Лаборатория исследования наноструктур (ЛИН)

Концепция развития работ по нанотехнологиям

Существует ли наномир? То есть вопрос стоит так: имеется ли семейство наноразмерных объектов, индивидуальных по свойствам, независимых от других объектов в природе. Еще в 1998 году академик В.Я. Шевченко высказал предположение о существовании такого мира. Главная цель исследователей наносостояния показать, что наблюдаемые экспериментальные факты (достаточно парадоксальные) приводят к установлению новых концепций и идей, доказывающих существование наномира. Это вопрос принципиальный.

Проблема наносостояния не новая для химии и материаловедения. Наверное, R. Zsigmondy в 1925 году и Т. Svedberg в 1926 году были первыми, кто получил нобелевские премии за важные наблюдения в химии дисперсных (нано) систем. До нынешних дней более десяти химиков получили премии за исследование тех или иных аспектов наносостояния. Химики внесли бóльший вклад в исследуемую проблему, чем физики. Следует к химикам-неорганикам и химикам-органикам подключить также и химиков-биологов. За 70-80 лет химики синтезировали несколько сот различных нанообъектов — частиц, материалов, структур. Это кентавры, коацерваты, тактоиды, фазоиды, аллофены, гигантские кластеры, фуллерены, фуллероиды, нанотрубки и т.п. Важно, что все это многообразие форм и составов существует в узком интервале размеров (наноразмеров) либо состоит из наноэлементов структуры.

Для неорганической химии переход в масштаб наноразмеров позволил обнаружить многие новые структурные типы, строение которых не соответствует незыблемым в макромире законам классической (обобщенной) кристаллографии.

Наночастицы демонстрируют самые разнообразные структурные элементы - одномерные, двумерные, трехмерные, фрактальные и всевозможные их комбинации. Что же предопределяет такое многообразие структур в наномире? Ответ на этот вопрос кроется в квантовом характере наносостояния и особых статистических законах, доминирующих в наномире. Наносистемы далеки от равновесия также из-за наличия развитой поверхности. Положения атомов вблизи поверхности отличны геометрически и физически от положений в объеме кристалла. Состав приповерхностного слоя не соответствует стехиометрическому составу химического соединения. Глубина модуляции структуры может простираться на несколько моноатомных слоев. Такие эффекты позволяют говорить о существовании неавтономных поверхностных фаз и о псевдоморфном сопряжении их с внутренней частью частицы.

Ограничение требований регулярности трансляционной симметрии приводит к появлению икосаэдрических форм упаковки с пентагональной симметрией для неорганических частиц. Реализуются также наночастицы - кентавры с когерентными границами раздела между структурными фрагментами различной симметрии. Для того, чтобы представить, как это происходит, используют художественные образы, обращаясь к фантастическому (а теперь реальному) миру метаморфоз, развитых выдающимся голландским художником Морисом Эшером, в рисунках которого показано постепенное изменение симметрии при трансляции (метаморфозе).

Наблюдаемое многообразие частиц и структурная неоднородность наносостояния означают, что законы строения наночастиц иные и не соответствуют используемым в классической кристаллографии. В области теории строения наносостояния развит локальный подход в рамках алгебраической геометрии и аппарата расслоенных пространств, определяемый уникальной полупростой алгеброй, которой соответствует восьмимерная решетка корней.

Дуализм состояний наночастиц определяет случайный характер их образования, что означает временную зависимость параметров системы частиц. Для теоретического анализа наносостояния необходимо преодолеть и другие трудности концептуального характера. Главное, что они известны.

В 1959 году нобелевский лауреат Р. Фейнман сказал, что полно игрушек на полу в комнате, объясняя тем самым, что в области малых размеров много интересного. Многие считают это началом наноэпохи. Это все же не так так как Р. Фейнман имел в виду чисто количественные аспекты.

В 1977 году другой нобелевский лауреат Илья Пригожин указал на невозможность простого перехода от процессов на макроскопическом уровне к обратимым процессам на микроскопическом уровне и определил круг проблем, связанных с решением этой задачи. Можно сказать, что И.Пригожин указал, где дверь в "комнату".

Выдающиеся открытия зарубежных и отечественных химиков в области синтеза и исследования строения наночастиц открывают новую страницу в исследовании этой проблемы.

