6.1. НАНОТЕХНОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ И ТЕОРИЯ

Часто можно услышать, что человек создает технологические приспособления для облегчения своего труда. Это правда, но не вся. Проще было бы вообще ничего не делать. Человек изучает природу и создает новую технику для того, чтобы адаптироваться к законам развития общества, которые действуют неумолимо и объективно. Вспомните XX век. Революции, мировые войны, крушение могучих империй. И, вместе с тем, развивается радиосвязь, самолето- и ракетостроение, человек выходит в космос, ступает на другую планету.

Общественные катаклизмы компенсируются техническими достижениями, объединяющими человечество в единую цивилизацию. Практически каждый из нас сейчас связан с другим посредством результатов высших достижений в области микроэлектроники, Интернета и сотового телефона. Упорядоченная в виде радиоволн энергия распространяет информацию о человечестве по вселенной. Именно поэтому XXI век становится веком сближения человека с техническим прогрессом, а значит, техника должна становиться биосовместимой, органично соединяемой с каждым из нас.

Одной из базовых основ техники является физика конденсированного состояния. Эта наука имеет дело с твердыми телами, состоящими в свою очередь из атомов. Ученые давно установили – свойствами твердых тел можно управлять. Обычное железо, если в него добавить атомы некоторых элементов, становится пригодным для изготовления машин, мостов, зданий. Обычный кремний, добытый из песка, становится после определенной обработки основой твердотельных электронных приборов.

Но для того чтобы это все произвести для всей цивилизации, нужно колоссальное количество энергии, источники которой не возобновляются. Выход возможен: повышать удельную прочность металлов, снижать размеры электронных приборов, создавать технологии по атомной сборке деталей.

Для целенаправленных действий в этом направлении необходимо понимать, как атомы взаимодействуют между собой. Размеры атомов составляют порядка 10-8 см, вес – порядка 10-24 г. Этот вес приходится на положительно заряженные ядра, а вес в десять тысяч раз меньший – на отрицательно заряженные электроны. Свойства атомов определяются дуализмом волна – частица. Поэтому мы не можем понять природу конденсированного состояния N атомов только из классических законов Ньютона и Кулона. Нам нужно решать волновое уравнение Шредингера. Рассмотрим результат решения этого уравнения на примере цепочки из атомов Li (рис. 23).


Рис. 23. Зависимость молекулярных орбиталей от числа взаимодействующих атомов

Оказывается, две электронные волны по одной от каждого атома комбинируются в фазе и противофазе. Первый случай описывает каждый электрон в кулоновском поле уже не одного, а двух ядер. Энергия системы в целом понижается. Во втором случае электронные волны уходят из пространства между ядрами. Энергия электронов с такой волновой функцией выше, чем у двух свободных атомов Li. Поскольку выгодно то состояние, у которого ниже потенциальная энергия, то два электрона (по одному от каждого атома) займут его. Образуется так называемый димер.

Если мы добавим третий атом лития, то возникнут три комбинации электронных волн и третий электрон будет вынужден занять более высокий энергетический уровень. Постепенно число атомов станет таким, что частица примет размер порядка 1 нм или 10-7 см. Это и есть область исследования нанонауки. Особенностью наночастиц является, во-первых, дискретный набор уровней энергии для электронов, а, во-вторых, изменение в свойствах атомов при переходе от центра частицы к ее поверхности. Когда число объединяющихся атомов достигает нескольких тысяч, комбинации волновых функций обеспечивают появление зон из тысяч близколежащих энергетических уровней. Такие зоны определяют свойства твердых тел, с которыми мы имеем дело в обычной жизни.

В случае, когда атомы приносят с собой в общий котел меньше электронов, чем уровней в зоне, твердое тело является металлом. В случае, когда атомы приносят с собой столько же электронов, сколько уровней в соответсвующей зоне, твердое тело является полупроводником, либо изолятором. Очевидно, для наночастиц такое четкое деление свойств по виду электронного спектра невозможно, но зато их свойства можно направленно изменять разными технологическими приемами. Возникают такие оптические, химические, магнитные эффекты, которые невозможны у обычных материалов.

Может ли электронная теория способствовать решению проблемы повышения резерва прочности металлов? Ответ прост. Эта теория определяет такой резерв. Снова воспользуемся дуализмом волна – частица и рассмотрим резерв прочности с точки зрения взаимодействия ядер и электронов между ними, но на классическом языке.

Оценка силы межатомного взаимодействия

  1. Силы притяжения между атомами в данной модели .
  2. Каждый атом имеет площадь .
  3. Число атомов на единицу площади .
  4. Таким образом, сила, с которой взаимодействуют две половинки кристалла, .
  5. Для типичных значений
  6. Искомая сила на разрыв .

Опыт говорит, что у нас десятикратный запас. Почему мы так далеки от предела? В прошлом веке Гриффитс показал, что прочность у больших тел снижается из-за дефектов строения, которые возникают в процессе роста больших кристаллов. Экспериментаторам удалось показать, что можно получить малые частицы практически без структурных дефектов и у таких частиц прочность стремится к теоретической. Отсюда возникла идея создавать материалы для новой техники из сверхмалых частиц, или, как сейчас принято говорить, наноматериалы.

Рис. 24. Распределение электронной плотности атомов хрома на плотноупакованной плоскости золота
Это оказалось непростым делом, ибо физика малых частиц очень слабо изучена. Во-первых, стоит проблема устойчивости малых частиц к внешним воздействиям. Искусственно созданные нанообъекты из конечного числа атомов существенно отличаются от спонтанно образующихся молекул известных нам газов и жидкостей. Молекулы из-за особенности химических связей в них сохраняют свои свойства, объединяясь в полимеры. Свойства наночастиц кординально зависят от числа атомов в объединенной наноструктуре. Хорошо видно, как меняются свойства димера Cr по мере его объединения с другими димерами в объемные структуры (рис. 24).

Как мы уже знаем, свойства наночастиц определяются взаимодействием между электронной подсистемой и ядрами атомов. Если удается определить зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между ядрами методами квантовой механики либо эмпирически, то полезную информацию о свойствах наночастиц можно получить при решении системы уравнений механики Ньютона.

где  – потенциал межатомного взаимодействия.

Этот метод, как и вся нанонаука, требует твердых знаний в области физики и математики.

Рис. 25. Пример взаимодействия наночастицы с объемным объектом (соударение наночастицы с поверхностью алюминия)


Рис. 26. Пример наномашины (молекулярно-динамическая модель вращающегося наноколеса, приближающегося к поверхности тонкой пленки (скорость 1012 Рад))

В заключение отметим, что сильная зависимость свойств наночастиц от окружения роднит их с биологическими системами. Например, вирус вне организма – это часть неживой природы, а, попав в организм человека или животного, вирус приобретает свойства живого – он начинает размножаться.