Карта сайта

Это автоматически сохраненная страница от 16.12.2013. Оригинал был здесь: http://2ch.hk/b/res/59039693.html
Сайт a2ch.ru не связан с авторами и содержимым страницы
жалоба / abuse: admin@a2ch.ru

Пнд 16 Дек 2013 03:55:54
что делать, роднач
сап, двач
ну я даже не знаю зачем я все это пишу тут
вот моя кулстори: я живу в петербурге, понаехала сюда полтора года назад, снимаю комнату в комуналке, и вот в соседней комнате живет парнишка, который постоянно борогозит, а в последнее время вообще жестко начал вести себя, сегодня даже ударил меня... он тоже снимает соседнюю комнату... короче я прошу его съехать с этой хаты, а он в агрессивной форме отказывается
как его заставить съехать? как быть? я тян, довольно беззащитная. не хиккка, но обратиться не к кому
пикча - один из поводов, почему не хочу съезжать с этой хаты - люблю центр спб


Пнд 16 Дек 2013 04:01:39
Уебывай откуда понаехала шлюха, тебе здесь не рады.

Пнд 16 Дек 2013 04:01:42
>>59039693
Постепенно найти себе лампокуна, да такого, чтоб мог навещать пиздов тому господину, как вариант, не?

Пнд 16 Дек 2013 04:03:03
Провоцируй
@
Получай люлей
@
Снимай побои
@
Гроб, гроб, суд, зона.

Ничего лучше не могу посоветовать.

Пнд 16 Дек 2013 04:04:13
Отсоси ему, шлюха. Он же этого хочет.

Пнд 16 Дек 2013 04:04:42
Просто так он тебя врядли ударил бы, так что ищи проблему в себе.

Пнд 16 Дек 2013 04:04:57
>>59039693
Сдай его в мусорник.
Ты как вчера родилась.

Пнд 16 Дек 2013 04:05:20
>>59039693
Поговори с хозяевами, если бесполезно - съезжай в другую коммуналку. Я тоже живу в коммуналке в центре, одна комната тоже сдается. Алкаш-сосед есть, но он барагозит только на свою жену.

Пнд 16 Дек 2013 04:05:24
Шлюхи должны страдать. Желаю, чтобы он тебя избил до полусмерти и анально изнасиловал. :3

Пнд 16 Дек 2013 04:06:17
>>59039973
Удваиваю сударя.

Пнд 16 Дек 2013 04:06:51
>>59039693
Давай пили пруфы и контакты. Завтра зайду, разъебу его нахуй.
боксер-кун

Пнд 16 Дек 2013 04:07:30
>>59039693
Кстати, да: а почему не однокомнатная?
Или в Питере очень большие проблемы с жильем в центре?

Пнд 16 Дек 2013 04:07:31
>>59039878
ну блин, пока я буду искать куна, он либо доведет меня до дурки, либо убьет, надо варианты подинамичнее найти

Пнд 16 Дек 2013 04:09:22
>>59040044
Если не будешь нажимать шифт в нужных местах— завайпаю.

Пнд 16 Дек 2013 04:10:21
>>59040043
жилье в центре в спб = старый фонд = в основном многокомнатные квартиры
>>59040005 >>59039973
сегодня, когда он поднял на меня руку уже было 2ночи, мне не захотелось будить соседей, ведь им завтра на работу
>>59040028
ты серьезно?

Пнд 16 Дек 2013 04:10:33
>>59040088
атятя, какие мы страшные

Пнд 16 Дек 2013 04:11:17
>>59040088
Извини. Я просто немного спать хочу, поэтому ленюсь. Лучей добра тебе, энивей.

Пнд 16 Дек 2013 04:11:27
>>59039693
Ты знаешь правила

Пнд 16 Дек 2013 04:11:47
>>59040125
Нет. Иди нахуй.

Пнд 16 Дек 2013 04:12:14
Ой, пиздец, шлюху ударили, какое горе!
Радуйся, что он тебя вообще не прирезал, тварина.

Пнд 16 Дек 2013 04:12:40
>>59040187
И тебе добра.

Пнд 16 Дек 2013 04:13:27
>>59040125
>ты серьезно?
Вполне. Работаю в центре, мне не сложно забежать после работы и набить ебальник быдлу.

Пнд 16 Дек 2013 04:13:43
>>59039693
Кстати, откуда ты приехала с таким пластилиновым характером?

Пнд 16 Дек 2013 04:14:25
>>59040210
>боксер
>быдлу
Ну хуй знает.

Пнд 16 Дек 2013 04:14:33
>>59040193
Ага, чтоб тебе голову отрезали и в кислоте растворили, ничтожество. :3

Пнд 16 Дек 2013 04:14:37
>>59039693
Впиши нас на неделю, он сам убежит

Пнд 16 Дек 2013 04:15:29
>>59039973
Нульчую адеквата

Пнд 16 Дек 2013 04:16:21
>>59040247
Что, простите?

Пнд 16 Дек 2013 04:16:23
>>59039693 Постой, вознесенский 18? Я там жил у друзей как то

Пнд 16 Дек 2013 04:16:44
>>59039693
Ну хочешь я приду в гости и мы решим эту проблему, поблизости живу.

Пнд 16 Дек 2013 04:17:31
>>59040210
Может сначала стоит просто словом на него повлиять? Насилие порождает насилие, все дела... В любом случае асикью 380 722 352

Пнд 16 Дек 2013 04:17:47
Тян, где сиськи?

Идиоты продолжают постить без саги.

Пнд 16 Дек 2013 04:18:47
>>59040223 из Тольятти, там делают машины и добрых людей с пластилиновым характером

Пнд 16 Дек 2013 04:19:19
>>59040328
>асикью
>2014

Пнд 16 Дек 2013 04:19:34
>>59040294
Ты с домом промахнулся малость.

Пнд 16 Дек 2013 04:21:24
>>59040257
Слушай, дружище, тогда и я съеду с таким раскладом. Тут и так в этой кв довольно много народу живет.

Пнд 16 Дек 2013 04:21:34
Я тебе написал, что ты можешь сделать. Если ты просто внимание-блядь, то иди на хуй.
>>59039986

Пнд 16 Дек 2013 04:22:07
>>59040384
Скоро приеду обратно в ДС2 из Екб, впишешь меня на 2 недели? Заодно и проблему твою решим.

Пнд 16 Дек 2013 04:23:42
>>59039986
Расскажи поподробнее. Что за комната, которая сдается? Какие там условия? Что по цене? Можно ли там жить с кошкой?
Близость к метро? И какому?

Пнд 16 Дек 2013 04:23:54
Тян-хуян, где сиськи с супом?

Пнд 16 Дек 2013 04:24:39
>>59040294
>вознесенский
Бля, это в паре минут от меня лол.

Пнд 16 Дек 2013 04:24:40
Он правильно сделал, вангую ты его заебываешь, все тян шлюхи и не нужны

Пнд 16 Дек 2013 04:25:15
>>59040430
Я звонила хозяйке сегодня днем, тогда он еще не распускал руки. Завтра позвоню ей, сообщу новости.

Пнд 16 Дек 2013 04:26:22
>>59040512
Ну Вознесенский проспект довольно большой.

Пнд 16 Дек 2013 04:27:03
>>59040491
Там уже есть жилец. По цене не в курсе, вроде штук 20. С кошкой вряд ли, другие соседи кошку свою сплавили из-за алергии ребенка. От метро близко - минут 5, даже меньше.

Пнд 16 Дек 2013 04:27:46
>>59040496
правила нужны были тогда, когда на двоще сидел мало тян, сейчас же соотношение и аудитория примерно как в контакте лол => в правилах теперь нет смысла

Пнд 16 Дек 2013 04:28:44
>>59040602
>сидело

Пнд 16 Дек 2013 04:29:03
>>59040563
Ну да вообще, но вот с началом Вознесенского близко живу очень.

Пнд 16 Дек 2013 04:29:29
>>59040583
Ну вот видишь. У твоей комнаты ценник почти как у однушки, я же сейчас плачу десятку+свет, и тут можно жить с кошкой, а без нее я не буду жить - я за нее в ответе.

Пнд 16 Дек 2013 04:29:44
>>59040642
>>59040633
>>59040602
>>59040583
>>59040563
>>59040530
>>59040513
>>59040512
Д
Д
о
о
р
р
о
о
г
г
и
и
е
е
д
д
р
р
у
у
з
з
ь
ь
я
я
!
!
Вы держите в руках уникальную книгу, посвященную пос
ледним достижениям современной науки и техники.
Нанотехнология высокотехнологичная отрасль, направ
ленная на изучение и работу с атомами и молекулами. Разра
ботки в этой области ведут к революционным успехам в меди
цине, электронике, машиностроении и создании искусствен
ного интеллекта. Если 10 лет назад единицы людей представля
ли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам
экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя
технологии работы с атомами и молекулами.
С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и побе
дить многие вирусные заболевания, можно создать микроско
пических роботов и продлить человеческую жизнь, можно по
бедить СПИД и контролировать экологическую обстановку на
планете, можно построить в миллион раз более быстрые компь
ютеры и освоить Солнечную систему.
А представьте себе ноутбук с нанотехнологическими топ
ливными ячейками вместо батареек. Такая машина, созданная
японской компанией, может работать сутками без подзарядки.
Юниаструм Банк, один из крупнейших и динамично разви
вающихся банков страны, традиционно поддерживает развитие
нанотехнологий в России. В этом году мы выступили спонсора
ми II Всероссийского Конкурса молодежных проектов в облас
ти нанотехнологий, проводимого компанией Nanotechnology
News Network, а в прошлом году профинансировали награжде
ние победителей аналогичного конкурса.
В настоящее время мы оказываем активную поддержку об
разованию и информационному обеспечению в этой области.
При поддержке Банка создан и ведущий сайт по нанотехноло
гиям в России http://www.nanonewsnet.ru
Тот факт, что удалось подготовить и выпустить книгу, пос
вященную нанотехнологиям, заслуживает восхищения и само
го высокого одобрения. Автору книги удалось удивительным
образом собрать ценнейшие материалы воедино, буквально по
крупицам. Мы выражаем свою уверенность, что Вы получите
настоящее удовольствие и радость от прочтения этой книги.
Председатель Совета директоров Юниаструм Банка Г
.Писков
Президент Юниаструм Банка Г
.Закарян
Содержание
З
З
а
а
ч
ч
е
е
м
м
ч
ч
и
и
т
т
а
а
т
т
ь
ь
э
э
т
т
у
у
к
к
н
н
и
и
г
г
у
у
?
?
1
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
1
1
.
.
В
В
в
в
е
е
д
д
е
е
н
н
и
и
е
е
в
в
н
н
а
а
н
н
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
и
и
Основные понятия 9
Краткая справка по истории нанотехнологий 20
Оборудование нанотехнологии 22
Самосборка 31
Наноэффекты в природе: удивительные лапки 32
Фуллерены и углеродные нанотрубки 35
Ультрадисперсные наноматериалы 42
Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы 43
Небывалые возможности 45
Опасности, которыми не следует пренебрегать 58
Нано на стыке наук 61
Наноиндустрия в России и за рубежом 64
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
2
2
.
.
З
З
а
а
к
к
о
о
н
н
ы
ы
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
г
г
о
о
м
м
и
и
р
р
а
а
Как возникла квантовая физика 69
Основные понятия и законы квантовой механики 75
Структура атома 76
Принципы работы лазера 80
Корпускулярноволновой дуализм нанообъектов 85
Квантовые пределы точности измерений 88
Волновая функция и вероятностный характер поведения квантовых объектов 91
Основные положения теории вероятностей 93
Уравнение Шредингера и Периодическая система элементов Менделеева 99
Квантовые размерные эффекты 105
Почему нельзя смешивать законы классической и квантовой физики 107
Квантовые эффекты, обеспечивающие реализацию эталонов физических величин 109
Квантовые точки, проволоки и плоскости 111
Квантовая механика и компьютер 112
Сверхпроводимость и сверхтекучесть 114
Квантовая телепортация 116
Соображения по поводу вероятностной интерпретации квантовых явлений 118
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
3
3
.
.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
х
х
и
и
м
м
и
и
я
я
и
и
н
н
а
а
н
н
о
о
м
м
а
а
т
т
е
е
р
р
и
и
а
а
л
л
ы
ы
Химическая связь 122
Что такое нанохимия? 129
Объекты нанохимии. Классификации наночастиц 132
Способы получения наночастиц 139
Получение углеродных наночастиц – фуллеренов и нанотрубок 142
Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц 147
“Умные” материалы 152
Алмазоид – наноматериал будущего 162
Перспективы применения алмазоида 164
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
4
4
.
.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
э
э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
н
н
и
и
к
к
а
а
и
и
М
М
Э
Э
М
М
С
С
Появление и развитие полупроводниковой электроники 169
Электропроводность 170
Электроннодырочный переход 174
Диод
176
Транзистор 176
Интегральная микросхема 179
Как делают микросхемы 180
Развитие литографии 183
Проводящие полимеры 185
Появление и развитие MЕMS и NEMSтехнологии 189
Сенсоры
196
Проект “Умная пыль” 199
Проект “Электронный нос” 202
Проект “Электронный язык” 207
Проект “Видеоочки” 209
Наноэлектроника 210
Проекты наномоторов 216
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
5
5
.
.
И
И
н
н
с
с
т
т
р
р
у
у
м
м
е
е
н
н
т
т
ы
ы
н
н
а
а
н
н
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
и
и
История развития микроскопии 224
Оптический микроскоп 224
Разрешающая способность микроскопов 227
Электронный микроскоп 228
Сканирующая зондовая микроскопия 232
Сканирующий туннельный микроскоп 233
Атомносиловой микроскоп 233
Типы кантилеверов 234
Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля 235
Наноиндентор 236
Сканирующие зондовые лаборатории 238
Учебное нанотехнологическое оборудование “УМКА” 239
Нановесы 241
Спектроскопия 242
Моделирование наноструктур 243
Визуализационное моделирование 245
Вычислительное моделирование 245
Инженерное моделирование 250
Механосинтез и нанофабрика 254
Преодоление проблемы массового производства наноструктур 269
Электроосаждение 270
Мягкая литография 270
Рисование и печать 271
Биосинтез 272
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
6
6
.
.
Б
Б
и
и
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
и
и
и
и
н
н
а
а
н
н
о
о
м
м
е
е
д
д
и
и
ц
ц
и
и
н
н
а
а
2
2
7
7
6
6
Основные понятия биотехнологии 278
Общая схема биотехнологического производства 283
Примеры биотехнологических производств 286
Основные механизмы генной инженерии 292
Технология рекомбинантной ДНК 292
Получение инсулина 300
Получение интерферонов 301
Трансгенные животные 301
Трансгенные растения 302
ГМ–продукты: за и против 305
О проекте “Геном человека” 308
Некоторые сведения о человеческом геноме 311
Функции генов 311
Генетическая общность человека и других биологических видов 312
Протовирусы 313
Упаковка ДНК в хромосому

Пнд 16 Дек 2013 04:30:35
>>59040655
>>59040642
>>59040633
>>59040602
>>59040583
>>59040563
>>59040530
>>59040513
Практическое значение результатов проекта “Геном человека” 314
Наномедицина 315
Лаборатория на чипе 316
Нанотехнологии против вирусов и бактерий 319
Адресная доставка лекарств в пораженные клетки 321
Использование квантовых точек в качестве люминесцентных маркеров 326
Наносистемы и биотехнологии: подражая природе 327
Конструируя из белков 328
“Поделки” из молекул ДНК 329
РНКнаномашины 331
Приручение бактериофага 333
Нанотехнологии и бессмертие 333
Проект первый наномедицина по Фрайтасу 336
Проект второй – перенос сознания в компьютер 345
Проект третий – криосохранение 359
О некоторых этических вопросах бессмертия 364
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
7
7
.
.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
б
б
и
и
з
з
н
н
е
е
с
с
Инвестиции 369
Доходность и риск 370
Время = деньги 371
Конкуренция 372
Информация 374
Наноэкономика 377
Отрасли нанобизнеса 382
Авиация и космонавтика 382
Автомобилестроение 383
Аудио и видеотехника 383
Безопасность 384
Бытовая техника 384
Вооружение и военная техника 384
Горнодобывающая промышленность 385
Городское и коммунальное хозяйство 385
Индустрия красоты 385
Машиностроение 386
Медицина 386
Наука
386
Сельское хозяйство 387
Строительство 387
Телекоммуникации 387
Экология 387
Энергетика 388
Принципы нанобизнеса 388
Проектирование бизнеса 391
Перспективы наноиндустрии в России 398
Г
Г
л
л
а
а
в
в
а
а
8
8
.
.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
и
и
и
и
о
о
б
б
щ
щ
е
е
с
с
т
т
в
в
о
о
“Над пропастью во лжи” или в погоне за смертью 404
О концепции устойчивого развития 411
О положении России в контексте устойчивого развития 416
Роль молодежи в современном обществе 419
Нанотехнологии и безопасность страны 423
Заключение 432
П
П
о
о
л
л
е
е
з
з
н
н
ы
ы
е
е
с
с
с
с
ы
ы
л
л
к
к
и
и
Заумному зануде,
Неутомимому генератору идей,
Воплощению интеллектуальной смелости
и творческого оптимизма
А
А
л
л
е
е
к
к
с
с
а
а
н
н
д
д
р
р
у
у
О
О
л
л
и
и
к
к
е
е
в
в
и
и
ч
ч
у
у
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Благодарности
Хочу поблагодарить всех, кто так или иначе принимал учас
тие в создании этой книги.
Огромное спасибо моему лучшему другу, кумиру и ангелу
хранителю моей мамочке Ангелине Алексеевне Рыбалкиной.
Мамочка, спасибо тебе за все!
Выражаю искреннюю признательность Леониду Андрееви
чу Жураковскому прекрасному преподавателю физики, учите
лю “от Бога”, без дружеского участия которого я бы никогда не
взялась за написание этой книги. Большое Вам спасибо!
От всего сердца благодарю всех членов дружной команды
Nanotechnology News Network за помощь и активное участие в
подготовке книги: Александра Оликевича, Александра Курин
ного, Юрия и Валентину Свидиненко. Мы всетаки сделали
это!
Большое спасибо моему двоюродному брату Антону Зубен
ко талантливому художнику, самоотверженно нарисовавшему
более 200 иллюстраций за рекордно короткий срок. Ты просто
умница!
Очень признательна руководству КБ “Юниаструм Банк”
единственного банка, поддерживающего нанотехнологии в
России за финансовую помощь в издании книги. Большое
спасибо!
Благодарю всех экспертов, предоставивших свои ценные
замечания по содержанию книги: коллектив молодых ученых
под руководством Галины Викторовны Поповой, Михаила Ар
сеновича Ананяна, Елену Михайловну Егорову, Алекандра Чу
бенко, Анатолия Самуиловича Левина. Также огромное мерси
моему главному “бетатестеру” ученику 11 класса Владимиру
Михайлову.
Спасибо всем ученым и инженерам, продолжающим рабо
тать в России несмотря ни на что.
Очень хочу поблагодарить всех членов клуба “Кекушин
Сейбукай карате”и лично его руководителя Виктора Юрьевича
Апарина, мудрые наставления и уроки которого помогли мне
сохранять твердость духа и преодолевать все многочисленные
препятствия, возникавшие на пути создания этой книги.
Большое спасибо всем друзьям и учителям, поддержавав
шим и помогавшим мне морально. Без вас эта книга никогда не
увидела бы свет!
Зачем читать эту книгу?
“Уверяю тебя, что ты никогда не постигнешь
смысла жизни, уставившись в телевизор”.
Бредли Тревор Гривс
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, как
и соответствующая терминология, появились сравнительно не
давно. Однако её перспективы настолько грандиозны для на
шей цивилизации, что необходимо широкое распространение
основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.
Именно этой цели и должна послужить данная книга.
Поскольку всё передовое и перспективное часто популяри
зируется в обществе, то сегодня приставку “нано” в рекламных
целях стали использовать все, кому не лень, и даже в тех облас
тях, где ей, казалось бы, совсем нечего делать.
На самом деле “
нано
” означает одну миллиардную (10
9
) до
лю чеголибо. Например, нанометр одна миллиардная доля
метра. Примерно таковы размеры молекул (поэтому часто на
нотехнологию называют также молекулярной технологией).
Для сравнения, человеческий волос приблизительно в шестьде
сят тысяч раз толще одной молекулы.
Становится понятно, что, например, продовольственный
магазинчик “Наносекунда”, несмотря на завораживающее наз
вание, вряд ли сможет обслужить покупателя за одну миллиард
ную долю секунды, что бы там не утверждала вывеска...
Прежде чем идти дальше я хочу четко сформулировать це
ли, ради которых и была написана эта книга. Помимо чисто
учебной задачи, которая заключается в как можно более дос
тупном и интересном изложении основных фактов и законов
нанонауки, хотелось бы поставить перед читателями еще и не
которые жизненные вопросы, особенно актуальные для нашей
исторической эпохи.
Если мы внимательно проанализируем историю науки (как
и человечества в целом), мы увидим, что многие революцион
ные изменения в обществе были связаны с большими труднос
тями, вызванными нежеланием людей принять новую инфор
мацию, особенно если она противоречит уже устоявшейся,
привычной большинству, картине мира.

Пнд 16 Дек 2013 04:31:07
>>59040642
Будешь мимо проходить, приспичит отлить, заходи в гости (с) Ну или как там было в том фильме?

Боксер-кун, ты где?

Пнд 16 Дек 2013 04:31:42
>>59040709
>>59040655
>>59040642
>>59040633
>>59040602
>>59040583
>>59040563
>>59040530
Так, западная цивилизация благополучно просуществовала
несколько столетий в твердом убеждении, что Земля плоская.
Это хоть и не соответствовало действительности, но и не меша
ло людям составлять карты и вполне успешно ориентироваться
по ним. Утверждения Галилея и других ученых о том, что Земля
круглая, дорого им обошлись. В частности, в 1600 году за по
добную “ересь” Джордано Бруно был сожжен по приказу “свя
той” католической инквизиции (хотя при внимательном проч
тении Ветхого Завета, в нем даже можно найти упоминание то
го, что Земля круглая и висит в космосе “ни на чем”
1
, т.е. воп
реки бытовавшему мнению не опирается ни на каких китов, че
репах, слонов и т.д.). Итак, обществу потребовалось еще около
200 лет для того, чтобы признать этот факт...
Аналогично более 2000 лет просущществовала уверенность
в том, что атом является мельчайшей единицей всего сущего. И
когда в XX веке наука открыла субатомные элементарные час
тицы (электрон, протон, нейтрон и др.), это полностью изме
нило все базовые представления о Вселенной. Кстати, некото
рые субатомные частицы (в частности, позитрон) были как бы
“придуманы” физиками: сначала рассчитаны, а потом обнару
жены экспериментально, что еще рhаз говорит в пользу челове
ческой способности постигать разумом то, что неочевидно.
После открытия субатомных частиц прежний логический
мир распался. Оказалось, что субатомные частицы “ведут себя”
не так, как, по мнению ученых, им “положено” себя вести. Ос
новной постулат Аристотелевской логики – основы основ всей
научной мысли – утверждающий, что один объект не может
быть одновременно “А” и “не А”, не мог объяснить того, что,
например, свет является одновременно и волной, и потоком
частиц. Квантовая физика вступила в спор с Аристотелем и вы
играла его.
Казалось, что механика великого Ньютона способна безуп
речно объяснить все видимые и невидимые законы Вселенной.
И ничто не предвещало создания теории относительности. Од
нако ее открытие привело к коренному изменению представле
ний о мире и такому научному прорыву, о котором даже не меч
тали – чего стоит одна только атомная энергия.
2
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
1
.Книга пророка Исаии 40:22; Книга Иова 26:7
Ситуацию в научном мире после открытия Эйнштейна, как
нельзя лучше описывает шутливое четверостишие:
Был мир земной кромешной тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон!
Но сатана недолго ждал реванша:
Пришел Эйнштейн и стало все, как раньше
Своей выдающейся работой Эйнштейн не отверг пол
ностью ньютоновскую механику, но отвел ей более скромное
место частного случая, справедливого только для движений,
медленных по сравнению со скоростью света...
Одним словом, “все течет, все изменяется”, и сегодня чело
вечество снова стоит на пороге новых революционных реше
ний и технологических прорывов, которые принесут такие из
менения в нашу жизнь, которые нам и не снились. Будем ли мы
готовы к ним? Надеюсь, что эта книга поможет дать утверди
тельный ответ на этот вопрос.
Приведенных выше примеры хорошо иллюстрируют, что
человеческая мысль всегда ищет новых знаний, пытаясь разга
дать и осмыслить самые необъяснимые загадки природы. На
щупав в интеллектуальной темноте новые знания, лишь немно
гим удавалось донести их до окружающих, убедить общество в
истинности своих догадок.
Но что же заставляет разумы одних людей искать и доказывать
новое, а других – сопротивляться новизне, охранять старое?
Писательфантаст и ученый Эрик Дрекслер, перу которого
принадлежит фундаментальный труд “Машины созидания”,
считается пионером нанотехнологий. В этой своей работе он,
упоминает проблему так называемых “мимов” – воспроизводя
щихся мысленных структур, или идей, подверженных, подобно
живым существам, законам эволюции, а именно: борьбе за су
ществование и стремлению к размножению.
Дрекслеру принадлежит следующее утверждение: “приме
ры мимов – это идеи, общеупотребительные выражения, мода
в одежде, мелодии, способы производства горшков и построй
ки арок. Точно так же, как гены размножаются в среде генов,
перескакивая от тела к телу (от поколения к поколению) через
сперматозоиды и яйцеклетки, мимы размножаются в среде ми
3
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
мов, перескакивая из мозга в мозг посредством процесса, кото
рый в широком смысле может называться имитацией.
Мимы копируются, потому что люди учатся и учат других.
Они изменяются, потому что люди создают новые идеи и неп
равильно истолковывают старые. Они подвергаются отбору
(отчасти), потому что люди не верят или повторяют все, что
слышат. Так же как особи одного вида конкурируют за ограни
ченные пространство и ресурсы, так и мимы должны конкури
ровать за ограниченный ресурс человеческое внимание и уси
лия. Поскольку мимы формируют поведение, их успех или не
удача это жизненно важный вопрос.
Начиная с древних времён, мысленные модели и способы
поведения передавались от родителя к ребенку. Мимические
структуры, которые помогают выживанию и воспроизводству,
имели тенденцию к распространению. (“ешьте этот корень
только после приготовления; не ешьте те ягоды, их злой дух бу
дет скручивать ваши кишки”). Год за годом люди поступали по
разному и их действия давали разнообразные результаты.. Год
за годом ктото умирал, в то время как остальные находили но
вые способы выживания и передавали их следующим поколе
ниям. Гены построили наш мозг на принципе имитации, пос
кольку имитируемые структуры были в целом полезны: в конце
концов их носители выживали и распространяли их.
Сами мимы, тем не менее, встречают свои собственные воп
росы “жизни” и “смерти”: как репликаторы (объекты, способные
к самовоспроизведению), они развиваются исключительно что
бы выживать и распространяться. Подобно вирусам, они могут
воспроизводиться, не помогая выживанию или благосостоянию
их хозяина. В действительности мим “жертвы во имя” может
распространяться через сам факт убийства своего хозяина (что
движет действиями террористов камикадзе? (прим. автора))”.
Способность человека противостоять ложным и вредным
идеям Дрекслер называет “умственной иммунной системой”.
Она действует по тем же принципам, что и иммунная система
организма. Старейшая и самая простая умственная иммунная
система просто даёт команду: “верь старому и отбрасывай но
вое”. Чтото подобное обычно удерживало племена от отказа от
старого, проверенного пути в пользу безумства новых идей та
ких,
как идея повиновения предполагаемым приказам
призрака

Пнд 16 Дек 2013 04:32:17
>>59040720
Ну прекрати, пожалуйста.

Пнд 16 Дек 2013 04:32:19
>>59039693
>как быть?
Написать на дваче, оставить контакты. Тебе пишет двухметровый амбал-кун, работающий в ФСКН опером. Мудило вылетает со свистом, ты влюбляешься в спасителя, вы начинаете встречаться и рожаете много детишек.

Пнд 16 Дек 2013 04:32:40
>>59040709
>>59040655
>>59040642
>>59040633
>>59040602
>>59040583
уничтожить весь скот и всё зерно племени мол это принесёт
какимто образом чудесное изобилие пищи и армии предков
выгонят чужеземцев (этот мим заразил племя Ксоза из Южной
Африки в 1856 году; к следующему году 68.000 человек умерли,
и большей частью от голода).
Иммунная система вашего тела следует похожему правилу:
она обычно принимает все типы клеток, присутствовавшие в на
чале жизни, и отторгает как инородные и опасные потенциаль
ные раковые клетки и бактерии. Эта простая система “отбрасы
вай новое” когдато работала хорошо, однако в век пересадки ор
ганов она может убить, ведь операция по трансплантации требует
совместимости тканей донора и реципиента. Аналогично, в век,
когда наука и технологии постоянно изменяются, негибкая
умственная иммунная система становится опасной помехой.
При всех своих недостатках, принцип “отклоняй всё новое”
прост и удобен. Традиция содержит многое, что испытано и про
верено временем. Изменение рискованно: как большинство му
таций вредны, так и множество новых идей опасно. Однако ми
мы, защищающие разум от новых идей, также могут охранять па
разитирующую бессмыслицу от столкновения с истиной. Во вре
мена быстрых изменений они могут делать умы опасно косными.
Многое в истории философии и науки может рассматри
ваться как поиск лучших умственных иммунных систем, луч
ших способов отклонять ложное, бесполезное и вредное. Луч
шие системы уважают традицию, однако поощряют экспери
мент. Они предлагают стандарты для оценки мимов, помогая
уму различить паразитов и полезные инструменты.
Я призываю читателей обратить пристальное внимание на
свое развитие и образование, потому что знания и профессио
нализм в начале XXI века обретают особую актуальность. Пом
ните, что только ваш интеллект, эрудиция и мобильность поз
волят отличить реально выгодные идеи от смертельно опасных
и принимать правильные решения.
Главная цель этой книги подготовить читателей к любым
неожиданностям, научить эффективно действовать в критичес
ких ситуациях. Мне хочется подвести читателей к осознанию
того, что те, кто ориентирован на будущее, кому жить в этом бу
дущем и творить его, должны уже сегодня в полной мере осоз
навать всю ответственность за принимаемые решения.
5
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
Работая при слабом свете свечи, трясясь на ухабах в дере
вянных повозках, мог ли человек прошлого мечтать о “таин
ственных силах”, способных наполнить светом не только ком
нату, но и улицы ночного города, или передвигать железные
“повозки” с невероятной скоростью? Видимо, ктото мог, и,
следуя своей мечте, совершал открытия. Но у большинства, как
обычно, не хватало смелости или фантазии выйти в своем вооб
ражении за пределы привычного, старого мира. “Три закона ро
бототехники” Айзека Азимова тридцать лет назад воспринима
лись многими почитателями его таланта всего лишь как краси
вая сказка, мечта из разряда научной фантастики. А сегодня ро
боты и искусственный интеллект являются одними из самых
быстроразвивающихся отраслей.
Мечты мечтами, но возникает естественный вопрос: если в
XIX веке не пользовались электричеством, значит ли это, что в
ХIХ веке электричества не существовало в природе? Или это
говорит лишь о том, что мысль человеческая была в то время не
в силах обнаружить эти “таинственные силы” природы, извест
ные сегодня как электромагнитные волны?
Итак, во все времена жили те великие люди, которые пер
выми находили то, что веками было скрыто от других, или пер
выми воплощали в жизнь свои “нереальные” замыслы. Что же
толкает этих первопроходцев постоянно искать чтото новое,
добиваться реализации своей мечты вопреки всем преградам?
Какие качества отличают их? Ответы на эти вопросы стоит по
искать самому, но среди этих качеств, несомненно, должны
быть:
самостоятельность мышления, даже вопреки авторитетному
мнению большинства;
вечное стремление к познанию и улучшению мира;
уверенность в своих силах и правильности пути.
Эти качества всегда отличали неординарного человека от
обывателя. Надеюсь, после прочтения книги читатель проник
нется стремлением развивать в себе эти качества, являющиеся
необходимым основанием любого жизненного успеха. Ведь как
там поется у “Наутилус Помпилиус”?
“Воздух выдержит только тех, только тех, кто верит в себя
Ветер дует туда, куда скажет тот, кто верит в себя...”
6
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Всем известно, что первые компьютеры в начале 1950х занима
ли целую комнату. Сегодня же любой карманный компьютер в сотни
тысяч раз превосходит их по быстродействию и возможностям.
Легендарный Билл Гейтс, автор операционной системы MS
DOS и основатель компании MicroSoft, в 1981 году авторитетно
заявил: “640 килобайт хватит всем!”. Мог ли он представить се
бе в тот момент, насколько далеко благодаря его изобретению
продвинутся программные и технические возможности персо
нальных компьютеров!
В 1959 году появился первый плоский транзистор. В 1965м
уже выпускались микросхемы, состоящие из 5060 транзисто
ров. Сорок лет назад Гордон Мур, сооснователь фирмы Intel,
предположил, что быстродействие компьютеров (то есть число
элементов на микросхеме) будет удваиваться каждые 18 меся
цев без существенного изменения цены. Согласно его прогно
зу, эта тенденция должна была сохраниться в течение последу
ющих 10 лет, а в 1975 году все с удивлением обнаружили, что
прогноз сбылся. “Закон Мура” актуален и сейчас:
7
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
Г
Г
о
о
д
д
в
в
ы
ы
п
п
у
у
с
с
к
к
а
а
М
М
о
о
д
д
е
е
л
л
ь
ь
п
п
р
р
о
о
ц
ц
е
е
с
с
с
с
о
о
р
р
а
а
К
К
о
о
л
л
в
в
о
о
т
т
р
р
а
а
н
н
з
з
и
и
с
с
т
т
о
о
р
р
о
о
в
в
1971
4004
2.250
1972
8008
2.500
1974
8080
5.000
1978
8086
29.000
1982
286
120.000
1985
386
ТМ
275.00
1989
486
ТМ
DX
1.180.000
1993
Pentium
3.100.100
1997
Pentium II
7.500.000
1999
Pentium III
24.000.000
2000
Pentium 4
42.000.000
Обратите внимание, что закон Мура не является законом в
буквальном смысле слова, так как не отражает никаких природ
ных закономерностей, обусловленных фундаментальными за
конами природы. Непосредственно к законам могут относить
ся, например, закон гравитации, сформулированный Ньюто
ном, или законы электромагнитного поля, описываемые урав >>59040747
>>59040746

Пнд 16 Дек 2013 04:33:24
>>59040747
Осталось дело за малым - дождаться опера из ФСКН. Где же он?

Пнд 16 Дек 2013 04:33:34
>>59040655
Тогда хз. Интересно, как у вас в квартире внутри. Десятка + свет очень дешево.

Пнд 16 Дек 2013 04:33:48
нениями Максвелла – они объективны по своей природе, су
ществуют независимо от наших знаний, желаний или нужд.
Поэтому, говоря о законе Мура, следует понимать, что на самом
деле речь идет лишь о научном прогнозе.
Гонка технологий, подчиняясь олимпийскому принципу
“Быстрее! Выше! Сильнее!”, задает темп жизни, и для того, что
бы быть успешной современной личностью, нужно не просто
шагать в ногу со временем, а опережать его в спринтерском брос
ке. Поэтому еще одна задача, которую читатель, надеюсь, поста
вит перед собой, будет звучать так: “научиться быстрее учиться”.
Возможно, ктото увидит в такой формулировке призыв тратить
меньше времени на развлечения и просмотр бесконечных телеп
рограмм, и больше – на саморазвитие? Если вы так подумали, то
вы совершенно правы это именно то, что я имею в виду.
Ничуть не умаляя ценности отдыха, понимая, что как бы ни
приятно бы проваляться весь вечер на диване, переключая ка
налы с одного токшоу на другое, все же следует признать, что
цена успеха сегодня заключается в правильной расстановке
приоритетов и планировании времени (которого никак не хва
тит и на личное развитие, и на всяческие “Окна”). Чемто при
дется жертвовать, иначе получится как в известной притче:
“Немного поспишь, немного подремлешь, немного, сложив
руки, полежишь. И придет, как прохожий, бедность твоя, и
нужда твоя – как человек вооруженный”.
Кстати говоря, автору однажды довелось проводить иссле
дование на тему современного американского сленга. Прини
мая во внимание уровень гос. финансирования тех же нанотех
нологий (правительство США увеличило финансирование в
этой области до $3, 7 млрд. в течение 4 лет!), стоит ли удивлять
ся тому, что в их молодежной среде столь любимый нами “те
лек” величают не иначе, как “idiot box”. Дальнейшие коммен
тарии, как говорится, излишни...
8
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Глава 1. Введение в нанотехнологии
“Нанотехнологии произведут такую же револю
цию в манипулировании материей, какую про
извели компьютеры в манипулировании ин
формацией”.
Ральф Меркле
Основные понятия
Несмотря на то, что все явления природы тесно взаимосвя
заны, человек привык изучать их с какойлибо одной стороны.
Поэтому любая наука обладает собственной системой терминов
и понятий, в которые вкладывает свой смысл. Один и тот же
объект, скажем, школьник, будет вызывать совершенно разный
профессиональный интерес у представителей различных про
фессий, таких, как, например, врач, психолог или учитель.
Для врача, вероятнее всего, школьник будет “определять
ся” такими характеристиками, как вес, рост, группа крови, на
личие или отсутствие хронических заболеваний и т.д. Психолог
примется выяснять тип его темперамента, вид мышления или
самооценку. А вот учителя математики вряд ли будут заботить
ваш темперамент или группа крови, когда вы плохо напишете
контрольную скорее всего, вас будут оценивать с точки зрения
владения материалом, глубины знаний и поведения на уроке.
И, несмотря на то, что школьник остается одним и тем же в
кабинете врача, на приеме у психолога, на уроке математики,
мы видим, что его можно “изучать” под совершенно разными
углами зрения. То же справедливо и для всего остального. Так и
природные явления будут выглядеть совершенно поразному
для химика, физика или биолога.
Но “вернемся к нашим баранам” (то есть нанотехнологи
ям). В самом названии “нанотехнология” мы видим два суще
ственных для нас термина – “нано” и “технология”. Опреде
лимся сначала со вторым понятием.
Энциклопедический словарь определяет
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
ю
ю
(от
греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos”
– “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления,
изменения состояния (свойств, формы) первоначального
сырья в процессе производства конечной продукции.
9
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Задача технологии использование законов природы на благо
человека. Существуют “технологии машиностроения”, “технологии
химической очистки воды”, “информационные технологии” и т.д.
Видно, что технологии в основе своей различаются приро
дой исходного материала. Именно значительная разница меж
ду такими видами сырья, как металлические конструкции и ин
формация, определяет и существенные различия в методах их
обработки и преобразования.
Перечисляя технологии, нельзя не вспомнить такое выра
жение, как “высокие технологии”. Давайте подумаем, в чем же
их суть? Мы привыкли к тому, что высокими называют
эффективные
технологии, появившиеся
сравнительно
недавно, но не получив
шие еще повсеместного распространения. Как правило, это
технологии из области микроэлектроники, и связаны они с
удивительно маленькими размерами устройств.
Тысячи лет назад наши предки брали камни, содержащие
триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие
миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать из них наконеч
ники для стрел. Они делали прекрасную работу с трудновосп
роизводимым мастерством. И тот, кто первый придумал эту
технологию обтесывания камня, в те далекие времена мог наз
вать её высокой технологией, и был бы абсолютно прав. Ведь
еще лет 1520 тому назад сотовые телефоны, например, счита
лись устройствами типа “hightech”. Однако сегодня “моби
лой” уже никого не удивишь.
Поэтому мы полагаем, что уместно называть “высокими”
все передовые технологии, характерные для того или иного эта
па развития общества.
Теперь дадим определение собственно “нанотехнологии”.
В начале главы мы уже упоминали о том, что приставка
на*
но
(от греч. “nannos” – “карлик”) означает одну миллиардную
(10
9
) долю какойлибо единицы (в нашем случае метра). Ато
мы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка 1 нанометра.
Современные микросхемы с размерами компонентов в од
ну десятую толщины тончайшего волоса могут считаться ма
ленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый тран
зистор все еще содержит триллионы атомов, и микрочипы все
еще видимы невооружённым глазом. >>59040747
>>59040746
>>59040709
>>59040633
>>59040602

Пнд 16 Дек 2013 04:34:35
>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
>>59040709
11
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Технологии, которые можно проследить от ручной обработки
камня до кремниевых чипов, оперируют сырьем, представляю
щим собой большие совокупности атомов и молекул. Этот стиль
можно назвать
б
б
а
а
л
л
к
к
*
*
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
е
е
й
й
(англ. “bulk” – “груда”, “кипа”).
Нанотехнология призвана прецизионно (сверхточно) ма
нипулировать индивидуальными атомами и молекулами. Она
изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить.
А
А
т
т
о
о
м
м
– (от греч. “atomos” – “неделимый”) – это мельчай
шая частица химического элемента, носитель его свойств, спо
собный образовывать с другими атомами более сложные
конструкции – молекулы.
Обратите внимание на то, что “дословный перевод” слова
“атом” неверен, и на самом деле атом состоит из положительно
заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Од
нако это слово придумал еще древнегреческий философ Де
мокрит, и все его используют по привычке.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
я
я
это совокупность методов производства
продуктов с заданной атомарной структурой путем манипули
рования атомами и молекулами.
В связи с данным определением нанотехнологий возникает
естественный вопрос: каким же образом мы можем манипулиро
вать веществом на уровне атомов и молекул? Ведь наши руки
слишком громадны для наномасштаба. Этот вопрос является кам
нем преткновения современной нанонауки. Самое изящное ре
шение этой проблемы, способное совершить новую технологи
ческую революцию, предложил Эрик Дрекслер в книге “Машины
созидания”. Для манипулирования атомами он изобрел специаль
ные наномашины, или
а
а
с
с
с
с
е
е
м
м
б
б
л
л
е
е
р
р
ы
ы
.
Чтобы их представить, нужно
сначала наглядно представить, как
выглядит молекула. Для этого мы
изобразим атомы как бусинки, а мо
лекулы как группы бусинок, соеди
нённые между собой кусочками про
волоки (несмотря на чрезвычайную
простоту такого представления, хи
мики часто использют именно его,
строя модели из пластмассовых ша
Рис1. Модель молекулы метана (СH4)
ров, связанных спицами в нескольких направлениях). Атомы
имеют круглую форму подобно шарам, и хотя молекулярные
связи не кусочки проволоки, наша визуальная модель, как ми
нимум, даёт важное представление о том, что связи могут быть
порваны и восстановлены.
Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы
и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии
с заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже
тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером
их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами.
Из курса биологии вы, должно быть, помните, как молеку
ла рибосомы конструирует белок, “считывая” из молекул РНК
“инструкции” для его построения. Напомним вкратце читате
лям основные моменты этого процесса.
Итак,
б
б
е
е
л
л
к
к
и
и
– это обязательная составная часть всех клеток,
обеспечивающая их жизнедеятельность. Роль белков в организ
ме чрезвычайно разнообразна. Различают белкигормоны,
участвующие в управлении всеми жизненными процессами ор
ганизма, его ростом и размножением. На сетчатке нашего глаза
возникает изображение благодаря особому светочувствитель
ному белку – родопсину. Мы способны двигаться, потому что
наши мышцы сокращаются и расслабляются благодаря белкам
актину и миозину. Все химические процессы в организме про
текают при участии специальных белков–ферментов. Без них
невозможны пищеварение, дыхание, обмен веществ, свертыва
ние крови и пр. Белки выполняют и защитные функции – при
попадании в организм болезнетворных бактерий или ядов вы
рабатываются белкииммуноглобули
ны, нейтрализующие их вредное воздей
ствие.
При знакомстве с таким разнообра
зием белков и их функций весьма нео
жиданным оказывается тот факт, что все
белки растительного и животного мира
– от совершенно инертных до биологи
чески активных состоят из одних и тех
же стандартных звеньев
а
а
м
м
и
и
н
н
о
о
к
к
и
и
с
с
л
л
о
о
т
т
,
соединенных прочной химической
связью, называемой пептидной.
Внеш
12
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 2. Структура белка
не молекула белка подобна последователь
ности бусинок на нити, где роль бусинок вы
полняют молекулы аминокислот. В составе
большинства белков находится в среднем
300500 таких “бусинок”.
Количество аминокислот в природе
ограничено – всего 20 видов, и их можно
уподобить двадцати “буквам” особого
“химического алфавита”, из которых сос
тавлены белки – “слова” длиной в 300500
букв.
С помощью двадцати букв можно на
писать огромное количество таких длин
ных слов. Если учесть, что замена или перестановка хотя бы одной
буквы в слове придаст ему новый смысл, то число возможных
комбинаций букв в слове длиной в 500 символов составит 20500!
Цепь каждого белка построена из свойственной
только
этому
белку комбинации аминокислот: только определенное
число и только в определенной последовательности. Уникаль
ность характерной для того или иного белка комбинации ами
нокислот и определяет его химические и биологические свой
ства. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена
на другое место, его замена или потеря приведет к очень значи
тельному изменению свойств белковой молекулы. Значит, при
синтезе (построении) отдельного белка необходимо владеть
точной информацией о чередовании аминокислотных звеньев
в его структуре. В природе такая информация хранится на спе
циальном носителе молекуле ДНК, в которой содержится ин
формация о структуре всех существующих в организме белков.
Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информа
ция о последовательности аминокислот в одном белке, называ
ется
г
г
е
е
н
н
, потому информацию в ДНК называют генетической, а
ген является единицей наследственного материала. В ДНК со
держится до нескольких сот генов.
Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) предс
тавляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой
нити. Ширина такой двойной спирали – около 2 нм. Длина же
– в десятки тысяч раз больше – несколько сотен тысяч нано
метров. За открытие двойной спирали ДНК, несущей наслед
13
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 3. Структура ДНК
ственную информацию, в 1962 году ученые Уотсон и Крик по
лучили Нобелевскую премию.
Нити ДНК представляют собой цепи из нуклеотидов, а
н
н
у
у
к
к
*
*
л
л
е
е
о
о
т
т
и
и
д
д
ы
ы
– это органические вещества, состоящие из трех сое
диненных друг с другом молекул: азотистого основания, пяти
углеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты.
Нуклеотиды назвали по именам 4х типов азотистых основа
ний, входящих в их состав:
аденин
(А),
гуанин
(Г),
цитозин
(Ц) и
тимин
(Т). Порядок расположения четырех типов нуклеотидов
в цепях ДНК очень важен он определяет порядок аминокис
лот в белках, то есть их структуру.
Чтобы понять, как в ДНК запрограммирована структура
белка, стоит вспомнить азбуку Морзе, по которой все буквы ал
фавита, знаки препинания и цифры обозначаются комбинаци
ей коротких (точка) и длинных (тире) сигналов. Оказывается,
подобный шифр существует и в ДНК! Как в азбуке Морзе каж
дой букве соответствует определенное сочетание точек и тире,
так в коде ДНК определенное последовательное сочетание нук
леотидов соответствует определенной аминокислоте в молеку
ле белка. Знать код ДНК – значит знать сочетание нуклеоти
дов, соответствующее каждой аминокислоте.
Чтобы закодировать все возможные цифры, буквы и знаки
препинания, нам хватает всего двух символов (точка и тире).
Чтобы закодировать одну аминокислоту, сочетания из трех нук
леотидов вполне достаточно (из 4 нуклеотидов можно создать
64 комбинации, по три нуклеотида в каждой: 4
3
=64). Такое со
четание называется
т
т
р
р
и
и
п
п
л
л
е
е
т
т
о
о
м
м
или
к
к
о
о
д
д
о
о
н
н
о
о
м
м
.
Код ДНК обладает
однозначностью
(один триплет шифрует
не более одной аминокислоты) и универсальностью (т.е. для
всего живущего и растущего на Земле – бактерий, грибов, зла
ков, муравья, лягушки, лошади, человека – одни и те же трип
леты кодируют одни и те же аминокислоты). В настоящее вре
мя код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой амино
кислоты точно установлены кодирующие ее триплеты.
Еще раз напоминаем читателям, что замена или удаление
хотя бы одного нуклеотида в последовательности ДНК приве
дет к нарушению структуры синтезируемых белков. Поскольку
генетический код подобен языку, то наглядным примером
этом

Пнд 16 Дек 2013 04:35:05
>>59040210
надеюсь он тебя порежет по синеве, а потом устроит анальную инквизицию

Пнд 16 Дек 2013 04:35:54
>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
>>59040811
может послужить следующая фраза, составленная из буквен
ных триплетов:
жил был кот тих был сер мил мне тот кот
Несмотря на отсутствие знаков препинания нам понятен и
смысл и логика этого “предложения”. Если же мы уберем пер
вую букву в этой фразе, но читать будем также триплетами, то
получится бессмыслица:
илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от
Похожая генетическая бессмыслица возникает и при выпаде
нии одного нуклеотида из гена. Белок, считываемый с такого ис
порченного гена, может привести к серьезным
генетическим забо*
леваниям
организма (болезнь Дауна, серповидноклеточная ане
мия, сахарный диабет, мышечная дистрофия и т.д.). Такая ошип
ка в информационной матрице ДНК будет повторяться всякий
раз при синтезе конкретного белка, подобно тому, как ошибка на
типографской матрице, с которой печатается книга или газета,
будет повторяться во всех экземплярах данного тиража.
Являясь матрицей для синтеза всех белков, сама молекула
ДНК, однако, в процессе синтеза не участвует. Она является
лишь носителем генетической информации.
При синтезе белка информация о его структуре сначала дос
тавляется из ДНК к молекуле
р
р
и
и
б
б
о
о
с
с
о
о
м
м
ы
ы
– своеобразной фабрике
по производству белков. Этот перенос информации осуществля
ется с помощью молекулы
информационной РНК
(рибонуклеино
вая кислота), которая является точной копией, зеркальным отра
жением структуры одного участка ДНК. ИРНК – это одноце
почная спираль, комплементарная одной нити молекулы ДНК
Процесс копирования генетической информации из ДНК в
РНК называют
т
т
р
р
а
а
н
н
с
с
к
к
р
р
и
и
п
п
ц
ц
и
и
е
е
й
й
(лат. “transcriptio” переписыва
ние). В процессе переписывания специальный фермент – по
лимераза, двигаясь вдоль ДНК, последовательно считывает ее
нуклеотиды и по принципу комплементарности образует це
почку иРНК, как бы снимая с ДНК “чертеж” того или иного
гена. С каждого гена можно снять любое число копий РНК.
15
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Таким образом, можно сказать, что в процессе синтеза бел
ка иРНК выполняет роль перфокарты
2
, на которую записана
“программа” для построения конкретного белка.
Итак, молекула иРНК с записанной на нее программой
направляется к рибосоме, где происходит синтез белка. Туда же
направляется поток материала, из которого строится белок
аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самосто
ятельно, а с помощью подвижных
транспортных РНК
(тРНК).
Эти молекулы способны различать среди всего многообразия
аминокислот только “свою” аминокислоту, присоединять её к
себе и подтаскивать к рибосоме.
Синтез белка на рибосомах называется
т
т
р
р
а
а
н
н
с
с
л
л
я
я
ц
ц
и
и
е
е
й
й
(от лат.
“translatio” – “передача”).
По мере сборки белковой молекулы рибосома “ползет” по
иРНК и синтезирует белок, запрограммированный на данной
иРНК. Чем дальше продвинулась рибосома по иРНК, тем
больший отрезок белковой молекулы “собран”. На ленте и
РНК, как на конвейере, одновременно идет сборка одного и то
го же белка несколькими рибосомами (см. рисунок 4). Когда
рибосома достигает конца иРНК, синтез окончен.
16
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 4. Процесс синтеза белка рибосомами
2
Перфокарта
это кусок или лента из твердой бумаги с дырочками для светового луча, пробитыми
в определенных местах. В XIX веке перфокарты применялись в текстильном производстве с их
помощью ткацкий станок "программировали" на получение того или иного рисунка, а в середине
XX века на перфокартах и перфолентах записывались программы для первых ЭВМ).
Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосо
мы. Обратимся к рисунку. Рибосома движется по иРНК не плав
но, а прерывисто, “шажками”, триплет за триплетом. На каждом
шаге к месту контакта рибосомы с иРНК “подплывает” какая
нибудь молекула тРНК с прицепленной к ней аминокислотой.
Как уже было сказано, каждая тРНК способна различать
только “свою” аминокислоту и присоединять её для транспор
тировки к месту построения белка. Это происходит благодаря
содержащемуся в ней триплету, комплементарному (подходя
щему) конкретной аминокислоте.
Если кодовый триплет тРНК окажется комплементарным к
триплету иРНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, то
аминокислота отделится от тРНК и присоединится к строящейся
цепочке белка (к белковой молекуле добавится еще одна “бусинка”).
Свободная тРНК затем выбрасывается из рибосомы в ок
ружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу ами
нокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. А наша
рибосома делает следующий “шаг” вперед по иРНК на один
триплет. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и
РНК рибосома и растет звено за звеном цепь белка.
Пройдя по всей длине иРНК, рибосома с готовым белком
“сходит” с неё. Затем белковая молекула направляется к тому
участку клетки, где требуется данный вид белка, а рибосома

Пнд 16 Дек 2013 04:36:27
>>59040768 чонадо?

