Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

Фуллерити. Молекули С60 можуть створювати кристал з гранецентрованою кубічною граткою що має назву фуллерит.

Твердість фулеритів порівняна з твердістю алмазу: 6-16 тисяч кгс/мм², а у фулеритів ультратвердої модифікації значно вище за неї: 16-30 тисяч кгс/мм². Модуль всебічного стиску фулеритів доходить до 1300 ГПа, істотно перевищуючи цю характеристику алмазу (445 ГПа). Одночасно було виявлено, що швидкість подовжніх акустичних хвиль у фулеритів надзвичайно висока: 19,5-22,3 км/с при відносно невеликій швидкості поперечних хвиль — 7-8,5 км/с (ці значення зазвичай розрізняються не більше ніж удвічі).

Кристал фулериту має густину 1,7...2 г/см3, що значно менше від густини графіту (2,3 г/см³) і тим більше алмазу (3,5 г/см³).

Фулерит не відрізняється високою хімічною активністю. Молекула C60 зберігає стабільність в інертній атмосфері аргону до температур близько 1200 К. Однак у присутності кисню вже при 500 К спостерігається значне окислення з утворенням CO і CO2.

Фулерити достатньо легко розчиняються в неполярних розчинниках. Найвідоміші розчинники утворюють наступний ряд у порядку зменшення розчинності фулеритів: сірковуглець (CS2), толуол (C7H8), бензол (C6H6), тетрахлорметан (CCl4), декан (C10H22), гексан (C6H14), пентан (C5H12).

Твердий фулерит є напівпровідником з шириною забороненої зони 1,5 еВ.

Вуглецеві нанотрубки. З вуглецю можна отримати молекули з гігантським числом атомів. Така молекула, наприклад С1000000, може являти собою одношарову трубку з діаметром близько нанометра і довжиною в кілька десятків мікрон.

Мал. 2.2 Структура нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки дуже міцні як на розтяг, так і на згинання – модуль пружності вздовж осі трубки становить 7000 ГПа, тоді як для легованої сталі і найпружнішого металу ітрію відповідно 200 і 520 ГПа.

Адсорбція газів нанотрубками може відбуватися на зовнішніх і внутрішніх поверхнях, а також у міжтрубному просторі. Так, експериментальне вивчення адсорбції азоту при температурі 77 К на багатошарових трубках із мезопорами завширшки 4,0±0,8 нм показало, що на внутрішній поверхні адсорбується у 5 разів більше частинок, ніж на зовнішній, а ізотерми цих процесів мають різний вигляд. Адсорбція у мезопорах загалом відбувається за класичною теорією капілярної конденсації, а обчислений діаметр пор дорівнює 4,5 нм. Певна специфічність процесу пов’язана із тим, що трубки відкриті тільки з одного кінця. Зростки одношарових нанотрубок добре адсорбують азот. Вихідні очищені трубки мали внутрішню питому поверхню 233 м²/г, зовнішню – 143 м²/г. Обробка нанотрубок соляною та азотною кислотами збільшувала сумарну питому поверхню і збільшувала адсорбційну ємність за бензолом та метанолом. Електропровідність вуглецевих нанотрубок є ключовим параметром цих об’єктів, від неї залежить їх подальше використання з метою мініатюризації приладів мікроелектроніки. Як показують результати чотириконтактних вимірювань температурних залежностей питомого опору плівки нанотрубок, виконаних в діапазоні температур 0,03 < Т < 300 К, величина опору, виміряного у напрямку, що збігається з напрямком орієнтації нанотурбок Rпар, знаходиться у діапазоні від 1 до 0,08 Ом. При цьому характер температурної залежності опору наближений до залежності Т1/2. Аналогічною функцією описується температурна залежність опору Rпар, що вимірюється у поперечному напрямку. Анізотропія опору Rперп/Rпар наближена до 8 і практично не залежить від температури. При температурах нижче 0,1 К обидві залежності виходять на насичення.

Одна з помітних властивостей нанотрубок – чітко виражена залежність електропровідності від магнітного поля. При цьому у більшості дослідів спостерігається ріст провідності із збільшенням магнітного поля, що відповідає результатам модельних передбачень, згідно з якими магнітне поле, лінії якого орієнтуються перпендикулярно до осі зразка, призводить до утворення рівня Ландау у точці перетину валентної зони та зони провідності. Щільність станів на рівні Фермі зростає, внаслідок чого провідність збільшується. У рамках даної моделі передбачається, що за низьких температур магнітоопір не залежить від температури, а за температур, що більші або наближені до ширини рівня Ландау, він зменшується із температурою. Ця залежність корелює із результатами вимірювань електричного опору джгутів багатошарових трубок діаметром близько 50 нм. Прояв властивостей напівпровідника або металу в Н.в. також залежить від їх геометричних параметрів і виду каталізатора.

Нанокластери і нанокластерні структури. Крім атомів металів і напівпровідників наночастинки можуть складатися з атомів благородних газів, таких як криптон і ксенон, і з молекул, наприклад, води. Кластери ксенона отримуються адіабатичним розширенням надзвукового струменя газу через тонкий капіляр в вакуум. Потім газ збирається в мас-спектрометр, де після іонізації електронним пучком вимірюється відношення заряда до маси частинок. Найбільш стабільні кластери іона складаються з 13, 19, 25, 55,71,87, та 147 атомів. Для кластера аргону характерний такий самий набір магічних чисел Деякі молекули можуть утворювати кластери. Для отримання кластерів вуглецю може бути використано лазерне випаровування вуглецевої підкладки в потоці гелію за допомогою певної  установки. Пучок електронейтральних кластерів фотоіонізується ультрафіолетовим лазером і анелізується мас-спектрометром. На мал.2.3 показаний типовий мас-спектр, отриманий в схожому експерименті. При кількості атомів N менше 30

Мал.2.3 Мас-спектр кластерів вуглеця

утворюються кластери з усіма значеннями N, хоча деякі максимуми чіткіші за інших. Визначення структури малих кластерів методом молекулярних орбіталей показують, що такі кластери мають лінійну чи замкнуту неплоску моноциклічну геометрію (мал 2.4)

Мал. 2.4 Деякі приклади структур малих вуглецевих кластерів

Для кластера менше 100 атомів енергія іонізації, тобто, енергія потрібна для видалення з кластера одного електрона, відрізняється від роботи виходу. Роботою виходу називається енергія, необхідна для видалення електрона з об’ємної речовини. Температура плавлення кластерів золота стає такою ж, як і у об’ємного золота, при розмірах кластера понад 1000 атомів. На мал. 2.5 зображена залежність температури плавлення наночастинок золота в залежності від їх діаметра.[Ч. Пул,Ф. Оуенс]

До перспективних об’єктів ультрадисперсного  наностану, відносять різні види нанокераміки, а також кераміки, модифікованої нанодобавками; напівпровідникові наноматеріали; квантові точки, наноскорини, нанонитки, надгратки; островкові плівки та деякі інші.

2.2. Застосування  наноматеріалів – сучасний стан

Здійснюючи аналіз сучасного стану можна виділити ряд важливих напрямків розвитку:

• Молекулярний дизайн (препарування наявних молекул і синтез нових молекул в сильно неоднорідних електромагнітних полях.
• Матеріалознавство. Створення "бездефектних" високоміцних матеріалів, матеріалів з високою провідністю.
• Приладобудування. Створення скануючих тунельних мікроскопів, атомно-силових мікроскопів, магнітних силових мікроскопів, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів.
• Електроніка. Конструювання нанометрової елементної бази для ЕОМ наступного покоління, нанопроводів, транзисторів, випрямлячів, дисплеїв, акустичних систем.
• Оптика. Створення нанолазерів.
• Гетерогенний каталіз. Розробка каталізаторів з наноструктурами для класів реакцій селективного каталізу.
• Медицина. Проектування наноінструментарія для знищення вірусів, локального "ремонту" органів, високоточної доставки доз ліків у певні місця живого організму.
• Трибология. Визначення зв'язку наноструктури матеріалів і сил тертя і використання цих знань для виготовлення перспективних пар тертя.
• Керовані ядерні реакції. Наноприскорювачі частинок, нестатистичні ядерні реакції.

Виділимо головні особливості нових наноматеріалів:

Надміцність. Зв'язки між атомами вуглецю в графітовому аркуші є найсильнішими серед відомих, тому бездефектні вуглецеві трубки на два порядки міцніше сталі і приблизно в чотири рази легше її! Одна з найважливіших задач технології в області нових вуглецевих матеріалів полягає у створенні нанотрубок "нескінченної" довжини. З таких трубок можна виготовляти легкі композитні матеріали граничної міцності для потреб техніки нового століття. Це силові елементи мостів і будівель, несучі конструкції компактних літальних апаратів, елементи турбін, силові блоки двигунів з гранично малим питомим споживанням палива і т.п. В даний час навчилися виготовляти трубки довжиною в десятки мікрон при діаметрі близько одного нанометра [].

Висока провідність матеріалів. Відомо, що в кристалічному графіті провідність вздовж площини шару найвища серед відомих матеріалів і, навпаки, у напрямку, перпендикулярному листу, мала. Тому очікується, що електричні кабелі, зроблені з нанотрубок, при кімнатній температурі будуть мати електропровідність на два порядки вище, ніж мідні кабелі. Справа за технологією, що дозволяє виробляти трубки достатньої довжини і в достатній кількості.

До безлічі нанооб'єктів відносяться дуже малі частинки, що складаються з десятків, сотень або тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально відрізняються від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів того ж складу. З нанокластерів, як з великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали з наперед заданими властивостями і використовувати їх в каталітичних реакціях, для розділення газових сумішей і зберігання газів.

Великий інтерес представляють магнітні кластери, які складаються з атомів перехідних металів, лантіноідов, актиноїдів. Ці кластери мають власним магнітним моментом, що дозволяє управляти їх властивостями за допомогою зовнішнього магнітного поля.

 Нанотрубки можуть  становити основу нових конструкцій  плоских акустичних систем і  плоских дисплеїв, тобто звичних  макроскопічних приладів. З наноматеріалів можуть бути створені певні нанопристрої, наприклад нано-двигуни, наноманіпулятора, молекулярні насоси, високощільна пам'ять, елементи механізмів нанороботів.

Молекулярні шестерні і насоси. Валами шестерень в коробці передач є вуглецеві нанотрубки, а зубцями служать молекули бензолу. Характерні частоти обертання шестерень становлять кілька десятків ГГц. Пристрої "працюють" або в глибокому вакуумі, або в інертному середовищі при кімнатній температурі. Інертні гази використовуються для "охолодження" пристрою.

Алмазна пам'ять для комп'ютерів. Схема пристрою проста і складається з зонда і алмазної поверхні. Зонд являє собою вуглецеву нанотрубку, що закінчується півсферою С60, до якої прикріплена молекула C5H5N. Алмазна поверхня покривається моно-шаром атомів водню. Деякі атоми водню заміщаються атомами фтору. При скануванні зонда уздовж алмазної поверхні, покритої моно-шаром адсорбату, молекула C5H5N, згідно квантовим моделям, здатна відрізнити адсорбований атом фтору від адсорбованого атома водню. Оскільки на одному квадратному сантиметрі поверхні поміщається близько 1015 атомів, то щільність запису може досягати 100 терабайт на квадратний сантиметр.

Дискретні прилади – транзистори, лазери, світлодіоди, фотоприймачі та ін, використовують найширший спектр різноманітних напівпровідників, що дозволяє досягати рекордів у відповідних сферах застосування, але одночасно виключає можливість інтеграції – значимість дискретних приладів непорівнянна із значущістю мікроелектроніки. Характерний приклад, зворотний мікроелектроніці – інтегральна оптика.

В світі поступово зростає інтерес до полімерних наночастинок та нанокомпозитів. Щорічно проводяться міжнародні виставки, симпозіуми, конгреси та конференції, присвячені питанням наноструктурних полімерних матеріалів. Так, якщо в 2001 році в США і Канаді відбулися дві перші міжнародні конференції по полімерних нанокомпозитах, а в 2002 році різним аспектам даної проблеми було присвячено більш як 10 форумів, то в 2003 році світова наукова спільнота провела більш ніж 20 міжнародних зустрічей з даної тематики.

. 
2.3. Перспективи розвитку та застосування нанотехнологій

В сучасному житті нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

• створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;
• конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;
• збирання нанороботів — систем, що само розмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.

У ході історії люди завжди тільки тим і займалися, що намагалися впорядковувати атоми з метою отримання структур із заданими властивостями. Весь розвиток техніки, по суті, зводиться до постійного зменшення часток речовини, з якими можна працювати. Первісні люди обтісували камені, відколюючи шматочки, що містять нескінченне число атомів. Пізніше з'явилися більш тонкі інструменти, що дозволяли оперувати значно меншою кількістю атомів, але рахунок все одно йшов на квадрильйона. У двадцятому столітті освоїли технології створення тонких плівок. Напилюванні шари складалися з декількох молекул.

Ідеальний варіант - маніпулювання окремими атомами. Розташувавши їх певним чином, можна було б створювати структури з будь-якими заданими властивостями. На сьогоднішній день таке завдання не ставиться до області фантастики. Вже приблизно двадцять років, як хіміки навчилися збирати структури по атомно. Спочатку така операція представлялася проблематичною, але, розуміючи всі значення нової галузі науки, вчені знайшли різні методи її виконання. Це нанотехнології - принципово нові технології, по суті, переддень чергової інтелектуальної революції. Елементарної структурною одиницею, з якою вони працюють, є окремі атоми, що мають розміри близько десятих часток нанометра, - звідси і їх назва. Але як можна оперувати окремими атомами? Відповіддю на це запитання є ми самі. Адже всередині кожного з нас - велика кількість різноманітних білків, ферментів і гормонів, а займаються вони саме тим, що вибірково розбирають або збирають ті чи інші молекули. Відмінність від нанотехнологій, звичайно, є: перелічені хімічні сполуки оперують групами атомів, і для роботи з окремими атомами не пристосовані.