Методы микроскопии высокого разрешения и методы изучения фемтосекундных физических и химических процессов позволяют также экспериментально изучать наносостояние с открытыми глазами и определить многие свойства, необходимые для следующего шага – перехода к нанотехнологиям.

Так что можно утверждать – теперь дверь в комнату Р. Фейнмана открыта.

Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с характерными размерами (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами (1 нм = 10^-9 = 10 Å). Реально диапазон рассматриваемых объектов и явлений гораздо шире — от отдельных атомов и их ассоциаций (наночастиц) до частиц, содержащих более 10⁹ атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физико - химических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие — время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нс (10^-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины до фемтосекунд в ряде наноструктур.

Наивно было бы думать, что до наступления эры нанотехнологии человек не сталкивался и не использовал объекты и процессы на наноуровне. Так, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотографических изображений, катализ в химическом производстве, бродильные процессы при изготовлении вина, сыра, хлеба и другие происходят на наноуровне. Однако «интуитивная нанотехнология», первоначально развившаяся стихийно, без должного понимания природы используемых объектов и процессов, не может быть надежной основой в будущем. Поэтому первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Возможно, нанотехнологии смогут заменить некоторую часть морально устаревших и неэффективных технологий, но все-таки, ее главное место — в новых областях, в которых традиционными методами в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов.

Проблема нанотехнологий заключается в развитии фундаментальных и прикладных частей исследований.

Фундаментальные аспекты исследования наносостояния.

Президент Международного союза кристаллографов Ю. Охаши, выступая в журнале IUCr Newsletter отметил, что последние десять лет свежий ветер пронесся в кристаллографии, особенно в структурной биологии и нанонауке. Это, немного запоздалое признание, подвело итог многолетним усилиям выдающихся концептуалистов науки о строении вещества Дж. Бернала, А. Маккея и И. Пригожина обратить внимание на необычный и не во всем соответствующий классическим канонам мир нанообъектов. Можно утверждать, что мы переживаем концептуальную революцию в области строения вещества, вызванную, в свою очередь, инструментальной революцией, связанной с развитием метода микроскопии высокого разрешения и методов спектральных исследований фемтосекундных физических и химических процессов. Возможность прямого исследования нанометрических объектов позволила открыть новый уровень организации материи, находящийся между макроскопическим и микроскопическим уровнями.

Наночастицы, в частности, биологические, органические, металлоорганические и другие, представляют из себя в большинстве случаев некие индивидуальные образования. Даже неорганические наночастицы не являются "вырезанными" из большой решетки вещества и также, в большинстве случаев, обладают специфическим строением, не соответствующим классическому описанию. Здесь уместно проиллюстрировать данное положение несколькими примерами, такими как семейство углеродных наночастиц – фуллерены икосаэдрические графит и алмаз , трубки, конусы и т.п. Необычное строение имеют металлические кластеры, кластеры кластеров, кеплераты, колеса, чешуйчатые структуры, спирали, геликоиды и т.п.

Важным этапом в познании принципиальных свойств наномира было открытие в 1999 г. когерентных границ в наночастицах (кентаврах), из которого следует, что «многофазные» наночастицы не имеют стандартных границ раздела. Впоследствии А.И. Русанов показал, что понятие фазового или агрегатного состояния неприменимо к наночастицам. На новый тип динамических состояний материи, названных "диссипативными структурами", указал И. Пригожин. Для химии и биологии диссипативные структуры представляют особый интерес. Их появление в системе свидетельствует о когерентных процессах, идущих на надмолекулярном уровне, отражением чего являются совершенно своеобразные их свойства

Таким образом, в громадном и пока еще слабо освоенном зазоре между макроуровнем, где действуют хорошо разработанные континуальные теории сплошных сред и инженерные методы расчета и конструирования, и атомарным, подчиненным законам квантовой механики, находится обширный уровень структуры материи - наномир. На этом уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, РНК, белков, ферментов, субклеточных структур, требующие более глубокого понимания. Вместе с тем именно здесь в наномире могут быть искусственно созданы неизвестные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества. При этом не потребуется больших затрат сырья и энергии, как и средств для их транспортировки, уменьшится количество отходов и загрязнение окружающей среды, труд станет более интеллектуальным и здоровым и т. п.