Пнд 16 Дек 2013 04:36:52
>>59040811
>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
>>59040840
направляется к любой другой иРНК (рибосома способна син
тезировать любой белок; характер белка зависит исключитель
но от матрицы иРНК).
Итак, рибосомы доказали, что наномашины, построенные
из белка и РНК, могут быть запрограммированы на построение
сложных молекул, то есть по сути являются природными ассе
мблерами (сборщиками атомов) для производства заданных
молекулярных структур.
Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экс
периментальные искусственные наномашины, используя био
логический природный материал: аминокислоты, белки, моле
кулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что
они могут создать) это органика, а значит, их возможности ог
раничены. Они теряют стабильность или разрушаются при по
вышенных температурах и давлениях (происходит сворачива
ние белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твер
дый материал, действовать в химически агрессивных средах и
т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных на
работок человечества в сфере балктехнологии. Это все то, до
чего “не додумалась” природа, от колеса до компьютера.
В то же время без биоподобных структур очень трудно манипу
лировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномаши
ныассемблеры должны представлять собой синтез живых и техни
ческих систем. Дрекслер дает ассемблеру следующее определение:
18
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
А
А
с
с
с
с
е
е
м
м
б
б
л
л
е
е
р
р
– это молекулярная машина, способная к самореп
ликации, которая может быть запрограммирована строить
практически любую молекулярную структуру или устройство
из более простых химических строительных блоков.
Главная задача ассемблера соединение атомов и молекул в
заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы лю
бого назначения двигатели, станки, вычислительные устрой
ства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекуляр
ный робот со сменными программами на “перфолентах” типа
цепочек РНК или ДНК.
Внешний вид сборщика можно представить себе как
“ящик” нанометрового размера с “рукой” манипулятором
длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипуля
тора могут служить атомы, молекулы и химически активные
молекулярные конструкции. Внутри сбор
щика размещены устройства, управ
ляющие работой манипулятора и
содержащие программу всех его
действий. Поскольку составле
ние больших молекул со слож
ной структурой потребует осо
бой точности в позиционирова
нии, ассемблер должен иметь
несколько таких манипуляторов.
Возможно, ассемблер будет
чемто похож на паука, при
этом одними “лапами” он будет
держаться за поверхность, а другими складывать сложные мо
лекулярные структуры атом за атомом. Наиболее популярная
схема наноассемблера представлена на рисунке.
Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры,
программируемые на какомнибудь обычном языке управле
ния промышленными роботами и имеющие связь с обычным
компьютером, которым управляет человек. Представим, что
человекоператор моделирует на компьютере некоторую
конструкцию, особым образом задавая её молекулярную
структуру. “Нарисовав” нужный объект, он передает команду
ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом.
И через некоторое время у конструктора появляется готовая
вещь с заданными характеристиками при минимальном вме
шательстве человека.
Ассемблеры могут работать в паре с
д
д
и
и
з
з
а
а
с
с
с
с
е
е
м
м
б
б
л
л
е
е
р
р
а
а
м
м
и
и
– на
номашинами, способными разбирать объект на атомы с за
писью его структуры на молекулярном уровне. Например, для
создания копии какогото объекта необходимо, чтобы дизассе
мблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию
о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом
может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретичес
ки такая копия ничем не будет уступать оригиналу она будет
повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры так
же помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру
Как уже было сказано, ассемблеры будут обладать способ
ностью к
репликации
(размножению). Когда речь идет об
19
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 6. Внешний вид ассемблера
эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя
скопировать, включая любые изменения, которым он мог подверг
нуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплици
руется (размножается путём создания своей копии) ассемблер по
команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.
Таким образом, создав один единственный универсальный
ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько
часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном
смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой
ассемблеров является сложность их первоначального конструи
рования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борют
ся за право быть первыми в этом революционном прорыве.
Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы:
от “проживающих” в организме нанокомпьютеров, убивающих ра
ковые клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до
автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.
Сегодня Foresight Institute – базис всех мировых нанотехно
логий – обещает $250.000 тому, кто построит наноманипуля
тор – “руку”, которая сможет оперировать на молекулярном
уровне, и тому, кто создаст 8битный сумматор, умещающийся
в кубике со стороной в 50 нанометров (так что у вас еще есть все
шансы неплохо подзаработать!).
Ждать осталось не так уж долго. Оптимисты считают пери
одом расцвета практических нанотехнологий первую четверть
наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины
века. Значит, тем, кто сегодня определяет свою будущую про
фессию, стоит задуматься: быть может, программист наноробо
тов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее
популярными специальностями уже через несколько лет.
Краткая справка по истории нанотехнологий
Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого фи
лософа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал сло
во “атом” для описания самой малой частицы вещества.
1
1
9
9
0
0
5
5
Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал
работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара состав
ляет примерно 1 нанометр.

Пнд 16 Дек 2013 04:38:13
>>59040774 >>59040774
Вот например комнатка, извини за бардак, я нре ждала гостей в столь поздний час :з

Пнд 16 Дек 2013 04:40:17
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
1
1
9
9
3
3
1
1
Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали
электронный микроскоп, который впервые позволил исследо
вать нанообъекты.
1
1
9
9
5
5
9
9
Американский физик Ричард Фейнман впервые опуб
ликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации.
Основные положения нанотехнологий были намечены в его ле
гендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of
Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском
Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с
точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких
препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.
Тогда его слова казались фантастикой только лишь по од
ной причине: еще не существовало технологии, позволяющей
оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять
его и поставить на другое место).Чтобы стимулировать интерес
к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впер
вые запишет страницу из книги на булавочной головке, что,
кстати, осуществилось уже в 1964 году.
1
1
9
9
6
6
8
8
Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного под
разделения американской компании Bell, разработали теорети
ческие основы нанообработки поверхностей.
1
1
9
9
7
7
4
4
Японский физик Норио Танигучи ввел в научный
оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механиз
мы размером менее 1 микрона.
1
1
9
9
8
8
1
1
Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер соз
дали сканирующий туннельный микроскоп прибор, позволя
ющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном
уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.
1
1
9
9
8
8
5
5
Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото
и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно из
мерять предметы диаметром в один нанометр.
1
1
9
9
8
8
6
6
Создан атомносиловой микроскоп, позволяющий, в
отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодей
ствие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1
1
9
9
8
8
6
6
Нанотехнология стала известна широкой публике.
Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в
которой предсказал, что нанотехнология в скором времени
начнет активно развиваться.
21
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
1
1
9
9
8
8
9
9
Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил
название своей фирмы атомами ксенона.
1
1
9
9
9
9
8
8
Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.
2
2
0
0
0
0
0
0
Администрация США объявила “Национальную
нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology
Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено
$500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604
млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004
году правительство США приняло решение увеличить финан
сирование научных исследований в этой области до $3, 7 млрд.
в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в
2004 году составили около $12 млрд.
2
2
0
0
0
0
4
4
Администрация США поддержала “Национальную на
номедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology
Initiative
Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и
потребностями общества в быстрой переработке огромных мас
сивов информации.
Современные кремниевые чипы могут при всевозможных
технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012
года. Но при ширине дорожки в 4050 нанометров возрастут
квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать
переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта (о нем
речь пойдет ниже), что равнозначно короткому замыканию.
Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо
кремния используются различные углеродные соединения раз
мером в есколько нанометров. В настоящее время ведутся са
мые интенсивные разработки в этом направлении.
Оборудование нанотехнологии
Всякая технология, будь то обработка материала на макро
, микро или наноуровне, не может обходиться без средств из
мерения соответствующих величин. Среди многообразия изме
рительных приборов существуют специальные приборы для из
мерения как больших, так и малых расстояний.
Так, малые расстояния вплоть до миллиметрового (10
3
м)
порядка легко измеряются с помощью обычной линейки. Ею
можно измерить, например, толщину куска плотного картона.
Не так уж трудно измерить толщину тонкого листа бумаги, ес
22
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ли таких листов много. Сложите в стопку сто листов, возьмите
линейку и разделите получившуюся величину на 100. В резуль
тате такого измерения мы получаем толщину одного листа, ис
ходя из того, что все листы совершенно одинаковые.
Однако для меньших размеров линейка уже не годится. Ес
ли попытаться измерить с ее помощью толщину волоса, то
единственное, что можно будет сказать это то, что волос очень
тонкий, что очевидно и без измерений. Поэтому чтобы идти
дальше в сторону еще меньших расстояний, необходимы увели
чительные приборы, из которых всем наиболее знаком обыч
ный оптический микроскоп.
Оптический микроскоп позволяет видеть мелкие детали ве
личиной до 0, 25 мкм. Дальнейшие способы улучшения микрос
копа, работающего на принципах оптики, привели к созданию
его электронного варианта, с помощью которого удается наблю
дать предметы с размерами порядка нанометра. Электронный
микроскоп позволяет различать даже атомные решетки, но вот
обнаружить в них дефекты он уже не может
3
. А ведь для целей на
нотехнологии нужно хорошо визуализировать отдельные атомы!
Поэтому когда все возможности данного устройства были
исчерпаны, ученые принялись искать новые пути решения пос
тавленной задачи. И вот в начале ХХ века появилась ориги
нальная идея изучать вещество, не увеличивая визуально иссле
дуемую площадь его поверхности, а как бы трогая её. Здесь при
годился открытый к тому времени туннельный эффект, на ос
нове которого в 1981 году был создан первый сканирующий
туннельный микроскоп (СТМ).
Подробным изучением СТМ и туннельного эффекта мы
займемся позже, а пока лишь в общих чертах раскроем их суть.
Т
Т
у
у
н
н
н
н
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
й
й
э
э
ф
ф
ф
ф
е
е
к
к
т
т
является принципиально квантовоме
ханическим эффектом, не имеющим аналога в классической
физике, и потому представляет огромный интерес для исследо
вателей. Он основан на корпускулярноволновом дуализме –
двойственной природе элементарных частиц.
С точки зрения классической механики очевидно, что ни
какое материальное тело, имеющее энергию E, не может прео
долеть потенциальный барьер высотой V
0
, если V
0
>E. Напри
23
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
3
. Подробнее о принципах работы различных микроскопов рассказывается в главе "Инструменты

Пнд 16 Дек 2013 04:41:17
Короче, я пошла чистить зубки и готовиться ко сну.
Боксер-кун, если ты не передумал мне помогать, пиши. Если передумал, в любом случае, добра тебе. И всем остальным тоже добра. Вернусь минут через 16.

Пнд 16 Дек 2013 04:42:48
>>59040877
Ну та, что у нас сдется, наверное не сильно отличается. Интересно как снаружи - коридоры там, кухня) Нафига с кошаком по коммуналкам ездить?

Пнд 16 Дек 2013 04:43:18
>>59040942
Не возвращайся. Тред будет наглухо завайпан. Это только разминка.

Пнд 16 Дек 2013 04:45:22
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
>>59040768
мер, если принять за материальное тело мяч, а за потенциаль
ный барьер – очень высокий бетонный забор, то понятно, что
если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко – так,
что его энергии не хватит на перелет стоящего перед ним барь
ера, то он, ударившись о преграду, отскочит назад.
Однако если в качестве материального тела рассмотреть
электрон, то оказывается, что даже если высота потенциально
го барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с
определенной вероятностью может оказаться с другой стороны
барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если
бы в “заборе” оказалась некая “дырка” или туннель
4
Это необъяснимое, на первый взгляд, туннелирование яв
ляется следствием того, что электрону присущи как корпуску
лярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической
частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути
преграду, требующую для преодоления большей энергии, дол
жен был бы отразиться от этой преграды. Однако, будучи од
новременно и волной, он проходит сквозь эту преграду, подоб
но тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь
материальные объекты.
Таким образом, над поверхностью любого проводника или
полупроводника всегда наблюдается некоторое количество сво
бодных электронов, “вышедших” за его пределы не в результате
термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту.
Если взять два проводящих вещества, расположить их на
расстоянии 0, 5 нм друг от друга и приложить к ним сравнитель
но малую разность потенциалов (0, 11 В), то между ними воз
никнет электрический ток, обусловленный туннельным эф
фектом, который называется туннельным током.
24
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 7. Туннельный эффект
4.
Причины столь "парадоксального" поведения подробно анализируются в главе "Законы
квантового мира".
Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересую
щего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую
иглу с кончиком в атом толщиной, то, проводя ею над изучае
мым объектом (сканируя его поверхность) можно получать ин
формацию о строении объекта на атомном уровне.
В 1981 году сотрудники компании IBM Г. Бининг и Г. Ро
рер на основе этого явления построили первый
с
с
к
к
а
а
н
н
и
и
р
р
у
у
ю
ю
щ
щ
и
и
й
й
т
т
у
у
н
н
н
н
е
е
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
й
й
м
м
и
и
к
к
р
р
о
о
с
с
к
к
о
о
п
п
(СТМ) и в 1982г. с его помощью впервые
в истории получили изображение поверхности золота, а затем и
кремния с атомарным разрешением.
За это открытие в 1985 году уче
ные были удостоены Нобелевской
премии, а дальнейшее развитие ска
нирующей микроскопии привело к
бурному развитию нанотехнологий.
По иронии судьбы, огромные воз
можности СТМ были осознаны дале
ко не сразу: некоторые научнопопулярные издания даже не
хотели брать в печать статью Бининга и Рорера, содержащую
описание изобретения, на основании того, что это якобы “не
достаточно интересно”! (впрочем, то же наблюдалось и десять
лет спустя в ряде российских СМИ).
Рабочим органом СТМ – зондом – служит токопроводя
щая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверх
ности на очень близкое расстояние (~0, 5 нм) и при подаче на
зонд постоянного напряжения между ними возникает туннель
ный ток, который экспоненциально зависит от расстояния
между зондом и образцом. Это значит, что при увеличении рас
стояния лишь на 0, 1 нм туннельный ток уменьшается почти в
10 раз! Именно это и обеспечивает высокую разрешающую
способность микроскопа, поскольку незначительные измене
ния по высоте рельефа поверхности вызывают существенное
изменение туннельного тока.
Поддерживая ток и расстояние постоянным при помощи
следящей системы, зонд сканирует поверхность, перемещаясь
над нею по осям X и Y, то опускаясь, то поднимаясь в зависи
мости от ее рельефа.
Информация об этом перемещении отслеживается компь
ютером и программно визуализируется, чтобы исследователь
мог увидеть на экране объект с нужным разрешением.
25
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 8. STM изображение поверхности
монокристаллического кремния
26
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 9. Схема работы СТМ
Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимос
ти от режима сканирования образцов.
В
режиме постоянной высоты
острие иглы перемещается в
горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирова
ния изменяется (рис. 10а). Исходя из данных о величине тока
туннелирования, измеренной в каждой точке поверхности,
строится образ ее рельефа.
В
режиме постоянного тока
СТМ задействуется система об
ратной связи для поддержания постоянного тока туннелирова
ния путем подстройки высоты сканирующего устройства над
поверхностью в каждой ее точке (рис. 10б).
У каждого режима есть преимущества и недостатки. Режим
постоянной высоты быстрее, так как системе не приходится перед
вигать сканирующее устройство вверхвниз, но при этом можно
получить полезную информацию только с относительно гладких
образцов. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью
изучать сложные поверхности, но он занимает и больше времени.
Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа
является механический манипулятор, который должен обеспе
чивать перемещение зонда над поверхностью с точностью до
тысячных долей нанометра. Обычно механический манипуля
тор изготавливают из пьезокерамического материала.
Удивительным свойством такого материала является
п
п
ь
ь
е
е
з
з
о
о
*
*
э
э
ф
ф
ф
ф
е
е
к
к
т
т
. Суть его заключается в следующем: если из пьезомате
риала вырезать прямоугольную балку, нанести на противопо
ложные стороны металлические электроды и приложить к ним

Пнд 16 Дек 2013 04:46:20
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
>>59040768
>>59040747
разность потенциалов, то под действием тока произойдет изме
нение геометрических размеров балки. И наоборот: при малей
шей деформации (сжатии) балки на ее противоположных кон
цах возникнет разность потенциалов. Таким образом, управляя
малыми изменениями тока, можно добиться перемещения зон
да на очень малые расстояния, необходимые для работы скани
рующего микроскопа.
В практических конструкциях обычно
используют пьезокерамические манипуля
торы, выполненные в виде тонкостенной
трубки с несколькими раздельными элект
родами. Управляющее напряжение вызы
вает удлинение или изгиб таких манипуля
торов и, соответственно, перемещение
зонда по всем трем пространственным ко
ординатам X, Y и Z.
Конструкции современных манипуляторов обеспечивают
диапазон перемещения зонда до 100–200 мкм в плоскости и до
5–12 мкм по высоте.
Туннельный микроскоп позволил ученым исследовать по
верхности на атомном уровне. Однако этот прибор имеет и ряд
ограничений. Основанный на туннельном эффекте, он может
применяться только для изучения материалов, хорошо прово
дящих электрический ток.
Но прогресс не стоит на месте, и в 1986 г в лаборатории цю
рихского отделения IBM были созданы микроскопы следующе
го поколения –
а
а
т
т
о
о
м
м
н
н
о
о
*
*
с
с
и
и
л
л
о
о
в
в
ы
ы
е
е
(АСМ). АСМ тоже позволяет
исследовать поверхности с атомной точностью, но уже вовсе не
27
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 10. Режимы работы СТМ
Рис 11. Схема
пьезоманипулятора
обязательно электропроводящие. Сегодня именно он представ
ляет наибольший интерес для исследователей.
Принципы действия атомносилового и туннельного мик
роскопов практически одинаковы, только в отличие от тун
нельного работа атомносилового микроскопа основана на ис
пользовании сил межатомных связей. На малых расстояниях
(около 0, 1 нм) между атомами двух тел действуют силы
отталки
вания (рис. 12а), а на больших – силы притяжения (рис.
12б).
28
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
а) б)
Рис 12. Принцип действия АСМ
В сканирующем атомносиловом микроскопе такими тела
ми служат исследуемая поверхность и скользящее над нею ост
рие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная иг
ла. При изменении силы F, действующей между поверхностью
и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется,
и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого
элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.
На рисунке представлена кривая зависимости межатомной
силы от расстояния между острием иглы и образцом.
По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все
сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения
будет возрастать, пока игла и поверхность не сблизятся нас
только, что их электронные облака начнут отталкиваться элект
ростатически. При дальнейшем сближении электростатическое
отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения.
Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами
около 0, 2 нм.
Подобно СТМ в АСМ сканирование поверхности может про
исходить двумя способами:
сканирование кантилевером
(зондом)
и
сканирование подложкой.
В первом случае вдоль исследуемой
поверхности движется кантилевер, во втором относительно не
подвижного кантилевера дви
жется сама подложка.
Для регистрации сил вза
имодействия зонда с поверх
ностью обычно используют
метод, основанный на реги
страции отклонения лазер
ного луча, отраженного от
кончика зонда. Луч направ
ляется на самый кончик
кантилевера, покрытый спе
циальным алюминиевым
зеркальным слоем, после че
го попадает в специальный
четырёхсекционный фотодиод.
Таким образом, малейшие отклонения кантилевера приво
дят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода,
что, в свою очередь, меняет сигнал с фотодиода, показывающе
го смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система
позволяет измерять отклонения луча на угол 0.1”, что соответ
ствует отклонению кантилевера всего на сотые доли нанометра!
Поскольку АСМ не требует, чтобы образцы были проводя
щими, он позволяет исследовать свойства проводников и изо
ляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.
Дальнейшее развитие
зондовой микроскопии по
казало, что изложенный
принцип может быть реали
зован практически для любо
го вида взаимодействия ост
рия зонда с поверхностью.
Это привело к созданию це
лого ряда различных подви
дов микроскопов, носящих
общее название – сканирую
щие зондовые микроскопы (СЗМ). Сегодня наиболее известны
следующие их разновидности:
туннельные зонды;
атомносиловые зонды;

Пнд 16 Дек 2013 04:47:13
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
оптические зонды ближнего поля;
магнитные силовые зонды;
электростатические силовые зонды и др.
К более подробному изучению некоторых типов СЗМ мы
обратимся в одной из следующих глав, а пока представляем об
щую схему СЗМ.
30
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 15. Общая схема работы СЗМ
В конструкции каждого сканирующего зондового микроско
па есть свои особенности. Однако общая схема остается более
или менее одинаковой. В состав СЗМ обычно входит компьютер,
который управляет работой электромеханической части микрос
копа, принимает и записывает регистрируемые зондом данные и
производит на их основе построение СЗМизображения. Кроме
того, специальное программное обеспечение позволяет исследо
вателю как угодно манипулировать полученным изображением
(масштабировать, поворачивать, строить сечения и т.п.) чтобы
проанализировать наблюдаемую картину поверхности.
Терминология, сложившаяся в сканирующей зондовой
микроскопии, несет на себе отпечаток своего англоязычного
происхождения. Так, часто острие сканирующей иглы называ
ется “типом” (tip), а консоль – “кантилевером” (cantilever).
Сегодня СЗМ являются основными инструментами нано
технологии. Благодаря значительным усовершенствованиям
они позволяют изучать не только топологию (геометрические
свойства) исследуемых объектов, но и массу других характерис
тик: магнитные и электрические свойства, твердость, однород
ность состава и др., и все это с нанометровым разрешением!
Кроме определения различных параметров, современные
СЗМ позволяют
манипулировать
нанообъектами, обеспечивать
захват отдельных атомов и перенос их в новую позицию, произво
дить атомарную сборку проводников шириной в один атом, прида
вая поверхностям различных предметов новые нужные качества.
Существуют два основных способа манипуляции атомами с
помощью иглы СТМ:
г
г
о
о
р
р
и
и
з
з
о
о
н
н
т
т
а
а
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
й
й
и
в
в
е
е
р
р
т
т
и
и
к
к
а
а
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
й
й
. При вер
тикальной манипуляции после захвата нужный атом отрывают
от поверхности, поднимая зонд на несколько ангстрем. Отрыв
атома от поверхности контролируют по скачку тока. Разумеет
ся, отрыв и перетаскивание атома требует больших усилий, чем
просто его “перекатывание” по поверхности, как при горизон
тальной манипуляции, но зато потом процесс переноса не за
висит от встречающихся на поверхности препятствий (ступе
ней, ям, адсорбированных атомов). После перемещения в не
обходимое место атом “сбрасывают”, приближая острие к по
верхности и переключая напряжение на игле.
Сегодня в мире в широком ассортименте выпускаются СЗМ
и принадлежности к ним. Среди наиболее известных фирм
можно назвать Digital Instruments, Park Scientific Instruments,
Omicron, Topometrix, Burleigh и др. Цены на них колеблются в
широких пределах — от 40 тыс. долл. за простейший АСМ до
100–200 тыс. долл. и выше в зависимости от комплектации и
спектра решаемых задач. В России СЗМ изготавливают фирмы
НанотехнологияМДТ, Концерн Наноиндустрия и др.
Между прочим, нельзя не отметить один интересный факт:
в сказке Н. Лескова “Левша” первый русский нанотехнолог, су
мевший подковать блоху, утверждает, что увидеть надписи на
гвоздиках, которыми подкована блоха, можно только в мелкос
коп с увеличением в 5 миллионов раз, что в точности соответ
ствует увеличению современного СТМ!
Самосборка
Чтобы материалы обладали высоким качеством, они долж
ны быть хорошо структурированы на уровне атомов и молекул.
31
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Одним из нанотехнологических способов создания таких за
данных структур является самосборка.
Самосборка широко распространена в живой природе.
Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток,
структура самих клеток определяется самосборкой из отдель
ных молекул и т.д.
Механизм самосборки наносистем в природе подтолкнул
исследователей к попытке “скопировать” его принципы для
построения искусственных наноструктур. Так, в настоящее вре
мя достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитиру
ющего естественную костную ткань. Для этого использовалась
самосборка волокон около 8 нм диаметром, имитирующих есте
ственные волокна коллагена. К полученному материалу хорошо
прикрепляются естественные костные клетки, что позволяет ис
пользовать его как “клей” или “шпатлёвку” для костной ткани.
Очень развита электростатическая самосборка, позволяю
щая изменять материал в реальном времени. Основой для это
го служит управление разностью потенциалов, приложенных к
материалу с наночастицами внутри.
Наноэффекты в природе: удивительные лапки
“Длина его составляет от 8 до 30 см. Голова довольно широ
ка и сильно сплющена, глаза без век со щелевидным зрачком,
шея коротка, тело толстое и сплющенное, хвост умеренной
длины, по большей части весьма ломкий. Тело покрыто мелки
ми бугорчатыми и зернистыми чешуйками. Водятся в теплых
странах Старого и Нового света”...
Речь идет о гекконе – безобидной красивой ящерке, давно
привлекающей внимание ученых своей уникальной способ
ностью лазать как угодно и где угодно. Гекконы не только взби
раются по отвесным стенам они с такой же легкостью ходят по
потолку или оконному стеклу.
Долгое время ученые не могли понять, каким образом гек
кон бегает по совершенно гладкому вертикальному стеклу, не
падая и не соскальзывая. Было предпринято много попыток
объяснить этот природный феномен.
Сначала полагали, что весь секрет в уникальных присосках,
которыми снабжены лапки животного. Но выяснилось, что на

Пнд 16 Дек 2013 04:48:01
>>59040962
Когда я завела кошака, а точнее мне его подарили, я жила в приличной однокомнатной квартире. Потом случилось ЧТО-ТО, и я мне пришлось променять кв на коммуналку, кота я взяла с собой.
Кухня - пикрилейтед. Она на две комнаты, как раз на мою и того борогозного паренька, еще есть общая на все 9комнат кухня, но ее фоток у меня нет. Фотка старая, женщина на ней - предыдущий жилец, она уже тут не живет

Пнд 16 Дек 2013 04:48:27
я просто оставлю это здесь
http://www.lastfm.ru/user/shedevralen/charts?subtype=artists

Пнд 16 Дек 2013 04:49:06
>>59040962
>>59040942
>>59040877

>>59040774
>>59040768
>>59040747
>>59040746
>>59041073
лапах геккона нет ничего, похожего на присос
ки, которые, обеспечивали бы ящерице хо
рошее сцепление.
Не оправдалось и предположение,
что геккон бегает по стеклу, приклеива
ясь к его поверхности клейкой жид
костью, подобно тому, как держится на
разных предметах улитка. В случае
клейкой жидкости на стекле остава
лись бы следы от его лап; тем более ни
каких желез, способных выделять такую
жидкость, на лапах геккона не обнаруже
но.
Разгадка этого явления буквально по
разила общественность: ведь при движе
нии геккончик использует законы моле
кулярной физики! Ученые внимательно изучили лапку геккона
под микроскопом. Выяснилось, что она покрыта мельчайшими
волосками, диаметр которых в десять раз меньше, чем диаметр
человеческого волоса. На кончике каждого волоска находятся
тысячи мельчайших подушечек размером всего двести милли
онных долей сантиметра. Снизу подушечки прикрыты листоч
ками ткани, и при большом увеличении видно, что каждый
листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щети
нок. А щетинки, в свою очередь, делятся на сотни лопатообраз
ных кончиков, диаметр каждого из которых всего 200 нм!
Сотни миллионов этих волосков позволяют цепляться за
малейшие неровности поверхности. Даже совершенно гладкое,
на наш взгляд, стекло дает гекконам достаточно возможностей
зацепиться. Как оказалось, здесь работают силы ВандерВа
альса, или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодей
ствия. Теория ВандерВаальса основывается на квантовой ме
ханике. Молекулы веществ на малых расстояниях отталкивают
ся, а на больших притягиваются (тот же принцип положен в ос
нову работы АСМ).
Когда геккон опускает лапку на поверхность, лопаточки на
концах нанощетинок столь плотно прилегают к ней, что лапка
33
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 16. Геккон
как бы прилипает к вертикальной стене или потолку. Но чуть
геккон напряжет мышцы и потянет лапку силы ВандерВа
альса исчезают, и она легко отделяется от поверхности!
Силы ВандерВаальса очень малы, однако расположе
ние волосков на пальчиках гекконов позволяет обеспечить
достаточно большую
поверхность взаимо
действия, чтобы яще
рица могла удержаться,
например, на потолке
при помощи всего од
ного пальца своей пя
типалой лапы или кон
чика хвоста.
Все это побудило
исследователей к по
пыткам использовать
сделанное открытие.
Сотрудники американской компании
iRobot сконструировали
робота, который может передвигаться вертикально по стен
кам аквариума. В дальнейшем планируется снабдить его ис
кусственными волосками и увеличить прижимающую силу. А
если удастся прикрепить к роботу хвост геккона, он сможет
бегать по острым граням.
Если эксперименты по созданию ящерицеподобных робо
тов будут успешными, эти механизмы можно будет использо
вать в самых разных областях – от мытья окон в высотных зда
ниях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.
Можно положить данный принцип в основу изготовле
ния липкой ленты, подобной скотчу, которую можно ис
пользовать повторно и даже в вакууме (обычный скотч в
космосе не работает). Ведутся разработки нового поколения
так называемых “сухих клеев” с широким диапазоном ха
рактеристик, которые будут обеспечивать высокую адгезию
(липучесть) на основе электростатики.
Можно изготовить обувь и перчатки, прочно удерживаю
щие человека на вертикальной стене. Они облегчили бы жизнь
не только альпинистам и монтажникамскалолазам, но и всем
остальным людям.
34
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 17. Увеличенное изображение лапки геккона
Фуллерены и углеродные нанотрубки
Еще Демокрит в своей атомистической концепции Все
ленной обратил внимание на то, что мир состоит из множест
ва “кирпичиков” химических элементов и их соединений,
различающихся между собой особыми свойствами.
Как неодинаковы свойства каждого из “кирпичей мирозда
ния”, так неодинаковы и их истории. Одни элементы, такие,
как медь, железо, сера, углерод, известны с доисторических
времен. Возраст других измеряется только веками, несмотря на
то, что ими, даже не открытыми, человечество пользовалось
всегда (тот же кислород, к примеру, был открыт лишь в XVIII
веке). Третьи были открыты 100200 лет тому назад, но приоб
рели первостепенную важность лишь в наше время. К ним от
носятся уран, алюминий, бор, литий, бериллий и др.
У четвертых рабочая биография только начинается...
В 1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли
совершенно неожиданно открыли принципиально новое угле
родное соединение –
ф
ф
у
у
л
л
л
л
е
е
р
р
е
е
н
н
, уникальные свойства которого
вызвали целый шквал исследований. В 1996 году первооткры
вателям фуллеренов присуждена Нобелевская премия.
Основой молекулы фуллерена является углерод этот уни
кальнейший химический элемент, отличающийся способ
ностью соединяться с большинством элементов и образовывать
молекулы самого различного состава и строения. Из школьно
го курса химии вам, конечно же, известно, что углерод имеет
два основных аллотропных состояния: графит и алмаз. Так вот,
с открытием фуллерена, можно сказать, углерод приобрел еще
одно аллотропное состояние. Для начала рассмотрим структу
ры молекул графита, алмаза и фуллерена.
Г
Г
р
р
а
а
ф
ф
и
и
т
т
обладает
слоистой структурой
.
Каждый его слой состоит из атомов углеро
да, ковалентно связанных друг с другом в
правильные шестиугольники.
Соседние слои удерживаются вместе
слабыми ВандерВаальсовыми силами. По
этому они легко скользят друг по другу. При
мером этого может служить простой каран
даш когда вы проводите графитовым
35
www.nano >>59041085
newsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 18. Структура графит

Пнд 16 Дек 2013 04:49:46
>>59041085
Ты сделал меня СТЫД.

Пнд 16 Дек 2013 04:49:53
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
>>59040768
стержнем по бумаге, слои постепенно “отслаиваются” друг от
друга, оставляя на ней след.
А
А
л
л
м
м
а
а
з
з
имеет трехмерную
тетраэдри*
ческую структуру
. Каждый атом углерода
ковалентно связан с четырьмя другими.
Все атомы в кристаллической решетке
расположены на одинаковом расстоянии
(154 нм) друг от друга. Каждый из них свя
зан с другими прямой ковалентной
связью и образует в кристалле, каких бы
размеров он ни был, одну гигантскую макромолекулу.
Благодаря высокой энергии ковалентных связей СС алмаз
обладает высочайшей прочностью и используется не только как
драгоценный камень, но и в качестве сырья для изготовления ме
таллорежущего и шлифовального инструмента (возможно, чита
телям доводилось слышать об алмазной обработке различных ме
таллов).
Ф
Ф
у
у
л
л
л
л
е
е
р
р
е
е
н
н
ы
ы
получили свое название в честь архитектора
Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры
для использования их в архитектуре (поэтому их также называ
ют бакиболами). Фуллерен имеет
каркасную структуру
, очень
напоминающую футбольный мяч, состоящий из “заплаток”
пяти и шестиугольной формы. Если представить, что в верши
нах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы по
лучим самый стабильный фуллерен С
60
.
В молекуле С
60
, которая является наиболее известным, а
также наиболее симметричным представителем семейства фул
леренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый
пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый
шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками
и три с пятиугольниками.
Структура молекулы фуллерена инте
ресна тем, что внутри такого углеродного
“мячика” образуется полость, в которую
благодаря капиллярным свойствам можно
ввести атомы и молекулы других веществ,
что дает, например, возможность их безо
пасной транспортировки.
36
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис19. Структура алмаза
Рис 20. Структура
фуллерена
По мере исследования фуллеренов были синтезированы и
изучены их молекулы, содержащие различное число атомов уг
лерода от 36 до 540.
Однако разнообразие углеродных каркасных структур на
этом не заканчивается. В 1991 году японский профессор Сумио
Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получив
шие названия нанотрубок.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
т
т
р
р
у
у
б
б
к
к
а
а
– это молекула из более миллиона атомов углеро
да, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и
длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы угле
рода расположены в вершинах правильных шестиугольников.
37
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 21. Представители фуллеренов а) С
60
b) C
70
c) C
90
Рис 22. Структура нанотрубки
Структуру нанотрубок можно представить себе так: берем
графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и “склеиваем”
ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут сов
сем подругому). Казалось бы, что может быть проще – берешь
графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до
экспериментального открытия нанотрубок никто из теорети
ков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изу
чать их и удивляться.
А удивляться было чему – ведь эти изумительные нанотруб
ки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса оказались на ред
кость прочным материалом. Нанотрубки в 50100 раз прочнее
стали и имеют в шесть раз меньшую плотность!
Модуль Юнга

уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок
вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки
не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему пове
дению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под
действием механических напряжений, превышающих критичес
кие, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не
“рвутся”, не “ломаются”, а простонапросто перестраиваются!
Эти необычные свойства нанотрубок можно использовать
для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом
объеме могут быть вдесятеро сильнее биологических, не боятся
высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.
Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные
композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не
стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанока
бель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы
намотать на катушку размером с маковое зернышко. Неболь
шая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы
выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз
больше ее собственной массы!
Правда, в настоящее время максимальная длина нанотру
бок составляет десятки и сотни микрон – что, конечно, очень
велико по атомным масштабам, но слишком мало для повсед
невного использования. Однако длина получаемых нанотрубок
постепенно увеличивается сейчас ученые уже вплотную по
дошли к сантиметровому рубежу. Полиучены многослойные
нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеять
ся, что в ближайшем будущем ученые научатся выращивать на
нотрубки длиной в метры и даже сотни метров.
Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии:
ведь невидимый невооруженным взглядом “трос” в тысячи раз
тоньше человеческого волоса и способный удерживать груз в
сотни килограмм найдет бесчисленное множество применений.
Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и
многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демон
стрируют целый спектр самых неожиданных электрических,
магнитных, оптических свойств.
Например, в зависимости от конкретной схемы сворачива
ния графитовой плоскости (
хиральности
) нанотрубки могут
быть как проводниками, так и полупроводниками электричест
ва. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно
менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ.

Пнд 16 Дек 2013 04:50:01
>>59040877
Так вот как живут тяны. Лампово.

Пнд 16 Дек 2013 04:50:39
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
>>59040811
>>59040774
внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрь
фуллерена внедрить атом какогонибудь вещества (этот про
цесс носит название “интеркаляция”, т.е. “внедрение”), то это
может изменить его электрические свойства и даже превратить
изолятор в сверхпроводник!
А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок?
Оказывается, да. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки це
лую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами га
долиния. Электрические свойства такой необычной структуры
сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так
и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Инте
ресно отметить, что для таких соединений разработаны специаль
ные химические обозначения. Описанная выше структура запи
сывается как Gd@C60@SWNT, что означает “Gd внутри C60 внут
ри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)”.
Может ли какойлибо иной материал с таким простым хи
мическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств,
которыми обладают нанотрубки? Спектр их возможного при
менения очень широк. Вот лишь несколько примеров.
Из нанотрубок можно делать, например, уникальные про
вода для микроприборов. Уникальность их заключается в том,
что ток протекает по ним практически без выделения тепла и
достигает громадного значения – 10
7
А/см
2
. Классический про
водник при таких значениях мгновенно бы испарился.
Разработано также несколько применений нанотрубок в
компьютерной индустрии. Уже в 2006 году появятся эмиссион
ные мониторы с плоским экраном, работающие на матрице из
нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к од
ному из концов нанотрубки, другой конец начинает испускаться
электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и
вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно
изображения будет фантастически малым: порядка микрона!
Другой пример – использование нанотрубки в качестве иг
лы сканирующего микроскопа. Обычно такое острие представ
ляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атом
ным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанот
рубка же представляет собой идеальную иглу диаметром поряд
ка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряже
39
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
ние, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящи
еся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с
места на место.
Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их
одним из основных материалов наноэлектроники. На их основе
изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы
обеспечивают уменьшение устройств по сравнению с кремние
выми на несколько порядков. Сейчас активно обсуждается воп
рос о том, в какую сторону пойдет развитие электроники после
того, как возможности дальнейшей миниатюризации электрон
ных схем на основе традиционных полупроводников будут пол
ностью исчерпаны (это может произойти в ближайшие 56 лет).
И нанотрубкам отводится бесспорно лидирующее положение
среди перспективных претендентов на место кремния.
Еще одно применение нанотрубок в наноэлектронике –
создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур ти
па “металл/полупроводник” или стык двух разных полупровод
ников (нанотранзисторы).
Теперь для изготовления такой структуры не надо будет выра
щивать отдельно два материала и затем “сваривать” их друг с дру
гом. Нужно лишь в процессе роста нанотрубки создать в ней струк
турный дефект (а именно заменить один из углеродных шестиу
гольников пятиугольником) просто надломив его посередине осо
бым образом. Тогда одна часть нанотрубки будет обладать металли
ческими свойствами, а другая свойствами полупроводников!
Нанотрубки – идеальный материал для безопасного хране
ния газов во внутренних полостях. В первую очередь это отно
сится к водороду, который давно стали бы использовать как
топливо для автомобилей, если бы громоздкие, толстостенные,
тяжелые и небезопасные баллоны для хранения водорода не ли
шали водород его главного преимущества – большого количе
ства энергии, выделяемой на единицу массы (на 500 км пробе
га автомобиля требуется всего около 3 кг Н
2
).
Ввиду того, что запасы нефти на нашей планете не беско
нечны, автомобиль на водородном топливе был бы эффектив
ным решением многих экологических проблем. Поэтому, воз
можно, скоро вместо традиционного бензина новые водород
ные “бензобаки” с нанотрубками будут заполнять водородным
40
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
топливом стационарно под давлением, а извлекать – неболь
шим подогревом такого “водородобака”. Чтобы превзойти
обычные газовые баллоны по плотности запасенной энергии,
нужны нанотрубки с полостями относительно большого диа
метра – более 2–3 нм.
В нанотрубки можно не только “загонять” атомы и молеку
лы поодиночке, но и буквально “вливать” вещество. Как пока
зали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капилляр
ными свойствами, то есть как бы втягивает вещество в себя .
Таким образом нанотрубки можно использовать как микроско
пические контейнеры для перевозки и хранения химически или
биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, ком
понентов топлива и даже расплавленных металлов.
Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не мо
гут выйти наружу: концы нанотрубок надежно “запаяны”, а уг
леродное кольцо слишком узко для того, чтобы большинство
атомов "пролезло" через него. В таком виде активные атомы или
молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место
назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца и выпус
кают свое содержимое в строго определенных дозах. Это не фан
тастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во
многих лабораториях, а операции “запаивания” и “распаива
ния” концов нанотрубок вполне под силу современной техноло
гии. Уже создана нанотрубка с одним закрытым концом.
Также не исключено, что через 1015 лет на базе этой техно
логии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, боль
ному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с
очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в
определенном месте организма некими микроскопическими
механизмами и “вскрываются” в определенный момент. Совре
менная технология уже практически готова к реализации такой
схемы через 3 5 лет. Основной проблемой является отсутствие
эффективных методов “открывания” таких механизмов и их
интеграции в белковые маркеры для поиска клетокмишеней.
Возможно, создадут и более эффективные методы доставки
лекарств на основе вирусов и нанокапсул. На основе нанотру
бок также создан конвейер, способный точно транспортировать
отдельные атомы с большими скоростями вдоль нанотрубки.

