WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Мария Рыбалкина НАНОТЕХНОЛОГИИ для всех Большое в малом Мария Рыбалкина Нанотехнологии для всех Н а н о т е х н о л о г и и д л я в с е х Большое в малом Б о л ь ш о е ...»

-- [ Страница 3 ] --

Металлическая связь Металлы – очень распространенный материал современ ной промышленности. Большая часть машин, станков, инстру ментов и транспортных средств изготовлена из металла. Метал лы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объ ясняются особым типом химической связи, соединяющей ато мы металлов между собой – металлической связью.

Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристал лов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море сво бодно движущихся между ними электронов.

Рис 6. Кристаллическая решетка металла. Показана траектория одного из свободно движущихся электронов Электроны в металлах делокализованы, то есть не принад лежат какому либо конкретному атому. Как получается такое уникальное электронное “море”?

Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталя www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ми первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орби таль. Когда атомов много, возникает огромное число трехмер ных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех нап равлениях. Вследствие многократного перекрывания орбита лей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов.

Металлическая связь объясняет свойства металлов, в част ности, их прочность. Под действием деформирующей силы ре шетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие от ионных кристаллов.

Рис 57. Действие деформирующей силы на кристаллическую решетку металла Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии расп ространится в “ электронном море” по всему образцу с боль шой скоростью.

Становится понятной и электрическая проводимость ме таллов. Если к концам металлического образца приложить раз ность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала:

этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Ван дер ваальсовы силы Кроме рассмотренных типов химической связи говорят также о сравнительно слабых силах Ван дер Ваальса. В 1873 го ду этот человек выдвинул предположение о существовании сил межмолекулярного притяжения, подобных тем, что существу ют в связях между атомами. В дальнейшем гипотеза подт вердилась – были открыты различные типы межмолеку лярного взаимодействия, где Рис 8. Схема диполь дипольного притяжения ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы наиболее распространено так называемое диполь дипольное при тяжение.

Некоторые молекулы (преимущественно с ковалентными связями) обладают так называемым дипольным моментом. Его суть в том, что в одной части молекулы “скапливается” больше электронов, чем в другой. Это приводит к возникновению раз ности потенциалов на ее концах. Сила притяжения между раз личными зарядами связывает молекулы между собой, как пока зано на рисунке.

В настоящий момент термин “Ван дер ваальсовы силы” распространяется на все слабые межмолекулярные силы, кроме водородной связи.

Водородная связь Несмотря на то, что водородная связь, возникающая вслед ствие силы притяжения между атомом водорода и электроотри цательным атомом, представляет собой пре дельный случай диполь дипольного притя жения, ее, как правило, не относят к силам Ван дер ваальса.

Во первых, пото му что она гораздо сильнее обычных Рис 59. Схема водородной межмолекулярных свя связи в молекуле ДНК зей (рис. 60), а во вто рых, потому что она может возникать и в виде внутримолекулярных связей (рис 59).

Именно водородные связи объясня ют многие уникальные свойства воды и Рис 60. Схема водородной связи в кристалле льда льда.

Что такое нанохимия?

Не требует пояснений, что химическая связь образуется в результате химических реакций. При этом вещества, подверга ющиеся превращению, называются реагентами, а вновь обра зующиеся вещества называют продуктами. Таким образом, лю бую реакцию можно записать так:

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Например:

На ход реакции влияет множество факторов: температура, давление, состояние и концентрация исходных веществ и пр.

Балк технология (традиционные химия, физика, механи ка) имеет дело с макроскопическими количествами вещества, содержащими такое громадное количество атомов, что вещест во кажется сплошным и мы редко вспоминаем о его атомарной структуре. Триллионы соединенных вместе атомов образуют так называемое компактное вещество.

Стремительное развитие прецизионной техники, в част ности, сканирующих микроскопов, позволило изучать вещест ва на уровне отдельных атомов и молекул. И вот тут то ученых ждало множество сюрпризов! Оказалось, что одно и то же ве щество может значительно изменять свои химические свойства и реакционную способность в зависимости от количества ато мов в исследуемом образце и его размера.

Первым обратил на это внимание известный ученый XIX века Майкл Фарадей, сумевший получить коллоидную суспен зию, состоящую из крошечных частиц золота. В отличие от своего компактного состояния, имеющего всем знакомый жел товатый блеск, полученный образец был фиолетового цвета.

Это говорит о том, что отражающие свойства золота изменяют ся при уменьшении размеров его частиц.

Количество атомов в частице даже назвали "третьей координатой" таблицы Менделеева (наряду с группой и рядом).

Следует отметить, что именно первые опыты по получению наноскопических частиц привели к бурному росту интереса к нанохимии в научных кругах. Оказалось, что частицы наномет ровых размеров обладают повышенной химической актив ностью и реакции с их участием протекают гораздо быстрее.

Это свойство наночастиц привело к созданию новых эффек тивных катализаторов.

Суспензией (или взвесью) называется гетерогенная смесь двух компонентов. Она состоит из более С у с п е н з и е й крупных частиц одного компонента, взвешенных в среде второго компонента. По истечении некоторого времени частицы суспензии осаждаются на дно сосуда. Суспендированные (взвешенные) частицы обычно имеют диаметр порядка 1000 нм. и больше.

Катализатор это вещество, которое повышает скорость химической реакции, но само не К а т а л и з а т о р расходуется в этом процессе.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Сегодня ученые умеют получать наноструктуры практичес ки всех химических элементов, что дает огромную свободу для исследований. В последнее время стало известно, что наночас тицы серебра гораздо лучше убивают бактерии, чем серебро в компактном состоянии, что делает их полезными для очистки воды и борьбы с инфекциями. На сегодняшний день наночас тицы являются наиболее изученной областью нанохимии.

к л а с Частицы металлов размером менее 10 нм, называемые клас терами, обладают высокой химической активностью и способ т е р а м и ны вступать в реакции с другими веществами практически без какой либо дополнительной энергии. Избыточность энергии таких частиц объясняется нескомпенсированностью связей их поверхностных атомов. Дело в том, что доля поверхностных атомов у наночастицы значительно больше, чем у вещества в компактном состоянии, и растет с уменьшением частицы. Со ответственно увеличивается и вклад поверхностных атомов в энергию системы.

Рис 61. Большинство атомов наночастицы (слева) лежат на ее поверхности, в отличие от компактного вещества (справа) Из школьного курса физики мы знаем, что поверхностные атомы обладают некоторой избыточной энергией по сравне нию с внутренними – это объясняет поверхностное натяжение и капиллярный эффект. Избыточность энергии существенно влияет на температуру плавления, растворимость, электропро водность, окисленность, токсичность, взрывоопасность и т.д. Все это позволяет утверждать, что размер частицы является актив ной переменной, определяющей наряду с другими факторами ее свойства и реакционную способность.

Свойства наносистем настолько отличаются от свойств макроскопических количеств тех же веществ, что их изучает особое научное направление под названием физикохимия н а н о х и м и я наносистем или нанохимия.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ В первой половине ХХ века наибольший вклад в нанохи мию внесли специалисты, изучавшие коллоиды, а во второй по ловине – полимеры, белки, природные соединения, фуллерены и нанотрубки.

Активно развиваясь в последние десятилетия, нанохимия занимается изучением свойств различных наноструктур, а так же разработкой новых способов их получения, изучения и мо дификации.

Одна из приоритетных задач нанохимии установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.

В нанохимии чрезвычайно велика роль квантовых размер ных эффектов, вызывающих изменение свойств вещества в за висимости от размера частиц и количества в них атомов или молекул. Роль размерных эффектов настолько велика, что предпринимаются попытки создать таблицы зависимости свойств кластеров и наночастиц от их размера и геометрии на подобие периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева.

Для промышленного получения наночастиц существует много способов: биохимический, радиационно химический, фотохимический, электровзрывной, микроэмульсионный, де тонационный, лазерная абляция в жидкости, конденсация, ва куумное испарение, ионная имплантация и др. Позже мы рас смотрим некоторые способы подробнее.

Объекты нанохимии. Классификации наночастиц Поскольку нанохимия – наука сравнительно молодая, пока нет ни единой терминологии, ни классификации того, что она изучает. Более того: можно сказать, что классификаций столько же, сколько ученых. Относительно общепризнанным считает ся, что нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем.

н а н о с и с т е м о й Под наносистемой здесь понимается взвесь наночастиц размером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами на ночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще Коллоиды занимают промежуточное место между растворами и суспензиями. Они состоят из К о л л о и д ы диспергированных частиц (от "dispetsio" рассеяние) и дисперсионной среды, в которой распределены частицы, и отличаются меньшими, по сравнению с суспензий, размерами частиц (1 500 нм.) В отличие от суспендированных частиц, коллоидные частицы не осаждаются и не отделимы от дисперсионной среды обычными методами. Примеры коллоидов: дым, все виды аэрозолей, взбитые сливки, фруктовое желе, молоко, майонез, мыльная пена и т.п.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы более мелких единиц – кластеров – минимальных строитель ных “кирпичиков” вещества. Размер кластера не превышает нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевоз можные квантовые эффекты.

В науке было немало попыток классифицировать объекты нанохимии. Следующая таблица поможет вам не запутаться в определениях:

Фазовое Единичные Кластеры Наночастицы Компактное Ф а з о в о е Е д и н и ч н ы е К л а с т е р ы Н а н о ч а с т и ц ы К о м п а к т н о е состояние атомы вещество с о с т о я н и е а т о м ы в е щ е с т в о Диаметр, нм 0,1 0,3 0,3 10 10 100 свыше Д и а м е т р, н м Кол во атомов 1 10 10 106 106 109 свыше К о л в о а т о м о в Табл. 6. Объекты нанохимии Итак, примерами наносистем могут быть многоатомные кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Такой под ход позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии, а верхняя граница – это такое количество атомов в объекте, дальнейшее увеличение которого ведет к по тере специфических свойств наночастицы – они становятся аналогичными свойствам компактного вещества. Количество атомов, определяющих верхнюю границу, индивидуально для каждого вещества.

По геометрическому признаку (мерности) нанообъекты можно классифицировать с разных точек зрения. Одни иссле дователи предлагают характеризовать мерность объекта коли чеством измерений, в которых объект имеет макроскопические размеры. Другие берут за основу количество наноскопических измерений. Мы попробуем ввести классификацию, интегриру ющую оба подхода:

Характеристики Количество Количество Примеры Х а р а к т е р и с т и к и К о л и ч е с т в о К о л и ч е с т в о П р и м е р ы объекта измерений измерений о б ъ е к т а и з м е р е н и й и з м е р е н и й менее 100нм более 100нм м е н е е н м б о л е е н м Все три размера (длина, 3 мерный 0 мерный фуллерены, квантовые ширина и высота) объект объект точки, коллоидные менее 100 нм растворы, микроэмульсии Поперечные размеры 2 мерный 1 мерный нанотрубки, менее 100 нм, а длина объект объект нановолокна, сколь угодно велика. нанокапилляры и нанопоры www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Только один размер 1 мерный 2 мерный наноплёнки и нанослои (толщина) менее 100 объект объект нм, а длина и ширина сколь угодно велики.

Все три измерения 0 мерный 3 мерный обычные макротела превышают 100 нм объект объект Табл 7. Объединенная классификация оъектов нанохимии Классификация нанообъектов по их мерности важна не только с формальной точки зрения. Геометрия существенно влияет на их физико химические свойства.

В зависимости от вещества, формы кластеров и типа связи между атомами существует величайшее множество нанообъек тов. Вот некоторые из них:

Частицы из атомов инертных газов Это самые простые нанообъекты. Атомы инертных газов с полностью заполненными электронными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван дер ваальса.

При описании таких частиц с достаточно хорошей точностью применима модель твер дых шаров. Энергия связи, то есть энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома от Рис 62. Наночастица из 16 атомов аргона такой наночастицы, очень мала, поэтому они существуют при температурах не выше 10 100 К.

Частицы металлов В металлических кластерах из нескольких ато мов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи. Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и часто используются в качестве катализаторов.

