Основные понятия и определения

Наука постоянно движется вперед и как 19 век получил название Век пара, 20 век – Век атома и компьютера, так и 21 век готов получить звание Века нанотехнологий. Связано это с тем, что наука и техника во многих странах достигли высоких возможностей, которые обеспечивают изучение наноразмерных структур. Одним из направлений является разработка и изучение наноразмерных объектов, их свойств, способов совмещения при образовании наноструктур полученных в различных условиях и полная характеризация указанных объектов: назначение, методика синтеза, структурные характеристики, физико-химические свойства.

В настоящее время нанотехнологии уже используются во всех важнейших сферах человеческой деятельности, таких как: промышленность, оборона, медицина, транспорт, энергетика, биотехнология, радиоэлектроника, информационная сфера. Причины интереса к новому классу материалов это стремление к миниатюризации изделий и уникальные свойства, проявляемые наноструктурными материалами. Как следствие, возникает необходимость синтеза таких материалов, развития новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации. При этом неизбежно решаются проблемы разработки новых технологий: ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, технологии получения и формования нанопорошков и т.п., LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки для создания высокоаспектных микроструктур [1, БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ LIGA-ТЕХНОЛОГИИ Гольденберг Б.Г.]. Аббревиатура (акроним) LIGA происходит от немецких названий основных стадий процесса: рентгеновская литография на синхротронном излучении (LI), гальванопластика (G, Galvanoformung), и формовка (A, Abformung). Первые публикации по LIGA- технологии относятся к 1982 г., и с тех пор LIGA-технология успешно применялась в различных исследовательских проектах. Кроме того, решаются проблемы практического внедрения современных приборов, а также проблемы исследования и контроля за структурным состоянием наноматериалов (зондовая микроскопия, дифракционные методы и др.).

На основании вышесказанного можно выделить основные составляющие науки о наноматералах и нанотехнологиях [1]:

1. фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
2. развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, а также для создания готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
3. развитие средств и методов исследования структуры наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Таким образом, нанотехнологии могут стать фундаментом научно-технической революции 21 века. [1]

Приведем основную терминологию, используемую в науке о наноматериалах и нанотехнологиях.

К настоящему времени сформировались следующие понятия:

• Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба [2].

• Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, появляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов [2].

• Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям [2].

• Нанодиагностик – совокупность специальных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью [2].

• Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, техникоэкономическими параметрами и функциональными возможностями [2].

• Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками, то есть консолидированный материал, построенный из фрагментов структуры (кристаллитов), имеющих размер < 100 нм, хотя бы по одной оси в пространстве [2,3].

• Наночастицы представляют собой мельчайшие, не более одной миллионной метра, структуры. В зависимости от условий получения они могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру. За счет того, что состоят из 106 или еще меньшего количества атомов (как правило, такие материалы состоят из зерен или являются монокристаллами), их свойства отличаются от свойств тех же атомов, связанных в объемном веществе.

• Нанопорошок – порошок, среднеповерхностный диаметр частиц которого не превышает 100 нм [3].

• Нанозерно – область (диаметром ≤ 100 нм) в структуре компактного материала, имеющая определенный химический и фазовый состав и характеризующаяся плавно меняющимся составом с окружающими нанозернами [3].

• Ультрадисперсный порошок – порошок, частицы которого хотя бы в одном направлении имеют размер, сравнимый с масштабом какого-либо физического явления или процесса, например, с длиной свободного пробега электрона, с размерами фонона, полярона и др.[3].

• Наносостояние вещества – структурно-энергетическое состояние вещества, диспергированного до уровня наночастиц, установившееся в результате взаимного влияния поверхности и объема в наночастице [3].

• Запасенная энергия наночастицы – энергия (теплота, электрические потоки, электромагнитное и акустическое излучение), выделяющаяся при нагревании, сжатии или другом воздействии на частицу в результате перехода из метастабильного в стабильное состояние [3].

• Запасенная энергия нанопорошка – энергия, выделяющаяся в результате перехода отдельных частиц из метастабильного в стабильное состояние и в результате спекания частиц с уменьшением их площади удельной поверхности [3].

• Избыточная запасенная энергия – дополнительное количество энергии, выделяющегося при воздействии на нанопорошок, сформировавшийся в сильно неравновесных условиях, по сравнению с количеством энергии, выделяющейся при воздействии на нанопорошок, частицы которого находятся в равновесном состоянии [3].

• Нанопленки – островковые и сплошные пленки, толщина которых не превышает 100 нм Рис.2. Размеры нанокристалла – квантовой точки [2].

• Пленочные структуры – совокупность самой пленки и подложки [3].

• Кластер — система из большого числа слабо связанных атомов или молекул. Кластеры занимают промежуточное положение между ван-дер-ваальсовыми молекулами, содержащими несколько атомов или молекул, и мелкодисперсными частицами [4].

• «Рентгеноаморфное состояние», т. е. состояние, воспринимаемое нами как аморфное, но дающее диффузную дифракционную картину, а на самом деле микро- или нанокристаллическое [4].

При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений до маленьких, свойства меняются. Если размеры образца в одном измерении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется квантовой ямой.

Рис. 1. Последовательность круглых наноструктур. а- объем, б- яма, в- проволока, д- точка.

Если образец мал в двух измерениях и имеет большие размеры в третьем, то такой объект называют квантовой проволокой. Предельный случай этого процесса уменьшения размеров, при котором размеры во всех трех измерениях лежат в нижней части нанометрового диапазона, называется квантовой точкой (рис. 1).

К классу наноматериалов относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нульмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные слои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы. На рис. 2 представлены размеры нанокристалла- квантовой точки [из интервью Will McCarthy, автором книги “Matter as Software”. 2004 NanoNewsNet.ru] .

Рис.2. Размеры нанокристалла – квантовой точки [2]

Назад

Литература.