Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

nano_1_97_4_lec

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
12.02.2016
Размер:
6.26 Mб
Скачать

Лекція 1

Місце дисципліни у матеріалознавстві. Довідка з історії нанотехнологій. Сучас-

ний стан запровадження нанотехнологій.

Передмова

Ключові матеріали і технології завжди відігравали визначну роль в світо-

вій цивілізації, визначаючи не тільки рівень виробничих сил, але й соціальний прогрес суспільства. Досить згадати, як сильно відрізняються різні етапи розви-

тку суспільства — кам'яна і бронзова ери, доба пари й електрики, атомної енер-

гії та інформаційних технологій.

Сучасне виробництво техногенної продукції є дуже неефективним порів-

няно з природними процесами як з огляду на частку корисно використовуваної маси первинної сировини, так і витрат енергії. До кінцевого споживчого проду-

кту переходить у середньому приблизно 1,5 % маси видобутої сировини, а час-

тка корисно використаної енергії (тобто мінімально теоретично необхідної ене-

ргії для хімічних, структурних перетворень, формозміни і реально витраченої на видобуток, переробку сировини, металургійну, хімічну, машинну обробку,

будівництво тощо) й того менше. Природа ж складних біологічних систем діє набагато ощадливіше — широке застосування мають безвідходне складання і самоскладання дуже складних систем з простих молекул, селективний каталіз процесів за низьких температур, замкненість процесів у ланцюги, в яких відхо-

ди одного циклу стають ідеальною сировиною для другого тощо.

Досягнення науки і високих технологій наприкінці ХХ сторіччя перекон-

ливо довели величезні можливості використання специфічних явищ та власти-

востей речовин з нанометровими розмірами. Упорядкування та власне упоряд-

кування атомів і молекул на нанометрових віддалях, притаманне біологічним об'єктам у живій природі, у промислових виробах може давати виняткові ре-

зультати.

Слова з приставкою «нано-»: наносвіт, нанонаука, нанотехнологія, нано-

техніка, наноматеріали тощо увійшли до лексикону не тільки спеціалістів різ-

1

ного профілю, але й журналістів, адміністраторів, політиків. Очевидно це обу-

мовлено стрімким розвитком «нано-сфери» діяльності та величезним значенням її для сьогодення і майбутнього. За всіма ознаками світ вступає в епоху тоталь-

ної нанореволюції, здатної перевершити своїми результатами наслідки комп'ю-

терної революції кінця ХХ сторіччя.

Більшість експертів у галузі стратегічного планування, науково-технічної політики та інвестування переконані, що найближчим часом людство чекають революційні зміни у науці, виробничій сфері, національній безпеці, медицині,

побуті тощо. Причому її наслідки будуть ширшими і глибшими, ніж комп'юте-

рної революції останньої третини ХХ сторіччя. Це буде пов'язане з широкома-

сштабним і системним вторгненням наноструктурованих матеріалів, виробів та способів їх отримання майже у всі сфери життя. Тому передові країни світу за-

провадили пріоритетні програми розвитку нанотехнологій.

У дисципліні «Основи наноматеріалознавства» розглядаються питання виробництва, будови, властивостей та застосування широкого класу наномате-

ріалів. Описуються пристрої, виготовлені із застосуванням наноматеріалів та нанотехнологій.

2

Наноматеріали — історія і сучасність

―Нанотехнології викличуть таку саму революцію у маніпулюванні матерією, як і комп'ютери у маніпулюванні інформацією‖.

Ральф Меркле — американський вчений у галузі нанотехеологій

Коротка довідка з історії нанотехнологій

Дідусем нанотехнологій слід вважати грецького філософа Демокрита.

2400 років тому він вперше застосував слово ―атом‖ для опису самої малої час-

тинки речовини.

1905 Швейцарський фізик Альберт Эйнштейн опублікував роботу, у якій довів, що розмір молекули цукру становить приблизно 1 нанометр.

1931 Німецькі фізики Макс Кнолл та Ернст Руска створили електронний мікроскоп, який уможливив проводити дослідження нанооб'єктів.

1959 Американський фізик, нобелевський лауреат Ричард Фейнман у су-

часному науково-методичному плані вказав на можливість створення нових ма-

теріалів шляхом складання об'єктів малих розмірів (атомів, молекул або їх груп). Він першим опублікував роботу, у якій оцінив перспективи мініатюриза-

ції. Основні положення нанотехнологій були означені у його легендарній лекції

―Там унизу — багато місця‖ (―There’s Plenty of Room at the Bottom‖) виголоше-

ній у Каліфорнійському Технологічному Інституті. Р. Фейнман науково довів,

що з точки зору фундаментальних законів фізики нема ніяких перепон для того,

щоб створювати речі безпосередньо з атомів. Тоді його слова сприймались як фантастика тільки лише з однієї причини: ще не існувало технології, яка б до-

зволяла оперувати окремими атомами (тобто розпізнати атом, взяти його і пос-

тавити в іншому місці).

