ІІ. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ

2.1.Вступ.

2.1.1. Характеристика предмета, методологія.

2.1.2. Природні нанооб’єкти і наноефекти.

2.1.3. Види штучних наноструктур.

2.1.4. Відкриття фулерена С₆₀. Структура фулерена С₆₀ і його кристалів.

2.1.5. Отримання фулеренів.

2.1.6. Механізми утворення фулеренів.

2.1.7. Фулерити. Ендоедральні структури.

2.1.8. Вуглецеві нанотрубки. Структура. Отримання. Хімічна модифікація.

2.1.9. Властивості: механічні, електричні, капілярні.

2.1.10. Застосування вуглецевих нанотрубок.

2.2. Об’ємні наноструктурні матеріали.

2.2.1. Пористий кремній.

2.2.2.Пористий оксид алюмінію і структури на його основі.

2.3. Методи синтезу матеріалів і розчинів.

2.3.1.Золь-гель процес.

Пірогенний синтез.

2.4. Методи дослідження.

2.4.1. Скануюча зондова мікроскопія.

2.4.2. Рентгенівська спектроскопія і дифрак­ція.

2.4.3. Електронна спектроскопія.

2.4.4. Месбауерівська спектроскопія.

2.4.5. Імпедансна спектроскопія.

2.5.1. Нанолітографія. Електронно-променева літогра­фія. Нанодрук.

2.6.1. Прикладна нанотехнологія.

Електрохімічні конденсатори.?

Суперконденсатори.

Застосування суперконденсаторів.

Нанома­ши­ни та наноприлади. Перспективи розвитку нанонауки.

2.1.Вступ.

2.1.1. Характеристика предмета, методологія. Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки і інформаційних технологій. У 1965 році можна було вмістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У 1971 році — 2 тис. Нині один чип містить близько 40 млн. транзисторів величиною 130—180 нанометрів, і з'явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступною для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн. транзисторів. У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке було названо «Закон Мура». «Закон Мура» проголошує, що число транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: щоб підтверджувати «Закон Мура», потрібно, щоб транзистор був не більшим 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

Наука і технологія XXI століття матимуть нанорозмірний характер, оскільки в багатьох областях традиційних технологій досягнуті межі мініатюризації окремих елементів, що стимулює пошук альтернативних шляхів. Так, виробництво сучасних інтегральних схем базується на планарній технології, що грунтується на поєднанні процесів нанолітографії (формування нанорозмірних поверхневих малюнків у вигляді ліній і точок) і травленні. Відомі нові прийоми літографії (електронно- і іонно-променева, рентгенівська), що дозволяють досягти розмірів елементів оптоелектронних інтегральних схем менше 100 нм (1 нм = 10^-9 м).

Проблема отримання нових функціональних матеріалів актуалізує задачу ефективного керування їх властивостями, яке можна здійснити лише в термодинамічно нерівноважних умовах шляхом їх термохімічної обробки, дією висококонцентрованих потоків частинок, потужного лазерного випроміню­вання, інтеркаляцією. Зокрема інтеркаляція як процес “конструювання” певних видів наносистем “господар – гість” окрім простого розширення кола нових сполук може призводити до збагачення вихідних кристалів унікальними, непритаманними їм властивостями та відігравати роль множини технологічних підходів і конкретних операцій, що становлять основу нового рівня фізико-хімічного модифікування, тобто стати фундаментом нанотехнологій для низькорозмірних структур.

Нанофазне матеріалознавство відрізняється від традиційного не тільки створенням принципово нових матеріалів, але і необхідністю конструювання приладів для роботи з такими матеріалами. З найперспективніших областей нанотехнології металевих матеріалів і виробів, в першу чергу, можна виділити мікро- і нанометалургію, лазерну обробку поверхні матеріалів, у яких шари, що піддалися дії, мають товщину в декілька десятків і сотень нанометрів. Внаслідок унікальних властивостей практичний інтерес викликають всілякі види нанокераміки. Перехід до високих технологій вимагає створення принципово нових конструкційних матеріалів, функціональні параметри яких визначаються властивостями мікрообластей, що формуються заданим чином, а також процесами, що протікають на атомному, молекулярному рівнях, в моношарах і нанооб'ємах. Дизайн на такому рівні може бути здійснений лише з участю кластерних молекул і нанорозмірних частинок – ультрамалих частинок металів нанометрового розміру як найвірогідніших і перспективних елементів молекулярної електроніки.

Наука про нанокомпозити одразу знайшла практичне застосування. Області застосування наноструктурних і кластерних матеріалів, наночастинок, практично не обмежені. Зокрема, оскільки власний розмір наночастинок порівняний з розмірами молекул, то це визначає специфіку кінетики хімічних процесів на їх поверхні. Дослідження кластерних і наноструктурних матеріалів, а також наночастинок мають переважно міждисциплінарний характер, оскільки вимагають методології таких наукових областей, як фізика конденсуючого стану, фізикохімія, матеріалознавство, біотехнологія, нанотехнологія.

Підвищений інтерес дослідників викликають некристалічні тверді речовини. Це зумовлено новизною проблеми і можливістю отримання нових матеріалів з незвичайними властивостями, з одного боку, і широкими можливостями їх практичного використання, з іншого. До кінця 70-х років XX століття були отримано відомості про існування цілого ряду нових матеріалів, зокрема, аморфних металевих сплавів, інтеркальованих з'єднань, кластерних матеріалів. Дослідження властивостей цих матеріалів і механізмів їх формування традиційними методами було неможливим. Це зумовило подальший розвиток як теоретичних, так і експериментальних досліджень неврегульованих систем, фрактальних агрегатів і наноструктурних матеріалів.

Протягом двох останніх десятиліть ситуація (принаймні в науковому плані) почала докорінно змінюватися, коли вчені навчилися не лише синтезувати речовини певного складу, але й керувати взаємним просторовим розташуванням атомів (молекул) в матеріалі. Поруч із становленням такого наукового напрямку як інженерія кристалів почала розвиватися хімія і фізика упорядкованих структур в традиційно аморфних органічних і неорганічних матеріалах, якими в більшості своїй є полімери серед органічних сполук і силікагель – найбільш відомий неорганічний матеріал, що широко використовується в науці і техніці. Типовими прикладами наноструктурних систем є нанопорошки, силікати, силікагелі, аерогелі, полімерні розчини, гелі, колоїди, мікропористі середовища, золь-гель композити.

Розвиток електронної техніки поставив за мету створення приладів молекулярних розмірів. Термін молекулярна електроніка не означає сьогодні далекі плани. Транзистори та інші електротехнічні елементи молекулярних розмірів вже створені в лабораторіях світу і невдовзі будуть впроваджуватися в промисловість. Отже в сучасній техніці матеріалом є не тільки речовина макроскопічних розмірів, а й окрема молекула, або невелика сукупність атомів, або асоціати з невеликої кількості молекул – речовини мікроскопічних (молекулярних) розмірів. Часто використовують спеціальний термін нанорозмірні частинки. Слід зупинитися на наноматеріалах, які відображають згадані тенденції розвитку сучасної техніки. Функціональні властивості наноматеріалів зумовлені частинками нанорозмірів. Наноматеріалом можна вважати як самі наночастинки, так і наночастинки, що знаходяться в якійсь матриці. В першому випадку наноматеріал, як і наночастинки, є мікроматеріалом, у другому – мікроматеріалом, в якому матриця є макроносієм наночастинок. Прикладами макроскопічних наноматеріалів можуть бути колоїдні розчини, тверді аморфні речовини (порошки, плівки тощо), функціональні властивості яких зумовлені наночастинками, що містяться в матриці.

Синтез матеріалів типу гість – господар це такий метод синтезу матеріалу, в якому матриця (господар) містить порожнини, що є комплементарними до молекул гостя. Відповідність розмірів і форм зовнішньої поверхні молекули – гостя і поверхні порожнини ще порівнюють з відповідністю ключ – замок. Проте досягнення селективної реакції (взаємодії) гість – господар базується не тільки на їх топологічній відповідності (комплементарності). Близьку форму та розмір поверхні можуть мати багато різних за складом молекул. Тому навколо молекули – гостя, що містить певні функціональні групи, синтезується (збирається) оболонка, внутрішня поверхня якої, також має специфічні функціональні групи, які просторово розташовані так, щоб забезпечити найбільш енергетично вигідне хімічне зв’язування в цій системі. Так у додаток до топологічної відповідності створюється хімічна відповідність. Таким чином, розпізнавання реалізується як за рахунок комплементарності (топологічної відповідності) розмірів та форми поверхні гостя і порожнини господаря, так і за рахунок хімічної відповідності у розташуванні функціональних груп. Таке подвійне сито створює умови для виявлення високої селективності в реакціях утворення сполук типу гість – господар.