Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Список использованных обозначений И СОКРАЩЕНИЙ




ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ

ПРОБЛЕМАТИКА, ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ,

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Рекомендовано учебно-методическим объединением

высших учебных заведений Российской Федерации

по образованию в области прикладных математики

и физики в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по

направлению «Прикладные математика и физика»

или по направлениям и специальностям в области

естественных наук, техники и технологии

САМАРА

Издательство СГАУ


УДК СГАУ: 539.1

ББК СГАУ:

С

Рецензенты: д.ф.-м.н., проф. Завершинский И.П.

д.ф.-м.н., проф. Комов А.Н.

 

Саноян А. Г.

Теоретические основы нанотехнологий. / Проблематика, формальные модели, вычислительные эксперименты: учебное. пособие / А.Г. Саноян.,– Самара: Изд-во самар. Гос. Аэрокосм. Ун-та, 2011. – 374 с.

 

ISBN 978-5-7883-0841-8

В учебном пособии представлены теоретические основы нанотехнологий. Подробно рассмотрена проблематика и формальные модели нанотехнологий. Показана возможность использования вычислительных экспериментов как эффективного метода анализа технологических процессов. Представлены принципы кинетического анализа элементарных атомно-молекулярных процессов протекающих в конденсированных средах.

Пособие может быть рекомендовано студентам бакалавриата и магистратуры, аспирантам, физикам-исследователям и инженерам различной отраслевой направленности, специализирующихся в области разработки нанотехнологий и создания материалов и устройств наноинженерии.

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

 

УДК СГАУ: 539.1

ББК СГАУ:

 

ISBN 978-5-7883-0841-8

Самарский государственный

аэрокосмический университет, 2011

 


Список использованных обозначений И СОКРАЩЕНИЙ

n - количество микрообъектов (атомы, молекулы, фотоны, ячейки)
qi - модуль значения электрического заряда для носителя заряда i го типа.
- функция распределения микрочастиц по энергиям (Максвелла-Больцмана)
k - постоянная Больцмана
D - коэффициент диффузии
- полное количество микрообъектов (атомы, молекулы, фотоны, ячейки)
S - термодинамическая энтропия макроскопической системы
H - информационная энтропия макроскопической системы
I - количество информации (устраненной неопределенности состояния системы)
E - напряженность электрического поля
Sn - площадь сечения взаимодействия электрона с дыркой (сечение захвата)
W - полная энергия микрочастицы (системы)
- кинетическая энергия микрочастицы (системы)
WT - энергия теплового движения микрочастицы
W0 - ширина запрещенной зоны полупроводника
Wа - энергия активации элементарного физико-химического процесса
Nа - концентрация энергетически активных микрочастиц
W ширина запрещенной зоны собственного полупроводника
- потенциальная энергии системы, внутренняя энергия системы
L - протяженность потенциальной ямы
- пространственный (или фазовый) объем системы
Z порядковый номер химического элемента
F - термодинамический потенциал –«свободная энергия» системы
- условное обозначение квантовой точки
- условное обозначение квантовой проволоки
- условное обозначение квантовой пленки
h - постоянная Планка
p - механический импульс микрочастицы
- масса микрочастицы
n - квантовое число энергетического состояния, количество микрочастиц
с - скорость распространения света в вакууме
υ - скорость движения микрочастицы
s - удельная термодинамическая энтропия системы
ht - энтропия размещения единичного атома при наличии технологии
hc - энтропия размещения единичного атома при случайной технологии
hi - энтропия размещения единичного атома, обеспечивающая появление функционального качества изделия
- избирательность при отсутствии технологии как таковой
- избирательность при наличии технологии
- избирательность, обеспечивающая появление функционального качества изделия
- электрический потенциал
ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества
- электрическая постоянная
- частота монохроматических колебаний
λ - длина волны монохроматического колебательного процесса
τ - время жизни (период релаксации метастабильного состояния)
ω - количество микросостояний системы, круговая частота
а - параметр решетки кристаллической структуры
L - расстояние полного пробега микрочастицы (процесса)
Lвект - расстояние векторного пробега микрочастицы (процесса)
Lброун - расстояние броуновского пробега микрочастицы (процесса)
Z - полное количество пробегов микрочастицы (процесса)
Zвект - количество векторизованных пробегов микрочастицы (процесса)
Zброун - количество броуновских пробегов микрочастицы (процесса)
- степень векторизации движения (процесса)
ФХП - физико-химический процесс
ВКА - вероятностный клеточный автомат

