynlari, ya'ni tanish makroskopik asboblarning asosini tashkil qilishi mumkin. Nanomateryallardan ma'lum nanoqurilmalar yaratilishi mumkin, masalan, nano-motorlar, nanomanipulyatorlar, molekulyar nasoslar, yuqori zichlikdagi xotira va nanorobot mexanizmlari elementlari. Keling, ba'zi nanoqurilmalarning modellariga qisqacha to'xtalib o'tamiz.
Molekulyar viteslar va nasoslar. Nanoqurilmalarning modellari K.E. IMM dan Drexler va R. Merkle (Molekulyar ishlab chiqarish instituti, Palo Alto). Vites qutisidagi tishli vallar uglerod nanotubalari, tishlari esa benzol molekulalaridir. Viteslar aylanishning xarakterli chastotalari bir necha o'nlab gigagertsga teng. Qurilmalar yuqori vakuumda yoki xona haroratida inert atmosferada "ishlaydi". Qurilmani "sovutish" uchun inert gazlar ishlatiladi.
Kompyuterlar uchun olmos xotira. Ch tomonidan ishlab chiqilgan yuqori zichlikdagi xotira modeli. NASAdan Bauschlicher va R. Merkle. Qurilmaning sxemasi oddiy va prob va olmos yuzasidan iborat. Zond uglerod nanonaychalari (9, O) yoki (5, 5) bo‘lib, C 60 yarim sharda tugaydi, unga C 5 H 5 N molekulasi biriktiriladi.Olmos yuzasi vodorod atomlarining monoqatlami bilan qoplangan. Ba'zi vodorod atomlari ftor atomlari bilan almashtiriladi. Prob adsorbat monoqatlami bilan qoplangan olmos yuzasi bo'ylab skanerdan o'tkazilsa, C 5 H 5 N molekulasi, kvant modellariga ko'ra, adsorbsiyalangan ftor atomini adsorbsiyalangan vodorod atomidan ajrata oladi. Sirtning bir kvadrat santimetriga taxminan 1015 atom joylashtirilganligi sababli, yozish zichligi kvadrat santimetr uchun 100 terabaytga yetishi mumkin.
Laboratoriya tajribalari natijalari va nanoqurilma modellarining yuqoridagi misollari nazariya, hisoblash fizikasi, kimyo va matematika uchun yangi muammo hisoblanadi. "Ko'rgan" va "qabul qilingan" tushunchalarini tushunish kerak. Nanometr o'lchamlari oralig'ida ishlash uchun sezgi rivojlanishi kerak. Yana Faustning Vagnerga aytgan gapi eshitiladi:
"Tushunish nimani anglatadi?
Bu, do'stim, savol.
Bu borada bizda hammasi yaxshi emas”.
Hisoblash fizikasi va hisoblash kimyosining yangi bo'limlari
Ellik yildan ko'proq vaqt oldin atom va termoyadroviy C muammolari, yangi samolyotlarni yaratish va er yaqinidagi fazoni o'zlashtirish muammolari yana bir bor fizik va kimyoviy hodisalarni tushunishning yangi darajasi haqidagi Faustian savolini ko'tardi. Ushbu muammolar ustida olib borilgan muvaffaqiyatli ishlar paydo bo'lishi va rivojlanishiga olib keldi
1) hisoblash fizikasi, xususan, kabi sohalar
magnit va radiatsion gidro- va aerodinamika;
kosmik kemalarning parvoz mexanikasi,
plazma va boshqariladigan termoyadro sintezi nazariyasi;
2) kabi bo'limlar bilan hisoblash kimyosi
materiya holati tenglamalari nazariyasi,
molekulyar dinamika,
kimyoviy jarayonlar va apparatlar nazariyasi;
3) kabi sohalar bilan hisoblash matematikasi va informatika
matematik fizikaning raqamli usullari,
avtomatlar nazariyasi,
optimal nazorat,
naqshni aniqlash,
ekspert tizimlari,
avtomatik dizayn.
