Применение нанотехнологий (1075549), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Основные технические сложности при создании микроскопа:

• Создание иглы, заострённой действительно до атомных размеров.

• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

• Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

• Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

• Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.

Преимущества и недостатки

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрон². Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Обычный АСМ не в состоянии сканировать изображения так же быстро, как это делает РЭМ. Для получения АСМ-скана, как правило, требуется несколько минут, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени, хотя и с относительно невысоким качеством. Достаточно медленная скорость развёртки АСМ часто приводит к появлению на изображении искажений, вызываемых тепловым дрейфом, ограничивая тем самым возможности микроскопа при точном измерении элементов сканируемого рельефа. Однако было предложено несколько быстродействующих конструкций, чтобы увеличить производительность сканирования микроскопа , включая зондовый микроскоп, который был впоследствии назван видеоАСМ (удовлетворительного качества изображения были получены на видеоАСМ с частотой телевизионной развёртки, т.е. быстрее, чем на обычном РЭМ). Для коррекции искажений от термодрейфа было также предложено несколько методов.

Изображения, полученные на АСМ, могут быть искажены гистерезисом пьезокерамического материала сканера, а также перекрёстными паразитными связями, действующими между X, Y, Z элементами сканера, что может потребовать программной коррекции. Современные АСМ используют программное обеспечение, которое вносит исправления в реальном масштабе времени (например, особенность-ориентированное сканирование, особенность-ориентированное позиционирование), либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, которые практически устраняют данные проблемы. Некоторые АСМ вместо пьезотрубки используют XY и Z элементы сканера механически несвязанные друг с другом, что также позволяет исключить часть паразитных связей. АСМ можно использовать для определения типа атома в кристаллической решётке.

Интересные следствия

Манипулятор АСМ и СТМ позволяет при габаритах в несколько сантиметров передвигать иглу с разрешением лучше 0,1 Ǻ. Если бы промышленный робот обладал подобной точностью перемещений при габаритах около метра, то иголкой, зажатой в манипуляторах, он мог бы нарисовать окружность диаметром в несколько нанометров.

Коэффициент температурного расширения большинства материалов около 10−6. При размерах манипулятора в несколько сантиметров изменение температуры на 0,01° приводит к перемещению иглы вследствие теплового дрейфа на 1 Ǻ.

1. ОБОРОННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

   1. Маскировка

Военные машины предполагают оснастить специальной "электромеханической краской", которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет "затягивать" мелкие повреждения на корпусе машины. "Краска" будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. На исследования "нанокраски" Министерство обороны США выделило около двух миллиардов долларов в год. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в "краске", исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета. Миниатюрные камеры будут считывать изображение с одной стороны устройства, передавая его на фотоэлементы на другой стороне, формируя таким образом изображение заднего фона спереди машины.

В таких исследованиях заинтересованы различные спецслужбы и армейские круги, которые и финансируют данные разработки.

Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить объект. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.

По данным интернет-ресурса Physorg. com, ученые и инженеры из центра нанотехнологии Бирка ( Birck Nanotechnology Center) при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, — невидим.

Для изготовления наноигл необходимо оборудование, которое сейчас применяется для производства устройств с помощью нанотехнологии, так как диаметр игл в теоретической модели составляет примерно 10 нм при длине в сотни нанометров.

Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели можно создать «плащ-невидимку» для любой длины волны в видимом спектре, утверждает русский ученый Владимир Михайлович Шалаев, в настоящее время профессор Колледжа электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.

По словам В. Шалаева, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение — например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны. Другое возможное применение — маскировка объектов от «лазерных целеуказате-лей», используемых военными для поиска и подсветки цели.

Уже сейчас в ряде армий, прежде всего США, применяются специальные покрытия типа «Антилуч» для военных самолетов, кораблей и бронетехники, способные полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров.

«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно, — это трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно, это явно осуществимо. В принципе, такой «плащ» может быть сколь угодно большим — размером с человека или самолет», — заявил В. Шалаев.

Предполагается, что устройство может быть создано именно из так называемых немагнитных метаматериалов. В отличие от разработок для обеспечения невидимости в микроволновом спектре новая модель не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но в то же время небольшая часть видимого света все же отражается от маскируемого объекта. Для его производства необходим особый диэлектрик — метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления. В данном же случае с возможным использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи ( Tomoshiro Ochiai) с коллегами теоретически рассчитал концептуальную модель реального «плаща-невидимки».

По поводу метаматериала следует заметить, что в 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями § и/г», опубликованной в вестнике «Успехи физических наук», он пришел к заключению, что с таким материалом существенно изменяются почти все известные оптические явления распространения волн.

