Нанотехнології наноматеріали нанопристрої

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Г. Г. Єленін

Коротка довідка про автора: професор факультету обчислювальної математики і кібернетики Московського державного університету ім. М. В. Ломоносова, провідний науковий співробітник Інституту прикладної математики ім. М. В. Келдиша РАН.

Якщо вже сталевий кубик або кристалик солі, складений з однакових атомів, може виявляти цікаві властивості; якщо вода - прості крапельки, відрізнити один від одного і покривають миля за милею поверхню Землі, - здатна породжувати хвилі і піну, грім прибою і дивні візерунки на граніті набережній; якщо все це, все багатство життя вод - всього лише властивість згустків атомів, то скільки ж ще в них приховано можливостей? Якщо замість того, щоб вибудовувати атоми за ранжиром, лад за ладом, колону за колоною, навіть замість того, щоб споруджувати з них хитромудрі молекули запаху фіалок, якщо замість цього розташовувати їх щоразу по-новому, урізноманітнюючи їх мозаїку, не повторюючи того, що вже було, - уявляєте, скільки незвичайного, несподіваного може виникнути в їх поведінці.

Р. П. Фейнман [1]

Предмет, цілі та основні напрямки в нанотехнології

Згідно Енциклопедичному словнику [2], технологією називається сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану, властивостей, форми сировини, матеріалу або напівфабрикату, здійснюваних в процесі виробництва продукції.

Особливість нанотехнології полягає в тому, що розглядаються процеси і здійснюються дії відбуваються в нанометровому діапазоні просторових размеров1. "Сировиною" є окремі атоми, молекули, молекулярні системи, а не звичні в традиційній технології мікронні або макроскопічні обсяги матеріалу, що містять, принаймні, мільярди атомів і молекул. На відміну від традиційної технології для нанотехнології характерний "індивідуальний" підхід, при якому зовнішнє управління досягає окремих атомів і молекул, що дозволяє створювати з них як "бездефектні" матеріали з принципово новими фізико-хімічними та біологічними властивостями, так і нові класи пристроїв з характерними нанометровими розмірами. Поняття "нанотехнологія" ще не устоялося. Мабуть, можна дотримуватися такого робочого визначення.

Нанотехнологією називається міждисциплінарна область науки, в якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів у просторових областях нанометрових розмірів з метою управління окремими атомами, молекулами, молекулярними системами при створенні нових молекул, наноструктур, наноустроіств і матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними та біологічними властивостями.

Аналіз поточного стану бурхливо розвивається області дозволяє виділити в ній ряд найважливіших напрямків.

Молекулярний дизайн. Препарування наявних молекул і синтез нових молекул в сильно неоднорідних електромагнітних полях.

Матеріалознавство. Створення "бездефектних" високоміцних матеріалів, матеріалів з високою провідністю.

Приладобудування. Створення скануючих тунельних мікроскопів, атомно-силових мікроскопов2, магнітних силових мікроскопів, многоострійних систем для молекулярного дизайну, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів.

Електроніка. Конструювання нанометровій елементної бази для ЕОМ наступного покоління, нанопроводів, транзисторів, випрямлячів, дисплеїв, акустичних систем.

Оптика. Створення нанолазер. Синтез многоострійних систем з нанолазер.

Гетерогенний каталіз. Розробка каталізаторів з наноструктурами для класів реакцій селективного каталізу.

Медицина. Проектування наноінструментарія для знищення вірусів, локального "ремонту" органів, високоточної доставки доз ліків у певні місця живого організму.

Трибология. Визначення зв'язку наноструктури матеріалів і сил тертя і використання цих знань для виготовлення перспективних пар тертя.

Керовані ядерні реакції. Наноускорітелі частинок, нестатистической ядерні реакції.

Скануюча тунельна мікроскопія

Значну роль у нестримному дослідженні наносвіту зіграли, принаймні, дві події:

- Створення скануючого тунельного мікроскопа (G. Ben-nig, G. Rohrer, 1982 р.) і скануючого атомно-силового мікроскопа (G. Bennig, К. Kuatt, К. Gerber, 1986 р.) [3] (Нобелівська премія 1992 р.);

- Відкриття нової форми існування вуглецю в природі - фулеренів (Н. Kroto, J. Health, S. O'Brien, R. Curl, R. Smal-ley, 1985 r.) [4] (Нобелівська премія 1996 р.).