Fazoviy o'lchamlarning nanometr shkalasidagi hodisalarni kuzatish va o'rganish bo'yicha laboratoriya tajribasining zamonaviy imkoniyatlari va noyob materiallar va nanoqurilmalarni yaratishning jozibali istiqbollari yangi nazariy muammolarni keltirib chiqaradi.
Tunnel mikroskopini skanerlashda aslida nima "kuzatilganini" tushunmoqchiman?
Nanotizimlarda nimani potentsial kuzatish mumkin va qanday yangi narsalarni olish mumkin? Va qanday sharoitlarda?
Muayyan maqsadlarga erishish uchun alohida atomlar va atomlar va molekulalar guruhlarini qanday boshqarish kerak? Ushbu boshqaruvning chegaralari qanday?
Nanoqurilmalar va noyob "nuqsonsiz" materiallarni o'z-o'zini yig'ishni qanday tashkil qilish kerak?
Makromuhit nanotizimning kvant holatlarini qay darajada "cheklab qo'yadi"?
Ushbu muammolarni konstruktiv hal qilish zarurati hisoblash fizikasi va hisoblash kimyosida yangi tarmoqlarni tashkil etuvchi intensiv tadqiqotlarga olib keladi. Keling, metrologiya, mexanika, elektrodinamika, optika va o'z-o'zini tashkil etish nazariyasidagi bunday bo'limlarni ajratib ko'rsatamiz. Ushbu bo'limlarning har birida biz bir nechta muammolarni ko'rsatamiz.
Metrologiya
1. "Qurilma-nanoob'ekt" tizimlarining kompyuter modellarini yaratish va ularni kalibrlash.
2. Nanometr o'lchovlarini avtomatlashtirish va ma'lumotlar banklarini yaratish.
Mexanika
1. Nanomateriallar va nanoob'ektlardagi mexanik kuchlanish va deformatsiyalarni o'rganish, ishqalanishni tahlil qilish.
2. Nanoob'ektni maqsadli manipulyatsiyasi paytida zond harakatlarini simulyatsiya qilish.
3. Nanoqurilmalar uchun nanomexanizmlardagi harakatlarni simulyatsiya qilish, nanomanipulyatorlarni hisoblash.
4. Nanorobotlarni boshqarish tizimlarini ishlab chiqish.
Elektrodinamika
1. Ko'p nuqtali tizimlar tomonidan yaratilgan o'ta bir jinsli bo'lmagan elektromagnit maydonlarda atomlar va molekulalar dinamikasini simulyatsiya qilish.
2. Nanomateryallarning elektr va magnit xossalarini hisoblash.
1. Nanoob'ektlarda nurlanish, tarqalish va yutilish mexanizmlarini modellashtirish.
2. Nanolazerlar va gibrid tizimlar "zondlar + nanolazerlar" ni hisoblash.
O'z-o'zini tashkil etish nazariyasi
1. Nanostrukturalarni o'z-o'zini yig'ishning asosiy tamoyillarini shakllantirish.
2. O'z-o'zini yig'ish uchun kompyuter algoritmlarini yaratish.
3. O'z-o'zini yig'ish modellarini sifatli tahlil qilish uchun hisoblash algoritmlarini ishlab chiqish.
4. Nanomateryallarni yaratishda fazoviy-vaqtning o'z-o'zini tashkil qilish hodisalarini modellashtirish.
Molekulyar nur epitaksisi va nanolitografiya
1. Yuqori sifatli magnit materiallar uchun asos bo'lib xizmat qiluvchi yupqa metall plyonkalarni yaratish.
2. Nanoelektronikaning asosiy elementlarini loyihalash.
3. Selektiv kataliz uchun katalizatorlar yaratish.
Laboratoriya tajribasi, nazariya va matematik modellashtirish o'rtasidagi qat'iy muvozanatni saqlash zarurligini yana bir bor ta'kidlamoqchiman. Ba'zan siz aniq tajriba hozirda juda qimmat va arzonroq matematik modellashtirish bilan almashtirilishi mumkinligi haqidagi bayonotlarni eshitishingiz mumkin. Qarama-qarshi pozitsiya ham mavjud bo'lib, unda matematik tadqiqot usullarining roli past bo'ladi. Fazoviy o'lchamlarning nanometr diapazonidagi notrivial hodisalarning eng oddiy misollari radikal pozitsiyalarning to'liq mos kelmasligini ko'rsatadi.