1968 Альфред Чо та Джон Артур, працівники наукового центру амери-

канської компанії Bell, розробили теоретичні основи нанообробки поверхонь.

1974 Японський фізик Норіо Танігучі увів у наукову термінологію слово

―нанотехніка‖, запропонувавши називати так механізми розміром, меншим від

1 мікрометра.

3

1981 Німецькі фізики Герд Бінніг та Генріх Рорер створили сканувальний тунельний мікроскоп — прилад, який дозволяє діяти на речовину на атомарно-

му рівні. Через чотири роки вони отримали Нобелевську премію.

1981 німецький вчений Г. Глейтер вказав на можливість створення мате-

ріалів з розмірами зерен меншими за 100 нм, які володітимуть багатьма корис-

ними властивостями порівняно з традиційними мікроструктурними матеріала-

ми. Дещо пізніше Г. Глейтер увів у наукову термінологію також терміни нанокристалічні матеріали, наноструктурні, нанофазні, нанокомпозитні тощо.

1985 Американські фізики Роберт Керл, Херольд Крото та Річард Смоллі створили технологію, яка дозволяє точно виміряти предмети завбільшки в один нанометр.

1986 Створено атомно-силовий мікроскоп, який дозволяє здійснювати взаємодію з будь-якими матеріалами, а не тільки з струмопровідними.

1986 Нанотехнологія стала відома для широкої громадськості. Американ-

ський футуролог Ерік Дрекслер опублікував книгу, в якій передбачив, що нано-

технологія у найближчому майбутньому почне активно розвиватися.

1989 Дональд Ейглер, працівник компанії IBM, виклав назву фірми ато-

мами ксенону.

1998 Нідерландський фізик Сеез Деккер створив нанотранзистор.

2000 Адміністрація США започаткувала ―Національну нанотехнологічну ініціативу‖ (National Nanotechnology Initiative).

2004 Адміністрація США підтримала ―Національну наномедичну ініціа-

тиву‖ як частину National Nanotechnology Initiative.

4

Сучасний стан запровадження нанотехнологій

Ідею створення нових матеріалів та об'єктів завдяки компонуванню з окремих молекул та атомів зазвичай пов'язують зі знаменитою лекцією відомо-

го фізика Ричарда Фейнмана «Там унизу — багато місця: запрошення у новий світ фізики», виголошеній у 1959 році на заседані Американського фізичного товариства з нагоди вручення Нобелевської премії.

У теперішній час важливість нових матеріалів як у фундаментальній та прикладній науці, так і у промисловості й бізнесі невпинно зростає. Це обумов-

лено такими причинами:

наявністю тенденції до мініатюризації виробів;

унікальністю властивостями матеріалів у наноструктурному стані;

необхідністю розроблення і впровадження у промисловість нових ма-

теріалів з якісно і кількісно новими властивостями;

розвитком нових технологічних прийомів і методів, які ґрунтуються на принципах самоскладання та самоорганізації;

практичним впровадженням сучасних приладів для дослідження та ко-

нтролю наноматеріалів (зондова мікроскопія, рентгенівські методи, на-

нотвердість)

розвитком і впровадженням нових технологій (іонно-плазмові техноло-

гії оброблення поверхні та створення тонких шарів і плівок, LIGA-

технології, які являють собою послідовність процесів літографії, галь-

ваніки та формування, технологій отримання і формування нанопоро-

шків тощо).

наближенням до фундаментальних обмежень (швидкості світла, спів-

розмірність наноструктурних елементів з довжиною хвилі електрона тощо).

Фундаментальні і прикладні досягнення у наноматеріалознавстві та нано-

технологіях вже ближчими роками можуть призвести до кардинальних змін у багатьох сферах людської діяльності: енергетиці, електроніці, інформатиці,

5

машинобудуванні, медицині, сільському господарстві, екології тощо. Разом з

комп'ютерно-інформаційними технологіями та біотехнологіями, нанотехнології

єфундаментом науково-технічної революції XXI сторіччя.

Упровідних світових країнах усвідомлення ключової ролі, яку вже у не-

далекому майбутньому відіграватимуть досягнення у галузі нанотехнологій,

призвело до запровадження широкомасштабних програм з їх розвитком на за державної підтримки. Найновіші відкриття у цій області торкаються важливих проблем фізики, біології, техніки. Досить показовим фактом є дуже велика час-

тка наукових публікацій, які припадають на проблеми наноматеріалознавста та нанотехнології.