Наночастицы металлов обычно принима Рис 63. Наночастица ют правильную форму октаэдра, икосаэдра, металла тетрадекаэдра.

Рис 64. Возможные формы металлических наночастиц ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Фуллерены Как уже говорилось в первой главе, фул лерены представляют собой полые внутри частицы, образованные многогранниками из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Это недавно открытая природная форма углерода, существующая наряду с уже хорошо известными графитом и алмазом.

Рис 65. Молекула Особое место среди фуллеренов занимает час фуллерена С тица из 60 атомов углерода – С60, напоминаю щая микроскопический футбольный мяч.

Фуллерены находят широкое применение, как то: создание новых смазок и антифрикционных покрытий, новых типов топлива, алмазоподобных соединений сверхвысокой твердос ти, датчиков и красок.

Нанотрубки Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из по рядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой од нослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в нес колько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис 66 Молекула однослойной нанотрубки Нанотрубки обладают рядом уникальнейших свойств, ко торые подробно рассматривались в первой главе. Благодаря им нанотрубки находят большое число областей применения, пре имущественно в создании новых материалов, электронике и сканирующей микроскопии.

Уникальные свойства нанотрубок – высокая удельная по верхность, электропроводность, прочность – позволяют созда вать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. Например, из нанотрубок делают новые источники энергии – топливные ячейки, способные работать в 3 раза дольше, чем простые батарейки аналогичного размера.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ При использовании подобной ячейки в сотовом телефоне он сможет находиться в режиме ожидания около двух недель – вместо 4 дней, как нынешнее поколение телефонов.

Рис 67. СТМ изображения матриц углеродных нанотрубок, выращенных на подложке из пористого (а) и гладкого (б) кремния Топливная ячейка заправляется метиловым спиртом, кото рый в ходе реакции расщепляется на кислород и водород, и в результате выделяется тепло и электричество. Эффективность же этого процесса зависит от размера катализатора, а потому наночастицы платины, нанесенные на нанотрубки, служат от личным катализатором.

Компания NEC начала выпуск ноутбуков со встроенной топливной ячейкой в начале 2005 года. Пока что время авто номной работы этого ноутбука составляет около пяти часов, од нако к 2006 году инженеры планируют уыеличить его до 40 ча сов. В настоящее время разработками топливных ячеек заняты многие компании, такие как Motorola, Casio, Sony, Hitachi и Samsung.

Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапли вать и хранить водород – экологичное топливо автомобилей бу дущего. Для выработки электроэнергии в двигателях на топлив ных ячейках используется реакция водорода (H2) и кислорода (O2). При этом выхлоп автомобиля состоит из водяного пара (H2O). Раньше производители не могли и помыслить о таких автомобилях, потому что водород – самый легкий в мире газ, и несколько килограмм водорода – это уже огромный баллон. Ни за какие коврижки автолюбители не стали бы таскать с собой гигантский пузырь и надувать его на бензоколонках. Но нанот рубки с наночастицами палладия могут компактно хранить во дород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают ав томобили более мощными, дешевыми и экологичными.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям та кого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компа нии выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 го ду уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco отк рыли в Калифорнии экспериментальную водородную станцию, которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных топливных ячейках.

Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позво лит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в современных батарейках. Как же она там поместится? Очень Е = m c, просто. В «квантовой» главе мы упоминали формулу Е=mc, вы веденную Эйнштейном. Многие ее видели, но далеко не все по нимают ее смысл. А она попросту отражает взаимосвязь между материей и энергией или, проще говоря, то, что можно превра щать энергию в вещество и наоборот – вещество в энергию.

Согласно этой формуле, например, в хомячке весом 0,11 кг 2 содержится 0,11•(300.000.000) = 10 Дж энергии, то есть в сто раз больше, чем выделяется при атомном взрыве! Почему же хомячок отнюдь не взрывоопасен и порой даже флегматичен?

Потому что энергию из вещества получить крайне сложно. Да же в атомных электростанциях в энергию превращается только тысячная доля массы. В термоядерных реакциях, происходящих на Солнце, в энергию превращается уже 1% вещества. И толь ко при столкновении с антивеществом материя освобождает свою полную энергию.

Так вот, наше Солнце представляет собой огромную термо ядерную водородную топливную ячейку. Если при сгорании водо род превращается в воду, соединяясь с кислородом, то в термо ядерной реакции два атома водорода превращаются… в атом ге лия, разумеется, с выделением огромной энергии. Если хими ческие реакции изменяют молекулы, перемещая атомы, то тер моядерные реакции реализуют мечту средневековых алхими ков, превращая одни химические элементы в другие (как вы уже, наверное, догадались, этим мы обязаны перемещениям су батомных частиц).

С их помощью ученые даже получили золото из свинца, од нако разбогатеть на этом им не удалось – термоядерная уста новка для получения одного нанограмма золота стоит дороже нескольких вагонов, набитых золотыми слитками.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Однако есть все основания полагать, что нанотехнология сделает термоядерные приборы компактными и дешевыми.

Тогда в каждой «пальчиковой» батарейке будет гореть миниа тюрное солнышко, автомобили смогут годами ездить без дозап равки водородом, а сотовому телефону и ноутбуку зарядное уст ройство вообще не понадобится. Подобную топливную ячейку многие читатели наверняка видели в фильме «Терминатор 3», когда выброшенная роботом сломанная батарейка взорвалась как атомная бомба.

Ионные кластеры Ионные кластеры представляют собой классическую картину, характерную для ил люстрации ионной связи в кристаллической решетке NaCl. Если ионная наночастица достаточно велика, то ее структура близка к структуре объемного кристалла. На рисунке изображен типичный пример ионной части Рис 68. Кластер NaCl цы с химической формулой NaCl Такие ионные соединения находят применение в создании фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетек торов, различных областях микроэлектроники и электрооптики.

Фрактальные кластеры Фрактальным называется объект с раз ветвленной структурой. Таковы сажа, кол лоиды, различные аэрозоли и аэрогели.

Фрактал – это такой объект, в котором при возрастающем увеличении можно увидеть, как одна и та же структура повторяется в Рис 69. Фрактальный кластер нем на всех уровнях и в любом масштабе.

Молекулярные кластеры Большинство кластеров являются молеку лярными. Их число и разнообразие огромны.

В частности, к молекулярным кластерам отно сятся многие биологические макромолекулы.

На рисунке 70 изображена молекула белка – ферредоксина.

Рис 70. Молекулярный кластер ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы В таблице приведены примеры различных наночастиц и наносистем объектов изучения нанохимии.

Наночастицы Наносистемы Н а н о ч а с т и ц ы Н а н о с и с т е м ы Фуллерены Кристаллы, растворы Нанотрубки Агрегаты, растворы Молекулы белков Растворы, кристаллы Полимерные молекулы Золи, гели Неорганические нанокристаллы Аэрозоли, коллоидные растворы Мицеллы Коллоидные растворы Наноблоки Твердые тела Пленки Ленгмюра—Блоджетт Тела с пленкой на поверхности Кластеры в газах Аэрозоли Наночастицы в слоях веществ Наноструктурированные пленки Табл 8. Основные объекты нанохимических исследований Способы получения наночастиц Разработано огромное множество методов получения на ночастиц, позволяющих весьма точно регулировать размеры частиц, их форму и строение. Мы не будем утомлять читателя подробностями и описывать каждый метод в отдельности. Ог раничимся лишь описанием общих принципов, хотя надо признать, что все разработанные методы по своему уникальны и заслуживают самого пристального внимания.

Итак, по принципу воздействия все методы получения можно разделить на две большие группы:

· диспергационные методы, или методы получения наночас · д и с п е р г а ц и о н н ы е м е т о д ы, тиц путем измельчения обычного макро образца;

· конденсационные методы, или методы “выращивания” на · к о н д е н с а ц и о н н ы е м е т о д ы, ночастиц из отдельных атомов.

Первая группа – это подход “сверху вниз”. Исходные тела измельчают до наночастиц. Это самый простой из всех спосо бов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макро тел. Вторая – подход “снизу вверх”, то есть получение наночас тиц путем объединения отдельных атомов. Этот принцип осно ван на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы.

По определению, конденсация (от лат. condensatio – уплотне ние, сгущение) – это переход вещества из газообразного состоя ния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его ох www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ лаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запо теет. На самом деле это означает, что на нем образуется множест во крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температу ра воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами пара, то при дальнейшем охлаждении микроскопические ка пельки будут собираться в более крупные и явные капли.

Примерно то же самое происходит и при конденсационном способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до об разования наночастиц нужного размера. В результате компакт ное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее происходит и при восстановлении наночастиц из ионных раст воров, только используется не пар, а жидкость.

Во всех методах получения наночастиц требуется мощный приток энергии от внешнего источника, поскольку эти методы приводят к получению наночастиц в неравновесном метастабильном состоянии.

Как только приток энергии прекращается, система стре мится вернуться к равновесию. Почему это происходит?

Рассмотрим, например, конденсационный метод: монокрис талл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар резко охлаждается. По мере охлаждения за рождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упоря дочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между нано частицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрок ристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор, пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.

В течение всего интервала времени от момента, когда в па ре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момен та, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм, система находится в наносостоянии. Затем она переходит в рав новесие, появление наночастиц прекращается. И если не соз дать искусственные условия для их консервации, то возникшие частицы тоже могут перейти в стадию компактного вещества.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы В биохимическом, фотохимическом и радиационно хими ческом синтезе конденсация наночастиц происходит не из па ра, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих за щиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.

При диспергационном способе, в условиях достаточного при тока механической энергии, размер фрагментов, на которые распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток механи ческой энергии велик, большинство фрагментов имеют нано метровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же “мясорубка” останавливается, нескомпенсированность пове рхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начина ют срастаться и укрупнятся. Все это продолжается до тех пор, пока в системе не будет воссоздан исходный монокристалл.

Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систе му вводится некоторый стабилизатор, который обычно предс тавляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной ста дии агрегации стабилизатор вступает в действие: его молекулы облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препят ствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.

Итак, мы выяснили, что большинство наносистем, получае мых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремиться вернуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяс нить стабильность некоторых наночастиц, например, уже изве стных нам фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои на нометровые размеры, они превосходно существуют и “по оди ночке”, отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.

Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанот рубки и некоторые другие наночастицы были названы “маги ческими”, а числа входящих в них атомов – “магическими числа ми”. Например, для щелочных металлов магические числа – 8, 20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для угле родных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.

Все атомы "магических" наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необходимую стабильность.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Измельчать вещество в наночастицы можно не только ме ханически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы взрывая металлическую нить мощным импульсом тока (см. рисунок 71).

Рис 71. Электровзрывной метод получения наночастиц Существуют и более экзотические способы обзавестись на ночастицами. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и по местили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действова ли как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя нано частицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.

Получение углеродных наночастиц – фуллере нов и нанотрубок Конец ХХ века ознаменовался открытием новых форм уг лерода – фуллеренов и нанотрубок. Научная и практическая значимость этих открытий настолько велика, что они даже бы ли отмечены Нобелевской премией. А ведь найдены были эти уникальные вещества в обычной саже, тысячелетиями получа емой при сгорании любых углеродсодержащих веществ – дре весины, графита, природного газа и т.п.!

Сегодня разработано много методов получения углеродных наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результа те химических превращений углеродсодержащих материалов в ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы условиях повышенных температур. Мы рассмотрим несколько наиболее популярных методов.

Электродуговое распыление графита Это самый распространен ный метод, разработанный Креч мером. Именно так японский ученый Сумио Иджима впервые получил нанотрубки в 1991 году.

Суть метода такова: в камере, за полненной инертным газом, между графитовыми электродами горит электрический разряд, ио низирующий атомы газа. Катод и стенки камеры охлаждаются при Рис 72. Схема установки Кречмера для получения нанотрубок и фуллеренов помощи воды или жидкого азота.

При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25 35В тем пература образующейся между электродами плазмы достигает 4000К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада темпе ратур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную об ласть плазмы и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода.

Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, мож но увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры – фул лерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая гра фит, сажу, и фуллерены осаждается на холодные стенки каме ры, а часть, содержащая графит и нанотрубки на катод.

Лазерное испарение графита В этом методе испаряемый лазером графит конденсируется на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень расположена в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с температурой 1000°С.

Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается бу ферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром Плазма ионизированный газ, в котором атомы теряют несколько внешних электронов и П л а з м а превращаются в положительно заряженные ионы.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ сфокусированного пучка около 1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горя чей области и осаждаются на поверхности охлаждае мого коллектора. В получа емом осадке помимо нано Рис 73. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок лазерным испарением графита частичек графита обнаружи ваются также фуллерены и нанотрубки.

Важной особенностью лазерного метода является высокая чувствительность характеристик синтезируемых нанотрубок к па раметрам лазерного излучения. В частности диаметра нанотрубок прямо зависит от мощности излучения. Это дает возможность по лучения нанотрубок с заданными структурными параметрами. К недостаткам метода следует отнести его относительно невысокую производительность и трудность масштабирования.

Сегодня получение нанотрубок в небольших количествах, достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема те перь состоит в снижении их себестоимости и получении в про мышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше мето ды не позволяют достичь этого. С этой точки зрения интересен третий метод, разработанный российскими учеными под руко водством М.М. Томишко.

Метод химического осаждения из пара Этот наиболее практичный и массовый способ получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осажде нии углеродсодержащего газа на поверхности горячего метал лического катализатора. Данный метод также получил назва ние метода каталитического разложением углеводородов.

Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена С2H2 или метана CH4 с азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700 1000°С. В трубке находится керамический ти гель с катализато ром – металли Рис 74. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок ческим порош химическим осаждением из пара ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы ком. Разложение углеводорода, происходящее в результате хими ческой реакции атомов газа с атомами металла, приводит к обра зованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десят ков микрон. Геометрические параметры нанотрубок в сущест венной степени определяются условиями протекания процесса (времени, температуры, давления и сорта буферного газа и пр.), а также степенью дисперсности и сортом катализатора.

Рис 75. Так под микроскопом выглядият нанотрубки, полученные химическим осаждением из пара Получение нанотрубок и фуллеренов методом химического парового осаждения особенно интенсивно развивается в пос леднее время, так как позволяет получать большое количество одинаковых нанотрубок на поверхности шаблона. Это откры вает путь крупномасштабному получению фуллеренов и нанот рубок и созданию на их основе промышленного производства разнообразной нанопродукции.

Как видно из описания, при всех методах получения фулле ренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака – сажу, частицы аморфного графита, а в случае ис пользования катализаторов – частицы металлов. Для повыше ния чистоты полученного продукта используют различные ме тоды очистки – как механические (фильтрация, обработка ультразвуком, центрифугирование), так и химические (промы вание в химически активных веществах, нагревание и пр.). Се годня уже возможно получение макроскопических количеств Тигель специальный сосуд для плавки, варки или нагрева различных материалов.

Т и г е л ь www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ фуллеренов и нанотрубок (до нескольких литров) практически из любого углеродсодержащего газа (например, обычного при родного газа), а ученые пытаются найти наиболее выгодный экономически метод, который позволит получать их пусть не массово, но с минимумом примесей.

Надо сказать, что метод получения наноструктур играет очень важную роль. Он влияет не только на свойства наност руктуры, но и на время ее жизни – то есть период, в течение ко торого частица способна эти уникальные свойства проявлять.

По истечении этого срока наночастицы либо окисляются, либо агрегируются в микрочастицы и приобретают свойства компа ктных веществ.

Так, например, в зависимости от метода получения время жизни наночастиц серебра может варьироваться в пределах от часов до нескольких месяцев. Ученые концерна “Наноиндуст рия” под руководством Е.М. Егоровой развивают уникальный биохимический метод получения наночастиц серебра, благода ря которому они проявляют свою активность в течение целого года. Наночастицы получают восстановлением ионов металлов до атомов в обратных мицеллах, представляющих собой мик роскопические камеры из молекул и ионов. Образовавшимся в такой камере атомам не остается ничего другого, как объеди няться в наночастицы, а оболочка мицеллы предохраняет полу ченные частицы от слипания и нежелательных реакций.

Рис 76 Фотоизображение наночастиц серебра, полученных биохимическим синтезом в обратных мицеллах ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц Серебро Как уже отмечалось, свойства у наночастицы серебра на са мом деле уникальные.

Во первых, это феноменальная бактерицидная и антиви русная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. Навер няка большинство читателей слышали о целительных способ ностях церковной “святой воды”, получаемой путем прогонки обычной воды сквозь серебряный фильтр. Такая вода не содер жит многих болезнетворных бактерий, которые могут присут ствовать в обычной воде. Поэтому она может храниться годами, не портясь и не “зацветая”.

Кроме того, такая вода содержит некоторую концентрацию ионов серебра, способных нейтрализовать вредные бактерии и микроорганизмы, чем и объясняется ее благотворное влияние на здоровье человека.

Установлено, что наночасти цы серебра в тысячи раз эффек тивнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы.

Как показал эксперимент, нич тожные концентрации наночас тиц уничтожали все известные микроорганизмы (в том числе и Рис 77. Вирусы атакуют клетку. Скорость, с вирус СПИДа), не расходуясь которой вирус атакует клетку, превышает скорость пули при этом.

Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют толь ко на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» глюкозу и гибнет, оставшись без ис точника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой обо лочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ клетки человека и животных имеют более «высокотехнологич ные» стенки, и наночастицы им не страшны.

В настоящий момент проводятся исследования возможнос тей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах. Но уже сейчас они находят огромное количество применений.

Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Зна харь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночас тиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” космети ки для предотвращения их порчи во время использования. До бавки на основе серебряных наночастиц применяются в качест ве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, космети ческих средствах для макияжа и т.д. При использовании наблю дается также противовоспалительный и заживляющий эффект.

Ткани, модифицированные серебряными наночастицами, являются, по сути, самодезинфицирующимися. На них не мо жет “ужиться” ни одна болезнетворная бактерия или вирус. На ночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п.

Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэ розоли длительного срока действия для бытового применения.

В отличие от хлорки и других химических средств обеззаражи вания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.

Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, переда ваемыми воздушно капельным путем – гриппом, туберкулезом, менингитами, вирусным гепатитом и т. п. Но, увы, воздух в на ших квартирах, офисах и особенно в местах массового скопле ния людей (больницы, общественные учреждения, школы, детс кие сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасыщен патогенными микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Традиционные способы профилактики не всегда справля ются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасоч ные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы серебра. Как оказалось, на покрашенных такими красками сте нах и потолках не может “жить” большинство патогенных мик роорганизмов.

Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для воды, практически не вымываются с ней, как это происходит в случае обычных серебряных ионов. Это говорит о том, что срок действия таких фильтров будет несоизмеримо больше, а качест во очистки воды возрастет на порядок.

Короче говоря, крошечные, незаметные, экологически чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где необходимо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических средств до обеззараживания хирургических инструментов или помещений. При этом, как уверяют ведущие российские уче ные в данной области, стоимость средств и материалов, создан ных на их основе, будет не намного дороже традиционных ана логов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каж дому. Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в со товые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую бытовую технику.

Помимо обеззараживающих свойств, наночастицы серебра обладают также высокой электропроводностью, что позволяет создавать различные проводящие клеи. Проводящий клей мо жет быть использован, например, в микроэлектронике для сое динения мельчайших электронных деталей.

Оксид цинка Наночастицы ZnO также обладают рядом уникальных свойств (в том числе и бактерицидных), среди которых особый интерес вызывает способность поглощать широкий спектр электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.

Такие частицы могут служить, например, для защиты про тив УФ лучей, придавая новые функции стеклам, пластмассам, краскам, синтетическим волокнам и т.д. Это позволяет созда вать солнечные очки, специальную одежду и другие вещи, не только защищающие от ультрафиолета, но и препятствующие www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ нагреву в жаркий летний день. Их можно использовать в солн цезащитных кремах, мазях и других препаратах, поскольку они мягки, безопасны и не раздражают кожу.

Кроме того, способность этих наночастиц к рассеянию электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды для придния ей свойств невидимости в инфракрасном диапазо не за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла.

Это позволяет изготавливать камуфляжи и покрытия типа “стелс”, невидимые в широком диапазоне частот – от радио до ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или антитеррористических операциях, поскольку позволяет вплот ную подойти к противнику без риска быть замеченным прибо рами ночного видения.

Материал на основе наночастиц ZnO может также приме няться в инфракрасных датчиках.

Серпентин Нанотрубки серпентина – замечательный пример про мышленного применения уникальных свойств наночастиц.

Отечественный концерн “Наноиндустрия” выпустил на основе минеральных нанотрубок (не путать с углеродными!) специаль ный ремонтно восстанавительный состав (РВС). Такой нано технологический РВС способен восстановить после износа практически любые трущиеся металлические поверхности (двигатели автомобилей, узлы трения различных станков и ме ханизмов), а залив его в картер автомобиля, можно надолго за быть о проблеме износа двигателя.

В обычном состоянии механические части двигателя посте пенно разрушаются из за трения, так как созданы по грубой балк технологии. Но если добавить в масло флакончик РВС, то происходит следующее: при работе механические части нагре ваются от трения, этот нагрев катализирует присоединение на нотрубок к поврежденным областям, в результате чего в облас тях интенсивного трения на поверхности деталей образуется идеально ровный защитный слой. А при сильном нагреве они утрачивают свою способность к присоединению. Таким обра зом, в трущемся узле постоянно поддерживается тепловое рав новесие и детали, ввиду идеальной гладкости взаимодействую щих поверхностей, практически не изнашиваются.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Рис 78. Схема действия восстановительного состава РВС “Нанотехнология” Результаты исследований показали, что слой остается в це лости и сохранности феноменально долгое время после смены масла. Такая простая, казалось бы, технология помимо продле ния жизни вашего автомобиля дает еще кучу полезных преиму ществ, в частности:

возможность восстановления изношенных деталей без разборки двигателя;

очистка двигателя от нагара и смолистых отложений;

увеличение мощности двигателя на 15 17%;

снижение стоимости ремонта деталей в 2 3 раза;

снижение вибрации и шума;

уменьшение токсичности выхлопных газов на 70 80%!

Последнее заслуживает особого внимания в связи с далеко не благоприятной экологической обстановкой, вызванной пе реизбытком выхлопных газов по всему миру. Руководство стран западной Европы, уделяющее большое внимание этой пробле ме, мгновенно оценило возможности нового продукта. В част ности, итальянская “партия зеленых”, проведя необходимые исследования, пришла к выводу, что если все владельцы авто мобилей обработают их российским РВС, это снизит уровень выбросов настолько, что Италия сможет подписать Киотское соглашение без снижения промышленных выбросов вообще.

В настоящее время в Италии лоббируетс я соответствующий законопроект.

Ликвидация некоторого числа промышленных предприя тий привело бы к многомиллиардным убыткам для экономики страны, в то время как стоимость обработки одного автомобиля 10.

В главе "Нанотехнологии и общество" Киотскому протоколу уделено большое внимание www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ составляет менее $30 (не говоря уже о личных выгодах для каж дого автолюбителя). Нам же остается только удивляться равно душию российских чиновников, не проявивших никакого инте реса к представленному им подробному отчету о результатах ис пытаний отечественного нанотехнологического продукта.

Диоксид кремния Наночастицы диоксида кремния (SiO2) обладают удиви тельным свойством: если их нанести на какой либо материал, то они присоединяются к его молекулам и позволяют поверх ности отторгать грязь и воду. Самоочищающиеся нанопокры тия на основе этих частиц защищают стекла, плитку, дерево, ка мень и т.д. Частицы грязи не могут прилипнуть или проникнуть в защищаемую поверхность, а вода легко стекает с нее, унося любые загрязнения.