Связь ДНК с протеином, диалектическая связь между чертежом и изделием, была ключевым открытием XX века и означает, что кристаллография объединена теперь с информатикой, ростом и формами, общим морфогенезом, включающем статику и динамику структуры в пространстве. Информация явно входит в структуру материи. Некоторые структуры, состоящие из атомов, содержат информацию о других структурах из атомов. На рис. представлены простейшие шаги по переходу из пространства представлений в реальное пространство.

Действительное пространство	Пространство представлений
Все наблюдаемые характеристики объекта, связанные с происхождением и окружающей химической средой		Полная информация об элементах строения и производстве объекта
	Создание моделей (штампов) деталей объекта
Оценка общего и различного		Сборка
	Контроль соответствия общим принципам и законам

Иными словами, нанотехнология это новая стратегия в технологии: вместо обработки "сверху–вниз" сборка или самосборка «снизу-вверх» (т.е. безотходный молекулярный дизайн изделия из элементарных "кирпичиков" природы – наночастиц, наноструктур и т.п.

Химическими основаниями для новой технологии являются глубокие знания свойств каждого атома вещества из таблицы Менделеева и наличие сил притяжения между ними при расстояниях ~ 1 нм. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации с прочными связями (ковалентными, ионными, металлическими) или слабыми (ван-дер-ваальсовыми, водородными и др.). Атомные ассоциаты, содержащие небольшое количество атомов, называют молекулами или кластерами. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые свойства. Однако сильные изменения свойств наночастиц по сравнению с макрочастицами того же вещества наступают, как правило, задолго до проявления квантовых пределов (обычно при размерах ~ 100 нм). Для разных свойств (химических, физических и др.) этот критический размер может быть разным даже для одного и того же вещества, как и характер их изменений.

Миграция атомов вдоль поверхности частиц или структур происходит намного быстрее, чем в объеме (особенно при повышенных температурах). Наличие сил притяжения между ними приводит к самоорганизации и самосборке островковых, столбчатых и других структур на подложке, что часто используют для создания упорядоченных гетероструктур. При достаточно малых размерах и низких температурах могут возникнуть специфические квантовые размерные эффекты, которые могут быть использованы в электронике, оптике, вычислительной технике. Ярким проявлением подобного поведения являются так называемые квантовые точки, проволоки, кольца и т.п. Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере его иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.

Взаимодействие наночастиц, образующих большие системы и структуры – кристаллы, квазикристаллы, спирали, колеса, оболочечные частицы и т.п. – будет определяться самоорганизацией этих систем. Наиболее подробно эти вопросы проработаны Ю.Д. Третьяковым. Бакминстер Фуллер саркастически заметил, впрочем, что химики вынуждены признать существенными эти процессы, т.к. каждый раз, когда они пытаются выделить один элемент из комплекса или изолировать атомы или молекулы из соединения, отдельные части или их отдельные свойства не объясняют целого. Однако, работы И. Пригожина показывают глубокую, фундаментальную основу самоорганизации, правда, до сих пор описание этих процессов носит феноменологический характер.

Таким образом, главная дилемма самоорганизации наносистем состоит в определении ее причин: либо строение определяется достижением минимума свободной энергии, либо принципом максимального заполнения пространства правильными, неправильными, непериодическими и т.п. структурами.

Большая часть работ по выводу генетических алгоритмов образования неорганических материалов, основана на оптимизации строения частиц из заданного числа атомов, исходя из принципа минимизации его энергии, при фактическом игнорировании особенностей взаимодействия с окружением и геометрическими свойствами "вмещающего" пространства. Непоследовательность такого подхода достаточно очевидна, если обратить внимание на многообразие структур, в состав которых входят, например, элементарные координационные многогранники. Общий подход заключается в учете как геометрических свойств первообразующих "строительных" единиц в форме геометрических структурных комплексов, чьи локальные свойства могут быть записаны в виде кода, так и топологическими характеристиками вмещающего его пространства.

Хорошо известно высказывание А.Эйнштейна о том, что он не верит, что Природа играет в кости. Тем не менее, рассматриваемые построения, в рамках терминов принятых в теории игр, можно рассматривать (в определенном смысле), как игры с инвариантами , по крайней мере, для систем, в которых можно определить одновременно и точно координаты образующих ее элементов (атомов).

Инструментальная революция последних лет позволяет изучать наносостояние с открытыми глазами и определить многие свойства, необходимые для следующего шага – перехода к нанотехнологиям.

