Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 2

При различных технологических процессах или природныхусловиях образовывались вещества с различными свойствами. И эта задачаразличными физическими методами была к концу прошлого века в основном решена. Сейчас мы можем определить, куда в структуре при различных технологиях попадают дополнительные атомы, от которых зависятсвойства вещества. Но их распределение в массе кристалла хаотическое,неупорядоченное. Сегодня мы уже имеем возможность собирать под контролем физических методов наблюдения кристаллы нужных свойств из отдельных атомов, как из деталей конструктора. То есть видеть и перемещать отдельные атомы размером в одну миллиардную долю метра.

Отсюдаи название – нанотехнологии.Надо сказать, что поскольку весь мир состоит из молекул и атомов,т.е. наночастиц, то любой предмет можно снабдить приставкой «нано», чтопривело бы к нелепицам. Поэтому под словом нанотехнологии следует понимать только поштучную сборку вещества из отдельных атомов.Один из теоретиков наномира футуролог Эрик Дрекслер(США) предсказывает появление в недалеком будущем дистанционно управляемых нанороботов – ассамблеров, способных создавать любые вещества, материалы и конструкцииза считанные секунды путемРис.

В.1. Квантовая точкаманипулирования отдельнымиатомами. Некоторые образцы таких изделий уже существуют в лабораториях ученых, но реальный наноассамблер уже существует в видеатомно-силового микроскопа. При помощи его иглы (наконечника) физикинаучились манипулировать молекулами и даже строить монокристаллы изтак называемых «квантовых точек» - искусственных атомов. Квантовые6точки (рис. В.1) создаются на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов и представляют собой большие молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов. В отличие от настоящих атомов, которые все строго одинаковы, у квантовых точек существует неизбежныйразброс по форме и размерам. Таким образом, квантовая точка – это искусственный атом, лишенный ядра.

Какой именно «натуральный» атом представлен искусственным, определяется числом избыточных электронов, заключенных в квантовой точке. Самое замечательное заключается здесь втом, что, несмотря на отсутствие ядра, искусственные атомы реагируютдруг на друга точно так же, как и натуральные, и вступают в те же связи.Проще говоря, вещество, созданное из искусственных атомов, теоретически не будет отличаться по своим свойствам от природного.Если электроны в определенной зоне ограничивать в их движенииэлектростатическим полем, то, варьируя напряжение , подаваемое в эту«зону», в принципе можно регулировать число электронов, попадающихвнутрь «зоны» и выходящих из нее. Попросту говоря, достаточно будетслегка передвинуть «рычажок» реостата, чтобы превратить искусственныйсвинец в искусственное серебро или золото – и обратно.

Мечта средневековых алхимиков воплощается в жизнь в XXI веке!Сегодня нанотехнологии бурно развиваются в таких областях, какинформатика, электроника, медицина, строительство, сельское хозяйство.Перспективными направлениями развития нанотехнологий для получения новых материалов и структур являются: углеродные наноматериалы,наноструктурные металлические, керамические и композиционные материалы; наноматериалы для спинтроники и фотоники; магнитные наноматериалы, наноструктурные катализаторы, органические и полимерныенаноматериалы.Масштабное применение нанотехнологии нашли в космической технике, что позволит радикально улучшить массо-габаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех илииных орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционированияэтих аппаратов. Именно использование наноматериалов, наномеханизмовможет сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны.Более общим, чем нанотехнологии, есть понятие наноиндустрии,включающее в себя нанонауку, соответствующие оборудование и средстваизмерения, сырье и материалы, нанопродукцию и, естественно, сами нанотехнологии.7Развитие наноиндустрии свидетельствует о том, что мир подошел кследующему виду (фазе) научно-технической революции.

Как показано вработе [4], первая научно-техническая революция носила индустриальноэнергетический характер. Она изменила облик мира со второй половиныXVIII века путем качественного изменения производной энергии, машинного производства и перестройкой экономики государства.Вторая научно-техническая революция (с 70-х годов ХХ века) связана с качественными изменениями в процессах получения, переработки, передачи и хранения информации. Полупроводники, интегральные микросхемы, компьютеры и Интернет на глазах одного поколения людей изменили мир.Сегодня получение любого продукта осуществляется по принципу«сверху вниз». То есть из большого объема заготовительного материалаполучают необходимую продукцию с нужными характеристиками (детальиз большой болванки – заготовки, металл из большого количества руды,транзистор из большой номенклатуры комплектующих материалов, рубашку из большого куска полотна и т.п.).