Пнд 16 Дек 2013 04:51:50
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
>>59040840
Ультрадисперсные наноматериалы
Рассмотренные выше фуллерены и нанотрубки изза своих
сверхмалых размеров относятся к ультрадисперсным.
Д
Д
и
и
с
с
п
п
е
е
р
р
с
с
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
– это степень раздробленности вещества на
частицы. Чем меньше размер отдельной частицы, тем выше
дисперсность. Большинство веществ окружающего нас мира
существуют в виде дисперсных систем, например, грунты и
почвы, многие технические материалы (песок, различные по
рошки и т.д.), некоторые продукты (соль, сахар, крупа). По сте
пени дисперсности частицы можно разделить на грубодисперс
ные,
высокодисперсные
(или коллоидные, размер которых ко
леблется в пределах от 10
5
– 10
7
м) и
ультрадисперсные
(соотве
тственно, нанометрового порядка).
Повышенный интерес ученых к наноматериалам объясня
ется тем, что уменьшение дисперсности частиц какоголибо ве
щества может приводить к заметным изменениям их свойств.
Так, еще в XIX веке Майкл Фарадей, впервые создав коллоид
ную суспензию золота, состоящую из крошечных частиц этого
металла, обнаружил, что ее цвет менялся на фиолетовый, что
свидетельствует об изменении отражающих свойств суспензии
при уменьшении размеров частиц.
В последнее время стало известно, что наночастицы сереб
ра оказывают антибактериальное действие, что делает их полез
ными для лечения многих болезней. Это свойство серебра еще
в древности заметили служители церкви, используя серебро для
приготовления “святой воды”. Но в виде наночастиц антибак
териальная активность серебра повышается в тысячи раз!
Такие углеродные наночастицы, как фуллерены и нанот
рубки, своими удивительными свойствами тоже подтверждают
тот факт, что многие вещества в наноформе не ведут себя так
же, как в привычном для нас виде. Это объясняется тем, что с
уменьшением размеров частиц увеличивается интенсивность
их взаимодействия с окружающей средой, что приводит к изме
нению их газонасыщенности, окисленности, токсичности,
взрывоопасности, плотности и т.д. по сравнению со свойствами
тех же материалов в обычной форме.
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного мате
риала известно уже достаточно давно и используется в разных
областях техники. Примерами могут служить широко применя
42
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
емые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол
благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.
Малые частицы и наноразмерные элементы используются для
производства различных авиационных материалов. Например,
в авиации применяются радиопоглощающие керамические ма
териалы, в матрице которых беспорядочно распределены ульт
радисперсные металлические частицы.
Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или
меди) размером от 30 нм используют как присадки к моторным
маслам для восстановления изношенных деталей автомобиль
ных и других двигателей непосредственно в процессе работы.
Ультрадисперсные материалы обычно не встречаются в
природе в свободном состоянии, а представляют собой искус
ственный продукт. В настоящее время существует большое ко
личество способов измельчения веществ, например: механи
ческое дробление (для получения различных порошков), реза
ние (получение стружки), измельчение в шаровых, вибрацион
ных и вихревых мельницах, измельчение ультразвуком и др.
Наночастицы производятся и при помощи нанотехноло
гии, в частности, туннельнозондовыми методами, использую
щими “умение” современных сканирующих микроскопов ма
нипулировать отдельными атомами. И, конечно же, большие
успехи в этом направлении будут достигнуты после создания
ассемблеров сборщиков атомных структур.
Подробному обсуждению свойств и эффектов, присущих
наночастицам, посвящена отдельная глава “Нанохимия и
наноматериалы”.
Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы
Благодаря прорыву в области производства микроскопов
современные ученые могут манипулировать атомами и распо
лагать их так, как им заблагорассудится. Такого еще не было за
всю историю развития человечества!
Идеальная техническая система
– это система, масса, габа
риты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способ
ность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный
случай идеализации техники заключается в уменьшении её раз
меров (вплоть до полного “исчезновении”) при одновремен
ном увеличении количества выполняемых ею функций. В иде
43
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
але – технического устройства не должно быть видно, а функ
ции, нужные человеку и обществу, должны выполняться. Закон
увеличения степени идеальности гласит: развитие всех систем
идет в направлении увеличения степени идеальности.
На практике хорошей иллюстрацией этого закона может
служить постоянное стремление производителей микроэлект
роники и бытовой техники к миниатюризации, созданию уст
ройств всё меньших размеров со все большими функциональ
ными возможностями. Взять, например, те же сотовые телефо
ны или ноутбуки: размер все уменьшается, в то время как функ
циональность только растет.
Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются
закономерным шагом на пути совершенствования технических
систем. И возможно, не последним: за областью нановеличин
лежат области
пико
(10
12
),
фемто
(10
15
),
атто
(10
18
) и т.д. вели
чин с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами...
В настоящее время на рынке продаются только скромные
достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покры
тий, "умной одежды" и упаковок, позволяющие дольше сохра
нять свежими продукты питания. . Однако ученые предсказы
вают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком буду
щем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все
отрасли производства.
Нанотехнология станет основой новой промышленной
революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз
более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности че
ловеческим клеткам.
Уже создаются и будут создаваться устройства, функцио
нальные возможности которых определяются необычными
свойствами новейших материалов. Благодаря обработке на
атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улуч
шенными свойствами, постепенно становясь все легче, проч
нее и меньше по объему. Согласно прогнозам большинства уче
ных, это произойдет уже через 1015 лет.
Как уже говорилось. возможности использования нанотех
нологий неисчерпаемы начиная от микроскопических компь
ютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобиль
ными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, од
нако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие

Пнд 16 Дек 2013 04:52:35
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энер
гии и печальные последствия Чернобыльской аварии или траге
дию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должны
четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или
халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под
угрозу существование всего человечества и планеты в целом.
В связи с этим становится понятно, почему с самого появ
ления нанотехнологии её развитию мешают страхи, часть кото
рых однозначно относится к разряду научной фантастики, но
некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания. К сожале
нию, обсуждение этих проблем выходит за рамки книги. Поэ
тому, дабы не вводить читателя в заблуждение и позволить ему
самостоятельно сделать выводы, в этой главе мы отдельно рас
скажем о тех перспективах и возможностях, которых мы вправе
ожидать от нанотехнологий, а затем кратко опишем возможные
проблемы и опасности, связанные с их развитием.
Небывалые возможности
Медицина
Медицина изменится неузнаваемо. Вопервых, наночастицы
могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и
управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с мет
камиидентификаторами смогут доставлять лекарства непосред
ственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут конт
ролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом
веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с
онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями.
Представьте себе, что вы подхватили грипп (при этом вы
даже еще не знаете, что его подхватили). Тут же среагирует сис
тема искусственно усиленного иммунитета десятки тысяч на
нороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внут
ренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни
одного вируса у Вас в крови не будет! Или у вас начался ранний
атеросклероз искусственные клетки начинают чистить меха
ническим и химическими путями Ваши сосуды .
Вовторых, возможно создание нанороботовврачей, спо
собных “жить” внутри человеческого организма, устраняя все
возникающие повреждения или предотвращая их возникнове
45
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
ние. Последовательно проверяя и, если надо, “исправляя” моле
кулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут
здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких
заболеваний и патологий, в том числе генетических. Теоретичес
ки это позволит человеку жить сотни, а может быть, тысячи лет.
Втретьих, появится возможность быстрого анализа и мо
дификации генетического кода, простое конструирование ами
нокислот и белков, создание новых видов лекарств, протезов,
имплантантов. В этой области рядом исследователей уже про
водится проверка различных наноматериалов на совмести
мость с живыми тканями и клетками.
По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем
будущем появятся медицинские устройства размером с почто
вую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устрой
ство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие
медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.
Нужно отметить, что появление высоких технологий изза
их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых
проблем, в том числе моральноэтического свойства, связан
ных с наличием и доступностью медицинских услуг для широ
ких слоев населения. Тем не менее, как бы сильно ни развива
лась научнотехническая основа медицины, главными факто
рами исцеления больного всегда были и останутся профессио
нальная подготовка, этические и человеческие качества врача.
Материаловедение
Качество многих привычных материалов может быть повы
шено за счет использования наночастиц и атомарной обработ
ки. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и
прочные композитные (смешанные, сложносоставные) мате
риалы. Появятся так называемые “умные” материалы, способ
ные изменять свою структуру в зависимости от окружающей
среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и
негорючие (на основе алмазоида), которые могут использовать
ся в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Электроника, компьютерные технологии, робототехника
С появлением новых средств наноманипулирования воз
можно создание механических компьютеров, способных в кубе
46
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
47
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 23. Медицинские нанороботы в представлении художников
с ребром 100 нм функционально повторить современный мик
ропроцессор Intel Pentium II.
Применение нанотехнологий в микроэлектронике (т.е. теперь
уже наноэлектронике) позволит перейти от планарной техноло
гии изготовления процессоров (с количеством транзисторов 10
8
шт. на см
2
) к 3Dтехнологии, то есть к 10
12
транзисторов на см
3
со
ответственно, что в 10 тыс. раз больше, чем на современном этапе.
Развитие методов атомносиловой микроскопии может
обеспечить производство памяти с поверхностной плотностью
данных до 17 терабит/см
2.
Это позволит создать компьютеры и
микропроцессорные системы гораздо большей производитель
ности, чем существующие сейчас.
В 2002 году компания HP создала память с электронной ад
ресацией, имеющую на сегодняшний день наибольшую плот
ность данных. Опытный лабораторный образец 64битной па
мяти использует молекулярные переключатели (ключи) как ак
тивные устройства и по размерам не превосходит квадратного
микрона. Эта область настолько мала, что больше 1000 таких
устройств может поместиться на торце человеческого волоса.
Плотность битов в устройстве более чем в 10 раз больше, чем в
современных кремниевых аналогах.
С течением времени предполагается дальнейшее уменьше
ние компьютерных компонентов с помощью нанотехнологии.
Это приведет к оснащению практически всех бытовых уст
ройств встроенными компьютерами.
Планируется создание нанороботов размером всего 12 мик
рон, оснащенных бортовыми механокомпьютерами и источни
ками энергии, которые будут полностью автономны и смогут вы
полнять разнообразные функции, вплоть до самокопирования.
На основе нанотрубок уже сейчас создают детали нанома
шин – подшипники, передачи. Создание наномоторов на осно
ве АТФ (универсального аккумулятора и переносчика энергии
во всех биологических системах) позволит приводить в движе
ние нанороботов, а развитие беспроводной лазерной связи поз
волит управлять ими и служить “энергопроводом”.
Микроскопия и средства визуализации
Если на сегодняшний день основными средствами визуа
лизации являются СЗМ – сканирующие зондовые микроско

Пнд 16 Дек 2013 04:53:11
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
пы, то с появлением нанороботов откроются новые возможнос
ти в наноманипулировании, сканировании и средствах визуа
лизации макромолекулярных структур, поскольку можно будет
обрабатывать их с атомарной точностью.
Социальные последствия
По прогнозам экспертов Национальной нанотехнологи
ческой инициативы США, развитие нанотехнологий через 10
15 лет позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в
$1.000.000.000.000 и миллионы рабочих мест.
Принципиально иным станет образование. Дети получат кар
манные наноконструкторы, создающие движущиеся модели жи
вотных, машин и космических процессов, которыми они смогут
управлять. Соответственно, изменится и сам подход к обучению,
традиционная безличная классноурочная система канет в прош
лое, изменятся учебные программы. Игровые и учебные нанома
шины откроют доступ к мировым знаниям, разовьют по индиви
дуальной программе умственные способности каждого ребенка.
Труд в современном смысле, то есть “в поте лица”, который с
незапамятных времен был главным содержанием жизни, переста
нет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимос
ти, цены, денег. Зато повысится, вероятно, стоимость идеи
конструкции определенной вещи для построения ее ассемблерами.
Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном
обществе осуществится настоящая утопия, но не из тех, где да
ется рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. На
оборот, каждый человек получит максимальное разнообразие
вариантов существования, возможность, не мешая другим, сво
бодно избирать и менять образ жизни, экспериментировать,
ошибаться и начинать сначала.
Домашний быт и сельское хозяйство
Нанотехнологиии способны произвести революцию в
сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут производить
пищу, "освободив" от этого растения и животных. С этой целью
они будут использовать любое “подножное сырье”: воду и воз
дух, где есть главные нужные элементы – углерод, кислород, азот,
водород, алюминий и кремний, а остальные, как и для “обыч
ных” живых организмов, потребуются в микроколичествах.
49
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
К примеру, теоретически возможно производить молоко
прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову. Челове
ку не придется убивать животных, чтобы полакомиться жаре
ной курочкой или копченым салом. Предметы потребления бу
дут производиться “прямо на дому”.
Промышленность и космонавтика
Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассембле
ры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически воз
можно, что они будут способны конструировать из готовых ато
мов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на
компьютере любой продукт и он будет собран и размножен
сборочным комплексом нанороботов.
В своих “Машинах созидания” Дрекслер описывает, как
примерно будет выглядеть создание, или точнее говоря “выра
щивание” ракетного двигателя:
“Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку
основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы на
полняют его вязкой жидкостью, содержащей миллионы ассембле
ров, запрограммированных на функции сборщиков двигателя.
В центре подложки находится “зародыш” нанокомпью
тер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на
поверхности имеется участок, к которому могут “прилипать”
сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает
информацию о назначенном ему пространственном положе
нии относительно зародыша и приказ захватить своими мани
пуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также
подключаются к компьютеру “зародыша” и получают анало
гичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает не
кое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими под
робностями очерчивающей форму будущего двигателя.
Снова включаются насосы, и взвесь в баке заменяет сбор
щиков раствором строительных материалов – триллионами
атомов различных химических элементов. Компьютер зароды
ша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей
отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также
вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены
нужными атомами и молекулами.
50
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно
гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содер
жащей “топливо” и исходные материалы и выносящей из рабо
чей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компь
ютер зародыша, передает команды каждому строителю. Там,
где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают
атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и
коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия созда
ются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех мес
тах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес
конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему буду
щего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, комп
рессоры, датчики и т.д. На всю работу потребуется менее суток
времени и минимум человеческого внимания.
На что похож этот двигатель? Это уже не массивный кусок
сваренного и скрепленного болтами металла, он без швов, по
добный драгоценному камню. Его пустые внутренние ячейки,
построенные в ряды, находящиеся примерно на расстоянии
длины волны света друг от друга, облегчают структуру, уже сде
ланную из самых легких и прочных известных материалов. В
сравнении с современными металлическими двигателями этот
усовершенствованный двигатель будет легче боле, чем на 90%.
Он выдерживает длительное и интенсивное использование,
потому что состоит из более прочного материала. Поскольку
ассемблеры позволили проектировщикам делать материал дви
гателя таким, что он при нагрузке течет прежде, чем ломается,
двигатель не только прочен, но и износостоек.
При всем своем превосходстве, этот двигатель, в общемто,
вполне обычен. В нем просто заменили плотный металл тщатель
но устроенными структурами из легких, прочно связанных атомов.
Но это все еще самые простые возможности нанотехно
логии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали
бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависи
мости от режима. Только с использованием нанотехнологии
это станет реальностью.
Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем
дерево, сможет подобно мускулам (используя тот же принцип
скользящих волокон) расширяться, сжиматься и изгибаться, >>59041207

Пнд 16 Дек 2013 04:54:05
>>59041207
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет
полностью преобразиться примерно за час.
Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обес
печивающая круговорот веществ, позволит человеку находить
ся в нем неограниченное время, к тому же превратит оболочку
скафандра в “умножитель силы”.
Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о
колонизации иных планет эти устройства смогут создать на
них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет
возможным автоматическое строительство орбитальных сис
тем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, любых
строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе
(эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самос
борки может привести к решению глобальных вопросов чело
вечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. В освое
нии космоса начнется новая эра.
Космический лифт
Тот, кто думает, что с помощью нанотехнологии можно соз
дать только чтото субмикроскопическое, невидимое для челове
ческого глаза, вероятно, будут удивлены проектом, разрабатыва
емым в последнее время специалистами из NASA и привлекшим
столько внимания со стороны ученых и широкой общественнос
ти. Речь идет о проекте так называемого космического лифта.
Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков
тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую
станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана.
Идее космического подъемника более века. Первым о нем
заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Ци
олковский, основоположник современной космонавтики. Он
указывал на то, что принцип, положенный в основе современ
ного ракетостроения, не позволяет современным ракетоноси
телям быть эффективным средством для доставки груза в кос
мос. Причин тому несколько:
Вопервых, КПД современных ракет очень низок изза то
го, что львиная доля мощности двигателей первой ступени ухо
дит на работу по преодолению силы земного тяготения.
Вовторых, известно, что значительное увеличение массы
топлива в несколько раз даёт лишь небольшой прирост скорости
52
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ракеты. Потому, например, американский ракетный комплекс
“СатурнАполлон” при стартовой массе 2900 тонн выводил на ор
биту только 129 тонн. Отсюда астрономическая стоимость косми
ческих запусков с помощью ракет (стоимость вывода килограмма
груза на низкую орбиту составляет в среднем около $10.000.)
И, несмотря на многократные попытки снизить стоимость
запуска ракет, повидимому, радикально удешевить транспор
тировку грузов и людей на орбиту до стоимости стандартных
авиаперевозок на базе современных ракетных технологий
принципиально невозможно.
Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом,
исследователи из ЛосАламосской национальной лаборатории
предложили создать космический лифт. Цена запуска груза с по
мощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с
десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Ученые полагают,
что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть
мир, дав человечеству совершенно новые возможности.
По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяю
щий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли.
Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю
вверх и вниз, перенося спутники и зонды, которые нужно вывес
ти на орбиту. С помощью этого лифта на самом верху можно бу
дет построить в космосе стартовую площадку для космических
аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астерои
дам. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим
лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями
либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими
панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры.
Ученые предлагают разместить наземную базу космического
лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни
километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно,
что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бы
вает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту.
Космический лифт описан в произведениях Циолковского,
а также писателяфантаста Артура Кларка, а проект строитель
ства такого лифта был разработан ленинградским инженером
Юрием Арцутановым в 1960 году. Долгие годы активным про
пагандистом идеи космического лифта был астраханский
ученый Г.Поляков.
53
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Но до сих пор никто не мог предложить материал такой лег
кости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать кос
мический трос. До недавнего времени самым прочным матери
алом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в нес
колько тысяч километров не представляется возможным, так
как даже упрощенные расчеты говорят о том, что стальной трос
необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью
уже на высоте в 50 км.
Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная воз
можность изготовить трос с нужными характеристиками на основе
волокон из сверхпрочных и сверхлегких углеродных нанотрубок.
Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотру
бок, но, по уверениям разработчиков проекта, технологии произ
водства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подоб
ный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет.
Главный элемент подъемника – трос, один конец которого
крепится на поверхности Земли, а другой теряется в космосе на
высоте около 100 тыс. км. Этот трос будет не просто “болтать
ся” в космическом пространстве, а будет натянут, как струна,
благодаря воздействию двух разнонаправленных сил: центро
бежной и центростремительной.
Чтобы понять их прироу, представьте, что вы привязали к
веревке какойнибудь предмет и начали его раскручивать. Как
только он приобретет определенную скорость, веревка натя
нется, потому, что на предмет действует центробежная сила, а
на саму веревку сила центростремительная, которая ее и натя
гивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тро
сом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свобод
ный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику
нашей планеты, только “привязанному” особой “веревкой” к
земной поверхности.
Уравновешение сил будет происходить, когда центр масс
гигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров,
то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно
там искусственные спутники висят неподвижно над Землей,
совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. В этом случае
он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать
строго определенное положение вертикально к земному гори
зонту, точно по направлению к центру нашей планеты.

Пнд 16 Дек 2013 04:54:49
>>59041207
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
55
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Рис 24. Космический лифт в представлении художника Пэта Ролингса*
* Перепечатано с http://flightprojects.msfc.nasa.gov
Для начала строительства космического лифта необходимо
будет совершить пару полетов на космических челноках. Они и
специальная платформа со своим автономным двигателем дос
тавят 20 тонн троса на геостационарную орбиту. Затем предпо
лагается опустить на Землю один конец троса и закрепить где
то в экваториальной зоне Тихого океана на платформе, похо
жей на нынешнюю стартовую площадку для запуска ракет.
Затем рассчитывают пустить по тросу специальные подъем
ники, которые будут добавлять все новые и новые слои нанот
рубочного покрытия к тросу, наращивая его прочность. Этот
процесс должен занять парутройку лет и первый космичес
кий лифт будет готов.
Любопытные совпадения: в 1979 году писательфантаст Ар
тур Кларк в своем романе “Фонтаны рая” выдвинул идею “кос
мического лифта” и предложил заменить сталь неким свер
хпрочным “псевдоодномерным алмазным кристаллом”, кото
рый и стал основным строительным материалом для данного
приспособления. Самое интересное, что Кларк почти угадал.
Нынешний этап интереса к проекту строительства космическо
го лифта связан именно с углеродными кристаллами – нанот
рубками, обладающими замечательными свойствами, с кото
рыми мы уже познакомились.
И что совсем уж удивительно: физика одного из участни
ков разработки космического лифта зовут Рон Морган. Мор
ганом же звали и персонажа романа Артура Кларка инженера,
построившего космический лифт!
Морган настоящий прогнозирует, что первый лифт в космос
человечество сможет построить всего через 1215 лет, что он бу
дет способен поднимать до 20 тонн грузов каждые 3 дня, а его
предварительная стоимость составит 10 миллиардов долларов.
Политика
Нанотехнологии имеют большое военное будущее. На во
енные наноисследования в одном только 2003 году США пот
ратили $201 млн. В военной сфере также активны Великобри
тания и Швеция. Как предполагается, в 2008 году будут предс
тавлены первые боевые наномеханизмы. Военные исследова
ния в мире ведутся в шести основных сферах: технологии соз
дания и противодействия “невидимости”, энергетические ре
сурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позво
ляющие автоматически чинить поврежденную поверхность
танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения хи
мических и биологических загрязнений.
Производители уже получают первые заказы на наноуст
ройства. К примеру, армия США заказала компании Friction
Free Technologies разработку военной формы будущего. Она
должна изготовить носки с использованием нанотехнологий,
которые должны будут выводить пот, но сохранять ноги в тепле,
а носки в сухости.
Чрезвычайно интересен проект исследовательской органи
зации “Институт нанотехнологий для солдат” при Массачусе
56
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
тском технологическом институте. На предстоящие пять лет
институт получил грант ВС США в размере $50 млн. на разра
ботку материалов для солдатской формы средствами нанотех
нологий. В проекте принимают участие около 150 сотрудников,
включая 35 профессоров Массачусетского о института, а также
военные специалисты.
Униформа будущего “наносолдата” должна уметь отражать
пули, самостоятельно лечить раны своего хозяина, повышать
его способности, делать его незаметным и позволять ходить по
отвесным стенам. В отличие от средневековых аналогов “нано
кольчуга” будущего, произведенная при помощи молекуляр
ных технологий, будет легкой и удобной.
Для защиты от поражения огнестрельным оружием может
быть создан так называемый
экзоскелет
специальный костюм,
повышающий свою плотность в месте удара пули.
Еще одна идея вплетать в ткань волокна органических по
лимеров, отражающие свойства которых зависят от механичес
ких напряжений либо электрических полей. Это сделает солда
та “невидимым” для стандартных систем обнаружения, ис
пользующих различные виды излучения, поскольку в сочета
нии с массивом микромеханических датчиков эти нановолокна
смогут воссоздавать прохождение света таким образом, как ес
ли бы солдата не было в данном месте.
При этом солдатам не обязательно носить на себе еще и
электрогенератор, чтобы обеспечить электропитание собствен
ного обмундирования искусственные мускулы, разрабатывае
мые в настоящее время в Массачусетском технологическом
институте, позволяют преобразовывать механическую энергию
движения и накапливать её наподобие аккумулятора. Солдат
сможет сначала поднакопить запасы энергии в ткани, а затем
использовать ее, чтобы перепрыгнуть через высоченную стену.
Прямо как в компьютерных играх чтобы высоко и далеко
прыгнуть, надо какоето время просто идти.
Экология
Нанотехнологии способны также стабилизировать эколо
гическую обстановку. Новые виды промышленности не будут
производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смо
гут уничтожить последствия старых загрязнений – нанотехни

Пнд 16 Дек 2013 04:54:57
Ладно, всем споки ноки. Я особо-то и не надеялась на помощь со стороны двачей... Но попытка - не пытка!
Пока-пока!

Пнд 16 Дек 2013 04:55:43
>>59041207
>>59041129
>>59041122
>>59041085
>>59041073
>>59040962
>>59040942
>>59040877
ка восстановит озоновый слой, очистит от загрязнений почву, ре
ки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники,
запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливаю
щиеся контейнеры. Более того, эксперименты с образцами почв,
пораженных радиационно и химически (в том числе и черно
быльских), показали возможность восстановления их с помощью
нанопрепаратов на основе бактериородопсина до естественного
состояния микрофлоры и плодоносности за несколько месяцев!
Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица
Земли, сократятся сельскохозяйственные угодья, большую
часть планеты покроют сады и естественные экосистемы...
С помощью механоэлектрических нанопреобразователей
можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим
КПД и создавать эффективные устройства для получения элект
роэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Утилиза
ция отходов и глобальный контроль за энергосистемами позво
лит существенно увеличить сырьевые запасы человечества.
Опасности, которыми не следует пренебрегать
Восторженно предвкушая те положительные изменения,
которые принесет с собой промышленная революция, не будем
столь наивны, чтобы не задуматься о возможных опасностях и
проблемах. Многие крупные ученые современности не зря пы
таются привлечь внимание не только к позитивным перспекти
вам будущего, но и к возможным негативным последствиям.
Билл Джой, сооснователь и ведущий ученый Sun
Microsystems в Пало Альто, штат Калифорния, утверждает, что
исследования в области нанотехнологий и других областях
должны быть остановлены до того, как это навредит человече
ству. Его опасения поддержала еще одна группа нанотехноло
гов, выпустив так называемый “Foresight Guidelines” – “руко
водящие линии Института предвидения”. Как и Джой, они
считают, что стремительный рост нанотехнологий выходит из
под контроля. Но, вместо простого запрета исследований в
этой области они предложили установить правительственный
контроль над опасными исследованиями. Такой надзор, утве
рждают они, сможет предотвратить случайную катастрофу.
Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986
года, после выхода в свет “Машин созидания” Дрекслера, где
он не только нарисовал утопическую картину нанотехнологи
58
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ческого будущего, но и затронул “обратную сторону” этой ме
дали. Одну из проблем, которая представлялась ему наиболее
серьезной, он назвал “
п
п
р
р
о
о
б
б
л
л
е
е
м
м
о
о
й
й
с
с
е
е
р
р
о
о
й
й
с
с
л
л
и
и
з
з
и
и
” (“grey goo problem”).
Опасность серой слизи в том, что нанометровые ассемблеры,
вышедшие изпод контроля в результате случайной или наме
ренной порчи систем управления, могут начать реплицировать
сами себя до бесконечности, потребляя в качестве строительно
го материала все на своем пути, включая леса, заводы, домаш
них животных и людей. Расчёт показывает, что теоретически
такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии
переработать всю биомассу Земли за считанные часы (правда,
без учёта времени на перемещение по поверхности планеты).
Предварительный анализ показывает, что ассемблер может
быть сделан достаточно надёжным, чтобы вероятность появления
самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малой.
Однако неразумно полностью исключить опасность преднаме
ренного программирования ассемблера террористом или хулига
ном, подобным современным создателям компьютерных вирусов.
В своих опасениях Джой опирается на то, что гипотетичес
кие части футуристических микромашин уже выпущены и
встают на свои места. “Один из компонентов ассемблера –
электронное устройство молекулярных размеров, – говорит
Джой, – сейчас уже реализовано”.
Далее он узнал, что саморепликация уже давно работает вне
биологических систем: исследователи показали, что простые
пептидные молекулы могут провоцировать свою собственную
репродукцию. “Вот почему самореплицирующиеся машины
становятся все более реальными, заключил Джой. И от их
реальности веет угрозой”.
Другие ученые опровергают страхи перед “серой слизью”,
говоря о принципиальной невозможности преодолеть все прак
тические трудности в создании подобных механизмов. “Все это
высосано из пальца”, утверждает Блок. Будет ошибкой оттал
киваться от того, что раз простые молекулы имеют способность
к репродукции, то инженеры смогут построить сложные нанома
шины, умеющие делать то же самое. Что касается биологических
систем, то они, конечно, способны к репликации, но, вопер
вых, они далеко не нанометровых размеров, а вовторых, фан
тастически сложны по своей структуре, поскольку включают в
59
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
себя отдельные системы для хранения и копирования генной ин
формации, системы энергопроизводства, синтеза белков и др.
“Даже природа не сделала нанометрической структуры,
способной к репликации”, замечает Виола Вогель, наноуче
ный Университета Вашингтона, штат Сиэтл.
Тем не менее, возможны другие сферы злоупотребления
достижениями нанотехнологий. На одной из встреч, посвя
щенных обсуждению дальнейшего развития нанотехнологий,
представители научного общества, исследовательских центров
и государственных агентств были собраны для обсуждения
проблем в этой области, вызывающих беспокойство. Особенно
остро вставали вопросы следующего типа:
Способна ли образовательная система обучить доста
точно нанотехнологических специалистов?
Может ли прогресс нанотехнологий подорвать традици
онный бизнес и оставить тысячи людей без работы?
Может ли снижение стоимости продукции благодаря нано
технологиям и молекулярной биологии сделать их легкодоступны
ми для террористов, чтобы разработать опасные микроорганизмы?
Каким будет эффект от вдыхания некоторых веществ,
которые в настоящее время формируются в молекулярном
масштабе? Исследования показали, что та же нанотрубка,
представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет
структуру, похожую на асбест, а этот материал при вдыхании
вызывает повреждение легких.
Что случится, если в окружающую среду будет выпуще
но большое количества наноматериала, начиная от компьютер
ных чипов и заканчивая краской для самолетов? Не будут ли
наноматериалы вызывать аллергию?
Когда Майкл Фарадей создавал коллоидную суспензию
золота, состоящую из крошечных частиц металла, он увидел,
что ее цвет менялся на фиолетовый. Значение этого открытия
очень важно для нанотехнологии. Не окажутся ли материалы,
считавшиеся безопасными в обычной форме, опасными для
здоровья, когда их используют в форме наночастиц? Теорети
чески он >>59041242
и могут оказаться более химически активными.
Не приведет ли вторжение наночастиц в наши тела к
непредсказуемым последствиям? Они могут быть меньше бел
ков. Что случится, если наночастицы вызовут пересворачива

Пнд 16 Дек 2013 04:56:20
>>59041242
Поки-поки. Сиськи с супом не забудь в следующий раз.

Пнд 16 Дек 2013 04:58:24
>>59041073
Ну, за 10 штук наверно норм

Пнд 16 Дек 2013 04:58:56
>>59041242
Уебывай и не возвращайся.

Пнд 16 Дек 2013 04:59:30
>>59041315
ние белка? Проблемы со сворачиванием белка могут вызвать,
например, болезнь Альцгеймера.
Эти и другие вопросы, стоящие сегодня перед исследовате
лями, действительно очень актуальны и важны. В бешеной гон
ке нанотехнологий ученые должны взять на себя всю полноту от
ветственности за жизнь и здоровье других людей, чтобы не ока
заться беззаботными фанатиками, совершившими “революцию”
только лишь “во имя революции”, не утруждая себя размышле
ниями о возможных трагических последствиях и катастрофах.
По всем этим причинам исследование наноэффектов но
вых технологий будет требовать принципиально новых методов
и междисциплинарного подхода.
Нано на стыке наук
Если достижения ушедшего века позволяют говорить, что ХХ
век был веком узкоспециализированных профессионалов, то се
годня, поступая в то или иное учебное заведение, молодой человек
не может быть абсолютно уверен, что профиль, на который он со
бирается потратить 5 лет своей жизни, лет через 510 не окажется
никому не нужным “старьем” в свете современных технологий.
“Так как же быть?”, спросите вы. Неужели традиционное
профессиональное образование может обесцениться настоль
ко, что станет не актуальным на рынке труда?
Конечно, нет, но на современном этапе профессионализма в
какойто узкоспециализированной профессии будет явно не хва
тать. Как вы, наверное, уже поняли, нанотехнологии это не прос
то отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область
исследований. Ее достижения касаются всех сфер жизнедеятель
ности человека. И поэтому лидирующее положение в будущем, ес
тественно, будут занимать люди, обладающие фундаментальным
образованием, основанным на междисциплинарном подходе.
Вероятно, постепенно эта тенденция будет распространять
ся и на вузовское образование, побуждая составителей учебных
программ объединять множество фундаментальных дисциплин
в одном курсе. Но зачем же ждать, когда это сделают академики
из Минобразования, когда у нас сегодня есть все возможности
самим развиваться в разных направлениях, включая не только
естественнонаучный профиль, но и гуманитарный?
61
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
К сожалению, современная система нацелена на формиро
вание узкоспециализированных "винтиков", а не самостоятель
но мыслящих и гармонично развитых людей. Нередко можно
встретить человека, прекрасно разбирающегося, например, в
программировании, но при этом совершенно не знакомого с
достижениями современной биологии, или наоборот. Поэтому,
надеюсь, читатель простит меня за небольшой "ликбез" по раз
личным направлениям современной науки и техники.
Ярким примером междисциплинарного мышления, дос
тигшего выдающихся результатов в различных областях науки и
искусства, являлся гений Леонардо да Винчи. Его нельзя назы
вать только ученым, только художником, только архитектором
или только инженером. Леонардо да Винчи своим примером
показал возможность плодотворного сочетания различных зна
ний и умений в одном человеке, что бы там ни утверждали
адепты “узкоспециализированного подхода”.
Кстати, если говорить о связи нанотехнологий с фундамен
тальными науками, то можно сказать, что практически любой
предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет
связан с технологиями будущего.
Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой,
химией и биологией. Повидимому, именно эти науки получат
наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся на
нотехнической революцией.
Но не только. Без развития информационных систем (осо
бенно таких областей информатики, как искусственный интел
лект, компьютерное моделирование, робототехника и т.д.),
фундаментальной базой которых является математический ап
парат, невозможно проектирование и создание ассемблеров и
других устройств наноэлектроники.
Эколог будущего также не останется без работы. Напротив,
прогресс в сфере нанотехнологий, будет ставить перед ним все
больше вопросов и задач: от автоматических наносистем охраны
окружающей среды до сверхточного прогнозирования и борьбы
с экологическим загрязнением и природными катаклизмами.
Бурное освоение космоса может дать совершенно новый
материал для астрономических исследований и гипотез.
Историки и обществоведы будут изучать характерные
черты и проблемы “нанотехнологического общества” как
62
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
следующего за “информационным” в цепочке общественно
исторических формаций.
Основы безопасности жизнедеятельности, возможно, станут
одним из актуальнейших направлений будущих исследований.
Психологи и социологи будут решать множество вопросов,
связанных с адаптацией всех “неподготвленных” к неожидан
ным последствиям нанореволюции.
Возросшие требования к образованию, потребность в но
вых методах и концепциях обучения потребует от будущих учи
телей новаторства и активности.
Перед философами, экономистами и политологами встанет
множество новых вопросов, требующих нетрадиционных ре
шений в условиях нанотехнического прогресса.
Музыка, изобразительное искусство, литература, балет, театр
и все, что относится к выражению творческого потенциала чело
века, всегда стояли несколько особняком от научнотехническо
го прогресса. С одной стороны, это говорит о том, что стремле
ние человека к прекрасному, возвышенному извечно и что ни
какие достижения научнотехнического прогресса не в силах
уменьшить в глазах человека той ценности и притягательности,
которой обладают такие нравственные категории, как доброта,
красота, истина, благородство, честность, творчество, любовь.
С другой стороны, во все времена искусство пыталось отра
зить современное состояние общества, не отставая от научно
технического прогресса в своём индивидуальном поиске новых
средств и форм выражения. Так, в Средние века отражение те
ологической морали, господствовавшей во всех сферах общест
венной жизни, можно увидеть во всех образцах культуры того
времени, будь то живопись, музыка или литература.
Эпоха Возрождения, провозгласившая человека венцом
творения и воспевающая его божественное происхождение в
проявлении чисто “человеческих” качеств, также оставила не
мало свидетельств такого мировоззрения в произведениях ис
кусства того времени.
Кинематограф, литература и поэзия Советского периода
нашей с вами истории также проникнуты идеями и лозунгами
социализма и коммунизма.
Опять же, современное искусство позиционирует себя как
“искусство новых технологий” и использует все последние дос >>59041328
>>59041207
>>59041129
>>59041122
>>59041085

Пнд 16 Дек 2013 04:59:54
>>59039693
Жили-были Няша-Стесняша из Петербурга (полтора года назад понаехала), и Быдло Ебаное. Жили они в одной коммуналке, неподалёку друг от друга. И вот, закончилось лето тёплое, наступила осень. Няша-Стесняша построила себе избушку лубяную, а Быдло Ебаное — ледяную. И взяло кароче Быдло Ебаное за привычку напиваться, да упарыватьсяж и Няшу-Стесняшу гонять ссаным веником, да пиздюдей выписывать, ваще за человека не считать, ептыблядьнахуй. без пруфов-то оно и понятно

Закручинилась Няша, да отправилась на Ночной, махнула мыльной фоточкой горенки своей девичьей и давай плакаться Лигивону...
И вот, набрел на тред боксер центровской Питерскай, подвигами своими славный, да немало быдла в Купчино, на Уделке, на Просвете, да на Ветеранов угомонивший:

– Няша-стесняша, что плачешь??

– Как же мне не плакать? Была у меня избушка лубяная, а у Быдла Ебаного — ледяная. Отопление включили, у Быдла Ебаного совсем кукушку своротило, так на мою теперь залупается, — "уебывай", говорит, "шлюха беспруфная".

– Хуйня-Война, Няшка, не плачь! Я твоему горю помогу! Пойдем, я его хуком слева уработаю и еще аперкотом шлифану! Подошли они к избушке, Боксер-богатырь наушники с мишеймавашой вытащил, да как заорет Зычным Голосом:

– Быдло Ебаное, срать тебе в анус, не смей няшу трогать, выходи, сука, к турничкам пиздиться боем смертным!
&t;...>

ну вы понели

Пнд 16 Дек 2013 05:00:09
>>59041328
Где сажа, дебил блядь.

Пнд 16 Дек 2013 05:00:49
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
>>59041129
>>59041122
тижения компьютерной техники. Медиаарт, вебарт, компью
терная графика, голография – наиболее актуальные на сегод
няшний день направления. Иными словами, искусство шеству
ет вслед за прогрессом, не желая оставаться “за бортом” и стре
мясь всегда адекватно отражать окружающую нас действитель
ность. Таким образом, перспективы развития науки и техники
также определяют пути искусства.
Кстати, в 2001 году японские учёные, используя передовые ла
зерные технологии, создали самую маленькую в мире скульптуру.
Она изображает разъярённого быка, разворачивающегося для атаки.
Размеры “микробыка” впечатляют: 10 мкм в длину и 7 мкм в высоту
– не больше, чем у красных кровяных телец че
ловеческой крови. Увидеть его можно только в
сверхмощный микроскоп. При “высечении”
скульптуры использовались два лазера, кото
рые работали в инфракрасном диапазоне и по
специальной программе обрабатывали заго
товку из полимера, затвердевавшего только под
воздействием лазерного луча. Почему бы этому бычку не положить
начало новому направлению в области наноскульптуры?
И кто знает, может быть не за горами тот день, когда
“Битлз” нового поколения поразят весь мир новым музыкаль
ным “нано”течением...
Наноиндустрия в России и за рубежом
Считается, что с 2000 года началась эра гибридной наноэле
ктроники. В настоящее время ежегодно проводятся сотни конфе
ренций, посвящённых различным аспектам нанотехнологии.
Опубликованы сотни тысяч статей и монографий, созданы спе
циальные сайты в Интернете, происходит интенсивная подготов
ка к созданию наноэлектронных элементов и различных функци
ональных устройств: от простейших до нанокомпьютеров.
Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологии наи
более активно развиваются: микро и наноробототехника, поз
воляющая создать миниатюрные исполнительные механизмы с
быстродействием в миллионы раз выше существующих и более
сложные робототехнические системы с распределёнными ме
ханическими устройствами: интегральная нанооптоэлектрони
ка, позволяющая создать солнечные элементы с КПД в 4 раза
64
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 25. Микроскульптура
больше существующих, светодиоды и лазеры с перестраивае
мым от инфракрасного до ультрафиолетового спектром излуче
ния, высокоэффективные транспаранты и функциональные
оптические приборы.
Осознание стратегической важности нанотехнологий при
вело к тому, что в разных странах на уровне правительств и
крупнейших фирм созданы и успешно выполняются програм
мы работ по нанотехнологиям.
В Японии программа работ по нанотехнологии получила
высший государственный приоритет “Огато”. Данный проект
спонсирует не только государство, но и дополнительно около
60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финанси
ровалось около дюжины проектов, посвящённых различным
аспектам нанотехнологии квантовым волнам, флуктуациям в
квантовых системах, и др. Крупнейшими проектами являлись
“Atom Craft project” и “Aono project”. Внимание, уделяемое го
сударством, было не случайным ещё 10 лет назад в стране при
суждались золотые медали за лучшие достижения в области на
нотехнологии. Основные разработки проводились в центре
перспективных технологий “Цукуба”.
В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотех
нологические исследования и разработки, финансируемые как
по государственным, так и по международным программам
(программа НАТО по нанотехнологии).
Кроме того, программы работ по нанотехнологии приобре
ли статус государственных программ даже в сравнительно не
больших странах типа Голландии и Финляндии.
В США отставание от Японии в финансировании работ по
нанотехнологии стало предметом государственного обсуждения,
в результате которого объём финансирования одних только фун
даментальных исследований каждый год стал удваиваться.
С целью форсирования работ именно в данном направле
нии в 2000 году по решению правительства США работы по на
нотехнологии получили высший приоритет. В результате была
создана Национальная нанотехнологическая инициатива, а
при президенте организован специальный комитет, координи
рующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях
промышленности и вооруженных силах.
65
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Одной из целей программы является создание на основе
нанотехнологии вычислительных устройств с производитель
ностью в миллион раз выше существующих процессоров
Pentium. Кроме того, в отличие от финансирования работ в об
ласти фундаментальных исследований, объём финансирования
работ по нанотехнологии в фирмах многократно выше. Напри
мер, только в фирме Intel в прошлом году на разработки в об
ласти нанотехнологий было потрачено более 1 млрд. долл.
В 2005 году мы насчитываем уже более 50 стран, ведущих
исследования и разработки в нанотехнологии, включая Южно
Африканскую Республику.
В России фундаментальные исследования по нанотехноло
гии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные
из них: программа “Физика наноструктур”, руководимая ака
демиком Ж.И. Алферовым, и “Перспективные технологии и
устройства в микро и наноэлектронике”, руководимая акаде
миком К.А. Валиевым.
По последним данным, о состоянии российской наноинду
стрии можно сказать следующее:
Достигнуты высокие результаты в области создания нано
технологических приборов и установок. Были развиты основы
микромеханики и разработаны сканирующие зондовые, тун
нельные и атомносиловые микроскопы (концерн “Наноинду
стрия”, фирма НТМДТ, HTE, НИИФП им. Ф.В.Лукина и др.).
Отечественные ученые создали собственные теоретические
и экспериментальные заделы в области твердотельных элемен
тов квантовых компьютеров, квантовой связи, квантовой крип
тографии. Технологии атомного масштаба (0, 50, 1 нм) откры
вают абсолютно новые перспективы в этой сфере.
Разрабатываются новые методы получения наноматериа
лов: синтез и компактирование ультрадисперсных порошков,
получение наноматериалов методами интенсивной пластичес
кой деформации, кристаллизация из аморфного состояния,
пленочная нанотехнология.
Проводятся материаловедческие работы в области “интел
лектуальных материалов”, ультрадисперсного состояния и суп
рамолекулярной химии, коллоидных систем, а также разраба
тываются теоретические принципы строения частиц с нанораз
мерами, учитывающие размер как физикохимический фактор.

Пнд 16 Дек 2013 05:01:57
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
>>59041129
>>59041122
сследования и разработки наносистем. Созданы образцы так
называемых “биочипов”, разработаны технологии выделения
мономолекулярных кристаллических упорядоченных белковых
структур бактериального происхождения и их использования в
области микроэлектроники, микро и наномеханических уст
ройств, биосенсоров, биотехнологии.
Результаты анализа свидетельствуют, что отечественные
разработки находятся на уровне мировых достижений, но при
очевидных успехах российской науки в области нанотехнологи
ческих исследований наша страна пока не может вплотную за
няться их массовым промышленным внедрением. Главная
проблема – традиционный недостаток финансирования: в нас
тоящее время в России не существует целевой государственной
программы финансирования работ в области нанотехнологий.
Однако все же выдаются гранты на прикладные исследования в
нанотехнологии по отдельным международным программам, а так
же выделяются средства отдельными передовыми предприятиями.
Положительным фактором в этом вопросе является высо
кий кадровый и научнотехнологический потенциал России,
базирующийся на её известных интеллектуальных преимущест
вах. Российское образование высоко оценивается зарубежны
ми предприятиями, и много русских специалистов работает в
нанотехнических лабораториях по всему миру.
67
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Итак, повторим еще раз!
Согласно
закону Мура
, быстродействие компьютеров
удваивается каждые 18 месяцев. Чтобы эта тенденция могла
сохраняться в дальнейшем, необходимо, чтобы размеры тран
зисторов преодолели нанометровый рубеж.
Н
Н
а
а
н
н
о
о
т
т
е
е
х
х
н
н
о
о
л
л
о
о
г
г
и
и
и
и
это технологии манипулирования ве
ществом на уровне атомов и молекул с целью получения про
дуктов с наперед заданной структурой.
Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция
Ричарда Фейнмана “Там внизу много места”, в которой он на
учно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких пре
пятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.
Для эффективного манипулирования атомами Эрик
Дрекслер ввел понятие
а
а
с
с
с
с
е
е
м
м
б
б
л
л
е
е
р
р
а
а
молекулярной наномаши
ны, способной к саморепликации, которая может построить
любую молекулярную структуру. Ассемблеры будут представ
лять собой синтез живых и технических систем.




68
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Пример эффективного природного ассемблера меха
низм синтеза белка рибосомой.
В настоящий момент главным оборудованием нанотехно
логий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее по
пулярны среди которых
туннельный
и
атомно*силовой
микроскопы.
Основным элементом зондовых микроскопов является
зонд (кантилевер) сверхтонкая игла, позволяющая сканиро
вать поверхность с атомарным разрешением.
Работа СТМ основана на измерении колебаний тун
нельного тока, возникающего между зондом и поверхностью
образца на расстоянии менее 0, 5 нм. При изменении расстоя
ния всего на 0, 1 нм туннельный ток изменяется в 10 раз. Такие
перепады позволяют с высокой точностью судить о рельефе
поверхности на уровне атомов.
СТМ может работать в двух основных режимах:
а) постоянной высоты (острие иглы перемещается над
образцом, а ток меняется)
б) постоянного тока (ток поддерживается постоянным
за счет перемещения иглы).
В отличие от туннельного, атомносиловой микроскоп
позволяет исследовать не только проводящие, но и диэлектри
ческие вещества (в том числе и биообъекты). Работа АСМ ос
нована на измерении сил межмолекулярного взаимодействия,
возникающих между зондом и поверхностью на малых рассто
яниях (порядка ангстрема).
В 1985 году Р. Керл, Г.Крото и Р. Смолли открыли третье ал
лотропное состояние углерода
фуллерен
, обладающее удивитель
ными свойствами, за что были удостоены Нобелевской премии.
Молекула фуллерена имеет форму футбольного мяча, и состоит из
правильных пяти и шестиугольников. Свое название фуллерен
получил в честь архитектора Бакминстера Фуллера, впервые при
думавшего использовать подобные структуры в строительстве.
В 1991 году Сумио Иидзима открыл
нанотрубки
цили
ндрические углеродные образования, поразившие ученых фи
зикохимическими свойствами. Нанотрубки бывают однос
лойные и многослойные, они гораздо легче дерева и в десятки
раз прочнее стали, могут быть как проводниками тока, так и
диэлектриками, обладают каппилярным эффектом и могут ис
пользоваться во многих областях науки и техники.
Чем выше дисперсность частицы, тем больше площадь
ее контакта с окружающей средой, что значительно влияет на
химические и физические свойства данного вещества.









69
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Глава 2. Законы квантового мира
“Раз поведение атомов так не похоже на наш
обыденный опыт, то к нему очень трудно при
выкнуть. И новичку в науке, и опытному физи
ку всем оно кажется своеобразным и туман
ным. Даже большие ученые не понимают его
настолько, как им хотелось бы ...”
Ричард Фейнман
Как возникла квантовая физика
Квантовая физика (механика) как научная теория оформи
лась в начале XX века. Она ставит перед собой практически те
же задачи, что и классическая механика Ньютона, то есть уста
навливает способы описания и законы движения физических
тел в пространстве и времени. Различие заключается в том, что
в качестве объектов изучения выступают не макроскопические
тела, как в классической физике, а субмикронные (элементар
ные) частицы из мира атомов и молекул.
Говоря об элементарных частицах, нельзя не упомянуть древ
негреческого философа Демокрита, который полагал, что атомы
– это неделимые частицы материи, различающиеся только фор
мой, величиной и положением. Он считал, что существует всего
четыре вида таких атомов: атомы земли, воды, воздуха и огня.
Химия XIX века доказала существование гораздо большего
разнообразия атомов, а открытие электрона в 1897 году поло
жило конец мифу об их неделимости. Позднее кроме электрона
были открыты и другие субатомные частицы – протон, нейт
рон, мезон, пион и т.д. Но при этом оказалось, что взаимодей
ствие между элементарными частицами происходит под
действием какихто доселе неизвестных сил, многократно пре
вышающих все изученные к тому времени.
Таким образом, в начале ХХ столетия выяснилось, что
классическая механика не способна адекватно описывать зако
ны взаимодействия микрочастиц, движущихся в чрезвычайно
малом объеме (внутри атома), а необходимость установления
этих законов и привело к рождению “новой” физики, получив
шей название квантовой.
Но ведь физика – это наука о природе, ведь это видно даже
из ее названия (“physis” – в переводе с греческого значит “при >>59041392

рода”). И как едина природа, так должна быть единой и физи

Пнд 16 Дек 2013 05:02:27
>>59041354
Хороша история!

