И нанотехнологий
Глава 1. Физико-химические основы наноматериаловедения Наносостояние вещества, классификация наноматериалов Предпосылки появления наноматериалов и нанотехнологий Обращение современной цивилизации к наноматериалам обусловлено следующими причинами: - стремлением к миниатюризации изделий, - уменьшение энерго- и материалоемкости изделий, - уменьшение расходов, связанных с транспортировкой, производственными площадями, трудовыми затратами, - уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии, - необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами, - развитием новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации, - практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия), - развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой процессы литографии, технологий получения нанопорошков и т.п., - приближением при использовании традиционных технологий к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.). Объекты и процессы на наноуровне всегда присутствовали в природе и в человечеcкой практике. В частности, биохимические реакции между макромолекулами, фотопроцесс, катализ, бродильные процессы в производстве сыра, хлеба, вина происходят на наноуровне. Примерами таких объектов могут также служить: - дисперсные частицы, играющие роль пигментов, применяющихся для окрашивания прозрачных сред и поверхностей за счет рассеяния и поглощения световых волн (наноразмерные частицы золота в стекле (рубиновое стекло) обладают способностью поглощать излучение в диапазоне 400 - 600 нанометров, пропуская более длинноволновую часть спектра, - взвешенные частицы цветочной пыльцы, участвующие в броуновском движении, - тонкие слои, наносимые на оптические поверхности, - пленки органических соединений на поверхности, - наноразмерные включения в металлических материалах, - молекулы ДНК, - макромолекулы полимеров, - взвешенные частицы в коллоидных растворах. В последнее время с развитием нанотехнологий усилилось целенаправленное использования возможностей наноматериалов.
1.2. Термины и определения. Нанотехнологии. Основные принципы «снизу-вверх» и «сверху-вниз». Наносостояние. Нанообъект. Наноструктура. Наносистема. Наноматериалы. Стандартные и утвержденные термины и определения, связанные с наноразмерными структурами в современной отечественной практике пока отсутствуют. В американском стандарте терминов ASTM E 2456 нанотехнология определяется, как способность конструировать объекты (любого размера) с атомарной точностью с планируемой в будущем возможностью создавать объекты методом «снизу-вверх», используя разрабатываемые сегодня инструменты и приемы для манипулирования отдельными атомами и молекулами. Однако это не отменяет противоположный подход к получению наноструктур - «сверху-вниз» методами литографии и импринтинга (нанесения отпечатка), более реальный в современных условиях. К формированию «снизу- вверх» (bottom-up).осносятся также методы получения наноразмерных объектов, например, путем их выделения из газовой или жидкой фазы, когда нанообъект складывается из отдельных частиц (атомов, молекул, ионов). К формированию «сверху-вниз» (top-down) следует отнести различные методы диспергирования (измельчения), в частности механического, макроскопических объектов. В отечественной литературе присутствует несколько дополняющих друг друга определений, связанных с наноразмерными структурами и технологиями. В данном пособии приведены некоторые их этих определений. Нанотехнологии — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро– и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов. Прменяемая в современной микроэлектронике 45нм технология не является нанотехнологией, так как изготовленные структуры приобретают улучшенные параметры без использования наноэффектов, которые в данном случае будут нарушать работу схем. Присущие нанообъектам свойства (в частности квантовомеханические) могут проявиться по мере внедрения 32-, 22-, 16- и 11нм технологий. Понятие метод (от греческого слова «методос» — путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности Наносостояние – фазово-структурное конденсированное состояние вещества, формирующееся у нанообъектов и характеризующееся: - зависимостью структуры и свойств от размеров и количества атомов, - значимым проявлением квантовомеханических эффектов, - определяющим влиянием поверхности нанообъекта. Нанообъекты (н аноразмерные объекты) – объекты, находящиеся в наносостоянии и имеющие структурные элементы, размеры которых занимают промежуточное положение между объемными материалами и атомами (или молекулами). Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, тепловых и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Примеры объектов нанометровых размеров: нанокластеры или наночастицы, двумерные тонкие пленки, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). К нанообъектам можно, по-видимому, также отнести не только материальные, но и структурные объекты, присутствие которых в материале вызывает локальное или общее изменение свойств, вызванное наномасштабом объектов. В этом случае к нанообъектам можно отнести межзеренные и межфазные границы, дислокации, нанопоры, острые участки трещин, и т. п.. Наноструктура - электронная, атомная и дефектная структура нанообъектов. Наносистема — материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение новых свойств, проявляющихся в виде квантоворазмерных, синергетическикооперативных, гигантских эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов. Наноматериалы - вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов. Первостепенное значение в развитии нанотехнологий имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Современные приложения нанотехнологий включают: - высокопрочные наноструктурированные материалы, - компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы; - устройства сверхплотной записи информации; телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров; - молекулярные электронные устройства; - нанолитографию и наноимпринтинг; - устройства микро— и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы, интегрированные микроэлектромеханические устройства; - нанохимию и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимию, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), - топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, устройства для хранения энергии; - медицину и фармацевтику, включающие: целевую, нанодозированную доставку лекарств, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническую и медицинскую диагностику, создание искусственных мускулов, костей, имплантацию живых органов; регистрацию и идентификацию канцерогенных тканей, патогенов, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты и многие другие. Предшествующая появлению нанотехнологий терминология, описывающая объекты атомных и субатомных размеров (например, электронов) оперировала понятиями и словами с приставкой микро- (микромир, микрочастица). Однако микроразмеры, по крайней мере, в тысячу раз больше атомных размеров. Поэтому для соблюдения преемственности в научный оборот наравне с приставкой нано- введена приставка мезо- (промежуточный) – мезосостояние, мезообъект, мезоскопия. Этим подчеркивается промежуточное положение нанообъектов между микро- и макрообъектами. В данном пособии в основном используются термины с приставкой нано-, как чаще применяемые.
|