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие  
Введение  
1. Физико-техническая специфика и проблематика нанотехнологий  
1.1. Смысловое содержание понятия «технология» применительно к изделиям наноинженерии  
1.1.1. Определение понятия антропогенной технологии  
1.1.2. Какие макроскопические состояния «любит природа»  
1.1.3. Общие стохастические принципы анализа нанотехнологии  
1.2. Термодинамика процесса упорядочения материальных сред  
1.2.1. Свободная энергия термодинамической системы как компромисс между энтропией и внутренней энергией  
1.2.2. Анализ атомной упорядоченности с позиции принципа термодинамического равновесия физических систем  
1.2.3. Время релаксации системы к состоянию термодинамического равновесия  
1.2.4. Формирование требований к допустимой концентрации атомных дефектов в изделиях наноинженерии  
1.3. Общие принципы проведения идеализации реальных объектов и процессов нанотехнологии  
1.3.1. Смысловое содержание понятия «идеализация» применительно к физическим системам  
1.3.2. Идеализация потенциальных энергетических диаграмм атомно-молекулярных систем  
1.3.3. Идеализация состояния системы – «адиабатическое приближение»  
1.3.4. Идеализация граничных и начальных условий в гетерофазных системах  
1.3.5. Время релаксации индивидуальных физико-химических процессов  
2. Формальные модели нанотехнологий  
2.1. Классификация элементарных физико-химических процессов нанотехнологий  
2.2. Формальное представление элементарных физико-химических процессов с позиции модели «рождение-гибель»  
2.2.1. Формальное представление физико-химических процессов  
2.2.2. Общие принципы создания моделей физико-химических процессов  
2.3. Формальное представление нанотехнологий с позиции «векторно-броуновской» модели  
2.3.1. Основополагающие представления «векторно-броуновского» подхода  
2.3.2. Взаимосвязь с физическими моделями технологических процессов  
2.3.3. Специфика применения в технологических приложениях  
2.4. Фактор необратимости реальных физико-химических процессов  
2.5. Формальное представление нанотехнологий с позиции «стохастической» модели  
2.5.1. Цели и задачи «стохастической» модели нанотехнологии  
2.5.2. Определение понятия «микро- и нанотехнология» в стохастическом представлении  
2.5.3. Показатели качества нанотехнологии на атомном уровне рассмотрения  
2.5.4. Показатели качества технологии на микро- и макроскопическом уровне рассмотрения  
2.5.5. Стохастические показатели качества реальных микро- и нанотехнологий  
2.5.6. Информационный потенциал и дефицит микро- и нанотехнологий  
2.5.7. Взаимосвязь информационного запаса качества технологии и ресурса изделия наноинженерии  
2.6. Формальные модели нанотехнологий основанные на вычислительных экспериментах с атомным разрешением  
2.6.1. Предпосылки использования вычислительных экспериментов в технологической практике создания наноразмерных структур  
2.6.2. Классификация методов моделирования технологических процессов  
  Физические основы моделирования нанотехнологий методами вероятностных клеточных автоматов  
3.1. Основные принципы работы вероятностных клеточных автоматов  
3.2. Топологическая структура полигона моделирования  
3.3. Основные принципы временной дискретизации при моделировании процессов эволюции систем  
3.4. Специфика моделирования процессов эволюции систем методами вероятностных клеточных автоматов  
3.5. Общие принципы построения вычислительных алгоритмов вероятностных клеточных автоматов  
3.6. Примеры моделирования нанотехнологий методами вероятностных клеточных автоматов  
Заключение по части №1  
Задачи и упражнения по части №1  
Задачи и упражнения к разделу №1  
Задачи и упражнения к разделу №2  
Задачи и упражнения к разделу №3  
Список использованной литературы  
Приложения к части №1  
Приложение №1 Энергия активации элементарных физико-химических процессов  
Приложение №2 Справочные данные общего характера  
Приложение №3 Элементы статистической физики  
Приложение №4 Элементы равновесной термодинамики  

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие является введением в теоретические основы современных нанотехнологий, и предназначено для студентов, аспирантов и специалистов различных научно-технических направлений, желающих углубить свои знания в этой сравнительно новой и быстроразвивающейся области знаний.