Рис 79. Принцип действия самоочищающихся нанопокрытий Нанотехнологи придумали, как защищать не только такие монолитные структуры, как дерево или камень, но и нашу с ва ми одежду. Одного литра водного раствора наночастиц SiO2, глубоко проникающих в волокна тканей, хватает для обработки 5 30 кв.м полотна. Ткань после нанесения покрытия свободно пропускает воздух, но не пропускает влагу. Можно забыть про трудновыводимые пятна от кофе, жира, грязи и пр. Покрытие устойчиво к трению, гибко, не портится от солнечного света, температуры и стирки.

“Умные” материалы Одним из главных практических применений нанохимии явля ется производство всевозможных наноматериалов. Благодаря спе цифическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят “обычные” по многим параметрам.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 – 2, а в некоторых случаях – и в 3 раза. Твердость его больше в 50 раз, а коррозийная стойкость – в 10 12 раз!

Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпроч ные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защища ющий человека от вредного воздействия радиоизлучения (веду щие производители сотовых телефонов уже планируют произво дить из него корпуса для телефонов нового поколения).

"Умные" материалы активно реагируют на изменения окружающей среды и изменяют свои свойства в зависимости от обстоятельств.

Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распро странению так называемых “умных материалов”.

Самым простым примером “умного материала”, созданно го природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горя чее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опас ность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой орга низм от переохлаждения;

она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека.

Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой по тоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптималь ная температура здорового человека – около 36,6°С. При повы шении или понижении температуры тела всего лишь на 2 3 гра дуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает, внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной дея тельности и дыхания. Температура ниже 25°С является крити ческой – человек умирает. Не менее опасно и повышение тем www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ пературы тела. Критической считается температура 42°С – при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, че ловек теряет сознание. Если такая температура долго не спада ет, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.

Тем не менее, благодаря потовым железам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить темпе ратуры, намного превышающие эти критические 42 градуса.

Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводив шие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопе карни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш орга низм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воз духе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без вреда для себя.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что наша ко жа автоматически реагирует на повышение температуры окру жающей среды посредством обильного выделения пота. Испа рение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает теп ло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.

Природа позаботилась о своих созданиях, наградив нас этим поистине волшебным средством защиты. Но и человеческая мысль тоже не стоит на месте! Уже довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объ ектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”, материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.

Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий момент группа российских ученых под руководством Г.В. По повой работает над созданием биомиметических материалов – материалов, подражающих биологическим тканям, распрост раненным примером которых могут быть производимые насе ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы комыми паутины, отличающиеся эластичностью и проч ностью, превышающими эластичность и прочность всего, что до сих пор смогли создать наши технологии.

Основу всех биомиметиков составляют искусственные бел ки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком.

Причем если обычные белки имеют уникальную последова тельность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какой либо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белков полиаминокислоты, построенные на основе одного един ственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молеку лы красители, фотоактивные, электроактивные, люминесци рующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми инте ресными свойствами.

Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями создала природа. Большинство из них умеют активно реагировать на изменения внешней среды, ак тивно приспосабливаться к ним. Искусственные биомимети ки, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражи тели: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих эко логический мониторинг.

Повышаешь, например, температуру на полградуса био миметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в ис ходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электри ческий ток и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом банку с нашатырным спиртом или даже Комет гелем система начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку и никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит все эти отклики и изменения вызываются внут ренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.

Особый интерес представляют также и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный био материал, способный быстро разлагаться на естественные при www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ родные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.

В этом направлении британскими учеными реализован весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефо нов. В настоящее время мобильные телефоны являются одни ми из самых выбрасываемых устройств среди потребительской электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации заключается в материале, из которого изготавливается корпус телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер, который способен разлагаться в земле в течение нескольких не дель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком, можно разместить семена растений – например, подсолнуха.

После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорас тать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совер шенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов, удастся решить проблему экологичной утилизации старых со товых телефонов.

К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного ко личества подобных проектов можно выделить, например, одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно наоборот, уплотняется. Совсем скоро на при лавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах та бачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отго няющая насекомых, носки, благоухающие цветочными арома тами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и на долго запихнуть в чемодан.

Современные фантастические фильмы буквально изобилу ют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий пример – жидкий “Терминатор” из одноименного фильма, принимающий любую форму. С развитием нанотехнологий ма териалы с подобными чудодейственными способностями ста новятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы ферромагнитная жидкость, способная принимать определен ную форму под действием электромагнитного поля. На рисун ке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирую щего поведение ферромагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося магнитного поля Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпо нентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные раство ры. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свой ствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связыва ющегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Фер ромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности.

Такая система не только активно реагирует на изменения окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение та ких материалов можно запрограммировать заранее.

"Умные материалы" следующего поколения представляют собой программно аппаратный комплекс из всевозможных сенсоров, миниатюрных компьютеров и исполнительных наноустройств.

Разработчиками компании Philips был предложен проект по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками, отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего обла дателя. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда свя зывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой помощи и спасает человеку жизнь...

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Наверняка многие читатели видели фантастический фильм “Хищник”, где хитрый инопланетный монстр, нападавший на Шварценеггера, обладал чудесным костюмом невидимкой.

Рис 81. Кадр из кинофильма “Хищник” И что бы вы думали? Сегодня уже продемонстрированы первые образцы такого костюма, созданного с помощью нано технологий! Они пока еще далеки от совершенства, но, кажет ся, уже в ближайшие годы мы получим первого настоящего “человека невидимку”.

Рис 82. Демонстрация одного из опытных образцов костюма невидимки * Правительство США планирует к 2018 году оснастить та ким камуфляжем своих солдат.

Принцип работы костюма невидимки будущего прост: он представляет собой наноматериал, в который встроены миниа тюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Каждый дат * Перепечатано с www.intelmessages.org ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы чик, принимающий изображение из какой либо точки, например, со спины, посылает видеосигнал на процессор, который перенап равляет его на соответствующий участок “экрана” спереди.

При этом процессор моделирует траекторию луча таким об разом, как если бы между принимающим датчиком и светоиз лучающим элементом ничего не было. Это позволяет наблюда телю видеть предметы, которые фактически находятся за обла дателем костюма.

Технология “невидимости” на верняка будет задействована во многих сферах человеческой дея тельности. Возможно, ею восполь зуются хирурги, которым собствен ные руки и инструменты часто ме шают видеть оперируемые органы.

Летчики также будут не против “прозрачного” пола в кабине само Рис 83. Схема работы костюма лета, показывающего все детали по невидимки садки и т.д.

Теперь давайте немного пофантазируем… Как уже было отмечено, одной из особенностей “умных ма териалов” является возможность программного управления их поведением. Так что мешает нам как программистам такого ма териала невидимки запрограммировать его “показывать” внешним наблюдателям не только “пустое место”, и даже не са мого пользователя костюма, а кого нибудь другого, например, известную кинозвезду или пришельца гуманоида? Вот где было бы раздолье для любителей розыгрышей!

Впрочем, сколь бы ни был изобретателен ум шутника неви димки, “оружие” против него может быть самым простым: баллон с яркой краской да распылитель – и никакой вам невидимости!

Кстати, вот вопрос: а будет ли “человек невидимка” отбра сывать тень в яркий солнечный денек? Предлагаем поразмыс лить над этим вопросом самостоятельно… Сегодня создать столь совершенную конструкцию невиди мости пока нереально – нет ни соответствующих компьютер ных мощностей, ни малых размеров. Однако технологии при менения той же идеи, ну, например, в архитектуре уже вполне реальны. Для маскировки всего или части высотного здания www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ достаточно даже сантиметрового “разрешения”. Поэтому, на верное, не за горами то время, когда однотипные многоэтаж ные “коробки” канут в лету, а нашему взору предстанут архи тектурные ансамбли, буквально “парящие в воздухе”.

Архитектура будущего будет потрясать воображение красо той, надежностью и индивидуальностью.

Рис 84. Возможно, именно так в будущем смогут выглядеть современные города.

Следует отметить, что идея подобной конструкции не нова.

Сотни миллионов лет назад природа уже изобрела похожее покрытие из микроскопических видеодатчиков и наградила ими глаза некоторых насекомых. На рисунке изображены глаза стрекозы с 200 кратным увеличением.

Рис 85. Взгляните в глаза стрекозы* Некоторые наноматериалы “ведут себя” совсем не так, как им “положено” себя вести с точки зрения классической науки.

В школе нас учат, что при нагревании все тела расширяются, а * Фото перепечатано с разрешения Курта Декерта автора замечательной книги “Eye Design Book” (www.eyedesignbook.com) ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы при охлаждении сжимаются. Однако наноматериал, над кото рым в настоящее время работает Елена Сердунь – молодой кан дидат наук из ФЭИ, – ведет себя с точностью до наоборот! Ма териал состоит из пористой матрицы и лиофобной, то есть нес мачивающей ее, жидкости. Если его нагреть, то он сжимается, накапливая тепло. И наоборот – отдавая тепло, расширяется.

Можно поступить наоборот: сжать систему, и тогда она самоп роизвольно нагреется!

Такой “умный” материал, превращающий тепловую энер гию в механическую и наоборот, фактически представляет со бой обратимый тепловой аккумулятор. Благодаря своим удиви тельным способностям он может использоваться как преобра зователь тепловой энергии в двигателях, холодильниках или стать основой для невиданных прежде энергетических устано вок. К примеру, защитные клапаны и мембраны, автоматичес ки срабатывающие при изменении температуры или давления (в случае перегрева или разгерметизации) без вмешательства человека. Такие клапаны способны самостоятельно контроли ровать весь производственный процесс, предотвращать послед ствия ошибок персонала и останавливать работу оборудования в случаях угрозы аварии.

Их можно применять для повышения надежности произво дства, для защиты емкостей, находящихся под давлением, при перевозке и хранении опасных или ядовитых грузов и т.п.

Но инженеры на этом не остановились и создали наност руктурированный сплав четырех металлов – свинца, сурьмы, серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию… прямо в электричество. Это позволит не только использовать тепло, бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и по лучать огромное количество дармовой энергии из лавы и расп лавленных пород, из которых почти целиком состоит наша Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.

Американские ученые уже сумели пропустить мощные электрические заряды по молекулярным полимерным цепоч кам, что является одним из ключевых моментов в создании так называемых “солнечных пластмасс”, которые могут сделать сол нечные батареи настолько эффективным источником электри чества, что они составят серьезную конкуренцию сегодняшним тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатываю www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ щие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу дома и полностью обеспечить его электричеством. Долговеч ные и эффективные солнечные батареи могут быть созданы, например, на основе фуллеренов или биополимеров.

Сегодня такие “умные” наноматериалы кажутся нам чудес ными, необычными, и, конечно же, являются весьма дорогос тоящими, поскольку их получение еще остается в рамках лабо раторий. Но все же не за горами тот день, когда и они пересту пят их порог и войдут в нашу привычную жизнь.

Ведь сегодня мы повсеместно используем, например, алю миний и даже не задумываемся над тем, что когда то алюмини евая посуда (аналог современных баночек из под кока колы) ценилась наравне с золотой и серебряной. До изобретения электричества из за огромных трудностей, связанных с получе нием алюминия, этот легкий и красивый металл применялся только для изготовления ювелирных изделий. Об этом свиде тельствуют многие археологические находки. Хрестоматийный пример: алюминиевая кружка на золотой цепочке. В 1889 г., когда великий русский химик Д. И. Менделеев приезжал в Лон дон, ему были преподнесены в качестве особо ценного подарка весы, сделанные из золота и алюминия.

Так что весьма вероятно, что вскоре каждый из нас сможет использовать “умные” наноматериалы в своей повседневной жизни. Только представьте: вы садитесь в сверхпрочный и сверхлегкий автомобиль, температура салона в котором вне за висимости от погоды – будь то невыносимая жара или треску чий мороз – всегда остается в пределах 20 22єС. Кресла и стулья в вашем доме сделаны из “умного” материала, реагиру ющего на изменение давления. Когда вы садитесь, они автома тически трансформируются таким образом, чтобы сидеть в них было удобно и комфортно. Окна вашего дома, сделанные из са моочищающегося стекла, самостоятельно расщепляют и удаля ют попадающую на них грязь и пыль, не требуя никаких усилий с вашей стороны. А на грядках у вашего дедушки парниковая пленка реагирует на потепление или похолодание и сама отк рывает и закрывает грядки. Красота!

