Метрология в нанотехнологиях (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 3

4. Комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабах. 5. Совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуры и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами„обусловленными проявлением наномасштабных факторов [93[. б.

Сумма технологий и сумма методов обработки материалов, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, а также с отдельными биологическими объектами с целью получения новых материалов, приборов и устройств, формиро- 13 вания приборных структур с характерными размерами порядка 1Π— 100 нм [54). 7. Совокупность методов и приемов, обеспечивакнцих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба [4[. Таким образом, видно, что в сегодняшних определениях за основу термина взят размер частицы, что не совсем точно отражает специфику нанотехнологии, которая качественно отличается от привычных процессов.

Следует отметить, что неотьемлемой чертой современной нанотехнологии являются научные исследования. Поэтому, например, С. Вильямс, руководитель поисковых исследований Нечг!ец-Раскап[ Соп1рапу предпочитает использовать термин «нанонаука» вместо «нанотехнологии», т. к. последние ассоциируются у него с «производством, размещенным в спичечном коробке». Нанофнэнна — наука о свойствах элементов, имеющих нано- размеры [1Об[. Необходимо учитывать, что при наномасштабах макротехнологии зачастую неприменимы, а микроскопические явления— свойства и взаимодействие отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты — пренебрежительно слабые при макромасштабах, становятся намного значительнее. Вследствие этого классическая теория термодинамики теряет свою строгость и незыблемость. Периодически появляются сообщения о нарушении второго закона термодинамики.

Наноэлектроника — отрасль электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм [106[. Эксперты ожидают, что в ближайшие два-три года изделия наноэлектроники составят не менее трети общего рынка нано- продукции. Как отмечает руководитель секции наноэлектроники Комиссии РАН по нанотехнологиям академик А.Л. Асеев„наноэлектроника позволяет перейти на квантовые компьютеры, которые будут иметь качественно другую скорость вычислений и алгоритмическую базу [94[.

Более того, изделия наноэлектроники обещшот быть чрезвычайно дешевыми. Например, цена микросхем из полимеров может составлять всего 1-2 процента от затрат на изготовление чипов из кремния. Нанобно»нехнологня (или бионанотехнология): 1. Раздел в нанотехнологнях, занимающийся изучением и воздействием обьектов нанодиапазона на биологические объекты и их использованием для развития наномедицины — главной составляющей нанобиотехнологий [10б1. Последняя в свою очередь занимается созданием нанолекарств, диагностических систем на основе наночастиц, разработкой медицинских нанороботов и созданием медицинских нано- материалов.

В будущем задачей наномедицины станет слежение, исправление, генетическая коррекция и контроль биологических систем организма человека на молекулярном уровне, используя наноустройства (наноизделия), наноструктуры и информационные технологии. 3. Конструирование новых изделий, материалов и устройств на основе естественных или синтетических макромолекул, конструирование новых биологических структур на основе синтетических биополимеров [98[. Конечной целью наноиндустрии с экономической точки зрения является создание конкурентоспособной промышленной и интеллектуальной продукции — наноизделий.

Нанонэделнн — изделия, представляющие собой комбинации атомов и молекул [1061. На современном этапе они представлены нанопорошками (т. е. вещество с размерами частиц менее 100 нанометров), которые можно добавлять в разные материалы: полимеры, керамику, металлы и т. д. Иногда вместо термина «наноизделия» употребляется термин нанопродукщ«я. Однако под этим все же следует понимать 14 привычные изделия, при производстве которых использовалась нанотехнология.

Взаимосвязь частей производственного процесса нанотехнологии представлена на рис. 2. Как видно, конечной является продукция, включающая наноматериалы или промежуточную продукцию, выпуск которой завершает производственную цепочку. Сырьем для получения промежуточной нанопродукции, т. е. продукции, также включающей наноматериалы или изготовленной в наномасштабе, выступают наноматериалы. Что касается понятия «наноматериалы», то здесь также следует отметить наличие множества определений, встретившихся автору в различных авторитетных источниках.

Коиечиав нанон о Пэсь1ал Пленив»точная иааепияббккяияи Ваиоиистптмеитьг Технологическое и ннформационно-аналитическое оборудование и программное обеспечение, применяемое для визуального представления, моделирования н манипулирования в наномасштабе: атомные силовые микроскопы, шпографическое оборудованзи для нанопечати, программное обеспечение для молекулярного моделироввюнг и т. 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.