Пособие написано на основе материалов лекционных курсов, изучаемых в Самарском государственном аэрокосмическом университете в рамках подготовки инженеров, бакалавров и магистров различной отраслевой направленности, специализирующихся в области разработки нанотехнологий и создания технических устройств наноразмерного масштаба.

Предлагаемое учебно-методическое пособие по физико-техническим аспектам проблематики нанотехнологий можно рассматривать и в качестве дополнения к широкому кругу существующих изданий, используемых в настоящее время в учебной практике подготовки специалистов высшей школы по направлениям «Нанотехнология» и «Наноматериалы». Основной задачей пособия является формирование у студентов целостных физических представлений, лежащих в основе развития современных нанотехнологий.

Целесообразность издания в настоящее время данного учебно-методического пособия обусловлена следующими обстоятельствами.

Во-первых, по опыту преподавания ряда дисциплин, относящихся к направлению наноинженерия, выяснилось, что новичку в этом наукоемком научно-техническом направлении достаточно трудно порекомендовать какой-либо один литературный источник, охватывающий полный спектр вопросов, связанных со спецификой теории и практики реализации нанотехнологий. Как правило, в каждом из этих источников с определенной полнотой рассмотрен ряд отдельных вопросов, но ни один из них не затрагивает достаточно широкий спектр аспектов с общих физических позиций (в особенности если учесть высокую динамику развития в области наноинженерии). Таким же образом при формировании перечня рекомендованной дополнительной литературы возникает та же дилемма, и обычно студентам рекомендуют отдельные разделы различных литературных источников. При таком подходе, как правило, имеет место проявление негативного фактора учебно-методического плана, обусловленного различием научно-технических интересов авторов и методик изложения материала, что существенно затрудняет процесс восприятия учебного материала.

Во-вторых, имеющиеся в учебной практике материалы ориентированы, как правило, на студентов, имеющих хорошую академическую подготовку по ряду базовых разделов фундаментальных дисциплин (физика: равновесная и неравновесная термодинамика, статистическая и атомная физика, физическая кинетика; теоретическая химия: физическая химия, химическая термодинамика, кинетика химических процессов, теория элементарных химических процессов). Студенты технических вузов, в силу специфики основного образовательного процесса, как правило, не имеют требуемого уровня подготовки в объемах, необходимых и достаточных для успешного освоения упомянутых выше литературных источников. При этом находит свое проявление и тот неожиданный для обучающихся фактор, что чем меньше физический размер изделия, тем обширнее должен быть физический кругозор разработчиков изделия.

В-третьих, следует отметить тот очевидный негативный факт, что в сложившейся учебной практике наблюдается существенное расхождение между планируемым и фактическим объемом трудозатрат, отводимым на изучение учебного материала (в частности, фактический в значительной мере превосходит планируемый). Это расхождение трудозатрат обусловлено необходимостью использования разрозненных литературных источников специального характера, ориентированных, как правило, на уровень хорошо подготовленного специалиста в данной конкретной области научно-технического знания.

В-четвертых, в существующих литературных источниках (к ним, прежде всего, следует отнести специальные монографии по нанотехнологии) в недостаточной мере представлены учебно-методические аспекты, в частности, такой важный, с точки зрения постановки образовательного процесса, момент, как комплексы задач и упражнений, адаптированных к тезаурусу студентов старших курсов и аспирантов технических вузов.

Изложенные выше моменты нашли свое непосредственное отражение в настоящем учебно-методическом пособии, как в части методических принципов представления учебных материалов, так и в построении общей структуры пособия.

Основным требованием к базовой подготовке студентов, необходимым для успешной работы с пособием, является наличие уверенных знаний по ряду разделов физики (квантовая механика, статистическая физика и физика твердого тела - в объемах, предусмотренных учебным планом технических вузов). В то же время, следует отметить, что опыт преподавания дисциплин по рассматриваемому направлению свидетельствует о недостаточной подготовке слушателей (особенно непрофильных специальностей: специалисты машиностроительного направления, химики, биологи) по указанным выше разделам технической физики. В этой связи автор счел целесообразным и необходимым частично восполнить этот пробел в рамках учебного материала настоящего пособия.