Промислові кола переконалися у тому, що нанотехнологія створює нові можливості для розвитку бізнесу та конкуренції. Згідно з існуючими прогноза-

ми світовий обсяг виробництва із застосуванням нанотехнологій через 10–15

років перевищить 1 трлн. доларів, що призведе до створення 2 млн. нових ро-

бочих місць.

На сьогоднішній день нанотехнології — найбільш фінансований науко-

вий напрямок у світі, який змінює економіку, побут та соціальні стосунки між людьми. За інтенсивністю свого розвитку нанотехнології дали початок Третій Науково-технічній революції. За останні 20 років усі країни у світі вклали в на-

нотехнології майже 110 млрд. доларів США. За цей час створено понад 16000

нанотехнологічних компаній по всьому світу, причому кількість їх подвоюється кожні півтора-два роки. Наприклад, за останні п'ять років у Китаї були створені понад 600 компаній та 100 науково-дослідних інститутів. Найбільшу кількість

(більше півтори тисячі) корпорацій, підприємств та науково-дослідних лабора-

торій у різних напрямкам досліджень розташовано у США. За прогнозом аме-

риканської асоціації National Science Foundation, обсяг ринку товарів та услуг з використанням нанотехнологій до 2015 року зросте до одного трильйону дола-

рів США. До 2015 року прогнозується вартість вироблених у світі товарів із за-

стосуванням нанотехнологій до 1,5 % від сукупного світового виробництва.

6

Наукові дослідження нанооб'єктів розпочинаються у XIX сторіччі, коли М. Фарадей (у 1856-1857 роках) отримує і досліджує властивості колоїдних ро-

зчинів високодисперсного золота і тонких плівок на його основі. Виявлена М.

Фарадеєм зміна кольору залежно від розміру частинок — мабуть перший прик-

лад дослідження розмірних ефектів у нанооб'єктах.

Увага, яку виявляють до нанооб'єктів останнім часом, обумовлена, при-

наймні, трьома обставинами. По-перше, методи нанотехнології дозволяють отримати принципово нові пристрої і матеріали з характеристиками, які значно перевершують їх сучасний рівень, що дуже важливо для інтенсивного розвитку багатьох галузей техніки, біотехнології, медицини, охорони довкілля, оборони тощо. По-друге, нанотехнологія виявилася дуже широким міждисциплінарним напрямком, який об'єднує спеціалістів з фізики, хімії, матеріалознавства, біоло-

гії, медицини, технології, наук про Землю, комп'ютерної техніки, економіки,

соціології та інших. Нарешті, по-третє, розв'язання проблем нанотехнології ви-

явило багато прогалин як у фундаментальних, так і в технологічних знаннях,

що знов-таки сприяло концентрації уваги науково-інженерної спільноти у цьо-

му напрямку.

У багатьох країнах (США, Об'єднана Європа, Японія, Китай та інші) при-

йняті національні програми, які передбачають інтенсивний розвиток нанотех-

нологічних досліджень і розробок. Значну увагу приділяють підготовці кадрів.

Пріоритетними напрямками нанотехнології, які розробляють нові перспе-

ктивні методи, матеріали і пристрої є:

молекулярний дизайн матеріалів і речовин із заданими властивостями, які значно перевищують властивості їх сучасних аналогів;

розроблення нанопроцесорів з низьким рівнем енергоспоживання і суттє-

во більш високою продуктивністю;

створення невеликих за розмірами запам'ятовувальних пристроїв з над-

звичайно великим (мультитерабітним) об'ємом пам'яті;

розроблення нових лікарських препаратів і адресних методів їх введення

ворганізм;

7

запровадження нові методи моніторингу оточуючого середовища і орга-

нізму людини з використанням наносенсорів.

Наукові дослідження довели, що практично будь-яка речовина у наноро-

змірному стані набуває унікальних властивостей, які не притамані їй у компак-

тному стані. Наприклад, речовини, отримані з використанням нанотехнологій,

містять мінімум сторонніх домішок і мають властивості, які близькі до теоре-

тично можливих.

За кордоном основний напрямок наноструктурних досліджень майже по-

вністю змістився від вивчення будови і встановлення умов застосування нанок-

ристалічних речовин і матеріалів у сферу нанотехнології, тобто створення ви-

робів з нанорозмірними елементами.

Розробку нових наноматеріали та нанотехнології їх отримання та обробки в у теперішній час загальновизнано відносять до так званих «ключових» або

«критичних» аспектів основи економіки та обороноздатності держави.

