|
|
Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
Современную науку всегда интересовали вопросы: Как из отдельных атомов и молекул возникают сложные организмы и системы? Как появились первые живые существа на Земле? Для ответа на них нужно понять принципы возникновения более сложного из простого. Процесс возникновения сложных упорядоченных структур из более простых называется самоорганизацией.
Данное понятие ввел немецкий ученый Герман Хакен: «Самоорганизация – процесс упорядочения в открытой системе за счет согласованного взаимодействия множества элементов – ее составляющих». Самоорганизация связана с формированием более сложной структуры, чем изначальная. В физике и химии самоорганизация представляет собой переход от неупорядоченного движения атомов и молекул к упорядоченным структурам.
Науку о самоорганизующихся системах называют синергетикой (греч. sinergetike – совместное действие). Главная идея синергетики – идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.
Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии.
Рис. 2.13. Пчелиные соты (фото).(http://www.zvezdnij.com)
Самоорганизация – одно из наиболее удивительных и интересных явлений природы. В природе известно много самоорганизующихся систем. В животном мире, в качестве примера, можно привести строительство шестиугольных сот у пчел (рис. 2.13), коллективное поведение муравьев и т.д.
Классическим примером возникновения пространственной упорядоченной структуры является возникновение ячеек Бенара (рис. 2.14). В 1900 году появилась научная статья этого автора с фотографией структуры, напоминающей пчелиные соты. Данная структура возникала в широком плоском сосуде, наполненном ртутью и подогреваемом снизу. В слое ртути (или другой вязкой жидкости) при разогреве возникает разница температур между нижней и верхней поверхностью. При достижении некоторого критического значения разницы температур в слое ртути можно наблюдать образование одинаковых шестигранных призм. В центральной части такой призмы разогретая снизу жидкость поднимается вверх, а по граням охлажденная жидкость опускается вниз. Такая структура поддерживается за счет неоднородности распределения температуры по толщине слоя жидкости. Неоднородность температуры создается притоком энергии (разогревом) с нижней стороны слоя жидкости и оттоком энергии с верхней поверхности слоя.
Рис. 2.14. Ячейки Бенара.(http://www.imec.msu.ru)
Данное понятие ввел немецкий ученый Штутгард Хакен: «Самоорганизация – процесс упорядочения в открытой системе, за счет согласованного взаимодействия множества элементов – ее составляющих». Самоорганизация связана с формированием более сложной структуры, чем изначальная. В физике и химии самоорганизация представляет собой переход от неупорядоченного движения атомов и молекул к упорядоченным структурам.
Науку о самоорганизующихся системах называют 'синергетикой' (греч. sinergetike – совместное действие). Главная идея синергетики – идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.
Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии.
Самоорганизация – одно из наиболее удивительных и интересных явлений природы. В природе известно много самоорганизующихся систем. В животном мире, в качестве примера, можно привести строительство шестиугольных сот у пчел (рис. 1.8), коллективное поведение муравьев и т.д.
Классическим примером возникновения пространственной упорядоченной структуры является возникновение ячеек Бенара (рис. 1.9). В 1900 году появилась научная статья этого автора с фотографией структуры, напоминающей пчелиные соты. Данная структура возникала в широком плоском сосуде, наполненном ртутью и подогреваемом снизу. В слое ртути (или другой вязкой жидкости) при разогреве возникает разница температур между нижней и верхней поверхностью. При достижении некоторого критического значения разницы температур в слое ртути можно наблюдать образование одинаковых шестигранных призм. В центральной части такой призмы разогретая снизу жидкость поднимается вверх, а по граням охлажденная жидкость опускается вниз. Такая структура поддерживается за счет неоднородности распределения температуры по толщине слоя жидкости. Неоднородность температуры создается притоком энергии (разогревом) с нижней стороны слоя жидкости и оттоком энергии с верхней поверхности слоя.
Теория самоорганизации имеет дело с открытыми нелинейными диссипативными (диссипативность – особое динамическое состояние системы, которое можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне) системами, далекими от состояния равновесия.
В термодинамике существует понятие закрытой системы, т.е. системы, которая не обменивается со средой веществом и энергией. В соответствии с первым началом термодинамики в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы. Для закрытых систем сформулировано второе начало термодинамики, следствием которого является неизбежность перехода любой более организованной и упорядоченной структуры в менее организованную и упорядоченную.
То, что в этом мире не бывает чудес (кстати, это одна из самых коротких формулировок второго закона термодинамики) – следствие второго закона термодинамики, согласно которому беспорядок в изолированной системы стремится увеличиться. Иначе говоря, согласно этому закону, игрушки просто мечтают самопроизвольно оказаться под шкафом, под кроватью и в других непредназначенных для них местах. Они разложатся по коробкам в том случае, если система игрушек перестанет быть изолированной, и в нее начнется приток энергии извне в виде вашей кропотливой работы по уборке комнаты.
