Структура и свойства наноразмерных образований. Реалии сегодняшней нанотехнологии

Н.Г. РАМБИДИ





                СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕАЛИИ СЕГОДНЯШНЕЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ










л

                                                     Издательский Дом
                                                     ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

Н.Г. Рамбиди
   Структура и свойства наноразмерных образований. Реалии сегодняшней нанотехнологии: Учебное пособие / Н.Г. Рамбиди — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 376 с.
   ISBN 978-5-91559-089-1

   Учебное пособие по физическим и химическим основам нанотехнологий детально описывает структуру и свойства наноразмерных образований, которые активно изучаются на протяжении последних десятилетий и используются на практике. К ним относятся наноразмерные частицы, большие (в том числе полимерные) молекулы, атомно-молекулярные комплексы с направленно созданной структурой — квантовые точки, нанотрубки, тонкопленочные гетероструктуры, молекулярные кластеры. Основное внимание уделено выявлению физических механизмов, ответственных за возникновение новых свойств при переходе от «макровещества» к наноструктурам, построенным из тех же самых атомных и молекулярных элементов, что и вещество.
   Подробно рассмотрено соотношение научных идей и практического выхода исследований в области нанотехнологий. Обсуждаются существенные затруднения в реализации экономически выгодных промышленных инноваций.
   Учебное пособие будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям физических и химических факультетов, а также исследователям и разработчикам новых технологий.






















ISBN 978-5-91559-089-1

       © 2010, Н.Г. Рамбиди
       © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект»,

                                    оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ










    Введение. Несколько слов о проблеме и книге.......................6

    Глава 1
    МИНИАТЮРИЗАЦИЯ В ОКРУЖАЮЩЕМ НАС МИРЕ..............................9
       1.1. Исторические и психологические корни......................9
       1.2. Соблазннанотехнологии: истоки, особенности становления, результаты и перспективы.................................... 13
          1.2.1. Первые шаги........................................ 13
          1.2.2. Нанотехнология выходит на государственный уровень...27
          1.2.3. Нанотехнология сегодня: основные принципы и их неожиданные воплощения................................................31

    Глава 2
    МИНИАТЮРИЗАЦИЯ - МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА...........................................43
       2.1. Вакуумные электронные лампы, транзисторы, планарные чипы в вычислительной технике ....................................43
          2.1.1. Немного об истории вычислительных средств...........43
          2.1.2. Полупроводниковые приборы — революция в электронике.51
          2.1.3. Планарная полупроводниковая технология: всеобщее признание и ограничения...................................59
       2.2. Биомолекулярные векторы, переносящие генетическую информацию: производство трансгенных организмов..........................68
          2.2.1. Трансгенная инженерия...............................69
          2.2.2. Трансплантация клеточных ядер — клонирование........80
       2.3. Биочипы, наномоторы: неожиданные возможности нанобиологии.81
          2.3.1. Биочипы — эффективное аналитическое средство........82
          2.3.2. Молекулярные моторы.................................85

    Глава 3 САМОБЫТНЫЙ МИР НАНОРАЗМЕРОВ......................................93
       3.1. Размерное квантование в полупроводниках..................94
       3.2. Наномедицина: истоки и реалии............................98
          3.2.1. Наночастицы в медицине..............................99

_1 Оглавление

       3.3. Квантовые точки и обработка информации................. 116
       3.4. Методы получения наночастиц............................ 122
       3.5. Лазеры на гетеропереходах.............................. 134

    Глава 4
    САМОСБОРКА И САМООРГАНИЗАЦИЯ: ИХ РОЛЬ В НАНОТЕХНОЛОГИИ И НЕ ТОЛЬКО................................... 142
       4.1. Процессы самоорганизации и их особенности.............. 143
       4.2. Синергетические принципы процессов самоорганизации..... 148

    Глава 5 МОЛЕКУЛЫ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АНСАМБЛИ - ЕСТЕСТВЕННЫЕ
    ПРЕДЕЛЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ......................................... 158
       5.1. Что такое молекулярная структура?...................... 161
       5.2. Обработка и хранение информации на молекулярном уровне. 167
          5.2.1. Первые идеи, инициировавшие становление молекулярной электроники............................................. 167
          5.2.2. Дискретные молекулярные устройства обработки и хранения информации.............................................. 191
          5.2.3. Конформационные переходы в молекулах — перспективная элементная база вычислительных устройств................ 198
          5.2.4. Нужна ли молекулярная элементная база разработчикам цифровых компьютеров с фон Неймановской архитектурой?.....208
       5.3. Биологические принципы обработки информации.............210
          5.3.1. Информационные потребности постиндустриального общества и парадигма фон Неймана.........................210
          5.3.2. Вычислительная техника и задачи искусственного интеллекта...............................................216
          5.3.3. Биологически инспирированные средства обработки информации: нейронные сети и нейрокомпьютеры.............217
          5.3.4. Обработка информации в биологических нейронных сетях и полупроводниковыми цифровыми компьютерами..............223
          5.3.5. Аморфный компьютинг................................225
          5.3.6. ДНК-компьютинг — изощренное сочетание биологических принципов и «инструментов» обработки информации..........231
          5.3.7. Новые идеи: мемристоры и моделирование интеллекта..235
       5.4. Распределенные реакционно-диффузионные системы и обработка ими информации...............................................237
          5.4.1. Реакционно-диффузионные системы: принципы организации и поведения...............................................237
          5.4.2. Химические реакционно-диффузионные среды типа Белоусова—Жаботинского....................................240
          5.4.3. «Возникающие» информационные механизмы.............249
          5.4.4. Принципы обработки информации реакционно-диффузионными устройствами.............................................250