В отличие от концептуальных научных революций, которые всем известны и весьма редки в истории науки, инструментальные революции происходят на протяжении жизни одного поколения (10-20 лет). Именно они оказывают революционное влияние на многие области науки и техники. Для распознания атомно-молекулярной структуры наночастиц необходимо достичь селективности на атомном уровне с высокой чувствительностью и пространственным разрешением на нанометровом уровне в продольном и поперечном направлениях. Фактически должен быть задействован весь арсенал достижений инструментального обеспечения исследований.

В некоторых прогнозах считается, что нанотехнология позволит создавать практически любые изделия - от искусственных органов человека, до вычислительных машин сверхвысокой производительности. Особенно это касается вторжения в область биологии, биофизики и биотехнологии, при этом современная биотехнология рассматривается как первый этап становления и развития нанотехнологии. Фемтосекундные рентгеновские импульсы весьма перспективны для изучения некристаллизуемых биомолекулярных структур, отдельных биоорганических молекул. Эти импульсы можно использовать для визуализации биомолекул, для расшифровки последовательности (секвентирования) повторяющихся нуклеатидов в ДНК.

Таким образом, будущее наномира не только в том, что будет наноэлектроника, или нанохимия, или нанобиология. Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции неорганического, органического и биологического мира и создание невиданных ранее в природе новых веществ.

Медицина и здоровье.

Жизненные системы управляются молекулярным поведением в нанометрическом масштабе. Молекулярные строительные блоки жизни – протеины, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы – являются примерами материалов, обладающих уникальными свойствами в наноразмерном состоянии. Расширение наших возможностей в сфере определения индивидуального набора генов вызовет переворот в диагностике и терапии позволят создать новые лекарственные препараты, новые пути доставки лекарств. Появятся возможности охарактеризовать химические и механические свойства клеток, включая такие процессы как деление клеток и их передвижение. Достижение наноразмера делает возможным использование плохорастворимых веществ в качестве лекарств. Молекулярные сита позволят направленно фракционировать болезнетворные вирусы и быстро находить пути их разрушения. С помощью нанотехнологии возможно создание биоимплантантов, повышение надежности их к отторжению и сенсорных систем, обнаруживающие возникновение заболевание в организме.

Потенциальные области применения включают:

• быстрое, более эффективное проектирование генома, что вызовет революцию в диагностике и терапии, эффективное и менее дорогое здравоохранение при использовании дистанционных и вживляемых устройств,
• новые составы и маршруты доставки лекарств, что значительно расширит их терапевтический потенциал, программируя доставку новых типов лекарств к ранее недостижимым участкам организма,
• повышение надежности стойких к отторжению искусственных тканей и органов,
• создание устройств для улучшения зрения и слуха,
• сенсорные системы, обнаруживающие возникновение заболевания в организме, что в конечном итоге, сместит акценты здравоохранения от лечения к раннему обнаружению и профилактике.

Биотехнология и сельское хозяйство.

Нанобиология позволяет создать биоразрушаемые химикаты для питания растений и защиты от насекомых, сконструированные на молекулярном уровне, улучшить генофонд животных и растений, снабдить генами и лекарствами животных и растения. Наиболее перспективным считается создание основанных на наномассивах тестовых технологии для тестирования ДНК. Такие технологии позволят растениеводам узнать, какие гены активизируются в растении при засолении или засухе. Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве только начинает становиться существенным.

Улучшению качества жизни будет способствовать технология "поток через конденсатор" создана для опреснения морской воды с 10-кратной экономией энергии. Этот процесс реализуется при изготовлении электродов с сильно развитой поверхностью, токопроводящих за счет ориентированных углеродных нанотрубок.

Аэронавтика и исследование космического пространства:

Наноструктурные материалы и приборы – путь к длительным управляемым полетам в космос. Наноструктурирование позволит по новому проектировать легкие высокопрочные и термостойкие материалы для самолетов, ракет, космических станций и межпланетных зондов. Синтез наноструктурированных материалов в невесомости и в вакууме позволит создавать такие материалы, которые невозможны на Земле. Увеличение возможностей проектировать материалы методом атом за атомом позволяют создавать с заданными фи-зическими и электроными свойствами. Например, аморфный сплав Zr_41.2Ti_13.8Cu_12.5Ni_10.0Be_22.5 обладает твердостью, упругостью, прочностью и стойкостью в два раза большими, чем сталь. Этот аморфный сплав охлажден из жидкого состояния с низкой скоростью 1 К/с и остается аморфным телом. Можно ожидать:

• маломощные, радиационно защищенные, высокопроизводительные компьютеры,
• нанооборудование для микроспутников,
• авиационную электронику, появившуюся благодаря наноструктурированным сен-сорам и наноэлектронике,
• теплозащитные и износостойкие наноструктурные покрытия.

