Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
 Скачать 8.65 Mb.
|
11.Наномашины и супрамолекулярные структуры11.1.Наномашины11.1.1. Основные понятияВ настоящее время нет удовлетворительного определения термина «наномашина». В частности, иногда наномашинами называют устройства, позволяющие создавать наноразмерные структуры. В этом случае наномашиной оказывается, например, установка на базе сканирующего зондового микроскопа, применяемая для манипулирования атомами на поверхности заготовки. Наиболее простым определением термина «наномашина» является следующее: наномашина — это машина, общие габариты или габариты всех деталей которой лежат в наноразмерном диапазоне. Наиболее сложные наномашины могут иметь размер до нескольких микрометров. Машиной, вне зависимости от ее размера, называют устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов или информации. Для того чтобы образованная из атомов или небольшого числа молекул наноразмерная структура — наносистема была наномашиной, т.е. обладала управляемым движением (как единое целое или движением одних частей наносистемы относительно других), она должна удовлетворять следующему условию. Закон ее трения (или трения между какими-либо ее составляющими) должен имеет плато постоянной скорости. Ширина и положение этого плато должны таким образом регулироваться внешними воздействиями, чтобы система (или какая-либо ее составляющая) приводилась в движение в произвольном требуемом направлении. Для управляемости наномашины в ней должна быть обеспечена возможность полного устранения плато постоянной скорости. При этом наномашина полностью теряет устойчивость и спонтанно приходит в движение. Направление движения в симметричной системе определяется начальными флуктуациями и не является однозначно определимым. В случае полностью управляемой машины должна иметься также возможность изменять ширину плато, соответствующих движению в противоположных направлениях, независимо друг от друга таким образом, чтобы устойчивое движение соответствовало только движению в желаемом направлении. Использование нами термина «плато постоянной скорости» свидетельствует о том, что наномашина представляет собой трибологическую систему. Физический «механизм» возникновения плато постоянной средней скорости в трибологических системах состоит в следующем [86]. Если тело движется с постоянной скоростью в присутствии периодического (в пространстве) потенциала, то его мгновенная скорость и действующая на него сила в общем случае являются периодическими функциями времени с некоторой частотой, зависящей от средней скорости движения. Средние по времени значения силы и скорости при этом, очевидно, не зависят от «начальной фазы» этих периодических функций, которая может быть произвольной. Ситуация качественно изменяется, если на периодические колебания скорости (или силы) наложить дополнительное внешнее периодическое воздействие с частотой, равной собственной частоте осцилляций скорости и силы. Ввиду нелинейности системы наложение внешнего периодического возмущения приведет к появлению в динамике системы произведений членов с равной частотой, которые при усреднении по времени не исчезают, причем среднее значение зависит от начальной фазы колебаний. Эта зависимость от начальной фазы приводит к тому, что среднее значение силы может изменяться путем подстройки фазы при неизменной средней скорости движения. Наномашина — это наносисистема, находящаяся в состоянии неустойчивого равновесия, причем заранее известно, какое внешнее воздействие необходимо приложить для того, чтобы вывести систему из равновесия и привести ее в требуемое состояние (движение). В живой природе многие наномашины способны перемешаться и без внешнего воздействия. Например, бактерии имеют жгутиковый двигатель, представляющий собой наномашину, который приводится во вращательное движение химической трансформацией молекул аденозин трифосфата (АТФ). Вращение жгутика позволяет бактерии перемещаться в водной среде. Создание искусственных наномашин, для функционирования которых не требуется внешнего воздействия, представляет большой теоретический и практический интерес. Работы по созданию таких наномашин уже ведутся. При этом нельзя не отметить, что создание полностью автономных, особенно самореплицирующихся (т.е. обладающих способностью создавать себе подобных), наномашин — тема, весьма привлекательная для околонаучных спекуляций. Большинство обсуждающихся в литературе способов генерации направленного движения молекулярных объектов основаны на взаимодействии двигаемого объекта с неоднородной, обычно периодически структурированной «подложкой». Подложка может быть либо асимметричной, либо симметричной. В первом случае направление движения фиксируется взаимодействием «подложки» и объекта по принципу «храповик-собачка». Во втором случае направление движения изначально не фиксировано и определяется динамически. Подобно обычным машинам, наномашины могут быть разделены на энергетические и рабочие. Энергетические машины служат для преобразования тепловой или электрической энергии в механическую или, гораздо реже, механической энергии в тепловую или электрическую. Рабочие машины предназначены для выполнения работы: преобразования свойств материала и формы обрабатываемого объекта (технологические рабочие машины), либо изменения его или своего положения в пространстве (транспортные рабочие машины). Рабочая машина также может быть одновременно технологической и транспортной. Еще одним в высшей степени интересным типом наномашин являются нанороботы. Нанороботы — машины, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Таким образом, наномашина может сочетать в себе все типы машин: быть одновременно энергетической машиной и рабочей (технологической и транспортной). В настоящее время нанороботы не существуют. 11.1.2.Атомные и молекулярные машиныДо недавнего времени под наномашинами подразумевались машины, компонентами (деталями) которых являются атомы. Т.е. предполагалось, что наномашина представляет собой одну молекулу. На пути создания таких наномашин (назовем их атомными машинами), особенно машин сложного функционального назначения с многообразным относительным движением составных частей, имеются преграды, обусловленные физическими свойствами материала на атомном уровне. Наиболее значимой преградой является достаточно интенсивное взаимодействие компонентов машины (в виде атомов) как между собой, так и с внешними атомами. В результате необходимости периодического разрывания атомных связей резко снижается управляемость машины и теряется ее способность осуществлять тонкие манипуляции с окружающей материей. Можно предположить, что технологии создания атомных машин будут и далее развиваться, однако, в силу указанных объективных ограничений, это развитие будут сопряжено с большими сложностями, и на быстрый прогресс в данной области рассчитывать не приходится. Значительно более перспективным направлением на ближайшие десятилетия является создание молекулярных машин и других супрамолекулярных структур. Молекулярные машины — это машины, построенные из молекул и представляющие собой огромную супрамолекулярную структуру (супермолекулу). Молекулярные машины имеют по сравнению атомными машинами некоторые очевидные преимущества:
|