ЛЕКЦИЯ 5 (2 ч.). Основные определения.

Нанонаука – исследование объектов и процессов с масштабами в несколько нанометров.

Нано - это одна миллиардная доля. Нанометр - это 10^-9 метра. Человеческий волос приблизительно толще одной молекулы в шестьдесят тысяч раз, и его толщина составляет примерно 50 000 нанометров. А размер объектов, который различает глаз человека, составляет 10 000 нанометров.

Физические исследования показывают, что частицы с таким размерным диапазоном в реакциях с их участием проявляют т.н. размерные эффекты, если параметры их структурных элементов хотя бы по одному направлению соизмеримы (или меньше) с корреляционным радиусом того или иного химического или физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша новой фазы и т.д.). Они характеризуются квантово-размерными эффектами, т.е. классические физические законы заменяются правилами квантовой механики. Удельная теплота, восприимчивость, проводимость и другие фундаментальные характеристики металла теряются, по крайней мере при низких температурах, когда частицы достигают размеров наношкалы. Кроме того, их специфика – немонотонная зависимость свойств, таких как температура плавления, давление, необходимое для перестройки кристаллической структуры, ионизационные потенциалы, энергии связи, отнесенные к одному атому металла, изменение межатомных расстояний, оптических и магнитных свойств, электронной проводимости, электрон-фононных взаимодействий и др. от величины кластера – числа атомов М в нем.

Нанотехнологии – это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

Наноматериаловедение отличается от традиционного не только созданием принципиально новых материалов, но и необходимостью конструирования приборного оснащения для работы с такими материалами. Сегодня, благодаря нанотехнологии, слово «нано» стало очень известным. Ввведя его в поисковых системах интернета вы найдете ссылки на 100 миллионов источников информации. Такое количество в значительной мере харктеризует коньюнктуру, а не уровень научных исследований. В настоящее время основное внимание уделяется нанотехнологии. И даже в серьезных работах, таких как десятитомная энциклопедия «Нанонаука и нанотехнология», изданной в США, главный упор делается на нанотехнологию. В научном плане выделились такие научные разделы как нанофизика, нанохимия, нанобиология, наномедицина.

1. Так как в нанометровом диапазоне процессы обусловлены взаимодействием небольшого (от единиц до десятков тысяч) числа атомов, то прежде всего мы должны рассмотреть их с позиций фундаментальных законов физики-законов сохранения: энергии (с учетом массы), импульса, момента импульса (с учетом спина) и электрического заряда.

Никаких экспериментальных фактов, которые бы свидетельствовали о нарушении этих законов, при более детальном изучении поведения атомов в этом диапазоне, не опубликовано.

2. Иначе обстоит дело со вторым началом термодинамики. Классическая и квантовая статистики имеют дело с большим числом частиц. В нанонауке число частиц ограничено буквально поштучно (наноконтакты, нанопроволочки, кластеры) и здесь необходим другой подход. В связи с тем, что квантовая механика оперирует статистическими понятиями, то этот вопрос приобретает чрезвычайно важное значение и будет рассмотрен отдельно.

3. Фейнман в своем выступлении высказал идею, что можно создать такие устройства, которые в свою очередь будут создавать устройства, способные работать с объектами все меньших и меньших размеров, вплоть до отдельного атома.

В то время уже существовали электронные микроскопы. Поэтому Фейнман считал, что новые микроскопы должны иметь чувствительность в сто раз выше. Новые устройства смогут перемещать атомы друг к другу, образуя атомные структуры. Такие микроскопы появились лишь через 30 лет.