Пнд 16 Дек 2013 05:02:49
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041207
>>59041129
>>59041122
ка, изучающая закономерности ее проявлений. Поэтому исто
рически возникшее разделение дисциплины на “классичес
кую” и “квантовую” представляется нам не совсем правиль
ным. Тем не менее, иногда это оправдано – ведь способы реше
ния конкретной физической задачи определяются видом тех
законов и формул, которыми мы пользуемся, а они существен
но различаются в классической и квантовой физике.
Переход от классических представлений к квантовым тре
бует от человека определенной психологической перестройки,
ибо многие понятия, прочно устоявшиеся в нашем классичес
ком мире, оказываются “вне игры” в мире квантовом.
Например, мы привыкли, что в классической физике поло
жение тела вполне конкретно задается в трехмерном простран
стве, а для описания его движения (т.е. изменения положения
со временем) используется понятие
траектории
. При этом, ка
ким бы сложным ни было движение тела в классической меха
нике: равномерным, вращательным, колебательным и т.д., –
мы, зная уравнение его траектории, всегда можем предсказать
положение тела в последующий момент времени. Причем, го
воря о том, что тело движется по некоторой траектории, мы
предполагаем, что оно не может в один и тот же момент пере
мещаться в пространстве еще какимнибудь образом (согласи
тесь, сложно представить автомобиль или самолет, движущий
ся одновременно в двух направлениях).
А вот в квантовой механике мы уже не можем оперировать
понятием единственно возможной траектории частицы вооб
ще, поскольку современный уровень развития знаний о зако
нах квантового мира пока не позволяет нам однозначно и точ
но описывать движение элементарных частиц.
Да что там траектория! Вот если в классике все очевидно –
бросили вы деревяшку (
частицу
) в пруд, а по поверхности пру
да побежали
волны
, – то в микромире сам квантовый объект
умудряется обладать одновременно как волновыми свойства
ми, так и свойствами частицы. Вспомните хотя бы эффект тун
70
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

К
К
в
в
а
а
н
н
т
т
” в переводе с латинского означает “наименьшее
количество”, на которое может измениться дискретная
(прерывистая) физическая величина. Квантом также называют
частицуноситель какихлибо свойств (например, фотон – это
квант электромагнитного поля).
нелирования электронов сквозь потенциальный барьер, с кото
рым мы познакомились в первой главе при изучении СТМ. Ес
ли представить себе электрон в виде микроскопического мячи
ка, движущегося в сторону высокого потенциального “забора”,
то нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что если
его собственная энергия меньше потенциальной энергии барь
ера, то он обязательно отскочит от него (как это сделал бы
обычный мячик в нашем представлении). Факт остается фак
том: некоторые электроны все же “проскакивают” сквозь барь
ер, словно в “заборе” для них имеется специальный “туннель”,
проявляя таким образом свои волновые качества.
В квантовой физике такие “чудеса в решете” строго доказыва
ются и точно описываются, хотя с классической точки зрения выг
лядят абсурдом. Тем не менее, эти “абсурдные” квантовые эффекты
уже десятки лет исправно работают в различных приборах, а тун
нельные микроскопы с 1985 года весьма продуктивно служат науке.
Сразу обращаем ваше внимание на то, что представлять элект
рон в виде круглого мячика не совсем правильно, поскольку на са
мом деле определить его истинную форму физика – пока – неспо
собна. Поэтому следует понимать, что аналогия “электронмячик”
– это лишь удобная мысленная модель, наглядное допущение, оп
равданное в некоторых случаях. Подробнее о проблеме определе
ния природы элементарных частиц мы поговорим чуть позже.
И всетаки, в каком мире мы живем – квантовом или класси
ческом? Повторимся: наш мир един, как его ни назови. А вот каки
ми законами пользоваться – квантовыми или классическими – за
висит от конкретной задачи и необходимой точности ее решения.
Когда же, а точнее – с чего началось разделение физической
науки на классическую и квантовую? Можно сказать, что первоп
ричиной этому было расхождение в понимании природы света.
Первые научные воззрения на природу света принадлежат
великим ученым XVII века – Ньютону и Гюйгенсу. Они придер
живались противоположных взглядов: Ньютон считал, что свет
представляет собой поток частиц (корпускул). Гюйгенс полагал,
что свет – это волновой процесс. По Ньютону получалось, что
чем больше оптическая плотность среды, тем больше в ней ско
рость распространения света, по Гюйгенсу – наоборот. Великих
ученых мог рассудить только опыт, однако в XVII веке необхо
димая для его проведения техника была недоступна. Поэтому
вплоть до XIX века (когда ученым удалось измерить скорость света
71
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
в различных оптических средах) свет считали потоком особых све
товых частиц. Таким образом, сначала “победила” теория Ньютона,
чей непререкаемый авторитет попросту “задавил” идеи Гюйгенса.
Но в начале XIX века Академия наук Франции объявила кон
курс на лучшую работу по теории света, на котором Огюст Фре
нель представил свою работу по интерференции и дифракции све
та, согласно которой свет представляет собой волновой процесс.
Когда распространяющийся плоский фронт волн на пове
рхности воды достигает перегородки, в которой есть узкая
щель, волны выходят из нее кругами. Это явление называется
д
д
и
и
ф
ф
р
р
а
а
к
к
ц
ц
и
и
е
е
й
й
. Дифракция присуща не только обычным волнам,
но и всем видам излучения, включая радиоволны, световые
волны и рентгеновские лучи. При наличии в перегородке нес
кольких щелей каждая из них оказывается источником круго
вых или сферических волн. Эти волны
и
и
н
н
т
т
е
е
р
р
ф
ф
е
е
р
р
и
и
р
р
у
у
ю
ю
т
т
(взаи
модействуют) друг с другом, взаимно уничтожаясь в одних мес
тах и усиливаясь в других.
Надеемся, что из курса школьной физики читатель хорошо
помнит те характерные дифракционные и интерференционные
картины, которые свидетельствуют о способности волн огибать
препятствия, соразмерные длине волны. Поэтому мы не будем под
робно останавливаться на опытах Френеля и продолжим рассказ.
В ходе дальнейшего обсуждения президент Академии Пуас
сон заметил Френелю, что из его теории следуют “нелепые вы
воды”. Например, если осветить тонкую иголку пучком парал
лельных лучей, то в том месте, где должна быть геометрическая
тень от иголки, по теории Френеля должна быть светлая поло
са. Прису >>59041413
тствующий на заседании ученый секретарь Академии
Араго тут же организовал проведение этого нехитрого экспери

Пнд 16 Дек 2013 05:03:27
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
мента, и маститые академики получили возможность убедиться
в правоте Френеля (кстати говоря, это был один из редчайших
случаев в науке, когда критикуемый автор доказал свою право
ту, как говорится, “не отходя от кассы”). Появившаяся затем
теория электромагнетизма Максвелла
, из которой следовало су
ществование в природе электромагнитных волн, и эксперимен
тальное обнаружение этих волн Герцем, доказавшим, что их
свойства подобны свойствам света, окончательно убедили уче
ный мир в том, что свет – это электромагнитная волна.
Казалось бы, вопрос можно было считать закрытым – Нь
ютон ошибался, как и многие. Но дело в том, что у великих и
ошибки великие... В конце XIX века эксперимент установил
т
т
е
е
п
п
л
л
о
о
в
в
о
о
е
е
и
и
з
з
л
л
у
у
ч
ч
е
е
н
н
и
и
е
е
абсолютно черного тела.
Как известно, обычный свет (видимое излучение) предс
тавляет собой совокупность электромагнитных волн разной
длины (~400–760 нм), воспринимаемых человеческим глазом.
Об этом наглядно свидетельствует радуга – природная демон
страция разложения белого цвета на “составляющие”. Ни для
кого не секрет, что наш глаз воспринимает различные цвета не
потому, что объекты обладают некоторым абстрактным свой
ством “цвет”, а потому, что они способны
поглощать
и
отра*
жать
электромагнитные волны некоторой длины. Так, мы
воспринимаем траву и листья деревьев зелеными не потому, что
они “зеленые сами по себе”, а потому, что они поглощают все
электромагнитные волны, кроме тех, которые соответствует зе
леной части спектра. Если бы было иначе, мы бы могли разли
чать цвета и в темноте, чего не наблюдается (недаром возникла
поговорка “ночью все кошки серы”).
Абсолютно черное тело – это, ко
нечно, теоретическая абстракция, но
наиболее близким приближением к
нему является сажа или платиновая
чернь. Суть экспериментов по тепло
вому излучению состоит в следую
щем: в качестве абсолютно черного
тела берется небольшой черный из
73
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
А
А
б
б
с
с
о
о
л
л
ю
ю
т
т
н
н
о
о
ч
ч
е
е
р
р
н
н
ы
ы
м
м
т
т
е
е
л
л
о
о
м
м
называют тело, способное полностью
поглощать весь падающий на него поток излучения,
независимо от длины его волны.
Рис 27. Схематическое изображение
абсолютно черного тела
нутри сосуд с отверстием. Луч света, попавший в такой сосуд,
через некоторое время полностью поглощается стенками сосу
да, нагревая его.
Тепловое излучение можно почувствовать не только прогули
ваясь под летним солнышком, но и приблизив руку к горячему,
но совершенно не светящемуся утюгу. Вслед за эксперименталь
ным обнаружением теплового излучения последовали многочис
ленные попытки его теоретического обоснования, в связи с чем
были построены различные теоретические модели этого явления.
Наиболее адекватной казалась теория теплового излуче
ния, предложенная Рэлеем и Джинсом. При выводе своих фор
мул они действовали
очень строго
, не делая никаких упроще
ний, то есть опирались только на классические столпы физи
ческой науки, утверждавшие, что свет – это электромагнитная
волна. В результате сравнения экспериментальных данных с
уравнениями, выведенными в рамках такого классического
подхода, обнаружилось, что теория РэлеяДжинса описывает
правильно лишь спектр излучения для самых малых частот, а в
целом слишком отличается от реальных показателей.
Согласно этой теории, чем больше частота излучения, тем
больше энергии содержит спектр, то есть все тела должны излу
чать очень большую энергию в виде электромагнитных волн с
очень высокой частотой (которая соответствует ультрафиолетовой
части спектра) и каждое тело, потеряв всю свою энергию, быстро
бы замерзало до отрицательных температур. Этот странный вывод
получил драматическое название “
у
у
л
л
ь
ь
т
т
р
р
а
а
ф
ф
и
и
о
о
л
л
е
е
т
т
о
о
в
в
о
о
й
й
к
к
а
а
т
т
а
а
с
с
т
т
р
р
о
о
*
*
ф
ф
ы
ы
”, так как демонстрировал полный провал попыток объяснить
свойства спектра излучения, оставаясь в рамках понятий класси
ческой физики, согласно которой свет имел волновую природу.
Лишь в 1900м году разрешить это противоречие сумел не
мецкий ученый Макс Планк, выдвинув гипотезу
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
света.
Гипотеза Планка сильно напоминает корпускулярную теорию
Ньютона и хорошо согласуется с результатами, полученными
экспериментально. Если одним из основных идеологических
моментов классической физики было понятие
непрерывности
светового потока, то Планк ввел в физику понятие
дискретнос*
ти,
предположив, что свет испускается отдельными порциями
(квантами), которые он назвал фотонами.
74
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Интересно, что, став основоположником квантовой физи
ки, Планк до конца своих дней боролся против основных ее
идей. В частности, на свою гениальную гипотезу световых кван
тов Планк смотрел не более чем как на изящный математичес
кий прием, позволяющий вывести формулу, точно объясняю
щую все закономерности равновесного теплового излучения.
Основные понятия и законы квантовой механики
Итак, Планк ввел в обращение новый термин – квант.
Что это такое?
В физике величину, имеющую такую размерность в системе
СИ (Дж·с – энергия, умноженная на время), называют
д
д
е
е
й
й
с
с
т
т
в
в
и
и
е
е
м
м
. Это разумно: подействовать – значит сообщить телу
определенную энергию в течение определенного времени. Так
вот, постоянная Планка есть не что иное, как
квант действия
,
то есть наименьшее по величине действие, возможное в приро
де. Ввиду малости величины
ћ
квантовый характер воздействия
для макроскопических тел не проявляется.
Несколько позже великий Эйнштейн для объяснения зако
нов фотоэлектрического эффекта воспользовался гипотезой
Планка и доказал, что свет не только
испускается
квантами, но
и
поглощается
такими же порциями.
Итак, принципиальное свойство света – его двойственная
природа, или
к
к
о
о
р
р
п
п
у
у
с
с
к
к
у
у
л
л
я
я
р
р
н
н
о
о
*
*
в
в
о
о
л
л
н
н
о
о
в
в
о
о
й
й
д
д
у
у
а
а
л
л
и
и
з
з
м
м
. С одной сторо
ны, свет – это совокупность электромагнитных волн разной

Пнд 16 Дек 2013 05:04:11
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
>>59041129
частоты, с другой – это поток частиц (квантов, фотонов). Что
бы увидеть ту или другую сторону природы света, нужно поста
вить соответствующие опыты. Например, если мы поставим
опыты по интерференции или дифракции света, то убедимся,
что свет – это волновой процесс. Если же поэкспериментируем
с фотоэффектом, то убедимся, что свет – это поток фотонов.
Разрешение этого противоречия как раз и привело к становле
нию и развитию квантовой механики.
Структура атома
С точки зрения классических законов физики непонятна
устойчивость атома и линейчатый характер атомных спектров.
К началу XX века опыты показали, что электроны представля
ют собой отрицательно заряженные частицы, являющиеся сос
тавной частью атома. Электрический ток является ни чем иным,
как упорядоченным движением электронов вдоль металлическо
го провода, и в этом смысле
электрон
есть
квант электричества
.
Исходя из этого, Э. Резерфорд предложил в 1910 г
п
п
л
л
а
а
н
н
е
е
т
т
а
а
р
р
*
*
н
н
у
у
ю
ю
м
м
о
о
д
д
е
е
л
л
ь
ь
а
а
т
т
о
о
м
м
а
а
, в которой отрицатель
но заряженные электроны вращаются
как планеты вокруг центрального поло
жительно заряженного ядра, притягива
ющего их подобно Солнцу (напомним,
что заряды одинаковых знаков отталки
ваются, а противоположных притягива
ются). Такая аналогия между атомом и
Солнечной системой сразу же захватила
воображение людей. Она действительно позволяет очень нагляд
но представить атом и объяснить некото
рые его свойства, например, различия в
энергии электронов.
Однако пользоваться данной аналоги
ей можно только до определенного преде
ла. Основной ее недостаток следует из
природы электрических зарядов: если на
заряд действует магнитное поле или силы
притяжения какогонибудь атомного яд
ра, то заряд не может двигаться равномер
но и прямолинейно. Его траектория будет
76
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 28. Модель атома Резерфорда
Рис 29. Траектория, по которой
двигался бы электрон по
законам классической физики
искривлена, а из теории Максвелла следует, что такой заряд при
движении должен испускать электромагнитные волны, теряя
при этом часть своей энергии.
Таким образом, из законов классической физики неизбежно
следовал вывод, что, двигаясь ускоренно по определенным орби
там, электрон, излучающий энергию в виде электромагнитных
волн, со временем должен терять скорость и, в конце концов,
упасть на ядро (что положило бы конец существованию атома).
Согласно теоретическим расчетам, атомы бы прекратили
свое существование примерно за наносекунду, что, конечно же,
противоречит долговременной стабильности атома в действи
тельности. Кроме того, совокупность таких атомов должна бы
ла бы давать сплошной спектр излучения, а не линейчатый,
наблюдаемый на опыте.
Постулаты Бора и квантование орбит
Успех в устранении этих противоречий был достигнут
Нильсом Бором в 1913 г., когда он распространил идеи Планка
и Эйнштейна о квантовых свойствах электромагнитного излу
чения и на атомы вещества. Бор ограничился рассмотрением
атома водорода, поскольку он очень прост (единственный
электрон вращается вокруг одного протона) и поддается мате
матическому анализу.
Изучая линейчатый спектр атома, Бор понял, что сущест
вуют очень простые правила, управляющие излучением свето
вых волн атомами вещества, которые хорошо объясняют мно
жество существующих электронных орбит. Свои выводы он
сформулировал в виде известных постулатов Бора.
П
П
е
е
р
р
в
в
ы
ы
й
й
п
п
о
о
с
с
т
т
у
у
л
л
а
а
т
т
Б
Б
о
о
р
р
а
а
(постулат стационарных состоя
ний): электроны в атоме могут обладать лишь определенными
(разрешенными) значениями энергии, другими словами нахо
диться на определенных
энергетических уровнях
, образующих
дискретный энергетический спектр атома.
В
В
т
т
о
о
р
р
о
о
й
й
п
п
о
о
с
с
т
т
у
у
л
л
а
а
т
т
Б
Б
о
о
р
р
а
а
(правило частот): при определенных
условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой
(или с одной орбиты на другую), поглощая или испуская фотон.
Существует орбита с наименьшей возможной энергией, на
которой электрон может находиться неограниченно долго –
это его
основное состояние
. При переходе с низшего энергети
77
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
ческого уровня на высший электрон возбуждается, но при каж
дом удобном случае всегда стремиться вернуться из
возбужден*
ного состояния
обратно в основное. В возбужденном состоянии
электрон может находиться не дольше наносекунды.
Что же заставляет электрон постоянно стремиться к своему
первоначальному состоянию? Читатели наверняка обращали вни
мание, что большинство всех объектов в природе всегда стремится
минимизировать любое напряжение. Так, например, капля жид
кости принимает сферическую, а не треугольную или квадратную
форму именно потому, что такая форма наиболее “выгодна” с точ
ки зрения противостояния силам поверхностного натяжения. То
же самое справедливо и для электрона: чтобы удержаться на верх
ней орбитали (превосходящей по энергии его собственную), ему
нужно изрядно “попотеть”, преодолевая мощную силу притяже
ния ядра – а какому нормальному электрону это понравится? В
этом смысле электрон можно в шутку сравнить с лентяем в спорт
зале: едва тренеру удастся загнать его на высокую перекладину, он
вместо того, чтобы подтягиваться, тут же норовит c нее спрыгнуть.
“А как же тогда электрон переходит на более высокий уро
вень?”, – спросите вы.
Предположим, что атом находится в сос
тоянии
n
и обладает энергией
En
. Чтобы вынудить электрон перей
ти на уровень
m,
мы должны какимто образом “выпихнуть” его из
основного состояния, придав ему некоторую дополнительную
энергию (подобно тому, как пинок тренера необходим, для того,
чтобы лодырь оказался на перекладине). Для этого будем “обстре
ливать” электрон световыми фотонами различной частоты. Напо

Пнд 16 Дек 2013 05:05:12
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
минаем, что энер
гия фотона зависит от частоты излучения, поэ
тому она равна:
Е=ћ
где
–частота,
ћ
–постоянная Планка.
Оказывается, не каждый фотон способен вынудить атом
перейти в возбужденное состояние, а лишь тот, чья энергия в
точности равна разности энергий возбужденного и основного
состояний электрона в атоме, то есть:
ћ
=Еm*En
Только при такой энергии электрон, поглотив фотон, пе
рейдет на уровень, соответствующий энергии
Еm
.
79
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Рис 31. Получив необходимое количество энергии, электрон переходит на следующий
энергетический уровень
Рис 32. Электрон остался в первоначальном состоянии вследствие избыточной, либо
недостаточной энергии бомбардирующего его фотона
Если же энергия фотона окажется больше либо меньше не
обходимой, то он “пролетит” сквозь атом, никоим образом не
повлияв на состояние электрона.



Итак, электрон находится в возбужденном состоянии, из
которого он в силу своей природы стремится вернуться обратно
на “родной” уровень. Для этого ему нужно “освободиться” от
энергии, полученной от фотона. Поэтому обратный переход
сопровождается испусканием светового фотона абсолютно той
же частоты, то есть
Еn=Em*ћ
Так квантовая механика обнаружила, что
атом обладает
способностью поглощать и испускать фотоны света
, и это в
дальнейшем послужило основой создания лазеров и множества
других машин, использующих этот принцип.
Итак, сформулируем важный вывод из теории квантовой
механики:
физические величины в квантовом мире изменяются
квантами, т.е. дискретно
.
Невозможно представить себе квантовую физику без одно
го из ее основных принципов:
Строго говоря, орбита в квантовой механике – понятие до
вольно условное. Изза несовершенства
современной аппаратуры и невозможнос
ти четко зафиксировать положение элект
рона в атоме, можно лишь приблизительно
говорить о некоторой “размытой” орбите
электрона, означающей только то, что “в
среднем” электрон находится на опреде
ленном расстоянии от ядра.
Принципы работы лазера
Понять и запомнить с первого раза многочисленные кванто
вые постулаты не такто просто. Поэтому, чтобы облегчить чита
телям изучение этой глав
ы (на наш взгляд, самой сложной вви
ду большого объема новой информации), давайте еще раз повто
рим вышеизложенное, но уже на примере работы лазера – заме
80
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
П
П
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
П
П
а
а
у
у
л
л
и
и
(или принцип запрета): на каждом
энергетическом уровне атома
в данном состоянии
может находиться
только один электрон, при этом чем выше уровень электрона, тем
большая энергия ему соответствует. Каждому значению энергии
соответствует своя орбита электрона вокруг ядра.
Рис 33. Схема атома водорода

81
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
чательного практического применения квантовых законов и
способности электронов поглощать и излучать световые кванты.
Рассмотрим вкратце принцип работы простейшего лазера.
Мы выяснили, что при переходе атома из
основного состояния
,
которому соответствует более низкий энергетический уровень,
в
возбужденное
(где энергия, соответственно, выше) происхо
дит
п
п
о
о
г
г
л
л
о
о
щ
щ
е
е
н
н
и
и
е
е
фотона веществом с переходом на более высо
кий энергетический уровень.
Рис 34. Поглощение фотона
Из возбужденного состояния электрон всегда стремится
вернуться в основное, поэтому время его пребывания в таком
состоянии чрезвычайно мало – наносекунда. Переход электро
на на более низкий энергетический уровень сопровождается
излучением кванта света. Такое самопроизвольное излучение
принято называть
с
с
п
п
о
о
н
н
т
т
а
а
н
н
н
н
ы
ы
м
м
.
Рис 35. Спонтанное излучение
Однако существует и другой вид излучения, открытый
Эйнштейном и называемый
в
в
ы
ы
н
н
у
у
ж
ж
д
д
е
е
н
н
н
н
ы
ы
м
м
, или
и
и
н
н
д
д
у
у
ц
ц
и
и
р
р
о
о
в
в
а
а
н
н
*
*
н
н
ы
ы
м
м
.
.
Индуцированное излучение происходит тогда, когда
электрон в возбужденном состоянии снова подвергается
действию внешнего электромагнитного излучения. При этом
электрон переходит на более низкий энергетический уровень,
испуская фотон,
когерентный
(идентичный по энергии и нап
равлению) фотону, спровоцировавшему данный переход.

Пнд 16 Дек 2013 05:05:21
Блять гаже места чем центр дс2 не найти, понаехал из таллинна год назад, побродил по центрам денек и понял, что в рот я ебал этот ссаный муравейник. сейчас на парнасе базируюсь, и выезжаю только на рейвы и в универ.

Пнд 16 Дек 2013 05:06:05
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
Таким образом, при индуцированном излучении мы уже
имеем два абсолютно идентичных (когерентных) фотона, дви
гающихся в одном направлении.
А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в
прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном
состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по нап
равлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него,
причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и
направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться
уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий
атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона.
Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так
же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так
в
в
р
р
е
е
з
з
у
у
л
л
ь
ь
т
т
а
а
т
т
е
е
н
н
е
е
з
з
н
н
а
а
ч
ч
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
о
о
г
г
о
о
в
в
н
н
е
е
ш
ш
н
н
е
е
г
г
о
о
и
и
з
з
л
л
у
у
ч
ч
е
е
н
н
и
и
я
я
н
н
а
а
ч
ч
н
н
е
е
т
т
с
с
я
я
л
л
а
а
в
в
и
и
*
*
н
н
о
о
о
о
б
б
р
р
а
а
з
з
н
н
о
о
е
е
у
у
с
с
и
и
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
с
с
в
в
е
е
т
т
о
о
в
в
о
о
г
г
о
о
п
п
о
о
т
т
о
о
к
к
а
а
. Теоретически коэффици
ент усиления может достигать огромнейшего значения: 10
20
, и в
результате такого усиления будет двигаться огромная армия фо
тонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направле
ние движения. Таким образом, излучение будет когерентным.
Такая схема получения когерентного (синхронного и син
фазного) излучения впервые предложена в 1939 г. советским
ученым В.А. Фабрикантом и получила название
л
л
а
а
з
з
е
е
р
р
. Слово
является аббревиатурой от английской фразы: Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) — уси
ление света с помощью вынужденного излучения.
Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться
к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому ес
ли число возбужденных атомов
меньше или равно
числу невоз
бужденных, то, сколько их ни облучай с помощью внешнего
источника, никакого усиления света не получится (поскольку
число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, бу
дет превосходить число фотонов, излученных возбужденными).
Значит, для усиления света и получения когерентного излуче
ния надо, чтобы возбужденных атомов было больше, чем нахо
дящихся в основном, невозбужденном состоянии.
Если мы сможем какимто образом “переселить” электро
ны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство
атомов, то получим так называемую
и
и
н
н
в
в
е
е
р
р
с
с
и
и
ю
ю
н
н
а
а
с
с
е
е
л
л
е
е
н
н
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
энергетических уровней. Тогда при облучении вещества будут
82
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приве
дет к усилению падающего на вещество света.
Состояние вещества, в котором создана инверсная насе
ленность энергетических уровней, называется активным или
рабочим
, а процесс создания инверсной населенности называ
ется
н
н
а
а
к
к
а
а
ч
ч
к
к
о
о
й
й
. Методы накачки разнообразны и зависят от ти
па лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного,
полупроводникового и т.п.).
Рассмотрим процесс оптической накачки на примере тре
хуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется
потому, что энергетический пе
реход электронов здесь осущес
твляется благодаря третьему,
дополнительному уровню, ко
торый называется
м
м
е
е
т
т
а
а
с
с
т
т
а
а
*
*
б
б
и
и
л
л
ь
ь
н
н
ы
ы
м
м
(на рисунке ему соотве
тствует уровень Е
2
). В отличие
от возбужденного состояния
(уровень Е
3
), время жизни ато
ма на этом уровне 10
3
с, что в миллион раз дольше, чем 10
9
с.
Необходимость использования метастабильного уровня
объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала
возбуждаются, поглощая свет.
Но для этого недостаточно толь
ко двух уровней.
Какой бы мощной ни была лампа накачки,
возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.
Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в
возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е
3
),
из которого тут же
спонтанно
и
без излучения
перескакивают на
метастабильный уровень Е
2,
где и накапливаются. Через неко
торое время число атомов на уров
не Е
2
начинает превышать число
атомов в основном состоянии,
создавая требуемую инверсию на
селенности.
Однако для нормального
функционирования лазера такой
процесс должен повторяться мно
гократно и регулярно. Для этого
активную среду помещают в оп
83
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Рис 37. Трехуровневая схема оптической
накачки
Рис 38. Схема оптического резонатора
тический резонатор (систему, способную породить колебания
определенной амплитуды и частоты), который представляет со
бой систему двух зеркал.
В пространстве, заполненном активной средой, между двумя
зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке зеркало
2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть
этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде ко
герентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая
часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вы
зывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и
т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следую
щий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвав
ший.
Таким образом, оптический резонатор обеспечивает мно
гократное происхождение световых волн, распространяющих
ся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего дости
гается высокая мощность излучения, поэтому если какойто
внешний источник энергии (относительно слабый) может под
держивать инверсное состояние активной среды, то через зер
кало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.
Свойства лазерного излучения
Излучение лазера представляет собой поток летящих почти
параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных
особенностей.
Вопервых, очень малая расходимость лазерного излуче
ния. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина
волны 5·10
5
см, то угол расходимости составит всего 0, 003°, то
есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. С
помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно
сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света).
Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверх
ности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветил
бы поверхность диаметром 40.000 километров.
Вовторых, лазерное излучение обладает высокой монох
ромностью, т. е. имеет практически однуединственную час
тоту и соответствующую ей однуединственную длину вол
ны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче
одинаковая энергия. >>59041483

Пнд 16 Дек 2013 05:06:46
>>59041483
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что
можно в широких пределах управлять длительностью излуче
ния от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до
10
15
с) импульсных вспышек. Импульсы такой малой длитель
ности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огром
ную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком
импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо
с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощ
ность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, ос
вещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких тем
ператур. Интенсивность сфокусированного лазерного луча мо
жет быть 10
20
Вт/см
2
и более, при этом напряженность электри
ческого поля в луче достигает 10
11
В/см. Под действием такого
сильного поля происходит не только ионизация атомов они
расщепляются на электроны и положительные ионы но и
термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы
превращаются в другие.
Лазеры имеют многочисленные применения в технике для
сварки, резки и плавления металлов, в медицине как бескров
ные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная лока
ция позволила измерить скорость вращения планет и уточнить
характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используют
ся в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки
большого объема информации. Лазеры считывают информа
цию с компактдисков в каждом компьютере и проигрывателе.
Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются ре
шить проблему управляемого термоядерного синтеза. В насто
ящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инф
ракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров
вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году полу
чили Нобелевскую премию.
Корпускулярноволновой дуализм нанообъектов
Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновре
менно частицу и волну. В 1924 году французский ученый Шарль
де Бройль распространил принцип квантововолнового дуализ
ма на
все
микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой
частице следует поставить в соответствие волну, длина которой
85
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
связана с импульсом этой частицы. По де Бройлевской
г
г
и
и
п
п
о
о
т
т
е
е
*
*
з
з
е
е
о
о
в
в
с
с
е
е
о
о
б
б
щ
щ
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
к
к
о
о
р
р
п
п
у
у
с
с
к
к
у
у
л
л
я
я
р
р
н
н
о
о
*
*
в
в
о
о
л
л
н
н
о
о
в
в
о
о
г
г
о
о
д
д
у
у
а
а
л
л
и
и
з
з
м
м
а
а
,
,
не только
фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.)
наряду с корпускулярными обладают также волновыми свой
ствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в яв
лениях дифракции и интерференции частиц.
Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его вол
новые свойства, а при более пристальном рассмотрении – кор
пускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная
картина.
В соответствии с известным соотношением Эйнштейна,
фотону с энергией
Е=ћ
, соответствует энергия
mc
2

, .
Здесь
с
скорость света;
m
масса фотона;
его частота.
Отсюда:
Учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света свя
зана с длиной волны l соотношением:
=2pс/
, получим:
Данное уравнение является замечательной иллюстрацией
двойственной природы света, поскольку объединяет длину вол
ны света
, связанную с его волновой природой, и импульс фо
тона
p
, характеризующий его как частицу.
Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил дан
ную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное
значение.
где
p=mv
импульс частицы,
m
масса частицы,
v
ее скорость.
Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экс
периментально. В частности, в опыте американских физиков
К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция
элементарных частиц – электронов. Для этого они использова
86
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ






ли всем хорошо известную электроннолучевую трубку, приме
няющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах.
В этих трубках (или электронных пушках)
электронные пуч*
ки
, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным
полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофо
ром. При попадании частицы в экран на нем возникает светя
щееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану элект
роны ведут себя как классические частицы, и их движение
можно рассчитать средствами классической физики. Однако
если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со
щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наб
людается чередование темных и светлых полос, аналогичное
дифракционной картине световых волн. Значит, электроны
способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам!
Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что вол
новые свойства присущи не только пучкам электронов, но и
каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена
интерференция фуллеренов и биомолекул.
В таблице приведены и другие эксперименты, свидетельствую
щие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:
Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает труд
но представить волновую природу электрона или другой части
цы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображае
мого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее,
это представление годится только для первоначального знако
мства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит
для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к
атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному
инструменту – аналогу звукового резонатора, – в котором
вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.

Пнд 16 Дек 2013 05:07:29
>>59041483
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит.
Известно, что натянутые струны рояля как простейшие резона
торы могут колебаться только с определенной частотой. Поэто
му, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду раз
личные частоты колебаний. Меняя частоту, электрон излучает
световую волну, частота которой тем выше, чем больше разни
ца частот электрона, между которыми произошел переход.
Приведем еще одну аналогию, которая поможет облегчить
понимание волновой природы электрона. Вообразите серию
волн, набегающих на пологий берег. Они имеют вполне опреде
ленную скорость, и ее можно вычислить, зная время и расстояние
между двумя соседними гребнями. Волна, однако, не особенно
локализована, она занимает большое пространство. Электрон,
скорость которого известна (в отличие от положения, которое мы
смутно представляем), можно представить в виде такой волны.
Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импуль
су частицы. Фактически это означает, что д
ля больших тяжелых
частиц длина волны очень мала, и волновые свойства таких час*
тиц заметить практически невозможно
. Это касается всех мак
рообъектов, для болееменее точного описания которых вполне
хватает классической механики.
Квантовые пределы точности измерений
Одной из актуальнейших проблем современной нанотехно
логии является так называемая “проблема толстых пальцев”, под
которой подразумевается сложность манипулирования микро и
наночастицами. Ведь если даже диаметр волоса в несколько ты
сяч раз превосходит нанометровые размеры, то какими же долж
ны быть инструменты для работы с объектами квантового мира?
Бор сформулировал один из основополагающих принци
пов квантовой механики –
п
п
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
д
д
о
о
п
п
о
о
л
л
н
н
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
,
,
согласно
которому невозможно точно измерить одну физическую вели
чину микрообъекта без потери информации о величине, допол
нительной к ней.
Фактически суть таких взаимно дополнительных величин
описывается и соотношением неопределенностей Гейзенберга,
которое утверждает, что существуют такие пары физических вели
чин, одновременное и точное определение которых невозможно.
88
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Примером такой пары величин являются координаты части
цы
x
и проекция ее импульса
p
на ось х. Количественно соотно
шение неопределенностей формулируется следующим образом:
Отсюда следует, что если мы точно определили координату
частицы:
то мы ничего не можем сказать об ее импульсе:
И наоборот.
Из соотношения неопределенностей следует, что чем точнее
определено значение одной из входящих в него величин, тем ме
нее определено значение другой. Например, по столу ползет му
ха. Попытаемся определить одновременно ее координату и им
пульс. Для точного определения координаты “зафиксируем” по
ложение мухи хлопушкой. Да, в этом случае мы точно знаем ко
ординату мухи, но что тогда можно сказать о ее импульсе? Ведь
она уже не ползет, а лежит вверх ножками... Конечно, данная ана
логия не совсем корректна, поскольку муха является далеко не
квантовым объектом, но она весьма показательна.
Рассмотрим еще несколько примеров. Допустим, нам тре
буется определить координату
x и импульс
p электрона.
Зная, что электрон обладает волновыми свойствами, мы даже
интуитивно чувствуем, что волна – это ускользающий объект,
который “не дается в руки”. Чтобы определить местонахожде
ние электрона
x, он должен рассеять хотя бы один фотон. При
этом вследствие дифракции координата будет определена с
точностью до порядка длины волны фотона:
x ~
(1).
Но, рассеивая фотон, электрон изменяет свой импульс на
величину
p
, которая будет примерно равна импульсу фотона:
89
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Если
x
–неопределенность координаты частицы, а
p

неопределенность проекции импульса частицы
p
на ось x, то
произведение этих неопределенностей должно быть не меньше
постоянной Планка
ћ:








Из (1) и (2) следует:
x
·
p ~ ћ,
то есть как раз соотношение неопределенностей.
Другая пара величин, связанных соотношением неопреде
ленностей, – это энергия системы
Е
и время
t
, в течение кото
рого система имеет это значение энергии. В этом случае соот
ношение неопределенностей выглядит так:
E
·
t ~ ћ.
Отсюда следует, что если мы имеем возможность наблюдать
динамическую систему в течение времени
t
, то ее энергия мо
жет быть определена с точностью, не более, чем:
Таким образом, соотношение неопределенностей устанав
ливает фундаментальные,
принципиально непреодолимые пределы
точности измерений
. Можно даже сказать, что природа позво
ляет изучать себя с точностью только до соотношения неопре
деленностей, и не более того.
Читатель может возразить, что если мир един, то почему мы
не говорим о принципе неопределенности для измерения клас
сических частиц, например, в случае движения бильярдного
шара или автомобиля? На самом деле неопределенность прису
тствует и здесь, но по ряду причин мы ее не замечаем. Вопер
вых, любое измерение, выполненное с помощью инструмен
тов, пусть даже самых совершенных (а совершенству, как изве
стно, нет предела), не может быть идеальным в том смысле, что
положение и скорость не могут быть определены совсем без
ошибок. Ошибки hприсущи физическим измерениям; можно
стремиться к их уменьшению, но избавиться от них полностью
нереально. Вовторых, неопределенность, предсказанная Гей
зенбергом, уменьшается с увеличением массы рассматриваемо

Пнд 16 Дек 2013 05:09:09
>>59041483
>>59041413
>>59041392
>>59041354
>>59041328
>>59041315
>>59041242
>>59041207
го объекта, пока не становится совершенно незаметной в слу
чае макроскопических тел.
Итак, мы убедились, что:
Никакой эксперимент не может привести к одновременному
и точному измерению величин, которые являются дополни
тельными друг к другу.
Принцип дополнительности часто объясняют влиянием
измерительного прибора на частицы. С одной стороны, это оп
равданно, поскольку большинство измерительных приборов
так или иначе является макроскопическими, грубыми по отно
шению к размерам квантовых объектов. Понятно, что чем
больше техническое несовершенство измерительного прибора,
тем менее определенными (точными) будут измерения.
С другой стороны, неопределенность в измерениях связана
не только с несовершенством измерительной техники, но и с
объективными свойствами материи. Дело в том, что любое из
мерение как физический процесс обязательно сопровождается
воздействием на объект в процессе измерения. Когда мы, пред
положим, определяем силу тока в цепи с помощью амперметра,
в идеале нужно изолировать его от всех внешних факторов, в
том числе делать это, например, в абсолютной темноте. Ведь
фотоны света могут оказывать давление на стрелку и показания
амперметра в темноте и на свету будут различными.
Разумеется, ни один психически здоровый человек не станет
учитывать подобные “тонкости” в макромире, но когда речь идет
о пространстве квантовых величин, без этого просто не обойтись.
Волновая функция и вероятностный характер
поведения квантовых объектов
Классическая механика решает задачи, в которых состоя
ние системы тел в любой момент времени может быть точно
рассчитано.. Квантовой же механике приходится иметь дело с
объектами, изучение которых ограничено принципом неопре
деленности, описанным выше.
Если в классическом мире мы выбираем некоторый объем
dV
и решаем задачу поиска местонахождения частицы (напри
мер, нахождения телевизора в комнате), то имеются только два
варианта точного решения этой задачи:
либо частица находится в данном объеме (вероятность
ее нахождения там равна 1 или 100%)
либо частицы нет в данном объеме (вероятность ее на
хождения там равна 0 или 0%)
Законы квантового мира не обладают той степенью нагляд
ности, которая свойственна законам классической механики.
Здесь все гораздо сложнее. Например, известно, что указать точ
ное расположение электрона в атоме невозможно – он как бы
“размазан” вокруг положительно заряженного ядрапротона. Тем
не менее, мы все же можем утверждать, что
с определенной долей
вероятности
данный электрон находится на той или иной орбите.
Поэтому для решения задачи нахождения частицы в кван
товом мире мы можем лишь указать, что вероятность
dP
того,
что частица находится в объеме
dV
равна:
Очевидно, что чем больше рассматриваемый объем, тем
выше вероятность обнаружить в нем искомую частицу (если,
например, заранее известно, что телевизор находится в комна
те, то, увеличивая объем той части комнаты, в которой произ
водится поиск, мы тем самым увеличиваем вероятность успеш
ного обнаружения искомого предмета).
Следовательно, вероятность
dP
прямо пропорциональна
dV
и связана с ней следующим соотношением:
dP=

2
·dV
Коэффициент пропорциональности

2
– это квадрат амп
литуды
волновой функции.
Исторически название “волновой” она получила потому,
что уравнение, определяющее эту функцию (уравнение Шрё
дингера, о котором речь пойдет дальше), внешне похоже на
уравнение, описывающее волновые процессы (типа Sin, Cos).
Но на самом деле мы не можем ассоциировать волновую функ
цию микрочастицы с какойто физической реальностью, как в
92
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
В
В
о
о
л
л
н
н
о
о
в
в
а
а
я
я
ф
ф
у
у
н
н
к
к
ц
ц
и
и
я
я
это величина, которая в квантовой меха
нике полностью описывает состояние микрообъекта (электро
на, протона, атома и т.п.) и вообще любой квантовой системы.




93
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
случае звуковых или морских волн. Волновая функция – поня
тие чисто математическое и имеет вероятностный смысл.
Чтобы обеспечить понимание волновой функции, нам не
обходимо познакомиться сначала с основами теории вероятнос
тей. Эта тема, как правило, не входит в обычный школьный курс
математики, хотя на самом деле здесь нет ничего сложного.
Основные положения теории вероятностей
Окружающий нас мир полон случайностей. Номера выиг
рышных билетов в лотерее, количество солнечных дней в году, ре
зультаты спортивных состязаний, выпадение “решки” при подб
расывании монеты, неожиданная случайная встреча, кардинально
переворачивающая судьбу – все это примеры случайных событий,
происходящих в повседневной жизни и влияющих на нее.
Теория вероятностей не может предсказать, произойдет
или не произойдет какоето реальное событие, а лишь предла
гает математический аппарат для анализа и прогнозирования
вероятности его появления. Она изучает вероятностные зако
номерности случайных событий, существующие объективно,
т.е. независимо от наших желаний и предпочтений.
Исторически зарождение теории вероятностей связано с
поиском закономерностей в азартных играх, таких как карты и
кости. Именно тогда были предприняты первые попытки мате
матического прогнозирования и количественного определения
шансов на успех. Исходными понятиями здесь являются поня
тия “случайное событие” и “испытание” (опыт, эксперимент).
С
С
л
л
у
у
ч
ч
а
а
й
й
н
н
о
о
е
е
с
с
о
о
б
б
ы
ы
т
т
и
и
е
е
– это явление, которое при одних и тех
же условиях может или произойти, или не произойти.
И
И
с
с
п
п
ы
ы
т
т
а
а
н
н
и
и
е
е
– это создание и осуществление этих неопреде
ленных условий. Любое испытание приводит к результату или
исходу, который заранее невозможно точно предсказать.
Случайные события происходят повсеместно – в природе, нау
ке, технике, экономике, военном деле и т.д. Приведем простейшие
примеры испытаний и соответствующих им случайных событий.
Важно отметить, что на самом деле “случайные события”
вовсе не случайны просто для их расчета пришлось бы учесть
такое количество факторов и произвести расчеты такой сложнос
ти, что никто этим не занимается. Однако с совершенстованием
компьютеров и датчиков люди cмогут анализировать данные все

Пнд 16 Дек 2013 05:13:27
>>59039693 нет нерешаемых проблем
давай фейкоскайпик

Пнд 16 Дек 2013 05:13:57
Помог бы я тебе, но я задрот и хикка.

Пнд 16 Дек 2013 05:14:51
>>59041678
shedevralen

Пнд 16 Дек 2013 05:16:18
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
94
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
быстрее и точнее и многие события перестают быть случайными.
Например, попадание снаряда в цель перестало быть случайным,
когда в нем появился компьютер, рассчитывающий и корректи
рующий траекторию полета. Выигрыш в рулетку сотни лет счи
тался случайностью, пока хитрые игроки не наловчились переда
вать данные об игре через видеокамеру в суперкомпьютер, кото
рый смог рассчитать, на какую цифру упадет шарик. С развитием
нанотехнологии компьютеры станут еще мощнее и компактнее, а
значит, многие события перестанут быть случайными и станут не
только предсказуемыми, но и управляемыми.
Случайные события могут быть:
а)
достоверными
или
невозможными
;
Достоверным называется событие, которое в данных усло
виях всегда происходит, невозможным – если оно никогда не
может быть результатом данного испытания. Например, при
бросании монеты событие А – “Выпадение какойлибо сторо
ны монеты” будет достоверным, а B – “Одновременное выпа
дение “решки” и “орла”” – невозможным.
б)
зависимыми
или
независимыми;
Если появление одного события влечет за собой появление
другого, то говорят, что второе событие зависит от первого.
в)
равновероятными
или
неравновероятными
;
Например, в случае бросания игральной кости события вы
падения каждой цифры равновероятны (если, конечно, это
“честная” кость, без смещенного центра тяжести).
А вот вероятности события “В полдень в Москве выпадет
снег” будут сильно различаться в зависимости от времени года,
соответствующего данному испытанию.
К определению самого понятия вероятности существует нес
колько различных подходов. Мы рассмотрим лишь те из них, ко
торые необходимы нам для понимания изучаемых квантовых яв
лений, а именно – классический и статистический подходы.
No
No
И
И
с
с
п
п
ы
ы
т
т
а
а
н
н
и
и
е
е
С
С
о
о
б
б
ы
ы
т
т
и
и
е
е
1
Бросание монеты
Выпадение “орла” или “решки”
2
Бросание игральной кости
Выпадение 1, 2, 3, 4, 5 или 6
3
Выстрел по цели
Попадание в цель или промах
4
Извлечение карты из
колоды
Извлечение карты одного цвета,
масти или достоинства
Табл 3. Примеры простейших испытаний и событий
95
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
К
К
л
л
а
а
с
с
с
с
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
о
о
е
е
о
о
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
в
в
е
е
р
р
о
о
я
я
т
т
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
исторически сло
жилось первым. Оно имеет место в случаях, когда случайные
события являются равновероятными. Для начала рассмотрим
пример: предположим, в корзине лежат 10 шаров одинакового
размера, из которых 6 – красных, 3 – зеленых и 1 – желтый. Все
шары хорошо перемешаны, а опыт состоит в том, что мы науда
чу вытаскиваем один шар из корзины.
Результатом этого опыта будет служить одно из следующих
случайных событий

...

,
где

– выпадение красного шара

– выпадение зеленого шара

– выпадение желтого шара
Интуитивно понятно, что вероятность выпадения красно
го шара выше, чем остальных, поскольку среди всех возможных
исходов количество возможных благоприятных исходов, соот
ветствующих этому событию, выше. Таким образом,
В
В
е
е
р
р
о
о
я
я
т
т
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
– это отношение числа благоприятных событию
исходов
m
к общему числу всех равновозможных исходов
n
Обычно вероятность обозначают буквой
P
(от англ. “prob
ability” вероятность). Вероятность в данном случае понимает
ся как количественная мера объективной возможности появле
ния случайного события А и определяется формулой
В нашем примере событиям выпадения красного, зеленого и
желтого шара будут соответствовать вероятности
6/10, 3/10
и
1/10
.
Функция вероятности обладает некоторыми специальны
ми свойствами:
1
. 0&t;
P&t;
1
, так как количество благоприятных исходов не
может быть больше их общего числа.
2. Вероятность достоверного события = 1
3. Вероятность невозможного события = 0
С
С
т
т
а
а
т
т
и
и
с
с
т
т
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
о
о
е
е
о
о
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
в
в
е
е
р
р
о
о
я
я
т
т
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
Классическим подходом к вероятности удобно пользоваться,
когда количество всех равновозможных исходов в опыте ограни
чено и не слишком велико. Однако эти условия не всегда соблю
даются на практике: иногда приходится решать задачи, в которых
число исходов постоянно меняется или бесконечно велико. Кро
ме того, не всегда события могут быть равновероятными.
Практика показывает, что массовые случайные явления об
ладают одним уникальным свойством: с увеличением числа ис
пытаний повышается устойчивость их появления. Например,
если повторить опыт бросания монетки 100 раз, то примерно в
50% испытаний выпадет “орел”, а в 50% “решка”. Если увели
чить число испытаний до 1000 раз, это в конце концов приведет
к еще большей устойчивости частоты полученных значений, а
это уже определенная закономерность.
При статистическом подходе нас интересует не исход отдель
но взятого испытания, а то, что получается в результате его мно
гократного повторения, то есть в качестве статистической вероят
ности события принимают
частоту появления того или иного со*
бытия
при неограниченном увеличении числа испытаний.
Например, если в результате достаточно большого числа
испытаний оказалось, что относительная частота весьма близка
к 0.4, то это число можно принять за статистическую вероят
ность события.
Статистический вероятностный подход используется пов
семестно для анализа и прогнозирования событий, процессов,
явлений. На его основе построены некоторые научные теории
физики, квантовой механики, эволюции, генетики, информа
тики и др. Вероятностностатистические методы широко при
меняются в промышленности для контроля качества продук
ции, технической диагностики оборудования, организации
массового обслуживания, астрономических наблюдений и т.д.
В рамках статистического подхода вводится понятие
п
п
л
л
о
о
т
т
*
*
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
р
р
а
а
с
с
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
и
и
я
я
в
в
е
е
р
р
о
о
я
я
т
т
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
р
р
(
(
х
х
)
)
,
,
вид функции которой
определяет закон распределения случайных величин. Сущест
вуют самые разные законы распределения: равномерное расп
ределение, распределение Пуассона, распределение Бернулли
и др., но наиболее распространено в природе так называемое
нормальное распределение
, или
распределение Гаусса
. На рисунке
представлен вид функции такого нормального распределения,
а смысл его заключается в том, что в результате большого числа
испытаний относительная частота появления какогото собы
тия группируется вокруг некоторого среднего числа, которое и
можно принять за значение статистической вероятности.

Пнд 16 Дек 2013 05:17:47
>>59041714
97
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Рис 39. График функции плотности вероятности при нормальном распределении
Следующий пример наглядно иллюстрирует данный закон
распределения: предположим, мы высыпаем мешок гороха на
пол, держа его в одном и том же вертикальном положении. В
принципе, после этого существуют некоторая вероятность об
наружить горошину в любом месте комнаты, даже в самом
дальнем углу. Однако вероятность того, что мы найдем гороши
ну в самом центре образовавшейся на полу “кучки”, гораздо
выше. Значение вероятности, соответствующее координате
центра кучки, мы и принимаем за статистическую вероятность.
Другой пример: пусть производится серия выстрелов по це
ли. Если учесть, что стрелки палят не наобум, а прилагают все
усилия, чтобы попасть в “яблочко”, то вероятность попадания
пули будет возрастать с приближением к центру мишени.
Но “вернемся к нашим баранам”. Итак, мы решаем задачу
нахождения микрочастицы в некотором объеме
dV,
например,
ищем местоположение электрона в атоме. Как мы уже знаем, из
за несовершенства измерительных приборов мы не можем точно
указать его местоположение, а можем лишь указать вероятность
dP
его местонахождения в той или иной части объема
dV
.
Кроме того, мы знаем, что эта вероятность
dP
прямо про
порциональна
dV
и связана с ней следующим соотношением:
dP=

2
·dV
где


2
– это квадрат амплитуды волновой функции, мате
матический смысл которой соответствует как раз функции
плотности распределения вероятностей.
Перепишем данное уравнение в виде:


Теперь ясно видно, что


2
определяет вероятность нахож
дения частицы в некоторый момент времени
t
в некотором объ
еме
dV,
то есть фактически место ее нахождения в точке с коор
динатами
x, y, z
(объем имеет три измерения)
В атоме водорода единственный электрон как бы образует
вокруг ядра электронное облако – облако отрицательного заряда,
плотность которого в некоторой точке характеризует вероятность
нахождения там электрона. На рисунке показана вероятность об
наружить электрон на расстоянии r от ядра атома водорода.
Максимальная вероятность
найти электрон соответствует рас
стоянию
r=0, 053нм
. Вполне воз
можно, что в некоторый момент
электрон находится или ближе к
ядру, или дальше, но вероятность
его обнаружения при этом убывает.
Область пространства, для ко
торой вероятность обнаружения
электрона составляет 95%, назы
вается
а
а
т
т
о
о
м
м
н
н
о
о
й
й
о
о
р
р
б
б
и
и
т
т
а
а
л
л
ь
ь
ю
ю
.
Итак, мы усвоили еще одну важную особенность квантовой
механики:
Чтобы определить волновую функцию частицы для конкретной
задачи, физики решают
уравнение Шредингера
, которое учитывает
влияние электромагнитных сил на ее движение. Это дифференци
альное уравнение в частных производных второго порядка.
Страшно? Для решения этого уравнения потребутся зна
ния, которые не может обеспечить школьная программа по ма
тематике, поэтому мы не будем обсуждать его в нашем курсе. За
метим лишь то, что для квантового мира уравнение Шредингера
играет ту же роль, что законы Ньютона для мира классического.
98
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Поведение элементарных частиц носит вероятностный
характер, описываемый волновой функцией
Рис 40. График вероятности обнаружения
электрона на разном расстоянии от ядра

99
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Уравнение Шредингера и Периодическая сис
тема элементов Менделеева
Многообразие нашего мира объясняется огромным разно
образием элементов, существующих во Вселенной. В настоя
щее время науке известно более 110 элементов с уникальными
физикохимическими свойствами.
Мы знаем, что атом любого вещества состоит из положи
тельно заряженного ядра, окруженного облаком электронов.
Ядро, в свою очередь, состоит из некоторого количества прото
нов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих ни
какого заряда. Атомы стабильны потому, что в своем основном
состоянии они энергетически нейтральны, то есть положитель
ный заряд ядра полностью скомпенсирован суммарным заря
дом электронов (число протонов в ядре атома равно числу
электронов на его орбиталях).
Ученые всегда стремились упорядочить все разнообразные
элементы в некую единую логическую схему. Самой удачной
попыткой сделать это оказался принцип, предложенный в 1869
году русским ученым Д.И. Менделеевым, который лег в основу
современной Периодической системы элементов.
В таблице Менделеева элементы расположены в порядке
возрастания их
а
а
т
т
о
о
м
м
н
н
ы
ы
х
х
н
н
о
о
м
м
е
е
р
р
о
о
в
в
(числа протонов в ядре). Нап
ример, атомный номер водорода равен единице. Это говорит о
том, что ядро атома водорода состоит из одного протона, вокруг
которого вращается единственный электрон.
Элементы распределены по горизонтальным рядам, назы
ваемым
п
п
е
е
р
р
и
и
о
о
д
д
а
а
м
м
и
и
,
,
и вертикальным столбцам, называемым
г
г
р
р
у
у
п
п
п
п
а
а
м
м
и
и
. Такое распределение основывается на некоторой
общности физикохимических свойств элементов, которые пе
риодически изменяются в соответствии с их атомным номером.
Например, все элементы первой группы (кроме водорода) яв
ляются
щелочными металлами
, а все элементы восьмой группы
представляют собой
благородные газы.
Все это здорово, но при чем же здесь уравнение Шрединге
ра? Мы помним, что согласно принципу Паули, электронная
оболочка атома не может одновременно содержать два электро
на в одном и том же состоянии. А поскольку число электронов
в некоторых атомах достигает десятков и даже сотен, то возни
кает естественный вопрос: как же они все там расположены?
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392

Пнд 16 Дек 2013 05:18:29
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
100
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 42. Форма
s*, p*
и
d*
орбиталей
Решение волнового уравнения Шредингера позволило вы
числить четыре параметра, которых достаточно, чтобы пол
ностью охарактеризовать состояние любого отдельно взятого
электрона. Эти параметры получили название “четыре квантовых
числа”. Полученная квантовая четверка – своего рода “паспорт”,
однозначно идентифицирующий каждый электрон в атоме.
Чем больше число
n
n
, тем дальше элект
рон отстоит от ядра и тем выше его энергия.
Выделяют четыре энергетических оболочки:
K
K
(
(
n
n
=
=
1
1
)
)
,
,
L
L
(
(
n
n
=
=
2
2
)
)
,
,
M
M
(
(
n
n
=
=
3
3
)
)
и
N
N
(
(
n
n
=
=
4
4
)
)
.
.
Но одного деления на оболочки для пол
ного описания состояния электрона недоста
точно. Дело в том, что каждая энергетическая
оболочка атома может “вмещать в себя” раз
ное количество электронов. Понятно, что для
того, чтобы обеспечить их уникальность (согласно принципу
Паули), каждая оболочка должна разбиваться еще на несколько
подоболочек, получивших название
орбиталей
.
Решение уравнения Шредингера позволило вычислить
формы всех существующих видов электронных орбиталей. Их
всего четыре:
s*, p*, d*
и
f
орбитали. На рисунке изображен вид
s, p и dорбиталей.
S
орбиталь имеет сферическую форму,
p
орбиталь – форму гантелей,
d
орбиталь похожа на трехмерный
четырехлепестковый цветок.
Г
Г
л
л
а
а
в
в
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(число
n
n
) характеризует
оболочку,
в
которой находится электрон. Оно соответствует повыша
ющимся энергетическим уровням оболочек.
Рис 41. Схема атома с
двумя энергетическими
оболочками
О
О
р
р
б
б
и
и
т
т
а
а
л
л
ь
ь
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(число
l
l
) определяет
форму
электронных орбиталей.