Окружающая среда и энергетика.

Каталитическое поведение частиц золота обнаруживается только после достижения диаметра менее 3-5 нм, потому что такие кристаллы имеют особенную (икосаэдрическую) форму. Цеолиты с размерами пор в трехмерном простанстве менее 1 нм служат для очистки нефти и нефтепродуктов, полимерные материалы с повышенной износостойкостью для замены в автомобильной промышленности, проблема керамического двигателя.

В США около 20% электроэнергии расходуется на освещение. Применение светодиодов для этих целей существенно сократит эту цифру. Полупроводники, используемые для изготовления светоизлучающих светодиодов работают следующим образом: электроны полупроводника захватываются в наноразмерные ячейки. Когда электроны из этих ячеек возбуждаются электрическим током, то они испускают свет определенного цвета, определяемого размером ячейки, числом ячеек и комбинацией атомов, использованных в конструкции ячеек. Долгосрочные исследовательские программы в химической индустрии, нацелены:

• на использование кристаллических материалов в качестве носителей катализаторов, что обеспечивает ее катализаторами с контролируемыми размерами пор в интервале порядка 1нм; их использование ныне является основой индустрии с оборотом более 30 млрд. дол. в год;
• открытие упорядоченных мезопористых материалов, вырабатываемых нефтяной промышленностью, с размерами пор в интервале 10-100 нм, широко используемых для удаления ультратонких загрязнений;
• некоторые химические промышленные предприятия развивают упрочненные полимерные наноматериалы, которые могут заместить металлические компоненты в автомобильной промышленности, широкое использование таких нанокомпозитов может привести к уменьшению потребления бензина на 1.5 млрд. литров за срок всего годового выпуска автомобилей и уменьщить соответствующее выделение углекислого газа боле чем на 5 млрд. кг ежегодно;
• замена сажи в шинах наночастицами неорганических глин и полимеров является новой технологией, что приводит к производству экологически чистых, износостойких шин. Потенциальными направлениями технологического прорыва является также: использование нанороботов и разведывательных систем для работы в окружающей среде и с ядерными отходами: использование нанофильтров для разделения изотопов в производстве ядерного топлива,наножидкостей для повышения эффективности охлаждения ядерных реакторов, нанопорошков для обеззараживания и компьютерного моделирования в наномасштабе для ядерной безопасности.

Государственная безопасность.

Главная задача здесь в информационном доминировании с помощью прогрессивной наноэлектроники, рассматриваемой с военной точки зрения:

• более изощренные системы виртуальной реальности, основанные на наноструктурной электронике, обеспечивающие более доступные и эффективные тренировки,
• возрастающее использование улучшенной автоматики и робототехники для компенсации сокращения личного состава армии, уменьшения риска в войсках и улучшение эксплуатационных качеств транспорта. Так, например, несколько тысяч фунтов может быть сброшено с беспилотного бомбардировщика, при этом полетная дальность и маневренность бомбардировщика могут быть значительно увеличены без необходимости учитывать ограничения пилота на ускорение, в результате повышается эффективность боевых действий,
• конструктивное улучшение систем, используемых для управления и контроля за нераспространением ядерного оружия,
• комбинированные нано- и микромеханические приборы контроля систем ядерной защиты,
• более легкое и безопасное оборудование для транспортных систем,измерение, контроль и нейтрализация загрязнителей,
• развитие судебных исследований, высококачественную печать и гравировку защищенных от подделки документов и валюты.

Материалы и промышленное производство.

Наноразмерные частицы и композиты – это фундаментальные изменения способов изготовления материалов и приборов, которые будут производится в будущем. Способность синтезировать «строительные блоки» строго контролируемого размера нанометрического масштаба и затем составлять их в структуры большего размера с уникальными свойствами вызовет революцию в индустрии производства материалов.