Нові мікроскопи дозволили спостерігати атомно-молекулярну структуру поверхні монокристалів у нанометровому діапазоні розмірів. Найкраще просторовий дозвіл приладів складає соту частку нанометра по нормалі до поверхні. Дія скануючого тунельного мікроскопа засноване на тунелюванні електронів через вакуумний бар'єр. Висока роздільна здатність обумовлена ​​тим, що тунельний струм змінюється на три порядки при зміні ширини бар'єру на розміри атома. Теорія квантового ефекту тунелювання закладена Г.А. Гамовим в 1928 р. в роботах по a-розпаду [5].

За допомогою різних скануючих мікроскопів в даний час спостерігають за атомною структурою поверхонь монокристалів металів, напівпровідників, високотемпературних надпровідників, органічних молекул, біологічних об'єктів. На рис. 1 показана реконструйована поверхня нижньої тераси грані (100) монокристала кремнію [6]. Сірі гуртки є образами атомів кремнію. Темні області є локальними нанометровими дефектами. На рис. 2 наведена атомна структура чистої поверхні грані (110) срібла (ліва рамка) і тієї ж поверхні, покритої атомами кисню (права рамка) [7]. Виявилося, що кисень адсорбується не хаотично, а утворює досить довгі ланцюжки вздовж певного кристалографічного напрямку. Наявність здвоєних, одинарних ланцюжків свідчить про двох формах кисню.

Ці форми відіграють важливу роль у селективному окисненні вуглеводнів, наприклад етилену. На рис. 3 можна бачити наноструктуру високотемпературного надпровідника Bi2Sr2CaCu2O2 [8]. У лівій рамці рис. 4 чітко видно кільця молекул бензолу (С6Н6) [9]. У правій рамці показані СН2-ланцюжка поліетилену [10]. У роботі [11] представлена ​​послідовність кадрів лабораторного фільму про проникнення вірусу в живу клітину.

Нові мікроскопи корисні не тільки при вивченні атомно-молекулярної структури речовини. Вони виявилися придатними для конструювання наноструктур. За допомогою певних рухів вістрям мікроскопа вдається створювати атомні структури. На рис, 5 представлені етапи створення напису "IBM" з окремих атомів ксенону на грані (110) монокристала нікелю [12]. Рухи вістря при створенні наноструктур з окремих атомів нагадують прийоми хокеїста при просуванні шайби ключкою. Представляє інтерес створення комп'ютерних алгоритмів, що встановлюють нетривіальну зв'язок між рухами вістря і переміщеннями маніпульованим атомів на основі відповідних математичних моделей. Моделі та алгоритми необхідні для розробки автоматичних "збиральників" наноконструкцій.

Рис. 4: а - С6Н6; b - СН2-СН2

Рис. 5. Xe / Ni (110)

Наноматеріали

Фулерени, як нова форма існування вуглецю в природі поряд з давно відомими алмазом і графітом, були відкриті в 1985 р. при спробах астрофізиків пояснити спектри міжзоряного пилу [4, 13]. Виявилося, що атоми вуглецю можуть утворити високосімметрічную молекулу С60. Така молекула складається з 60 атомів вуглецю, розташованих на сфері з діаметром приблизно в один нанометр і нагадує футбольний м'яч (рис. 6). Відповідно до теореми Л. Ейлера, атоми вуглецю утворюють 12 правильних п'ятикутників і 20 правильних шестикутників. Молекула названа на честь архітектора Р. Фуллера, який побудував будинок з п'ятикутників і шестикутників. Спочатку С60 отримували в невеликих кількостях, а потім, в 1990р., Була відкрита технологія їх великомасштабного виробництва [14].

