Нещодавно було з'ясовано, що закони тертя в макро- й наносвіті виявилися схожими.
Нанотехнологіями, є проектування функціональних систем на молекулярному рівні й це охоплює, як поточні роботи, так і найбільш просунуті концепції. У своєму первісному значенні, нанотехнологія стосується уміння проектувати та будувати елементи від низу до гори, з використанням методів та інструментів, що розробляються сьогодні, задля виготовлення високоефективних продуктів.
Один нанометр (нм) дорівнює однієї мільярдної, або 10−9 метра. Для порівняння, типові довжини зв'язок вуглець-вуглець, або відстані між цими атомами у молекулі, знаходяться у межах 0.12-0.15 нм, а подвійна спіраль ДНК, має діаметр близько 2 нм. З іншого боку, найменші клітинні форми життя, бактерії з роду Mycoplasma, мають близько 200 нм завдовжки.
Галузі фізики, такі як наноелектроніка, наномеханіка, нанофотоніка та наноіоніка розвивалися протягом останніх декількох десятиліть, щоби забезпечити основне наукове підґрунтя нанотехнологій.
Перспективні матеріали
Кілька явищ стають явними, якщо розмір системи зменшується. До них належать статистичні механічні ефекти, а також, квантово-механічні ефекти, наприклад, «квантовий розмірний ефект», де електронні властивості твердих тіл, змінюються разом зі значним зменшенням розміру частинок. Проте, квантові ефекти можуть стати істотними, лише коли досягається межа нанометрових розмірів, як правило, 100 нм або менше, у так званій квантовій області. Крім того, змінюється низка фізичних властивостей(механічних, електричних, оптичних та інше), порівняно з макроскопічними системами. Одним із прикладів, є збільшення площі поверхні, до обсягу зміни механічних, термічних і каталітичних властивостей матеріалів. Дифузію та реакції на нанорівні, наноструктури матеріалів і нанопристроїв зі швидким переносом іонів, як правило, називають наноіонікою. Механічні властивості наносистем являють інтерес у дослідженнях наномеханіки. Каталітична активність наноматеріалів, також відкриває потенційні ризики у їх взаємодії з біоматеріалами.
Матеріали, зменшені до нанорівня, можуть показувати різні властивості порівняно з тими, які вони мають на макрорівні, і це уможливлює унікальні програми. Наприклад, непрозорі речовини, можуть стати прозорими (мідь); сталі матеріали, можуть перетворитися на горючі (алюміній); нерозчинні матеріали, можуть стати розчинними (золото). Такий матеріал, як золото, який є хімічно інертним за нормальних масштабів, може служити як потужний хімічний каталізатор у нанорозмірах.[3]
Молекулярна самозбірка
Сучасна синтетична хімія досягла межі, де можна підготувати невеликі молекули до, майже, будь-якої структури. Ці методи використовуються сьогодні, на початку XXI століття, для виробництва широкого спектру корисних хімічних речовин, таких як виробництво фармацевтичних препаратів або комерційних полімерів. Ця здатність, підносить питання про продовження такого роду контролю, на наступний рівень, для пошуку інших способів збирання цих окремих молекул у супрамолекулярні ансамблі, що складатимуться з багатьох молекул, розташованих певним чином.[4]
Молекулярна нанотехнологія
Молекулярна нанотехнологія, іноді звана молекулярним виробництвом, змальовує сконструйовані наносистеми (нанорозмірні машини), що працюють на молекулярному рівні. Молекулярну нанотехнологію особливо пов'язано з молекулярним асемблером (монтажником), машиною, яка може виробляти бажану структуру, або атом за зразком атому пристрою, використовуючи принципи механосинтезу. Виробництво у сенсі виробничих наносистем не пов'язано і їх слід чітко відрізняти від звичайних технологій, що використовуються для виробництва наноматеріалів, таких як вуглецеві нанотрубки і наночастки.
Хотілося-б сподіватися, що розвиток нанотехнологій уможливить їх будівництво будь-яким іншим способом, можливо, з використанням принципів біоміметики. Проте, Дрекслер та інші дослідники припускали, що хоча, можливо, передові нанотехнології, спочатку здійснюватимуться біоміметичними засобами, у кінцевому підсумку, їх може бути засновано на механічних інженерних принципах, а саме, технологіях виробництва, які
ґрунтуються на механічній функціональності цих компонентів (наприклад, зубчастих коліс, підшипників, двигунів і конструктивних елементів), які дозволили б запрограмувати, позиційну збірку в атомарний специфікації. Фізичні й інженерні характеристики зразкових конструкцій, було проаналізовано у книзі Дрекслера «Наносистеми».
