Нанотехнологія: історія і теорія

Часто можна почути, що людина створює технологічні пристосування для полегшення своєї праці. Це правда, але не вся. Простіше було б взагалі нічого не робити. Людина вивчає природу і створює нову техніку для того, щоб адаптуватися до законів розвитку суспільства, які діють невблаганно і об’єктивно. Згадайте XX століття. Революції, світові війни, крах могутніх імперій. І, разом з тим, розвивається радіозв’язок, літако- і ракетобудування, людина виходить в космос, ступає на іншу планету.
Суспільні катаклізми компенсуються технічними досягненнями, об’єднуючими людство в єдину цивілізацію. Практично кожен з нас зараз пов’язаний з іншим за допомогою результатів вищих досягнень в галузі мікроелектроніки, Інтернету і стільникового телефону. Упорядкована у вигляді радіохвиль енергія поширює інформацію про людство по всесвіту. Саме тому XXI століття стає століттям зближення людини з технічним прогресом, а значить, техніка повинна ставати біосумісною, органічно соединяемой з кожним з нас.
Однією з базових основ техніки є фізика конденсованого стану. Ця наука має справу з твердими тілами, що складаються в свою чергу з атомів. Вчені давно встановили – властивостями твердих тіл можна управляти. Звичайне залізо, якщо в нього додати атоми деяких елементів, стає придатним для виготовлення машин, мостів, будівель. Звичайний кремній, видобутий з піску, стає після певної обробки основою твердотільних електронних приладів.
Але для того щоб це все зробити для всієї цивілізації, потрібно колосальна кількість енергії, джерела якої не поновлюються. Вихід можливий: підвищувати питому міцність металів, знижувати розміри електронних приладів, створювати технології з атомної складанні деталей.
Для цілеспрямованих дій в цьому напрямку необхідно розуміти, як атоми взаємодіють між собою. Розміри атомів становлять близько 10-8 см, вага – близько 10-24 г. Цей вага припадає на позитивно заряджені ядра, а вага в десять тисяч разів менший – на негативно заряджені електрони. Властивості атомів визначаються дуалізмом хвиля – частинка. Тому ми не можемо зрозуміти природу конденсованого стану N атомів тільки з класичних законів Ньютона і Кулона. Нам потрібно вирішувати хвильове рівняння Шредінгера. Розглянемо результат вирішення цього рівняння на прикладі ланцюжка з атомів Li

Виявляється, дві електронні хвилі по одній від кожного атома комбінуються в фазі і протифазі. Перший випадок описує кожен електрон в кулонівському полі вже не одного, а двох ядер. Енергія системи в цілому знижується. У другому випадку електронні хвилі йдуть з простору між ядрами. Енергія електронів з такою хвильової функцією вище, ніж у двох вільних атомів Li. Оскільки вигідно той стан, у якого нижче потенційна енергія, то два електрони (по одному від кожного атома) займуть його. Утворюється так званий димер.
Якщо ми додамо третій атом літію, то виникнуть три комбінації електронних хвиль і третій електрон буде змушений зайняти більш високий енергетичний рівень. Поступово число атомів стане таким, що частка прийме розмір близько 1 нм або 10-7 см. Це і є область дослідження нанонауки. Особливістю наночастинок є, по-перше, дискретний набір рівнів енергії для електронів, а, по-друге, зміна у властивостях атомів при переході від центру частинки до її поверхні. Коли число об’єднуються атомів сягає кількох тисяч, комбінації хвильових функцій забезпечують появу зон з тисяч близколежащих енергетичних рівнів. Такі зони визначають властивості твердих тіл, з якими ми маємо справу в звичайному житті.
У випадку, коли атоми приносять з собою в загальний котел менше електронів, ніж рівнів у зоні, тверде тіло є металом. У випадку, коли атоми приносять з собою стільки ж електронів, скільки рівнів в соответсвующей зоні, тверде тіло є напівпровідником, або ізолятором. Очевидно, для наночастинок таке чіткий розподіл властивостей по виду електронного спектра неможливо, але зате їх властивості можна цілеспрямовано змінювати різними технологічними прийомами. Виникають такі оптичні, хімічні, магнітні ефекти, які неможливі у звичайних матеріалів.
Чи може електронна теорія сприяти вирішенню проблеми підвищення резерву міцності металів? Відповідь проста. Ця теорія визначає такий резерв. Знову скористаємося дуалізмом хвиля – частинка і розглянемо резерв міцності з точки зору взаємодії ядер і електронів між ними, але на класичному мовою.

Досвід говорить, що у нас десятикратний запас. Чому ми так далекі від межі? У минулому столітті Гріффітс показав, що міцність у великих тел знижується через дефекти будови, які виникають в процесі росту великих кристалів. Експериментаторам вдалося показати, що можна отримати малі частки практично без структурних дефектів і у таких частинок міцність прагне до теоретичної. Звідси виникла ідея створювати матеріали для нової техніки з надмалих частинок, або, як зараз прийнято говорити, наноматеріали.

Рис. 24. Розподіл електронної щільності атомів хрому на плотноупакованной площині золота
Це виявилося непростою справою, бо фізика малих часток дуже слабо вивчена. По-перше, стоїть проблема стійкості малих часток до зовнішніх впливів. Штучно створені нанооб’єктів з кінцевого числа атомів суттєво відрізняються від спонтанно утворюються молекул відомих нам газів і рідин. Молекули через особливості хімічних зв’язків в них зберігають свої властивості, об’єднуючись в полімери. Властивості наночастинок кордінально залежать від числа атомів в об’єднаній наноструктурі. Добре видно, як змінюються властивості димера Cr в міру його об’єднання з іншими димерами в об’ємні структури (рис. 24).
Як ми вже знаємо, властивості наночастинок визначаються взаємодією між електронною підсистемою і ядрами атомів. Якщо вдається визначити залежність потенційної енергії взаємодії від відстані між ядрами методами квантової механіки або емпірично, то корисну інформацію про властивості наночастинок можна отримати при вирішенні системи рівнянь механіки Ньютона.

Посилання на основну публікацію