Фуллерита. Молекули С60, у свою чергу, можуть утворити кристал фулерит з гранецентрованої кубічної гратами і досить слабкими міжмолекулярними зв'язками [15]. У цьому кристалі є октаедричні і тетраедри-етичні порожнини, в яких можуть знаходитися сторонні атоми. Якщо октаедричні порожнини заповнені іонами лужних металів (| = К (калій), Rb (рубідій), Cs (цезій)), то при температурах нижче кімнатної структура цих речовин перебудовується і утворюється новий полімерний матеріал | 1С60 [16]. Якщо заповнити також і тетраедричних порожнини, то утворюється надпровідний матеріал | зС60 з критичною температурою 20-40 К. Вивчення надпровідних фулерит-тов проводиться, зокрема, в Інституті ім. Макса Планка в Штутгарті [17]. Існують фуллерита і з іншими присадками, що дають матеріалу унікальні властивості. Наприклад, С60-етилен має феромагнітні властивості [18]. Висока активність в новій галузі хімії призвела до того, що вже до 1997 р. налічувалося понад 9000 фуллеренових сполук.

Вуглецеві нанотрубки. З вуглецю можна отримати молекули з гігантським числом атомів [19]. Така молекула, наприклад С = 1000000, може являти собою одношарову трубку з діаметром близько нанометра і довжиною в кілька десятків мікрон (рис. 7). На поверхні трубки атоми вуглецю розташовані в вершинах правильних шестикутників. Кінці трубки закриті за допомогою шести правильних п'ятикутників. Слід відзначити роль числа сторін правильних багатокутників у формуванні двомірних поверхонь, що складаються з

Рис. 7. Нехіральние нанотрубки: а - С (n ', n) - метал [50, 52];

Ь-С (n, 0): mod (n, 3) = 0 - напівметал

mod (n, 3)! = 0 - напівпровідник.

Рис. 8. Зігнута трубка [56]

атомів вуглецю, в тривимірному просторі. Правильні шестикутники є осередком в плоскому графітовому аркуші, який можна скрутити в трубки різної хіральності (m, n) 3. Правильні п'ятикутники (семикутника) є локальними дефектами в графітовому аркуші, що дозволяють отримати його позитивну (негативну) кривизну. Таким чином, комбінації правильних п'яти-, шести-і семикутника дозволяють отримувати різноманітні форми вуглецевих поверхонь в тривимірному просторі (рис. 8). Геометрія цих наноконструкцій визначає їх унікальні фізичні і хімічні властивості і, отже, можливість існування принципово нових матеріалів і технологій їх виробництва. Передбачення фізико-хімічних властивостей нових вуглецевих матеріалів здійснюється як за допомогою квантових моделей, так і розрахунків в рамках молекулярної динаміки. Поряд з одношаровим трубками є можливість створювати і багатошарові трубки [20]. Для виробництва нанотрубок використовуються спеціальні каталізатори [21, 22].

У чому унікальність нових матеріалів? Зупинимося лише на трьох важливих властивостях.

Надміцні матеріали. Зв'язки між атомами вуглецю в графітовому аркуші є найсильнішими серед відомих, тому бездефектні вуглецеві трубки на два порядки міцніше сталі і приблизно в чотири рази легше її! Одна з найважливіших задач технології в області нових вуглецевих матеріалів полягає у створенні нанотрубок "нескінченної" довжини. З таких трубок можна виготовляти легкі композитні матеріали граничної міцності для потреб техніки нового століття. Це силові елементи мостів і будівель, несучі конструкції компактних літальних апаратів, елементи турбін, силові блоки двигунів з гранично малим питомим споживанням палива і т.п. В даний час навчилися виготовляти трубки довжиною в десятки мікрон при діаметрі близько одного нанометра [23].

Високопроводящіе матеріали. Відомо, що в кристалічному графіті провідність вздовж площини шару найвища серед відомих матеріалів і, навпаки, у напрямку, перпендикулярному листу, мала. Тому очікується, що електричні кабелі, зроблені з нанотрубок, при кімнатній температурі будуть мати електропровідність на два порядки вище, ніж мідні кабелі. Справа за технологією, що дозволяє виробляти трубки достатньої довжини і в достатній кількості,

