nano_1_97_4_lec

її. У пригоді стався тунельний ефект, на основі якого у 1981 році був створений перший сканувальний тунельний мікроскоп.

Важливою деталлю сканувального тунельного мікроскопу є механічний маніпулятор, який уможливлює переміщення зонду над поверхнею з точністю до тисячних часток нанометра. Зазвичай механічний маніпулятор виготовляють з п'єзокерамічного матеріалу.

Важливою властивістю такого матеріалу є п'єзоефект. Суть його полягає у такому: якщо з п'єзоматеріалу виготовити прямокутну балку, підвести з про-

тилежних боків металеві електроди і прикласти до них різницю потенціалів, то під дією струму відбудеться зміна геометричних розмірів балки. І навпаки: у

разі найменшої деформації (стискання) балки на її протилежних кінцях виникає різниця потенціалів. У такий спосіб, керуючи малими змінами струму, можна добитися переміщення зонду на дуже малі віддалі, які потрібні для уможлив-

лення роботи сканувального мікроскопу.

Сучасні СЗМ дозволяють маніпулювати нанооб'єктами, забезпечувати за-

хоплення окремих атомів та їх перенесення у нову позицію, проводити атомар-

не складання провідників завширшки в один атом, надаючи поверхням різно-

манітних предметів нові наперед задані властивості.

Існують два основних способи маніпуляції атомами за допомогою голки СТМ: горизонтальний і вертикальний. За вертикальної маніпуляції після захоп-

лення потрібного атома його відривають від поверхні, піднімаючи зонд на декі-

лька десятих нанометра. Відривання атома від поверхні контролюють за стриб-

ком струму. Вочевидь, відривання і перетягання атома потребує більших зусиль, ніж просто його ―перекочування‖ по поверхні, як у разі горизонтальної маніпуляції. Але затим процес перенесення не залежить від перепон на поверх-

ні, які зустрічаються на шляху переміщення (сходинок, ям, адсорбованих ато-

мів). Після переміщення в необхідне місце атом ―скидають‖, наближуючи віст-

ря до поверхні і перемикаючи напругу на голці.

У практичних конструкціях СТМ зазвичай використовують п'єзокераміч-

ні маніпулятори, виконані у вигляді тонкостінної трубки з декількома розділь-

211

ними електродами. Напругою керування викликають видовження або згинання таких маніпуляторів і, відповідно, переміщення зонду по трьох просторових координатах X, Y та Z (рис. 131).

Конструкції сучасних маніпуляторів забезпечують діапазон переміщення зонду до 100–200 мкм у площині і до 5–12 мкм по висоті.

Рисунок 131. — Схема п'єзоманіпулятора

На сьогоднішній день у світі в широкому асортименті виробляють СЗМ і пристосування до них. Найбільш відомими фірмами є Digital Instruments, Park Scientific Instruments, Omicron, Topometrix, Burleigh та інші. Ціни на них коли-

ваються в широких межах — від 40 тис. дол. за найпростіший АСМ до 100–200

тис. дол. і більше залежно від от комплектації та спектра розв'язуваних задач.

Самоскладання

Матеріали будуть високоякісними якщо будуть добре структуровані на рівні атомів та молекул. Одним із нанотехнологічних способів створення таких наперед заданих структур є само складання, яке має багато аналогів у живій природі. Структура усіх тканин складається з клітин; останні формується під час самоскладання з окремих молекул тощо.

Механізм самоскладання наносистем у природі підштовхнув дослідників на спробу скопіювати такі самі принципи для побудови штучних наноструктур.

Завдяки цьому у теперішній час досягнуті успіхи у створенні наноматеріалу,

212

який імітує природну кісткову тканину. Для цього використовували самоскла-

дання волокон діаметром приблизно 8 нм, які імітували природні волокна кола-

гену. До отриманого матеріалу добре прикріплювалися природні кісткові клі-

тини, що дозволяє використовувати його як ―клей‖ або ―шпаклівку‖ для кісткової тканини.

Проблеми та перспективи нанотехнологій

Нанотехнології на стиках наук

Швидкість поширення знань є такою, що відсутня абсолютна впевне-

ність, у тому що через 5–10 років набуті навички випускників вищих навчаль-

них закладів виявиться нікому не потрібними за досягнень сучасних техноло-

гій.

Особливо це стосується нанотехнології, яка є не просто окрема частина знань. Вона є масштабною, всебічною галуззю досліджень. Її досягнення тор-

каються всіх сфер життєдіяльності людини. Тому лідерами у майбутньому,

природно, будуть люди, які володіють фундаментальними знаннями, які ґрун-

туються на міждисциплінарному підході. Ймовірно, поступово ця тенденція буде поширюватися й на вищу освіту.

