Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства

     Наноустройства

     Нанотрубки могут составлять основу новых конструкций плоских акустических систем и плоских дисплеев, то есть привычных макроскопических приборов. Из наноматериалов могут быть созданы определенные наноустройства, например нано-двигатели, наноманипуляторы, молекулярные насосы, высокоплотная память, элементы механизмов нанороботов. Кратко остановимся на моделях некоторых наноустройств.

     Молекулярные шестерни и насосы . Модели наноустройств предложены К.Е. Drexler и R. Merkle из IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto) [31, 32]. Валами шестеренок в коробке передач являются углеродные нанотрубки, а зубцами служат молекулы бензола. Характерные частоты вращения шестеренок составляют несколько десятков гигагерц. Устройства "работают" либо в глубоком вакууме, либо в инертной среде при комнатной температуре. Инертные газы используются для "охлаждения" устройства.

     Алмазная память для компьютеров. Модель высокоплотной памяти разработана Ch. Bauschlicher и R. Merkle из NASA [33]. Схема устройства проста и состоит из зонда и алмазной поверхности. Зонд представляет собой углеродную нанотрубку (9, О) или (5, 5), заканчивающуюся полусферой С₆₀, к которой кpeпится молекула C₅H₅N. Алмазная поверхность покрывается монослоем атомов водорода. Некоторые атомы водорода замещаются атомами фтора. При сканировании зонда вдоль алмазной поверхности, покрытой монослоем адсорбата, молекулу C₅H₅ N, согласно квантовым моделям, способна отличить адсорбированный атом фтора от адсорбированного атома водорода. Поскольку на одном квадратном сантиметре поверхности помещается около 1015 атомов, то плотность записи может достигать 100 терабайт на квадратный сантиметр.

     Приведенные выше примеры результатов лабораторного эксперимента и моделей наноустройств являются новым вызовом теории, вычислительной физике, химии и математике. Требуется осмысление "увиденного" и "полученного". Требуется выработка интуиции для работы в нанометровом диапазоне размеров. В очередной раз слышна реплика Фауста Вагнеру [34]:

     "Что значит понимать?

     Вот, друг мой, в чем вопрос.

     На этот счет у нас не все в порядке".

     Новые разделы вычислительной физики и вычислительной химии

     Более пятидесяти лет назад атомная и термоядерная Ц проблемы, проблемы создания новых летательных аппаратов и освоения околоземного пространства в очередной раз поставили фаустовский вопрос о новом уровне понимания физических и химических явлений. Успешная работа над этими проблемами привела к возникновению и развитию

     1) вычислительной физики, в частности таких ее направлений, как

     магнитная и радиационная гидро- и аэродинамика,

     механика полета космических аппаратов,

     теория плазмы и управляемого термоядерного синтеза;

     2) вычислительной химии с такими разделами, как

     теория уравнения состояния вещества,

     молекулярная динамика,

     теория химических процессов и аппаратов;

     3) вычислительной математики и информатики с такими направлениями, как

     численные методы математической физики,

     теория автоматов,

     оптимальное управление,

     распознавание образов,

     экспертные системы,

     автоматическое проектирование.

     Современные возможности лабораторного эксперимента по наблюдению и изучению явлений в нанометровой шкале пространственных размеров и заманчивые перспективы создания уникальных материалов и наноустройств порождают новые теоретические проблемы.

     Хотелось бы понять, что на самом деле "наблюдается" при сканирующей туннельной микроскопии?

     Что нового можно потенциально наблюдать и что нового можно потенциально получать в наносистемах? И при каких условиях?

     Как управлять отдельными атомами и группами атомов и молекул для достижения определенных целей? Каковы границы этого управления?

     Как организовать самосборку наноустройств и уникальных "бездефектных" материалов?

     До какой степени макроокружение "стесняет" квантовые состояния наносистемы?

     Необходимость конструктивного решения этих проблем ведет к интенсивным исследованиям, формирующим новые разделы в вычислительной физике и вычислительной химии. Выделим такие разделы в метрологии, механике, электродинамике, оптике, теории самоорганизации. В каждом из этих разделов обозначим несколько проблем.

     Метрология

     1. Создание компьютерных моделей систем "прибор-нанообъект" и их калибровка.

     2. Автоматизация нанометровых измерений и создание банков данных.

     Механика

     1. Исследование механических напряжений и деформаций в наноматериалах и нанообъектах, анализ трения.

     2. Моделирование движений зонда при целевом манипулировании нанообъектом.

     3. Моделирование движений в наномеханизмах для наноустройств, расчет наноманипуляторов.

     4. Разработка систем управления нанороботами.

     Электродинамика

     1. Моделирование динамики атомов и молекул в предельно неоднородных электромагнитных полях, создаваемых многоострийными системами. 
2. Расчет электрических и магнитных свойств наноматериалов.

     Оптика

     1. Моделирование механизмов излучения, распространения и поглощения света в нанообъектах. 
2. Расчет нанолазеров и гибридных систем "зонды + нанолазер".

     Теория самоорганизации

     1. Формулировка фундаментальных принципов самосборки наноконструкций.

     2. Создание компьютерных алгоритмов самосборки.

     3. Разработка вычислительных алгоритмов для качественного анализа моделей самосборки.

     4. Моделирование явлений пространственно-временной самоорганизации при создании наноматериалов.

     Молекулярно-лучевая эпитаксия и нанолитография

     1. Создание тонких металлических пленок, служащих основой высококачественных магнитных материалов.

     2. Конструирование базовых элементов наноэлектроники.

     3. Создание катализаторов для селективного катализа.

     Хотелось бы еще раз подчеркнуть необходимость соблюдения строгого баланса между лабораторным экспериментом, теорией и математическим моделированием [35]. Порой можно услышать высказывания о том, что прецизионный эксперимент в настоящее время очень дорог и его можно заменить более дешевым математическим моделированием. Существует и противоположная позиция, при которой принижается роль математических методов исследования. Простейшие примеры нетривиальных явлений в нанометровом диапазоне пространственных размеров демонстрируют полную несостоятельность радикальных позиций.

     Явления пространственно-временной самоорганизации на поверхности монокристаллов металлов

     Рассмотрим, с первого взгляда простейшую, но, как окажется, нетривиальную задачу. Предположим, что мы хотели бы вырастить высококачественную, однородную металлическую пленку, например пленку платины. Для этого следует взять плотно упакованную и пространственно однородную грань монокристалла в качестве подложки и напылить на нее слой атомов из кнудсеновской ячейки в условиях глубокого вакуума. Атомы вылетают из ячейки, адсорбируются на однородной поверхности, мигрируют вдоль нее и образуют новый слой. Как только первый слой сформировался, на нем образуется следующий слой, и так далее. Процесс определяется всего двумя внешними управляющими макропараметрами - температурой поверхности и потоком атомов к поверхности. Надо выбрать лишь температуру и скорость подачи атомов таким образом, чтобы за характерное время подачи нового атома атом, мигрирующий по поверхности, успел встроиться в растущий слой. Кажется, нет ничего проще, чем моделировать рост пленки в рамках моделей классической математической физики. Нужно описать лишь один процесс: поверхностную диффузию приходящих частиц. Для этого можно воспользоваться уравнением диффузии с постоянным источником в двухмерной пространственной области, дополнить его соответствующим граничным условием, например однородным граничным условием второго рода, и провести расчеты. Очевидно, что при достаточно быстрой миграции, независимо от начальных условий, с достаточно высокой точностью получится пространственно однородное решение, монотонно возрастающее по времени. Однако такое моделирование вовсе не описывает процесс роста нового слоя и его пространственную структуру.

     Эксперимент, выполненный с помощью сканирующего туннельного микроскопа с гомосистемой Pt/Pt(111)⁵ , показывает [36] (рис. 9), что адсорбированные атомы платины мигрируют по поверхности грани (111) монокристалла платины, не подчиняясь закону Фика. Они образуют острова нового слоя с различной пространственной структурой в зависимости от значений температуры поверхности и скорости подачи атомов. Это могут быть рыхлые острова фрактальной структуры с фрактальной

     

     Рис.9. Pt/Pt (111)

     

     Рис. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co₂Re; с - Co₃ Re

     размерностью 1.78 (рис. 9a), либо компактные острова с платоновыми формами в виде правильных треугольников (рис. 9b, 9d) и шестиугольников (рис. 9с), причем одинаково ориентированных относительно кристаллографических осей. Так, при температуре 400 К вершины треугольников смотрят "вниз" (рис. 9Ь). При температуре 455 К растущие острова принимают форму правильных шестиугольников (рис. 9с). При более высокой температуре снова образуется правильная треугольная форма островов, но на этот раз их вершины смотрят "вверх" (рис. 9d). Форма и ориентация треугольных островов являются устойчивыми. Дальнейшая подача атомов приводит к режиму трехмерного роста, в результате которого растущий слой всегда не однороден и имеет пирамидальную трехмерную структуру.

     В связи с особенностями роста возникают, по крайней мере, два фундаментальных вопроса.

     Как теоретически описать нетривиальное динамическое поведение простейшей системы?

     Каковы способы управления системой для обеспечения послойного роста и получения высококачественного пространственно однородного слоя?

     Аналогичные вопросы возникают и в гетеросистемах, когда на поверхности одного металла выращивают пленку другого металла. Так, в случае выращивания пленки серебра на платине можно наблюдать острова фрактальной и дендритной структур, острова в виде трехлучевой звезды фирмы "Мерседес" и другие явления пространственно-временной самоорганизации, сопровождающие неравномерный трехмерный рост тонкой пленки металла [37-39]. В случае роста пленки кобальта на однородной грани (0001) монокристалла рения образуются поверхностные сплавы с различной стехиометрией и соответственно пространственной структурой: CoRe (рис. 10a), Co₂Re (рис. 10Ь), Co₃ Re (рис. 10с) и нетривиальной поверхностной структурой [40]. На иллюстрациях, представленных на рис. 10, видно, что крупные круги (атомы рения) окружены различным числом маленьких кругов (атомы кобальта). Эти сплавы имеют интересные магнитные свойства.

     Нельзя не остановиться еще на одном парадоксальном явлении - аномально высокой подвижности больших компактных кластеров. Вслед за авторами замечательной экспериментальной работы [41] рассмотрим компактный кластер правильной формы, состоящий из "магического" числа атомов иридия N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, ... , напримерN = 19, на поверхности плотно упакованной грани (111) иридия. Казалось бы, подвижность кластера, содержащего два десятка атомов, как целого, должна быть на много порядков меньше подвижности одиночного атома, так как миграция атомов представляется случайным процессом. В эксперименте установлено, что скорость миграции "правильных" кластеров сравнима со скоростью миграции одиночного атома! Это следствие коллективного движения атомов кластера требует детального теоретического описания и математического моделирования. Результаты такого анализа представляют значительный интерес при вычислении предэкспонент и эффективных энергий активации миграции для динамического метода Монте-Карло и для кинетических уравнений неидеального слоя. Зная реальные скорости миграции, можно правильно оценить время жизни наномеровых конструкций.

     Нет надобности убеждать читателя в том, что перечисленные результаты лабораторного эксперимента демонстрируют необходимость развития классических моделей математической физики. При исследовании нанообъектов там, где это требуется, следует отказаться от идеи непрерывной среды, лежащей в основе подавляющего большинства моделей математической физики. Моделирование по инерции, без учета результатов лабораторного эксперимента, приводит к абсолютно неверным результатам. Так же очевидна потребность в новом современном курсе математической физики, учитывающем особенности нанообъектов. В этом курсе, в частности, следовало бы уделить внимание