Оглавление -*J  5

      5.4.5. Реакционно-диффузионный процессор.......................250
       5.4.6. Обработка изображений средами типа Белоусова— Жаботинского.............................................259
       5.4.7. Реакционно-диффузионные среды: моделирование оптических иллюзий..................................................273
       5.4.8. Реакционно-диффузионный процессор: определение кратчайшего пути в лабиринте.............................275
       5.4.9. Системы взаимосвязанных реакционно-диффузионных реакторов: распознающие устройства.......................285
      5.4.10. Полупроводниковые реакционно-диффузионные устройства: первые попытки............................................290
      5.4.11. Необходимые эксплуатационные требования к реакционно-диффузионному процессору.....................293
      5.4.12. Мозг и реакционно-диффузионный компьютер...............298

Глава 6 ГИГАНТСКИЕ МОЛЕКУЛЫ-ПОЛИМЕРЫ....................................302
   6.1. Химическое строение, структура и пространственная конфигурация полимерной цепи..............................................302
   6.2. Молекулярные комплексы полимерных молекул....................316
   6.3. Гидрогели полимерных молекул................................. 331
   6.4. Каркасные аллотропные формы углерода: фуллерены и нанотрубки.336
   6.5. Полиэлектролиты: ионная проводимость......................... 342
   6.6. Суперконденсаторы............................................347

Глава 7 АТОМНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНООБРАЗОВАНИЯ..........................350

Список литературы....................................................357

Приложение
   Развитие в России работ в области нанотехнологий..................363
      Введение.......................................................363
      Перспективы использования нанотехнологий.......................369
      Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России.............371
      Список литературы..............................................375

            ВВЕДЕНИЕ НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ПРОБЛЕМЕ И КНИГЕ







                                          Внизу (т. е. внизу или внутри пространства, если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до I960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира.

Ричард Филлипс Фейнман





           В основе этой книги лежит учебное пособие «Физические и химические основы нанотехнологии», написанное ранее совместно с А.В. Березкиным и изданное в 2008 г.
   Уже после появления его на свет взаимодействие с читателями и размышления о том, насколько оправдано было включать в книгу те или иные проблемы этой сложной, удивительной по разнообразию идей и подходов области, позволили более объективно оценить некоторые особенности оптимального изложения содержащегося в ней материала. Становилось все более и более ясным, что необъятный мир физических идей, уникальных технологических приемов и вновь возникающих путей применения, которые образуют то, что называют сегодня нанотехнологией, требует несколько различных подходов к отдельным ее направлениям. И в особенности это относится к изложению проблем, вытекающих из двух основных нанотехнологических принципов:
   •     предельная миниатюризация объектов, которая приводит к появлению новых, практически важных свойств;
   •     управление свойствами макроскопических объектов воздействием на его структуру на микро(нано)уровне.
   Эти проблемы близки по своей физической сущности, но в то же время обладают и некоторой существенной спецификой.
   В книге рассматриваются структура и свойства наноразмерных образований, которые активно изучаются на протяжении последних десятилетий и используются в различных практических применениях. К ним относятся нано-размерные частицы, большие (в том числе полимерные) молекулы, атомно

Введение. Несколько слов о проблеме и книге

Л

7

молекулярные комплексы с направленно созданной структурой — квантовые точки, нанотрубки, тонкопленочные гетероструктуры, молекулярные кластеры. Основное внимание обращено при этом на то, каковы физические механизмы, ответственные за появление новых свойств при переходе от макросостояния вещества к наноразмерным образованиям, построенным из тех же самых, что и вещество, атомных и молекулярных элементов.
   Не следует забывать при этом, что изучение явлений окружающего нас мира на атомно-молекулярном уровне зародилось еще в начале прошлого века, задолго до появления самого термина «нанотехнология». Оно активно развивалось и сопровождалось разработкой новых методов определения структуры и свойств вещества. А это, в свою очередь, привело к разработке планарной технологии изготовления полупроводниковых микроэлектронных приборов, созданию уникальных наноструктурированных металлов, сплавов, керамических и полимерных материалов, пониманию фундаментального значения белков и ДНК и разработке на этой основе новых подходов к производству разнообразных, необходимых в повседневной жизни продуктов,
   В последние годы сама область нанотехнологических представлений все более и более расширяется. Поэтому не удивительно, что нанотехнология последовательно формируется как междисциплинарная отрасль. В сущности, это попытка объединить отдельные научные направления физики, химии и биологии и подойти на этой основе и к другим, нередко очень сложным и неоднозначным явлениям окружающего нас мира. Сейчас этот процесс приобрел взрывной характер, когда быстро возрастающая сложность изучаемых систем и явлений зачастую находится на пределе возможностей аналитической техники, требует дорогостоящего оборудования, широко образованных специалистов и, как никогда, систематического и тесного объединения теории и эксперимента.
   Все это можно было бы рассматривать как первые робкие ростки грядущей промышленной революции. Но современная ситуация оказывается намного более сложной.
   К сожалению, отдельные многообещающие успехи приводят нередко к мало обоснованному оптимизму. Так, например, изучение генетической основы человека вызывает неуемную фантазию плохо образованных энтузиастов, чьи ультрареволюционные идеи типа бессмертия на генетической основе, по существу, дискредитируют достигнутые и используемые уже на практике возможности.
   В то же время не до конца понятые отдаленные последствия применения новых подходов вызывают резкое (и не всегда необоснованное) сопротивление скептиков, которое иногда распространяется на проблему в целом.
   Именно поэтому изложение основных понятий и проблем нанотехнологии, физически строгое и в то же время понятное студентам, аспирантам и ученым, работающим в смежных областях, играет существенную роль для разумного использования нанотехнологических принципов в современной научной и инженерной деятельности.
   В книге не рассматриваются проблемы, специфические для наноструктурированных материалов (интересующихся можно отослать к первоначальному

_1       Введение.. Несколько слов о проблеме и книге

изданию «Физические и химические основы нанотехнологии»), В то же время представлялось разумным сохранить общую нанотехнологическую направленность изложения,
        Сегодняшняя ситуация во многом напоминает первую волну в сущности нанотехнологических подходов, которая возникла в 70—80 гг, прошлого века, В те годы в связи с трудностями становления планарной технологии полупроводниковой электроники сама идея перехода на молекулярную элементную базу сделалась более чем популярной, Даже назывались сроки, когда наступит эта новая эра в электронике, Но вскоре постепенно начало складываться и понимание исключительной сложности этой проблемы, вызвавшее, как следствие, волну пессимизма, И только совсем недавно настойчивость малой части не поддавшихся пессимизму энтузиастов увенчалась успехом, В 2007 г, было опубликовано сообщение группы сотрудников компании «Хьюлетт Паккард» и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (группа HP-UCLA), в котором рассматривалась конструкция и рабочие характеристики первого созданного ими работоспособного молекулярного устройства памяти для электронного вычислительного устройства объемом 160 килобит, В нем в качестве элементов памяти используются молекулы одного из органических соединений — ротаксанов, которые позволяют создать чип с рекордной плотностью размещения элементов 10¹¹ на см², Но все же и после этого, несмотря на исключительно интересные возможности использования таких чипов, навряд ли в ближайшем будущем молекулярные ЭВМ станут основой вычислительной техники (см, гл, 5),
        Мне кажется, что сегодняшняя ситуация в нанотехнологии в общем аналогична многолетнему состоянию дел в области молекулярной электроники, когда, исходя из отдельных удивительных достижений, в основе которых лежат новые принципы, возникло желание немедленно использовать эти достижения на практике, Но при этом не учитывались очевидные, но почему-то часто забываемые факторы, И прежде всего то, что смена технологических формаций неминуемо сопровождается не только научными прорывами и изменением техники и технологии промышленного производства, она вызывает существенные сдвиги в психологии общества, требует разумной организации как исследований, так и производства, создания принципиально новой инфраструктуры, необходимости переобучения (изменения психологии) исследователей и инженеров, создающих и эксплуатирующих новую технику, И главное — решения фундаментальной проблемы: где и как принципиально новые устройства могут экономически выгодно использоваться,
        Поэтому для полноты изложения было естественным сохранить в этой книге связь аспектов, относящихся к структуре наноразмерных объектов, с общими проблемами развития современной нанотехнологии,

ГЛАВА

1



            МИНИАТЮРИЗАЦИЯ
            В ОКРУЖАЮЩЕМ НАС МИРЕ








                                            Государь посмотрел и видит: точно, лежит на серебряном подносе самая крошечная соринка.
                                            Работники говорят:
                                            — Извольте пальчик послюнить и ее на ладошку взять.
                                            — На что же мне эта соринка?
                                            — Это, — отвечают, — не соринка, а ним-фозория.
                                            — Живая она?
                                            — Никак нет, — отвечают, — не живая, а из чистой из аглицкой стали в изображении блохи нами выкована, и в середине в ней завод и пружина. Извольте ключиком повернуть: она сейчас начнет дансе танцевать.

Н.С. Лесков «Сказ о тульском косом
Левше и о стальной блохе»





    1.1. ИСТОРИЧЕСКИЕ И ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ КОРНИ

             Начиная со стародавних времен казалась совершенно естественной сама идея миниатюризации, т. е. существования или же создания объектов с размерами намного меньшими, чем привычные для человека, и тем не менее, выполняющих присущие их макроаналогам функции. Это проявлялось как в народных поверьях о разнообразных миниатюрных существах — эльфах, гномах, соседствующих с человеком, так и литературе.
      Так, более трехсот лет назад великий фантаст Джонатан Свифт подробно описал государство лилипутов. Размеры его жителей были в десятки раз меньше средних человеческих, но устройство и законы общества мало отличались от господствующих в то время в Англии. Свифт блестяще использовал выдуманную им модель как сатирик. И именно в этом, в сущности, проявилась одна из основных целей использованного им нанотехнологического, как мы его понимаем сегодня, подхода — его практическая значимость.

¹⁰ -V

Глава 1. Миниатюризация в окружающем нас мире

       В середине XIX в. известным русским писателем Николаем Семеновичем Лесковым была написана повесть «Сказ о тульском косом Левше и о стальной блохе». В ней рассказывалось о том, как Государь Император Александр Павлович, путешествуя после Венского Конгресса, получил в Англии в подарок «нинфузорию» — стальную блоху. Она была видна только в «мелкоскоп» и, когда заведут, шевелила усиками и танцевала. По возвращении императора в Россию это чудо для назидания было показано тульским кузнецам. Их мастер Левша не только не удивился, но и пообещал блоху модернизировать. В результате блоха усиками продолжала шевелить, но танцевать перестала. Разгневанному императору Левша объяснил, что блоху они подковали. На каждой подковке было выбито имя делавшего ее кузнеца, а сам Левша изготовил гвоздики, которыми эти подковки прибивались.
       Занимательная история, рассказанная Лесковым, неоднократно повторялась в реальной жизни. Нередко можно услышать о своеобразных людях, которые увлекаются созданием микроминиатюрных копий различных предметов. Один из них — живущий в наше время в Ереване, Эдуард Авакович Тер-Казарян. Музыкант и скрипичных дел мастер по профессии Тер-Казарян широко известен своими микроминиатюрными копиями. Среди них караван верблюдов в ушке иглы, копия «Моны Лизы» на срезе зерна, которая экспонируется в Лувре, самая маленькая в мире скрипка длиной около 7 мм, занесенная в книгу рекордов Гиннесса. Это увлечение Эдуарда Тер-Казаряна унаследовал один из его сыновей Владимир Казарян, который живет в Украине. За 25 лет он создал более 300 микроминиатюрных копий. Одна из широко известных среди них — копия Статуи Свободы (США) в17 млн раз меньше оригинала.
       Ближе, чем Н.С. Лесков, к нашим дням в 1963—1964 гг. польский писатель Станислав Лем опубликовал фантастический роман «Непобедимый». В нем он сконструировал странную механистическую цивилизацию, обитающую на далекой планете — сложную систему, построенную из громадного числа микроскопических частиц. В каждой из них помещался простейший сенсор, логическое устройство, устройство связи с другими частицами и микроскопический движитель для свободного перемещения. Логические возможности, минимальные для отдельной частицы, резко возрастали при их объединении. Объединенный конгломерат, туча, как его называет Лем, представлял собой распределенную самоорганизующуюся систему с децентрализованным управлением. Оно осуществляется объединенным интеллектом системы, уровень которого определяется ее размером. В романе частицы системы изначально находятся в россыпи на поверхности планеты. Если появляется посторонний объект, вызывающий тревогу, в воздух поднимаются несколько ближайших частиц. Обнаруженная ими угроза, приводит, по мере оценки ее степени, к присоединению к первоначальным частицам все большего их числа. Это увеличивает как возникающий интеллект системы, так и ее оперативные возможности. Сенсоры частиц реагируют на биологические белковые объекты. И основная цель популяции частиц заключается в борьбе за существование с биологическими формами жизни. Эта популяция подавляет биоформы, окружая их тучей частиц и стирая их память направленным электромагнитным воздействием.