Алмазоид – наноматериал будущего Уникальные свойства алмаза издавна привлекали внима ние ученых. Во первых, благодаря тому, что каждый атом угле ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы рода в кристаллической решетке алмаза связан с четырьмя дру гими атомами прочными ковалентными связями C C, алмаз обладает феноменальной прочностью. Он способен выдержи вать давление порядка 1050 ГПа и температуру свыше 1800°С.

Во вторых, этот драгоценный кристалл состоит из атомов углерода – довольно распространенного на Земле элемента, входящего также в состав нефти, природного газа, древесины, угля, графита и пр. На нашей планете имеется около 6• тонн углерода, что в миллион раз превышает массу всех постро ек и продукции за всю историю человеческой цивилизации.

Благодаря своим замечательным характеристикам природ ный алмаз мог бы найти широкое применение в промышлен ности, медицине и т.д., если бы не его чрезвычайная редкость и дороговизна. Оригинальные бриллиантовые украшения из са мых больших природных алмазов не превышают нескольких сантиметров и стоят сотни тысяч долларов. Однако повсемест ная распространенность углерода не могла не навести ученых на мысль о разработке методов получения искусственных алма зов из дешевых углеродсодержащих соединений.

В итоге, такие методы были изобретены, и сегодня искус ственный алмаз является превосходным материалом во многих областях промышленности: электронной, металлообрабатываю щей, авиакосмической, автомобильной, судостроительной и т.д.

С развитием нанотехнологий возрос интерес к получению ал мазных частиц нанометрового размера и возникла идея сущест вования алмазоидов – мельчайших кирпичиков, из которых состоит кристалл макроскопического ал маза, полностью повторяющих его тетраэдрическую структуру.

Рис 86. Структура алмазоидов Такие элементарные кирпичики молекулы получили название: адамантана (C10H16), диаман тана (C14H20) и триамантана (C18H24).

Между собой атомы углерода связаны ковалентной связью, а свободные связи поверхностных атомов “заняты” атомами водорода.

Долгое время эти соединения считались гипотетическими молекулами, так как их нельзя было ни выделить из окружаю www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ щей среды, ни получить методами термохимического синтеза.

Но в 1957 они были обнаружены в природе – алмазоиды уда лось выделить из... сырой нефти.

Алмазоиды могут иметь разную пространственную структу ру, но всем им присущи те же базовые характеристики, как у природного алмаза: модуль Юнга>1050 ГПа, температура плав ления выше 1800°С, плотность 3500 кг/м3. Поэтому любой объ ект, изготовленный из алмазоидов, будет иметь жесткость го раздо больше, чем аналогичный из стали, более высокую тем пературу плавления, и будет гораздо легче аналогов из других материалов.

Алмазоид представляет собой углеводород, в котором атомы А л м а з о и д углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе.

Перспективы применения алмазоида Благодаря характеристикам, близ ким к алмазу, алмазоид имеет широ кий спектр применения в различных областях жизнедеятельности человека.

Это, прежде всего, микро и наноэлет роника, медицина, машиностроение, металлообработка, двигателестрое Рис 87. Модель алмазоидной пленки.

ние, авиастроение, транспорт. Рас Серыми шариками изображены атомы углерода, белыми – смотрим вкратце некоторые из них.

окружающие их атомы водорода Наноалмаз и алмазоидные плен ки имеют широкие перспективы применения в различных уст ройствах электроники, MEMS и NEMS устройствах, полевых транзисторах, электронно лучевых устройствах и оптических компьютерах.

Одним из основных современных применений наноалмазов является полировка электронных и оптических материалов для электроники, радиотехники, оптики, медицины, машинострое ния, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалма зов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность твердых тел любой геометрической формы, не имеющую дефек тов и дислокаций, с высотой шероховатости рельефа 2 8 нм.

. MEMS или NEMS аббревиатура от Micro (Nano) Electric Mechanical System. Подробному описанию этих устройств посвящена отдельная глава данной книги.

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных ма сел, абразивных инструментов, полимерных композитов, ре зин и каучуков, систем магнитной записи.

Введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы увеличивает их прочность и износостойкость. “Алмазные“ шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам темпера тур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Се вера, и в жарких пустынях.

Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждаю щих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличи вает ресурс работы моторов и трансмиссий.

Алмазоид является первым претендентом в списке матери алов, из которых в перспективе могут быть изготовлены меди цинские наноинструменты и нанороботы. Поскольку их дея тельность будет производиться, в основном, внутри тела, необ ходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима с тканями и клетками организма.

Известно, что обычный алмаз отличается высокой био совместимостью по сравнению с другими веществами. Кли нические испытания сравнительно грубой алмазной поверх ности протезов и имплантантов показали, что она химически инертна, нетоксична для клеток, воспринимается лейкоцита ми как “своя” и не вызывает воспалительных или патогенных процессов.

Ученые только что научились получать алмазные нанопок рытия, поэтому невозможно точно предсказать реакцию на них клеток организма, но известно, что мелко измельченные угле родные частицы хорошо усваиваются телом: древесный уголь и копоть (сферические частицы диаметром 10 20 нм) использо вались для татуировки с древнейших времен. В настоящий мо мент активно ведутся исследования на биосовместимость алма зоидных наночастиц, но до сих пор ни о каких вредных воздей ствиях на организм заявлено не было.

Вероятно, благодаря своим уникальным характеристи кам, алмазоид станет универсальным и дешевым материалом XXI века.

Абразивные инструменты инструменты высокой твердости для механической обработки металлов А б р а з и в н ы е и н с т р у м е н т ы www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Получение наноалмазов На сегодня существует несколько способов получения ал мазных наночастиц. Среди них наиболее распространены сле дующие:

· получение из природных алмазов физическими методами;

· · синтез при сверхвысоких давлениях и температурах;

· · электронно и ионно лучевые методы, использующие · облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и ионами аргона.

· химическое осаждение углеродосодержащего пара при · высоких температурах и давлениях.

На следующем рисунке изображены стадии зарождения и роста наночастиц алмаза из газовой фазы при 1000°С.

Рис 88. а) 0 мин, б) 15 мин, в) 30 мин, г) 60 мин после начала наращивания затравочных кристаллов алмаза, помещенных на медную подложку Еще наноалмазы получают детонационным синтезом, ведь при взрыве образуется достаточно высокая температура и дав ление для формирования наноалмазов. Однкао взрывчатка сто ит дорого. В то же время, по международным обязательствам, наша страна должна уничтожить более миллиона тонн своих боеприпасов, что обоходится в 1500 долларов на тонну. Акаде мик В.М.Лоборев предложил использовать боеприпасы для производства наноалмазов, но до практики дело, как это водит ся, не дошло. В результате имеем отсутствие боеприпасов, на ноалмазов и денег.

Для получения сложных алмазоидных наноструктур перс пективна идея автоматизированного механосинтеза,, который станет возможным с появлением точных наноманипуляторов.

Сегодня химикам удается получать сложные молекулярные комплексы, смешивая в пробирках различные вещества при не обходимых условиях и в нужной концентрации. Так почему просто не собирать наноструктуры из атомов механическим пу тем под контролем компьютера и человека? Если удается до биться необходимых результатов с помощью пробирок, то не лучше ли наноманипуляторы справятся с таким заданием?

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы Идея молекулярного механосинтеза чрезвычайно проста и напоминает роботизированную фабрику, например, по сборке автомобилей: наноманипулятор берет атом и присоединяет его к поверхности собираемого объекта. Такая система кажется до вольно простой и эффективной, и более подробно будет рас смотрена в главе “Инструменты нанотехнологии” Итак, повторим еще раз!

И т а к, п о в т о р и м е щ е р а з !

Атомы образуют химические связи, чтобы приобрести устойчивую электронную конфигурацию, т.е. полностью за полнить свою внешнюю электронную оболочку. Тип связи вли яет на свойства вещества, включая реакционную способность..

Выделяют несколько типов химической связи:

Ионная связь обусловлена электрическим притяжением между противоположно заряженными ионами. Типичный представитель поваренная соль (NaCl).

Ковалентную связь образуют атомы с общей парой электронов. Типичный представитель – алмаз.

Металлическая связь связывает ионы металлов, “плава ющие” в облаке нелокализованных электронов, что объясняет высокую гибкость и прочность металлов.

Силы Ван дер Ваальса это все виды слабого межмоле кулярного взаимодействия, кроме водородной связи.

Водородная связь обусловлена притяжением между ато мом водорода и другими электроотрицательными атомами.

Она может быть как межмолекулярной (вода, лед), так и внут римолекулярной (в молекуле ДНК).

Количество атомов в частице сильно влияет на ее свойства Н а н о х и м и я Нанохимия изучает свойства и способы получения на ночастиц. Одна из главных задач нанохимии установление связи между размером и реакционной способностью.частицы.

Выделяют две группы методов получения наночастиц:

Диспергационные (измельчение);

е Конденсационные (восстановление из ионов и атомов).

Наночастицы (кроме “магических”) так и норовят срас тись. Чтобы этому помешать в систему вводят стабилизатор.

Наночастицы могут обладать уникальными свойствами.

Наночастицы серебра убивают большинство известных ви русов и микробов. Фильстры для очистки воды и воздуха на ос www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ нове этих наночастиц гораздо более эффективны и долговеч ныпо сравнению с ионными фильтрами.

Наночастицы оксида цинка защищают от вредного воздей ствия УФ лучей. Их можно исползовать при производстве оч ков, одежды, солнцезащитных кремов и пр. Кроме того, ими можно модифицировать ткани для камуфляжей и покрытий типа “стелс”, невидимых в широком диапазоне частот.

Наночастицы диоксида кремния позволяют создавать само очищающиеся покрытия для тканей, стекла, дерева, керамики и камня.

РВС на основе нанотрубок серпентина продлевает жизнь автомобиля и значительно снижает уровень выхлопных газов.

Одним из практических применений нанохимии явля ется производство наноматериалов с улучшенными свойства ми, а также “умных” материалов, способных активно реагиро вать на изменения окружающей среды и изменять свои свой ства в зависимости от обстоятельств.

С развитием нанотехнологий большой интерес вызывает алмазоид углеводород, в котором атомы углерода образуют а л м а з о и д тетраэдрическую пространственную решетку, точно такую же, как в алмазе. Выделяют три вида алмазоидов: (адамантан, диа мантан и триамантан), Всем им присущи базовые характерис тики алмаза, в том числе, высокая биосовместимость. Благода ря этому, алмазоид является первым претендентом в списке ма териалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены медицинские нанороботы.

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Глава 4. Наноэлектроника и МЭМС “Закон Мура замечательный пример экспо ненциального роста. На то, чтобы добиться от компьютера быстродействия в 1 МГц, у челове чества ушло 90 лет. Сегодня же мы добавляем по 1 МГц каждый день.” Рэй Курцвейл Появление и развитие полупроводниковой электроники Нельзя не восхищаться достижениями человечества во вто рой половине ХХ века, когда чуть ли не каждый год сопровож дался крупным прорывом то в одной, то в другой области. Од ной из причин тому явилось широкомасштабное применение полупроводников.

Казалось бы, что здесь такого? Люди начали использовать еще один вид материалов, и только. Но… можно сказать, что именно полупроводники превратили за несколько десятилетий разгромленную во второй мировой войне нищую, голодную Японию в одну из ведущих держав мира.

Полупроводники – это нечто среднее между проводниками и П о л у п р о в о д н и к и диэлектриками. К ним относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неор ганические вещества окружающего нас мира – полупроводни ки. Самым распространенным в природе полупроводником яв ляется кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Главная особенность полупроводников состоит в том, что их физические свойства сильно зависят от внешних воздей ствий изменения температуры или малейшего количества примесей.

Целенаправленно изменяя температуру полупроводника или легируя его (добавляя примеси), можно управлять его физическими свойствами, в частности, электропроводностью.