Найбільш очевидним є зв'язок ―нано‖ з фізикою, хімією та біологією. Ма-

буть, саме ці науки отримають найбільший поштовх до розвитку у зв'язку з прогресом нанотехнологій.

Досягнення у сфері нанотехнологій, будуть ставити перед екологами все більше питань і задач: від автоматичних наносистем охорони довкілля до над-

точного прогнозування та боротьби з екологічним забрудненням и природними катаклізмами. Основи безпеки життєдіяльності, можливо, стануть одним з най-

більш актуальних напрямків майбутніх досліджень.

Ставлення суспільства до нанотехнологій.

Завдяки здобуткам у царині виробництва мікроскопів учені можуть мані-

пулювати атомами і розташовувати їх так, як їм потрібно, створюючи незнані

213

досі технічні об'єкти та системи. Завдяки таким можливостям створюються пе-

редумови для розроблення ідеальних технічних систем

Ідеальна технічна система — це систем, маса, габарити і енергоємність якої прямує до нуля, а її здатність виконувати певну роботу при цьому не зме-

ншується. Граничний випадок ідеалізації техніки полягає у зменшенні її розмі-

рів (аж до повного зникання) за одночасного збільшення кількості виконуваних нею функцій. В ідеалі — технічний пристрій має бути невидимим, а функції,

потрібні людині і суспільству, мають бути виконані. Закон зростання ступеня ідеальності вимагає від усіх систем їх розвитку у напрямку збільшення цього показника.

На практиці доброю ілюстрацією цього закону може слугувати постійне стремління виробників мікроелектроніки та побутової техніки до мініатюриза-

ції, створення пристроїв усе менших розмірів з усе більшими функціональними можливостями.

Тому нанотехнології та розроблювані за ними нанопристрої є закономір-

ним кроком на шляху вдосконалення технічних систем. Можливо незабаром за межею нановеличин будуть використовувати частки метра піко (10–12), фемто

(10–15), атто (10–18) тощо — величини з іще невідомими й непередбачуваними властивостями.

У теперішній сам ринок споживає тільки майже невідчутні досягнення нанотехнологій, на кшталт самоочисних покриттів, засобів пакування тощо.

Проте вчені передбачають тріумфальну ходу нанотехнологій у недалекому майбутньому, спираючись на факт їх поступового проникання у всі галузі ви-

робництва.

Нанотехнологія стане основою нової промислової революції, яка призве-

де до створення матеріалів з міцністю у 100 раз більшою за сталь та пристроїв,

які за складністю конструкції не поступаються клітинам людини.

Можливості використання нанотехнологій невичерпні — починаючи від мікроскопічних комп'ютерів, які вбивають ракові клітини, до автомобільних двигунів, які не забруднюють довкілля.

214

Проте великі перспективи часто несуть з собою й великі небезпеки. Тому від самого початку появи нанотехнології її розвитку заважають різні застере-

ження, частина яких однозначно можна віднести до розряду наукової фантасти-

ки, але декотрі, все ж таки, зовсім не безпідставні.

Застереження у використанні нанотехнологій

Прогрес в царині нанотехнологій викликав певний суспільний резонанс.

Ставлення суспільства до нанотехнологій вивчала європейська служба «Євро-

барометр». Ряд дослідників вказують на те, що негативне ставлення до наноте-

хнології у неспеціалістів може бути пов'язано з релігійністю, а також через по-

боювання, пов'язані з токсичністю наноматеріалів. Особливо це актуально для широко розрекламованого колоїдного срібла, властивості і безпека якого зна-

ходяться під великим питанням.

Численні видатні вчені сучасності не безпідставно привертають увага не тільки до позитивних перспектив майбутнього, але й до можливих негативних наслідків запровадження нанотехнологій.

Білл Джой, співзасновник і провідний вчений Sun Microsystems (Пало Альто, штат Каліфорнія), застерігає, що дослідження в галузі нанотехнологій та інших суміжних сферах діяльності людини мають бути призупинені до того, як це принесе шкоду людству. Його занепокоєння підтримала ще одна група нано-

технологів, яка видала так званий ―Foresight Guidelines‖ — дослівно ―Керівні линії Інституту передбачення‖. Як і Б.Джой, вони вважають, що стрімке зрос-

тання нанотехнологій виходить з-під контролю. Проте, замість простої заборо-

ни досліджень у цій сфері технологій вони пропонують встановити жорсткий урядовий контроль над небезпечними дослідам. Такі заходи, на їх думку, змо-

жуть запобігти випадковій глобальній для людства катастрофі.