Для успешного усвоения учебного материала и привития навыка к расчетной практике, к каждому разделу адресован комплекс задач и упражнений различной степени сложности. Тематика указанного комплекса сформирована таким образом, чтобы представлять интересы не только конкретной профессиональной группы учащихся и специалистов (наноэлектроника), но и более широкого (оговоренного выше) контингента учащихся.

Описанное выше построение учебного пособия позволяет читателю использовать его как вводный курс по нанотехнологии в целом или обращаться к его отдельным разделам по конкретным вопросам. Таким образом, пособие может оказаться полезным физикам, химикам, биологам и инженерам, специализирующихся в области технологии создания наноразмерных структур и устройств, а также специалистам близких по профилю дисциплин, желающим получить начальную базовую подготовку по данному научно-техническому направлению.

Разумеется, что в рамках одного пособия невозможно перекрыть всю проблематику задач и дать исчерпывающий анализ достижений в направлении – «нанотехнология». Стремительное развитие данного направления не оставляет возможности полноценно и однозначно отследить ее состояние на данный момент времени. В то же время, общие теоретические положения и подходы, обладающие определенной «инерцией» в историческом плане, могут составить устойчивый предмет рассмотрения в учебной практике. Именно этим принципом руководствовался автор (учитывая содержательную базу ранее изданных пособий других авторов по рассматриваемому научно-техническому направлению.) при отборе материалов для настоящего пособия.

В структурном плане предлагаемое учебное пособие оформлено в виде двух самостоятельных частей:

· В первой части пособия рассмотрены вопросы специфики и проблематики задач наноинженерии, которые свидетельствуют об ограниченной возможности использования традиционных физико-технических методов анализа наноразмерных объектов и процессов. В этой связи в этой части пособия уделено большое внимание рассмотрению ряда оригинальных формальных моделей технологических процессов. Эти альтернативные (формальные) подходы могут оказаться эффективными с практической точки зрения, когда речь идет о нанотехнологиях. Переход на атомный уровень конструирования изделий (характерный для устройств наноинженерии) стимулирует разработку адекватных подходов и методов анализа объектов и процессов. В предлагаемом пособии, в качестве такого альтернативного подхода рассматриваются вычислительные эксперименты, основанные на методах вероятностных клеточных автоматов. Позитивным фактором этих методов является то, что они позволяют реализовать процесс моделирования объектов и процессов непосредственно на атомном уровне рассмотрения.

· Во второй части пособия рассматриваются механизмы и кинетика элементарных физико-химических процессов, составляющих основу нанотехнологий. С целью унификации подходов при изучении различных элементарных физико-химических процессов, их анализ основывается на достаточно универсальной модели типа «рождение–гибель». Особое внимание уделено рассмотрению возможности использовании этих теоретических материалов в производственной практике при реализации технологии атомной сборки и самосборки изделий наноразмерного масштаба.

Автор надеется, что материалы пособия позволят читателю ознакомиться с рядом основополагающих физико-технических аспектов нанотехнологий, с целью дальнейшего их использования в своей практической деятельности в направлении создания технических устройств наноразмерного масштаба.

В заключении следует еще раз акцентировать тот момент, что представленные материалы ни в коей мере не следует рассматривать в качестве обзора современного состояния нанотехнологий, а преследуют цели исключительно учебного характера, что нашло свое отражение, как в методических аспектах подачи учебного материала, так и отборе тематики содержательной части. При отборе учебного материала основное внимание уделено ряду основополагающих физико-химических аспектов технологической направленности, которые в силу своего фундаментального характера сохраняют актуальность для всех типов технологий и в этой связи, в незначительной степени подвержены фактору старения.

Все отзывы и замечания по содержательным и методическим аспектам данного пособия будут приняты автором с благодарностью.

Автор выражает благодарность Коныгину С.Б., Лачину М. А., Козлову Д.А., за оказанную помощь при подготовке ряда иллюстраций настоящего учебного пособия. Автор выражает признательность Павельеву В.С. за постоянное внимание и поддержку при создании настоящего учебного пособия.