То, что вещества по разному проводят электричество, лю дям было известно еще 180 лет назад. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность метал лов уменьшается с ростом температуры.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Проводя дальнейшие эксперименты, его ученик Майкл Фа радей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электроп роводность с ростом температуры не падает, а возрастает. Затем он открыл еще несколько веществ с необычной зависимостью проводимости от температуры. В то время, однако, это не заин тересовало научный мир, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление селена (Se) меняется при освещении.

Селеновые фотосопротивления сразу нашли применение в разных оптических приборах. И первым полупроводниковым прибором стал фоторезистор, представляющий собой обычный селеновый столбик, электрическое сопротивление которого в темноте ниже, чем на свету.

Бурное развитие полупроводниковой электроники нача лось с изобретением сначала точечного (1948г.), а затем и плос костного (1951г) транзистора – основы любой современной микросхемы.

Чтобы понять принцип работы транзистора, надо рассмот реть ряд физических процессов, протекающих в полупроводни ках. Для начала рассмотрим суть электропроводности, то есть способности различных веществ проводить ток.

Электропроводность Как известно, все вещества состоят из атомов, соединен ных химическими связями, во многом определяющими их фи зико химические свойства, в частности, электропроводность.

Так, например, соль или дерево не проводят ток, являясь иде альными диэлектриками, в то время как металлическая прово лока служит превосходным проводником тока. В чем же секрет высокой электропроводности металлов?

Электропроводность металлов Атомы в кристаллической решетке металлов упакованы очень плотно каждый атом может быть непосредственно свя зан с 12 ю соседними. Поэтому электроны внешних оболочек атомов (валентные электроны) оказываются “свободными” и не участвуют в межатомных взаимодействиях. Эти электроны могут беспорядочно двигаться, образуя так называемый “элект ронный газ”, в который погружены положительные ионы ме талла, расположенные в узлах кристаллической решетки ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Как ионы, образую щие решетку, так и элект роны участвуют в тепло вом движении. Ионы со вершают тепловые колеба ния в узлах решетки. Сво бодные электроны движут ся хаотично и сталкивают Рис 89. Газ свободных электронов в кристаллической ся с ионами решетки. Из решетке металла. Показана траектория одного из электронов за взаимодействия с иона ми электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так на зываемый потенциальный барьер. Высота этого барьера назы вается работой выхода.

При комнатной температуре у электронов не хватает энер гии для преодоления потенциального барьера. Но если прило жить к металлической проволоке разность потенциалов, то по ней потечет электрический ток, образованный свободными электронами, постоянно присутствующими в кристалле.

Именно высокая концентрация свободных электронов и обус лавливает высокую электропроводность всех металлов.

Электропроводность полупроводников Рассмотрим теперь кристаллическую решетку полупровод никовых кристаллов. Для полупроводников характерна ковале нтная связь между атомами. В качестве примера рассмотрим кристалл германия (Ge), имеющий четыре валентных электрона.

Благодаря прочности ковалентной связи электроны в крис талле германия гораздо более локализованы, чем в металлах.

Это означает, что в обычных условиях его проводимость на по рядки меньше, чем у металлов (из за отсутствия “свободных” нелокализованных электронов).

Что же будет, если к такому кристаллу приложить разность потенциалов? Даже если при этом в кристалле будет создано очень сильное электрическое поле, оно сможет лишь чуть чуть деформировать электронные орбиты, но разорвать их пол ностью окажется не в состоянии. Свободных носителей заряда в кристалле не возникнет, и, следовательно, не будет электри ческого тока. Таким образом, в “чистом виде” кристалл герма ния представляет собой обычный диэлектрик.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Чтобы в кристалле кремния появились свободные носите ли заряда, необходимо как то нарушить их стабильные ковале нтные связи. Достичь этого можно различными способами.

Во первых, кристалл можно просто нагреть, придав его элект ронам дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы раз рушить межатомные электронные связи. Предположим, в результате нагревания одна из связей разорва лась, а выбитый со своей орбиты Рис 90. Парно электронные связи в электрон оказался между четырьмя кристалле германия соседними атомами.

Что в это время происходит с разорванной связью?

Появившаяся у нее дополнительная энергия позволяет зах ватить электрон из соседней связи. В свою очередь, вновь обра зовавшаяся “дырка” также “отнимает” электрон у соседней связи и т.д. В результате такая неполная связь подобно свобод ному электрону хаотично перемещается между атомами решет ки. Движение разорванных связей происходит за счет перехода электронов, участвующих в соседних связях, а не свободных электронов, так что каждый раз в кристалле появляется очеред ная неполная связь.

Образно это можно уподобить случаю, когда в заполнен ном зрительном зале уходит один из зрителей первого ряда. На его место сразу пересаживается зритель из второго ряда, чье место тут же занимает человек, сидевший в третьем ряду и т.д.

При этом пустое место перемещается по залу от первого ряда к последнему противоположно движению зрителей.

Когда разорванная связь перемещается по кристаллу, то движется и созданный ею нескомпенсированный положитель ный заряд. Это можно рассматривать как появление в полупро воднике положительно заряженных частиц, величина заряда которых равна заряду электрона. Такие квазичастицы (“квази” – значит “почти”, так как это все таки не частицы) получили д ы р о к название “дырок”.

Свободный электрон и дырка существуют в кристалле не 10 вечно. Спустя некоторое время, составляющее от 10 до 10 с, свободный электрон и дырка встречаются и рекомбинируют.

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС При рекомбинации выделяется энергия, которая была зат рачена на создание электронно дырочной пары. Иногда она выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристал лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется собственной электропроводностью полупроводников.

с о б с т в е н н о й э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со свободными электронами, поэтому концентрации электронов (n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей) равны:

p = n p = n Второй способ получить в полупроводнике свободные но сители заряда – намеренное введение в кристалл различных примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалент ного вещества, например, мышьяк – As или фосфор – P.

Наличие пяти валентных электронов в атоме As говорит о его способности организовывать химические связи с пятью сосед ними атомами. Но в кристалли ческой решетке кремния имеется только четыре соседних атома, с которыми можно образовать свя зи. Поэтому только четыре из пя ти валентных электронов мышья Рис 91. Атом мышьяка в решетке германия.

Полупроводник n типа ка оказываются включенными в прочные химические связи. Оставшийся же пятый электрон оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в кристалле создаются дополнительные носители заряда – элект роны.

д о н о р н ы м и Такие примеси называют донорными. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рожде ние свободного электрона здесь не сопровождается одновре менным появлением дырки, поскольку межатомные связи при этом не разрушаются. В результате концентрация свободных электронов в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок:

p < n p < n www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Полупроводники с донорными примесями называют по лупроводниками n типа (от англ. “negative” – отрицательный, по знаку основных носителей заряда) или электронными полуп роводниками, а электроны – основными носителями заряда.

Возможна и противополож ная ситуация, когда в четырехва лентный полупроводник вводит ся трехвалентная примесь, нап ример индий In или алюминий Al. Для образования связей с че тырьмя соседними атомами ему не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом примеси может легко “отобрать” Рис 92. Атом индия в решетке германия.

Полупроводник p типа недостающий электрон у соседне го атома кремния. В результате у атома кремния возникает не полная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка).

а к ц е п т о р а м и Такие примеси называют акцепторами.

Рождение примесных дырок также не приводит к образова нию электронно дырочных пар, и концентрация дырок в по лупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концент рация электронов:

p >n p > n Дырки в данном случае являются основными носителями за ряда, а сам полупроводник называют полупроводником p типа (от англ. positive положительный) или дырочным полупроводником.

Электронно дырочный переход Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно дырочных переходах.

Электронно дырочный переход (p n переход) это область Э л е к т р о н н о д ы р о ч н ы й п е р е х о д контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Поскольку в полупроводнике n типа концентрация элект ронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p), а в полупроводнике p типа – наоборот (p >> n), то при кон ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС такте двух полупроводников разных типов начинается процесс диффузии: дырки из p области стремительно диффундируют (переходят) в n область, а электроны, наоборот, из n области в p область.

В результате диффузии в n области на границе контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положи тельно заряженный слой. В p области, наоборот, уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

з а п и р а ю щ и м.

Такой слой называется запирающим.

p n переход обладает од ной удивительной особен ностью: односторонней про водимостью, то есть способ ностью пропускать электри ческий ток только в одну Рис 93. Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p и n типов сторону.

Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения на p n переход:

1) положительный полюс источника соединен с p об ластью, а отрицательный – с n областью.

Тогда в силу притягивания раз ноименных зарядов друг к другу напряженность электрического по ля в запирающем слое будет умень Рис 94. Прямое включения p n перехода шаться. Естественно, это облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p области и электроны из n области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p n переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p n переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

2)положительный полюс источника соединен с n об ластью, а отрицательный – с p областью.

Такое включение приведет к возрастанию напряженности поля в запирающем слое. Дырки в p об Рис 95. Схема обратного включения p ласти и электроны в n области не n перехода www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ будут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличе нию концентрации неосновных носителей в запирающем слое.

Следовательно, ток через p n переход практически не идет.

Напряжение, поданное на p n переход при таком включе нии, называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупро водниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентра ции свободных электронов в p области и дырок в n области.

Диод Способность p n перехода пропускать ток только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплав ляют капельки материала с другим типом проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт амперная характеристика кремниевого диода приведена на рисунке.

Рис 96. Вольтамперная характеристика кремниевого диода (использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений).

Транзистор Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n переходами называются транзисторами, на их работе основаны все логические микросхемы. Название происходит от сочета ния английских слов transfer – переносить и resistor – сопротив ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС ление. Для создания транзисторов обычно используют герма ний или кремний.

Обычный плоскостной (планарный) транзистор представля ет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электрон ным или дырочным типом проводимости, на которую нанесе ны участки другого полупроводника с противоположным ти б а з о й пом проводимости. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). В условных обоз к о л л е к т о р о э м и т т е р о м начениях транзистора стрелка эмиттера показывает направле ние тока через него.

Транзисторы бывают двух ти пов: p–n–p и n–p–n. Например, гер маниевый транзистор p–n–p типа представляет собой небольшую Рис 97. Транзистор структуры p–n–p пластинку из германия с донорной проводимостью. В ней создаются две области с акцепторной примесью, т. е. с дырочной проводимостью.

В транзисторе n–p–n типа ос новная германиевая пластинка об ладает проводимостью p типа, а две области – проводимостью n типа.

Рис 98. Транзистор структуры n–p n Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения, два p n перехода взаимо действуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превы шать амплитуду входного сигнала.

Вдумайтесь в это. В радиоприемнике ничтожный сигнал, пойманный антенной, управляет мощными колебаниями дина мика. Слабые сигналы микросхем управляет моторами и иску сственными мышцами роботов. Туннельный ток СТМ мощ ностью в доли наноампера управляет макроскопическим зон дом. Как? Через транзисторы!

В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть электроники.

Но управление не обязательно подразумевает усиление.

Можно управлять сигналами, несущими информацию – логи ческие нули и единицы. А это значит, что можно целенаправ www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.

В CMOS (комплементарной металл оксид полупроводни ковой) логике транзистор включен так, что нулевое или поло жительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. По ка цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не идет, так как для основных носителей свободного заряда пере ход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в цепи ток, что соответствует логической “1”.

Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (ба зу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.

Рис 99. p–n–p транзистор как логический переключатель Можно сделать все наоборот и присоединить выход к кол лектору. Тогда мы получим логическую схему “НЕ”, превраща ющую “0” в ”1”, а “1” в “0”.

Соединяя транзисторы, можно по лучать и более сложные логические схе мы: “И”, “ИЛИ”, “Исключающее ИЛИ (XOR)” и другие.

Современная технология произво дит полупроводниковые приборы – дио ды, транзисторы, фотосенсоры разме ром в несколько микрометров.

Однако для дальнейшего развития техники возникла необходимость пере Рис 100. Схема «НЕ» на одном транзисторе хода на транзисторы нанометровых раз ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Рис 101. Транзисторнык схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа) Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".