Такий поділ є досить умовним, оскільки існують, наприклад, гібридні ме-

талополімерні і біополімерні нанокомпозити. Причому клас наноматеріалів об'єднує як нові (наприклад, нанотрубчатим матеріалам всього лише приблизно

20 років), так і доволі старі об'єкти (наприклад, каталізатори і нанопористі ма-

теріали).

Важливими є декілька основних різновидів наноматеріалів:

консолідовані наноматеріали;

нанонапівпровідники;

нанополімери;

нанобіоматеріали;

фулерени і тубулярні наноструктури;

каталізатори;

нанопористі матеріали;

супрамолекулярні структури.

8

До консолідованих наноматеріалів відносять компакти, плівки і покриття з металів, сплавів і сполук, отримувані методами порошкової технології, інтен-

сивної пластичної деформації, контрольованої кристалізації з аморфного стану і різними прийомами нанесення плівок і покриттів. Нанозерна (нанокристаліти)

цих матеріалів знаходяться не в ізольованому (тобто у вигляді окремих утво-

рень) або слабкозв'язаному (наприклад, наночастинки із захисними полімерни-

ми оболонками) виді, а у консолідованому стані. Міцність міжзеренних проша-

рків у консолідованих наноматеріалів доволі висока.

Нанонапівпровідники, нанополімери і нанобіоматеріали можуть бути як в ізольованому, так і частково в консолідованому стані, утворюючи також гібри-

дні (змішані) матеріали.

Фулерени і тубулярні наноструктури стали предметом численних дослі-

джень, починаючи з 1985року, коли була ідентифікована нова форма Карбону

— кластери C60 та C70, які дістали назву фулеренів, і особливо з 1991 року, коли японський вчений С. Ішіма виявив вуглецеві нанотрубки у продуктах електро-

дугового випаровування графіту.

Нанопористі матеріали мають розмір пор, як правило, менший за 100 нм.

Каталізатори — також один з прикладів давно досліджуваних і широко використовуваних нанооб'єктів.

Нарешті, супрамолекулярні структури — це наноструктури, отримувані в результаті так званого нековалентного синтезу з утворенням слабких (Ван-дер-

Ваальсових, водневих та іншого типу) зв'язків між молекулами та їх ансамбля-

ми.

Перераховані види наноматеріалів досить відрізняються як за технологі-

єю виробництва, так і за функціональними ознаками, їх об'єднує тільки харак-

терний малий розмір частинок, зерен, трубок, пор, який визначає їх структуру та властивості. Мінімальний розмір структурних елементів складає 0,1–1,0 нм,

тобто по суті відповідає розмірам окремих атомів и молекул, максимальний ро-

змір — 100 нм — встановлений умовно. Іноді висловлюється думка, що верхня межа (максимальний розмір елементів) нанокристалічного стану має бути по-

9

в'язаний з будь-яким характерним фізичним параметром — довжиною вільного перебігу носія, діаметром петлі Франка-Ріда для ковзання дислокацій, розміром домену або доменної стінки і, нарешті, довжиною хвилі електрона де Бройля.

Проте діапазон зміни цих характерних фізичних параметрів, які визначають електричні, магнітні, деформаційні та інші властивості стосовно різноманітних твердотільних об'єктів, досить широкий і встановити будь-яку єдину верхню межу неможливо.

Стосовно термінологічних особливостей. Більше розповсюдження отри-

мали терміни з приставкою нано, як ―нанотехнологіія‖, ―наноелектроніка‖, ―на-

нохімія‖. В закордонній літературі поняття ―нанотехнологія‖ прийнято визна-

чати як вміння цілеспрямовано створювати і використовувати матеріали,

пристрої і системи, структурні елементи яких мають розмір приблизно 1–100

нм. Тобто нанооб'єкти можуть мати такі характерні розміри:

у всіх трьох вимірах до 100 нм — наночасточки, нанопорошки;

у двох вимірах становлять до 100 нм — нанотрубки, нановолокна;

наноплівки — об'єкти у яких один розмір не перевищує 100 нм.

Часто використовуване поняття нанотехнології як комплексу методів ро-

боти з об'єктами розмірами меншими за 100 нанометрів недостатньо точно опи-

сує як сам об'єкт, так і відмінність нанотехнології від традиційних способів їх виготовлення та наукових дисциплін, залучених для проектування.

Проте об'єкти, у яких застосовані нанотехнології можуть мати макроско-

пічні розміри, структуру яких контрольовано створена з роздільністю на рівні окремих атомів.

Наука про малорозмірні об'єкти — це сукупність знань про властивості речовин і явищ у нанометровому масштабі.

Серед основних складових науки про наноматеріали і нанотехнології ви-

діляють такі:

фундаментальні дослідження властивостей матеріалів на наномасштаб-

ному рівні;

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]