Страхи перед нанотехнологіями поачали з'являтися від 1986 року, після друкування ―Машин творення‖ Е. Дрекслера, де він не тільки намалював утопі-

чну картину нанотехнологічного майбутнього, але й торкнувся ―оборотнього боку‖ цєї медалі. Одну з проблем, яка видалася йому найбільш серйозною, він

215

назвав ―проблемою сірого слизу‖ (―grey goo problem‖). Гіпотетична небезпека сірого слизу пов'язана з тим, що нанометрові асемблери, які вийшли з під конт-

ролю унаслідок випадкового або свідомого ушкодження систем керування, мо-

жуть почати реплікувати самі себе до безмежності, споживаючи як будівельний матеріал все — включно ліси, заводи, домашніх тварин і людей. Обчислення показують, що теоретично такий асемблер зі своїми потомством може в стані переробити всю біомасу Землі за лічені годин (правда, без врахування часу на переміщення по поверхні планети).

Проте аналіз показує, що асемблер може бути зроблений настільки надій-

ним, щоб імовірність появи похибки самовідновлення виявилась нехтувально малою. Проте нерозумно повністю відкидати небезпеку злісного програмуван-

ня асемблера терористом або хуліганом.

У своїх застереженнях Б. Джой спирається на те, що гіпотетичні частини футуристичних мікромашин вже виготовлені й обіймають свої місця. ―Один з компонентів асемблера — електронний пристрій молекулярних розмірів, —

стверджує Б. Джой, — зараз вже створений‖. Далі він повідомляє, що самореп-

лікація вже давно працює поза біологічними системами: дослідники довели, що прості пептидні молекули можуть провокувати власну репродукцію. ―Ось чому машини для самореплікації стають все більш реальними, — ствердив Б. Джой. І така реальність несе велику загрозу‖. Інші вчені спростовують стра-

хи перед ―сірим слизом‖, аргументуючи це принциповою неможливістю подо-

лати всі практичні труднощі у створенні подібних механізмів.

Тем не менш, можуть існувати інші сфери зловживань досягненнями на-

нотехнологій. На одному з симпозіумів, присвячених обговоренню шляхів по-

дальшого розвитку нанотехнологій, представники наукового співтовариства,

дослідницьких центрів і державних агентств обговорювали проблеми у цій сфері, що викликають занепокоєння. Особливо гостро постали подані нижче проблемні питання.

Спроможність загальноосвітньої системи навчити достатню кількість на-

нотехнологічних спеціалістів.

216

Загроза прогресу нанотехнологій традиційному бізнесу і забезпечення ти-

сяч людей роботою.

Загроза зниження вартості продукції завдяки досягненням нанотехноло-

гій та молекулярної біології з огляду на їх легку доступність для терорис-

тів з метою розробки небезпечних мікроорганізмів.

Яким буде ефект від вдихання декотрих речовин, які у даний час вигото-

вляють у молекулярному масштабі? Дослідники показали, що та сама на-

нотрубка, яка являє собою з'єднання надтонких голок, мають структуру,

подобну до азбест, а цей матеріал викликає пошкодження легенів. Те са-

ме стосується небезпеки поширення алергічних захворювань.

Чи не виявляться матеріали, які вважаються безпечними у звичайному стані, небезпечними для здоров'я, коли їх використовують у формі нано-

частинок? Теоретично вони можуть виявитися більш хімічно активними.

Чи не призведе вторгнення наночастинок у тіло людини до непередбачу-

ваних наслідків? Вони можуть бути меншими за білки. Що станеться,

якщо наночастинки викличуть проблеми зі звертанням білка, які можуть викликати, наприклад, хворобу Альцгеймера.

Ці та інші питання, які стоять сьогодні перед дослідниками, дійсно є дуже

актуальними і важливими. В гонитві за досягненнями нанотехнологій вчені мають усвідомлювати всю повноту відповідальності за життя та здоров'я інших людей.

Виявилося, що матеріали с нанорозмірним зерном вирізняються крихкіс-

тю. У ряді випадків, у тому числі з використанням методів інтенсивної пласти-

чної деформації, вдається знизити прояв цього неприємного ефекту, наприклад для нанокристалічних міді, титану і титанових сплавів, інтерметаліду Ni3Al.