Нанокластери

До безлічі нанооб'єктів відносяться надмалі частинки, що складаються з десятків, сотень або тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально відрізняються від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів того ж складу. З нанокластерів, як з великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали з наперед заданими властивостями і використовувати їх в каталітичних реакціях, для розділення газових сумішей і зберігання газів. Одним із прикладів є Zn4O (BDC) 3 (DMF) 8 (C6H5Cl) 4 [24]. Великий інтерес представляють магнітні кластери, які складаються з атомів перехідних металів, лантіноідов, актиноїдів. Ці кластери мають власним магнітним моментом, що дозволяє управляти їх властивостями за допомогою зовнішнього магнітного поля. Прикладом є високоспіновая Металоорганічна молекула Mn12O12 (CH3COO) 16 (H2O) 4 [25]. Ця витончена конструкція складається з чотирьох іонів Мn4 + зі спіном 3 / 2, розташованих у вершинах тетраедра, восьми іонів Мn3 + зі спіном 2, які оточують цей тетраедр. Взаємодія між іонами марганцю здійснюється іонами кисню. Антиферомагнітні взаємодії спінів іонів Мn4 + і Мn3 + призводять до повного досить великим спину, рівному 10. Ацетатні групи і молекули води відокремлюють кластери Мn12 один від одного в молекулярному кристалі. Взаємодія кластерів в кристалі надзвичайно мало. Наномагніти представляють інтерес при проектуванні процесорів для квантових комп'ютерів [26-28]. Крім того, при дослідженні цієї квантової системи виявлені явища бістабільності та гістерезису [29, 30]. Якщо врахувати, що відстань між молекулами складає близько 10 нанометрів, то щільність пам'яті в такій системі може бути порядку 10 гігабайт на квадратний сантиметр.

Нанопристрої

Нанотрубки можуть становити основу нових конструкцій плоских акустичних систем і плоских дисплеїв, тобто звичних макроскопічних приладів. З наноматеріалів можуть бути створені певні нанопристрої, наприклад нано-двигуни, наноманіпулятора, молекулярні насоси, високощільна пам'ять, елементи механізмів нанороботів. Коротко зупинимося на моделях деяких нанопристроїв.

Молекулярні шестерні і насоси. Моделі нанопристроїв запропоновані К.Є. Drexler і R. Merkle з IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto) [31, 32]. Валами шестерень в коробці передач є вуглецеві нанотрубки, а зубцями служать молекули бензолу. Характерні частоти обертання шестерень становлять кілька десятків гігагерц. Пристрої "працюють" або в глибокому вакуумі, або в інертному середовищі при кімнатній температурі. Інертні гази використовуються для "охолодження" пристрою.

Алмазна пам'ять для комп'ютерів. Модель високощільної пам'яті розроблена Ch. Bauschlicher і R. Merkle з NASA [33]. Схема пристрою проста і складається з зонда і алмазної поверхні. Зонд являє собою вуглецеву нанотрубку (9, О) або (5, 5), що закінчується півсферою С60, до якої кpeпітся молекула C5H5N. Алмазна поверхня покривається монослоем атомів водню. Деякі атоми водню заміщаються атомами фтору. При скануванні зонда уздовж алмазної поверхні, покритої монослоем адсорбату, молекулу C5H5 N, згідно квантовим моделям, здатна відрізнити адсорбований атом фтору від адсорбованого атома водню. Оскільки на одному квадратному сантиметрі поверхні поміщається близько 1015 атомів, то щільність запису може досягати 100 терабайт на квадратний сантиметр.

Наведені вище приклади результатів лабораторного експерименту і моделей нанопристроїв є новим викликом теорії, обчислювальної фізики, хімії та математики. Потрібно осмислення "побаченого" і "отриманого". Потрібно вироблення інтуїції для роботи в нанометровому діапазоні розмірів. В черговий раз чутна репліка Фауста Вагнеру [34]:

"Що означає розуміти?

Ось, друже мій, у чому питання.

На цей рахунок у нас не все гаразд ".