Исследователи смогут разрабатывать структуры, не наблюдавшиеся ранее в природе:

• разработка наноструктурированных металлов, керамик и полимеров строго определенных форм без механической обработки,
• улучшение печати вследствие применения наночастиц, обеспечивающих наилучшие свойства как красителей, так и пигментов,
• карбиды с вяжущими и гальваническими покрытиями и покрытия для режущих инструментов, электронные, химические и структурные приложения,
• новые стандарты измерения в наномасштабе,
• наноконструирование микросхем с высоким уровнем интегральности и функциональности.

Наноэлектроника и компьютерная технология:

Программа непрерывного улучшения в области миниатюризации, быстродействия и уменьшения мощности для устройств обработки информации – сенсоров приема сигналов, логических устройств обработки, запоминающих устройств, дисплеев и коммуникационного оборудования. Показательными являются достижения в области накопителей информации на магнитных носителях. Можно создать системы, которые под воздействием магнитного поля изменяют свое электрическое сопротивление. Этот эффект, называемый магниторезестивностью, используется для детектирования магнитных полей, таких как те, что представляют собой магнитные биты информации в компьютерных жестких дисках. За последние десять лет, когда был обнаружен гигансткий эффект магнитосопротивления, эта нанотехнология полностью вытеснила старые производства головок для компьютерных дисков. Новая считывающая головка расширила объем памяти с 1 до 20Гбит. ГМР ( гиганская магниторезестивность) – это энергонезависимая магнитная память (рис. 1-4 кр. кн.,стр. 280). Так как ГМР – эффект защищен от радиационных повреждений, эти блоки памяти будут иметь важное значение в космосе и в обороне. В головке на спиновом затворе, использующей ГМР, медный слой- прокладка имеет толщину 2нм, а ГМР – прокалывающий слой – 2.5 нм. Развитие наноэлектроники приведет к созданию наноструктурированных микропроцессоров, коммуникационного оборудования с более высокой передающей частотой, легких запоминающих устройств с емкостями порядка мультитерабитных, интегральных наносенсорных устройств минимального размера, веса и энергопотребления. Лазер с вертикальным резонансным селективным эмиттером используется для волоконной связи, оптических датчиков, кодирующих устройств, дальномеров. Дальнейшее развитие получат:

• наноструктурированные микропроцессоры, что продолжает тенденцию к понижению энергозатрат и стоимости в пересчете на вход и улучшает эффективность компьютеров в миллионы раз,
• коммуникационное оборудование с более высокой передающей частотой и более полной утилизацией оптического спектра для обеспечения по крайней мере десятикратного увеличения полосы пропускания с последующим использованием в бизнесе, образовании, индустрии развлечений и обороне,
• легкие запоминающие устройства с емкостями порядка мультитерабитных, в тысячи раз лучше современных,
• интегральные наносенсорные устройства минимального размера, веса, энергопотребления, способные собирать, обрабатывать и передавать огромное количество данных.

Методы исследования наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов.

Последние достижения в области нанотехнологий стали возможными в связи с появлением в руках исследователей набора аналитических методов расшифровки тонкой структуры наночастиц, локального химического анализа и компьтерных программ обеспечивающих пространственную трансляцию изображения наблюдаемых процессов.

Спектроскопические методы исследования.

Последние достижения в области сверхбыстрых физических и химических процессов привели к созданию фемтосекундных спектрометров. Основные задачи проводимых этими методами исследований – механизмы физико-химических процессов, протекающих в фемто (субпикосекундных) масштабах времени, когерентные внутримолекулярные процессы и реакции, фемтосекундная нанофотоника, фемтохимия единичных молекул. Сочетание фемтосекундной спектрохронографии и атомно-силовой микроскопии позволяет расшифровать структуру наночастиц и изменение структуры при агрегации (например, при золь-гель переходах).

Фемтосекундная спектроскопия позволяет исследовать фазовые превращения при неравномерном прогреве электронной, спиновой и фоновой подсистем поверхности нанокомпозитов.

Центру по исследованию наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов крайне необходим фемтосекундный спектрометр, созданный в Институте спектроскопии РАН.

