Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

ГЛАВА 1 Открытие фуллерена

Однослойные углеродные нанотрубки

В1991 г. Сумио Ииджима (Sumio Iijima) из Лаборатории фун

даментальных исследований компании NEC (NEC Fundamental Re search Laboratory) в Цукубе, Япония, обнаружил в саже на угле родном стержне катода дугового разряда углеродные нанотрубки

(carbon nanotubes). На фотографиях, полученных с помощью элек

тронного микроскопа высокого разрешения, были найдены много слойные углеродные нанотрубки, или МСУН (multi walled carbon nanotubes — MWNT). Оказалось, что они имеют закругленные кон цы и очень похожи на фуллерены. Но, в отличие от фуллеренов,

многослойные углеродные нанотрубки не обладали совершенной

структурой на молекулярном уровне.

В1993 г. Сумио Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichi hashi) в Японии, а также Дональд С. Бетун (Donald S. Bethune) с сотрудниками Альмаденского научно исследовательского центра в

Сан Хосе, штат Калифорния (США) почти одновременно открыли од

нослойные углеродные нанотрубки, или ОСУН (single walled carbon nanotubes — SWNT). Обе группы ученых описали поведение железа, никеля и кобальта на аноде дугового разряда и образование фуллерена

C60 в саже на стенках камеры. С помощью просвечивающего электрон ного микроскопа, ПЭМ (transmission electron microscope — TEM), уче ные обнаружили, что сажа состоит из множества однослойных угле

родных нанотрубок приблизительно с одинаковым диаметром. Кроме

них, в саже нашли также многослойные углеродные нанотрубки. Тысячи ученых и инженеров до сих пор пытаются разгадать загад

ку образования фуллеренов, стремятся найти способы их генерации в большем количестве и более чистом виде, а также исследуют их свой ства. На рисунке 1.7 показана схема строения углеродной нанотрубки.

Нанотрубки, в зависимости от длины, содержат от тысячи до миллионов атомов углерода. Благодаря своей структуре они могут

быть такими же хорошими проводниками электрического тока, как медь, либо полупроводниками, как кремний. Они могут проводить тепло так же хорошо, как алмаз. А поскольку алмаз состоит из ато

мов углерода, то химики могут создавать связи между ними и ато мами других веществ. Благодаря этой способности есть возможность использовать фуллерены и нанотрубки в качестве нового наномас штабного материала в биологических системах и композитах. Теоре тики подсчитали, что из нанотрубок можно создать самые прочные

ЧАСТЬ I Открытие

стали. Углеродные нанотрубки и фуллерены являются наиболее уди вительным открытием в области материаловедения за последние не

сколько десятилетий.

Рис. 1.7. Углеродная нанотрубка

ГЛАВА 1 Открытие фуллерена

Вперед!

На рисунке 1.8 показана хроника событий и прогноз развития исследований в области нанотехнологий.

ЧАСТЬ I Открытие

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В 1985 г. была открыта новая разновидность углерода, которую назвали:

(а)инертный газ;

(б) лантанид;

(в) редкоземельный элемент;

(г) фуллерен.

2.Доклад под названием There’s Plenty of Room at the Bottom

(«Внизу полным полно места») с описанием наномасштаба про читал:

(а)Ричард Смолли;

(б)Ричард Бэртон;

(в) Ричард Фейнман;

(г) Ричард Пэтти.

3.Нанотрубки могут иметь металлические свойства, сравнимые со свойствами:

(а) латуни;

(б)свинца;

(в) олова;

(г)меди.

4.Некоторые фуллерены имеют форму:

(а) наковальни;

(б) сосиски;

(в) баклажана;

(г)сосульки.

5.Масса протона больше массы электрона:

(а) в 800 раз;

(б) в 1200 раз;

(в) в 1600 раз;

(г)в 1800 раз.

6.Структура всех живых существ (от комара до кита) закодирова на:

(а) в коде Морзе;

(б) в радиоволнах;

(в) в ДНК;

ГЛАВА 1 Открытие фуллерена

7.В алмазе каждый атом углерода связан со следующим количе ством других атомов углерода:

(а)2;

(б) 4;

(в) 6;

(г) 8.

8.Разновидность углерода, похожая на фуллерен, но не облада ющая его симметрией, называется:

(а)аминокислотой;

(б) углеводом;

(в)многослойной нанотрубкой;

(г) черной сажей.

9.В 1996 г. Нобелевская премия по химии была присуждена за от крытие:

(а) кварца;

(б) фуллерена;

(в)урана;

(г)полония.

10.Для формирования нанотрубок исследователи используют:

(а) железо;

(б) уран;

(в) калий;

(г)бериллий.

Глава 2

Наномасштаб

Всегда ли следует верить тому, что мы видим

Олимпийские чемпионы достигают немыслимых результатов. Фо кусники делают невозможное возможным. Кинематографисты с по мощью спецэффектов демонстрируют невероятные трюки. Стоит ли доверять глазам? Ученые и инженеры доверяют увиденному своими

глазами только после многократных и тщательных проверок. Всему

(от движения планет до изменения хромосом летучей мыши) можно поверить, если понять, как это происходит.