Нові розділи обчислювальної фізики та обчислювальної хімії

Понад п'ятдесят років тому атомна і термоядерна Ц проблеми, проблеми створення нових літальних апаратів і освоєння навколоземного простору в черговий раз поставили фаустівський питання про новий рівень розуміння фізичних і хімічних явищ. Успішна робота над цими проблемами призвела до виникнення і розвитку

1) обчислювальної фізики, зокрема таких її напрямків, як

магнітна та радіаційна гідро-і аеродинаміка,

механіка польоту космічних апаратів,

теорія плазми та керованого термоядерного синтезу;

2) обчислювальної хімії з такими розділами, як

теорія рівняння стану речовини,

молекулярна динаміка,

теорія хімічних процесів і апаратів;

3) обчислювальної математики та інформатики з такими напрямами, як

чисельні методи математичної фізики,

теорія автоматів,

оптимальне управління,

розпізнавання образів,

експертні системи,

автоматичне проектування.

Сучасні можливості лабораторного експерименту зі спостереження і вивчення явищ в нанометровій шкалі просторових розмірів і привабливі перспективи створення унікальних матеріалів і нанопристроїв породжують нові теоретичні проблеми.

Хотілося б зрозуміти, що насправді "спостерігається" при скануючої тунельної мікроскопії?

Що нового можна потенційно спостерігати і що нового можна потенційно отримувати в наносистемах? І за яких умов?

Як керувати окремими атомами і групами атомів і молекул для досягнення певних цілей? Які межі цього управління?

Як організувати зборку нанопристроїв і унікальних "бездефектних" матеріалів?

До якої міри макрооточення "обмежує" квантові стани наносистеми?

Необхідність конструктивного вирішення цих проблем веде до інтенсивних досліджень, що формує нові розділи в обчислювальної фізики та обчислювальної хімії. Виділимо такі розділи в метрології, механіки, електродинаміки, оптики, теорії самоорганізації. У кожному з цих розділів позначимо кілька проблем.

Метрологія

1. Створення комп'ютерних моделей систем "прилад-нанооб'єктів" та їх калібрування.

2. Автоматизація нанометрових вимірювань і створення банків даних.

Механіка

1. Дослідження механічних напруг і деформацій у наноматеріалах і нанооб'єктів, аналіз тертя.

2. Моделювання рухів зонда при цільовому маніпулюванні нанооб'єктів.

3. Моделювання рухів у наномеханізми для нанопристроїв, розрахунок наноманіпулятора.

4. Розробка систем управління нанороботами.

Електродинаміка

1. Моделювання динаміки атомів і молекул у гранично неоднорідних електромагнітних полях, створюваних многоострійнимі системами.
2. Розрахунок електричних і магнітних властивостей наноматеріалів.

Оптика

1. Моделювання механізмів випромінювання, поширення і поглинання світла в нанооб'єктів.
2. Розрахунок нанолазер і гібридних систем "зонди + нанолазер".

Теорія самоорганізації

1. Формулювання фундаментальних принципів самозбірки наноконструкцій.

2. Створення комп'ютерних алгоритмів самозбірки.

3. Розробка обчислювальних алгоритмів для якісного аналізу моделей самозбірки.

4. Моделювання явищ просторово-часової самоорганізації при створенні наноматеріалів.

Молекулярно-променева епітаксії і нанолітографії

1. Створення тонких металевих плівок, які є основою високоякісних магнітних матеріалів.

2. Конструювання базових елементів наноелектроніки.

3. Створення каталізаторів для селективного каталізу.

Хотілося б ще раз наголосити на необхідності дотримання суворого балансу між лабораторним експериментом, теорією і математичним моделюванням [35]. Часом можна почути висловлювання про те, що прецизійний експеримент в даний час дуже дорогий і його можна замінити більш дешевим математичним моделюванням. Існує і протилежна позиція, при якій принижується роль математичних методів дослідження. Найпростіші приклади нетривіальних явищ у нанометровому діапазоні просторових розмірів демонструють повну неспроможність радикальних позицій.