Metall monokristallar yuzasida fazoviy-vaqtinchalik o'z-o'zini tashkil qilish hodisalari
Bir qarashda, eng oddiy, ammo ma'lum bo'lishicha, ahamiyatsiz muammoni ko'rib chiqing. Aytaylik, biz platina plyonkasi kabi yuqori sifatli, bir xil metall plyonka etishtirishni xohlaymiz. Buning uchun substrat sifatida zich o'ralgan va fazoda bir xil bo'lgan yagona kristall yuzini olish kerak va unga Knudsen hujayrasidan atomlar qatlamini chuqur vakuumda joylashtirish kerak. Atomlar hujayradan uchib chiqib, bir jinsli sirtda adsorbsiyalanadi, u bo'ylab ko'chib o'tadi va yangi qatlam hosil qiladi. Birinchi qatlam hosil bo'lgach, uning ustiga keyingi qatlam hosil bo'ladi va hokazo. Jarayon faqat ikkita tashqi boshqaruv makroparametri - sirt harorati va atomlarning sirtga oqimi bilan belgilanadi. Faqat harorat va atomlarning ta'minlanish tezligini shunday tanlash kerakki, yangi atomni etkazib berishning xarakterli vaqtida sirt ustida ko'chib o'tadigan atom o'sib borayotgan qatlamga qo'shilishga vaqt topadi. Klassik matematik fizika modellari doirasida kino o'sishini taqlid qilishdan osonroq narsa yo'qdek tuyuladi. Faqat bitta jarayonni tasvirlash kerak: kiruvchi zarrachalarning sirt diffuziyasi. Buning uchun ikki o'lchovli fazoviy sohada doimiy manba bilan diffuziya tenglamasidan foydalanish, uni tegishli chegara sharti, masalan, ikkinchi turdagi bir hil chegara sharti bilan to'ldirish va hisob-kitoblarni amalga oshirish mumkin. Shubhasiz, etarlicha tez migratsiya bilan, boshlang'ich sharoitlardan qat'i nazar, vaqt o'tishi bilan monoton ravishda ortib borayotgan etarlicha yuqori aniqlik bilan fazoviy bir hil yechim olinadi. Biroq, bunday modellashtirish yangi qatlamning o'sish jarayonini va uning fazoviy tuzilishini umuman tasvirlamaydi.
Pt / Pt (111) 5 gomosistemali skanerlash tunnel mikroskopidan foydalangan holda o'tkazilgan tajriba shuni ko'rsatadiki (9-rasm) adsorbsiyalangan platina atomlari platina monokristalining (111) yuzi yuzasida Fik qonuniga bo'ysunmasdan migratsiya qiladi. Ular sirt haroratining qiymatlari va atomlarning oziqlanish tezligiga qarab turli xil fazoviy tuzilmalarga ega bo'lgan yangi qatlam orollarini hosil qiladi. Bu fraktal tuzilishga ega bo'sh orollar bo'lishi mumkin
9-rasm. Pt / Pt (111)
Guruch. 10. Co / Re (0001): a - CoRe; b - Co 2 Re; c - Co 3 Re
o'lchami 1,78 (9a-rasm), yoki kristallografik o'qlarga nisbatan bir xil yo'nalishga ega bo'lgan muntazam uchburchaklar (9b-rasm, 9d) va olti burchakli (9c-rasm) ko'rinishidagi Platonik shakllari bilan ixcham orollar. Shunday qilib, 400 K haroratda uchburchaklarning tepalari "pastga" ko'rinadi (9b-rasm). 455 K haroratda o'sayotgan orollar muntazam olti burchakli shaklni oladi (9c-rasm). Yuqori haroratlarda orollar yana muntazam uchburchak shaklini hosil qiladi, lekin bu safar ularning tepalari "yuqoriga" ishora qiladi (9d-rasm). Uchburchakli orollarning shakli va yo'nalishi barqaror. Atomlarning keyingi ta'minoti uch o'lchovli o'sish rejimiga olib keladi, buning natijasida o'sayotgan qatlam har doim bir xil emas va piramidal uch o'lchovli tuzilishga ega.