« Многие вещи нам непонятны не потому,

что наши понятия слабы; но потому,

что сии вещи не входят в круг наших понятий».

Козьма Прутков

Введение

В настоящее время трудно найти область знаний научно-технической и медико-биологической направленности, где бы не использовалось, в том, или ином теоретическом или практическом аспекте, понятие «Нанотехнология».

С точки зрения современных научно-технических представлений [1]: «Нанотехнологией» принято называть междисциплинарную область научно-технического знания, в которой изучаются общие закономерности протекания физико-химических процессов в пределах пространственных областей нанометрового масштаба (1 нм. = 10-9 м.), с целью создания новых наноразмерных структур (атомно-молекулярных комплексов и материалов на их основе, наноразмерных устройств), обладающих специфическими функциональными, физическими, химическими или биологическими свойствами.

Именно междисциплинарный характер понятия «Нанотехнология» обуславливает такую широту его представительства в современной научно-исследовательской и производственно-технической практике. Однако, эта же широта, порой, является первопричиной ряда разночтений терминологического характера, относительно ключевых понятий нанотехнологий и наноструктур.

С формальной точки зрения к наноразмерному объекту может быть отнесена практически любая обыкновенная пылинка наноразмерного масштаба. Однако, в современной научно-производственной практике к нанообъектам принято относить лишь те наноструктуры (объекты), которые удовлетворяют хотя бы одному из ниже перечисленных признаков:

· в объекте весьма сильно проявляются квантово-механических свойств (в силу его малых размеров хотя бы по одному геометрическому измерению);

· объект обладает новыми (в рамках устоявшихся традиционных представлений) функциональными возможностями, не свойственными для известных микро- и макроскопических объектов (например: квантовые вычислительные среды, устройства плазмоники и спинтроники, специфические наноразмерные робототехнические системы и т.д.);

· в объекте, ввиду проявления размерных эффектов, имеет место существенное изменение значений традиционных физических параметров, характерных для случая макроскопических тел (например: температура плавления, электропроводность, механическая прочность и т.д.).

Впервые термин «нанотехнология» был введен в рассмотрение Н. Танигутчи (1974 г. [2]), который просто обозначил этим термином совокупность технологических методов, используемых для производства изделий наноразмерного масштаба (очевидно, по аналогии с термином «микротехнология», для которой характерным признаком является оперирование с минимальным объемом рабочих сред не менее 10-3 мкм3).

Во многих литературных источниках, и в первую очередь англоязычных, первое упоминание об этих революционных методах, которые впоследствии были названы «нанотехнологией», связывается с известным выступлением Р. Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанного в 1959 году [3]. В этом докладе признается допустимой (с точки зрения квантово-механических представлений и ограничений) возможность механического перемещения одиночных атомов внешним оператором при помощи манипуляторов. Это утверждение противоречило укоренившемуся мнению о невозможности преодоления квантовых ограничений, вытекающих из широко известного принципа (соотношения) неопределенностей Гейзенберга [4].

В современных международных документах нормативного плана (технический комитет - ISO/ТК 229) под понятием «Нанотехнология» принято подразумевать следующее смысловое наполнение [5]:

· знание и управление процессами, как правило, в масштабе одного нанометра, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

· использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от характеристик свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

Производственно-технический аспект использования нанотехнологий содержит в своем составе создание широкого комплекса диагностических и технологических аппаратных средств, необходимых как для манипуляции отдельными атомами и молекулами, так и - наноразмерными объектами [6-8]. При этом подразумевается, что вовсе не обязательно, чтобы объекты нанотехнологий обладали хотя бы одним линейным размером менее 100 нм. Это могут быть и макроскопические в целом объекты, атомарная структура которых контролируемым образом создаётся с масштабным разрешением на уровне отдельных атомов (к примеру, это может быть микро- или макроскопическая матрица на основе квантовых точек субатомного масштаба).