Явища просторово-часової самоорганізації на поверхні монокристалів металів

Розглянемо, з першого погляду найпростішу, але, як виявиться, нетривіальну задачу. Припустимо, що ми хотіли б виростити високоякісну, однорідну металеву плівку, наприклад плівку платини. Для цього слід взяти щільно упаковану і просторово однорідну грань монокристала в якості підкладки і напилити на неї шар атомів з кнудсеновской осередки в умовах глибокого вакууму. Атоми вилітають з осередку, адсорбуються на однорідній поверхні, мігрують вздовж неї і утворюють новий шар. Як тільки перший шар сформувався, на ньому утворюється наступний шар, і так далі. Процес визначається всього двома зовнішніми керуючими макропараметрам - температурою поверхні і потоком атомів до поверхні. Треба вибрати лише температуру і швидкість подачі атомів таким чином, щоб за характерний час подачі нового атома атом, мігруючий по поверхні, встиг вбудуватися в зростаючий шар. Здається, немає нічого простішого, ніж моделювати зростання плівки в рамках моделей класичної математичної фiзики. Потрібно описати лише один процес: поверхневу дифузію приходять частинок. Для цього можна скористатися рівнянням дифузії з постійним джерелом у двомірної просторовій області, доповнити його відповідним граничною умовою, наприклад однорідним граничним умовою другого роду, і провести розрахунки. Очевидно, що при достатньо швидкій міграції, незалежно від початкових умов, з досить високою точністю вийде просторово однорідне рішення, монотонно зростаюча за часом. Однак таке моделювання зовсім не описує процес зростання нового шару і його просторову структуру.

Експеримент, виконаний за допомогою скануючого тунельного мікроскопа з гомосістемой Pt / Pt (111) 5, показує [36] (рис. 9), що адсорбовані атоми платини мігрують по поверхні грані (111) монокристала платини, не підкоряючись закону Фіка. Вони утворюють острови нового шару з різною просторовою структурою в залежності від значень температури поверхні та швидкості подачі атомів. Це можуть бути пухкі острова фрактальної структури з фрактальної

Рис.9. Pt / Pt (111)

Рис. 10. Co / Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; с - Co3 Re

розмірністю 1.78 (рис. 9a), або компактні острова з Платоновим формами у вигляді правильних трикутників (рис. 9b, 9d) і шестикутників (мал. 9с), причому однаково орієнтованих відносно кристалографічних осей. Так, при температурі 400 К вершини трикутників дивляться "вниз" (рис. 9Ь). При температурі 455 К зростаючі острова приймають форму правильних шестикутників (мал. 9с). При більш високій температурі знову утворюється правильна трикутна форма островів, але на цей раз їх вершини дивляться "вгору" (рис. 9d). Форма і орієнтація трикутних островів є стійкими. Подальша подача атомів приводить до режиму тривимірного зростання, в результаті якого зростаючий шар завжди не однорідний і має пірамідальну тривимірну структуру.

У зв'язку з особливостями росту виникають, принаймні, два фундаментальні питання.

Як теоретично описати нетривіальне динамічну поведінку найпростішої системи?

Які способи управління системою для забезпечення пошарового росту і отримання високоякісного просторово однорідного шару?

Аналогічні питання виникають і в гетеросистемах, коли на поверхні одного металу вирощують плівку іншого металу. Так, у разі вирощування плівки срібла на платині можна спостерігати острова фрактальної і дендритних структур, острови у вигляді трипроменевою зірки фірми "Мерседес" та інші явища просторово-часової самоорганізації, супроводжуючі нерівномірний тривимірний зростання тонкої плівки металу [37-39]. У разі зростання плівки кобальту на однорідної межі (0001) монокристала ренію утворюються поверхневі сплави з різною стехіометрією і відповідно просторової структурою: CoRe (рис. 10a), Co2Re (рис. 10Ь), Co3 Re (рис. 10с) і нетривіальною поверхневою структурою [ 40]. На ілюстраціях, представлених на рис. 10, видно, що великі кола (атоми ренію) оточені різною кількістю маленьких кіл (атоми кобальту). Ці сплави мають цікаві магнітні властивості.

Не можна не зупинитися ще на одному парадоксальному явище - аномально високої рухливості великих компактних кластерів. Слідом за авторами чудовою експериментальної роботи [41] розглянемо компактний кластер правильної форми, що складається з "магічного" числа атомів іридію N = 1 + Зn (n - 1), n ​​= 2, 3 ... , НапрімерN = 19, на поверхні щільно упакованої грані (111) іридію. Здавалося б, рухливість кластера, що містить два десятки атомів, як цілого, повинна бути на багато порядків менше рухливості одиночного атома, так як міграція атомів представляється випадковим процесом. В експерименті встановлено, що швидкість міграції "правильних" кластерів порівнянна зі швидкістю міграції одиночного атома! Це наслідок колективного руху атомів кластера вимагає детального теоретичного опису та математичного моделювання. Результати такого аналізу представляють значний інтерес при обчисленні предекспонент і ефективних енергій активації міграції для динамічного методу Монте-Карло і для кінетичних рівнянь неідеального шару. Знаючи реальні швидкості міграції, можна правильно оцінити час життя наномерових конструкцій.