O'sish kamida ikkita asosiy savolni tug'diradi.
Eng oddiy tizimning noaniq dinamik harakatini nazariy jihatdan qanday tasvirlash mumkin?
Qatlamma-qavat o'sishini ta'minlash va yuqori sifatli fazoviy bir xil qatlamni olish uchun tizimni boshqarish usullari qanday?
Shu kabi savollar geterotizimlarda, bitta metall yuzasida boshqa metall plyonkasi o'stirilganda paydo bo'ladi. Shunday qilib, platina ustida kumush plyonka o'stirilganda fraktal va dendritik tuzilmalar orollari, uch burchakli Mersedes yulduzi ko'rinishidagi orollar va notekis uch bilan birga bo'lgan fazo-vaqtning o'zini o'zi tashkil qilishning boshqa hodisalarini kuzatish mumkin. yupqa metall plyonkaning o'lchovli o'sishi. Reniy monokristalining bir xil (0001) yuzida kobalt plyonkasi o'sgan taqdirda, turli stexiometriyaga va shunga mos ravishda fazoviy tuzilishga ega bo'lgan sirt qotishmalari hosil bo'ladi: CoRe (10a-rasm), Co 2 Re (rasm). 10b), Co 3 Re (Fig.10c) va notrivial sirt tuzilishi. Rasmda ko'rsatilgan rasmlar. 10-rasmdan ko'rinib turibdiki, katta doiralar (reniy atomlari) har xil miqdordagi kichik doiralar (kobalt atomlari) bilan o'ralgan. Ushbu qotishmalar qiziqarli magnit xususiyatlarga ega.
Yana bir paradoksal hodisa - yirik ixcham klasterlarning anomal darajada yuqori harakatchanligi haqida to'xtalib o'tmaslik mumkin emas. Ushbu ajoyib eksperimental ish mualliflaridan keyin N = 1 + Zn (n - 1), n = 2, 3, ... iridiy atomlarining "sehrli" sonidan iborat muntazam shakldagi ixcham klasterni ko'rib chiqing. masalan, N = 19, zich joylashgan yuz (111) iridiy yuzasida. Aftidan, yigirma atomni o'z ichiga olgan klasterning harakatchanligi bitta atomning harakatchanligidan ko'p marta kichikroq bo'lishi kerak, chunki atomlarning migratsiyasi tasodifiy jarayon kabi ko'rinadi. Eksperimental ravishda "to'g'ri" klasterlarning migratsiya tezligi bitta atomning migratsiya tezligi bilan solishtirish mumkinligi aniqlandi! Klaster atomlarining jamoaviy harakatining bu natijasi batafsil nazariy tavsif va matematik modellashtirishni talab qiladi. Bunday tahlil natijalari dinamik Monte-Karlo usuli va ideal bo'lmagan qatlamning kinetik tenglamalari uchun migratsiya uchun preeksponensial va samarali faollashtirish energiyasini hisoblashda katta qiziqish uyg'otadi. Haqiqiy migratsiya sur'atlarini bilib, nano o'lchamdagi tuzilmalarning ishlash muddatini to'g'ri baholash mumkin.