Так, например, согласно второму началу термодинамики, запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти». Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные. Это значит, что Вселенную ждет все более «однородное» будущее.
Примеры эволюции в живой природе показывают нам развитие от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только с введением понятия открытых систем и их изучением появилась такая возможность.
Открытые системы – это системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества или энергии. Постоянный приток вещества или энергии является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам.
Живые организмы существуют за счет преобразования внешней энергии в упорядоченную структуру. Рассмотренные выше ячейки Бенара – упорядоченная структура, которая поддерживается за счет притока энергии извне. Ячейки Бенара исчезнут, как только мы перестанем подогревать слой жидкости снизу.
При самоорганизации важным является такое свойство, как нелинейность систем. Дать определение этому термину достаточно сложно. Между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи. Система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые, в свою очередь, обусловливают изменения в самой этой системе. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде.
Благодаря неравновесному протеканию множества микропроцессов система приобретает на макроуровне некоторую интегративную результирующую способность, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности, в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.
Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Использование самоорганизации в нанотехнологиях
Рис. 2.15. Пример самосборки (http://www.vargin.mephi.ru)
Среди различных перспективных подходов формирования наноструктур все большее значение приобретают нанотехнологии, использующие самоорганизацию. Предполагается, что самоорганизация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов как вышеупомянутая технология «снизу-вверх». Одна из важнейших проблем, стоящих перед нанотехнологией – заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства.
Какие наноструктуры можно строить, используя данные технологии? Мы говорим о разных материалах, часто они могут образовываться в процессе самоорганизации. Это позволит создавать устройства, формируя их из атомов и молекул, используя процессы самоорганизации так, как их использует природа. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Самым ярким примером является пример сборки сложнейших биологических объектов на основе информации, записанной в ДНК (см., например, рис. 2.15).
Как было раньше? Мы брали, скажем, кусок железа и делали из него молоток, просто убирая все лишнее (технология «сверху-вниз»). Нанотехнология же в ближайшем будущем позволит делать изделия из материалов с «нуля», причем не всегда будет нужно складывать атом к атому «вручную», мы сможем использовать явление самоорганизации, самосборки наноструктур и наноустройств. При этом достаточно трудно ожидать, что на наноуровне возможна искусственная манипуляция отдельными нанообъектами с целью «ручной» сборки материала. Это пока что нецелесообразно (медленно и требует выполнения большого объема работы). Поэтому естественным способом получения наноматералов может являться самоорганизация.
При определенных условиях микро- или нанообъекты сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет – система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако, в отличие от упомянутых методов, данное воздействие направлено не на конкретную частицу, а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим – создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, и уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники.
Многие из вас знают игру в бильярд и укладку шаров в «пирамиду» – в замкнутом объеме шары сами складываются в равносторонний треугольник, причем одним способом. Если же их «насыпать» в большой ящик и немного потрясти, то они самопроизвольно образуют практически идеально упорядоченную структуру. В некоторых случаях атомы одного сорта также можно рассматривать в виде однородных по размеру шаров, которые аналогичным образом упорядочиваются в ограниченном объеме. В химии и кристаллографии даже существует термин «плотнейшая шаровая упаковка».
Аналогично примеру с бильярдными шарами, наночастицы способны самопроизвольно укладываться на поверхности твердых тел. Основными причинами такого «слипания» наночастиц являются различные силы, которые стремятся уменьшить общую площадь поверхности наночастиц и, следовательно, их поверхностную энергию.
Впервые упорядоченные массивы наночастиц золота диаметром 4 нм были получены в 1995 году, а двумя месяцами позже удалось «уложить» монодисперсные пятинанометровые частицы селенида кадмия. Чем однороднее были исходные наночастицы, тем «правильнее» становилась их упаковка в массиве.
Для самособирающихся компонентов все, что требуется от человека – это поместить достаточное их количество в пробирку и позволять им автоматически собраться в нужные конфирурации согласно их естественным свойствам.
На сегодняшний день синтезированы двумерные и трехмерные организованные массивы нанокристаллов Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, сплавов Fe-Pt, Au-Ag, наноструктур CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni и т.д. Кроме того, для анизотропных наночастиц удалось добиться формирования ориентационно-упорядоченных массивов. Однородные по размеру наночастицы можно «собрать» в пространственно-упорядоченные структуры, представляющие собой одномерные «нитки», двумерные плотно упакованные слои, трехмерные массивы или «малые» кластеры. Тип организации наночастиц и структура образующегося массива зависят от условий синтеза, диаметра частиц, природы внешнего воздействия на структуру.
Сегодня известны различные методы самосборки, позволяющие получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания особых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка, могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, «игра» на смачиваемости-несмачиваемости компонентов системы и другие приемы. В настоящее время процессы самосборки начинают активно использоваться и в производстве. В частности, известная компания Intel внедряет процессы самосборки для создания компьютерных чипов нового поколения.
|
|
|
Скачать 5.09 Mb.