При этом в потребительскийпродукт в среднем превращается не более 10 % (иногда даже 1,5 – 2 %) исходного сырья, остальное идет в отход. Учитывая, что все земные ресурсыограничены и конечны, тупиковый путь развития по изложенному принципу очевиден.Нанотехнологии предлагают процесс «снизу вверх», т.е. созданиематериалов с заранее заданными свойствами из отдельных молекул и атомов.

Именно так происходит и в природе, когда из элементарных клетоквырастают разнообразные живые организмы. Реализация принципа «снизувверх» и определяет третью фазу научно-технической революции, очевидцами и в разной степени участниками которой все мы, живущие в началеXXI века, и являемся.Сегодня нужно говорить о глобальном рынке нанотехнологий, на который мы выходим. К 2014 году с их помощью будет производиться примерно 17 % продукции, объем ее может достигнуть 3 триллионов долларов.

В развитых странах нанотехнологии уже применяют при производстве 80 групп потребительских товаров, 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования, чтопорождает целые гроздья стандатов и нормативов.В России выпуск нанопродукции тоже постепенно нарастает. Приэтом факторы риска и безопасности внедрения нанотехнологий, производ8ства и применения нанопродукции лишь недавно попали в поле зренияученых. Например, методы определения токсичности нанопродуктов, ихвоздействия на человека малоэффективны или вообще отсутствуют.Безусловно, масштабное развитие наноиндустрии невозможно безсоответствующего ее метрологического обеспечения (МО). Поэтому всеизложенное привело к возникновению нового направления в метрологии –нанометрологии.

Метрологическое обеспечение единства измерений в нанотехнологиях связано с созданием эталонов физических величин, эталонных установок, разработкой методик поверки (калибровки) средств измерений, применяемых в нанотехнологиях, разработкой и аттестацией методик, выполнения измерений физико-химических параметров и свойствобъектов нанотехнологий.В соответствии с новым Федеральным законом № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008, введенным с 01.07.2008,принципы МО должны носить опережающий характер и использоваться влюбых без исключения технологических процессах и научных исследованиях, что, безусловно, относится и к нанотехнологиям (наноиндустрии).Необходимость опережающего развития измерительной информациина рынке современных технологий постоянно подчеркивается в ежегодныхдокладах Национального Института Стандартов и Технологий США(NIST).

По утверждению NIST, «Инновации в измерениях и метрологиизачастую будут являться фактором успешного технологического прорывапочти во всех сферах экономики. В первой четверти XXI века особые надежды связаны с нанотехнологиями». См. Swyt D. An Assessment at theUnited States Measurement System. NIST Special Publication 1048, 2007, 64pp.).В свете изложенного, любые разработки по формированию и развитию нанометрологии весьма актуальны и своевременны.9Глава 1. СТАНОВЛЕНИЕ НАНОИНДУСТРИИИ КОНЦЕПЦИЯ НАНОМЕТРОЛОГИИ1.1.

Возникновение нанометрологииВозникновение нанометрологии, естественно, связано с появлениемпонятий «нанотехнологии» и «наноиндустрии». Современные исследователи считают, что основанием прогресса в сфере «нано» стало изобретение в1948 году транзистора, который генерирует, усиливает и преобразует электрические сигналы.Сначала на одной полупроводниковой кремниевой пластине удалосьразместить несколько транзисторов, потом – целые схемы, которые сталиназывать интегральными. В течение двух десятилетий обычные интегральные схемы сменились большими, с числом транзисторов до 10000, затемсверхбольшими (100000), а сегодня счет идет уже на миллионы. Естественно, что размеры элементов интегральных схем при этом стремительноуменьшались.

В серийных схемах они сжались до 2-3 микрометров, а в отдельных образцах и до 0,1-0,2 микрометра, т.е. до 100 нанометров. Такимобразом, размеры элементов устремились к размерам атома в нанометровый диапазон.Поскольку впервые слово «атом» мир узнал еще в 400 году до н.э.

отдревнегреческого философа Демокрита, то именно его можно считать «отцом» современной наноиндустрии. На интуитивном уровне человечествовсегда пользовалось нанотехнологиями. Например, установлено, что вдревние и средние века при производстве фарфора, стекла, мозаики, дамасской стали и многого другого использовались наночастицы золота, серебра(чаша Ликурга в Британском музее) и других металлов, придающих изделиям необыкновенный цвет, устойчивость к внешним воздействиям, твердость и стойкость.В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль впервые употребилслово «кластер» для обозначения взаимосвязи атомов, молекул, ионов вультрадисперсных растворах. Сегодня понятие «кластер» применительно кнанотехнологиям – есть структура, состоящая из нескольких равноправныхчастей, сохраняющая свою полноценную функциональную работоспособность при выходе из строя произвольных составляющих его компонентов.10В 1883 году американский изобретатель Джордж Истмен (основателькомпании «Kodak») изготовил фотопленку.