Laboratoriya tajribasining sanab o'tilgan natijalari matematik fizikaning klassik modellarini ishlab chiqish zarurligini ko'rsatadi, deb o'quvchini ishontirishning hojati yo'q. Nanoob'ektlarni o'rganishda, agar kerak bo'lsa, matematik fizika modellarining mutlaq ko'pchiligi asosidagi uzluksiz muhit g'oyasidan voz kechish kerak. Laboratoriya tajribasi natijalarini hisobga olmasdan, inertsiya bilan simulyatsiya qilish butunlay noto'g'ri natijalarga olib keladi. Matematik fizikaning nanoob'ektlarning o'ziga xos xususiyatlarini hisobga oladigan yangi zamonaviy kursiga ehtiyoj ham yaqqol ko'rinib turibdi. Bu kursda, ayniqsa, e'tibor qaratish lozim
Guruch. 11. (CO + O 2) / Pt (210)
diskret matematika usullari, sanab kombinatorika, guruhlar nazariyasi.
Ochiq ideal bo'lmagan tizimlarning notrivial dinamik xatti-harakatlarining yanada murakkab misollari asil metallarning monokristallarining (Pt (111), Pt (100), Pt (110), Pt (210) ma'lum yuzlarida heterojen katalizning model reaktsiyalari bilan ta'minlangan. Pd (111), Pd (110) ) gaz fazasida past qisman bosimlarda. Bular uglerod oksidi (CO) ning kislorod (O 2) bilan oksidlanishi, shuningdek, azot oksidi (NO) ning vodorod (H 2), ammiak (NH 3) va uglerod oksidi bilan qaytarilishi reaktsiyalari. Sanab o'tilgan reaktsiyalar ichki yonuv dvigatellari va issiqlik elektr stantsiyalaridan zaharli chiqindilarni (NO, CO va boshqalar) yondirilishining ekologik muammosida muhim rol o'ynaydi. So'nggi yillarda olib borilgan tadqiqotlar ushbu tizimlarning hayratlanarli nano va mezodinamikasini ochib berdi. Adsorbat monoqatlamida ustki tuzilmalarning hosil bo'lishi bilan kechadigan tartibli-tartibli tipdagi fazali o'tishlar, ajralish tipining fazalarga fazali o'tishlari, monokristal yuzlari sirtining o'z-o'zidan va adsorbat ta'sirida rekonstruktsiyasi, katalizator korroziyasi aniqlandi. Nanometr miqyosida kechadigan fazoviy-vaqtinchalik o'z-o'zini tashkil etish jarayonlari mikrometr diapazonida emissiya fotoelektron mikroskopiyasi yordamida kuzatilgan shunga o'xshash hodisalar bilan chambarchas bog'liq. Bunday hodisalarga mikrometr spirali, turgan va tetik to'lqinlar, ikki tomonlama metastabillik va kimyoviy turbulentlik kiradi. 11-rasmda Pt (210) monokristalining yuzidagi uglerod oksidining oksidlanish reaksiyasida fazoviy-zamoniy o'z-o'zini tashkil qilishni emissiya fotoelektron mikroskopiya usulida o'rganish natijalari ko'rsatilgan. Har bir ramka (380 x 380 mm) gaz fazasidagi CO va kislorodning qisman bosimlarining turli qiymatlari uchun katalizator yuzasida adsorbsiyalangan CO molekulalari (yorug'lik joylari) va kislorod atomlarining (qorong'i joylar) fazoviy taqsimotini ko'rsatadi. doimiy sirt harorati. Spiral to'lqinlar va fazaga o'tishning avtoto'lqinlari, masalan, fazalarga bo'linish, ikki tomonlama metastabillik hodisalari va boshqalar aniq ko'rinadi.
1 Atomning o'lchami nanometrning o'ndan bir necha qismiga teng.
2 Qurilmalarning tavsifi va ularning ishlash tamoyillari mavjud.
3 Bir juft natural sonlar (m, n) grafit varaq tekisligidagi chirallik vektorini aniqlaydi. Nanotuba o'qi chirallik vektoriga perpendikulyar. Demak, (n, n) ((n, 0)) uchun trubaning o'qi muntazam olti burchakli tomonga parallel (perpendikulyar).
