Метрология в нанотехнологиях (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 4

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. Более того, душа человека также состоит из мельчайших атомов, поэтому она придает телу тепло и движение. Демокрит Справедливости ради следует отметить, что у Демокрита атом был неделим, так как деление предполагает наличие пустоты, а согласно учению атомистов внутри атома по определению пустоты нет.

Но лишь в конце Х1Х начале ХХ чаталиеурга века физиками будут открыты субатомные частицы и составная структура атома и будет доказано, что атом в действительности «неделимым» не является. Следует отметить, что человечество издревле пользовалось нанотехнологиями, правда, на интуитивном уровне. Наноматериал имоголит использовался в Древнем Китае в 1 веке нашей эры при производстве фарфора и в Древнем Риме в 1Ч веке нашей эры при производстве стекла [100). Пример тому так называемая чаша Ликурга, хранящаяся в Британском музее. Стекло, из которого сделана чаша, содержит в себе наночастицы золота и серебра. Средневековые витражи до сих пор хранят яркость и разнообразие красок благодаря наночастицам металла в составе стекла. Начиная с 1П века нашей эры в Дамаске изготавливались клинки путем ковки из заготовок индийской стали «вуц».

Эти знаменитые дамасские клинки имели на поверхности характерный естественный узор н обладали высочайшим качеством. Секретдамасской стали также связан с наличием наночастиц (углеродных наноструктур). Первые научные исследования, которые можно отнести к области нанотехнологий, начались гораздо позднее и приходятся на ХЧП век.

В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль опубликовал статью, в которой, описывая способ соединения частиц, впервые употребил 'г'' слово «кластер». Этим термином определялась группа близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов, ультрадиспсрсных частиц ';.'::Ы ....,-". Существенный прогресс в нанотехнологнях бьш достигнут более двух веков спустя, в 1883 году, Р. Бойль 22 23 иуж. Игтмен А.Ф.

Иоффе Г.А. Гамов ВА. Каргин l! А. Рели«дев В.В. Леоягин 24 25 американским изобретателем Джорджем Истменом (основатель компании «Кобах>), изготовившим фотопленку. Процесс фотографии основан ,,:"й на нанотехнологиях, поскольку его суть — это образование наночастиц серебра под действием солнечного света. кода» Дальнейшее развитие научных исследований в сфере нанотехнологий относится уже к ХХ веку.

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В эти же годы в Ленинградском физико- техническом институте (ЛФТИ) под руководством академика А.Ф. Иоффе проводятся исследования в области полупроводников, заложившие основы современной электроники. Сотрудник ЛФТИ ГА. Гамов теоретически обосновал так называемый эффект туннелирования, который сегодня широко используется в нанотехнологиях. ГА. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннели о- Р ванием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы, понять большой круг явлений.

Найденные решения были применены, например, для описания процессов, происходяших при вылете частицы из ядра, — основы атомной науки и техники. В 1950-х годах в этом же Институте при непосредственном участии Ж.И. Алферова были разработаны первые отечественные транзисторы и силовые германиевые приборы. В это время нанотехнологии начала применять и отечественная атомная промышленность, используя их при создании диффузионных технологий изотопного обогащения урана и технологических операций ядерно-топливного цикла. Основы для развития АГ~ Анф~л~~ нанотехнологий были заложены также в ходе исследований академиков В.А.

Каргина, П.А. Ребинлера, Б.В. Дерягина в области физикохимии. Многие источники„в первую очередь англоязычные, отсчитывают историю нанотехнологий от момента выступления с научно-популярной лекцией физика Ричарда Фейнмана в 1959 году на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. Выступление называлось «Там внизу много места: приглашение шагнуть в новую область физики» («тле ге'з р)ел!у о1гоот аг гое Бог!ого: ап 1пий або п го еп1егапевбе!с1 о)р!зуа1сзи) !1151 Фейнман предположил,чтовозможно механически перемешать одиночныс атомы при помощи манипулятора соответствующего размера„поскольку такой процесс не противоречилбы известнымнасегодняшнийденьзаконамфизики.

Позднее, в 1965 г., Р. Фейнман был удостоен Нобелевской премии «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». Позже, уже в 1993 году, в США учредят Фейнмановскую премию, которой отмечаются исследователи, чья работа больше всего способствовала достижению обозначенной Фейнманом для нано- технологий цели — строительству продуктов с атомарной точностью с помощью производственных Р.