В настоящее время технологии развиваются так стремительно, что микроскопический масштаб уже не является пределом. Создание

микроскопических механизмов было существенным достижением бо

лее 30 лет назад, а сейчас этим никого не удивишь. Невидимые миры, которые можно было только мысленно представлять в прошлом, те перь стали предметом интенсивных исследований с помощью слож ных инструментов и динамически развивающихся технологий.

Нанотехнологии — это очень «крутая» область современной нау ки. Как исследования космоса и Интернет в недавнем прошлом, на номир захватил воображение современных школьников, студентов и

ученых. Нанотехнологии теперь играют важную роль даже для фи нансистов, которые планируют свои инвестиции. Новые технологии

обычно означают появление новых продуктов и способов получения доходов. Потому сегодня инвесторы и политики также интересуются открытиями в наномире.

Микро- и нано-

ГЛАВА 2 Наномасштаб

становятся все мощнее и меньше. Однако современная микроэлектро

ника почти достигла своего теоретического предела. Для достижения большей мощности и скорости вычислений необходимо переходить на совершенно новые технологии. Современные микропроцессоры стали такими крошечными и мощными, что во время работы могут перегреться и сгореть. Как же спасти положение?

Ответ прост: мир спасут нанотехнологии! Нанонаука занимается

изучением чрезвычайно малого мира — мира атомов и молекул.

Нанометр (нм) — это одна миллиардная метра, то есть 10–9 м.

Частицы считаются наночастицами, если одно из их измерений

меньше 100 нм. Приставка «нано» означает «одна миллиардная часть».

В таблице 2.1 для сравнения приведено несколько примеров объектов разного размера. Обратите внимание: если представить себе, что золо тая наноскорлупа (наночастица, которая подробно описывается в гла ве 6) имеет размер бильярдного шара, то рост человека можно прирав

нять к самой высокой вершине мира, Эвересту, то есть около 8848 м!

Таблица 2.1. Размеры некоторых объектов

ЧАСТЬ I Открытие

Новые технологии и методы манипулирования отдельными ато

мами, молекулами и наночастицами позволяют создавать или из менять структуру окружающих объектов — от раковых клеток до нанокомпьютеров. Все только выиграют от внедрения новых откры тий в области нанотехнологий. Главное отличие наноинструментов (наноразмерных пинцетов, линз, магнитов и электрических схем)

от обычных лабораторных приборов (например, мензурок и горелок

Бунзена) — их размер или масштаб.

Самая большая в мире модель нанотрубки

Самые маленькие объекты, которые способен разглядеть человек, имеют размер около 10 000 нм (ширина дорожек на материнской плате компьютера). Никто не может разглядеть наночастицы или нанотрубки невооруженным глазом, без помощи сканирующего электронного микроскопа. Настолько малы они на самом деле!

Чтобы визуально представить столь крошечные объекты, более 100 сотрудников и студентов Университета Райс решили воспроизвести однослойную углеродную нанотрубку шириной 0,7 нм и длиной 700 нм в увеличенном виде. 22 апреля 2005 г. они с помощью 65 тыс. пластиковых деталей из химических наборов для моделирования структуры молекул создали самую крупную модель углеродной нанотрубки (рис. 2.1). Длина модели равнялась 1180 футам (более 350 м), то есть больше, чем высота самого высокого небоскреба в Хьюстоне (США). Таким образом, был установлен новый мировой рекорд для модели нанотрубки, занесенный в книгу рекордов Гиннесса. Если бы сотрудники и студенты Университета Райс создали полную модель нанотрубки, длина которой равна 5 см, она растянулась бы на 15 тыс. миль (более 24 тыс. км)!

Теперь не только студенты и ученые, но и все остальные поражаются тому, насколько крупными, то есть длинными, могут быть столь малые объекты! Ку-

сочки этой модели можно увидеть в постоянной экспозиции в Музее естествознания Хьюстона.

Размер имеет значение

ГЛАВА 2 Наномасштаб

Рис. 2.1. Самая длинная модель нанотрубки, которая занесена

вКнигу рекордов Гиннесса

В1670 г. Габриэль Мутон (Gabriel Mouton) предложил метри

ческую систему, которая была принята Правительством Франции в качестве стандартной системы единиц измерения в 1795 г. Метриче ская система является десятичной, то есть все единицы измерения в ней связаны множителем 10. Для сравнения: 1 метр приблизительно равен 40 дюймам, а 1 килограмм —2 фунтам, где дюйм — это еди ница длины, а фунт — единица массы в Британской системе единиц измерения, которые очень популярны в США, Великобритании и не

которых других странах мира.

Втаблице 2.2 перечислены некоторые приставки, которые ис

пользуются в названиях единиц измерения метрической системы. Наночастицы так малы, что их нельзя разглядеть. Удивительно,

как при этом ученым удается наблюдать их и работать с ними.

Нанометр равен одной миллиардной части метра, а толщина волоса человека в среднем равна 80 тыс. нм.

ЧАСТЬ I Открытие

в одном нанометре помещается около 10 атомов. (Учтите, что атом

водорода — это самый маленький атом.) Но такой субатомный мир невозможно разглядеть невооруженным глазом из за крошечных размеров.