Загалом, дуже важко зібрати пристрої на атомному рівні, оскільки потрібно розташувати окремі атоми на інші атоми, приблизно такого самого розміру, та через липкість. Іншою точкою зору, висунутою Carlo Montemagno, є те, що майбутні наносистеми, будуть гібридами кремнієвих технологій та біологічних молекулярних машин. Річард Смолл стверджував, що механосинтез неможливий через труднощі, пов'язані з механічними маніпуляціями окремими молекулами.
Це призвело до обміну листами у виданні ACS Chemical & Engineering News 2003 року. Хоча біологія ясно демонструє, що системи молекулярних машин можливі, небіологічні молекулярні машини на сьогоднішній день, є лише у зародковому стані. Лідерами в області досліджень щодо небіологічних молекулярних машин, є Доктор Алекс Зеттл і його колеги Lawrence Berkeley Laboratories і UC Berkeley. Ними побудовано щонайменше три різні молекулярні механізми, рух яких керується з робочого столу зміною напруги: нанотрубка наномотор, молекулярний привід, і наноелектромеханічний релаксаційний генератор.
Експеримент, який вказує, що позиційна молекулярна збірка можлива, було здійснено Хо і Лі у Корнельському університеті 1999 року. Вони використовували тунельний мікроскоп, щоби перемістити окрему молекулу окису вуглецю (СО) до атому заліза (Fe), який містився на пласкому кристалі срібла, і хімічно прив'язали СО до Fe за допомогою напруги.[5]
Сканувальна зондова мікроскопія
Одним з методів, які використовуються для вивчення нанооб'єктів, є скануюча зондова мікроскопія. У рамках сканувальної зондової мікроскопії реалізовані як неоптичні, так і оптичні методики.
Дослідження властивостей поверхні за допомогою скануючого зондового мікроскопа (СЗМ) проводяться на повітрі за атмосферного тиску, у вакуумі й навіть у рідині. Різні СЗМ методики, дозволяють вивчати як провідні, так і не провідні об'єкти. Крім того, СЗМ підтримує суміщення з іншими методами дослідження, наприклад з класичною оптичною мікроскопією і спектральними методами.
За допомогою сканувального зондового мікроскопа можна не лише побачити окремі атоми, але також вибірково впливати на них, зокрема, переміщати атоми поверхнею. Вченим вже вдалося створити двовимірні наноструктури на поверхні, з використанням даного методу. Наприклад, у дослідницькому центрі компанії IBM, завдяки послідовному переміщенню атомів ксенону на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три літери логотипу компанії, використовуючи 35 атомівксенону.
Під час виконання подібних маніпуляцій, виникає ряд технічних труднощів. Зокрема, потрібно створення умов надвисокого вакууму (10−11 тор), треба охолоджувати підкладку і мікроскоп до наднизьких температур (4-10 К), поверхня підкладки повинна бути чистою і атомарно гладкою, для чого застосовуються спеціальні методи її приготування. Охолодження підкладки проводиться задля зменшення поверхневої дифузії досліджуваних атомів, охолодження мікроскопа дозволяє позбутися термодрейфу. Проте, у більшості випадків, немає потреби маніпулювати окремими атомами або наночастинками і достатньо звичайних лабораторних умов для вивчення об'єктів, що цікавлять.
Наночастки
Сучасна тенденція до мініатюризації показала, що речовина може мати зовсім нові властивості, якщо взяти дуже маленьку частинку цієї речовини. Частинки розмірами від 1 до 100 нанометрів зазвичай називають «наночастинками». Так, наприклад, виявилося, що наночастки деяких матеріалів, мають дуже добрі каталітичні і адсорбційнівластивості. Інші матеріали показують дивовижні оптичні якості, наприклад, надтонкі плівки органічних матеріалів застосовують для виробництва сонячних батарей. Такі батареї, хоч і мають порівняно низьку квантову ефективність, натомість дешевші і можуть бути механічно гнучкими. Вдається домогтися взаємодії штучних наночастинок з природними нанорозмірними об'єктами — білками, нуклеїновими кислотами й іншими. Ретельно очищені наночастинки можуть самолаштуватися у певні структури. Така структура містить суворо впорядковані наночастинки і також, часто проявляє незвичайні властивості.
Комментариев нет:
Отправить комментарий