меров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от количества транзисторов, которое удается разместить на еди нице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый рубеж уже дали хорошие результаты. Подробнее об этом будет рассказано в одном из следующих параграфов.

Интегральная микросхема Применение микросхем привело к революционным изме нениям во многих областях электроники. Это особенно ярко проявилось в компьютерной индустрии. На смену громоздким вычислительным машинам, содержащим десятки тысяч элект ронных ламп и занимавшим целые здания, пришли компакт ные и быстрые настольные и даже карманные компьютеры.

Интегральная схема (ИС) – это система микроскопических И н т е г р а л ь н а я с х е м а устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. С чьей то легкой руки микросхемы стали также называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками жареного картофеля (англ. chip).

Чип размером в 1 см может содержать миллионы микрос копических устройств. Очевидно, что последовательное созда www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ние таких приборов “вручную” невозможно из за огромного количества межсоединений (попробуйте ка правильно спаять 1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириа ды обслуживающих элементов – резисторов, диодов и т.п., да при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшего ся положения был найден на пути интеграции (объединения) в едином устройстве – интегральной схеме – всего этого множе ства полупроводниковых устройств и межсоединений, создан ных в едином технологическом цикле.

Как делают микросхемы Поскольку микросхема создается на поверхности пласти ны, технология ее изготовления называется планарной (от англ.

л и т о г р а ф и я.

“planar” – “плоский”). Ее основу составляет литография. Наз вание “литография” происходит от греческих слов “литос” – камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое по лупроводника.

Изготовление, или “выращивание”, интегральной микрос хемы включает в себя несколько основных этапов:

1. Подготовка подложки.

П о д г о т о в к а п о д л о ж к и Подложкой обычно является пластина кристалла кремния (Si) самого распространенного полупроводника на Земле.

Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и тол щиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилинд рического монокристалла.

Так как свойства полупроводникового кристалла сильно за висят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют во всех направлениях и ориентируют нужным образом.

Для резки монокристаллов на пластины применяются диски с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты, нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя и его физико химические свойства. Чтобы восстановить поверх ностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Все процессы по обработке полупроводниковых пластин проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных поме щениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).

Очищенная кремниевая пластина подвергается так называ емому оксидированию (или окислению) воздействию на заго товку кислородом, которое происходит под высокой темпера турой (1000°C).

Таким образом на поверхности заготовки создается тончай ший слой диоксида кремния SiO2. Регулируя время воздей ствия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно легко сформировать слой оксида нужной толщины.

Диоксидная пленка отличается очень высокой химической стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хоро шего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию нахо дящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных воздействий в ходе дальнейшей обработки.

2. Нанесение фоторезиста.

Н а н е с е н и е ф о т о р е з и с т а Если некоторые области кремния, лежащие под слоем ок сида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо пред варительно удалить с соответствующих участков. Для этого на диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.

Фоторезист – это светочувствительный материал, который Ф о т о р е з и с т после облучения становится растворимым в определен ных химических веществах.

Фотошаблон представляет Рис 102.Исходная полупроводниковая пластина с собой пластинку, состоящую проводимостью р типа, покрытая слоями SiO2, и из прозрачных и непрозрач фоторезиста: 1 слой фоторезиста, 2 слой SiO2, ных участков, и играет роль 3 полупроводниковая пластина трафарета.

3. Экспонирование.

Э к с п о н и р о в а н и е На следующем этапе – экспонировании – пластину с нало женным на нее фотошаблоном подвергают действию излуче ния. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками фотошаблона, засвечивается.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ В результате засвечен ный слой, чьи структура и химические свойства изме нились под действием излу чения, а также находящийся под ним слой диоксида кремния могут быть удалены с помощью химикатов (каж Рис 103. Облучение фоторезиста через фотошаблон:

1 засвеченный участок фоторезиста, 2 слой SiO2, дый слой своим химика 3 полупроводниковая пластина, 4 – фотошаблон том).

4. Травление.

Т р а в л е н и е Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки на зывается травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое жидкостное травление основано на растворении химическими веществами не защищенных фоторезистивной маской участков образца. Более эффективными являются “сухие” методы обра ботки, основанные на взаи модействии газозарядной плазмы с поверхностным слоем материала. Кроме то Рис 104. Кремниевая пластина с “окном” в слое го, существует ионное, ион SiO2, образовавшимся в результате облучения и но химическое и плазмохи последующего травления: 1 фоторезист, 2 слой SiO2, 3 – полупроводниковая пластина;

мическое травление.

Результатом травления является полное удаление материа ла на участках, не защищенных фоторезистом.

5. Заключительным этапом формирования микросхемы яв э п и т а к с и и, д и ф ф у з и и м е т а л л и з а ц и и.

ляются процессы эпитаксии, диффузии и металлизации.

Эпитаксией называют Э п и т а к с и е й ориентированное наращива ние слоев вещества с воспро изведением кристалличес кой структуры подложки.

Его производят в особом ре Рис 105 Выращивание на поверхности пластины акторе. Эпитаксия позволяет эпитаксиального n слоя с помощью диффузии создавать равномерные атом донорных примесей: 1 ионы, 2 слой SiO2, полупроводниковая пластина ные слои на пластине.

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Диффузию используют для создания р и n областей. Для Д и ф ф у з и ю этого в кремний в качестве акцептора вносят бор (B), а в каче стве доноров – фосфор (P) и мышьяк (As). Процесс заключает ся в нагреве пластины и внедрении в нее ионов с высокой энер гией.

Металлизация завершает изготовление чипа. В ходе этого М е т а л л и з а ц и я процесса осаждаются тонкие металлические пленки из алюми ния, золота или никеля, которые образуют электрические сое динения между активными областями и приборами на кристал ле те токопроводящие линии и контактные площадки, кото рые мы можем наблюдать на любой микросхеме.

Итак, процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов: очистка, окисление, литография, травление, диффузия, осаждение и металлизация.

Развитие литографии Бесспорно, для дальнейшего развития электроники, т.е.

увеличения производительности за счет уменьшения размеров чипов, ключевым моментом является совершенствование ме тодов литографии.

Это значит, что толщина линий, наносимых светом на пове рхности фоторезиста в момент формирования “рисунка” мик росхемы, должна стремиться к уменьшению. Этого можно дос тичь уменьшением длины волны, ведь чем меньше длина волны, тем более мелкие детали рельефа она позволяет «нарисовать».

Первоначально засветка производилась инфракрасным из лучением с длиной волны чуть более 1 микрона – и ширина до рожек была примерно такой же. Затем стандартными стали длины волн 435 и 365 нм. При помощи источника излучения с длиной волны 365 нм вычерчивались линии толщиной до 0, микрон, что почти соответствует длине волны.

Затем благодаря переходу на источники, действующие в D U V л и т о г р а ф и я спектре глубокого УФ излучения (DUV литография “Deep Ultra Violet”) с длиной волны 248 нм, полупроводниковая промыш ленность перешла на 0,18 микронную литографию. Достиже ние топологических размеров в 100 нм и меньше потребует уменьшения длины волны излучения, возможно, за счет при менения принципиально новых источников.

www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ E U V л и т о г р а В настоящее время интенсивно развивается EUV литогра фия (Extreme Ultra Violet) – литография в спектре жесткого ф и я ультрафиолета, обеспечивающая толщину линий проводников в 70 нм, что примерно в тысячу раз меньше толщины челове ческого волоса.

EUV литография является обычной литографией, но с ис пользованием излучения с длиной волны 11 14 нм, отража тельной оптикой и фотошаблонами. Оптическая система со держит набор зеркал между источником света и маской.

Рис 106. Схема оптической литографии Чтобы дать читателю представление о преимуществах EUV литографии, приведем несколько наглядных примеров:

· EUV технология приводит к появлению микропроцес · соров в 30 раз быстрее существующих. Процессор в 10 ГГц, нап ример, будет настолько быстрым, что, например, за время, по ка человек успевает моргнуть глазом (около 1/5 секунды), он сможет произвести порядка 2 млрд. вычислений.

· EUV литография предназначена для печати на кремни · евой подложке элементов размером 0,07 мкм (70 нм) и менее.

Это все равно, что рисовать изображение размером с двухрубле вую монету на поверхности Земли с космического корабля, а затем поверх него печатать другую картинку, четко совмещая их между собой. На одном кристалле соли (с ребром 0,25 мм) раз местилось бы около 3600 таких 70 нанометровых элементов.

· Элементы, нанесенные с помощью EUV и DUV литог · рафии, примерно так же отличаются друг от друга, как две оди ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС наковые линии, проведенные на бумаге шариковой ручкой (EUV) и маркером (DUV).

Переход к EUV литографии позволил пересечь 100 нм ру беж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Одна ко сложная зеркальная оптика и технология изготовления фо тошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, ос тавляя место для разработки литографических процессов, ос нованных на иных физических принципах.

Проводящие полимеры Долгое время основными материалами микроэлектроники считались кремний основа чипов, и медь, используемая в то копроводящих дорожках и контактах. Пластмассовым в компь ютере был разве что корпус монитора. Однако прогресс не сто ит на месте, и в последнее время все большую популярность за воевывают проводящие полимеры, которым, по прогнозам ма териаловедов, в ближайшие годы предстоит стать чуть ли не ос новным сырьем для производства полупроводниковой техни ки. Но прежде чем говорить об электропроводимости таких ве ществ, давайте вспомним, что же такое полимеры вообще.

Полимеры это огромные молекулы цепочки (макромолекулы), состоящие из большого числа многократно повторяющихся однотипных молекул звеньев (мономеров).

Греческая приставка "поли", означает "много".

Типичным полимером является уже знакомая нам молеку ла белка, состоящая из сотен молекул аминокислот. В природе полимеры встречаются на каждом шагу. Они – важная часть любого микроорганизма, растения, животного. Например, цел люлоза, крахмал, каучук, природные смолы – примеры поли меров растительного мира. В человеческом организме также немало полимеров: мышцы, кожа, волосы и др.

До недавнего времени полимеры создавала только природа.

Но в 20 х годах прошлого столетия человек узнал ее секрет и научился синтезировать их самостоятельно. Искусственные по лимеры прочно вошли в наш быт под видом таких привычных веществ, как полиэтилен, капрон, нейлон и другие виды пласт масс. Сегодня благодаря своим ценным свойствам пластмассы повсеместно заменяют древесину, металл, стекло. Пластмассы www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ не боятся влаги и едких кислот, не подвержены ржавчине и гни ли и к тому же изготавливаются из дешевого углеводородного сырья.

Меняя длину и способы переплетения цепочек полимеров, можно управлять прочностью и эластичностью пластмасс. Сто ит к цепочке добавить еще хотя бы одно звено или ввести не большое количество примесей — и у полимера появляются но вые свойства. Одни пластмассы по прочности сравнимы с са мой лучшей сталью, другие эластичнее резины, третьи прозрач ны, как хрусталь, но не разбиваются. Одни пластмассы мгно венно разрушаются под действием тепла, другие способны вы держивать очень высокую температуру. Зная все это, ученые на сегодняшний день создали сотни тысяч различных синтетичес ких полимеров.

Строение и состав полимеров Однотипные атомы или группы атомов в макромолекуле могут иметь линейную, разветвленную или пространственную структуру. К линейным полимерам относится, например, нату ральный каучук. К разветвленным амилопектин, к сложным пространственным нанотрубки.

а б в Рис 107. Различные типы структуры полимеров:

а – линейная, б – разветвленная, в– пространственная Образование полимеров Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. Они могут быть выделены из расти тельного и животного сырья. В основе получения синтетичес ких полимеров лежат химические процессы полимеризации и поликонденсации. Реакцией полимеризации называется получе ние новой макромолекулы с большим молекулярным весом из атомов или простых молекул мономеров, причем это новое соединение имеет одинаковый с мономерами состав. На рисун ке приведена условная схема реакций полимеризации (а) и по ликонденсации (б).

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС а б Рис 108. Реакции образования полимеров:

а) полимеризация, б) поликонденсация Электропроводимость полимеров Отличительным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность.

Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлект риками благодаря прочным ковалентным связям, образующим макромолекулярные соединения.

Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии) – круто изменило общеприня тую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник.

Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла случайность. Студент Ширакавы как то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимостью, в десятки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материалах. Ведь органические материалы легче и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную.

Что же представляют собой проводящие полимеры? Если коротко, то основой для них служат вещества с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные углеродные связи. В чистом виде они не являются проводниками, поскольку элект роны в них локализованы в силу их участия в образовании ко валентных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после их ввода появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ молекулярной цепи. Распространенным примером проводяще го полимера является полианилин.

На проводящих полимерах основана молекулярная элект роника. Например, ученые из Аризонского университета созда ли ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов.

Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды.

Американская компания Superconnect разработала матери ал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз! Это особый полимер, склеенный с набо ром фуллеренов, позволяющий управлять потоками света при помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).

Это — первый шаг на пути создания полностью оптических маршрутизаторов в Интернете. Сейчас для управления по токами данных (которые между крупны ми узлами передаются по оптоволокну), их преобразовывают из оптических им пульсов в электронные. Чипы определя Рис 109. Сочетание фуллеренов и ют направление передачи и переключа полимерных цепей ключ к сверхбыстрым оптическим ют канал, после чего поток битов в виде переключателям электронов снова переводят в световые импульсы и отправляют к месту назначения. Такие двойные преобразования — одно из узких мест, снижающих общую про пускную способность Интернета. Заменив обычные маршрути заторы, сочетающие оптические и электронные компоненты, на полностью оптические, можно будет повысить скорость пе редачи данных в сто раз.

Дешевизна производства полимеров открывает перед орга нической электроникой новые области применения. Напри мер, такие полимеры позволят печатать любую ИС на простых компьютерных принтерах, используя особый химический раст вор вместо чернил. Это — колоссальное технологическое и эко номическое преимущество, ведь принтер прост в обращении и стоит копейки по сравнению с традиционным дорогостоящим оборудованием для изготовления интегральных микросхем.

На принтерах, например, в ближайшее время сотрудники британской компании Cambrige Display Technologies собирают ся наладить выпуск видеодисплеев для мобильных телефонов и ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС других переносных устройств. Ис ходным материалом для таких дисплеев будут новые светоизлу чающие полимеры, где излучение происходит в результате рекомби нации электронов и дырок. Также в скором времени следует ожидать массового производства новых пластиковых мониторов на основе полимерных матриц. На фото Рис 110. Демонстрация гибкого изображен один из лабораторных монитора на основе проводящего образцов таких дисплеев компа полимера* нии Universal Display.

Более того – если можно печатать и проводники, и полиме ры, то почему бы не напечатать на принтере сам принтер?

Именно это и стремятся сделать добровольцы проекта RepRap – самореплицирующийся принтер, который сможет печатать все детали для своих копий из проводящих, полупроводящих и неп роводящих полимерных чернил. Конечно же, он сможет не только размножаться на таком принтере можно будет запросто «распечатать» цифровую фотокамеру или мобильный телефон!

Появление и развитие MЕMS и NEMS технологии Итак, мы вкратце рассмотрели процесс развития полупро водниковой электроники от элементарного селенового фоторе зистора до изготовления сложных интегральных микросхем.

Появление и развитие МЕМS технологий явилось следующим шагом на пути эволюции полупроводниковой техники.

Английская аббревиатура “MEMS” (или по русски “МЭМС”) расшифровывается как микроэлектромеханические системы. Соответственно, NEMS технология использует на ноэлектромеханические системы. Понятно, что приставки “микро” и “нано” характеризуют уже привычные для нас чрез вычайно малые масштабы. Поэтому сначала нужно понять – а что же такое электромеханическая система.

Без особого преувеличения можно сказать, что начало сов ременной электротехники положил гениальный английский ученый Макс Фарадей, открывший в 1873 году явление элект * Перепечатано с www.universaldisplay.com www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ ромагнитной индукции. Суть его чрезвычайно проста: если рамку из металлической проволоки вращать в магнитном поле, то по ней потечет электрический ток. Другими словами, меха ническая энергия перейдет в электрическую.

И наоборот, если по рамке, находящейся в магнитном поле, пропустить ток, то рамка начнет вращаться. Это иллюстрирует работу простейшего электродвигателя, где вращающаяся рамка выполняет функцию ротора.

Вращающаяся металлическая рамка в магнитном поле это прообраз генератора электрического тока.

Мы видим, что рассмотренные выше процессы взаимооб ратимы, то есть одну и ту же электромеханическую систему можно использовать и как двигатель, и как генератор. При ны нешнем уровне развития науки и техники изготовление элект ромеханических устройств в масштабе, скажем, миллиметров или даже сотен микрон не составляет принципиальных труд ностей. Такие устройства и получили название микро или на ноэлектромеханические системы.

МЭМС представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на кремниевой подложке.

Их размеры могут быть меньше спичечной головки, и поэ тому использование МЭМС позволит резко уменьшить массу и объем традиционной электронной техники, а также значитель но снизить ее стоимость.

Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в 1959 году. Но для превращения МЭМС из любопытных лабора торных “игрушек” в реальные изделия, пользующиеся спросом на рынке, потребовалось целых 40 лет. Только в конце 90 х на чалось освоение промышленного производства МЭМС, а сей час МЭМС широко используются в самых различных сферах человеческой деятельности: в телекоммуникациях, медицине, транспорте и т.д. MEMS системы на сегодняшний день явля ются ключевым фактором в развитии нанотехнологий. Именно на базе таких систем планируется создание наноманипуляторов и нанороботов.

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Традиционный микропроцессор способен лишь на то, чтобы решать определенный алгоритм и выдавать тот или иной результат вычислений.

Микроэлектромеханические же уст ройства способны не только обрабаты вать определенные данные, но и вы полнять некоторые движения, то есть выступать в роли микророботов.

Рис 111. Современные МЭМС Если ИС обеспечила проводникам системы * возможность “думать”, то МЭМС поз воляет им “ощущать”, общаться и взаимодействовать с внеш ним миром. Поэтому без преувеличения можно сказать, что МЭМС – это новая волна полупроводниковой революции. По мнению экспертов, развитие МЭМС аппаратуры может иметь такие же последствия для научно технического прогресса, ка кие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.

Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь также ис пользуется кремний – самый популярный в микроэлектро нике материал, а технология создания МЭМС устройств очень напоминает процедуру создания ИС. И в той, и в дру Рис 112. Уже изготовленные НЭМС гой имеется замечательная системы** возможность создавать необ ходимые структуры в едином технологическом процессе. И планарной, и МЭМС технологии присущи осаждение мате риала, перенос изображений и удаление промежуточных слоев (в МЭМС для отделения механических частей).

Как правило, создание микромеханических изделий требует создания более толстых пленок, более глубокого травления, а сам технологический процесс имеет значительно больше этапов.

* Пперепечатано с www.memx.com ** Перепечатано с www.cmp.caltech.edu www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Как ни удивительно, но МЭМС системы могут выступать не только в роли сенсоров и «мускулов» микро и нанороботов.

Они также могут быть основой нанокомпьютеров.

История создания компьютеров начинается в девятнадца том веке с универсальной механической машины Чарльза Бэб биджа. В 1833 г. английский ученый, профессор Кембриджского университета Чарльз Бэббидж разработал гигантский арифмо метр с программным управлением, арифметическим и запоми нающим устройствами. Аналити ческая машина Бэббиджа стала предшественницей и прообразом современных компьютеров и ма шин с программным управлени ем. Как ни странно, но она была полностью механической. И это не мешало ей выполнять простей шие арифметические и логичес кие операции, а также хранить Рис 113. Машина Чарльза Бэббиджа* полученные результаты.

Подобие машины Бэббиджа ученые собираются создать в наномасштабе, используя «НЭМС арифмометры».

Эрик Дрекслер предложил проект механокомпьютера – компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последова тельных движений системы стержней. Используя нанотехноло гически измененные материалы (например, алмаз или сапфир), можно добиться высокой скорости распространения информа ции. Дрекслер составил детальное описание подобного компь ютера на основе механотранзисторов, причем размеры подоб ного устройства составят всего 400х400х400 нм.

При этом его вычислительная мощность 10 операций в секунду, что можно приравнять к производительности совре менного персонального компьютера Penthium IV с тактовой частотой 1 ГГц. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то эритроцит будет больше в 10 15 раз!

Если использовать эти наноустройства для хранения ин формации, то полученная механическая память будет выгоднее * Перепечатано с http://old.ej.ru/033/btw/any/ ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС Рис 114. Принцип действия механотранзистора по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств.

Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Моханти сказал, что механичес кие ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги.

Расскажем о создании одного из прототипов логических ячеек механопамяти. С помощью электронно лучевой литогра фии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механичес ких ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния.

Электронно лучевая литография уже давно используется МЭМС и нанотехнологами в качестве основного производ ственного инструмента. Она также является основным инструментом для производства микроэлектронных схем и ею пользуются при массовом производстве микросхем и процес соров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, вы www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ пуск готового продукта можно производить на уже имеющем ся оборудовании.

Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометро вых размеров, которая при воздействии на ее концы высоко частотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) из гибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации.

Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь вы сокочастотных вибраций (в опытах — до 23,57 МГц). Эта часто та отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризу ются скоростью считывания информации в несколько сот ки логерц.

Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их раз меры могут быть меньше тех, кото Рис 115. МЭМС ячейка памяти* рые изготовлены экспериментально.

Другое преимущество наномеханики перед наноэлектро никой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазо не устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэ нергии, в то время как современные ключи потребляют милли ватты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые размеры магнитной памяти.

Объединение принципов механических и электронных вы числений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем.

Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт Блайк из Висконсина, США, представил рабочий электромеха нический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочас тот и мог переносить отдельные электроны от одного электро да к другому при активации “механической руки” устройства * Перепечатано с www.cmp.caltech.edu ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС (т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рисунке 116.

В центре устройства – вибрирующий маятник, ко торый был назван Блайком “механической рукой”. Если между точками G1 и G2 при ложить переменное напря жение, то маятник будет ко лебаться с частотой, пропор циональной частоте пере менного напряжения. В ра Рис 116. Наномеханический осциллятор Блайка* бочем устройстве маятник ко лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изоли рован от электродов G1, G2, S и D и заземлен.

Электроды S и D представляют собой исток и сток транзис тора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносит ся один электрон, который затем передается с помощью коле баний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по тех нологии SOI (silicon on insulator: слой кремния на слое изоля тора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно лу чевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золо тую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0.

В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства – в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены.

Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu www.nanonewsnet.ru НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радио активности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

С помощью НЭМС также можно бу дет создать наноманипуляторы – устрой ства, способные выполнять управляемый механосинтез или просто перемещать от дельные молекулы. Над созданием по добного устройства сейчас работает ряд крупнейших компаний и лабораторий.

Уже созданы проекты манипуляторов, нопока еще ни один из них не воплотил Рис 117. Модель ся в реальность.

наноманипулятора Дрекслера Многообразие вариантов и областей применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим вооб ражением. Одним из эффективных приложений МЭМС техно логии сегодня являются датчики, или сенсоры.

Сенсоры Развиваясь, человечество все больше стремится понять и освоить природные механизмы, тысячелетиями функциониру ющие в биологических организмах, в том числе и человечес ком. Иногда результатом таких попыток становится создание электронной техники, имитирующей работу органов чувств че ловека или животных.

с е н с о р ы В основе работы таких устройств лежат сенсоры, или датчи ки технические элементы, чувствительные к внешним воздей ствиям (от англ. “sense”– “чувствовать”).

Собственно говоря, сегодня подобные устройства вряд ли могут кого нибудь поразить: уже давно сенсоры встраиваются в автомобили, музыкальные центры, холодильники и другие бы товые приборы. Датчики широко используются в охранных системах, системах контроля над глобальными катаклизмами (например, сейсмодатчики, способные заблаговременно пре дупредить людей о надвигающемся землетрясении по малей шим колебаниям), системах противопожарной безопасности, медицине.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.