4 BDC benzendikarboksilni va DMF dimetilformamidni anglatadi.
5 Qavs ichidagi raqamlar monokristalli substrat yuzining Miller indekslarini bildiradi.
An'anaviy ravishda nanomateriallar tarkibiga strukturaviy elementlarni (donalar, kristallitlar, bloklar, klasterlar va boshqalar) o'z ichiga olgan dispers va massiv materiallar kiradi, ularning geometrik o'lchamlari kamida bitta o'lchamda 100 nm dan oshmaydi va sifat jihatidan yangi funktsional va ekspluatatsion xususiyatlarga ega. Nanotexnologiyalar nanomateriallarni boshqariladigan tarzda yaratish va o'zgartirish, shuningdek ularni keng ko'lamli to'liq ishlaydigan tizimlarga integratsiyalash imkoniyatini beruvchi texnologiyalarni o'z ichiga oladi. Nanomateryallar va nanotexnologiya fanining asosiy tarkibiy qismlari qatoriga quyidagilar kiradi:
nano o'lchovdagi materiallarning xususiyatlari bo'yicha fundamental tadqiqotlar;
nanomateriallarni maqsadli yaratish uchun nanotexnologiyani rivojlantirish, shuningdek, nanostrukturaviy elementlarga ega tabiiy obyektlarni izlash va ulardan foydalanish, nanomateriallardan foydalangan holda tayyor mahsulotlar yaratish hamda nanomateriallar va nanotexnologiyalarni turli sanoat va fanga integratsiyalash;
nanomateriallarning tuzilishi va xossalarini o‘rganish vositalari va usullarini, shuningdek, nanotexnologiyalar uchun mahsulotlar va yarim tayyor mahsulotlarni monitoring qilish va sertifikatlash usullarini ishlab chiqish.
XXI asr nanotexnologiya va nanomateriallar rivojlanishining inqilobiy boshlanishi bilan belgilandi. Ular allaqachon dunyoning barcha rivojlangan mamlakatlarida inson faoliyatining eng muhim sohalarida (sanoat, mudofaa, axborot sohasi, radioelektronika, energetika, transport, biotexnologiya, tibbiyot) qo'llaniladi. Investitsiyalar o'sishi tahlili, ushbu mavzu bo'yicha nashrlar soni va fundamental va tadqiqot ishlanmalarini amalga oshirish sur'ati kelgusi 20 yil ichida nanotexnologiyalar va nanomateriallardan foydalanish ilmiy, iqtisodiy rivojlanishning hal qiluvchi omillaridan biri bo'ladi, degan xulosaga kelishga imkon beradi. va davlatlarning mudofaa rivojlanishi. Hozirgi vaqtda fundamental va amaliy fanlar, shuningdek, sanoat va biznes sohasidagi materiallarning yangi sinfiga qiziqish doimiy ravishda ortib bormoqda. Bu quyidagi sabablarga bog'liq:
mahsulotlarni miniatyuralashtirishga intilish,
nanostrukturaviy holatdagi materiallarning noyob xususiyatlari,
sifat va miqdoriy jihatdan yangi xususiyatlarga ega materiallarni ishlab chiqish va amalga oshirish zarurati;
o'z-o'zini yig'ish va o'z-o'zini tashkil etish tamoyillariga asoslangan yangi texnologik texnika va usullarni ishlab chiqish;
nanomateriallarni tadqiq qilish, diagnostika qilish va modifikatsiyalash uchun zamonaviy qurilmalarni amaliy tatbiq etish (skanerli zond mikroskopiyasi);
litografiya jarayonlari ketma-ketligi bo'lgan yangi texnologiyalarni, nano kukunlarni olish texnologiyalarini ishlab chiqish va joriy etish.
Nanostrukturaviy tadqiqotlar yo‘nalishi deyarli to‘liq nanokristalli moddalar va materiallarni ishlab chiqarish va o‘rganishdan nanotexnologiyalar sohasiga, ya’ni nanokristalli elementlarga ega mahsulotlar, qurilmalar va tizimlar yaratishga o‘tdi. Nano o'lchamli elementlarni qo'llashning asosiy sohalari elektronika, tibbiyot, kimyoviy farmatsevtika va biologiyadir.
UDC 621.3.049.77
Do'stlaringiz bilan baham: |