Немає потреби переконувати читача в тому, що перераховані результати лабораторного експерименту демонструють необхідність розвитку класичних моделей математичної фізики. При дослідженні нанооб'єктів там, де це потрібно, слід відмовитися від ідеї безперервної середовища, що лежить в основі переважної більшості моделей математичної фізики. Моделювання по інерції, без урахування результатів лабораторного експерименту, призводить до абсолютно невірним результатами. Так само очевидною є потреба у новому сучасному курсі математичної фізики, що враховує особливості нанооб'єктів. У цьому курсі, зокрема, слід було б приділити увагу

Рис. 11. (CO + O2) / Pt (210)

методам дискретної математики, перечіслітельной комбінаторики, теоретично груп.

Більш складні приклади нетривіального динамічного поведінки відкритих неідеальних систем дають модельні реакції гетерогенного каталізу на певних гранях монокристалів благородних металів (Pt (111), Pt (100), Pt (110), Pt (210), Pd (111), Pd (110) ) при низьких парціальних тисках в газовій фазі. Це реакції окиснення монооксиду вуглецю (СО) киснем (О2), а також редукція монооксиду азоту (NO) воднем (Н2), аміаком (NH3) і монооксидом вуглецю. Перераховані реакції відіграють істотну роль в екологічній проблемі допалювання отруйних викидів (NO, CO та ін) двигунів внутрішнього згорання і теплових електростанцій. Дослідження, виконані в останні роки [42-50], відкрили чудову нано-і мезодінаміку цих систем. Виявлено фазові переходи типу порядок-безлад, що супроводжуються утворенням надструктур в монослое адсорбату, фазові переходи типу розшарування на фази, спонтанна та індукована адсорбатов реконструкція поверхні граней монокристалів, корозія каталізатора. Процеси просторово-часової самоорганізації, які відбуваються в нанометровій шкалі розмірів, тісно пов'язані з аналогічними явищами, що спостерігаються за допомогою емісійної фотоелектронної мікроскопії в мікрометровом діапазоні. До таких явищ належать мікрометровие спіральні, стоячі і тригерні 0олни, подвійна метастабільності, хімічна турбулентність. На рис, 11 представлені результати дослідження просторово-часової самоорганізації в реакції окиснення монооксиду вуглецю на межі монокристала Pt (210) методом емісійної фотоелектронної мікроскопії [47]. У кожній рамці (380 х 380мm) показано просторовий розподіл адсорбованих молекул СО (світлі області) і атомів кисню (темні області) на поверхні каталізатора для різних значень парціальних тисків СО і кисню в газовій фазі при постійній температурі поверхні. Чітко видно спіральні хвилі і автоволни фазового переходу типу розшарування на фази, явища подвійної метастабільності і т. п.

Виноски:

1 Розмір атома становить кілька десятих нанометра.

2 Опис приладів і принцип їх дії міститься в [3].

3 Пара натуральних чисел (m, n) визначає вектор хіральності в площині графітового листа. Вісь нанотрубки перпендикулярна вектору хіральності. Так, при (n, n) ((n, 0)) вісь трубки паралельна (перпендикулярна) стороні правильного шестикутника.

4 Абревіатура BDC позначає бензолдікарбоксіл, a DMF - диметил-формамід.

5 Цифри в дужках позначають індекси Міллера межі монокристаллической підкладки [113].

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
56.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Методика проведення лекційних занять з розділу Наноматеріали та нанотехнології при вивченні дисципліни
Нанотехнології
Нанотехнології
Сучасні нанотехнології
Нанотехнології в медицині
Нанотехнології і нанороботи
Сучасні нанотехнології
Нанотехнології та перспективи їх розвитку
Нанотехнології в машинобудуванні Росії
© Усі права захищені
написати до нас