Окрепилов В. - Стандартизация и метрология в нанотехнологиях, страница 3

д. Рис. 2. Взаимосвязь часюсй нрокзводсгявсняого процесса в яаноиндустрии Промекуточная продукция с характеристиками в наномасппабе; покрытия, память н чипы, комплектуюпще для оптики, ортопедии, сверхпроводящие провода и т. д. Конечная продукция, вюпочающая нанотехно лаппо: автомобили, одежда, самолеты, компьютеры, электроприборы, фармацевтическая продукция, обработанная пищевая продукция и т, д Наноматериааыз1. Разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов [102[.

2. Элементы, в которых есть структуры, имеющие наноразмеры и определяющие свойства таких элементов [45). 3. Структуры материала, размер которых составляет менее 100 нм с размерозависимыми свойствами [49[. 4. Вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов [931.

На основе анализа приведенных трактовок, можно выделить основные типы наноматериалов:нанопорошки, нанокомпозиты, нанопленки,нанотрубки и др.(рис. 3.), По всей производственной цепочке в наноиндустрии для обеспечения процесса создания нанопродукции используются различные наноинструменты. Нпнаииструментм — технический инструментарий и программное обеспечение, применяемое дпя визуального представления, моделирования и манипулирования в наномасштабе. К ним, в частности, относятся магнитные нанощипцы, нейрозонды, наношприцы, зондовые сканирующие микроскопы и др. [44).

Нельзя обойти вниманием такое понятие, как «нанодиагностика», задачами которой являнпся: сбор и обработка данных, характеризующих объекты наномира. Нялодиагмаспзикаг 1. Комплекс методов, направленных на определение характеристик нановеществ, а также определение характеристик объекта по характеристкам входящих в него наноструктур [16б[.

16 17 Нанопористые материалы Нанокомпозпты Фуллерены низ произвелные, нанотрубки НАНОМА з ЕРИАЛЫ Биологически- н бнесовместимые Нанекластеры, ианочасгины„ нанопорогакн материалы Нановленкп, нанопекрытиа, многослойные гетероструктуры Рис. 3. Основные тины наноматериалов 2. Совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфологотопологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью (93). Следует отметить, что методы изучения в наномире коренным образом отличаются от принятых в макромире.

Например, в сканирующей зондовой микроскопии детектируется результат взаимодействия твердотельного механического зонда в виде иглы с поверхностью объекта. Выражаясь простым языком: если в оптическом или электронном микроскопе образец «осматривается»„то в зондовой микроскопии он «ощупывается», Наиамепзролагни — новое направление в метрологии„с которым связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обеспечения единства измерений в нанотехнологиях. В первую очередь — это эталоны физических величин и эталон- ные установки, а также стандартные образцы состава, структуры и свойств для обеспечения передачи размера единиц физических величин в нанодиапазоне. Во-вторых, это аттестованные или стандартизованные методики измерений физико-химических параметров и свойств объектов нанотехнологий, а также методики калибровки (поверки) самих средств измерений, применяемых в нанотехнологиях.

В-третьих, это метрологическое сопровождение самих технологических процессов производства материалов, структур, объектов и иной продукции нанотехнологий. Определив основные понятия в области нанотехнологий, на наш взгляд, следует более детально определить наномасштаб среди других измеряемых объектов. В метрической системе мер для обозначения больших или меньших значений физических величин приняты десятичные кратные и дол ьные единицы (37), получаемые путем умножения их на число 10 в соответствующей положительной (для кратных единиц) или отрицательной (для дольных единиц) степени.

Кратные и дольные единицы образуются путем присоединения к наименованию исходной единицы соответствующей приставки. В 1791-!795 гг, при первом введении метрической системы во Франции было принято наименования таких приставок для кратных единиц брать из греческого языка, а для дольных— из латинского. Тогда были приняты приставки кило (10'), гекто (10') и дека (10'), а также деци (10-'), санти (10 ') и милли (10-з) В дальнейшем по мере развития науки и техники и соответствия возникновения потребности в повышении точности измерений диапазон кратных и дольных единиц расширялся как в сторону больших, так и меньших значений.

