4.2. Кончик stm, ссделанный из вольфрама. Перепечатано с раз-решения группы Херсама (Hersam), Нортвестернский университет

Сканирующие микроскопы позволили впервые увидеть вещи размером с атом. Это было необходимо для измерения и понимания наноструктурных структур.

Спектроскопия

Спектроскопия - это наблюдение на образце света кон­кретного цвета, а также адсорбции, рассеяния или других свойств материала при заданных условиях. Спектроскопия - это гораздо более старая, более общая техника, чем микроско­пия сканирующими зондами, и она предлагает множество до­полнительных возможностей.

Некоторые типы спектроскопии вам знакомы. Рентгеновские аппараты, например, пропускают сквозь исследуемый объект излучение с очень большой энергией, после чего на­блюдается, как излучение рассеивается тяжелыми ядрами та­ких веществ, как сталь или кость. Сбор света прошедших рент­геновских лучей дает изображение, которое многие из нас ви­дели у врачей.

Другим типом спектроскопии, с которым также знакомые многие, является построение изображений с помощью магнит­ного резонанса (MagneticResonanceImaging—MRI).

Многие типы спектроскопии, использующие различные энергии света, применяются в анализе наноструктур. Обычная сложность заключается в том, что свет имеет характеристиче­скую длину волны и не очень подходит для изучения структур, размер которых меньше его длины волны.

Поскольку видимый свет имеет длину волны порядка 400-900 нм, очевидно, что он не сильно поможет при наблюдении объектов, размер которых несколько нанометров. Спектроскопия очень важна, поскольку позволяет охарактеризовать наноструктуры в мас­се, но большинство типов спектроскопии не сообщают инфор­мации о структурах с нанометровыми размерами.

Электрохимия

Электрохимия занимается изучением того, как можноизменитьхимические процессы, применяя электрическй ток, и как электрический ток можно получить из химических реакций. Наиболее распространенными электрохимическими устройствами являются батареи, дающие энергию из химических реакций. Противоположный процесс наблюдается в гальванотехнике, где металлы наносятся на поверхность благодаря тому, что положительно заряженные ионы металла захватывают электроны из тока, проходящего через поверхность, и стано­вятся нейтральными металлами.

Электрохимия широко используется в производстве нано­структур, но также может применяться для их анализа. Природу поверхностных атомов в массе можно измерить непо­средственно, используя электрохимию, и современные элек­трохимические методы (включая некоторые электрохимиче­ские методы зондового сканирования) часто применяются как для построения, так и для исследования наноструктур.

Электронная микроскопия

Еще до развития методов зондового сканирования сущест­вовали методы наблюдения отдельных наноструктур. Данные методы основывались на использовании электронов, а не света для изучения структуры и поведения материала. Существуют различные типы электронной микроскопии, но все они по­строены на одной идее. Электроны ускоряются и проходят сквозь образец. Когда электроны встречают ядро и другие электроны, они рассеиваются. Собирая нерассеянные электроны, можно построить изображение, описывающее, где были частицы, на которых рассеялись остальные электроны. На рис 4.2 приведено изображение так называемогопросвечи­вающего электронного микроскопа (transmissionelectronmicroscope- ТЕМ). При оптимальных условиях изображения микроскопа могут иметь разрешения, достаточные, чтобы видеть отдельные атомы, но часто образцы приходится красить перед тем, как их можно будет изобразить. Кроме того, просвечивающий электронный микроскоп позволяет измерять только физическую структуру, но не напряженности, например, электрического или магнитного поля. Впрочем, элек­тронная микроскопия находит множество применений и широко используется в наноструктурном анализе.

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР

Возвращение инструментов зондового сканирования

Инструменты зондового сканирования можно использо­вать не только для того, чтобы видеть структуры, но и для то­го, чтобы ими управлять. Снова воспользуемся аналогией с пальцем. Так же, как с помощью пальца можно поцарапать, сделать вмятину или бороздку, так с помощью кончика скани­рующего зонда можно модифицировать поверхность.

Сканирующие зонды используются для манипулирования отдельными молекулярными шариками на счётах, представ­ленных на рис. 1.3. Они также применяются для получения великолепных наноразмерных граффити, упорядочивая атомы или молекулы на поверхностях с определенными структура­ми. Данные структуры использовались для демонстрации и проверки некоторых фундаментальных научных концепций - структурной химии, электрического взаимодействия, поведения в магнитном поле и других. Данная сборка материалов по одному атому или одной молекуле делает реальностью многолетнюю мечту химиков о получении чистых материалов. В общем случае маленькие объекты (которыми могут быть либо отдельные атомы, либо отдельные молекулы) можно двигать по поверхности, толкая их или поднимая с поверхности на сканирующий зонд и устанавливая на другое место.