101
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Каждому типу орбитали соответствует определенная энер
гия электрона. При переходе с одной орбитали на другую элект
рон испускает излучение, характерное для соответствующего
типа линий в атомном спектре, откуда, собственно, и произош
ло их название:
s
орбиталь соответствует “резкой” (sharp)
s
линии атомно
го спектра;
p
орбиталь соответствует “главной” (principal)
p
линии;
d
орбиталь соответствует “диффузной” (diffuse)
d
линии;
f
орбиталь соответствует “фундаментальной” (fundamental)
f*
линии;
Энергетические уровни оболочек содержат в себе разное
количество орбиталей. На рисунке показано относительное
расположение энергетических уровней орбиталей, принадле
жащих первым четырем электронным оболочкам:
Рис 43. Порядок расположения атомных орбиталей и оболочек
Так, первая
К
оболочка содержит только одну
s*
орбиталь.
Следовательно, на первом энергетическом уровне может
“жить” либо один, либо два электрона. Вторая оболочка вклю
чает не только
s*
, но и 3
p*
орбитали. Здесь обитают уже 2+6=8
электронов и т.д. Обратите внимание на
особенность 4sподобо
лочки: ее энергетический уровень рас
положен чуть ниже 3dпо
доболочки.
Электрон – это не только отрицательно заряженная части
ца, но еще и миниатюрный магнит, подобный стрелке компаса
М
М
а
а
г
г
н
н
и
и
т
т
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(число
m
m
) отражает влияние
внешнего магнитного поля на состояние электрона и
определяет ориентацию орбиталей в пространстве
102
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
С
С
п
п
и
и
н
н
о
о
в
в
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(число
s
s
), показывает направление
собственного момента вращения, который называется
спином
(от англ. “spin” – вращаться). Вращаться электрон может
только в двух состояниях: по часовой стрелке, “спин вверх”
(s=+1/2), и против часовой стрелки, “спин вниз” (s=–1/2).
с северным и южным полюсами. Электрон
нельзя размагнитить, но зато можно повора
чивать в пространстве, воздействуя на него
внешним электромагнитным полем.
Число
m
m
также показывает максимально
возможное число орбиталей для каждой
оболочки
l
.
Всего на оболочке может быть:
одна
s–
орбиталь;
три
p–
орбитали;
пять
d–
орбиталей;
семь
f–
орбиталей.
Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно
взятый электрон. Он, подобно планете Солнечной системы,
вращается не только вокруг положительно заряженного ядра,
но и вокруг собственной оси. Поэтому одной из важнейших ха
рактеристик при описании электрона является его спиновое
квантовое число.
Итак, принимая во внимание при
веденные выше сведения, принцип
запрета Паули можно переписать сле
дующим образом:
Никакие два электрона в атоме не
могут иметь одинаковые наборы четы*
рех квантовых чисел.
Э
Э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
н
н
н
н
а
а
я
я
к
к
о
о
н
н
ф
ф
и
и
г
г
у
у
р
р
а
а
ц
ц
и
и
я
я
э
э
л
л
е
е
м
м
е
е
н
н
т
т
а
а
это запись распреде
ления электронов в атоме по оболочкам и орбиталям. Она
обычно записывается для атомов в основном состоянии соглас
но следующим правилам:
1. Электроны заполняют орбитали последовательно, от
меньшего энергетического уровня к большему. Низшие по
энергии орбитали всегда заполняются первыми.

Пнд 16 Дек 2013 05:18:58
>>59041483
> центр дс2
> муравейник
блять, ну ты в Москве наверное не был, лолка

Пнд 16 Дек 2013 05:19:22
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
>>59041354
103
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Например
:
Водород, атомный номер =1, число электронов = 1
Этот единственный в атоме водорода электрон должен за
нимать
s
орбиталь
К
оболочки, поскольку из всех возможных
орбиталей она имеет самую низкую энергию. Электрон на этой
орбитали называется
1s
электрон.
Следовательно, электронная конфигурация водорода в ос
новном состоянии:
1s
1
.
2. На любой орбитали может находиться не более двух
электронов, и то лишь в том случае, если они имеют противо
положные спины.
Например
:
Литий, атомный номер =3, число электронов = 3
Орбиталь с самой низкой энергией – это
1s
орбиталь. Она
может принять на себя только два электрона с неодинаковыми
спинами. Схематически это записывается так:

запрещенное расположение спинов.
Третий электрон в атоме лития должен занимать орбиталь,
следующую по энергии за самой низкой орбиталью, т.е.
2s
ор
биталь. Таким образом, литий имеет электронную конфигура
цию:
1s
2
2s
1
.
3. Заполнение орбиталей одной подоболочки начинается
одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по
знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны
займут все орбитали, может происходить окончательное запол
нение орбиталей парами электронов с противоположными
спинами.
Например
:
Азот, атомный номер =7, число электронов = 7
Азот имеет электронную конфигурацию
1s
2
2s
2
2p
3
. Три
электрона, находящиеся на 2pподоболочке, должны распола
гаться поодиночке на каждой из трех 2pорбиталей. При этом
все три электрона должны иметь параллельные спины.
104
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Из таблицы видно, что электронные конфигурации эле
ментов отличаются периодичностью, что и отображено в табли
це Менделеева. Например, все элементы одного периода имеют
одинаковый электронный остов (внутренние электронные обо
лочки) и отличаются лишь количеством электронов, находя
щихся на подоболочках с самой высокой энергией.
А все элементы, принадлежащие какойлибо группе, имеют
характерную для нее электронную конфигурацию высшей по
энергии оболочки. Например, для I группы характерна конфи
гурация
Ns
1
,
где
N
– номер периода; для II группы – конфигу
рация
Ns
2
,
для III группы –
Ns
2
p
1
и так далее, до группы 0(VIII),
все элементы которой имеют конфигурацию
Ns
2
p
6
.
Табл 4. Электронные конфигурации первых 20ти элементов Периодической системы
А
А
т
т
о
о
м
м
н
н
ы
ы
й
й
н
н
о
о
м
м
е
е
р
р
Э
Э
л
л
е
е
м
м
е
е
н
н
т
т
Э
Э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
н
н
н
н
а
а
я
я
к
к
о
о
н
н
ф
ф
и
и
г
г
у
у
р
р
а
а
ц
ц
и
и
я
я
А
А
т
т
о
о
м
м
н
н
ы
ы
й
й
н
н
о
о
м
м
е
е
р
р
Э
Э
л
л
е
е
м
м
е
е
н
н
т
т
Э
Э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
н
н
н
н
а
а
я
я
к
к
о
о
н
н
ф
ф
и
и
г
г
у
у
р
р
а
а
ц
ц
и
и
я
я
1
Водород
1s
1
11
Натрий
1s
2
2s
2
2p
6
3s
1
2
Гелий
1s
2
12
Магний
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3
Литий
1s
2
2s
1
13
Аллюминий
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
4
Бериллий
1s
2
2s
2
14
Кремний
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
2
5
Бор
1s
2
2s
2
2p
1
15
Фосфор
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
3
6
Углерод
1s
2
2s
2
2p
2
16
Сера
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
4
7
Азот
1s
2
2s
2
2p
3
17
Хлор
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5
8
Кислород
1s
2
2s
2
2p
4
18
Аргон
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
9
Фтор
1s
2
2s
2
2p
5
19
Калий
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
1
10
Неон
1s
2
2s
2
2p
6
20
Кальций
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
4s
2
Современная на
ука считает все электроны стандартными,
поэтому если поменять два любых электрона местами, конфигу
рация системы не изменится. В таблице представлены электрон
ные конфигурации эл
ементов с атомными номерами от 1 до 20:
Разрешенная конфигурация электронов
Три неразрешенные конфигурации электронов
105
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Электронная конфигурация элементов VIII группы назы
вается
устойчивой
, поскольку при этом внешняя оболочка их
атомов заполнена полностью. Элементы этой группы получили
название “инертных” или “благородных” газов, поскольку из
за своей устойчивой электронной конфигурации при обычных
условиях они практически не образуют химических соедине
ний. Подробнее о механизме образования химических связей
можно прочесть в главе, посвященной нанохимии.
Квантовые размерные эффекты
В нашей вводной лекции мы познакомились с понятием
ультрадисперсности и убедились, что с уменьшением размера
частиц какоголибо вещества его физические и химические
свойства могут существенно меняться. Это происходит изза
того, что ход физических процессов зависит не только от
свойств самого вещества, но и от геометрии той области прост
ранства, в которой они протекают – грубо говоря, от “разме
ров” этой области. Для наглядной иллюстрации этой идеи при
ведем следующую аналогию: представим, что в узком переулке
нужно развернуться какомуто транспортному средству. Оче
видно, что мотоциклисту это будет сделать легче, чем водителю
тяжелого КАМАЗа.
Размерные эффекты в твердых телах – это явление, наблю
дающееся в условиях, когда геометрические размеры объекта
сравнимы с той или иной из длин, определяющих протекание
физических процессов (например, длиной свободного пробега
носителя заряда, длиной волны де Бройля и т.д.).
В зависимости от размеров исследуемого образца различа
ют кл >>59041811
ассические и квантовые размерные эффекты, которые
могут влиять практически на любые свойства вещества. Понят
но, что для нанометровых объектов, где размеры частиц срав

Пнд 16 Дек 2013 05:20:04
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
нимы с де Бройлевской длиной волны электрона, характерны
именно квантовые размерные эффекты, определяющие такие
свойства вещества, как теплоемкость, электропроводность не
которые оптические свойства и т.п.
Самым ярким представителем квантовых размерных эф
фектов является туннельный эффект — явление, играющее
важную роль в нанотехнологии. Сущность туннельного эффек
та заключается в преодолении микрочастицей потенциального
барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барь
ера. Это явление чисто квантовое, ведь классическая частица не
может находиться внутри потенциального барьера высоты
V
,
если ее энергия
E&t;V
, так как кинетическая энергия частицы
становится при этом отрицательной, а ее импульс — мнимой
величиной.
Однако для микрочастицы этот вывод не справедлив: всле
дствие соотношения неопределенностей фиксация частицы
внутри барьера делает неопределенным ее импульс.
Поскольку потенциальная энергия частицы однозначно
определяется ее координатой, кинетическая энергия импуль
сом, а в силу соотношения неопределенностей одновременно и
точно координату и импульс частицы определить невозможно,
то разделение энергии на кинетическую и потенциальную в
квантовой физике бессмысленно. Соответственно, появляется
вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный
барьер.
Феномен туннелирования открыл в 1928 году наш соотече
ственник Г. А. Гамов, впервые получив решения уравнения
Шредингера, описывающие возможность преодоления части
цей энергетического барьера, даже если ее энергия меньше вы
Рис 21. Условная схема туннельного перехода
соты барьера. Найденное решение объясняло многие экспери
ментально наблюдавшиеся процессы и позволило понять боль
шой круг явлений, происходящих при вылете частицы из ядра
– основы атомной науки и техники. Многие считают, что за
грандиозность результатов его работ, ставших основополагаю
щими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен
нескольких Нобелевских премий.
И лишь спустя тридцать лет после открытия Гамова появи
лись первые приборы на основе туннельного эффекта: туннель
ные диоды, транзисторы, датчики, термометры для измерения
сверхнизких температур, и, наконец, сканирующие туннель
ные микроскопы, положившие начало современной нанотех
нологии.
Почему нельзя смешивать законы классичес
кой и квантовой физики
В квантовой механике широко используется
п
п
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
с
с
у
у
п
п
е
е
р
р
*
*
п
п
о
о
з
з
и
и
ц
ц
и
и
и
и
. Это означает, что результат действия двух или более
волн может быть получен суммированием действий каждой из
волн в отдельности. Согласно этому допущению, если кванто
механическая система может находиться в нескольких состоя
ниях, описываемых, соответственно, волновыми функциями


, ...,
n
, то физически допустимой будет и суперпози
ция (суммирование, наложение) этих состояний, то есть состо
яние, изображаемое волновой функцией
где
c1, c2, c3, ..., cn
– вероятность нахождения системы в сос
тояниях

, ...,
n
соответственно. Операция суммирова
ния в теории вероятности соответствует логическому “или”, а
операция умножения – логическому “и”. Поэтому для просто
ты восприятия суперпозицию вида
c
1
c
2
можно читать
так:
система N находится в состоянии

если она находится ли*
бо в состоянии
, либо в состоянии
.
107
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Таким образом, любая сложная волновая функция может быть
представлена в виде совокупности нескольких более простых
функций












108
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 47. Кошка Шредингера в непроницаемом ящике
Возможность состояний, в которых данная физическая ве
личина не имеет определенного значения, а определяется су
перпозицией вероятных состояний данной величины, является
характерной чертой квантовой механики, принципиально отли*
чающей ее от механики классической
. Описать такое “смешан
ное” состояние одной частицы на языке классической механи
ки невозможно.
Поэтому ошибочно рассматривать (даже теоретически) фи
зические системы, в которых формально объединены как клас
сические, так и квантовые объекты, поскольку такие системы
некорректны для исследования – в них обнаруживаются нераз
решимые противоречия. Одно из них демонстрирует предло
женный Э.Шредингером “
п
п
а
а
р
р
а
а
д
д
о
о
к
к
с
с
к
к
о
о
ш
ш
к
к
и
и
“.
Пусть в замкнутой системе, ограниченной некоторым неп
роницаемым “ящиком”, находится кошка. На кошку направ
лен ствол заряженного ружья. И ружье и кошка – это класси
ческие объекты. Запустим теперь в этот ящик движущуюся
микрочастицу, обладающую волновыми свойствами. При попа
дании этой частицы в курок ружья оно стреляет, и кошка поги
бает.
Пусть наша частица может находиться в первом квантовом
состоянии, описываемом волновой функцией
, и пусть в
этом состоянии вероятность обнаружить частицу вблизи курка
равна нулю. Это значит, что если частица находится в первом
квантовом состоянии, то кошка в ящике жива.
Есть и другое состояние частицы, описываемое волновой
функцией
. В этом квантовом состоянии вероятность нахож
дения частицы в области вблизи курка ружья очень велика и
практически равна единице. Таким образом, если частица нахо
дится во втором состоянии, то кошка мертва.

Пнд 16 Дек 2013 05:20:44
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
По принципу суперпозиции состояний микрочастица мо
жет находиться и в состоянии, которое является суперпозици
ей первого и второго состояний и описывается волновой функ
цией
Тот факт, что частица в таком состоянии с равной вероят
ностью может быть обнаружена либо в состоянии 1, либо в сос
тоянии 2, возражений не вызывает. Однако возникает ковар
ный вопрос: Жива или мертва кошка в таком состоянии?
Ведь кошка не может находиться в состоянии, которое яв
ляется суперпозицией жизни и смерти (то есть одновременно
быть “ни живой, ни мертвой”). Так жива или мертва кошка?
Ведь если мы откроем ящик, то однозначно увидим, что кошка
или жива, или мертва. И если она мертва, то когда это прои
зошло? Ведь до открытия ящика уверенности в том, , что кошка
мертва, не могло быть. Неужели мы убили кошку тем, что отк
рыли ящик?!
На эти вопросы нет ответов только потому, что была рас
смотрена некорректная система, формально объединяющая
классические и квантовые объекты.
Эффекты квантовой физики, обеспечивающие
реализацию эталонов основных единиц изме
рения физических величин системы СИ
Формально, чисто количественно, развитие нанотехноло
гий можно охарактеризовать как переход человечества от мани
пулирования величинами порядка “микро” (10
6
) – микрометр,
микроампер, микросекунда и т.д. – к величинам порядка “на
но” (10
9
) – нанометр, наноампер, наносекунда и т.д. Такой пе
реход требует наличия новых единиц измерения физических
величин и их в тысячу раз более точных эталонов.
Система единиц физических величин строится на основе
физических теорий, отражающих существующие в природе вза
имосвязи между ними. Это позволяет определять новые едини
цы физических величин через совокупность ранее определен
ных единиц, и, в конечном счете, через основные (независи
мые) единицы системы. В качестве основных выбирают едини
109
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
цы, которые могут быть воспроизведены эталонами или эта
лонными установками с наивысшей точностью, соответствую
щей уровню развития науки и техники в данную эпоху.
Без эталонов невозможно добиться сопоставимости резуль
татов измерения, выполненных в различное время при помощи
разных приборов. Совокупность эталонов образует эталонную
базу. В нее входят эталоны основных единиц системы СИ. Рас
смотрим некоторые из них.
Эталон метра
. Согласно принятому в 1960 году Генеральной
конференцией по мерам и весам определению, метр – это дли
на, равная 1650763, 73 длины волны краснооранжевого излуче
ния атома криптона 86. Эталон метра – это комплекс аппара
туры, включающий интерферометры для точного измерения
расстояний. Он позволяет воспроизводить метр со средним
квадратическим отклонением не более 0, 5 нанометра.
Атомная
секунда,
воспроизводимая цезиевымыми эталона
ми частоты и времени, равна 9192631770 периодам излучения,
соответствующего энергетическому переходу между двумя
уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома
цезия . Данный эталон позволяет воспроизводить время с точ
ностью ±1
·
10
12
секунды.
Эталоны,
основанные
на
эффекте
Джозефсона
. Суть эф
фекта состоит в протекании сверхпроводящего тока через тон
кий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Эф
фект предсказал теоретически английский студент Б. Джозеф
сон в 1962 г., за что в 1973 г. он получил Нобелевскую премию.
Эффект позволяет чрезвычайно точно измерять слабые магнит
ные поля (до 10
18
Тл), малые токи (до 10
10
А) и напряжение (до
10
15
В).
В системе СИ есть и другие эталоны, но именно эти связа
ны с квантовыми эффектами и могут быть использованы для
калибровки нанотехнологических средств измерения и аппара
туры.
110
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Э
Э
т
т
а
а
л
л
о
о
н
н
ы
ы
– это такие средства измерения, которые обеспечива
ют воспроизведение и хранение узаконенных единиц измере
ния физических величин, а также передачу их размера другим
средствам измерения.
Квантовые точки, проволоки и плоскости
Одно из промышленных применений нанотехнологий свя
зано с квантовыми точками и плоскостями.
К
К
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
а
а
я
я
п
п
л
л
о
о
с
с
к
к
о
о
с
с
т
т
ь
ь
– это многослойная твердотельная
структура из тонких пленок различных веществ толщиной в
один атом, сложенных одна на другую. Изза малой толщины
пленок в таких структурах начинают проявлять себя квантовые
эффекты, которые весьма сильно воздействуют на поведение
электронов внутри квантовой плоскости, что позволяет произ
вольным образом менять физические и химические свойства
таких веществ.
Пионером в области создания приборов на таких структу
рах был русский ученый, академик Жорес Иванович Алферов,
ставший в 2002 году Нобелевским лауреатом. Вслед за Нобеле
вской премией Алферов получил государственную. Его работа
“Фундаментальные исследования процессов формирования и
свойств гетероструктур с квантовыми точками и создание лазе
ров на их основе” ознаменовала первый этап нового направле
ния, открывающего широкие перспективы.
К
К
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
ы
ы
е
е
т
т
о
о
ч
ч
к
к
и
и
– это крохотные пирамидки в 50100 ато
мов одного материала, размещенные на монокристалле другого
материала.
Размер одной квантовой точки
составляет единицыдесятки нано
метров. Электронный спектр иде
альной квантовой точки соответ
ствует электронному спектру оди
ночного атома, хотя реальный квантовый объект при этом мо
жет состоять из сотен тысяч атомов. Именно по этой причине
квантовые точки называют также “искусственными атомами”.
Ввиду малости величины квантовой точки на ее основе
можно строить различные полупроводниковые устройства, ис
пользующие для своей работы квантовые размерные эффекты.
Лазеры нового поколения, основанные на гетеростуктурах
с квантовыми точками, прекрасно работают, подтверждая ста
рую истину, что в науке нет нерушимых догм. Ведь долгое вре
мя считалось, что вырастить кристалл с кусочками другого ма
териала внутри без дефектов невозможно. То, что сделали сот

Пнд 16 Дек 2013 05:21:06
>>59041483
зачем ты из европы в рашку двинул, если не секрет?

Пнд 16 Дек 2013 05:21:28
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
>>59041392
рудники лаборатории Ж.И. Алферова, можно смело назвать ре
волюцией в лазерной физике. Если раньше ученые, выращивая
кристаллы для лазеров, вынуждены были полностью управлять
процессом, то теперь ситуация иная – нужная структура растет
сама!
“Все дело в новой технологии выращивания материала”, –
говорит академик Алферов. – “Традиционно гетероструктур
ные материалы, например, из арсенида галия и арсенида индия,
получают, накладывая слой за слоем. Много лет назад, начиная
эти исследования, мы наносили слои друг на друга вручную.
Эта работа требовала огромного внимания и напряжения. Но
теперь мы решили эту задачу, и уже сама природа помогает нам
получать в процессе выращивания различные ансамбли таких
квантовых точек. Дело в том, что если правильно подобрать все
параметры: температуру, скорость осаждения, соотношение по
токов атомов, то кристалл вырастет без дефектов. И вырастет
сам. Это позволяет радикально улучшить свойства полупровод
никовых приборов, скажем, температурную стабильность ла
зерных диодов”.
Один из участников работы Николай Леденцов, выступая
на международном семинаре “Нанотехнологии в физике, хи
мии и биотехнологии”, пошутил, что теперь, зная законы роста
наноматериалов, можно и поразвлечься: расположить кванто
вые точки в виде блюдец, сплести бусы из точек, создать боль
шие и маленькие наноостровки. За этой шуткой большое буду
щее – варьируя расположение квантовых точек, можно изме
нять и корректировать свойства кристалла.
К
К
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
ы
ы
е
е
п
п
р
р
о
о
в
в
о
о
л
л
о
о
к
к
и
и
– это совокупность квантовых точек,
нанесенных с помощью сканирующего микроскопа на крис
таллическую подложку. Они позволяют изменять свойства
кристаллов и создавать различные электропроводящие пути.
Квантовая механика и компьютер
В настоящее время вычислительная техника подошла к
пределу своих возможностей по быстродействию компьютеров
и размеру микросхем. Масштаб порядка 0, 1 микрометра опре
деляет границу применимости законов классической физики, и
при дальнейшем увеличении быстродействия и уменьшении
112
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
размеров мы попадаем в наномир, где доминируют квантовые
размерные эффекты. Поэтому для решения задач конструиро
вания компьютеров нового поколения требуется принципиаль
но новый подход.
В последние годы стала широко обсуждаться идея исполь
зования квантовых эффектов для хранения и обработки инфор
мации, поэтому квантовые точки привлекают все большее вни
мание. Электроны в квантовой точке локализованы, поэтому
энергетический спектр квантовой точки является дискретным,
как у отдельно взятого атома.
Мы привыкли к тому, что ЭВМ оперирует с числами, выра
женными в двоичной форме, то есть состоящими только из ну
лей и единиц. На заре вычислительной техники логические
элементы ЭВМ выполнялись на основе реле (ключ разомкнут –
0, ключ замкнут – 1), потом на смену реле пришли электрон
ные лампы, а затем – полупроводниковые структуры. Все пере
численные электронные устройства являются, по сути дела,
объектами макромира, поскольку для выполнения ими своих
функций требуется наличие макроскопического (многие мил
лионы и даже миллиарды) числа электронов.
Давайте теперь пристальнее посмотрим на один отдельно
взятый электрон. Он обладает одной удивительной характерис
тикой –
спином,
или собственным моментом вращения. Вра
щаться электрон может только в двух состояниях: “спин вверх”
(S=+1/2) и “спин вниз” (S= –1/2). Такое впечатление, что сама
Природа говорит нам: “Вот он, электрон, естественный кан
дидат для представления чисел в двоичной форме”. Действи
тельно, приписав электронам со спином вниз и вверх соответ
ственно логический нуль и логическую единицу, мы можем
каждой конкретной спиновой конфигурации системы электро
нов поставить в соответствие определенный набор таких нулей
и единиц, то есть определенное число, записанное в двоичной
форме, или, другими словами, определенную информацию
(при этом один электрон является носителем одного бита ин
формации).
Наличия соответствия между знаком спина электрона и ло
гическими переменными (нулями и единицами) недостаточно
для конструирования конкретных вычислительных схем и уст
ройств. Пока это лишь голая идея. Нужно придумать какието
113
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
реальные способы ввода, хранения, обработки и вывода спино
вой информации. И, прежде всего, нужно научиться локализо
вать отдельные электроны в небольших областях пространства
(чем меньше будут размеры этих областей, тем выше будет
плотность информации, и тем больше логических элементов
мы сможем разместить в единице объема или на единице пло
щади).
На современном уровне развития технологии для этой цели
как нельзя лучше подходят квантовые точки. В каждую пира
мидку из атомов можно внедрить произвольное число электро
нов. При этом движение электрона в квантовой точке будет ог
раничено во всех трех направлениях и энергетический спектр
является полностью дискретным, как в отдельном атоме.
Таким образом, дискретность электронных состояний в
квантовой точке и наличие у него собственного вращательного
момента – спина – могут быть использованы при конструиро
вании сверхминиатюрных логических элементов, которые в
скором времени, будем надеяться, станут основой нового поко
ления ЭВМ. Компания HP уже провозгласила стратегию созда
ния наноэлектроники на основе квантовых эффектов и молеку
лярных компьютеров.
Сверхпроводимость и сверхтекучесть
Собсвенным моментом вращения обладаю не только элект
роны, но и другие элементарные частицы, которые в зависи
мости от их спина делятся на два вида фермионы и бозоны.
Ф
Ф
е
е
р
р
м
м
и
и
о
о
н
н
а
а
м
м
и
и
называются частицы, имеющие полуцелое значе
ние спина (например, электроны), а
б
б
о
о
з
з
о
о
н
н
а
а
м
м
и
и
частицы с це
лым спином (например, фотоны). Принцип Паули, по которо
му две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том
же состоянии, справедлив для всех фермионов, но бозоны его
начисто игнорируют: в одном состоянии может находиться
сколько угодно бозонов!
При глубоком охлаждении некоторых металлов электроны
их атомов с противоположными спинами, превозмогая элект
рическое отталкивание, объединяются в пары, называемые
ку*
перовскими >>59041863

(по имени их первооткрывателя). Эти пары, в отли
чие от отдельных электронов, обладают нулевым суммарным
спином и поэтому являются бозонами. Такие частицы облада

Пнд 16 Дек 2013 05:22:08
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
ют замечательным свойством: если температура ниже некото
рого критического значения, они могут скапливаться на самом
нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем
больше их там соберется, тем труднее какойлибо частице вый
ти из этого состояния. Все пары при этом когерентны, то есть
описываются единой волновой функцией. Тогда электрический
ток переносится не отдельными электронами, а куперовскими
парами, то есть квантами тока с зарядом

(
е
заряд электро
на). Если в обычном проводнике электроны постоянно натыка
ются на дефекты кристаллической решетки, примесные атомы
и т.п., мешающими прохождению тока, то с когерентными ку
перовскими парами этого не происходит. Грубо говоря, они мо
гут проходить через любые преграды и даже друг через дружку!
Это сводит электрическое
сопротивление
проводника к нулю, и,
например, возбужденный в сверхпроводящем кольце ток может
крутиться в нем бесконечно долго.
Электрический ток в сверхпроводнике напоминает ток,
создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это как бы
очень большая электронная орбита.
В 1911 году КамерлингОнесс открыл сверхпроводимость
ртути, а в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер создали свою
знаменитую теорию сверхпроводимости. В 1933 году Мейснер и
Оксенфельд показали, что сверхпроводники полностью вытал
кивают линии магнитного поля из своего объема это так на
зываемый эффект Мейснера: постоянный магнит парит (леви
тирует) над сверхпроводящим диском (см. фото).
115
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Рис 49. Эффект Мейснера *
* Перепечатано с www.phys.pe.kr
116
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Сверхпроводники позволят создать сверхмощные магниты,
не требующие электрического питания, сверхчувствительные
сенсоры, электронику, не нуждающуюся в охлаждении и мно
гое другое. Кстати, в отличие от Шредингерова кота, электри
ческий ток в сверхпроводнике вполне подчиняется квантовым
законам суперпозиции различных состояний: ученым удалось
создать замкнутое кольцо, по которому ток одновременно течет
и по часовой, и против часовой стрелки!
При понижении температуры многие металлы и сплавы пе
реходят в сверхпроводящее состояние. Этот переход происхо
дит при определенной для каждого материала температуре, на
зываемой критической. Однако практическое использование
замечательных свойств сверхпроводников тормозится их пот
ребностью в сверхнизких температурах и, соответственно, гро
моздких криогенных установках. Исследования в области на
номатериалов позволили создать специальные вещества (нано
керамику, нанотрубки и т.п.), которые являются сверхпровод
никами при сравнительно высоких температурах. Широкое
распространение высокотемпературных сверхпроводников
приведет к огромной экономии электроэнергии, уменьшению
и удешевлению всех электрических устройств.
Объединяться в бозоны могут не только электроны. В 1938
году советский ученый П.Л. Капица открыл явление сверхтеку
чести гелия. При температурах, близких к абсолютному нулю, у
гелия исчезает вязкость и он становится
сверхтекучим.
Сверхте
кучий гелий так и норовит улизнуть: если на
лить его в обычный глиняный кувшин, он уте
чет сквозь тончайшие поры в его структуре. Ес
ли налить сверхтекучее вещество в сосуд из бо
лее плотного материала, то в виде тонкой плен
ки он потечет вверх по стенкам и далее опять
таки через край. Его невозможно заморозить
никаким понижением температуры и даже
нельзя создать разность температур – сверхте
кучесть приводит к сверхтеплопроводности.
Квантовая телепортация
Издавна люди мечтали о
телепортации
– мгновенном пере
мещении в пространстве. Герои народных сказок оказываются
Рис 50. Сверхтекучесть
жидкого гелия
117
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
в тридевятом царстве, надев волшебное колечко, а компьютер
ные игры и фантастика кишат “порталами” и “прыжками в ги
перпространстве”. Ну, казалось бы, здесьто причем нанотех
нология со своими пылинками?
Известен так называемый
п
п
а
а
р
р
а
а
д
д
о
о
к
к
с
с
Э
Э
й
й
н
н
ш
ш
т
т
е
е
й
й
н
н
а
а
*
*
П
П
о
о
д
д
о
о
л
л
ь
ь
с
с
к
к
о
о
*
*
г
г
о
о
*
*
Р
Р
о
о
з
з
е
е
н
н
а
а
(ЭПРпарадокс), заключающийся в том, что если
после взаимодействия двух квантовых частиц провести наблю
дения за одной из них, то мгновенно изменятся параметры дру
гой, уже далеко отлетевшей частицы. Эксперименты показали,
что частицы проявляют удивительную взаимосогласованность
даже на таких больших расстояниях, на которых они никак не
могли бы повлиять на друга с точки зрения классической тео
рии. Дело в так называемой “нелокальности” волновой функ
ции для системы из нескольких частиц – несмотря на то, что
частицы уже далеко друг от друга, вероятности нахождения их в
том или ином состоянии остались взаимосвязанными после
квантового взаимодействия. Это казалось фантастикой, пока
Антон Цойлингер и Франческо де Мартини не передали состо
яние поляризации между двумя фотонами при помощи третье
го на расстояние 10 км.
Достигнув успехов в телепортации фотонов, эксперимента
торы уже планируют работы с другими частицами: электронами,
атомами и ионами. Телепортация сможет обеспечить надежную
передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все
другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в
будущем сети квантовой телепортации получат такое же распро
странение, как современные телекоммуникационные сети.
Но передачей информации на расстояние уже никого не
удивишь, а как же материальные объекты? Обычно полагают,
что переместить какойлибо объект или даже человека – значит
переместить все частицы, из которых он состоит. Но, посколь
ку квантовые частицы неотличимы друг от друга, их можно не
перемещать, а “собрать” телепортируемый объект из новых
частиц на основе полученной информации (например, при по
мощи молекулярных сборщиков – ассемблеров). Следователь
но, телепортация объекта есть телепортация квантовых состоя
ний частиц и воссоздание их на удаленном расстоянии.
Так можно было бы и копировать объекты, но в силу везде
сущего принципа неопределенности чем больше получено ин

Пнд 16 Дек 2013 05:22:22
>>59041714 OH U
у тебя аналогичные проблемы?
или ты барагоз из ОП-поста?

Пнд 16 Дек 2013 05:22:59
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
>>59041413
формации о некотором объекте, тем больше искажений вно
сится в этот объект – и так до тех пор, пока исходное состояние
не будет разрушено полностью. Как только будет считана вся
нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет
только после квантовой сборки.
Вместо заключения или некоторые замечания
по поводу вероятностной интерпретации кван
товых явлений
Экспериментальные подтверждения справедливости кван
товой механики столь убедительны, что должны были развеять
всякое недоверие к ней. Но остаются сомнения в плане фило
софском: хорошо известно, что Эйнштейн, Шредингер и де
Бройль, которые были творцами новой механики, высказыва
лись против понимания сущности теории на основе принципа
неопределенности. “Бог не играет в кости”, – так Эйнштейн
отзывался о вероятностной трактовке волновой функции.
Но в своей работе физики всегда имеют дело с несовершен
ными теориями, справедливыми только для ограниченного
круга явлений, ровно до тех пор, пока ктонибудь не открывает
новые явления, вынуждающие их выходить за рамки старых те
орий и строить новые. Так, две с половиной тысячи лет назад,
атом считался неделимым; вплоть до XV века человечество пре
бывало в абсолютной уверенности относительно того, что Зем
ля плоская. До рождения Ньютона многие природные законо
мерности также описывались лишь в терминах вероятности.
В наше время пока нет ни конкретных предложений, как
преодолеть рубежи квантовой механики, ни эксперименталь
ных данных, указывающих на такую возможность. Но все же
квантовая механика (вне всяких сомнений!) будет, в конце кон
цов, превзойдена, и приоткроется перед людьми завеса неопре
деленности, скрывающая сегодня тайны квантового мира.

119
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Предпосылкой для такого разделения послужил спор
между Ньютоном и Гюйгенсом, касаемо природы света. Нью
тон принимал свет за поток световых частиц, а Гюйгенс – за
волновой процесс. Дальнейшее развитие науки доказало, что
правы. были оба физика. Разрешил данное противоречие Макс
Планк, введя в 1900 году понятие “кванта”.

К
К
в
в
а
а
н
н
т
т


означает “наименьшее количество”, на кото
рое может измениться дискретная физическая величина.
Суть гипотезы Планка: атомы вещества испускают
светв виде отдельных порций (квантов). Энергия отдельного
кванта пропорциональна частоте световой волны:
Е= ћ·
где
Е
– энергия кванта света, называемого также фотоном;
– его частота;
ћ
– 1, 054
·
10
34
Дж
·
с – постоянная Планка.
П
П
о
о
с
с
т
т
о
о
я
я
н
н
н
н
а
а
я
я
П
П
л
л
а
а
н
н
к
к
а
а

это квант действия, т.е. наимень
шее действие, возможное в природе. Ввиду малости величины
ћ, для макроскопических тел оно не проявляется. Поэтому для
описания их взаимодействия достаточно законов классической
физики.
Альберт Эйнштейн доказал, что свет не только испуска
ется, но и поглощается квантами.
Нильс Бор сформулировал основные постулаты кванто
вой физики:
1. Дискретный энергетический спектр атома оъясняется
тем, что каждый электрон находятся на собственном энергети
ческом уровне, соответствующем строго определенной энер
гии.
2. Электроны могут переходить с одного уровня на другой,
поглощая или испуская фотон. Этот принцип лежит в основе
работы лазера.
Согласно
г
г
и
и
п
п
о
о
т
т
е
е
з
з
е
е
д
д
е
е
Б
Б
р
р
о
о
й
й
л
л
я
я
, каждой частице, незави
симо от ее природы, следует поставить в соответствие волну,
длина
которой обратно пропорциональна импульсу частицы,
то есть ее массе. Это значит, что для макрочастиц длина волны
очень мала и их волновые свойства заметить практически не
возможно.










120
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Бор и Гейзенберг сформулировали принципы кванто
вой механики, относящиеся к проблеме точности измерений:
П
П
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
д
д
о
о
п
п
о
о
л
л
н
н
и
и
т
т
е
е
л
л
ь
ь
н
н
о
о
с
с
т
т
и
и
Б
Б
о
о
р
р
а
а
: нельзя точно измерить
одну физическую величину микрообъекта без потери инфор
мации о величине, дополнительной к ней.
С
С
о
о
о
о
т
т
н
н
о
о
ш
ш
е
е
н
н
и
и
е
е
м
м
н
н
е
е
о
о
п
п
р
р
е
е
д
д
е
е
л
л
е
е
н
н
н
н
о
о
с
с
т
т
е
е
й
й
Г
Г
е
е
й
й
з
з
е
е
н
н
б
б
е
е
р
р
г
г
а
а
: существуют
такие пары физических величин, одновременное и точное оп
ределение которых невозможно. (например, координата час
тицы x и ее импульс)
Поведение элементарных частиц носит вероятностный
характер, описываемый
в
в
о
о
л
л
н
н
о
о
в
в
о
о
й
й
ф
ф
у
у
н
н
к
к
ц
ц
и
и
е
е
й
й
. Ее математический
смысл соответствует плотности распределения вероятности об
наружить частицу .в определенной точке пространства
Чтобы вычислить волновую функцию, нужно решить
у
у
р
р
а
а
в
в
н
н
е
е
н
н
и
и
е
е
Ш
Ш
р
р
е
е
д
д
и
и
н
н
г
г
е
е
р
р
а
а
,
,
которое учитывает влияние внешнего
электромагнитного поля на движение частицы, и играет в
квантовом мире ту же роль, что законы Ньютона для мира
классического.
Согласно
п
п
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
у
у
з
з
а
а
п
п
р
р
е
е
т
т
а
а
П
П
а
а
у
у
л
л
и
и
, на каждом энергети
ческом уровне атома в конкретном состоянии может находить
ся только один электрон.
Г
Г
л
л
а
а
в
в
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(
n
n
) характеризует оболочку, в
которой находится электрон. Оно соответствует повышаю
щимся энергетическим уровням оболочек;
О
О
р
р
б
б
и
и
т
т
а
а
л
л
ь
ь
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(
l
l
) определяет форму
электронных орбиталей;
М
М
а
а
г
г
н
н
и
и
т
т
н
н
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(
m
m
) определяет ориентацию
орбиталей в пространстве;
С
С
п
п
и
и
н
н
о
о
в
в
о
о
е
е
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
о
о
е
е
ч
ч
и
и
с
с
л
л
о
о
(
s
), показывает собственный
момент вращения электрона: по часовой стрелке (s=+1/2), или
против часовой стрелки(s=–1/2);
К
К
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
ы
ы
е
е
р
р
а
а
з
з
м
м
е
е
р
р
н
н
ы
ы
е
е
э
э
ф
ф
ф
ф
е
е
к
к
т
т
ы
ы
наблюдаются в услови
ях, когда геометрически >>59041894
е размеры объекта сравнимы с характе
ристиками длин, определяющих протекание физических про
цессов. Квантовыми эффектами объясняются такие удиви
тельные явления, как туннелирование электронов сквозь вы
сокий потенциальный барьер, сверхтекучесть, све

Пнд 16 Дек 2013 05:23:18
Сам понаехал. И в коммуналках попарился. Лучше съезжай. В центре хорошо, конечно, но соседи.. Брр.. И вода мерзкая.

Пнд 16 Дек 2013 05:23:46
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
>>59041483
121
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 2. Законы квантового мира
Согласно
п
п
р
р
и
и
н
н
ц
ц
и
и
п
п
у
у
с
с
у
у
п
п
е
е
р
р
п
п
о
о
з
з
и
и
ц
ц
и
и
и
и
любую сложную вол
новую функцию можно представить в виде совокупности более
простых функций. Это принципиально квантовомеханическое
явление, неприемлемое для классической физики, о чем крас
норечиво говорит “парадокс кошки”.
Многие эффекты квантовой физики обеспечивают реа
лизацию эталонов основных единиц измерения физических
величин системы СИ.
Ввиду малости величин, с которыми ей приходится
иметь дело, нанотехнология практически целиком построена
на квантомеханических законах. Большое значение здесь име
ют
к
к
в
в
а
а
н
н
т
т
о
о
в
в
ы
ы
е
е
т
т
о
о
ч
ч
к
к
и
и
,
,
п
п
р
р
о
о
в
в
о
о
л
л
о
о
к
к
и
и
и
п
п
л
л
о
о
с
с
к
к
о
о
с
с
т
т
и
и
, уникальные свой
ства которых определяются как раз квантовыми эффектами.
астности, в последние годы стала широко обсуждаться идея ис
пользования квантовых эффектов для создания компьютеров
нового поколения – квантовых, где в качестве логических
констант предполагается использовать значения спина элект
ронов.