В исследованиях наносостояния ( объемов и толщин наночастиц) большое значения приобретают методы комбинационного рассеяния: фурье –спектроскопия, рамановская спектроскопия, оже-спектроскопия. Большую помощь в исследованиях наносостояния могут оказать фурье-спектрометр BOMEM DAS 3/36, производства Канады, и оже-спектрометр ЭСО-3, производства НПО "Буревестник", СПб.

Методы месбауэровской, ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии, рентгеновской абсорбционной спектроскопии ( EXAFS) и малоугловой абсорбции ( XANES) могут быть также применены для исследования наносостояния. C их помощью могут быть решены вопросы локальной структуры атомов в аморфных и кристаллических средах, структура, размер и морфология наночастиц и нанопленок.

Приборная база в этом случае должна содержать электронные спектрометры Cary-100 фирмы Varian, инфракрасный Фурье-спектрометр Nexus фирмы Nicolet, эмиссионный спектрометр Iris Aavantage фирмы Thermo Jarrel Ash, дифрактометр фирмы Bruker импульсный радиоспектрометр MSL-3 фирмы Bruker, атомно-абсорбционный спектрофотометр ААС фирмы Carl Zeiss.

Электронная и атомносиловая микроскопия.

В последнее время исследования в области наносостояния подкреплены аналитическими методами электронной микроскопии высокого разрешения, позволяющие изучать наночастицы размеров 1-1-нм. Приборы данного уровня производят компании FEI ( Philips), США,Голландия,Чехия, Shimadzu и JEOL, обе Япония.Электронный микроскоп высокого разрешения HREM TECHNAI 20 с разрешением 1,4А стоит 4 млн. долларов.

Отечественные аналоги худшего разрешения производит фирма МТ- ДТМ, Москва,Зеленоград.

К этим методам может быть отнесены применяемые для исследований просвечивающая электронная микроскопия – темного поля, электронная диффракция, микродиффракция.

Cтруктура повекрхности на атомном уровне, доменная структура, поверхностные сверхструктуры и дефекты, атомные и молекулярные переходы, химический анализ тонких пленок, слоистых структур исследование дислокаций и планарные нарушения могут быть исследованы с помощью сканирующей туннельной микроскопии STM, сканирующей электронной микроскопии ближнего поля SNOM и магнитносиловая микроскопия MFN.

К наиболее интересным приборным центрам можно отнести нанотехнологическую установку ЛУЧ-2 производства Института нанотехнологий Международного фонда конверсии, которая работает в режиме сканирующего туннельного микроскопа и ориентирована на структурные исследования наночастиц. Стоимость 3 млн. долларов США.

Электронно – зондовый микроанализ.

Локальное распределение элементов в нанокомпозитах может быть определено с помощью рентгеновский сканирующих микроанализаторов. Химический состав и структурные особенности частиц на молекулярном и атомном уровне, фазовые переходы и пространственное распределение компонентов выполняются при сочетании электронной микроскопии и энергодисперсионных анализаторов. Ранее в стране единично изготовливались приборы МАР-1 и МАР-3 производства Красногорского оптико-механического завода. Ведущими центрами в мире в настоящее время являются Франция ( Comeka) и Япония ( Shimadzu,). Центр по исследованию наноструктур, наночастиц и нанокомпозитов должен иметь в своем составе рентгеновский микроанализатор ЕРМА-1600, Shimadzu.

Рентгеновские диффракционные методы исследования.

Дифракционные системы для рентгеноструктурного исследования наночастиц широко используются во многих лабораториях. Сюда следует отнести все современные методики монокристального и порошкового рентгенодифракционного исследования, включая низко- и высокотемпературные исследования, изучение распределения электронной плотности в молекулах и кристаллах, температурные исследования динамики кристаллов.Ведущие лаборатории оснащены автоматическими четырехкружными диффрактометрами с низко- и высокотемпературными приставками. Четырехкружный автоматический дифрактометр Bruker - AXS SMART 1000 c координатным детектором CCD , низкотемпературной приставкой фирмы OXFORD Cryostream и высокотемпературной приставкой LT-1 один из наиболее интересных приборных направлений исследования наносостояния. Аналогичного уровня рентгеновский дифрактометр фирмы Сименс. Отечественные аналоги монокристальных и порошковых дифрактометров ранее изготавливались НПО "Буревестник", СПб.

Ведущие специалисты:

Руководитель ЛИН - академик Шевченко Владимир Ярославович