Следует отметить, что нанотехнологии коренным (принципиальным) образом отличаются от традиционных технологий, используемых в современной производственной практике. Это различие столь масштабно, что можно говорить о революционном технологическом прорыве. Суть этого прорыва состоит в том, что впервые в историческом плане человечество конструктивном плане приблизилось к возможности атомной сборки технических устройств, как это имеет место в биологическом мире (если рассматривать живые организмы в качестве весьма сложных функциональных устройств).

С появлением нанотехнологий, впервые в конструкторско-технологической практике можно поставить вопрос о производстве технических изделий:

· путем непосредственного (на атомно-молекулярном уровне) синтеза принципов и методов создания техногенных и биологических систем;

· с помощью технологических возможностей, свойственных до настоящего времени только для биологических принципов создания живых организмов;

· с помощью «деталей», в качестве которых рассматриваются одиночные атомы или локальные атомно-молекулярные комплексы, что позволяет достигнуть значений степени интеграции элементов конструкций в физическом объеме, близких к своему теоретическому пределу – 1022 элемент/см3 [9].

В рассмотренных выше перспективах реализации изделий наноразмерного масштаба в неявном виде фигурируют факторы неопределенности, отношение к которым содержит элемент неоднозначности:

· с одной стороны, - возникает масса интересных и перспективных практических возможностей в части создания оригинальных функциональных устройств, основанных на абсолютно новых физических принципах действия;

· с другой стороны, - уже в настоящее время просматривается возможность появления широкого комплекса весьма специфических проблем негативного характера, и, прежде всего, социального, этического и экологического (в чрезвычайно широкой трактовке) плана.

Конечной целью становления нанотехнологий является промышленное освоение технологии атомной сборки изделий (в настоящее время это уже реализовано для единичных случаев создания достаточно простых атомных структур в рамках научно-исследовательской практики [10]). Успешное выполнение этой задачи позволит представить широкую гамму оригинальных устройств (объектов) в различных областях человеческой деятельности, с целью создания:

1. Химическая индустрия:

· атомно-молекулярный дизайн, как способ синтеза новых молекулярных соединений (ближняя перспектива);

· высокоэффективные наноразмерно-структурированные катализаторы селективного действия (дальняя перспектива).

2. Материаловедение:

· бездефектные (с точки зрения факторов структурного плана и образований примесного характера) конструкционные материалы (ближняя перспектива);

· нанокомпозиты атомарного разрешения со специфическими механическими, электрическими и оптическими параметрами (дальняя перспектива).

3. Приборостроение:

· многоцелевые сканирующие зондовые устройства наноразмерного масштаба диагностического и технологического назначения (ближняя перспектива);

· сенсоры атомарного разрешения различной отраслевой направленности (дальняя перспектива);

· комплексы наноразмерных роботизированных систем медико-биологической и технической направленности (дальняя перспектива).

4. Электроника:

· повышение степени интеграции устройств на традиционной элементной базе планарных технологий до уровня 1014 элемент/см3 (ближняя перспектива);

· вычислительные комплексы на базе квантовых компьютеров (дальняя перспектива);

· наноразмерные оптические и опто-электронные системы и устройства информационных технологий (ближняя перспектива);

· роботизированные производственно-технологические комплексы наноразмерного масштаба (дальняя перспектива).

5. Медицина и фармакология:

· адресная доставка в организм лекарственных средств, с помощью интеллектуальных наноразмерных капсул, содержащих фармакологические препараты (ближняя перспектива);

· наноразмерные роботизированные устройства, для нормализации работы иммунной системы организмов с патологией (дальняя перспектива);

· роботизированные устройства (функциональные аналоги бактериофагов) для проведения наномасштабного селективного хирургического вмешательства (дальняя перспектива).

Приведенный, далеко не полный, перечень объектов (наноразмерных устройств и систем на их основе) свидетельствует в пользу чрезвычайного разнообразия сфер применения нанотехнологий в различных научных и практических областях человеческой деятельности.

Представляется очевидным, что оптимальной сферой применения нанотехнологий (в особенности технологии атомной сборки) является те случаи, когда речь идет о создании изделий, «детали» которых:

· содержат ограниченное (счетное) и, как правило, достаточно малое, количество индивидуальных атомов (в пределе всего один атом) или молекулярных группировок;

· являются высоко упорядоченными объектами, с точки зрения обеспечения вполне определенного пространственного расположения индивидуальных атомов в пределах физического объема изделия.