В 1870 году появились приставки мега (1О') и микро (10-'). Затем были введены приставки гига (10'), нано (10-'), гера (10"), пико (1О-"). В 1964 году были приняты приставки фемто (1О-") и атго (10 "), а в 1975— пега (1О") и акса (10'") (табл. 1). Стоит напомнить, что атомная и квантовая физика оперируют таким понятием, как 1 ангстрем — 1 А или 10в им. 1 А соответствует диаметру атома водорода. Таким образом, 1 нм =1О А.

18 19 Таблица 1 Ч«:мм )М ~б)Н. Обозначение приставки Приставка СИ Множитель международное русское ) п«м ыт (и'.) 1 000 000 000 000 000 000 = 10п в акса 1 000 000 000 000 000 = 10п П пега ()О -'..) 1 000 000 000 000 = 10 о Т тера 1 000 000 000 = 10 ' гига ((О ' 1 000 000 = 10' 1 000 = 10' б О о н ) нанна л) ы б ион ОО мега кило )$ !оо = !о' 10 = 10' гекто дека да 0,1 = 10П д деци О, 01 = 10 ' свити 0,001= 10' милли О, 000 001 = 10 ' микро мк О, 000 000 001 = 1О ' наяо н ()О ' н) О, 000 000 000 001 = 1О " вннп«, ) н а пн» НННШО)ОНП пико ()О " ° ) О, 000 000 000 000 00! = 10 " фемто 4!й) чх') О, 000 000 000 000 000 001 =- 1О " атто Ы ))О н Лы) ~Р:ПОПО О ) РОПП ()О "н) Рис 4.

Шкалалинейкыкразмеров различных живых и искусал)венных абьектов 20 Множители н приставки СИ для образования десятичных кратных н дальных единиц н нх наименования Наиболее наглядно наномасштаб можно представить, если сопоставить линейные размеры известных живых и искусственных объектов !рис. 4.). Нанодиапазоном принято считать длину от 1 до 100 нм. В этом диапазоне находятся наиболее распространенные изделия нанотехнологии — нанотрубки, а также элементы сверхбольших интегральных схем, имеющие размеры порядка 100 нм. Если учесть, что диаметр спиральной молекулы ДНК составляет примерно 20 нм, а масштаб вирусов лежит в пределах 100 нм, то можно представить появление широких возможностей для ()О 'Н) ()О' ) ()О 'н) .ОО НО и ~)» $Мй ~) по Ом Ы«м'ОПП ПМ« ' ' ° Н М и ~н ~ нна Опп «() и нк! ° ООП»П совме|пения искусственных технологий и живой природы, создания «умных» лекарств, избирательно воздействующих на организм, а в перспективе и создание комбинированных живых организмов (биоробототсхнические системы).

Изучение любой области научных знаний не может быть плодотворным без изучения истории ее развития. Анализ эволюции позволяет выявить тенденции развития данного явления, увидеть его истоки в прошлом, получить представление о подходах и путях решения задач в этой области на современном этапе. Истории развития нанотехнологий автором посвящен следующий параграф книги. 1.2. История развития наиотехиологий «Отцом» современных нанотехнологий можно считать древнегреческого философа Демокрита, который примерно в 400 г. до н.э. впервые употребил слово «атом», представляя устройство бытия, и развил свое учение, став одним из основоположников атомизма. Демокрит на много веков вперед предвосхитил развитие науки, определив атом как мельчайшее тело, не подверженное никаким изменениям.

Только в ХЧП веке ученым удалось экспериментально подтвердить идею об атоме как о наименьшей неделимой части материи, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы. Согласно учению Демокрита, всем атомам присуще свойство непрерывного движения, первопричиной которого являются соударения атомов, начавшиеся во время спонтанного вихря. Благодаря этому вихрю )г, возник наш космос: сначала произошла первичная сортировка атомов, более крупные атомы оказались в центре, и из них произошла Земля.