122
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Глава 3. Нанохимия и наноматериалы
“Алхимики искали только золото, но открыли
вместо него порох, фарфор, целебные средства
и ряд законов природы”.
А. Шопенгауэр
Химическая связь
Каждый из нас лепил в детстве из пластилина, вырезал бу
мажные фигурки и склеивал их между собой, пришивал пуго
вицу... Так или иначе, все мы понимаем, что объекты окружаю
щего нас мира удерживаются вместе не “абы как”, а с помощью
какихто дополнительных сил. Эти силы заметно различаются
в зависимости от своей природы: в одном случае это нитка, со
единяющая вместе кусочки ткани, в другом – всемирное тяго
тение, в третьем – клей, глина и т.п. В мире атомов и молекул
роль такого универсального “клея”, связывающего их между
собой, выполняет
химическая связь.
Природа химической связи
объясняется силой электрического притяжения между отрица
тельными электронами и положительными ядрами.
Подобно тому, как разные виды клея различаются проч
ностью, сила химической связи также неодинакова для разных
веществ. Об этом свидетельствует наш повседневный опыт: одни
вещества легко разрушаются при малейшем воздействии (напри
мер, соль растворяется воде), так как связи между их атомами
очень слабы. Атомы других веществ связаны сильнее, но и они
поддаются деформации (например, металлы, которые можно
гнуть и ковать); третьи же вещества (алмаз) настолько прочны,
что им
нипочем ни сверхвысокие температуры, ни давление.
Соль, металл и алмаз являются яркими представителями
трех наиболее характерных типов химической связи –
ионной
,
металлической
и
ковалентной
. Обратите внимание, насколько
тип связей между атомами и молекулами вещества влияет на
его физические и химические свойства.
Атомы вступают в химические связи с единственной
целью:
приобрести устойчивую электронную конфигурацию
Х
Х
и
и
м
м
и
и
я
я
наука о составе, строении, свойствах веществ и их
превращениях, основанная на общих принципах физики.
123
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
(полностью заполнить свою внешнюю электронную оболочку).
Впервые эту гипотезу выдвинули в 1916 г. ученые Коссель и Ль
юис, а впоследствии она была доказана и экспериментально.
В главе, посвященной квантовым явлениям, говорилось о
том, что атомы так называемых “благородных газов” (гелия, не
она, аргона и др.) упорно избегают химических связей. Такая
“неприступность” этих элементов обусловлена тем, что каждый
из них сам по себе имеет устойчивую электронную конфигура
цию. Конфигурация гелия –
1s
2
,
а остальных –
Ns
2
Np
6
, где
N

номер соответствующего химического ряда.
В отличие от инертных газов, остальные атомы имеют неус
тойчивую электронную конфигурацию и охотно вступают в хи
мические связи с другими элементами. Способность образовы
вать связи называется
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
ю
ю
.
Ионная связь
Ионная связь представляет собой электрическое притяже
ние между противоположно заряженными ионами (частицами,
несущими электрический заряд).
Согласно гипотезам Планка и Бора, энергия каждого
электрона в атоме квантована и принимает лишь определенные
значения, соответствующие конкретным энергетическим уров
ням (орбитам). Электроны могут переходить с одного уровня на
другой, поглощая или излучая фотоны. Поглотив фотон, элект
рон переходит на более высокую орбиту, а сила, связывающая
его с ядром, уменьшается.
Если электрону удается полностью “освободиться” от сил
притяжения ядра и покинуть атом, то происходит
ионизация
атома.
Атом превращается в положительный ион, именуемый
к
к
а
а
т
т
и
и
о
о
н
н
о
о
м
м
и обозначаемый знаком “плюс”.
Na
+
, А
g+
катионы натрия и серебра
Если же атом, наоборот, принимает в себя дополнительные
электроны, то их избыток превращает его в отрицательный ион

а
а
н
н
и
и
о
о
н
н
, который изображается с “минусом”, например:
C
l
, O
ани >>59041920
оны хлора и кислород

Пнд 16 Дек 2013 05:24:25
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
Напомним, что химическая связь объясняется стремлени
ем атомов приобрести устойчивую электронную конфигура
цию, подобную конфигурации “ближайшего” к ним инертного
газа. Рассмотрим некоторую последовательность элементов в
таблице Менделеева, среди которых имеется неон (
1s
1
2s
2
2p
6
).
В скобках рядом с символом элемента указано число элект
ронов в
K*, L* и М
оболочках.
F(2.7);
N
N
e
e
(
(
2
2
.
.
8
8
)
)
; Na (2.8.1)
Атом натрия может приобрести устойчивую электронную
конфигурацию неона, избавившись от одного электрона.
Образовавшаяся частица – положительно заряженный ион
натрия.
У фтора на один электрон меньше, чем у неона. Следова
тельно, если фтор присоединит один электрон (например, от
атома натрия), он приобретает заполненную внешнюю оболоч
ку из восьми электронов:
Между полученными частицами – анионом фтора и катио
ном натрия – будет действовать сила электростатического при
тяжения, связывающая их между собой. Это и называется
и
и
о
о
н
н
*
*
н
н
о
о
й
й
х
х
и
и
м
м
и
и
ч
ч
е
е
с
с
к
к
о
о
й
й
с
с
в
в
я
я
з
з
ь
ь
ю
ю
.
Одно из свойств ионных соединений – способность обра
зовывать
кристаллическую решетку
, в узлах которой располо
жены положительные и отрицательные ионы. Типичный
представитель вещества с ионной связью – всем известная по
варенная соль. Ее формула –
N
N
a
a
C
C
l
l
.
Большинство ионных соединений легко
разрушаются под внешним воздействием или
в химических реакциях. На рисунке 52 пока
зано, что происходит, если на ионный крис
талл действует деформирующая сила. Не
большие сдвиги в кристаллической решетке
сближают одинаково заряженные ионы. При
этом силы отталкивания между одноименны
ми зарядами создают трещины в кр
исталле.
124
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 51. Модель
кристаллической решетки
хлорида натрия
Рисунок 53 хорошо иллю
стрирует, что происходит с
кристаллами соли, когда им
приходится иметь дело с моле
кулами воды. Атомы, из кото
рых состоит вода имеют раз
личный заряд, (кислород боль
ше и тянет электронное “одея
ло” на себя, что делает его от
рицательнее, чем водород). По
этому атомы кислорода притя
гивают положительно заря
женные катионы натрия, а атомы водорода – анионы хлора,
растаскивая кристаллическую решетку
N
N
a
a
C
C
l
l
.
125
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Рис 52.. Схема поведения кристаллической решетки
NaCl под действием деформирующей силы
Рис 53. Иллюстрация процесса растворения соли вводе
Ковалентная связь
Ионная связь – не единственный тип химической связи. В
молекуле хлора
Cl
2
(
3s
2
3p
5
) мы встречаемся с так называемой ко
валентной связью между атомами. В такой связи каждый из двух
атомов делится с другим одним из своих
внешних электронов. При этом оба при
обретают восьмой электрон в свою внеш
нюю оболочку и обретают устойчивую
конфигурацию. Каждую ковалентную
связь удобно схематически представить
палочкой (СС) или в виде точки и крести
Рис 54. Схема ковалентной связи
ка. Каждая точка
или крестик изображают электрон в валентной
оболочке атома.
Электроны, образующие общую пару, называются
в
в
а
а
л
л
е
е
н
н
т
т
*
*
н
н
ы
ы
м
м
и
и
. Образуя ковалентную связь, они занимают одну и ту же
орбиталь, а их спины, согласно принципу Паули, направлены в
противоположные стороны. Таким образом, орбитали атомов
при ковалентной связи перекрываются между собой.
Для того чтобы орбитали перекрывались, расстояние меж
ду атомами должно быть очень маленьким. Этому препятству
ют силы отталкивания между их ядрами. Но ковалентная связь
достаточно сильна, чтобы удержать атомы в таком положении.
Благодаря этому нелегко оторвать атомы с общей орбиталью
друг от друга.
Ковалентная связь наиболее ха
рактерна для молекул, состоящих из
одинаковых атомов (например, H
2
или Cl
2
), либо каркасных структур
(алмаз). Двойная, и, тем более, трой
ная ковалентные связи прочнее
обычной.
Ионная и ковалентная связи являют
ся двумя предельными случаями множес
тва реально существующих
химических связей, которые в действительности имеют проме
жуточный характер. Однако можно утверждать, что некоторые
соединения являются преимущественно ионными, а некото
рые – преимущественно ковалентными.
Проводя шутливую аналогию, можно заметить, что стрем
ление атомов отнять, отдать или поделить между собой элект
роны, чтобы достичь электронной устойчивости, сильно напо
минает социальное поведение людей, манипулирующих день
гами для достижения своего комфорта (морального либо мате
риального). Есть “атомы–меценаты”, вступающие в химичес
кую связь путем безвозмездной отдачи “лишних” электронов. В
противоположность им существуют и настоящие “рэкетиры”,
которые так и норовят оторвать какойнибудь электрон у зазе

Пнд 16 Дек 2013 05:25:05
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
вавшегося соседа. Но есть и “добропорядочные граждане”,
объединяющие свои электроны для совместного достижения
электронной устойчивости. В подобном контексте неудиви
тельно, что ковалентная связь гораздо стабильнее, чем ионная,
а также обладает гораздо большей энергией (прочностью)!
Впрочем, стоит заметить, что поведение отдельных атомов
во многом зависит “от обстоятельств” – в разных реакциях од
ни и те же вещества (как и люди) могут вести себя совершенно
поразному.
Металлическая связь
Металлы – очень распространенный материал современ
ной промышленности. Большая часть машин, станков, инстру
ментов и транспортных средств изготовлена из металла. Метал
лы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно
прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые
металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них
можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объ
ясняются особым типом химической связи, соединяющей ато
мы металлов между собой – металлической связью.
Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристал
лов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море сво
бодно движущихся между ними электронов.
127
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Рис 6. Кристаллическая решетка металла. Показана траектория
одного из свободно движущихся электронов
Электроны в металлах
делокализованы
, то есть не принад
лежат какомулибо конкретному атому. Как получается такое
уникальное электронное “море”?
Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних
оболочек перекрываются, образуя
молекулярные орбитали.
Если
подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталя
ми первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орби
таль. Когда атомов много, возникает огромное число трехмер
ных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех нап
равлениях. Вследствие многократного перекрывания орбита
лей валентные электроны каждого атома испытывают влияние
многих атомов.
Металлическая связь объясняет свойства металлов, в част
ности, их прочность. Под действием деформирующей силы ре
шетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в
отличие от ионных кристаллов.
128
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 57. Действие деформирующей силы на кристаллическую решетку металла
Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что
если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая
энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии расп
ространится в “ электронном море” по всему образцу с боль
шой скоростью.
Становится понятной и электрическая проводимость ме
таллов. Если к концам металлического образца приложить раз
ность потенциалов, то облако делокализованных электронов
будет сдвигаться в направлении положительного потенциала:
этот поток электронов, движущихся в одном направлении, и
представляет собой всем знакомый электрический ток.
Вандерваальсовы силы
Кроме рассмотренных типов химической связи говорят
также о сравнительно слабых силах ВандерВаальса. В 1873 го
ду этот человек выдвинул предположение о существовании сил
межмолекулярного притяжения, подобных тем, что существу
ют в связях между атомами. В
дальнейшем гипотеза подт
вердилась – были открыты
различные типы межмолеку
лярного взаимодействия, где
Рис 8. Схема дипольдипольного притяжения
наиболее распространено так называемое
дипольдипольное при
тяжение.
Некоторые молекулы (преимущественно с ковалентными
связями) обладают так называемым
дипольным моментом
. Его
суть в том, что в одной части молекулы “скапливается” больше
электронов, чем в другой. Это приводит к возникновению раз
ности потенциалов на ее концах. Сила притяжения между раз
личными зарядами связывает молекулы между собой, как пока
зано на рисунке.
В настоящий момент термин “Вандерваальсовы силы”
распространяется на все слабые межмолекулярные силы, кроме
водородной связи.
Водородная связь
Несмотря на то, что водородная связь, возникающая вслед
ствие силы притяжения между атомом водорода и электроотри
цательным атомом, представляет собой пре
дельный случай дипольдипольного притя
жения, ее, как правило, не относят к силам
Вандерваальса.
Вопервых, пото
му что она гораздо
сильнее обычных
межмолекулярных
свя
зей (рис. 60), а вовто
рых, потому что она может возникать и в
виде
внутримолекулярных
связей (рис 59).
Именно водородные связи объясня
ют многие уникальные свойства воды и
льда.
Что такое нанохимия?
Не требует пояснений, что химическая связь образуется в
результате химических реакций. При этом вещества, подверга
ющиеся превращению, называются
реагентами,
а вновь обра
зующиеся вещества называют
продуктами
. Таким образом, лю
бую реакцию можно записать так:

Пнд 16 Дек 2013 05:25:43
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
Например
:
На ход реакции влияет множество факторов: температура,
давление, состояние и концентрация исходных веществ и пр.
Балктехнология (традиционные химия, физика, механи
ка) имеет дело с макроскопическими количествами вещества,
содержащими такое громадное количество атомов, что вещест
во кажется сплошным и мы редко вспоминаем о его атомарной
структуре. Триллионы соединенных вместе атомов образуют
так называемое
компактное вещество.
Стремительное развитие прецизионной техники, в част
ности, сканирующих микроскопов, позволило изучать вещест
ва на уровне отдельных атомов и молекул. И вот тутто ученых
ждало множество сюрпризов! Оказалось, что одно и то же ве
щество может значительно изменять свои химические свойства
и реакционную способность в зависимости от количества ато
мов в исследуемом образце и его размера.
Первым обратил на это внимание известный ученый XIX
века Майкл Фарадей, сумевший получить коллоидную
суспен*
зию
5
, состоящую из крошечных частиц золота. В отличие от
своего компактного состояния, имеющего всем знакомый жел
товатый блеск, полученный образец был фиолетового цвета.
Это говорит о том, что отражающие свойства золота изменяют
ся при уменьшении размеров его частиц.
Следует отметить, что именно первые опыты по получению
наноскопических частиц привели к бурному росту интереса к
нанохимии в научных кругах. Оказалось, что частицы наномет
ровых размеров обладают повышенной химической актив
ностью и реакции с их участием протекают гораздо быстрее.
Это свойство наночастиц привело к созданию новых эффек
тивных
катализаторов
6
.
130
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Количество атомов в частице даже назвали "третьей
координатой" таблицы Менделеева (наряду с группой и рядом).
5
С
С
у
у
с
с
п
п
е
е
н
н
з
з
и
и
е
е
й
й
(или взвесью) называется гетерогенная смесь двух компонентов. Она состоит из более
крупных частиц одного компонента, взвешенных в среде второго компонента. По истечении
некоторого времени частицы суспензии осаждаются на дно сосуда. Суспендированные (взвешенные)
частицы обычно имеют диаметр порядка 1000 нм. и больше.
6
К
К
а
а
т
т
а
а
л
л
и
и
з
з
а
а
т
т
о
о
р
р
это вещество, которое повышает скорость химической реакции, но само не
расходуется в этом процессе.
131
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Сегодня ученые умеют получать наноструктуры практичес
ки всех химических элементов, что дает огромную свободу для
исследований. В последнее время стало известно, что наночас
тицы серебра гораздо лучше убивают бактерии, чем серебро в
компактном состоянии, что делает их полезными для очистки
воды и борьбы с инфекциями. На сегодняшний день наночас
тицы являются наиболее изученной областью нанохимии.
Частицы металлов размером менее 10 нм, называемые
к
к
л
л
а
а
с
с
*
*
т
т
е
е
р
р
а
а
м
м
и
и
, обладают высокой химической активностью и способ
ны вступать в реакции с другими веществами практически без
какойлибо дополнительной энергии. Избыточность энергии
таких частиц объясняется нескомпенсированностью связей их
поверхностных атомов. Дело в том, что доля поверхностных
атомов у наночастицы значительно больше, чем у вещества в
компактном состоянии, и растет с уменьшением частицы. Со
ответственно увеличивается и вклад поверхностных атомов в
энергию системы.
Рис
61. Большинство атомов наночастицы (слева) лежат на ее
поверхности, в отличие от компактного вещества (справа)
Из школьного курса физики мы знаем, что поверхностные
атомы обладают некоторой избыточной энергией по сравне
нию с внутренними – это объясняет поверхностное натяжение
и капиллярный эффект. Избыточность энергии существенно
влияет на
температуру плавления, растворимость, электропро*
водность, окисленность, токсичность, взрывоопасность
и т.д. Все
это позволяет утверждать, что размер частицы является актив
ной переменной, определяющей наряду с другими факторами
ее свойства и реакционную способность.
Свойства наносистем настолько отличаются от свойств
макроскопических количеств тех же веществ, что их изучает
особое научное направление под названием физикохимия
наносистем или
н
н
а
а
н
н
о
о
х
х
и
и
м
м
и
и
я
я
.
В первой половине ХХ века наибольший вклад в нанохи
мию внесли специалисты, изучавшие
коллоиды
7
, а во второй по
ловине – полимеры, белки, природные соединения, фуллерены
и нанотрубки.
Активно развиваясь в последние десятилетия, нанохимия
занимается изучением свойств различных наноструктур, а так
же разработкой новых способов их получения, изучения и мо
дификации.
В нанохимии чрезвычайно велика роль
квантовых размер*
ных эффектов
, вызывающих изменение свойств вещества в за
висимости от размера частиц и количества в них атомов или
молекул. Роль размерных эффектов настолько велика, что
предпринимаются попытки создать таблицы зависимости
свойств кластеров и наночастиц от их размера и геометрии на
подобие периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева.
Для промышленного получения наночастиц существует
много способов: биохимический, радиационнохимический,
фотохимический, электровзрывной, микроэмульсионный, де
тонационный, лазерная абляция в жидкости, конденсация, ва
куумное испарение, ионная имплантация и др. Позже мы рас
смотрим некоторые способы подробнее.
Объекты нанохимии. Классификации наночастиц
Поскольку нанохимия – наука сравнительно молодая, пока
нет ни единой терминологии, ни классификации того, что она
изучает. Более того: можно сказать, что классификаций столько
же, сколько ученых. Относительно общепризнанным считает
ся, что нанохимия исследует получение и свойства различных
наносистем
.
Под
н
н
а
а
н
н
о
о
с
с
и
и
с
с
т
т
е
е
м
м
о
о
й
й
здесь понимается взвесь наночастиц
размером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами на
ночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще
132
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
7
К
К
о
о
л
л
л
л
о
о
и
и
д
д
ы
ы
занимают промежуточное место между растворами и суспензиями. Они состоят из
диспергированных частиц
(от "dispetsio" рассеяние) и
дисперсионной среды,
в которой распределены
частицы, и отличаются меньшими, по сравнению с суспензий, размерами частиц (1500 нм.) В
отличие от суспендированных частиц, коллоидные частицы не осаждаются и не отделимы от
дисперсионной среды обычными методами. Примеры коллоидов: дым, все виды аэрозолей, взбитые
сливки, фруктовое желе, молоко, майонез, мыльная пена и т.п.

Пнд 16 Дек 2013 05:26:24
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
олее мелких единиц –
кластеров
– минимальных строитель
ных “кирпичиков” вещества. Размер кластера не превышает 10
нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевоз
можные квантовые эффекты.
В науке было немало попыток классифицировать объекты
нанохимии. Следующая таблица поможет вам не запутаться в
определениях:
Ф
Ф
а
а
з
з
о
о
в
в
о
о
е
е
с
с
о
о
с
с
т
т
о
о
я
я
н
н
и
и
е
е
Е
Е
д
д
и
и
н
н
и
и
ч
ч
н
н
ы
ы
е
е
а
а
т
т
о
о
м
м
ы
ы
К
К
л
л
а
а
с
с
т
т
е
е
р
р
ы
ы
Н
Н
а
а
н
н
о
о
ч
ч
а
а
с
с
т
т
и
и
ц
ц
ы
ы
К
К
о
о
м
м
п
п
а
а
к
к
т
т
н
н
о
о
е
е
в
в
е
е
щ
щ
е
е
с
с
т
т
в
в
о
о
Д
Д
и
и
а
а
м
м
е
е
т
т
р
р
,
,
н
н
м
м
0, 10, 3
0, 310
10100
свыше 100
К
К
о
о
л
л
в
в
о
о
а
а
т
т
о
о
м
м
о
о
в
в
110
1010
6
10
6
10
9
свыше 10
9
Табл. 6. Объекты нанохимии
Итак, примерами наносистем могут быть многоатомные
кластеры и молекулы, нанокапли и нанокристаллы. Такой под
ход позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю
границу нанохимии, а верхняя граница – это такое количество
атомов в объекте, дальнейшее увеличение которого ведет к по
тере специфических свойств наночастицы – они становятся
аналогичными свойствам компактного вещества. Количество
атомов, определяющих верхнюю границу, индивидуально для
каждого вещества.
По геометрическому признаку
(мерности) нанообъекты
можно классифицировать с разных точек зрения. Одни иссле
дователи предлагают характеризовать мерность объекта коли
чеством измерений, в которых объект имеет макроскопические
размеры. Другие берут за основу количество наноскопических
измерений. Мы попробуем ввести классификацию, интегриру
ющую оба подхода:
Х
Х
а
а
р
р
а
а
к
к
т
т
е
е
р
р
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
и
и
о
о
б
б
ъ
ъ
е
е
к
к
т
т
а
а
К
К
о
о
л
л
и
и
ч
ч
е
е
с
с
т
т
в
в
о
о
и
и
з
з
м
м
е
е
р
р
е
е
н
н
и
и
й
й
м
м
е
е
н
н
е
е
е
е
1
1
0
0
0
0
н
н
м
м
К
К
о
о
л
л
и
и
ч
ч
е
е
с
с
т
т
в
в
о
о
и
и
з
з
м
м
е
е
р
р
е
е
н
н
и
и
й
й
б
б
о
о
л
л
е
е
е
е
1
1
0
0
0
0
н
н
м
м
П
П
р
р
и
и
м
м
е
е
р
р
ы
ы
Все три размера (длина,
ширина и высота)
менее 100 нм
3мерный
объект
0мерный
объект
фуллерены, квантовые
точки, коллоидные
растворы,
микроэмульсии
Поперечные размеры
менее 100 нм, а длина
сколь угодно велика.
2мерный
объект
1мерный
объект
нанотрубки,
нановолокна,
нанокапилляры и
нанопоры


134
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Табл 7. Объединенная классификация оъектов нанохимии
Классификация нанообъектов по их мерности важна не
только с формальной точки зрения. Геометрия существенно
влияет на их физикохимические свойства.
В зависимости от
вещества, формы кластеров и типа связи
между атомами
существует величайшее множество нанообъек
тов. Вот некоторые из них:
Частицы из атомов инертных газов
Это самые простые нанообъекты. Атомы инертных газов с
полностью заполненными электронными оболочками слабо
взаимодействуют между собой посредством
сил Вандерваальса.
При описании таких частиц с достаточно
хорошей точностью применима модель твер
дых шаров. Энергия связи, то есть энергия,
затрачиваемая на отрыв отдельного атома от
такой наночастицы, очень мала, поэтому они
существуют при температурах не выше 10100 К.
Частицы металлов
В металлических кластерах из нескольких ато
мов может быть реализован как ковалентный, так и
металлический тип связи. Наночастицы металлов
обладают большой реакционной способностью и
часто используются в качестве катализаторов.
Наночастицы металлов обычно принима
ют правильную форму октаэдра, икосаэдра,
тетрадекаэдра.
Только один размер
(толщина) менее 100
нм, а длина и ширина
сколь угодно велики.
1мерный
объект
2мерный
объект
наноплёнки и нанослои
Все три измерения
превышают 100 нм
0мерный
объект
3мерный
объект
обычные макротела
Рис 62. Наночастица из
16 атомов аргона
Рис 63. Наночастица
металла
Рис 64. Возможные формы металлических наночастиц
135
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Фуллерены
Как уже говорилось в первой главе, фул
лерены представляют собой полые внутри
частицы, образованные многогранниками из
атомов углерода, связанных ковалентной
связью. Это недавно открытая природная
форма углерода, существующая наряду с уже
хорошо известными графитом и алмазом.
Особое место среди фуллеренов занимает час
тица из 60 атомов углерода – С60, напоминаю
щая микроскопический футбольный мяч.
Фуллерены находят широкое применение, как то: создание
новых смазок и антифрикционных покрытий, новых типов
топлива, алмазоподобных соединений сверхвысокой твердос
ти, датчиков и красок.
Нанотрубки
Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из по
рядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой од
нослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в нес
колько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода
расположены в вершинах правильных шестиугольников.
Рис 65. Молекула
фуллерена С
60
Рис 66 Молекула однослойной нанотрубки
Нанотрубки обладают рядом уникальнейших свойств, ко
торые подробно рассматривались в первой главе. Благодаря им
нанотрубки находят большое число областей применения, пре
имущественно в создании новых материалов, электронике и
сканирующей микроскопии.
Уникальные свойства нанотрубок – высокая удельная по
верхность, электропроводность, прочность – позволяют созда
вать на их основе эффективные носители катализаторов для
различных процессов. Например, из нанотрубок делают новые
источники энергии –
топливные ячейки,
способные работать в
3 раза дольше, чем простые батарейки аналогичного размера.

Пнд 16 Дек 2013 05:26:59
>>59041936 вайпер-кун, расслабься на минутку
я тебе даже помогу чуть позже, при необходимости

Пнд 16 Дек 2013 05:28:44
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
>>59041620
Ты можешь мне помочь просто съебав из треда. Такие дела.

При использовании подобной ячейки в сотовом телефоне он
сможет находиться в режиме ожидания около двух недель –
вместо 4 дней, как нынешнее поколение телефонов.
136
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 67. СТМизображения матриц углеродных нанотрубок,
выращенных на подложке из пористого (а) и гладкого (б) кремния
Топливная ячейка заправляется метиловым спиртом, кото
рый в ходе реакции расщепляется на кислород и водород, и в
результате выделяется тепло и электричество. Эффективность
же этого процесса зависит от размера катализатора, а потому
наночастицы платины, нанесенные на нанотрубки, служат от
личным катализатором.
Компания NEC начала выпуск ноутбуков со встроенной
топливной ячейкой в начале 2005 года. Пока что время авто
номной работы этого ноутбука составляет около пяти часов, од
нако к 2006 году инженеры планируют уыеличить его до 40 ча
сов. В настоящее время разработками топливных ячеек заняты
многие компании, такие как Motorola, Casio, Sony, Hitachi и
Samsung.
Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапли
вать и хранить водород – экологичное топливо автомобилей бу
дущего. Для выработки электроэнергии в двигателях на топлив
ных ячейках используется реакция водорода (H
2
) и кислорода
(O
2
). При этом выхлоп автомобиля состоит из водяного пара
(H
2
O). Раньше производители не могли и помыслить о таких
автомобилях, потому что водород – самый легкий в мире газ, и
несколько килограмм водорода – это уже огромный баллон. Ни
за какие коврижки автолюбители не стали бы таскать с собой
гигантский пузырь и надувать его на бензоколонках. Но нанот
рубки с наночастицами палладия могут компактно хранить во
дород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают ав
томобили более мощными, дешевыми и экологичными.
Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям та
кого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компа
нии выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 го
ду уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco отк
рыли в Калифорнии экспериментальную водородную станцию,
которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных
топливных ячейках.
Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позво
лит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в
современных батарейках. Как же она там поместится? Очень
просто. В «квантовой» главе мы упоминали формулу
Е
Е
=
=
m
m
c
c
2
2
,
,
вы
веденную Эйнштейном. Многие ее видели, но далеко не все по
нимают ее смысл. А она попросту отражает взаимосвязь между
материей и энергией или, проще говоря, то, что можно превра
щать энергию в вещество и наоборот – вещество в энергию.
Согласно этой формуле, например, в хомячке весом 0, 11 кг
содержится 0, 11•(300.000.000)
2
= 10
16
Дж энергии, то есть в сто
раз больше, чем выделяется при атомном взрыве! Почему же
хомячок отнюдь не взрывоопасен и порой даже флегматичен?
Потому что энергию из вещества получить крайне сложно. Да
же в атомных электростанциях в энергию превращается только
тысячная доля массы. В
термоядерных
реакциях, происходящих
на Солнце, в энергию превращается уже 1% вещества. И толь
ко при столкновении с
антивеществом
материя освобождает
свою полную энергию.
Так вот, наше Солнце представляет собой огромную
термо*
ядерную водородную топливную ячейку
. Если при сгорании водо
род превращается в воду, соединяясь с кислородом, то в термо
ядерной реакции два атома водорода превращаются... в атом ге
лия, разумеется, с выделением огромной энергии. Если хими
ческие реакции изменяют молекулы, перемещая атомы, то тер
моядерные реакции реализуют мечту средневековых алхими
ков, превращая одни химические элементы в другие (как вы
уже, наверное, догадались, этим мы обязаны перемещениям су
батомных частиц).
С их помощью ученые даже получили золото из свинца, од
нако разбогатеть на этом им не удалось – термоядерная уста
новка для получения одного нанограмма золота стоит дороже
нескольких вагонов, набитых золотыми слитками.
137
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Однако есть все основания полагать, что нанотехнология
сделает термоядерные приборы компактными и дешевыми.
Тогда в каждой «пальчиковой» батарейке будет гореть миниа
тюрное солнышко, автомобили смогут годами ездить без дозап
равки водородом, а сотовому телефону и ноутбуку зарядное уст
ройство вообще не понадобится. Подобную топливную ячейку
многие читатели наверняка видели в фильме «Терминатор3»,
когда выброшенная роботом сломанная батарейка взорвалась
как атомная бомба.
Ионные кластеры
Ионные кластеры представляют собой
классическую картину, характерную для ил
люстрации ионной связи в кристаллической
решетке
NaCl
. Если ионная наночастица
достаточно велика, то ее структура близка к
структуре объемного кристалла. На рисунке
изображен типичный пример ионной части
цы с химической формулой
NaC
l
Такие ионные соединения находят применение в создании
фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетек
торов, различных областях микроэлектроники и электрооптики.
Фрактальные кластеры
Фрактальным называется объект с раз
ветвленной структурой. Таковы сажа, кол
лоиды, различные аэрозоли и аэрогели.
Фрактал – это такой объект, в котором при
возрастающем увеличении можно увидеть,
как одна и та же структура повторяется в
нем на всех уровнях и в любом масштабе.
Молекулярные кластеры
Большинство кластеров являются молеку
лярными. Их число и разнообразие огромны.
В частности, к молекулярным кластерам отно
сятся многие биологические макромолекулы.
На рисунке 70 изображена молекула белка –
ферредоксина.



Пнд 16 Дек 2013 05:29:39
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
139
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
В таблице приведены примеры различных наночастиц и
наносистем объектов изучения нанохимии.
Способы получения наночастиц
Разработано огромное множество методов получения на
ночастиц, позволяющих весьма точно регулировать размеры
частиц, их форму и строение. Мы не будем утомлять читателя
подробностями и описывать каждый метод в отдельности. Ог
раничимся лишь описанием общих принципов, хотя надо
признать, что все разработанные методы посвоему уникальны
и заслуживают самого пристального внимания.
Итак, по принципу воздействия все методы получения
можно разделить на две большие группы:
·
·
д
д
и
и
с
с
п
п
е
е
р
р
г
г
а
а
ц
ц
и
и
о
о
н
н
н
н
ы
ы
е
е
м
м
е
е
т
т
о
о
д
д
ы
ы
,
,
или методы получения наночас
тиц путем измельчения обычного макрообразца;
·
·
к
к
о
о
н
н
д
д
е
е
н
н
с
с
а
а
ц
ц
и
и
о
о
н
н
н
н
ы
ы
е
е
м
м
е
е
т
т
о
о
д
д
ы
ы
,
,
или методы “выращивания” на
ночастиц из отдельных атомов.
Первая группа – это подход “сверху вниз”. Исходные тела
измельчают до наночастиц. Это самый простой из всех спосо
бов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макро
тел. Вторая – подход “снизу вверх”, то есть получение наночас
тиц путем объединения отдельных атомов. Этот принцип осно
ван на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы.
По определению,
конденсация
(от лат. condensatio – уплотне
ние, сгущение) – это переход вещества из газообразного состоя
ния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его ох
Н
Н
а
а
н
н
о
о
ч
ч
а
а
с
с
т
т
и
и
ц
ц
ы
ы
Н
Н
а
а
н
н
о
о
с
с
и
и
с
с
т
т
е
е
м
м
ы
ы
Фуллерены
Кристаллы, растворы
Нанотрубки
Агрегаты, растворы
Молекулы белков
Растворы, кристаллы
Полимерные молекулы
Золи, гели
Неорганические нанокристаллы
Аэрозоли, коллоидные растворы
Мицеллы
Коллоидные растворы
Наноблоки
Твердые тела
Пленки Ленгмюра—Блоджетт
Тела с пленкой на поверхности
Кластеры в газах
Аэрозоли
Наночастицы в слоях веществ
Наноструктурированные пленки
Табл 8. Основные объекты нанохимических исследований
140
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
лаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запо
теет. На самом деле это означает, что на нем образуется множест
во крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температу
ра воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами
пара, то при дальнейшем охлаждении микроскопические ка
пельки будут собираться в более крупные и явные капли.
Примерно то же самое происходит и при конденсационном
способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала
испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до об
разования наночастиц нужного размера. В результате компакт
ное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее
происходит и при восстановлении наночастиц из ионных раст
воров, только используется не пар, а жидкость.
Во всех методах получения наночастиц требуется мощный
приток энергии от внешнего источника, поскольку эти методы
приводят к получению наночастиц в
неравновесном
метастабильном состоянии.
Как только приток энергии прекращается, система стре
мится вернуться к равновесию. Почему это происходит?
Рассмотрим,
например,
конденсационный метод
: монокрис
талл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем
образовавшийся пар резко охлаждается. По мере охлаждения за
рождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упоря
дочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить
такую систему самой себе, то постепенно границы между нано
частицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрок
ристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в
паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более
крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор,
пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.
В течение всего интервала времени от момента, когда в па
ре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момен
та, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм,
система находится в наносостоянии. Затем она переходит в рав
новесие, появление наночастиц прекращается. И если не соз
дать искусственные условия для их консервации, то возникшие
частицы тоже могут перейти в стадию компактного вещества.
141
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
В биохимическом, фотохимическом и радиационнохими
ческом синтезе конденсация наночастиц происходит не из па
ра, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих за
щиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.
При
диспергационном способе
, в условиях достаточного при
тока механической энергии, размер фрагментов, на которые
распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток механи
ческой энергии велик, большинство фрагментов имеют нано
метровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же
“мясорубка” останавливается, нескомпенсированность пове
рхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начина
ют срастаться и укрупнятся. Все это продолжается до тех пор,
пока в системе не будет воссоздан исходный монокристалл.
Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систе
му вводится некоторый
стабилизатор,
который обычно предс
тавляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или
поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной ста
дии агрегации стабилизатор вступает в действие: его молекулы
облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препят
ствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию
стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.
Итак, мы выяснили, что большинство наносистем, получае
мых промышленными методами, нестабильны, и если не создать
необходимых условий для их консервации, они будут стремиться
вернуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяс
нить стабильность некоторых наночастиц, например, уже изве
стных нам фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои на
нометровые размеры, они превосходно существуют и “пооди
ночке”, отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.
Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанот
рубки и некоторые другие наночастицы были названы “
маги*
ческими
”, а числа входящих в них атомов – “
магическими числа*
ми
”. Например, для щелочных металлов магические числа – 8,
20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для угле
родных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.
Все атомы "магических" наночастиц крепко связаны между
собой, что придает им необходимую стабильность.

Пнд 16 Дек 2013 05:30:52
>>59042007
>>59041920
>>59041911
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
>>59041678
142
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Существуют и более экзотические способы обзавестись на
ночастицами. Американские ученые в 2003 году собрали с
листьев фигового дерева микроорганизмы
Rhodococcus
– и по
местили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действова
ли как химический восстановитель, собирая из ионов серебра
аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя нано
частицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали
размножаться.
Получение углеродных наночастиц – фуллере
нов и нанотрубок
Конец ХХ века ознаменовался открытием новых форм уг
лерода – фуллеренов и нанотрубок. Научная и практическая
значимость этих открытий настолько велика, что они даже бы
ли отмечены Нобелевской премией. А ведь найдены были эти
уникальные вещества в обычной саже, тысячелетиями получа
емой при сгорании любых углеродсодержащих веществ – дре
весины, графита, природного газа и т.п.!
Сегодня разработано много методов получения углеродных
наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех
методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результа
те химических превращений углеродсодержащих материалов в
Рис 71. Электровзрывной метод получения наночастиц
Измельчать вещество в наночастицы можно не только ме
ханически. Российская компания «Передовые порошковые
технологии» получает наночастицы взрывая металлическую
нить мощным импульсом тока (см. рисунок 71).
143
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
условиях повышенных температур. Мы рассмотрим несколько
наиболее популярных методов.
Электродуговое распыление графита
Это самый распространен
ный метод, разработанный Креч
мером. Именно так японский
ученый Сумио Иджима впервые
получил нанотрубки в 1991 году.
Суть метода такова: в камере, за
полненной инертным газом,
между графитовыми электродами
горит электрический разряд, ио
низирующий атомы газа. Катод и
стенки камеры охлаждаются при
помощи воды или жидкого азота.
При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз
меньше атмосферного и напряжении на электродах 2535В тем
пература образующейся между электродами плазмы достигает
4000К. При такой температуре поверхность графитового анода
интенсивно испаряется. В результате резкого перепада темпе
ратур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную об
ласть плазмы
8
и конденсируются в осадок на стенках камеры и
поверхности катода.
Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, мож
но увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры – фул
лерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая гра
фит, сажу, и фуллерены осаждается на холодные стенки каме
ры, а часть, содержащая графит и нанотрубки на катод.
Лазерное испарение графита
В этом методе испаряемый лазером графит конденсируется
на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень расположена
в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с
температурой 1000°С.
Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается бу
ферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с
энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром
Рис 72. Схема установки Кречмера для
получения нанотрубок и фуллеренов
8
П
П
л
л
а
а
з
з
м
м
а
а
ионизированный газ, в котором атомы теряют несколько внешних электронов и
превращаются в положительно заряженные ионы.
144
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
сфокусированного пучка
около 1, 6 мм. Продукты
термического распыления
графита уносятся из горя
чей области и осаждаются
на поверхности охлаждае
мого коллектора. В получа
емом осадке помимо нано
частичек графита обнаружи
ваются также фуллерены и нанотрубки.
Важной особенностью лазерного метода является высокая
чувствительность характеристик синтезируемых нанотрубок к па
раметрам лазерного излучения. В частности диаметра нанотрубок
прямо зависит от мощности излучения. Это дает возможность по
лучения нанотрубок с заданными структурными параметрами. К
недостаткам метода следует отнести его относительно невысокую
производительность и трудность масштабирования.
Сегодня получение нанотрубок в небольших количествах,
достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема те
перь состоит в снижении их себестоимости и получении в про
мышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше мето
ды не позволяют достичь этого. С этой точки зрения интересен
третий метод, разработанный российскими учеными под руко
водством М.М. Томишко.
Метод химического осаждения из пара
Этот наиболее практичный и массовый способ получения
углеродных нанотрубок основан на термохимическом осажде
нии углеродсодержащего газа на поверхности горячего метал
лического катализатора. Данный метод также получил назва
ние
метода каталитического разложением углеводородов
.
Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена
С
2
H
2
или метана CH
4
с азотом) пропускается сквозь кварцевую
трубку, помещенную в печь при температуре около 7001000°С. В
трубке
находится
керамический ти
гель
9
с катализато
ром – металли
ческим порош

Пнд 16 Дек 2013 05:31:51
>>59039693
Хочу лизать писечку два часа.

Пнд 16 Дек 2013 05:32:11
>>59042007
Алсо, мне похуй даже на мочу, забанят эту проксю — возьму другую. У меня их over9k.

Пнд 16 Дек 2013 05:33:08
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
145
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
ком. Разложение углеводорода, происходящее в результате хими
ческой реакции атомов газа с атомами металла, приводит к обра
зованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок
с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десят
ков микрон. Геометрические параметры нанотрубок в сущест
венной степени определяются условиями протекания процесса
(времени, температуры, давления и сорта буферного газа и пр.),
а также степенью дисперсности и сортом катализатора.
Получение нанотрубок и фуллеренов методом химического
парового осаждения особенно интенсивно развивается в пос
леднее время, так как позволяет получать большое количество
одинаковых нанотрубок на поверхности шаблона. Это откры
вает путь крупномасштабному получению фуллеренов и нанот
рубок и созданию на их основе промышленного производства
разнообразной нанопродукции.
Как видно из описания, при всех методах получения фулле
ренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит
часть шлака – сажу, частицы аморфного графита, а в случае ис
пользования катализаторов – частицы металлов. Для повыше
ния чистоты полученного продукта используют различные ме
тоды очистки – как механические (фильтрация, обработка
ультразвуком, центрифугирование), так и химические (промы
вание в химически активных веществах, нагревание и пр.). Се
годня уже возможно получение макроскопических количеств
Рис 75. Так под микроскопом выглядият нанотрубки, полученные химическим осаждением из пара
9
Т
Т
и
и
г
г
е
е
л
л
ь
ь
специальный сосуд для плавки, варки или нагрева различных материалов.
146
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
фуллеренов и нанотрубок (до нескольких литров) практически
из любого углеродсодержащего газа (например, обычного при
родного газа), а ученые пытаются найти наиболее выгодный
экономически метод, который позволит получать их пусть не
массово, но с минимумом примесей.
Надо сказать, что метод получения наноструктур играет
очень важную роль. Он влияет не только на свойства наност
руктуры, но и на время ее жизни – то есть период, в течение ко
торого частица способна эти уникальные свойства проявлять.
По истечении этого срока наночастицы либо окисляются, либо
агрегируются в микрочастицы и приобретают свойства компа
ктных веществ.
Так, например, в зависимости от метода получения время
жизни наночастиц серебра может варьироваться в пределах от
часов до нескольких месяцев. Ученые концерна “Наноиндуст
рия” под руководством Е.М. Егоровой развивают уникальный
биохимический метод получения наночастиц серебра, благода
ря которому они проявляют свою активность в течение целого
года. Наночастицы получают восстановлением ионов металлов
до атомов в обратных мицеллах, представляющих собой мик
роскопические камеры из молекул и ионов. Образовавшимся в
такой камере атомам не остается ничего другого, как объеди
няться в наночастицы, а оболочка мицеллы предохраняет полу
ченные частицы от слипания и нежелательных реакций.
Рис 76 Фотоизображение наночастиц серебра, полученных биохимическим синтезом в обратных мицеллах
Примеры уникальных свойств некоторых
наночастиц
Серебро
Как уже отмечалось, свойства у наночастицы серебра на са
мом деле уникальные.
Вопервых, это феноменальная бактерицидная и антиви
русная активность. Об антимикробных свойствах, присущих
ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. Навер
няка большинство читателей слышали о целительных способ
ностях церковной “святой воды”, получаемой путем прогонки
обычной воды сквозь серебряный фильтр. Такая вода не содер
жит многих болезнетворных бактерий, которые могут присут
ствовать в обычной воде. Поэтому она может храниться годами,
не портясь и не “зацветая”.
Кроме того, такая вода содержит некоторую концентрацию
ионов серебра, способных нейтрализовать вредные бактерии и
микроорганизмы, чем и объясняется ее благотворное влияние
на здоровье человека.
Установлено, что наночасти
цы серебра в тысячи раз эффек
тивнее борются с бактериями и
вирусами, чем серебряные ионы.
Как показал эксперимент, нич
тожные концентрации наночас
тиц уничтожали все известные
микроорганизмы (в том числе и
вирус СПИДа), не расходуясь
при этом.
Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не
только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки,
действие наночастиц очень избирательно: они действуют толь
ко на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что
оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые
при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию
кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может
окислять свое «топливо» глюкозу и гибнет, оставшись без ис
точника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой обо
лочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей.

Пнд 16 Дек 2013 05:33:15
>>59039693
Хочу быть на месте этого парня. Серьезно, это все, о чем я могу мечтать.

Пнд 16 Дек 2013 05:33:55
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
>>59041690
летки человека и животных имеют более «высокотехнологич
ные» стенки, и наночастицы им не страшны.
В настоящий момент проводятся исследования возможнос
тей использования наночастиц серебра в фармацевтических
препаратах. Но уже сейчас они находят огромное количество
применений.
Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Зна
харь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от
различных инфекций. Также небольшие концентрации наночас
тиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” космети
ки для предотвращения их порчи во время использования. До
бавки на основе серебряных наночастиц применяются в качест
ве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, космети
ческих средствах для макияжа и т.д. При использовании наблю
дается также противовоспалительный и заживляющий эффект.
Ткани, модифицированные серебряными наночастицами,
являются, по сути, самодезинфицирующимися. На них не мо
жет “ужиться” ни одна болезнетворная бактерия или вирус. На
ночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный
срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о
практически неограниченных возможностях применения такой
ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы
серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного
белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п.
Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные
свойства после нанесения на многие твердые поверхности
(стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это
позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэ
розоли длительного срока действия для бытового применения.
В отличие от хлорки и других химических средств обеззаражи
вания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят
здоровью людей и животных.
Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, переда
ваемыми воздушнокапельным путем – гриппом, туберкулезом,
менингитами, вирусным гепатитом и т. п. Но, увы, воздух в на
ших квартирах, офисах и особенно в местах массового скопле
ния людей (больницы, общественные учреждения, школы, детс
кие сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасыщен патогенными
микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми.
148
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Традиционные способы профилактики не всегда справля
ются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для
ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасоч
ные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы
серебра. Как оказалось, на покрашенных такими красками сте
нах и потолках не может “жить” большинство патогенных мик
роорганизмов.
Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для воды,
практически не вымываются с ней, как это происходит в случае
обычных серебряных ионов. Это говорит о том, что срок
действия таких фильтров будет несоизмеримо больше, а качест
во очистки воды возрастет на порядок.
Короче говоря, крошечные, незаметные, экологически
чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где
необходимо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических
средств до обеззараживания хирургических инструментов или
помещений. При этом, как уверяют ведущие российские уче
ные в данной области, стоимость средств и материалов, создан
ных на их основе, будет не намного дороже традиционных ана
логов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каж
дому. Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в со
товые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую
бытовую технику.
Помимо обеззараживающих свойств, наночастицы серебра
обладают также высокой электропроводностью, что позволяет
создавать различные проводящие клеи. Проводящий клей мо
жет быть использован, например, в микроэлектронике для сое
динения мельчайших электронных деталей.
Оксид цинка
Наночастицы ZnO также обладают рядом уникальных
свойств (в том числе и бактерицидных), среди которых особый
интерес вызывает способность поглощать широкий спектр
электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое,
инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.
Такие частицы могут служить, например, для защиты про
тив УФлучей, придавая новые функции стеклам, пластмассам,
краскам, синтетическим волокнам и т.д. Это позволяет созда
вать солнечные очки, специальную одежду и другие вещи, не
только защищающие от ультрафиолета, но и препятствующие
149
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
нагреву в жаркий летний день. Их можно использовать в солн
цезащитных кремах, мазях и других препаратах, поскольку они
мягки, безопасны и не раздражают кожу.
Кроме того, способность этих наночастиц к рассеянию
электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды
для придния ей свойств невидимости в инфракрасном диапазо
не за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла.
Это позволяет изготавливать камуфляжи и покрытия типа
“стелс”, невидимые в широком диапазоне частот – от радио до
ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или
антитеррористических операциях, поскольку позволяет вплот
ную подойти к противнику без риска быть замеченным прибо
рами ночного видения.
Материал на основе наночастиц ZnO может также приме
няться в инфракрасных датчиках.
Серпентин
Нанотрубки серпентина – замечательный пример про
мышленного применения уникальных свойств наночастиц.
Отечественный концерн “Наноиндустрия” выпустил на основе
минеральных нанотрубок (не путать с углеродными!) специаль
ный ремонтновосстанавительный состав (РВС). Такой нано
технологический РВС способен восстановить после износа
практически любые трущиеся металлические поверхности
(двигатели автомобилей, узлы трения различных станков и ме
ханизмов), а залив его в картер автомобиля, можно надолго за
быть о проблеме износа двигателя.
В обычном состоянии механические части двигателя посте
пенно разрушаются изза трения, так как созданы по грубой
балктехнологии. Но если добавить в масло флакончик РВС, то
происходит следующее: при работе механические части нагре
ваются от трения, этот нагрев катализирует присоединение на
нотрубок к поврежденным областям, в результате чего в облас
тях интенсивного трения на поверхности деталей образуется
идеально ровный защитный слой. А при сильном нагреве они
утрачивают свою способность к присоединению. Таким обра
зом, в трущемся узле постоянно поддерживается тепловое рав
новесие и детали, ввиду идеальной гладкости взаимодействую
щих поверхностей, практически не изнашиваются. >>59042126

Пнд 16 Дек 2013 05:34:44
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
Результаты исследований показали, что слой остается в це
лости и сохранности феноменально долгое время после смены
масла. Такая простая, казалось бы, технология помимо продле
ния жизни вашего автомобиля дает еще кучу полезных преиму
ществ, в частности:
возможность восстановления изношенных деталей без
разборки двигателя;
очистка двигателя от нагара и смолистых отложений;
увеличение мощности двигателя на 1517%;
снижение стоимости ремонта деталей в 23 раза;
снижение вибрации и шума;
уменьшение токсичности выхлопных газов на 7080%!
Последнее заслуживает особого внимания в связи с далеко
не благоприятной экологической обстановкой, вызванной пе
реизбытком выхлопных газов по всему миру. Руководство стран
западной Европы, уделяющее большое внимание этой пробле
ме, мгновенно оценило возможности нового продукта. В част
ности, итальянская “партия зеленых”, проведя необходимые
исследования, пришла к выводу, что если все владельцы авто
мобилей обработают их российским РВС, это снизит уровень
выбросов настолько, что Италия сможет подписать Киотское
соглашение
10
без снижения промышленных выбросов вообще.
В настоящее время в Италии лоббируетс я соответствующий
законопроект.
Ликвидация некоторого числа промышленных предприя
тий привело бы к многомиллиардным убыткам для экономики
страны, в то время как стоимость обработки одного автомобиля
10.
В главе "Нанотехнологии и общество" Киотскому протоколу уделено большое внимание






152
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
составляет менее $30 (не говоря уже о личных выгодах для каж
дого автолюбителя). Нам же остается только удивляться равно
душию российских чиновников, не проявивших никакого инте
реса к представленному им подробному отчету о результатах ис
пытаний отечественного нанотехнологического продукта.
Диоксид кремния
Наночастицы диоксида кремния (SiO2) обладают удиви
тельным свойством: если их нанести на какойлибо материал,
то они присоединяются к его молекулам и позволяют поверх
ности отторгать грязь и воду. Самоочищающиеся нанопокры
тия на основе этих частиц защищают стекла, плитку, дерево, ка
мень и т.д. Частицы грязи не могут прилипнуть или проникнуть
в защищаемую поверхность, а вода легко стекает с нее, унося
любые загрязнения.
Рис 79. Принцип действия самоочищающихся нанопокрытий
Нанотехнологи придумали, как защищать не только такие
монолитные структуры, как дерево или камень, но и нашу с ва
ми одежду. Одного литра водного раствора наночастиц SiO
2
,
глубоко проникающих в волокна тканей, хватает для обработки
530 кв.м полотна. Ткань после нанесения покрытия свободно
пропускает воздух, но не пропускает влагу. Можно забыть про
трудновыводимые пятна от кофе, жира, грязи и пр. Покрытие
устойчиво к трению, гибко, не портится от солнечного света,
температуры и стирки.
“Умные” материалы
Одним из главных практических применений нанохимии явля
ется производство всевозможных наноматериалов. Благодаря спе
цифическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие
материалы часто превосходят “обычные” по многим параметрам.
Например, прочность металла, полученного средствами
нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1, 5 – 2, а в
некоторых случаях – и в 3 раза. Твердость его больше в 5070
раз, а коррозийная стойкость – в 1012 раз!
Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами
буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпроч
ные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих
инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защища
ющий человека от вредного воздействия радиоизлучения (веду
щие производители сотовых телефонов уже планируют произво
дить из него корпуса для телефонов нового поколения).
Помимо улучшения свойств привычных промышленных
материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распро
странению так называемых “умных материалов”.
Самым простым примером “умного материала”, созданно
го природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше
тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”,
связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы
легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горя
чее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опас
ность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не
обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой орга
низм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при
травмах, самодостраивается по мере роста человека.
Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой по
тоотделения, необходимой для защиты организма в условиях
высоких температур. Каждый школьник знает, что оптималь
ная температура здорового человека – около 36, 6°С. При повы
шении или понижении температуры тела всего лишь на 23 гра
дуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает,
внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение
температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При
27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной дея
тельности и дыхания. Температура ниже 25°С является крити
ческой – человек умирает. Не менее опасно и повышение тем

Пнд 16 Дек 2013 05:35:26
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
пературы тела. Критической считается температура 42°С – при
ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, че
ловек теряет сознание. Если такая температура долго не спада
ет, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.
Тем не менее, благодаря потовым железам, “встроенным” в
нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить темпе
ратуры, намного превышающие эти критические 42 градуса.
Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводив
шие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопе
карни),
в сухом воздухе
при
постепенном нагревании
наш орга
низм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше
чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть
можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воз
духе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без
вреда для себя.
Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что наша ко
жа автоматически реагирует на повышение температуры окру
жающей среды посредством обильного выделения пота. Испа
рение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает теп
ло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к
коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.
Природа позаботилась о своих созданиях, наградив нас этим
поистине волшебным средством защиты. Но и человеческая
мысль тоже не стоит на месте! Уже довольно давно металлурги
изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объ
ектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”,
материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями
множества микрочастиц меди. Так как температура плавления
меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура
достигает некоторого критического предела, металл начинает
активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на
поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании
капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и
материал возвращается в исходное состояние.
Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий
момент группа российских ученых под руководством Г.В. По
повой работает над созданием
биомиметических
материалов –
материалов, подражающих биологическим тканям, распрост
раненным примером которых могут быть производимые насе
154
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
комыми паутины, отличающиеся эластичностью и проч
ностью, превышающими эластичность и прочность всего, что
до сих пор смогли создать наши технологии.
Основу всех биомиметиков составляют искусственные бел
ки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят
из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком.
Причем если обычные белки имеют уникальную последова
тельность из двадцати различных аминокислот, то белки для
биомиметиков вполне могут ограничиться какойлибо одной,
но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белков
полиаминокислоты, построенные на основе одногоедин
ственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как
угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молеку
лы красители, фотоактивные, электроактивные, люминесци
рующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми инте
ресными свойствами.
Вспомните, какое огромное количество белков с самыми
разными функциями создала природа. Большинство из них
умеют активно реагировать на изменения внешней среды, ак
тивно приспосабливаться к ним. Искусственные биомимети
ки, сходные по своим качествам с природными белками, также
проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражи
тели: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их
основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы
для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих эко
логический мониторинг.
Повышаешь, например, температуру на полградуса био
миметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в ис
ходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электри
ческий ток и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом
банку с нашатырным спиртом или даже Кометгелем система
начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку и
никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое
интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего
не происходит все эти отклики и изменения вызываются внут
ренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.
Особый интерес представляют также и
биодеградируемые
материалы, среди которых очень интересен упаковочный био
материал, способный быстро разлагаться на естественные при
155
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
родные компоненты по истечении определенного времени
(скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую
среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.
В этом направлении британскими учеными реализован
весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефо
нов. В настоящее время мобильные телефоны являются одни
ми из самых выбрасываемых устройств среди потребительской
электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от
более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации
заключается в материале, из которого изготавливается корпус
телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер,
который способен разлагаться в земле в течение нескольких не
дель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком,
можно разместить семена растений – например, подсолнуха.
После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорас
тать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совер
шенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на
мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов,
удастся решить проблему экологичной утилизации старых со
товых телефонов.
К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно
отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного ко
личества подобных проектов можно выделить, например,
одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко,
одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а
когда холодно наоборот, уплотняется. Совсем скоро на при
лавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах та
бачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с
эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно
"подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отго
няющая насекомых, носки, благоухающие цветочными арома
тами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и на
долго запихнуть в чемодан.
Современные фантастические фильмы буквально изобилу
ют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий
пример – жидкий “Терминатор” из одноименного фильма,
принимающий любую форму. С развитием нанотехнологий ма
териалы с подобными чудодейственными способностями ста
новятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная

Пнд 16 Дек 2013 05:36:15
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
157
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
ферромагнитная жидкость,
способная принимать определен
ную форму под действием электромагнитного поля. На рисун
ке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирую
щего поведение ферромагнитной жидкости под действием
электромагнитного поля.
Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпо
нентную систему, состоящую из
дисперсионной среды
,
магнитной
фазы
и
стабилизатора
. В качестве дисперсионной среды может
выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные раство
ры. В качестве магнитной составляющей обычно используются
наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свой
ствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связыва
ющегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего
их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Фер
ромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный
класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий
спектр применений в технике и промышленности.
Такая система не только активно реагирует на изменения
окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение та
ких материалов можно запрограммировать заранее.
Разработчиками компании Philips был предложен проект
по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками,
отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего обла
дателя. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда свя
зывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой
помощи и спасает человеку жизнь...
Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося
магнитного поля
"Умные материалы" следующего поколения представляют
собой программноаппаратный комплекс из всевозможных
сенсоров, миниатюрных компьютеров и исполнительных
наноустройств.
158
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Наверняка многие читатели видели фантастический фильм
“Хищник”, где хитрый инопланетный монстр, нападавший на
Шварценеггера, обладал чудесным костюмомневидимкой.
* Перепечатано с www.intelmessages.org
Рис 81. Кадр из кинофильма “Хищник”
И что бы вы думали? Сегодня уже продемонстрированы
первые образцы такого костюма, созданного с помощью нано
технологий! Они пока еще далеки от совершенства, но, кажет
ся, уже в ближайшие годы мы получим первого настоящего
“человеканевидимку”.
Рис 82. Демонстрация одного из опытных образцов костюманевидимки *
Правительство США планирует к 2018 году оснастить та
ким камуфляжем своих солдат.
Принцип работы костюманевидимки будущего прост: он
представляет собой наноматериал, в который встроены миниа
тюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Каждый дат
159
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
чик, принимающий изображение из какойлибо точки, например,
со спины, посылает видеосигнал на процессор, который перенап
равляет его на соответствующий участок “экрана” спереди.
При этом процессор моделирует траекторию луча таким об
разом, как если бы между принимающим датчиком и светоиз
лучающим элементом ничего не было. Это позволяет наблюда
телю видеть предметы, которые фактически находятся за обла
дателем костюма.
Технология “невидимости” на
верняка будет задействована во
многих сферах человеческой дея
тельности. Возможно, ею восполь
зуются хирурги, которым собствен
ные руки и инструменты часто ме
шают видеть оперируемые органы.
Летчики также будут не против
“прозрачного” пола в кабине само
лета, показывающего все детали по
садки и т.д.
Теперь давайте немного пофантазируем...
Как уже было отмечено, одной из особенностей “умных ма
териалов” является возможность программного управления их
поведением. Так что мешает нам как программистам такого ма
териаланевидимки запрограммировать его “показывать”
внешним наблюдателям не только “пустое место”, и даже не са
мого пользователя костюма, а когонибудь другого, например,
известную кинозвезду или пришельцагуманоида? Вот где было
бы раздолье для любителей розыгрышей!
Впрочем, сколь бы ни был изобретателен ум шутниканеви
димки, “оружие” против него может быть самым простым: баллон
с яркой краской да распылитель – и никакой вам невидимости!
Кстати, вот вопрос: а будет ли “человекневидимка” отбра
сывать тень в яркий солнечный денек? Предлагаем поразмыс
лить над этим вопросом самостоятельно...
Сегодня создать столь совершенную конструкцию невиди
мости пока нереально – нет ни соответствующих компьютер
ных мощностей, ни малых размеров. Однако технологии при
менения той же идеи, ну, например, в архитектуре уже вполне
реальны. Для маскировки всего или части высотного здания

Пнд 16 Дек 2013 05:37:01
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
достаточно даже сантиметрового “разрешения”. Поэтому, на
верное, не за горами то время, когда однотипные многоэтаж
ные “коробки” канут в лету, а нашему взору предстанут архи
тектурные ансамбли, буквально “парящие в воздухе”.
Архитектура будущего будет потрясать воображение красо
той, надежностью и индивидуальностью.
* Фото перепечатано с разрешения Курта Декерта автора замечательной книги “Eye Design Book”
(www.eyedesignbook.com)
Рис 84. Возможно, именно так в будущем смогут выглядеть современные города.
Следует отметить, что идея подобной конструкции не нова.
Сотни миллионов лет назад природа уже изобрела похожее
покрытие из микроскопических видеодатчиков и наградила
ими глаза некоторых насекомых. На рисунке изображены глаза
стрекозы с 200кратным увеличением.
Рис 85. Взгляните в глаза стрекозы*
Некоторые наноматериалы “ведут себя” совсем не так, как
им “положено” себя вести с точки зрения классической науки.
В школе нас учат, что при нагревании все тела расширяются, а
при охлаждении сжимаются. Однако наноматериал, над кото
рым в настоящее время работает Елена Сердунь – молодой кан
дидат наук из ФЭИ, – ведет себя с точностью до наоборот! Ма
териал состоит из пористой матрицы и лиофобной, то есть нес
мачивающей ее, жидкости. Если его нагреть, то он сжимается,
накапливая тепло. И наоборот – отдавая тепло, расширяется.
Можно поступить наоборот: сжать систему, и тогда она самоп
роизвольно нагреется!
Такой “умный” материал, превращающий тепловую энер
гию в механическую и наоборот, фактически представляет со
бой обратимый тепловой аккумулятор. Благодаря своим удиви
тельным способностям он может использоваться как преобра
зователь тепловой энергии в двигателях, холодильниках или
стать основой для невиданных прежде энергетических устано
вок. К примеру, защитные клапаны и мембраны, автоматичес
ки срабатывающие при изменении температуры или давления
(в случае перегрева или разгерметизации) без вмешательства
человека. Такие клапаны способны самостоятельно контроли
ровать весь производственный процесс, предотвращать послед
ствия ошибок персонала и останавливать работу оборудования
в случаях угрозы аварии.
Их можно применять для повышения надежности произво
дства, для защиты емкостей, находящихся под давлением, при
перевозке и хранении опасных или ядовитых грузов и т.п.
Но инженеры на этом не остановились и создали наност
руктурированный сплав четырех металлов – свинца, сурьмы,
серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию... прямо
в электричество. Это позволит не только использовать тепло,
бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и по
лучать огромное количество дармовой энергии из лавы и расп
лавленных пород, из которых почти целиком состоит наша
Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.
Американские ученые уже сумели пропустить мощные
электрические заряды по молекулярным полимерным цепоч
кам, что является одним из ключевых моментов в создании так
называемых “
солнечных пластмасс
”, которые могут сделать сол
нечные батареи настолько эффективным источником электри
чества, что они составят серьезную конкуренцию сегодняшним
тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатываю
161
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
162
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
щие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу
дома и полностью обеспечить его электричеством. Долговеч
ные и эффективные солнечные батареи могут быть созданы,
например, на основе фуллеренов или биополимеров.
Сегодня такие “умные” наноматериалы кажутся нам чудес
ными, необычными, и, конечно же, являются весьма дорогос
тоящими, поскольку их получение еще остается в рамках лабо
раторий. Но все же не за горами тот день, когда и они пересту
пят их порог и войдут в нашу привычную жизнь.
Ведь сегодня мы повсеместно используем, например, алю
миний и даже не задумываемся над тем, что когдато алюмини
евая посуда (аналог современных баночек изпод кокаколы)
ценилась наравне с золотой и серебряной. До изобретения
электричества изза огромных трудностей, связанных с получе
нием алюминия, этот легкий и красивый металл применялся
только для изготовления ювелирных изделий. Об этом свиде
тельствуют многие археологические находки. Хрестоматийный
пример: алюминиевая кружка на золотой цепочке. В 1889 г.,
когда великий русский химик Д. И. Менделеев приезжал в Лон
дон, ему были преподнесены в качестве особо ценного подарка
весы, сделанные из золота и алюминия.
Так что весьма вероятно, что вскоре каждый из нас сможет
использовать “умные” наноматериалы в своей повседневной
жизни. Только представьте: вы садитесь в сверхпрочный и
сверхлегкий автомобиль, температура салона в котором вне за
висимости от погоды – будь то невыносимая жара или треску
чий мороз – всегда остается в пределах 2022єС. Кресла и
стулья в вашем доме сделаны из “умного” материала, реагиру
ющего на изменение давления. Когда вы садитесь, они автома
тически трансформируются таким образом, чтобы сидеть в них
было удобно и комфортно. Окна вашего дома, сделанные из са
моочищающегося стекла, самостоятельно расщепляют и удаля
ют попадающую на них грязь и пыль, не требуя никаких усилий
с вашей стороны. А на грядках у вашего дедушки парниковая
пленка реагирует на потепление или похолодание и сама отк
рывает и закрывает грядки. Красота!
Алмазоид – наноматериал будущего
Уникальные свойства алмаза издавна привлекали внима
ние ученых. Вопервых, благодаря тому, что кажд

Пнд 16 Дек 2013 05:37:39
>>59039693
И сразу вопрос: тот кун намного крупнее/тяжелее тебя? Сколько примерно кг и роста в тебе и в нём?
>как быть?
Иди на бокс/кикбоксинг/карате и учись самостоятельно себя защищать. Куны за тебя всю жизнь вписываться не будут - тем более расплачиваться с ними пиздой за защиту ты сможешь лет до 25-30 максимум, а потом им удобней будет найти вариант помоложе.
>я тян
Похуй, и куны и тяны сделаны из одного и того же мяса. Хочешь жить - учись выписывать пиздов недоброжелателям своими собственными руками.

Пнд 16 Дек 2013 05:39:17
>>59042206
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
>>59041714
рода в кристаллической решетке алмаза связан с четырьмя дру
гими атомами прочными ковалентными связями CC, алмаз
обладает феноменальной прочностью. Он способен выдержи
вать давление порядка 1050 ГПа и температуру свыше 1800°С.
Вовторых, этот драгоценный кристалл состоит из атомов
углерода – довольно распространенного на Земле элемента,
входящего также в состав нефти, природного газа, древесины,
угля, графита и пр. На нашей планете имеется около 6•1018
тонн углерода, что в миллион раз превышает массу всех постро
ек и продукции за всю историю человеческой цивилизации.
Благодаря своим замечательным характеристикам природ
ный алмаз мог бы найти широкое применение в промышлен
ности, медицине и т.д., если бы не его чрезвычайная редкость и
дороговизна. Оригинальные бриллиантовые украшения из са
мых больших природных алмазов не превышают нескольких
сантиметров и стоят сотни тысяч долларов. Однако повсемест
ная распространенность углерода не могла не навести ученых
на мысль о разработке методов получения искусственных алма
зов из дешевых углеродсодержащих соединений.
В итоге, такие методы были изобретены, и сегодня искус
ственный алмаз является превосходным материалом во многих
областях промышленности: электронной, металлообрабатываю
щей, авиакосмической, автомобильной, судостроительной и т.д.
С развитием нанотехнологий
возрос интерес к получению ал
мазных частиц нанометрового
размера и возникла идея сущест
вования
алмазоидов
– мельчайших
кирпичиков, из которых состоит
кристалл макроскопического ал
маза, полностью повторяющих
его тетраэдрическую структуру.
Такие элементарные кирпичики
молекулы получили название:
адамантана
(C
10
H
16
),
диаман*
тана
(C
14
H
20
) и
триамантана
(C
18
H
24
).
Между собой атомы углерода связаны ковалентной связью,
а свободные связи поверхностных атомов “заняты” атомами
водорода.
Долгое время эти соединения считались гипотетическими
молекулами, так как их нельзя было ни выделить из окружаю
163
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Рис 86. Структура алмазоидов
164
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
11
. MEMS или NEMS аббревиатура от Micro (Nano) Electric Mechanical System. Подробному
описанию этих устройств посвящена отдельная глава данной книги.
Перспективы применения алмазоида
Благодаря характеристикам, близ
ким к алмазу, алмазоид имеет широ
кий спектр применения в различных
областях жизнедеятельности человека.
Это, прежде всего, микро и наноэлет
роника, медицина, машиностроение,
металлообработка, двигателестрое
ние, авиастроение, транспорт. Рас
смотрим вкратце некоторые из них.
Наноалмаз и алмазоидные плен
ки имеют широкие перспективы применения в различных уст
ройствах электроники, MEMS и NEMSустройствах
11
, полевых
транзисторах, электроннолучевых устройствах и оптических
компьютерах.
Одним из основных современных применений наноалмазов
является полировка электронных и оптических материалов для
электроники, радиотехники, оптики, медицины, машинострое
ния, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалма
зов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность
твердых тел любой геометрической формы, не имеющую дефек
тов и дислокаций, с высотой шероховатости рельефа 28 нм.
щей среды, ни получить методами термохимического синтеза.
Но в 1957 они были обнаружены в природе – алмазоиды уда
лось выделить из... сырой нефти.
Алмазоиды могут иметь разную пространственную структу
ру, но всем им присущи те же базовые характеристики, как у
природного алмаза: модуль Юнга>1050 ГПа, температура плав
ления выше 1800°С, плотность 3500 кг/м3. Поэтому любой объ
ект, изготовленный из алмазоидов, будет иметь жесткость го
раздо больше, чем аналогичный из стали, более высокую тем
пературу плавления, и будет гораздо легче аналогов из других
материалов.
А
А
л
л
м
м
а
а
з
з
о
о
и
и
д
д
представляет собой углеводород, в котором атомы
углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку,
точно такую же, как и в алмазе.
Рис 87. Модель алмазоидной пленки.
Серыми шариками изображены
атомы углерода, белыми –
окружающие их атомы водорода
165
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Применение наноалмазов существенно улучшает качество
микроабразивных и полировальных составов, смазочных ма
сел, абразивных инструментов
12
, полимерных композитов, ре
зин и каучуков, систем магнитной записи.
Введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы
увеличивает их прочность и износостойкость. “Алмазные“
шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам темпера
тур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Се
вера, и в жарких пустынях.
Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждаю
щих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличи
вает ресурс работы моторов и трансмиссий.
Алмазоид является первым претендентом в списке матери
алов, из которых в перспективе могут быть изготовлены меди
цинские наноинструменты и нанороботы. Поскольку их дея
тельность будет производиться, в основном, внутри тела, необ
ходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима
с тканями и клетками организма.
Известно, что обычный алмаз отличается высокой био
совместимостью по сравнению с другими веществами. Кли
нические испытания сравнительно грубой алмазной поверх
ности протезов и имплантантов показали, что она химически
инертна, нетоксична для клеток, воспринимается лейкоцита
ми как “своя” и не вызывает воспалительных или патогенных
процессов.
Ученые только что научились получать алмазные нанопок
рытия, поэтому невозможно точно предсказать реакцию на них
клеток организма, но известно, что мелко измельченные угле
родные частицы хорошо усваиваются телом: древесный уголь и
копоть (сферические частицы диаметром 1020 нм) использо
вались для татуировки с древнейших времен. В настоящий мо
мент активно ведутся исследования на биосовместимость алма
зоидных наночастиц, но до сих пор ни о каких вредных воздей
ствиях на организм заявлено не было.
Вероятно, благодаря своим уникальным характеристи
кам, алмазоид станет уни
версальным и дешевым матер

Пнд 16 Дек 2013 05:40:02
>>59042206
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
166
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Получение наноалмазов
На сегодня существует несколько способов получения ал
мазных наночастиц. Среди них наиболее распространены сле
дующие:
·
·
получение из природных алмазов физическими методами;
·
·
синтез при сверхвысоких давлениях и температурах;
·
·
электронно и ионнолучевые методы, использующие
облучение углеродсодержащего материала пучками электронов
и ионами аргона.
·
·
химическое осаждение углеродосодержащего пара при
высоких температурах и давлениях.
На следующем рисунке изображены стадии зарождения и
роста наночастиц алмаза из газовой фазы при 1000°С.
Рис 88. а) 0 мин, б) 15 мин, в) 30 мин, г) 60 мин после начала наращивания затравочных
кристаллов алмаза, помещенных на медную подложку
Еще наноалмазы получают детонационным синтезом, ведь
при взрыве образуется достаточно высокая температура и дав
ление для формирования наноалмазов. Однкао взрывчатка сто
ит дорого. В то же время, по международным обязательствам,
наша страна должна уничтожить более миллиона тонн своих
боеприпасов, что обоходится в 1500 долларов на тонну. Акаде
мик В.М.Лоборев предложил использовать боеприпасы для
производства наноалмазов, но до практики дело, как это водит
ся, не дошло. В результате имеем отсутствие боеприпасов, на
ноалмазов и денег.
Для получения сложных алмазоидных наноструктур перс
пективна идея автоматизированного механосинтеза, , который
станет возможным с появлением точных наноманипуляторов.
Сегодня химикам удается получать сложные молекулярные
комплексы, смешивая в пробирках различные вещества при не
обходимых условиях и в нужной концентрации. Так почему
просто не собирать наноструктуры из атомов механическим пу
тем под контролем компьютера и человека? Если удается до
биться необходимых результатов с помощью пробирок, то не
лучше ли наноманипуляторы справятся с таким заданием?
167
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы
Идея молекулярного механосинтеза чрезвычайно проста и
напоминает роботизированную фабрику, например, по сборке
автомобилей: наноманипулятор берет атом и присоединяет его
к поверхности собираемого объекта. Такая система кажется до
вольно простой и эффективной, и более подробно будет рас
смотрена в главе “Инструменты нанотехнологии”
И
И
т
т
а
а
к
к
,
,
п
п
о
о
в
в
т
т
о
о
р
р
и
и
м
м
е
е
щ
щ
е
е
р
р
а
а
з
з
!
!
Атомы образуют химические связи, чтобы приобрести
устойчивую электронную конфигурацию, т.е. полностью за
полнить свою внешнюю электронную оболочку. Тип связи вли
яет на свойства вещества, включая реакционную способность..
Выделяют несколько типов химической связи:
Ионная связь
обусловлена электрическим притяжением
между противоположно заряженными ионами. Типичный
представитель поваренная соль (NaCl).
Ковалентную связь
образуют атомы с общей парой
электронов. Типичный представитель – алмаз.
Металлическая связь
связывает ионы металлов, “плава
ющие” в облаке нелокализованных электронов, что объясняет
высокую гибкость и прочность металлов.
Силы ВандерВаальса
это все виды слабого межмоле
кулярного взаимодействия, кроме водородной связи.
Водородная связь
обусловлена притяжением между ато
мом водорода и другими электроотрицательными атомами.
Она может быть как межмолекулярной (вода, лед), так и внут
римолекулярной (в молекуле ДНК).
Количество атомов в частице сильно влияет на ее свойства
Н
Н
а
а
н
н
о
о
х
х
и
и
м
м
и
и
я
я
изучает свойства и способы получения на
ночастиц. Одна из главных задач нанохимии установление
связи между размером и реакционной способностью.частицы.
Выделяют две группы методов получения наночастиц:
Диспергационные
(измельчение);
Конденсационны
е
е
(восстановление из ионов и атомов).
Наночастицы (кроме “магических”) так и норовят срас
тись. Чтобы этому помешать в систему вводят стабилизатор.
Наночастицы могут обладать уникальными свойствами.
Наночастицы серебра
убивают большинство известных ви
русов и микробов. Фильстры для очистки воды и воздуха на ос







168
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
нове этих наночастиц гораздо более эффективны и долговеч
ныпо сравнению с ионными фильтрами.
Наночастицы оксида цинка
защищают от вредного воздей
ствия УФ лучей. Их можно исползовать при производстве оч
ков, одежды, солнцезащитных кремов и пр. Кроме того, ими
можно модифицировать ткани для камуфляжей и покрытий
типа “стелс”, невидимых в широком диапазоне частот.
Наночастицы диоксида кремния
позволяют создавать само
очищающиеся покрытия для тканей, стекла, дерева, керамики
и камня.
РВС на основе
нанотрубок серпентина
продлевает жизнь
автомобиля и значительно снижает уровень выхлопных газов.
Одним из практических применений нанохимии явля
ется производство наноматериалов с улучшенными свойства
ми, а также “умных” материалов, способных активно реагиро
вать на изменения окружающей среды и изменять свои свой
ства в зависимости от обстоятельств.
С развитием нанотехнологий большой интерес вызывает
а
а
л
л
м
м
а
а
з
з
о
о
и
и
д
д
углеводород, в котором атомы углерода образуют
тетраэдрическую пространственную решетку, точно такую же,
как в алмазе. Выделяют три вида алмазоидов: (адамантан, диа
мантан и триамантан), Всем им присущи базовые характерис
тики алмаза, в том числе, высокая биосовместимость. Благода
ря этому, алмазоид является первым претендентом в списке ма
териалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены
медицинские нанороботы.

Пнд 16 Дек 2013 05:40:44
>>59042206
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
Глава 4. Наноэлектроника и МЭМС
“Закон Мура замечательный пример экспо
ненциального роста. На то, чтобы добиться от
компьютера быстродействия в 1 МГц, у челове
чества ушло 90 лет. Сегодня же мы добавляем по
1 МГц каждый день.”
Рэй Курцвейл
Появление и развитие полупроводниковой
электроники
Нельзя не восхищаться достижениями человечества во вто
рой половине ХХ века, когда чуть ли не каждый год сопровож
дался крупным прорывом то в одной, то в другой области. Од
ной из причин тому явилось широкомасштабное применение
полупроводников.
Казалось бы, что здесь такого? Люди начали использовать
еще один вид материалов, и только. Но... можно сказать, что
именно полупроводники превратили за несколько десятилетий
разгромленную во второй мировой войне нищую, голодную
Японию в одну из ведущих держав мира.
П
П
о
о
л
л
у
у
п
п
р
р
о
о
в
в
о
о
д
д
н
н
и
и
к
к
и
и
– это нечто среднее между проводниками и
диэлектриками. К ним относятся многие химические элементы
(германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное
количество сплавов и химических соединений. Почти все неор
ганические вещества окружающего нас мира – полупроводни
ки. Самым распространенным в природе полупроводником яв
ляется кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Главная особенность полупроводников состоит в том, что
их физические свойства сильно зависят от внешних воздей
ствий изменения температуры или малейшего количества
примесей.
То, что вещества поразному проводят электричество, лю
дям было известно еще 180 лет назад. В 1821 году английский
химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность метал
лов уменьшается с ростом температуры.
169
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Целенаправленно изменяя температуру полупроводника или
легируя его (добавляя примеси), можно управлять его
физическими свойствами, в частности, электропроводностью.
Проводя дальнейшие эксперименты, его ученик Майкл Фа
радей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электроп
роводность с ростом температуры не падает, а возрастает. Затем
он открыл еще несколько веществ с необычной зависимостью
проводимости от температуры. В то время, однако, это не заин
тересовало научный мир, пока в 1873 году не обнаружили, что
сопротивление селена (Se) меняется при освещении.
Селеновые фотосопротивления сразу нашли применение в
разных оптических приборах. И первым полупроводниковым
прибором стал
фоторезистор
, представляющий собой обычный
селеновый столбик, электрическое сопротивление которого в
темноте ниже, чем на свету.
Бурное развитие полупроводниковой электроники нача
лось с изобретением сначала точечного (1948г.), а затем и плос
костного (1951г) транзистора – основы любой современной
микросхемы.
Чтобы понять принцип работы транзистора, надо рассмот
реть ряд физических процессов, протекающих в полупроводни
ках. Для начала рассмотрим суть электропроводности, то есть
способности различных веществ проводить ток.
Электропроводность
Как известно, все вещества состоят из атомов, соединен
ных химическими связями, во многом определяющими их фи
зикохимические свойства, в частности, электропроводность.
Так, например, соль или дерево не проводят ток, являясь иде
альными диэлектриками, в то время как металлическая прово
лока служит превосходным проводником тока. В чем же секрет
высокой электропроводности металлов?
Электропроводность металлов
Атомы в кристаллической решетке металлов упакованы
очень плотно каждый атом может быть непосредственно свя
зан с 12ю соседними. Поэтому электроны внешних оболочек
атомов (валентные электроны) оказываются “свободными” и
не участвуют в межатомных взаимодействиях. Эти электроны
могут беспорядочно двигаться, образуя так называемый “элект
ронный газ”, в который погружены положительные ионы ме
талла, расположенные в узлах кристаллической решетки
170
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Как ионы, образую
щие решетку, так и элект
роны участвуют в тепло
вом движении. Ионы со
вершают тепловые колеба
ния в узлах решетки. Сво
бодные электроны движут
ся хаотично и сталкивают
ся с ионами решетки. Из
за взаимодействия с иона
ми электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так на
зываемый потенциальный барьер. Высота этого барьера назы
вается
работой выхода.
При комнатной температуре у электронов не хватает энер
гии для преодоления потенциального барьера. Но если прило
жить к металлической проволоке разность потенциалов, то по
ней потечет электрический ток, образованный свободными
электронами, постоянно присутствующими в кристалле.
Именно высокая концентрация свободных электронов и обус
лавливает высокую электропроводность всех металлов.
Электропроводность полупроводников
Рассмотрим теперь кристаллическую решетку полупровод
никовых кристаллов. Для полупроводников характерна
ковале*
нтная связь
между атомами. В качестве примера рассмотрим
кристалл германия (Ge), имеющий четыре валентных электрона.
Благодаря прочности ковалентной связи электроны в крис
талле германия гораздо более локализованы, чем в металлах.
Это означает, что в обычных условиях его проводимость на по
рядки меньше, чем у металлов (изза отсутствия “свободных”
нелокализованных электронов).
Что же будет, если к такому кристаллу приложить разность
потенциалов? Даже если при этом в кристалле будет создано
очень сильное электрическое поле, оно сможет лишь чутьчуть
деформировать электронные орбиты, но разорвать их пол
ностью окажется не в состоянии. Свободных носителей заряда
в кристалле не возникнет, и, следовательно, не будет электри
ческого тока. Таким образом, в “чистом виде” кристалл герма
ния представляет собой обычный диэлектрик.

Пнд 16 Дек 2013 05:41:29
>>59042206
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
172
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Чтобы в кристалле кремния появились свободные носите
ли заряда, необходимо както нарушить их стабильные ковале
нтные связи. Достичь этого можно различными способами.
Вопервых, кристалл можно
просто нагреть, придав его элект
ронам дополнительную энергию,
достаточную для того, чтобы раз
рушить межатомные электронные
связи. Предположим, в результате
нагревания одна из связей разорва
лась, а выбитый со своей орбиты
электрон оказался между четырьмя
соседними атомами.
Что в это время происходит с разорванной связью?
Появившаяся у нее дополнительная энергия позволяет зах
ватить электрон из соседней связи. В свою очередь, вновь обра
зовавшаяся “дырка” также “отнимает” электрон у соседней
связи и т.д. В результате такая неполная связь подобно свобод
ному электрону хаотично перемещается между атомами решет
ки. Движение разорванных связей происходит за счет перехода
электронов, участвующих в соседних связях, а не свободных
электронов, так что каждый раз в кристалле появляется очеред
ная неполная связь.
Образно это можно уподобить случаю, когда в заполнен
ном зрительном зале уходит один из зрителей первого ряда. На
его место сразу пересаживается зритель из второго ряда, чье
место тут же занимает человек, сидевший в третьем ряду и т.д.
При этом пустое место перемещается по залу от первого ряда к
последнему противоположно движению зрителей.
Когда разорванная связь перемещается по кристаллу, то
движется и созданный ею нескомпенсированный положитель
ный заряд. Это можно рассматривать как появление в полупро
воднике положительно заряженных частиц, величина заряда
которых равна заряду электрона. Такие квазичастицы (“квази”
– значит “почти”, так как это всетаки не частицы) получили
название “
д
д
ы
ы
р
р
о
о
к
к
”.
Свободный электрон и дырка существуют в кристалле не
вечно. Спустя некоторое время, составляющее от 10
10
до 10
2
с,
свободный электрон и дырка встречаются и
рекомбинируют.
Рис 90. Парноэлектронные связи в
кристалле германия
При рекомбинации выделяется энергия, которая была зат
рачена на создание электроннодырочной пары. Иногда она
выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристал
лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется
с
с
о
о
б
б
с
с
т
т
в
в
е
е
н
н
н
н
о
о
й
й
э
э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
п
п
р
р
о
о
в
в
о
о
д
д
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
ю
ю
полупроводников.
Второй способ получить в полупроводнике свободные но
сители заряда – намеренное введение в кристалл различных
примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный
проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалент
ного вещества, например, мышьяк – As или фосфор – P.
Наличие пяти валентных
электронов в атоме As говорит о
его способности организовывать
химические связи с пятью сосед
ними атомами. Но в кристалли
ческой решетке кремния имеется
только четыре соседних атома, с
которыми можно образовать свя
зи. Поэтому только четыре из пя
ти валентных электронов мышья
ка оказываются включенными в
прочные химические связи. Оставшийся же пятый электрон
оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в
кристалле создаются дополнительные носители заряда – элект
роны.
Такие примеси называют
д
д
о
о
н
н
о
о
р
р
н
н
ы
ы
м
м
и
и
. Обратите внимание
на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рожде
ние свободного электрона здесь не сопровождается одновре
менным появлением дырки, поскольку межатомные связи при
этом не разрушаются. В результате концентрация свободных
электронов в кристалле с донорными примесями значительно
больше концентрации дырок:
p
p
&t;
&t;
n
n
173
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со
свободными электронами, поэтому концентрации электронов
(n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей)
равны:
p
p
=
=
n
n
Рис 91. Атом мышьяка в решетке германия.
Полупроводник nтипа
Полупроводники с донорными примесями называют
по*
лупроводниками n*типа
(от англ. “negative” – отрицательный,
по знаку основных носителей заряда) или
электронными полуп*
роводниками
, а электроны – основными носителями заряда.
Возможна и противополож
ная ситуация, когда в четырехва
лентный полупроводник вводит
ся трехвалентная примесь, нап
ример индий In или алюминий
Al. Для образования связей с че
тырьмя соседними атомами ему
не хватает одного валентного
электрона. В этом случае атом
примеси может легко “отобрать”
недостающий электрон у соседне
го атома кремния. В результате у атома кремния возникает не
полная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка).
Такие примеси называют
а
а
к
к
ц
ц
е
е
п
п
т
т
о
о
р
р
а
а
м
м
и
и
.
Рождение примесных дырок также не приводит к образова
нию электроннодырочных пар, и концентрация дырок в по
лупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концент
рация электронов:
p
p
>
>
n
n
Дырки в данном случае являются основными носителями за
ряда, а сам полупроводник называют
полупроводником p*типа
(от
англ. positive положительный) или
дырочным полупроводником.
Электроннодырочный переход
Любой полупроводниковый прибор основан на одном или
нескольких электроннодырочных переходах.
Поскольку в полупроводнике nтипа концентрация элект
ронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p),
а в полупроводнике pтипа – наоборот (p >> n), то при кон

Пнд 16 Дек 2013 05:42:14
>>59042206
>>59042126
>>59042099
>>59042007
>>59041920
>>59041894
>>59041863
>>59041811
такте двух полупроводников разных типов начинается процесс
диффузии: дырки из pобласти стремительно диффундируют
(переходят) в nобласть, а электроны, наоборот, из nобласти в
pобласть.
В результате диффузии в nобласти на границе контакта
уменьшается концентрация электронов и возникает положи
тельно заряженный слой. В pобласти, наоборот, уменьшается
концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный
слой. Таким образом на границе полупроводников образуется
двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему
процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.
Такой слой называется
з
з
а
а
п
п
и
и
р
р
а
а
ю
ю
щ
щ
и
и
м
м
.
.
pnпереход обладает од
ной удивительной особен
ностью:
односторонней про*
водимостью
, то есть способ
ностью пропускать электри
ческий ток только в одну
сторону.
Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения
на pnпереход:
1) положительный полюс источника соединен с pоб
ластью, а отрицательный – с nобластью.
Тогда в силу притягивания раз
ноименных зарядов друг к другу
напряженность электрического по
ля в запирающем слое будет умень
шаться. Естественно, это облегчает
переход основных носителей через контактный слой. Дырки из
pобласти и электроны из nобласти, двигаясь навстречу друг
другу, будут пересекать pnпереход, создавая ток в прямом
направлении. Сила тока через pnпереход в этом случае будет
возрастать при увеличении напряжения источника.
2)положительный полюс источника соединен с nоб
ластью, а отрицательный – с pобластью.
Такое включение приведет к
возрастанию напряженности поля в
запирающем слое. Дырки в pоб
ласти и электроны в nобласти не
175
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Рис 93. Образование запирающего слоя при
контакте полупроводников p и nтипов
Рис 94. Прямое включения pn
перехода
Рис 95. Схема обратного включения p
n перехода
176
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
будут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличе
нию концентрации неосновных носителей в запирающем слое.
Следовательно, ток через pnпереход практически не идет.
Напряжение, поданное на pnпереход при таком включе
нии, называют
обратным
. Весьма незначительный обратный
ток обусловлен только собственной проводимостью полупро
водниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентра
ции свободных электронов в pобласти и дырок в nобласти.
Диод
Способность pnперехода пропускать ток только в одном
направлении используется в приборах, которые называются
полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды
изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их
изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплав
ляют капельки материала с другим типом проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях
для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная
вольтамперная характеристика кремниевого диода приведена
на рисунке.
Рис 96. Вольтамперная характеристика кремниевого диода (использованы
различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений).
Транзистор
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n
переходами называются транзисторами, на их работе основаны
все логические микросхемы. Название происходит от сочета
ния английских слов
transfer
– переносить и
resistor
– сопротив
ление. Для создания транзисторов обычно используют герма
ний или кремний.
Обычный
плоскостной (планарный) транзистор
представля
ет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электрон
ным или дырочным типом проводимости, на которую нанесе
ны участки другого полупроводника с противоположным ти
пом проводимости. Пластинку транзистора называют
б
б
а
а
з
з
о
о
й
й
(Б),
одну из областей с противоположным типом проводимости –
к
к
о
о
л
л
л
л
е
е
к
к
т
т
о
о
р
р
о
о
м (К), а вторую –
э
э
м
м
и
и
т
т
т
т
е
е
р
р
о
о
м
м
(Э). В условных обоз
начениях транзистора стрелка эмиттера показывает направле
ние тока через него.
Транзисторы бывают двух ти
пов:
p–n–p
и
n–p–n
. Например, гер
маниевый транзистор p–n–pтипа
представляет собой небольшую
пластинку из германия с донорной
проводимостью. В ней создаются две области с акцепторной
примесью, т. е. с дырочной проводимостью.
В транзисторе n–p–nтипа ос
новная германиевая пластинка об
ладает проводимостью pтипа, а две
области – проводимостью nтипа.
Если в цепь эмиттера включен
источник переменного напряжения, два pn перехода взаимо
действуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное
напряжение, амплитуда которого может во много раз превы
шать амплитуду входного сигнала.
Вдумайтесь в это. В радиоприемнике ничтожный сигнал,
пойманный антенной, управляет мощными колебаниями дина
мика. Слабые сигналы микросхем управляет моторами и иску
сственными мышцами роботов. Туннельный ток СТМ мощ
ностью в доли наноампера управляет макроскопическим зон
дом. Как? Через транзисторы!
Но управление не обязательно подразумевает усиление.
Можно управлять сигналами, несущими информацию – л

Пнд 16 Дек 2013 05:52:00
А школьник всё никак не угомонится...

Пнд 16 Дек 2013 05:54:16
>>59042498
Этот школьник без особого напряга разогнал тред пиздолизов, даже без наличия тян, при помощи скрипта. А ты сосёшь хуец, потому что проекции, вот почему.

Пнд 16 Дек 2013 05:56:57
>>59042540
Напугал ежа голой жопой. Или современный анон не тот, простого вайпа не переносит, даже без гомонигр и расчлененкти. Школота.

Пнд 16 Дек 2013 05:59:16
>>59042578
Ты ньюфаг и все остальные в этом треде хотя бы потому, что вообще видите вайп, тому что все олдфаги его не видят в принципе, лол. Поссал на ебло ньюфажине.

Пнд 16 Дек 2013 06:03:35
>>59042603
Убейся, лошара.

Пнд 16 Дек 2013 06:06:58
>>59042661
У-тю-тю, ньюфажина опущенка, соснувшая хуйца и обоссанная.

Пнд 16 Дек 2013 06:08:10
>>59042709
А ты соснул 2 хуйца и мамкину пизду вылизал.

Пнд 16 Дек 2013 06:10:34
>>59039693
переезжай ко мне если ты ламповая, живу со студентками, хоть сейчас.

Пнд 16 Дек 2013 06:12:54
>>59042727
А знаешь, что самое забавное, ньюфажина с вбыдлятни? Если сюда придёт мод, то он тебя забанит скорее всего за шок-контент, нежели меня с моей проксей и удачным разгоном ньюфагов, не чтущих традиции этого места даже на ночном.

Пнд 16 Дек 2013 06:15:44
>>59042801
>он тебя забанит скорее всего за шок-контент
Мой динамический ип банили уже несколько раз, да даже если забанят весь диапазон, то заебись, нахуй в этом быдлятнике сидеть. А еще
Ты ньюфаг и все остальные в этом треде хотя бы потому, что вообще видите шок-контент, тому что все олдфаги его не видят в принципе, лол. Поссал на ебло ньюфажине.

Пнд 16 Дек 2013 06:16:12
>>59042838
>Мой динамический ип банили уже несколько раз
АХАХАХ ПИДОРНУТЫЙ ЗАКУКАРЕКАЛ

Пнд 16 Дек 2013 06:18:39
>>59042845
Капслоком и болдом с обиды закукарекал? Рака яиц тебе, и пикрелейтеда твоему будущему сынишке.

Пнд 16 Дек 2013 06:18:46
>>59042838
Ой и аномальный же ты, твоя нубливость определяется хотя бы отсутствием грамотно настроенного лялькоскрипта (если он у тебя вообще стоит, лол), а за шок-контент тут тупо банят сейчас, тому что есть закон его запрещающий. Такие дела, идиотик.

Пнд 16 Дек 2013 06:20:58
>>59042879
Всегда впадлу было настраивать куклосскрипт ради борды школьников, на которой я появляюсь раз в месяц. А ты сосни хуйца.

Пнд 16 Дек 2013 06:23:48
>>59042910
Ахахах, появляешься раз в месяц и разу начинаешь бампать грамотно и по делу завайпанный тред — ну ты прост титан олдфажества, наверн пару-тройку месяцев здесь точно сидишь, но не более того.

Пнд 16 Дек 2013 06:24:33
Одна сажа слабее тысячи саж.

Пнд 16 Дек 2013 06:29:17
>>59042951
Вайп из-за пизды в треде - удел дрочеров-отшельников. Сочувствую.

Пнд 16 Дек 2013 06:32:42
>>59043018
Бамп треда псевдо-пизды — удел аутистов пиздолизов. Сочувствую. Алсо, Мне не сложно настроить автовайп на алгоритм 5 к 1 с сажей и реквестом 9 предыдущих, лол.

Пнд 16 Дек 2013 06:35:13
>>59039693
Лолблять, пилю кулстори. Когда только оформили мне рабочую визу в UK, тоже снял дешевую комнату в коммуналке, условия были говно, но зато близко к транспорту. Ну и собственно до первой зарплаты денег было вообще впритык, да и тратить их было страшно - все-таки далеко от дома, это вам не в ДС-2 из мухосранска понаехать. Следовательно, питался всяким говном вроде дешевых макарон, бобов и гороха в банках, изредка точил паштет или курицу. Вместо чая пил газировку, так как тупо на чайник денег не было, пил чай только на работе.
И естественно, через 2 недели на такой диете я пердел уже пиздец как, прямо как в пасте про батю - натурально каждые 5 минут, протяжно и громко. Хлопот добавляло то, что на работе сдерживал газы часами, а придя домой и сняв брюки сразу устраивал КАНОНАДУ. Иногда даже с подливой. А за стенкой у меня жила тогда жирная корова из Таиланда, и тоже барагозила по этому поводу - типа, иди к врачу запишись, это ненормально, я вообще-то ела в это время и прочее хуе-мое. В итоге меня ее упреки и попытки настроить против меня соседей заебали и я что делал - когда подкатывало пернуть, включал микрофон ноутбука и подносил ноут к труханам. Потом пердел, записывал и воспроизводил на полной громкости, поднося к стене. Иногда ставил на рипит, а когда накопилось много разных пердежей, и на шаффл. Иногда оставлял ноут работать утром выходного дня на рипите и уходил прогуляться по своему городку. Ее хватило ровно до следующей даты оплаты хаты, съебала и не попрощалась даже. А на ее место заселили годного травокура, который и сам поперживает иногда, а я к тому времени уже перешел на нормальный рацион и почти не пержу. Потом и квартиру снял поприличней.
Чего и оп-шлюхе советую (съебать, то есть), ибо коммуналка - это место для сильных, тебе и твоим соплям про грубого мужика не рады - тебе от него печет, ты и сваливай.

Пнд 16 Дек 2013 06:37:57
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042838
>>59042760
>>59042727
>>59042661
178
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ленно изменять хранимую информацию – то есть
обрабатывать
ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.
В CMOS (комплементарной металлоксидполупроводни
ковой) логике транзистор включен так, что нулевое или поло
жительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. По
ка цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не
идет, так как для основных носителей свободного заряда пере
ход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При
подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные
носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая
в цепи ток, что соответствует логической “1”.
Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а
на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (ба
зу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.
Рис 99. p–n–pтранзистор как логический переключатель
Можно сделать все наоборот и присоединить выход к кол
лектору. Тогда мы получим логическую схему “НЕ”, превраща
ющую “0” в ”1”, а “1” в “0”.
Соединяя транзисторы, можно по
лучать и более сложные логические схе
мы: “И”, “ИЛИ”, “Исключающее ИЛИ
(XOR)” и другие.
Современная технология произво
дит полупроводниковые приборы – дио
ды, транзисторы, фотосенсоры разме
ром в несколько микрометров.
Однако для дальнейшего развития
техники возникла необходимость пере
хода на транзисторы нанометровых раз
Рис 100. Схема «НЕ» на одном
транзисторе
179
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
меров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от
количества транзисторов, которое удается разместить на еди
нице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый
рубеж уже дали хорошие результаты. Подробнее об этом будет
рассказано в одном из следующих параграфов.
Интегральная микросхема
Применение микросхем привело к революционным изме
нениям во многих областях электроники. Это особенно ярко
проявилось в компьютерной индустрии. На смену громоздким
вычислительным машинам, содержащим десятки тысяч элект
ронных ламп и занимавшим целые здания, пришли компакт
ные и быстрые настольные и даже карманные компьютеры.
Чип размером в 1 см
2
может содержать миллионы микрос
копических устройств. Очевидно, что последовательное созда
Рис 101. Транзисторнык схемы «И» (слева) и «ИЛИ» (справа)
Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все
базовые логические схемы, необходимые для работы
микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".
И
И
н
н
т
т
е
е
г
г
р
р
а
а
л
л
ь
ь
н
н
а
а
я
я
с
с
х
х
е
е
м
м
а
а
(ИС) – это система микроскопических
устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной
подложке. С чьейто легкой руки микросхемы стали также
называть чипами за некоторое сходство с тонкими ломтиками
жареного картофеля (англ. chip).
180
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
ние таких приборов “вручную” невозможно изза огромного
количества межсоединений (попробуйтека правильно спаять
1.000.000 транзисторов о трех ногах каждый, плюс еще мириа
ды обслуживающих элементов – резисторов, диодов и т.п., да
при этом еще не запутаться в проводах!). Выход из создавшего
ся положения был найден на пути интеграции (объединения) в
едином устройстве – интегральной схеме – всего этого множе
ства полупроводниковых устройств и межсоединений, создан
ных в едином технологическом цикле.
Как делают микросхемы
Поскольку микросхема создается на поверхности пласти
ны, технология ее изготовления называется
планарной
(от англ.
“planar” – “плоский”). Ее основу составляет
л
л
и
и
т
т
о
о
г
г
р
р
а
а
ф
ф
и
и
я
я
.
.
Наз
вание “литография” происходит от греческих слов “литос” –
камень и “графо” – пишу, что дословно означает “писать на
камне”. Литография в микроэлектронике – это действительно
способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое по
лупроводника.
Изготовление, или “выращивание”, интегральной микрос
хемы включает в себя несколько основных этапов:
1
1
.
.
П
П
о
о
д
д
г
г
о
о
т
т
о
о
в
в
к
к
а
а
п
п
о
о
д
д
л
л
о
о
ж
ж
к
к
и
и
Подложкой обычно является пластина кристалла кремния
(Si) самого распространенного полупроводника на Земле.
Обычно пластина имеет форму диска диаметром 200 мм и тол
щиной менее миллиметра. Получают ее разрезанием цилинд
рического монокристалла.
Так как свойства полупроводникового кристалла сильно за
висят от направления (вдоль или поперек кристалла), то перед
тем как нарезать кристалл на пластины, его свойства измеряют
во всех направлениях и ориентируют нужным образом.
Для резки монокристаллов на пластины применяются диски
с режущей кромкой, покрытой алмазной крошкой размером 40
60 микрон, поэтому после резки пластины получаются шерохо
ватыми, на них остаются царапины, трещины и другие дефекты,
нарушающие однородность структуры приповерхностного слоя
и его физикохимические свойства. Чтобы восстановить поверх
ностный слой, пластину тщательно шлифуют и полируют.

Пнд 16 Дек 2013 06:38:03
>>59043098
Упс, сорри, не заметил, что тред вайпают. Энивей, свою историю я поведал, далее похуй.