Оба, отмеченные выше, момента ставят под сомнение эффективность использования традиционных методов и подходов (основанных на физике сплошных сред: равновесная и неравновесная термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика и т.д.) для анализа нанотехнологий как таковых и, в особенности, технологий атомной сборки изделий. Эти методы предполагают, что мощность множества рассматриваемых микрочастиц в ансамбле достаточно велика, в том смысле, что можно ввести в рассмотрение комплекс макроскопических переменных, однозначно характеризующих состояние ансамбль в целом [11].

Здесь также уместно отметить и то обстоятельство, что на наноразмерных масштабах привычные технологии обработки материалов, основанные на макроскопических принципах, зачастую принципиально неприемлемы, а физические явления, пренебрежительно слабые в привычных макроскопических средах, выступают на столь малых геометрических масштабах в качестве доминирующих факторов. Под последним моментом подразумевается высокая вероятность проявления весьма сильного влияния квантовых эффектов на физические параметры технологических сред и специфику механизмов взаимодействия отдельных атомов, молекул и комплексов на их основе [12].

В свете вышеизложенного, в качестве теоретической основы при проведении анализа нанотехнологий следует, в первом приближении, рассматривать методы:

· исследования элементарных атомно-молекулярных взаимодействий, основанных на теоретической базе атомной физики и квантовой механики [13];

· компьютерного моделирования, адаптированного непосредственно к элементарным механизмам и процессам межатомного взаимодействия как с отдельными атомами, так и – индивидуальных атомов с моноатомными слоями поверхности конденсированных сред [14].

При таком подходе, на первом этапе определяются исходные параметры элементарных физико-химических процессов (ФХП), составляющих основу нанотехнологии конкретного типа. На втором этапе, используя полученный в первом этапе банк исходных данных, проводится прямое компьютерное моделирование реальных технологий (как правило, на базе методов вероятностных клеточных автоматов). Следует отметить, что наибольшие трудности при таком методе анализа нанотехнологий приходятся на первый этап, который, как правило, сопровождается необходимостью проведения нетривиального квантово-механического анализа индивидуальных атомно-молекулярных систем.

«Нанотехнологии» (и в особенности ее перспективные направления, такие как технологии атомной сборки и самосборки изделий) являются новой, и мало изученной в теоретическом плане областью знаний, находящейся в настоящее время более на стадии академических, нежели прикладных исследований. Тем не менее, несмотря на то, что ожидаемые практические результаты, предсказываемые в области наноиндустрии, пока еще не реализованы в промышленных масштабах, итоги уже проведенных научно-исследовательских работ позволяют отнести нанотехнологии к разряду наукоемких и перспективных технологий.

Весьма характерно то обстоятельство, что активный интерес к нанотехнологиям (в особенности технологии атомной сборки и самосборки) проявляют специалисты различного научного и технического профиля: физики, инженеры различных специальностей, химики, биологи, медики. Эти специалисты просматривают возможность реализации своих профессиональных прорывных проектов, основанных на более высокой ступени освоения научно-технических знаний в прикладной сфере. Фронт работ по этим направлениям настолько широк и, порой, столь специфичен (см. выше), что в настоящее время очень затруднительно, а подчас и невозможно, провести однозначную классификацию частных направлений и методологических аспектов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по направлению «Нанотехнология».

Следует отметить, что с точки зрения экономической целесообразности, реализация технологии атомной сборки в широких промышленных масштабах представляется проблематичной с позиции как имеющихся, так и перспективных аппаратных средств. Действительно, трудно ожидать, что с помощь технологии атомной сборки можно достигнуть показателей производительности и рентабельности, сопоставимых с существующими показателями производства микросистемной техники (хотя развитие идет и в этом направлении и связано с использованием много (до 104 - 106) кантиливерной зондовой техники). В этой связи, одной из важнейших проблем, стоящих перед нанотехнологией, является разработка прикладных (в том числе производственно-технического характера) аспектов, необходимых для обеспечения фактора самоорганизации (самосборки) наноразмерных изделий в производственном цикле технологии атомной сборки изделий.