В обоих случаях сканирующий щуп действует как своеобразный универсальный экскаватор наномира. Если речь идет о толкании, экскаватор выступает просто как бульдозер. Если зонд работает по принципу "поднять-переставить", то это, скорее, башенный кран.

Сборка поверхности с помощью сканирующего зонда по сути очень элегантна, но есть два ограничения: она относительно дорогая и относительно медленная. Описанная идея великолепна при исследованиях, но если мы хотим, чтобы нанотехнология стала реальной силой, нужно стремиться максимально удешевить наноструктуры. Вспомним сказанное относительно законов Мура и то, что методы кремниевой сборки не только сделали транзисторы очень маленькими, но и очень дешевыми и очень надежными. Хотя достигнуты значительные успехи в построении машин, использующих сотни или даже тысячи зондов одновременно, создание наноструктур с применением методов зондового сканирования все еще очень похоже на ручную сборку автомобилей или выдувание каждой электрической лампочки отдельно. Описанный метод может давать удивительные художественные результаты, но похоже, что для удовлетворения массовых нужд не подходит.

Наноскопическая литография

Слово "литография" изначально обозначало создание объ­ектов из камней. Литография - это изображение (обычно на бумаге), для получения которого вырезается узор на камне, на него наносится слой чернил (краски), а затем данным камнем делается оттиск на бумаге.

Многие разновидности мелкомасштабной литографии ра­ботают примерно по описанной схеме. Действительно в общих методах, используемых для создания современных компью­терных чипов, обычно применяются оптическая или рентге­новская литография, в которых маска делается химическими методами, а затем свет, проходя сквозь эту маску, создает действительную структуру чипа. Чтобы понять это, можно провести аналогию с шелкотрафаретом для футболки.

Наноскопическая литография в действительности не может использовать видимый свет, поскольку длина волны видимого света составляет всего 400 нанометров, поэтому структуры, имеющие меньший размер, трудно получить непосредственно этим методом. Это одна из причин того, что применение закона Мура в наномире требует совершенно новых методов подготовки.

Несмотря на это, существует несколько методов получения мелкомасштабных литографии. Одним из наиболее прямоли­нейных и элегантных является импринт-литография, большей частью разработанная Джорджем Уаитсайдесом (GeorgeWhitesides) и его исследовательской группой в Гарварде. Этот метод работает так же, как резиновая печать, которую до сих пор можно видеть на почте. На резиновой (в данном случае исполь­зуется резиноподобный кремниево-кислородный полимер) по­верхности вырезается узор, а затем поверхность "резинки" по­крывается молекулярными чернилами. Затем данные чернила можно отпечатать на поверхности: на почте это бумага, но мел­комасштабные печати могут использоваться на металле, поли­мере, керамике или любой другой поверхности. Мелкомасштаб­ная печать сложнее, но намного дешевле, и ее можно использо­вать для получения множества копии. Изначально печати рабо­тали в микронном масштабе (1000 нанометров), но недавние достижения принесли эту технологию и в наномир.

Перьевая нанолитография

Один способ построения произвольных структур на поверх­ностях - это записать их точно так же, как записываются чер­нильные линии с помощью перьевой ручки. Чтобы сделать такие линии в наномасштабе необходимо иметь наноручку. К счастью, зонды атомного микроскопа являются идеальными наноручками. В честь устаревших перьевых ручек, используемых в школах в XIXвеке, данный метод в наномире был назван перьевой нанолитографией (DipPenNanolithography-DPN). Принцип перьевой нанолитографии иллюстрируется на рис. 4.3, а фрагмент речи Феймана, представленный на рис. 4.1 написан именно с помощью подобной структуры. В перьевой нанолитографии резервуар "чернил" (атомов или молекул) хранится на кончике сканирующего зонда, который передвигается по по­верхности, оставляя за собой линии и узоры.

Рис. 4.3. Схематическое изображение процесса перьевой литогра­фии; волнистые линии — это молекулярные "чернила". Перепечатано с разрешения группы Миркина, Нортвестернский университет

Перьевая нанолитография, разработанная Чадом Миркиным (ChadMirkin) и его сотрудниками в Нортвестернском университете, имеет несколько преимуществ, важнейшими из которых являются такие два: в качестве наночернил можно использовать почти все, что угодно, а писать можно практиче­ски на любой поверхности. Кроме того, перьевую нанолитографию можно использовать для получения практически лю­бой структуры с произвольной детализацией или сложностью, поскольку щупамиAFMотносительно легко манипулировать.

Данный факт делает перьевую нанолитографию предпочтительной техникой при создании новых и сложных структур в небольших объемах. Недостаток процесса - он очень медленный, в отличие от импринт-литографии. Это похоже на разницу между ручными иллюстрациями и ранней полиграфией. Чтобы улучшить такое положение дел, проводятся раз личные исследования, которыми, в основном, занимается развивающая компанияNanolnk.

Электроннолучевая литография

Выше упоминалось, что современная промышленная литография с помощью света ограничивается созданием элементов, не превышающих используемую длину волну. Несмотря на то, что данное ограничение можно в принципе обойти, используя свет с меньшей длиной волны, подобное решение может при­вести только к проблемам. Свет с меньшей длиной волны име­ет большую энергию, так что могут возникнуть неприятные побочные эффекты, такие как сдувание элемента, который пытаются создать, непосредственно с поверхности. (Представьте, что вы поливаете садовые цветы из пожарного шланга.)

Альтернативой является использование электронов вместо света. Данная электронно-лучевая литография может приме­няться для создания структур в ианомасштабе. На рис 4.4 по­казано два электрода, сделанных с использованием электронно-лучевой литографии для спрямления платиновых нанопроводов. Структура, пересекающая наноскопические электроды, - это одна молекула, углеродная нанотрубка.

Электронно-лучевая литография также применяется и в современном производстве микроэлектроники и является подходом, который мог бы позволить выполнять закон Мура, пока наноскопические свойства не заявят о себе в полный голос.

Рис. 4.4 Два электрода, полученные с использованием электронно-лучевой литографии. Светлая горизонтальная структура – углеродная нанотрубка.Перепечатано с любезного разрешения группы Деккера, Дельфтский технологичекий институт

Литография наносферами

Если шарики разместить настолько близко на плите, насколько это возможно, они сформируют плотную группу, и каждый шарик будет окружен шестью другими. Если данный массив окрасить распылением сверху, а затем убрать шарики с плиты, изображение будет выглядеть как набор нарисованных треугольных точек с вогнутыми краями (см. рис. 4.5). Представим теперь, что шарики имеют наноскопические размеры, такими же будут изображенные точки. Фактически на рис. 4.5. показаны точки серебра, подготовленного группой Рика ван Дайна из Нортвестернского университета. Данный метод был назван литографией наносферами, и он имеет несколько прекрасных особенностей: можно использовать множество сортов плит (поверхностей) и красок (металлы, молекулы), кроме того, на треугольники можно последовательно накладывать несколько слоев красок (молекул).Важно отметить, что данный тип литографии в отличие от перьевой нанолитографии или сканирующих зондов, но подобно импринт-литографии является параллельным. На поверхность можно поместить множество наносфер и подготовить правильные массивы из большого числа (тысяч или больше) точек.

Рис. 4.5. Схема процесса литографии наносферами. Перепечатано с разрешения группы Рика ванн Дайна, Нортвестернский университет.

Молекулярный синтез

Производство молекул с конкретными молекулярными структурами является одной из наиболее активных и удивительных отраслей химии. Молекулярный синтез включает создание специфических молекул для специальных, либо для чисто научных целей, либо для целей специальных приложений. Значительная работа по молекулярному синтезу выполняется в компаниях по производству медикаментов, и множество современных лекарств, включая пенициллин, липитор, таксол и виагру являются продуктами сложного химического синтеза.

Производство наноструктур с определенными геометриями в указанных местах поверхности означает следующий шаг по формированию молекул. Помимо получения химических свойств и составления молекул, наноскопический синтез должен также включать вопросы физического уровня и построение наноструктур. Например, некоторые технологии доставки медикаментов, которые будут рассмотрены ниже, включают получение активных компонентов от лекарств и упаковку их в наноскопические оболочки, что позволит проходить им в области тела, куда они не могли проникнуть раньше. Что бы это сделать, лекарство должно вводится в молекулярную оболочку, и здесь есть только физическое взаимодействие; химической связи между указанными двумя элементами не существует.

В заключении отметим, что все техники включающие манипуляцию отдельными атомами, очевидно, слишком медленные и громоздкие, особенно если нужно создавать массивный материал, или даже достаточное количество инкапсулированного лекарства для лечения человека.

Самосборка

Проблема большинства технологий при сборке наноструктур заключается в том, что они очень напоминают ручную работу. В любом случае мы пытаемся реализовать наши желания на данных очень маленьких объектах и манипулировать ими и настраивать их так, как нам этого хочется. Ну не великолепно ли было бы, если бы мы могли смешать химикаты и получить наноструктуры, просто позволив молекулам рассортировать самих себя?

Метод реализации именно такого сценария называется самосборкой. Принцип самосборки состоит в том, что молекулы всегда стремятся перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, молекулы соединяются. Если поможет переориентация их физических положений, молекулы переориентируются. На фундаментальном уровне это та же изначальная сила, которая приводит к скатыванию камня с горы. Не имеет значения, как поднимать, бросать, поворачивать, толкать или управлять камнем, он всегда будет пытаться скатиться по склону. Его движение можно заблокировать, но это требует активного вмешательства. В этом случае камень попытается минимизировать свою гравитационную энергию. Для молекулы это означает, что она пытается минимизировать другие типы энергии. Согласно закону Кулона, это чаще всего силы, определяемые взаимодействием зарядов.

Чтобы разобраться в самосборке, представьте себе компас. Если потрясти его, стрелка начнет колебаться и показывать практически в любом направлении, но как только перестать трясти компас, игла сразу переориентируется и покажет на север. В игле содержится небольшой магнит, и ориентация “с юга на север” минимизирует его энергию относительно магнитного поля земли. Чтобы добиться такого расположения иглы, над ней не нужно совершать никакой работы. Она делает это естественно. Методы самосборки основываются на идее создания таких компонентов, которые, подобно, стрелке компаса, естественно организовывают себя так, как требуется нам.

Силы, задействованные в самосборке, обычно слабее сил, удерживающих молекулы вместе. Они соответствуют более слабым аспектам кулоновского взаимодействия и применяются в природе повсеместно. Например, слабые взаимодействия, называемые водородной связью, связывают атом водорода в одной молекуле жидкой воды с атомом кислорода другой и не дают молекулам стать водяным паром при комнатной температуре. Водородные связи также помогают удержать белки в определенной трехмерной структуре, что необходимо для выполнения их биологических функций.

Существуют и другие слабые взаимодействия, включая гидрофобные взаимодействия, позволяющие маслу (нефти) разливаться по поверхности воды. Мультиполярные взаимодействия возникают между структурами, каждая из которых не имеет положительного заряда (так что это не похоже на электронное взаимодействие с другим электроном), которое является сильным кулоновским взаимодействием. Однако здесь наблюдается иное распределения заряда по двум взаимодействующим молекулам. Такие обычно слабые мультиполярные взаимодействия достаточно сильны для того, что бы создать очень сложные структуры.

При самосборке наноконструктор вводит определенные атомы и молекулы на поверхность или ранее собранную наноструктуру. Затем молекулы выравнивают себя в определенных положениях, иногда формируя слабые связи, а иногда - сильные ковалентные связи, минимизируя общую энергию. Большим преимуществом такой сборки является возможность подготовки больших структур без необходимости настраивать отдельные наноструктуры (что приходится делать при построении нанообъектов с помощью атомного микроскопа, сканирующего микроскопа и перьевой литографии). Самосборка почти наверняка станет предпочтительным методом создания больших наноструктурных массивов, такие как компьютерные запоминающие устройства и логические схемы, которые должны возникнуть, если закон Мура будет выполняться на протяжении следующего десятилетия.

Самосборка не ограничивается сферой электроники. Самособирающиеся структуры, можно использовать для таких прикладных отраслей, как защита поверхности от коррозии или придание поверхности таких свойств как скользкость, липкость, влажность или сухость. На рис. 4.6 показаны некоторые примечательные примеры самосборки из лаборатории Сэма Стаппа в Нортвестернском университете. В этом случае используется два уровня самосборки. Вначале самосборка длинных сложных молекул дает наноподобную структуру. Затем сами наноструктуры собираются в поверхностный слой, который делает стекло либо гидрофильным (от “любить воду” – легко смачиваться), либо гидрофобным (от “ненавидеть воду” – так что вода собирается в отдельные шарики). Это также показывает, что сложные структуры можно сформировать, используя самосборку, разбив задачу на этапы.

Рис. 4.6. Молекулярная модель (вверху) самомособирающегося “гриба”. Фотография (внизу), демонстрирующая контроль за смачиваемостью поверхности с помощью уровня таких грибов Перепечатано с разрешения группы Стаппа, нортвестернский университет.

Cамосборка - это, пожалуй, самая важная из всех технологий нанопроизводства из-за ее универсальности, способности производить структуры на различных масштабах длины и низкой стоимости.

Наноскопическов выращивание кристаллов

Другой разновидностью самосборки является выращивание кристаллов. Кристаллы, подобные соли, сделаны из ионов и называютсяионными. Кристаллы, сделанные из атомов, называютсяатомными, а сделанные из молекул, —молекулярными. Таким образом, соль (хлорид натрия) - это ионный кристалл, а сахар (сахароза, С₁₂Н₂₂О₁₁) — это молекулярный кристалл.

Выращивание кристаллов — это частично наука, частично искусство. Кристаллы можно выращивать из раствора, ис­пользуя кристаллы-зародыши, что включает помещение не­большого кристалла в место, где есть больше составляющих его материалов (обычно это раствор), после чего этим компо­нентам разрешают имитировать схему маленького кристалла, или зародыша. Кремниевые блоки, используемые для созда­ния микрочипов, создаются, или "выращиваются", именно та­ким образом.

Разумно выбирая кристаллы-зародыши и условия роста, можно сделать так, чтобы кристаллы имели необычные фор­мы. Чарльз Либер (CharlesLieber) и его группа в Гарвардском университете использовали наноразмерные кристаллы для выращивания длинных, стержнеподобных кристаллов угле­родных нанотрубок, таких структур, как фосфид иридия или арсенид галлия, а также таких атомных кристаллов, как кремний. Данные нанопровода (один показан на рис. 4.7) имеют поразительные проводящие свойства, а также используются во мно­гих областях оптики и электроники.

Рис. 4.7. Два параллельных нанопровода. Светлый цвет- кремний, темный- кремний/германий. Перепечатано с разрешения группы Янга (Yang), Калифорнийский университет в Беркли.

Полимеризация

Как обсуждалось в главе 3, полимеры — это очень большие молекулы. Их протяженность может достигать миллионов ато­мов, образованных повторением фрагмента-мономера (одного небольшого молекулярного блока). Полимеризация является широко используемой схемой для получения наноразмерных материалов и даже более крупных, например, действие эпоксидного клея в создании протяженных полимеров при смешивании двух компонентов эпоксидной смолы.

Обычно такие промышленные полимеры, как полистирол, полиэтилен или поливинилхлорид, получаются построением очень больших молекул с различными структурами, идущими последовательно. Управляемая полимеризация, в которой один мономер последовательно соединяется с другим, очень важна для построения специфических элегантных структур. Роберт Летзингер (RobertLetsinger) и его студенты в Нортвестернском университете разработали серию методов для подготовки некоторых коротких фрагментов ДНК. Эти фрагмен­ты называютсяолигонуклеотидами от греческого "олиго" - несколько (Мономер - это одна единица, олигомер - несколько, полимер - много единиц). В так называемыхгенных машинах для пocтроения специфических последовательностей ДНК используются элегантные химические реакции.

Построение цепочек ДНК важно по многим соображениям. В современной биотехнологии данные цепочки используются для создания новых биологических структур (медикаменты, ма­териалы, белки), основанных на способности бактерий воспро­изводить себя. Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерии, и бактерия затем производит множество копий данного белка. Модификация ДНК бактерии производится с использованием ряда химических реакций. Генные машины подготавливают специфические короткие олигонуклеотиды для модификации ДНК бактерии, продолжая этот процесс для соз­дания выбранного белка. Это позволяет эффективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбран­ного протеина. Хороший пример того, как это можно использо­вать, - получение белка инсулина для лечения диабета.

Комбинация конкретных коротких цепочек ДНК и само­сборки широко используется для получения материалов, в ко­торых единственная цепочка ДНК связывается с другой цепоч­кой ДНК. Данный процесс, называемый скрещиванием, показан на рис. 4. 8. Напомним, что основание ДНК А всегда образует пару с Т, а Г - с Ц. На рис. 4. 8. идеальное соответствие слева да­ет более плотную, более сильную связь, чем неидеально согла­сованный набор. Данный тип самосборки является подарком природы - именно так ДНК дублируется, что позволяет клет­кам делиться. Многие разновидности данного дополнительного молекулярного распознавания используются в нанонауке.

Рис. 4.8. Схема процесса скрещивания ДНК. Слева показано, как цепочка ДНК правильно связывается со своим дополнением, а спра­ва - как из-за ошибки не может возникнуть связь. Перепечатано с разрешения группы Миркииа, Нортвестернский университет

Нанокирпичики и строительные блоки

Наноструктурыы должны собираться из компонентов. Фунда­ментальными составляющими являются атомы 91 встречающегося в природе элемента. Обычно, впрочем, начинать с отдельных атомов неэффективно. Преимущества и недостатки этого подхода раскрываются при построении наноструктур атомного масштаба с использованием сканирующих микроскопов, особенно если мы пытаемся создать микроскопический объем материала, а не по­строить единую наноскопическую машину. Ричард Смэлли, по­лучивший Нобелевскую премию в 1996 году за работу с наност­руктурами, оценил, что наномашине потребуется 19 миллионов лет, чтобы получить несколько унций материала, составляя его атом за атомом, поскольку число атомов в подобной структуре составляет порядка 6 с 23 нулями. Если бы размер одного атома был равен чайной ложке воды, такое число атомов было бы сравнимо по размерам с Тихим океаном.

Наливание океана по ложке было бы очень длительным про­цессом, таким же является построение массивного материала по атому. Сборка со скоростью миллион атомов за секунду все равно потребует 6 с 17 нулями секунд, чтобы построить горсть полезного материала. (Для сравнения: национальный долг США в настоящее время составляет примерно 6 с 12 нулями долларов).

Такой подсчет сдерживает активность тех, кто уже пред­ставил себе наноскопических роботов, суетящихся повсюду и собирающих все, от машин до часов, впрочем, в настоящее время существуют подающие надежды альтернативы создания массивных материалов на основе наноструктур.

Обычно наноструктуры строятся, начиная с больших компоновочных блоков или молекул. Этот процесс можно представить как большой конструктор "Lego". Иногда эти части — обычные небольшие молекулы. Слабое взаимодействие серной группы с золотой поверхностью часто используется для построения вяз­ких, клейких или обычных пленок длинных молекул, оканчи­вающихся серой, на поверхности золота. Данные молекулы назы­ваютсяалкановыми тиолами. "Алкановый" означает длинную це­почку углеродных связей точно того же типа, что и в полиэтилене. "Тиолом" называется сера на конце, которая связывается (самособирается) на поверхности золота с формированием монослоя. Монослой может иметь нанометровую толщину и значительные длину и ширину.

Он построен не из отдельных атомов, а из молекул на поверхности золота. Цитата из материалов Национальной инициативы в поддержку нанотехнологий, приведенная на рис. 1.1, была записана на золоте алкановыми чернилами с помощью перьевой нанолитографии.

Помимо отдельных молекул такого типа, что повсеместно используются в традиционных химических лабораториях, для сбор­ки наноструктур используются некоторые совсем новые полумолекулярные компоновочные блоки. Двумя такими наноструктурами являются углеродные нанотрубки (впервые полученные Самио Ииджимой (SumioIijima) в Токио) и наностержни, которые можно сделать из кремния, других полупроводников, метал­лов или даже диэлектриков. Данные наностержни производятся с использованием "хитрых" методов химии растворов, но затем они могут самособираться в большие наноразмерные структуры.

Рис. 4.9. Однослойная углеродная нанотрубка. Перепе­чатано с разрешения группы Смэлли, Университет Райса

Общие темы нанотехнологии: нанотрубки и нанопровода

Все знают графит как черный материал в карандашах. Некоторые люди также используют его в качестве смазки в машиностроении, поскольку на молекулярном уровне он сформирован из пластов углерода, которые скользят друг по другу с очень маленьким тре­нием. Данные пласты углерода состоят из атомов углерода, связанных шестиугольной сеткой. Наноученые очень интересуются ими, поскольку при скручивании в трубку такие сетки имеют удивительные свойства.

Такие цилиндры графита называются углеродными нанотрубками. Если толщина трубки равна всего одному слою атомов углерода, она называетсяоднослойной углеродной нанотрубкой.

Нанотрубки — это одни из первых наноразмерных структур, построенных на молекулярном уровне, и они демонстрируют действительно захватывающие физические и электрические свойства. Оценки специалистов относительно того, насколько прочной может быть углеродная нанотрубка расходятся, но лабораторные исследо­вания уже показали, что их предел прочности при растяжении мо­жет в 60 раз превышать значения для высококачественной стали. По некоторым оценкам на волокно из нанотрубки, которое уже че­ловеческого волоса, можно подвесить полуприцеп, хотя до сих пор ещё не создано трубки, достаточно большой, чтобы это проверить. Другие исследователи предполагают, что даже отдельную трубку можно растянуть от земли до стратосферы и она выдержит собственный вес. Многие ученые утверждают, что нанотрубки — это не только прочнейшие материалы из когда-либо созданных, они входят в число прочнейших материалов, которые вообще можно создать. Делать такие абсолютные утверждения можно, поскольку нанотехнология позволяет вести работу на предельном уровне детализа­ции, создавая материалы атом за атомом, а не формируя такие крупнозернистые составы как бетон или фанера. Нанотрубки не только имеют указанную прочность, но они к тому же еще легкие и гибкие. Другие формы углерода, такие как углеродное волокно, уже используются в современном спортивном оборудовании и разработке самолетов, поскольку их прочность на единицу массы сравнима с характеристиками стали и алюминия. Нанотрубки могут вывести технологии на следующий уровень, но их производство все еще находится в зародышевом состоянии, и даже очень крупные фабрики пока производят лишь граммы нанотрубок в неделю. Из-за этого дефицита нанотрубки очень доро­гие. Пока не будет улучшена технология производства, применение потрясающих физических свойств данных материалов будет крайне ограниченным, хотя первые несколько продуктов, улуч­шенных нанотрубками, поступают на полки магазинов в форме теннисных ракеток и клюшек для гольфа. В названных продуктах формируются смеси из небольшого количества нанотрубок, вве­денных в более традиционные материалы. Такие материалы не дают полностью реализоваться потенциалу нанотрубок, хотя и ярко демонстрируют их огромные возможности.

Физические свойства нанотрубок достаточно поразительны, но их электрические свойства могут оказаться даже еще более захватывающими. Изучая форму нанотрубки, ученые предсказали, что электроны могут проноситься по трубке, как по проводнику. Когда эта догадка проверялась, некоторые ученые обнаружили, что нанотрубки ведут себя подобно сверхпроводникам, проводя электричество без сопротивления. Опыты других показали, что нанотрубки ведут себя как полупроводники. Существующая теория утверждает, что нанотрубки могут действовать либо как сверхпроводники, либо как полупроводники, в зависимости точных пропорций трубки и того, какие материалы, кроме углерода, введены в матрицу трубы(данный процесс называется легированием).

Не все нанотрубки сделаны из углерода. Кремниевые нанотрубки также широко распространены, хотя неуглеродные нанотрубки обычно называются нанопроводами.

Разносторонние электрические свойства данных нанотрубок и нанопроводов в настоящее время изучаются для получения наноскопических электронных устройств. Размеры нанотрубок составляют примерно 1% размера связующих элементов современных микрочипов, и идея сверхпроводящих соединений предлагает манящие возможности устранить один из страшнейших сдерживающих факторов в сфере разработки чипов — выделяющееся тепло, которое порождается потоком электронов по металлическим проводам.

Исследование и производство нанотрубок и нанопроводов явля­ется жаркой темой и для ученых, и для промышленности. Этим за­нимаются несколько новых компаний, которые обнаружили гото­вый рынок для своих продуктов. Инженеры группы Федона Авуриса (PhaedonAvouris) вIBMуже использовали нанотрубки для про­изводства транзисторов, свойства которых лучше обычных кремниевых устройств, также были произведены некоторые по­строенные на нанотрубках логические элементы, открывающие дорогу к вычислениям в наномасштабе. В заключение отметим, что нанотрубки и нанопровода не найдены в природе и относятся к быстро окупающимся областям в нанонауке и технологии.

Приборы для понимания поведения наноструктур

Синтетическая химия- это наука, использующая понятные принципы для построения молекулярных структур.

Понимание того, как строить наноразмерные материалы и какими будут свойства этих материалов, является ключевым вопросом нанонауки. Как отмечалось в предыдущих главах, наноскопические материалы имеют свойства, отличающиеся от свойств материалов, существующих в атомном масштабе (простые газы), или протяженных структур, таких как металлы, полимеры или керамика. Чтобы разработать технологии массового производства в наномире, необходимы концептуальные, модельные и теоритические идеи о поведении наноструктур.

Фундаментальными здесь являются идеи, обсуждавшиеся в главе 3, — электрические взаимодействия и закон Кулона, поведение и правила проектирования квантовой механики, взаи­модействие со светом и взаимодействие компонентов, основанное на проявлении кулоновской силы. Следовательно, традиционные методы теоретической физики, химии, электротехники и материаловедения объединяют обе концепции, используемые для понимания наноструктур и расчетов, необходимых для предсказания их поведения. Они сообщают, как нужно проектировать наноскопические структуры и устройства.

Использование квантовой механики для предсказания свойств реальных молекулярных структур было одним из триумфов химии в XX веке. Расширение этих моделей на большие наноструктуры происходит очень быстро. Данные расчеты вы­полняются с использованием больших компьютеров, и их мож­но объединять с более традиционными предсказаниями, основанными на классической механнике. Компьютерное предсказа­ние структур является одним из путей, по которому происходит разработка наноструктур, хотя для максимальной его эффек­тивности нужно опираться на интуицию, опыт и вдохновение.

Наноскопическое автоматизированное проектирование

Одним из ключевых методов создания таких микрочипов, как микропроцессоры компьютера, остается использование комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП). При разработке КМОП-структур единственной фундаментальной научной основой является поведение тока, которое описывается законом Ома. Пока еще сборка очень сложных КМОП-структур, представленной на рис. 4.10, затрудняется физически и финансово (создавая инструменты и формы, выполняя литографию и сборку миллионов таких чипов на крошечных поверхностях, очень сложно добиться низкой цены). Чтобы сделать чипы тех типов, что используются в бытовой электронике, необходимо собрать миллионы транзисторов на кремниевых подложках и проложить пути и проложить пути токов по ним так, что бы реализовать алгоритмы или схемы расчетов, для выполнения которых предназначен чип. На заре эры разработки чипов инженеры буквально рисовали схемы, которые они хотели видеть на платах, и компании содержали декорационно-художественные службы для точного нанесения этих элементов (вручную, под увеличительным стеклом) как шаблонов для производства трафаретов. В настоящее время чипы содержат всего несколько десятков компонентов. Разработка чипов с миллионами компонентов просто слишком сложна, чтобы ее выполняли отдельные люди.

Из-за приведенных соображений наиболее функциональные чипы сейчас разрабатывают компьютеры. Компьютерные программы, в общем называемые программы моделирования с ориентацией на интегральные схемы (SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis-Spice) илипрограммами автоматизированного проектирования(Computer-AidedDesign–CAD, АП), специально создаются для разработки чипов с параллельным выполнением функций. Инженеры проектируют чипы, используя специальные языки аппаратного уровня или графические среды, имеющие предопределенные компоненты.

Рис. 4.10. Современная поверхность КМОП-чипа. Перепечатано с разрешения Тома Вэя (Тот Way), IBM Corporation

Программы АП используются для разработки структур в масштабах, значительно превышающих нанометр. Типичные КМОП-структуры имеют размер в сотни или тысячи наномет­ров. Напомним, что для структур наноскопических размеров закон Ома не обязательно остается справедливым. В этом случае явление движения зарядов описывается квантовой механикой, и понимание того, как может идти ток, становится гораздо сложнее. Стандартные транзисторы ведут себя иначе, чем тран­зисторы наномира, и в настоящее время для наноструктур нет ни одной программы подобного моделирования или проектиро­вания. Данной задачей занимаются несколько лабораторий, но пока мы достаточно хорошо не поймем поведение отдельных наноструктур, построение компьютерного кода для сборки наноустройств в логические структуры и архитектуры будет оставаться очень сложной задачей.

Аморфные компьютеры

С 1970-х микрочипы стали гораздо более скоростными и сложными. Современные процессоры, например, могут прибавлять числа размером б4 бит (более 19 десятичных цифр), тогда как ранние компьютеры могли работать только с восьмибитовыми числами (меньше трех десятичных цифр). Чтобы обеспечить поддержку языков программирования высокого уровня, на аппаратном уровне в чипе нужно запрограммировать десятки команд микро­кода. Код Intelдля чиповPentium, например, содержал порядка 100 широко используемых команд. Это означает, что современные процессоры должны иметь миллионы компонентов и сложные схемы конвейерной обработки команд. Их архитектуры отражают 20 лет совершенствования и усложнения.

Хотя молекулярная электроника кажется коммерчески жизнеспо­собной, многие ученые и инженеры считают, что в ближайшие годы маловероятно появление устройств, сравнимых по сложности с процессором Pentium(10 миллионов транзисторов), особенно при том, что существующие методы сборки очень медленные и грубые. Более вероятно, что молекулярные "нанопроцессоры" первого поколения будут очень простыми и смогут реализовывать только несколько базовых линий поведения, таких как "в общем придерживаться линий поведения ближайшего процессора" и "быстро переключиться в следующее положение". Повторимся, из-за принятых допусков и используемых технологий каждый процессор не сможет выполнять свою задачу с цифровой точностью, но если обрабатывающий кластер содержит миллион или даже миллиард таких молекул, ошибки многих типов исчезнут при усреднении. Вот так (большей частью) работает общество. Муравьи не имеют общего центрального процессора, сообщающего им, как построить муравейник, то же можно сказать о пчелах и улье, о людях и городе.

Муравейник, ульи и города не разрушаются из-за того, что их не может строить одно существо, и они работают, как предполагалось даже при эпидемиях, землетрясениях и наличии людей, выехавших на пикник. Чтобы разрушить все, нужно уничтожить подавляющее большинство составляющих элементов. Если компьютеры можно построить подобным образом вопрос масштабирования вычислительной мощности становится таким же простым, как идея сложения процессоров. Общую надежность и целостность системы можно повысить, но это потребует фундаментального пересмотра понятий, касающихся сборки компьютера и программирования. Специалисты по вычислительной технике, инициировавшие эти ис­следования, назвали данную дисциплинуаморфнымивычислениями по аналогии с жизнью роя насекомых. Хотя данная тема не совсем строго относится к нанотехнологиям, она может оказаться ключом к молекулярным или квантовым компьютерам.