Пнд 16 Дек 2013 06:38:52
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
>>59042760
>>59042727
181
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Все процессы по обработке полупроводниковых пластин
проводятся в условиях вакуумной гигиены в специальных поме
щениях со сверхчистой атмосферой. В противном случае пыль
может осесть на пластину и нарушить элементы и соединения
микросхемы (гораздо меньшие по размерам, чем сама пыль).
Очищенная кремниевая пластина подвергается так называ
емому
оксидированию
(или окислению) воздействию на заго
товку кислородом, которое происходит под высокой темпера
турой (1000°C).
Таким образом на поверхности заготовки создается тончай
ший слой диоксида кремния SiO
2
. Регулируя время воздей
ствия кислорода и температуру кремниевой подложки, можно
легко сформировать слой оксида нужной толщины.
Диоксидная пленка отличается очень высокой химической
стойкостью, большой прочностью и обладает свойствами хоро
шего диэлектрика, что обеспечивает надежную изоляцию нахо
дящегося под ним кремния и защищает его от нежелательных
воздействий в ходе дальнейшей обработки.
2
2
.
.
Н
Н
а
а
н
н
е
е
с
с
е
е
н
н
и
и
е
е
ф
ф
о
о
т
т
о
о
р
р
е
е
з
з
и
и
с
с
т
т
а
а
Если некоторые области кремния, лежащие под слоем ок
сида, необходимо подвергнуть обработке, то оксид надо пред
варительно удалить с соответствующих участков. Для этого на
диоксидную пленку наносится слой фоторезиста.
Ф
Ф
о
о
т
т
о
о
р
р
е
е
з
з
и
и
с
с
т
т
– это светочувствительный материал, который
после облучения становится
растворимым в определен
ных химических веществах.
Фотошаблон представляет
собой пластинку, состоящую
из прозрачных и непрозрач
ных участков, и играет роль
трафарета.
3
3
.
.
Э
Э
к
к
с
с
п
п
о
о
н
н
и
и
р
р
о
о
в
в
а
а
н
н
и
и
е
е
На следующем этапе – экспонировании – пластину с нало
женным на нее фотошаблоном подвергают действию излуче
ния. Фоторезист, расположенный под прозрачными участками
фотошаблона, засвечивается.
Рис 102 .Исходная полупроводниковая пластина с
проводимостью ртипа, покрытая слоями SiO
2
, и
фоторезиста: 1 слой фоторезиста, 2 слой SiO
2
,
3 полупроводниковая пластина
В результате засвечен
ный слой, чьи структура и
химические свойства изме
нились под действием излу
чения, а также находящийся
под ним слой диоксида
кремния могут быть удалены
с помощью химикатов (каж
дый слой своим химика
том).
4
4
.
.
Т
Т
р
р
а
а
в
в
л
л
е
е
н
н
и
и
е
е
Удаление облученного фоторезиста и оксидной пленки на
зывается травлением. Этот процесс необходим, чтобы вскрыть
окно для доступа к материалу подложки. Травление может быть
химическим “мокрым” или плазменным “сухим”. Химическое
жидкостное травление основано на растворении химическими
веществами не защищенных фоторезистивной маской участков
образца. Более эффективными являются “сухие” методы обра
ботки, основанные на взаи
модействии газозарядной
плазмы с поверхностным
слоем материала. Кроме то
го, существует ионное, ион
нохимическое и плазмохи
мическое травление.
Результатом травления является полное удаление материа
ла на участках, не защищенных фоторезистом.
5. Заключительным этапом формирования микросхемы яв
ляются процессы
э
э
п
п
и
и
т
т
а
а
к
к
с
с
и
и
и
и
,
,
д
д
и
и
ф
ф
ф
ф
у
у
з
з
и
и
и
и
и
м
м
е
е
т
т
а
а
л
л
л
л
и
и
з
з
а
а
ц
ц
и
и
и
и
.
.
Э
Э
п
п
и
и
т
т
а
а
к
к
с
с
и
и
е
е
й
й
называют
ориентированное наращива
ние слоев вещества с воспро
изведением кристалличес
кой структуры подложки.
Его производят в особом ре
акторе. Эпитаксия позволяет
создавать равномерные атом
ные слои на пластине.
182
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 104. Кремниевая пластина с “окном” в слое
SiO2, образовавшимся в результате облучения и
последующего травления: 1 фоторезист, 2 слой
SiO
2
, 3 – полупроводниковая пластина;
Рис 105 Выращивание на поверхности пластины
эпитаксиального nслоя с помощью диффузии
донорных примесей: 1 ионы, 2 слой SiO
2
, 3
полупроводниковая пластина
Рис 103. Облучение фоторезиста через фотошаблон:
1 засвеченный участок фоторезиста, 2 слой SiO
2
,
3 полупроводниковая пластина, 4 – фотошаблон
183
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Д
Д
и
и
ф
ф
ф
ф
у
у
з
з
и
и
ю
ю
используют для создания р и nобластей. Для
этого в кремний в качестве акцептора вносят бор (B), а в каче
стве доноров – фосфор (P) и мышьяк (As). Процесс заключает
ся в нагреве пластины и внедрении в нее ионов с высокой энер
гией.
М
М
е
е
т
т
а
а
л
л
л
л
и
и
з
з
а
а
ц
ц
и
и
я
я
завершает изготовление чипа. В ходе этого
процесса осаждаются тонкие металлические пленки из алюми
ния, золота или никеля, которые образуют электрические сое
динения между активными областями и приборами на кристал
ле те токопроводящие линии и контактные площадки, кото
рые мы можем наблюдать на любой микросхеме.
Развитие литографии
Бесспорно, для дальнейшего развития электроники, т.е.
увеличения производительности за счет уменьшения размеров
чипов, ключевым моментом является совершенствование ме
тодов литографии.
Это значит, что толщина линий, наносимых светом на пове
рхности фоторезиста в момент формирования “рисунка” мик
росхемы, должна стремиться к уменьшению. Этого можно дос
тичь уменьшением длины волны, ведь чем меньше длина волны,
тем более мелкие детали рельефа она позволяет «нарисовать».
Первоначально засветка производилась инфракрасным из
лучением с длиной волны чуть более 1 микрона – и ширина до
рожек была примерно такой же. Затем стандартными стали
длины волн 435 и 365 нм. При помощи источника излучения с
длиной волны 365 нм вычерчивались линии толщиной до 0, 35
микрон, что почти соответствует длине волны.
Затем благодаря переходу на источники, действующие в
спектре глубокого УФизлучения (
D
D
U
U
V
V
*
*
л
л
и
и
т
т
о
о
г
г
р
р
а
а
ф
ф
и
и
я >>59043130

я
“Deep Ultra
Violet”) с длиной волны 248 нм, полупроводниковая промыш
ленность перешла на 0, 18микронную литографию. Достиже
ние топологических размеров в 100 нм и меньше потребует
уменьшения длины волны излучения, возмо

Пнд 16 Дек 2013 06:39:32
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
>>59042760
В настоящее время интенсивно развивается
E
E
U
U
V
V
*
*
л
л
и
и
т
т
о
о
г
г
р
р
а
а
*
*
ф
ф
и
и
я
я
(Extreme Ultra Violet) – литография в спектре жесткого
ультрафиолета, обеспечивающая толщину линий проводников
в 70 нм, что примерно в тысячу раз меньше толщины челове
ческого волоса.
EUVлитография является обычной литографией, но с ис
пользованием излучения с длиной волны 11 14 нм, отража
тельной оптикой и фотошаблонами. Оптическая система со
держит набор зеркал между источником света и маской.
Чтобы дать читателю представление о преимуществах
EUVлитографии, приведем несколько наглядных примеров:
·
·
EUVтехнология приводит к появлению микропроцес
соров в 30 раз быстрее существующих. Процессор в 10 ГГц, нап
ример, будет настолько быстрым, что, например, за время, по
ка человек успевает моргнуть глазом (около 1/5 секунды), он
сможет произвести порядка 2 млрд. вычислений.
·
·
EUVлитография предназначена для печати на кремни
евой подложке элементов размером 0, 07 мкм (70 нм) и менее.
Это все равно, что рисовать изображение размером с двухрубле
вую монету на поверхности Земли с космического корабля, а
затем поверх него печатать другую картинку, четко совмещая их
между собой. На одном кристалле соли (с ребром 0, 25 мм) раз
местилось бы около 3600 таких 70нанометровых элементов.
·
·
Элементы, нанесенные с помощью EUV и DUVлитог
рафии, примерно так же отличаются друг от друга, как две оди
184
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 106. Схема оптической литографии
185
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
наковые линии, проведенные на бумаге шариковой ручкой
(EUV) и маркером (DUV).
Переход к EUV литографии позволил пересечь 100 нм ру
беж, оставаясь в рамках традиционной фотолитографии. Одна
ко сложная зеркальная оптика и технология изготовления фо
тошаблонов делает такой подход исключительно дорогим, ос
тавляя место для разработки литографических процессов, ос
нованных на иных физических принципах.
Проводящие полимеры
Долгое время основными материалами микроэлектроники
считались кремний основа чипов, и медь, используемая в то
копроводящих дорожках и контактах. Пластмассовым в компь
ютере был разве что корпус монитора. Однако прогресс не сто
ит на месте, и в последнее время все большую популярность за
воевывают проводящие полимеры, которым, по прогнозам ма
териаловедов, в ближайшие годы предстоит стать чуть ли не ос
новным сырьем для производства полупроводниковой техни
ки. Но прежде чем говорить об электропроводимости таких ве
ществ, давайте вспомним, что же такое полимеры вообще.
Типичным полимером является уже знакомая нам молеку
ла белка, состоящая из сотен молекул аминокислот. В природе
полимеры встречаются на каждом шагу. Они – важная часть
любого микроорганизма, растения, животного. Например, цел
люлоза, крахмал, каучук, природные смолы – примеры поли
меров растительного мира. В человеческом организме также
немало полимеров: мышцы, кожа, волосы и др.
До недавнего времени полимеры создавала только природа.
Но в 20х годах прошлого столетия человек узнал ее секрет и
научился синтезировать их самостоятельно. Искусственные по
лимеры прочно вошли в наш быт под видом таких привычных
веществ, как полиэтилен, капрон, нейлон и другие виды пласт
масс. Сегодня благодаря своим ценным свойствам пластмассы
повсеместно заменяют древесину, металл, стекло. Пластмассы
Полимеры это огромные молекулыцепочки
(макромолекулы), состоящие из большого числа многократно
повторяющихся однотипных молекулзвеньев (мономеров).
Греческая приставка "поли", означает "много".
не боятся влаги и едких кислот, не подвержены ржавчине и гни
ли и к тому же изготавливаются из дешевого углеводородного
сырья.
Меняя длину и способы переплетения цепочекполимеров,
можно управлять прочностью и эластичностью пластмасс. Сто
ит к цепочке добавить еще хотя бы одно звено или ввести не
большое количество примесей — и у полимера появляются но
вые свойства. Одни пластмассы по прочности сравнимы с са
мой лучшей сталью, другие эластичнее резины, третьи прозрач
ны, как хрусталь, но не разбиваются. Одни пластмассы мгно
венно разрушаются под действием тепла, другие способны вы
держивать очень высокую температуру. Зная все это, ученые на
сегодняшний день создали сотни тысяч различных синтетичес
ких полимеров.
Строение и состав полимеров
Однотипные атомы или группы атомов в макромолекуле
могут иметь линейную, разветвленную или пространственную
структуру. К
линейным
полимерам относится, например, нату
ральный каучук. К
разветвленным
амилопектин, к
сложным
пространственным
нанотрубки.
186
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 107. Различные типы структуры полимеров:
а – линейная, б – разветвленная, в– пространственная
а
б
в
Образование полимеров
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в
клетках живых организмов. Они могут быть выделены из расти
тельного и животного сырья. В основе получения синтетичес
ких полимеров лежат химические процессы
полимеризации
и
поликонденсации
. Реакцией полимеризации называется получе
ние новой макромолекулы с большим молекулярным весом из
атомов или простых молекул мономеров, причем это новое
соединение имеет одинаковый с мономерами состав. На рисун
ке приведена условная схема реакций

Пнд 16 Дек 2013 06:40:14
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
>>59042760
лектропроводимость полимеров
Отличительным свойством синтетических полимеров до
недавнего времени считалось их нулевая электропроводность.
Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлект
риками благодаря прочным ковалентным связям, образующим
макромолекулярные соединения.
Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов
2000 года Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США)
и Хидеки Ширакаве (Японии) – круто изменило общеприня
тую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить
пластмассу в электрический проводник.
Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла
случайность. Студент Ширакавы както по ошибке добавил
слишком много катализатора, в результате чего бесцветный
пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело
на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие
исследования привели к открытию полимера с проводимостью,
в десятки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это
открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на
органических материалах. Ведь органические материалы легче
и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную
форму, в том числе и трехмерную.
Что же представляют собой проводящие полимеры? Если
коротко, то основой для них служат вещества с молекулами, в
которых имеются чередующиеся двойные углеродные связи. В
чистом виде они не являются проводниками, поскольку элект
роны в них локализованы в силу их участия в образовании ко
валентных химических связей. Для освобождения электронов
применяются различные примеси, после их ввода появляется
возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль
а
б
Рис 108. Реакции образования полимеров:
а) полимеризация, б) поликонденсация
молекулярной цепи. Распространенным примером проводяще
го полимера является полианилин.
На проводящих полимерах основана молекулярная элект
роника. Например, ученые из Аризонского университета созда
ли ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов.
Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы,
диоды.
Американская компания Superconnect разработала матери
ал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в
Интернете в сто раз! Это особый полимер, склеенный с набо
ром фуллеренов, позволяющий управлять потоками света при
помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).
Это — первый шаг на пути создания
полностью оптических маршрутизаторов
в Интернете. Сейчас для управления по
токами данных (которые между крупны
ми узлами передаются по оптоволокну),
их преобразовывают из оптических им
пульсов в электронные. Чипы определя
ют направление передачи и переключа
ют канал, после чего поток битов в виде
электронов снова переводят в световые
импульсы и отправляют к месту назначения. Такие двойные
преобразования — одно из узких мест, снижающих общую про
пускную способность Интернета. Заменив обычные маршрути
заторы, сочетающие оптические и электронные компоненты,
на полностью оптические, можно будет повысить скорость пе
редачи данных в сто раз.
Дешевизна производства полимеров открывает перед орга
нической электроникой новые области применения. Напри
мер, такие полимеры позволят печатать любую ИС на простых
компьютерных принтерах, используя особый химический раст
вор вместо чернил. Это — колоссальное технологическое и эко
номическое преимущество, ведь принтер прост в обращении и
стоит копейки по сравнению с традиционным дорогостоящим
оборудованием для изготовления интегральных микросхем.
На принтерах, например, в ближайшее время сотрудники
британской компании Cambrige Display Technologies собирают
ся наладить выпуск видеодисплеев для мобильных телефонов и
188
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 109. Сочетание фуллеренов и
полимерных цепей ключ к
сверхбыстрым оптическим
переключателям
189
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
других переносных устройств. Ис
ходным материалом для таких
дисплеев будут новые светоизлу
чающие полимеры, где излучение
происходит в результате рекомби
нации электронов и дырок. Также
в скором времени следует ожидать
массового производства новых
пластиковых мониторов на основе
полимерных матриц. На фото
изображен один из лабораторных
образцов таких дисплеев компа
нии Universal Display.
Более того – если можно печатать и проводники, и полиме
ры, то почему бы не напечатать на принтере сам принтер?
Именно это и стремятся сделать добровольцы проекта RepRap –
самореплицирующийся принтер, который сможет печатать все
детали для своих копий из проводящих, полупроводящих и неп
роводящих полимерных чернил. Конечно же, он сможет не
только размножаться на таком принтере можно будет запросто
«распечатать» цифровую фотокамеру или мобильный телефон!
Появление и развитие MЕMS и NEMSтехнологии
Итак, мы вкратце рассмотрели процесс развития полупро
водниковой электроники от элементарного селенового фоторе
зистора до изготовления сложных интегральных микросхем.
Появление и развитие МЕМSтехнологий явилось следующим
шагом на пути эволюции полупроводниковой техники.
Английская аббревиатура “MEMS” (или порусски
“МЭМС”) расшифровывается как микроэлектромеханические
системы. Соответственно, NEMSтехнология использует на
ноэлектромеханические системы. Понятно, что приставки
“микро” и “нано” характеризуют уже привычные для нас чрез
вычайно малые масштабы. Поэтому сначала нужно понять – а
что же такое
электромеханическая система
.
Без особого преувеличения можно сказать, что начало сов
ременной электротехники положил гениальный английский
ученый Макс Фарадей, открывший в 1873 году явление эле

Пнд 16 Дек 2013 06:40:54
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
>>59042760
ромагнитной индукции. Суть его чрезвычайно проста: если
рамку из металлической проволоки вращать в магнитном поле,
то по ней потечет электрический ток. Другими словами, меха
ническая энергия перейдет в электрическую.
И наоборот, если по рамке, находящейся в магнитном поле,
пропустить ток, то рамка начнет вращаться. Это иллюстрирует
работу простейшего электродвигателя, где вращающаяся рамка
выполняет функцию ротора.
Мы видим, что рассмотренные выше процессы взаимооб
ратимы, то есть одну и ту же электромеханическую систему
можно использовать и как двигатель, и как генератор. При ны
нешнем уровне развития науки и техники изготовление элект
ромеханических устройств в масштабе, скажем, миллиметров
или даже сотен микрон не составляет принципиальных труд
ностей. Такие устройства и получили название микро или на
ноэлектромеханические системы.
Их размеры могут быть меньше спичечной головки, и поэ
тому использование МЭМС позволит резко уменьшить массу и
объем традиционной электронной техники, а также значитель
но снизить ее стоимость.
Впервые о возможностях таких устройств заговорили еще в
1959 году. Но для превращения МЭМС из любопытных лабора
торных “игрушек” в реальные изделия, пользующиеся спросом
на рынке, потребовалось целых 40 лет. Только в конце 90х на
чалось освоение промышленного производства МЭМС, а сей
час МЭМС широко используются в самых различных сферах
человеческой деятельности: в телекоммуникациях, медицине,
транспорте и т.д. MEMSсистемы на сегодняшний день явля
ются ключевым фактором в развитии нанотехнологий. Именно
на базе таких систем планируется создание наноманипуляторов
и нанороботов.
190
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
МЭМС представляют собой трехмерные микрообъекты и
микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы,
микродатчики или целые аналитические микролаборатории,
выполненные на кремниевой подложке.
Вращающаяся металлическая рамка в магнитном поле это
прообраз генератора электрического тока.
191
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Традиционный микропроцессор
способен лишь на то, чтобы решать
определенный алгоритм и выдавать
тот или иной результат вычислений.
Микроэлектромеханические же уст
ройства способны не только обрабаты
вать определенные данные, но и вы
полнять некоторые движения, то есть
выступать в роли микророботов.
Если ИС обеспечила проводникам
возможность “думать”, то МЭМС поз
воляет им “ощущать”, общаться и взаимодействовать с внеш
ним миром. Поэтому без преувеличения можно сказать, что
МЭМС – это новая волна полупроводниковой революции. По
мнению экспертов, развитие МЭМСаппаратуры может иметь
такие же последствия для научнотехнического прогресса, ка
кие оказало появление микроэлектроники на становление и
современное состояние ведущих областей науки и техники.
Изготовление МЭМС
очень похоже на создание
микросхем. Здесь также ис
пользуется кремний – самый
популярный в микроэлектро
нике материал, а технология
создания МЭМСустройств
очень напоминает процедуру
создания ИС. И в той, и в дру
гой имеется замечательная
возможность создавать необ
ходимые структуры в едином технологическом процессе. И
планарной, и МЭМСтехнологии присущи осаждение мате
риала, перенос изображений и удаление промежуточных
слоев (в МЭМС для отделения механических частей).
Как правило, создание микромеханических изделий требует
создания более толстых пленок, более глубокого травления, а
сам технологический процесс имеет значительно больше этапов.
Рис 111. Современные МЭМС
системы *
* Пперепечатано с www.memx.com
** Перепечатано с www.cmp.caltech.edu
Рис 112. Уже изготовленные НЭМС
системы**
192
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Как ни удивительно, но МЭМСсистемы могут выступать
не только в роли сенсоров и «мускулов» микро и нанороботов.
Они также могут быть основой нанокомпьютеров.
История создания компьютеров начинается в девятнадца
том веке с универсальной механической машины Чарльза Бэб
биджа. В 1833 г. английский ученый, профессор Кембриджского
университета Чарльз Бэббидж разработал гигантский арифмо
метр с программным управлением, арифметическим и запоми
нающим устройствами. Аналити
ческая машина Бэббиджа стала
предшественницей и прообразом
современных компьютеров и ма
шин с программным управлени
ем. Как ни странно, но она была
полностью механической. И это
не мешало ей выполнять простей
шие арифметические и логичес
кие операции, а также хранить
полученные результаты.
Подобие машины Бэббиджа ученые собираются создать в
наномасштабе, используя «НЭМСарифмометры».
Эрик Дрекслер предложил проект механокомпьютера –
компьютера, в котором все логические операции, хранение и
обработка информации производятся с помощью последова
тельных движений системы стержней. Используя нанотехноло
гически измененные материалы (например, алмаз или сапфир),
можно добиться высокой скорости распространения информа
ции. Дрекслер составил детальное описание подобного компь
ютера на основе механотранзисторов, причем размеры подоб
ного устройства составят всего 400х400х400 нм.
При этом его вычислительная мощность 10
16
операций в
секунду, что можно приравнять к производительности совре
менного персонального компьютера Penthium IV с тактовой
частотой 1 ГГц. Если представить себе такой механокомпьютер
в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то
эритроцит будет больше в 1015 раз!
Если использовать эти наноустройства для хранения ин
формации, то полученная механическая память будет выго

Пнд 16 Дек 2013 06:41:38
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
>>59042760
по плотности данных, чем современные электромагнитные
системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже
те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям
изготовления приближаются к физическому пределу плотности
информации для магнитных устройств.
Механопамять может работать, выполняя миллионы и
миллиарды циклов в секунду. Моханти сказал, что механичес
кие ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше
энергии, чем их электронные аналоги.
Расскажем о создании одного из прототипов логических
ячеек механопамяти. С помощью электроннолучевой литогра
фии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механичес
ких ключей и вытравили их из монокристаллического слоя
кремния, покрытого слоем оксида кремния.
Электроннолучевая литография уже давно используется
МЭМС и нанотехнологами в качестве основного производ
ственного инструмента. Она также является основным
инструментом для производства микроэлектронных схем и ею
пользуются при массовом производстве микросхем и процес
соров. Так что для массового производства механопамяти не
нужно будет использовать дополнительные устройства, вы
194
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
пуск готового продукта можно производить на уже имеющем
ся оборудовании.
Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометро
вых размеров, которая при воздействии на ее концы высоко
частотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) из
гибается. При определенной амплитуде напряжения струна
принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.),
что как раз нужно для хранения информации.
Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь вы
сокочастотных вибраций (в опытах — до 23, 57 МГц). Эта часто
та отражает скорость чтения записанной информации. Для
сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризу
ются скоростью считывания информации в несколько сот ки
логерц.
Исследователи заверяют, что
наномеханические ключи могут
достичь скорости до миллиарда
циклов в секунду. При этом их раз
меры могут быть меньше тех, кото
рые изготовлены экспериментально.
Другое преимущество наномеханики перед наноэлектро
никой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны
составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазо
не устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэ
нергии, в то время как современные ключи потребляют милли
ватты. Механическая память также свободна от ограничений
суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые
размеры магнитной памяти.
Объединение принципов механических и электронных вы
числений позволит создать гибридные механоэлектрические
НЭМСтранзисторы, которые работают по принципу переноса
носителей заряда механическим путем.
Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт
Блайк из Висконсина, США, представил рабочий электромеха
нический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочас
тот и мог переносить отдельные электроны от одного электро
да к другому при активации “механической руки” устройства
Рис 115. МЭМСячейка памяти*
* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu
195
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
(т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на
рисунке 116.
В центре устройства –
вибрирующий маятник, ко
торый был назван Блайком
“механической рукой”. Если
между точками G1 и G2 при
ложить переменное напря
жение, то маятник будет ко
лебаться с частотой, пропор
циональной частоте пере
менного напряжения. В ра
бочем устройстве маятник ко
лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изоли
рован от электродов G1, G2, S и D и заземлен.
Электроды S и D представляют собой исток и сток транзис
тора соответственно. Как только маятник касается электрода S,
на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносит
ся один электрон, который затем передается с помощью коле
баний маятника на электрод D. На схеме показан источник
напряжения транзистора V
SD
и прибор, с помощью которого
исследователи могли наблюдать за переносом электронов I
SD
.
Осциллятор исследователи изготовили из кремния по тех
нологии SOI (silicononinsulator: слой кремния на слое изоля
тора) в несколько этапов. Сначала с помощью электроннолу
чевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золо
тую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также
алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо
удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его
туннельные контакты (с точностью до 10 нм).
В обычных микроэлектронных транзисторах переносится
около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0.
В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет
один
электрон. Преимущества нового устройства – в отсутствии
тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены.
Также уменьшится энергопотребление устройства, собранног

Пнд 16 Дек 2013 06:47:45
>>59043064
>Мне не сложно настроить автовайп на алгоритм 5 к 1 с сажей и реквестом 9 предыдущих, лол.
То есть бездуховный вайп, кармы не приносящий. Ты с правильными картинками повайпай, а я свой пак пополню.

Пнд 16 Дек 2013 06:49:49
>>59043232
>>59043218
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
>>59042838
196
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Применение маятника в качестве переносчика электронов
позволит транзистору работать в условиях повышенной радио
активности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений
механотранзистора станет спутниковая электроника.
С помощью НЭМС также можно бу
дет создать наноманипуляторы – устрой
ства, способные выполнять управляемый
механосинтез или просто перемещать от
дельные молекулы. Над созданием по
добного устройства сейчас работает ряд
крупнейших компаний и лабораторий.
Уже созданы проекты манипуляторов,
нопока еще ни один из них не воплотил
ся в реальность.
Многообразие вариантов и областей
применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим вооб
ражением. Одним из эффективных приложений МЭМСтехно
логии сегодня являются датчики, или сенсоры.
Сенсоры
Развиваясь, человечество все больше стремится понять и
освоить природные механизмы, тысячелетиями функциониру
ющие в биологических организмах, в том числе и человечес
ком. Иногда результатом таких попыток становится создание
электронной техники, имитирующей работу органов чувств че
ловека или животных.
В основе работы таких устройств лежат
с
с
е
е
н
н
с
с
о
о
р
р
ы
ы
, или датчи
ки технические элементы, чувствительные к внешним воздей
ствиям (от англ. “sense”– “чувствовать”).
Собственно говоря, сегодня подобные устройства вряд ли
могут когонибудь поразить: уже давно сенсоры встраиваются в
автомобили, музыкальные центры, холодильники и другие бы
товые приборы. Датчики широко используются в охранных
системах, системах контроля над глобальными катаклизмами
(например,
сейсмодатчики
, способные заблаговременно пре
дупредить людей о надвигающемся землетрясении по малей
шим колебаниям), системах противопожарной безопасности,
медицине.
Большой популярностью сегодня пользуются
ультразвуко*
вые сенсоры
. По принципу работы они напоминают маленький
Рис 117. Модель
наноманипулятора Дрекслера
локатор. Волны, исходящие от них, проникают в любой затаен
ный уголок помещения, и малейшее изменение геометрии ком
наты (например, появление нежданных гостей с мешком для
денег) приводит к срабатыванию сигнализации.
Похожий принцип действия и у
инфракрасных датчиков
,
срабатывающих в момент попадания движущегося объекта, из
лучающего тепло (например, человека или собаки), в зону
чувствительности датчика.
Пьезоэлектрический сенсор
предназначен для обнаружения
механических воздействий на отдельные предметы и использу
ется при охране сейфов, музейных экспонатов и т.д. Такой сен
сор представляет собой МЭМСустройство, способное обнару
жить смещение вплоть до 1 микрона. В основе работы сенсора
лежит пьезоэлектрический эффект, суть которого подробно из
лагалась в первой главе при описании пьезомеханического ма
нипулятора, обеспечивающего перемещение зонда сканирую
щего микроскопа.
Весьма популярны также
газовые сенсоры
, суть работы кото
рых заключается в анализе воздуха, попадающего в сенсор че
рез полупроницаемую мембрану. Молекулы газа вступают в ре
акцию с электролитом у измерительного электрода. В результа
те реакции генерируется электрический ток, по измерению ко
торого можно судить о наличии тех или иных веществ в атмос
фере. Такие устройства позволяют определять утечку газов и
проверять состояние атмосферы на предмет наличия токсич
ных веществ, взрывоопасного водорода и т.п.
Наносенсоры
– это чувствительные элементы, действие ко
торых основано на наномасштабных эффектах. Сегодня нано
сенсоры находят широкое применение в контроле над состоя
нием сложных систем, бытовой технике и в биомедицине.
Рассмотрим, как с помощью НЭМСсистем построить на
норецептор, который смог бы отделять молекулы только одно
го типа. И как сделать перепрограммируемый рецептор, кото
рый отбирал бы только те молекулы, описание которых в дан
ный момент передает центральный компьютер.
Можно ли гарантировать чистоту отбора? На все эти вопро
сы можно ответить с помощью математического моделирова
ния нанорецепторов и наноструктур. Классический наноре
цептор, названный Молекулярным Сортирующим Ротором
(далее МСР), предложен Эриком Дрекслером.
197
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
198
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигури
рованные под определенные молекулы. Находясь в окружении
молекул, “гнезда” селективно захватывают только заданные
молекулы и удерживают их до тех пор, пока молекула не ока
жется внутри устройства. От “гнезда” ее отсоединяет стержень,
расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спро
ектированы из 10
5
атомов и иметь размеры порядка (7х14х14
нм) при массе 2х10
21
кг. Они смогут сортировать молекулы, сос
тоящие из 20 и менее атомов, со скоростью 10
6
молекул/сек при
энергозатратах в 10
22
Дж на 1 молекулу. МСР позволяет созда
вать давление в 30 000 атмосфер, потребляя 10
19
Дж.
Рис 118 Молекулярный сортирующий ротор
Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть исполь
зованы как для нагнетания, так и для выгрузки молекул газов,
воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 “гнезд” для присоеди
нения молекул, расположенных по длине окружности ротора.
МСР позволят нагнетать в резервуары химически чистые веще
ства, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы.
Присоединительные “гнезда” роторов имеют специфичес
кую структуру и будут производиться путем конструирования
их атомзаатомом по примеру строения активных центров не
которых ферментов. Так, фермент гексокиназа имеет присое
динительные “гнезда” для глюкозы.

Пнд 16 Дек 2013 06:50:35
>>59043232
>>59043218
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
Ральф Меркле, исследователь из компании
Xerox и коллега Эрика Дрекслера, предполагает,
что для большинства “присоединительных
гнезд” для молекул, вытянутых в длину и имею
щих линейную структуру, можно использовать
нанотрубки. Ральф рассчитал, какого диаметра
должны быть нанотрубки для различных моле
кул. Выглядеть такой рецептор может так, как
показано на рисунке 119.
А Роберт Фрайтас предлагает ряд “механических” рецепто
ров для сортировки молекул. Они имеют разное исполнение,
но смысл один и тот же: рецептор, по сигналу с компьютера,
автоматически принимает форму искомой молекулы.
Рис 119. Нанотрубка
в качестве „гнезда”
Рис 120 Сортирующие рецепторы Фрайтаса
Интеграция в одном устройстве МЭМС, электроники и
чувствительных наноэлементов породило огромное многооб
разие интереснейших научных проектов, многие из которых
уже воплощаются в жизнь, а часть пока что находится в стадии
разработки. Рассмотрим некоторые из них.
Проект “Умная пыль”
В романе известного фантаста Станислава Лема «Непобе
димый» грозным оружием будущего были не громоздкие кос
мические крейсеры или танки, а микроскопические частички
кремния. По отдельности эти песчинки представляли собой бе
зобидный кварцевый песок, но, объединяясь в пылевые тучи,
превращались в мощное оружие.
Благодаря развитию МЭМС предсказания фантаста стано
вятся реальностью. В 1998 году американские ученые из воен
ного агентства DARPA выдвинули концепцию “умной пыли”
(smart dust). Суть ее заключается в том, чтобы разбрасывать с
самолетов над зоной боевых действий тысячи крошечных сен
сороврадиопередатчиков, которые незаметно для противника
станут отслеживать все его перемещения и действия. Предпола
галось также, что простые по отдельности сенсоры будут само
организовываться в сложную, наделенную искусственным ин
теллектом сеть, которая сможет производить фильтрацию и
первичную обработку собранных данных, дабы переправлять
командованию лишь существенную информацию.
Одной из самых плодотворных разработок в этом направле
нии стал совместный проект Калифорнийского университета в
Беркли и корпорации Intel, в рамках которого созданы умные
сенсоры Motes (в переводе с англ. – “пылинки”). Что же предс
тавляют собой эти “пылинки”? Это миниатюрные чувствитель
ные приборы размером с таблетку аспирина, способные авто
номно работать в любых условиях и с помощью радиоволн объ
единяться в локальные сети для передачи собранной информа
ции центральному компьютеру.
Исследователи изготовили несколько сотен эксперимен
тальных “умных пылинок”. Все “пылинки” снабжены сенсора
ми и радиопередатчиками, передающими сигнал по цепочке от
одного робота к другому. Поскольку объем памяти “пылинки”
составляет лишь несколько килобайт, то для их совместной ра
боты разработали специфическую “крошечную” операцион
ную систему TinyOS, оперирующую файлами размером поряд
ка 200 байт, и соответствующую систему баз данных TinyDB,
проводящую внутрисетевую обработку данных. Стоит отме
тить, что при этом они отличаются достаточно долгим сроком
службы – их батареек хватает на несколько лет! Секрет такой
долговременной работы “пылинок” заключается в том, что они
включаются лишь на короткое время: делают замеры, передают
сигнал – и снова “засыпают”.
Что же касается принципов самоорганизации сети, то в ее
основу положена логическая система простых “локальных пра
вил”. Когда на местности развернуты тысячи сенсоров и шлю
зовмаршрутизаторов, то простое правило для каждого сенсора
гласит: “Установить связь с ближайшим шлюзом”. Следова
тельно, все сенсоры автоматически группируются вокруг бли
жайших шлюзов.
Первые испытания “умной пыли” проводились в марте
2001 года на военной базе в Калифорнии. Тогда с самолета бы
ло сброшено шесть “умных пылинок”. Попадав на землю, они
200
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
тут же объединились в беспроводную сеть и приступили к изме
рению напряженности магнитного поля вокруг себя. А после
того как мимо проехала машина, принялись рассчитывать ее
скорость и определять направление движения, сообщая эти
данные переносному компьютеру, находящемуся в ближайшем
лагере.
Области применения “умной пыли”:
Благодаря таким качествам, как беспроводность, автоном
ность, миниатюрность, множественность, надежность и отно
сительно низкая стоимость, “умная пыль” уже стремительно
находит применение в повседневной человеческой жизни. По
мимо военных и полицейских приложений, самоорганизующи
еся сенсорные сети могут использоваться и в мирных целях —
от наблюдения за окружающей средой до присмотра за пожи
лыми людьми. Приведем лишь несколько примеров использо
вания “умной пыли”, давшего высокие положительные резуль
таты.
Каждое лето остров Дикой Утки в двенадцати милях от бе
регов штата Мэн подвергается массовому нашествию морских
птиц, собирающихся здесь для выведения потомства. Чтобы
выяснить, сколько птенцов они высиживают и какие условия
для этого требуются, орнитологу Джону Андерсону приходи
лось каждый сезон обследовать тысячи норок, выбиваясь из
сил и нарушая покой птиц. После того как два года назад Ан
дерсон и его группа разбросали по острову сеть “умных пыли
нок” и подключили питающуюся от солнечной батареи базо
вую станцию к Интернету, их жизнь и работа коренным обра
зом изменились. “Вы можете находиться в любой точке мира, –
восхищается Андерсон, – и знать, что в данный момент проис
ходит в любой из норок, куда мы подбросили наши маленькие
и незаметные сенсоры”.
В прошлом году биолог университета Калифорнии в Берк
ли Тодд Доусон развернул в местном ботаническом саду сеть из
80 миниатюрных приборов производства корпорации Intel и
получил первую в мире трехмерную картину изменений мик
роклимата в вечнозеленом лесу. Аналогичный, но более масш
табный проект по исследованию экосистем осуществляет сей
час с помощью тех же малышек лосанджелесский университет
Калифорнии в лесном заповеднике около города Palm Springs.

Пнд 16 Дек 2013 06:51:19
>>59043232
>>59043218
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
202
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Другие исследователи испытывают «motes» в качестве сред
ства для моделирования последствий землетрясений, монито
ринга движения транспорта в военных зонах, использования во
ды в сельскохозяйственных угодьях, получения информации о
состоянии зданий, дорог, загрязнении водоемов – этот перечень
можно продолжать до бесконечности. В частности, это будет
очень важно для тех «motes», которые будут использоваться в го
родах для обнаружения признаков нападения биотеррористов.
Одним из обоснованных опасений являются сомнения по
поводу правомочности данной технологии. Помимо позитив
ных применений, “умная пыль” может играть роль и незамет
ного подслушивающего устройства (особенно если учесть сов
ременные темпы минитюаризации электроники), что дает ее
обладателям большие возможности для вторжения в личную
жизнь граждан. А по мере ее распространения вероятность зло
употреблений полученной информацией может только расти.
Но поскольку остановить научнотехнический прогресс еще не
удавалось, это, повидимому, должно привести к совершен
ствованию законов с учетом появившихся новых технических
возможностей покушения на неприкосновенность личности.
Проект “Электронный нос”
Представьте, что вы после продолжительной вечерней про
гулки заходите в дом, где печется яблочный пирог. С первой же
секунды ваш нос, почуяв и распознав аппетитный аромат, сооб
щит об этом вашему мозгу.
Как это происходит? Дело в том, что практически любое
химическое вещество издает специфический запах. Попадая в
нос, молекулы этого вещества, присутствующие в воздухе в не
больших концентрациях, раздражают соответствующие рецеп
торы, передающие в мозг информацию о наличии в воздухе оп
ределенных веществ посредством нейронной сети.
Известно, что чувствительность носа у людей сильно раз
личается. Профессиональные дегустаторы парфюмерии обла
дают уникальным “нюхательным” даром и превосходят в этом
обладателей обычных носов. Специально натренированные со
бакиищейки способны “вынюхивать” определенные виды
наркотических или взрывоопасных веществ. Но ни одна собака
не в состоянии уловить запах человека в помещении, где силь
но пахнет бензином, ацетоном, краской, или когда следы при
сыпаны пахучим веществом (например, табаком); на остроту
обоняния самого первоклассного дегустатора сильно влияют
такие факторы, как усталость, различные инфекции, токсичес
кие вещества, общее физическое состояние, субъективность в
оценках восприятия и т.д.
С целью избавления от этих и других неудобств в настоящее
время разрабатываются различные варианты так называемого
“электронного носа”.
Такое устройство представляет собой программируемый
набор датчиков, каждый из которых “нюхает” отдельный ком
понент запаха вещества или продукта. Чем больше датчиков ус
тановлено, тем точнее результат. Наносенсоры для электронно
го носа подбираются по их химическому сродству, и обычно для
этой цели используются полимерные проводящие плёнки.
В отличие от обычных газовых сенсоров, разрабатываемых
специально для каждого отдельного вещества, электронный
нос достаточно универсален, а с помощью наносенсоров спосо
бен уловить и детектировать настолько малые концентрации
веществ, что с ним не сравнится ни одна ищейка.
Строение электронного носа
Как правило, электронный нос состоит из трех функцио
нальных узлов:
системы пробоотбора;
матрицы сенсоров с заданными свойствами;
блока процессорной обработки сигналов, поступающих
от сенсоров.
Исследуемая проба закачивается воздушным насосом в кю
ветное отделение, где установлена линейка или матрица сенсо
ров. Там порция газовой смеси разделяется на отдельные фрак
ции, которые прогоняются через систему специальных рецеп
торов и, в зависимости от состава и количества, изменяют их
характеристики. В одном из вариантов электронного носа при
соединение специфической молекулы к поверхности сенсора,
представляющего собой тончайшую иглукантилевер толщи
203
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Э
Э
л
л
е
е
к
к
т
т
р
р
о
о
н
н
н
н
ы
ы
й
й
н
н
о
о
с
с
– это мультисенсорная система для
скоростного анализа состояния воздуха, имитирующая работу
человеческого органа обоняния.



ной в 100 нм и длиной 50 микрон, вызывает изменение резона
нсной частоты за счет изменения его массы. Измеряя новую
частоту колебаний кантилевера, можно определить присут
ствие специфических групп молекул.
Величины показаний каждого детектора передаются на
процессорный модуль. Специальная программа анализирует
полученные данные и выдает результаты в виде своеобразных
“клякс” хроматограмм (на самом деле это графики интенсив
ностей запахов в центральных координатах).
204
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 121. Визуальные образы программы VaporPrint™ для
болезнетворных микроорганизмов, взрывчатых веществ,
наркотиков и горючих жидкостей
После дегустации в систему подаются пары промывочного
газа (например, спирта), чтобы удалить пахучее вещество с по
верхности датчиков и подготовить прибор к проведению ново
го измерительного цикла.
Период времени, в течение которого сенсоры электронно
го носа анализируют закаченную пробу воздуха, называется
временем отклика
. Современные образцы отличаются достаточ
но высоким быстродействием. Время отклика у некоторых из
них составляет порядка 10 секунд.
Период подачи в ячейку промывочного газа получил наз
вание
времени восстановления
(латентного периода). Время вос
становления, как правило, колеблется в пределах минуты.
Следует отметить, что проблема идентификации запахов

Пнд 16 Дек 2013 06:51:58
>>59043232
>>59043218
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
пах представляет собой сложный комплекс химических соеди
нений), поэтому для распознания образов запаха система
“электронный нос” использует элементы искусственного ин
теллекта. В частности, наиболее перспективным считаются так
называемые искусственные нейронные сети (ИНС).
Нейронные сети представляют собой компьютерную ими
тацию взаимодействующих нейронов мозга человека и состоят
из ряда соединенных между собой простых обрабатывающих
информацию единиц – нейронов. Слои нейронов, получаю
щих внешнюю информацию, называются
входными
, выводя
щих конечный результат –
выходными
, промежуточные слои –
внутренними,
или скрытыми. При этом у каждого нейрона име
ются несколько входов и только один выход. Главным плюсом
нейронных сетей является их
обучаемость
, то есть возможность
целенаправленной минимизации ошибок выходных сигналов.
Области применения электронного носа
До недавнего времени главными препятствиями на пути
использования электронного носа были его малая эффектив
ность и высокая цена. Ранние сенсорные матрицы имели не
достаточную чувствительность, были не специфическими, мед
лительными, часто нестабильными в течение длительного вре
мени и дорогими.
На сегодняшний день достаточно большое количество
“электронных носов” являются коммерчески доступными при
борами. Современный электронный нос срабатывает за 10 се
кунд, обладает высокой степенью специфичности и чувстви
тельности, стабильно работает в течение длительного времени
и использует сравнительно недорогую технологию твердотель
ного датчикасенсора. Сейчас стоимость такого прибора сос
тавляет от $20 тыс. до $100 тыс., но по мере совершенствования
технологии изготовления самих сенсоров прогнозируется су
щественное снижение их стоимости.
Тем не менее, уже сегодня “электронные носы” уже оказы
вают помощь в решении многих проблем.
К
К
р
р
и
и
м
м
и
и
н
н
а
а
л
л
и
и
с
с
т
т
и
и
к
к
а
а
и
и
н
н
а
а
ц
ц
и
и
о
о
н
н
а
а
л
л
ь
ь
н
н
а
а
я
я
б
б
е
е
з
з
о
о
п
п
а
а
с
с
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
.
“Элект
ронный нос” может обеспечить новые возможности в борьбе с
контрабандным ввозом и распространением наркотиков, пре
дупредить террористические диверсии. Вынюхивая метан,
можно быстро обнаружить и устранить утечки в газопроводах.
П
П
р
р
о
о
м
м
ы
ы
ш
ш
л
л
е
е
н
н
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
Есть сведения, что в районе многих мес
торождений угля и нефти наблюдается повышенная микрокон
центрация этого природного газа. Стало быть, “электронный
нос” способен отыскивать залежи этих ископаемых.
П
П
и
и
щ
щ
е
е
в
в
а
а
я
я
п
п
р
р
о
о
м
м
ы
ы
ш
ш
л
л
е
е
н
н
н
н
о
о
с
с
т
т
ь
ь
“Электронный нос” может
быть использован для оценки свежести продуктов, контроля
качества, мониторинга случайных или преднамеренных загряз
нений или несоответствий торговой марке. Например, с по
мощью этого прибора удалось установить, что почти половина
образцов кофе “Нескафе”, продаваемого в наших магазинах,
очень далека от эталона. То же самое и с коньяками.
Электронный нос необходим при разработке и производ
стве кормов для животных, ведь в этом случае сами потребите
ли продукта не могут прокомментировать его запах.
Портативный интегральный прибор может помочь турис
там отличить съедобные природные объекты от несъедобных.
М
М
е
е
д
д
и
и
ц
ц
и
и
н
н
а
а
Индивидуальный запах выделений человека уже
давно используется в классической медицине как важный диаг
ностический признак. В XXI веке нос врача заменит “электрон
ный нос”. Ученые Пенсильванского университета создали
“электронный нос”, который выявляет инфекционные болезни
по дыханию обследуемого человека. Дело в том, что все бакте
рии, независимо от своей природы, в процессе жизнедеятель
ности выделяют различные газы. В случае поражения инфекци
ей дыхательных путей эти газы обязательно присутствуют в вы
дохе. “Электронный нос” подносится ко рту больного, получа
ет его выдох и сравнивает химический состав с базой данных
типичных примеров химического состава выдоха заведомо
больных людей, на основании чего ставится соответствующий
диагноз.
Образец прибора, разработанный в Иллинойском институ
те технологий способен обнаружить в воздухе возбудителей ту
беркулеза и других инфекционных заболеваний. По запаху ста
нет возможным диагностировать пневмонии, онкологические
заболевания и даже атипичную пневмонию (SARS). При череп
номозговых травмах на самых ранних этапах можно будет рас
206
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
познать запах вытекающей спинномозговой жидкости, что поз
волит предотвратить многие смертельные исходы травматичес
ких поражений центральной нервной системы.
Следует отметить, что диагностика заболеваний дыхатель
ных путей является в медицинской практике очень сложным
процессом. Отличить, скажем, пневмонию от обычной респи
раторной инфекции типа ОРЗ удается далеко не сразу. Приме
нение “электронного носа” позволяет ускорить проведение
анализа, снизить стоимость и повысить точность результатов.
Ученые считают, что “электронный нос” будет таким же вер
ным спутником врача, как и аппарат для измерения артериаль
ного давления.
Р
Р
а
а
з
з
в
в
л
л
е
е
ч
ч
е
е
н
н
и
и
я
я
Уже сегодня создан небольшой прибор, позво
ляющий синтезировать запахи, смешивая ароматические веще
ства в определенных компьютером пропорциях. Объединив его
с “электронным носом” можно будет «отсканировать запах», а
потом передать его через Интернет и воспроизвести! Компью
терные игры наполнятся ароматами, а продавцы пиццы и пар
фюмерии смогут размещать запахи продукции на своих сайтах.
Впрочем, с парфюмерией все обстоит не совсем гладко – ведь
если каждая девушка сможет скачать из Интернета понравив
шийся запах, то не надо будет покупать духи. Более того – мож
но будет отсканировать электронным носом запах духов в ма
газине или даже на дискотеке – и спокойно синтезировать их
дома! Не говоря уже о том, что на рынке можно будет купить
коллекции тысяч ароматов, записанные на CD. Видимо, пар
фюмерная отрасль начнет борьбу с «ароматическим пират
ством», как производители музыки и программ.
Многим знакома электронная роботсобака Aibo. Так вот
если оснастить ее “электронным носом” она сможет узнавать
хозяина по запаху и различать предметы как настоящая!
Проект “Электронный язык”
Для анализа многокомпонентных жидкостей ученые из
СанктПетербургского университета Юрий Власов и Андрей
Легин совместно с итальянскими коллегами из Римского уни
верситета “Тор Вергата” изготовили систему химических сен
соров типа “электронный язык”. Этот прибор распознает жи

Пнд 16 Дек 2013 06:52:39
>>59043232
>>59043218
>>59043130
>>59043098
>>59043018
>>59042910
>>59042875
>>59042845
ости сложного состава по вкусу, то есть выполняет работу
электронного дегустатора.
В основе этой системы – массив сенсоров, методы распоз
навания образов и многомерной калибровки для обработки
данных. Издавна принято различать четыре основных вкуса:
кислый, сладкий, соленый и горький. В целом же считается,
что вкусовые ощущения связаны с характерными сигналами
”отпечатками”, порождаемыми разными сочетаниями импуль
сов от вкусовых рецепторов языка. На этих же принципах стро
ится и работа электронного языка. Он состоит из четырех раз
ных химических сенсоров, каждый из которых поразному реа
гирует (изменением электрического сопротивления) на тот или
иной вкус. Комбинация сигналов сенсоров составляет элект
ронный “отпечаток” вкуса. Для удобства классификации “от
печатков” разработчики сводят реакции всех сенсоров к место
положению одной точки на графике. Присутствие сладкой
компоненты смещает точку к верхней левой вершине диаграм
мы, кислой компоненты к верхней правой вершине, горькой
или соленой вниз графика. Вкус кофе при такой классифика
ции, к примеру, попадает в нижнюю часть диаграммы, ближе к
середине по горизонтали, а такие, казалось бы, похожие для че
ловеческого языка вкусы дистиллированной и слабо минерали
зованной воды оказываются на графике легко различимыми.
Как и “электронный нос”, данная система основана на хро
матографии, когда состав смеси определяется путем разделения
присутствующих в ней компонентов. В “электронном языке”
это достигается за счет применения специального микрочипа с
миллионами мельчайших каналов, предназначенных для отбо
ра молекул строго определенного размера. Сигнал от микрочи
па обрабатывается компьютером и выдается в удобной для
пользователя форме.
Возможности распознавания вкуса с помощью “электрон
ного языка” ученые показали на примере минеральной воды,
соков, кофе и растительного масла: электронный дегустатор ус
пешно различил около 30 видов грузинских и итальянских ми
неральных вод, более 30 различных соков, 15 типов кофе,
представляющих смеси разных близких по вкусу сортов. Разу
меется, “электронный язык” легко отличил настоящую, при
208
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
родную минеральную воду от ее искусственной подделки, хотя
по основному химическому составу они были практически
идентичны. Удалось решить и более сложную задачу – распоз
нать три разных сорта растительного масла. На очереди твердые
пищевые продукты – фрукты, мясо, рыба.
Помимо чисто дегустаторских “способностей” электрон
ного языка, его также можно использовать и для анализа рабо
чих жидкостей на предмет наличия примесей. Кроме того, ста
нет возможным быстрый и точный мониторинг окружающей
среды, ведь для определения уровня загрязнения воды доста
точно «лизнуть» воду в реке или озере.
Проект “Видеоочки”
Новая МЭМСтехнология позволила компании Microvision
сделать систему проекции изображения прямо на сетчатку гла
за. Этим создается иллюзия полноразмерного изображения.
Теперь не только пилоты сверхзвуковых самолетов могут
использовать шлем с трехмерным изображением. Он перешел
на службу к автомеханикам и инженерам. Простой автомеха
ник, надев такой шлем, превращается в информационного гуру.
На сетчатку глаза передается рисунок, показывающий точные
чертежи выбранного автомобильного узла, его комплектация,
необходимые расчеты. С помощью беспроводной системы
пользователь связан с Интернетом – если чего нет в стандарт
ной базе данных, он может поискать там. Также с помощью
встроенной системы расчетов автомеханик может рассчитать
любой узел автомобиля (или другого механизма).
209
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Рис 122. Видеоочкиэкспертная система NOMAD от Microvision
* Перепечатано с www.mvis.com/nomad
Вскоре такими шлемами обзаведутся не только автолюби
тели. Фактически передаваемая на сетчатку глаза картинка мо
210
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
жет быть любой. Новинка очень пригодится инженерам, хими
кам, биологам и, конечно, любителям компьютерных игр.
Наноэлектроника
Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на
пути развития электроники. Прежде всего это касается роста
степени интеграции и быстродействия ИС. Планарная техно
логия приближается к фундаментальным пределам, определяе
мым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно
осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще
чутьчуть”, и будет технология в 50 нм, но... в силу вступают
квантовые законы и эффекты. Например, пробел между прово
дящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простре
ливаться” в поперечном направлении электронами за счет тун
нельного эффекта.
Другие проблемы – отвод тепла, выделяемого элементами
ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а
также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу
или превышающий его.
В связи с этим рассматриваются различные пути преодоле
ния трудностей, связанных с нанометровыми масштабами.
Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка
миниатюрных интегральных устройств, в которых роль элект
ронов частично или полностью передана фотонам. Это должно
привести к созданию вычислительной техники, превосходящей
по быстродействию и информационной емкости современные
электронные устройства. Для реализации приборов с кванто
вой связью или устройств оптической обработки информации
могут быть использованы квантовые плоскости на основе мно
жества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) по
лупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны поро
дило новое направление в электронике –
нанофотонику.
Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит
создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благода
ря интеграции традиционных составных частей компьютера на
одном магнитнополупроводниковом оптическом чипе мы по
лучим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и
другие устройства обработки, передачи и хранения данных.
Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ о

Пнд 16 Дек 2013 07:00:27
>>59043327
Закругляюсь дебик, пора спатки.

Можешь побампать этот тред и позеленить от имени пизды.

Пнд 16 Дек 2013 07:03:34
>>59043385
споки споки. бамп.

Пнд 16 Дек 2013 08:08:01
Ну и ну. Тред еще жив. Я успела уже поспать, выспаться и проснуться.

Пнд 16 Дек 2013 08:14:13
>>59039693
>я тян
Пошла на хуй, вниманиеблядь.
мимсагал


← К списку тредов