В следующей разработке модель «плаща-невидимки» представляет собой пустотелый цилиндр. Попадающие на него электромагнитные волны огибают внутреннюю полость цилиндра, продолжая движение на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается полностью неизменным, как если бы на его пути не было никакого Цилиндра. Однако главный недостаток заключается в том, что в настоящее время все это «функционирует» опять же только для волн строго определенной частоты. Положительной же стороной является тот факт, что предложенный японскими теоретиками вариант устройства полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются к реальному «плащу-невидимке»: не отражать видимого света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.

Имеются и более примитивные устройства, например разработка японского ученого-практика Сусуму Тачи ( Susumu Tachi). Его «плащ-невидимка» состоит из частиц (экранчиков), каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Однако невидимым человек является только строго с одной стороны (определенного угла зрения), со всех остальных сторон он видится обычным человеком в «необычном» (смешном) плаще.

1. Нанодисперсные взрывчатые вещества

По сообщению заместителя начальника Генерального штаба ВС РФ А. С. Рукшина средствам массовой информации, в сентябре 2007 года Россией испытана новейшая вакуумная бомба, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться только с ядерными боевыми зарядами.

«Результаты испытаний созданного авиационного боеприпаса показали, что он по своей эффективности и возможностям соизмерим с ядерным боеприпасом. Основные разрушения производит сверхзвуковая воздушная ударная волна и невероятно высокая температура. Все живое просто испаряется. Почва после взрыва больше похожа на лунный грунт, но нет ни химического, ни радиоактивного загрязнения. Эта разработка обеспечит нам возможность дать реализацию безопасности государства и в то же время противостоять международному терроризму в любой обстановке и в любом регионе», — заявил А. Рукшин ведущим каналам российского телевидения.

Было отмечено, что конструкторы новой бомбы назвали свое изобретение «папой всех бомб» — в противовес американскому вакуумному боеприпасу, неофициально именуемо-,му «матерью всех бомб».

Сотрудник научно-исследовательского института российского Министерства обороны Юрий Балыко сказал, что взрывчатое вещество, использованное в новой бомбе, имеет более высокую разрушительную силу, чем тротил, и что этого удалось достичь вследствие применения нанотехнологий.

«Это позволило снизить требования к точности, отсюда удешевление — качество, которое необходимо в современных условиях», — заявил Ю. Балыко.

По данным журналистов, российская бомба в четыре раза мощнее американского аналога. При этом температура в центре разрыва в два раза выше. Площадь поражения также в два раза шире — 300 м против 150 м.

Рассмотрим, в чем же заключается принцип действия вакуумной бомбы, и какое отношение к ней имеют нанотехнологий.

Приблизительно в 1960 году американскими военными конструкторами было установлено, что уже через 125 мс после подрыва боеприпаса, содержащего 10 галлонов (примерно 32—33 л) оксида этилена, образуется облако топливовоздушной смеси радиусом 7,5—8,5 м и высотой до 3 м. Одновременное воспламенение облака несколькими детонаторами создает ударную волну, имеющую избыточное давление 2 100 000 Па, что эквивалентно взрыву 200—250 кг тротила. Даже на расстоянии 25—40 м от эпицентра взрыва давление в ударной волне достаточно для разрушения самолета или вертолета на стоянке.

Военными были испытаны и признаны годными для применения в бомбах объемного взрыва взрывчатые вещества, содержащие окись этилена, окись пропилена, метан, пропилнитрат и состав МАРР (смесь метила, ацетилена, пропадиена и пропана).

Американцы впервые применили вакуумные бомбы во Вьетнаме летом 1969 года во время американо-вьетнамской войны для расчистки джунглей. Использование вертолетов для подвоза материальных средств, а также эвакуации раненных и вообще личного состава в условиях джунглей часто было невозможно из-за отсутствия открытых площадок, пригодных для их посадки. Расчистка джунглей для посадки одного вертолета требовала непрерывной и интенсивной работы целого инженерного взвода в течение суток, что практически приводило к их гибели.

Эффект от применения новой бомбы превзошел все ожидания. Американский многоцелевой вертолет типа UH-1 Iroquois (производства фирмы Bell Helicopter Textron, более известный как «Хьюи», Ниеу) мог прямо в кабине свободно нести 2—3 таких боезапаса. Взрыв одной бомбы даже в самых непроходимых джунглях создавал открытую площадку диаметром 30—40 м, пригодную для посадки вертолета.

Встает вопрос: если вакуумная бомба давно известна, какой вклад внесли нанотехнологии в ее совершенствование? Ответ достаточно прост: чем меньше размер частиц распыляемого вещества, тем выше их проникающая способность, больше площадь распыления, а следовательно, площадь поражения. При этом чем меньше дисперсность частиц, тем полнее они сгорают, обеспечивая выделение максимальной энергии сгорания при меньшей массе всего заряда, что имеет немаловажное значение для его транспортировки к месту применения.

Характеристики

Список файлов книги