Тим не менш проблема залишаються достатньо актуальною. Важливим обме-

женням для використання наноструктурних конструкційних матеріалів є їх схильність до міжкристалітної корозії унаслідок великої об'ємної частки гра-

ниць зерен. У зв'язку з цим їх не можна рекомендувати для роботи в умовах, які

сприяють перебігу такої корозії (дифузія з поверхні легувальних елементів

217

проникнення та елементів, що дифундують по границях зерен, високі темпера-

тури у поєднанні з корозійною дією середовища, радіація, схильність сплаву до змін хімічного складу по границях зерен тощо). Іншим важливим обмеженням є нестабільність структури наноматеріалів, а отже, нестабільність їх фізико-

хімічних і фізико-механічних властивостей. Зокрема унаслідок термічних, раді-

аційних, деформаційних тощо впливах неминучі рекристалізаційні, релаксацій-

ні, сегрегаційні та гомогенізаційні процеси, а також явища розпаду, фазових перетворень, спікання і запливання нанопор та нанокапілярів, аморфізації або кристалізації. Наприклад, вуглецеві нановолокна, призначені для передачі ріди-

ни, можуть бути пошкоджені під дією вібрацій і провокованою потоком рідини структурною нестбільністю вуглецю. Під час формування виробів з нанопоро-

шків досить гострою є проблема грудкування (злипання наночастинок) в агло-

мерати, що може ускладнити отримання матеріалів із заданою структурою і ро-

зподілом компонентів.

Комерційний ринок у теперішній час найчастіше пропонує такі наномате-

ріали, як нанопорошки металів і сплавів, нанопорошки оксидів (кремнію, заліза,

стибію, алюмінію, титану), нанопорошки ряду карбідів, вуглецеві нановолокна,

фулеренові матеріали.

Недостатня міцність графену

Від моменту відкриття, графен вважають суперматеріалом, властивості якого перевершують властивості інших відомих людям матеріалів. Але, група дослідників з університету Райс (Rice University) виявила слабкість графену,

пов'язану з наявністю дефектів в його листах. Через це реальна міцність матері-

алу виявилася в два рази нижчою від цього показника, який раніше приймали за дійсну міцність графену.

Графен — форма вуглецю, плоска кристалічна ґратка якого має форму сі-

тки з шестикутними осередками (рис. 132). Він має безліч унікальних властиво-

стей, серед яких часто фігурує його надвисока міцність.

218

Рисунок 132. — Схема ідеальної будови графену

Проте вчені виявили, що у графенових листах структура з шестикутних осередків може перетворюватися у менш упорядковану структуру, у вузлах яких розташовується п'ять або сім атомів Карбону (рис. 133).

Рисунок 133. — Реальна будова графену

Листи графену, вирощувані в лабораторіях, в силу різних причин ніколи не є ідеальними кристалами. Замість однорідної структури ці листи складають-

ся з "острівців" чистого графену, званих "зернами", які з'єднані між собою кри-

сталічною ґраткою з великою кількістю дефектів, так званих "швів або меж".

Саме ці дефекти створюють проблеми, коли до листа графена прикладають зу-

силля. Процеси, що виникають в графені під час прикладання до нього механі-

чних зусиль, досить складні. Якщо описувати простіше, дефекти графену приз-

водять до руйнування, подібному до утворення тріщин на лобовому склі автомобіля. Оскільки графен по суті є крихким матеріалом, тріщини в його

219

структурі можуть поширюватися досить довго, порушуючи цілісність матеріалу

ізменшуючи його механічну міцність".

Врезультаті наявності дефектів, які містить більшість вироблених листів графену, міцність графену більше, ніж в два рази нижча від розрахункового значення. Проте таке положення справ не ставить хрест повністю над потенцій-

ним застосуванням цього перспективного матеріалу, але він служить нагаду-

ванням більшості вчених про те, що графен не допоможе вирішити відразу всі проблеми у світі надміцних матеріалів.

Наноіндустрія за кордоном

Вважають, що від 2000 року почалася ера гібридної наноелектроніки. У

теперішній час щорічно проводять сотні конференцій, присвячених різним ас-

пектам нанотехнології. Оприлюднені сотні тисяч статей та монографій, створе-

ні спеціальні сайти в Інтернеті, проходить інтенсивна підготовка до створення наноелектроних елементів і різних функціональних пристроїв: від найпрості-

ших до нанокомп'ютерів.

Окрім наноелектроніки, на основі нанотехнології найбільш активно роз-

виваються: мікрота наноробототехніка, які дозволяють мініатюрні виконавчі механізми з швидкодією у мільйони разів вищою від існуючих й більш склад-

них робототехнічних систем з розподіленими механічними пристроями: інтег-

ральна нанооптоелектроніка, яка дозволяє створювати сонячні елементи з ККД у 4 рази більшим від існуючих, світлодіодів та лазерів з переналагоджуваним від інфрачервоного до ультрафіолетового спектром випромінювання, високое-

фективні транспаранти і функціональні оптичні прилади.

Усвідомлення стратегічної важливості нанотехнологій призвело до того,

що у різних країнах на рівнях уряду та крупних фірм створені та успішно вико-

нуються програми робіт з нанотехнологій.

В Японії програма робіт з нанотехнології отримала вищий державний пріоритет ―Огато‖. Цей проект спонсорує не тільки держава, але й додатково приблизно 60 приватних фірм. Окрім даного проекту, в Японії фінансуються

220