Частично, проблематика самоорганизации наноструктур может составлять предмет интереса супрамолекулярной химии [15], изучающей не отдельные молекулы, а специфику межмолекулярных комплексов, способных реализовать фактор упорядоченности атомно-молекулярных систем на мезоскопическом уровне. На этом пути обнадеживает то обстоятельство, что в природе действительно наблюдаются достаточно сложные функциональные атомно-молекулярные системы (нуклеотиды, белки, РНК, ДНК) и осуществляются подобные «технологические» процессы управляемого (на атомном уровне) синтеза атомно-молекулярных структур. Объекты супрамолекулярной химии — «супрамолекулярные ансамбли», строящиеся самопроизвольно из комплементарных структур посредством специфики сопряжения индивидуальных молекулярных фрагментов, составляющих основу живой материи (в том числе клеточных структур).

В более общей и конструктивной постановке вопроса, следует говорить о необходимости использования в технологической практике синергетических (кооперативных) процессов, способных реализовать феномен атомно-молекулярной упорядоченности пространственных структур на мезо- или макроскопическом уровне. Этот подход представляется весьма перспективным, однако, его практическое использование сдерживается в настоящее время недостаточной теоретической проработкой фундаментальных принципов самоорганизации сложных систем [16,17].

В настоящее время, производственной отраслью, наиболее близко подошедшей к вопросу комплексного использования достижений нанотехнологий (в части обеспечения более высокого уровня интеграции элементной базы) является современная микроэлектроника. Это лидирующее положение обусловлено тем негативным обстоятельством, что традиционные технологические методы производства микропроцессорной техники подошли к своему естественному экономическому и технологическому пределу, когда размер устройства уменьшается (с развитием планарной технологии) незначительно, а экономические затраты возрастают экспоненциальным образом. В этом смысле использование нанотехнологий является следующим логическим шагом развития современных микротехнологий.

Из приведенного выше круга материалов можно сделать вывод о том, что научно-исследовательские и прикладные работы по направлению «Нанотехнология» имеют ярко выраженный междисциплинарный характер, предполагающий для своего успешного развития:

· использования комплексного подхода на этапах формирования постановки и реализации научно-практических работ;

· объединения усилий специалистов весьма широкого научно-технического профиля (физики, инженеры различных специальностей, химики, биологи, медики);

· привлечение всего комплекса достигнутых в настоящее время научных знаний в физической, химической и биологической практике.

Несомненно, что к процессу становления нанотехнологий в промышленных масштабах будут привлечены специалисты различных научно-технических направлений, с различным начальным уровнем физико-математической подготовки и основным профилем профессиональных интересов. Наблюдаемая тенденция широкомасштабного проникновения в смежные области научно-технических знаний, ставит на повестку дня постановку вопроса о сближении теоретических подходов и методологических аспектов указанных специалистов. Трудность реализации подобного рода процессов сближения обусловлена тем немаловажным обстоятельством, что проблематика задач нанотехнологий предполагает широкое использование ряда передовых рубежей знаний по физике твердого тела, физической химии, синергетики, теории информации, которые в недостаточной мере представлены в учебной практике подготовки специалистов высшей школы.

В этой связи следует особо отметить недостаточную теоретическую подготовку инженерных кадров и специалистов химического и медико-биологического профиля в части:

· использования традиционных методов анализа характерных параметров атомных (молекулярных) структур наноразмерного масштаба, основанных на квантово-механических моделях и представлениях;

· методов определения необходимой, с точки зрения достижения приемлемого функционального качества, меры упорядоченности физических сред, используемых при создании устройств наноразмерного масштаба;

· понимания теоретических представлений и моделей протекания базовых элементарных физико-химических процессов, составляющих основу нанотехнологий;

· общих принципов и методов анализа нанотехнологий и наноструктур, исходя из специфики, следуемой из пространственных ограничений размерного характера;

· понимания физической специфики разноплановых размерных эффектов, имеющих место микро- и наноразмерных системах.

Настоящее учебное пособие призвано восполнить существующий в настоящее время пробел в учебно-методической литературе, посвященной рассмотренным выше областям инженерно-физического знания. Устранение этого пробела в образовательной практике подготовки специалистов высшей школы будет способствовать повышению эффективности проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в направлении промышленного освоения нанотехнологий.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных