IV Интернет - олимпиада по нанотехнологиям: Лекции: Лекция - семинар 9. Наноустройства (обсуждение)

ПОЖАЛУЙСТА, выскажите свое мнение по "Наноазбуке"...

Если Вы загляните в Тульский музей оружия, то найдете в нем не только богатейшее собрание экспонатов на военную тему. Как известно, Тула – это Родина не только самоваров, пряников и оружия. Здесь, если верить Н.С. Лескову, жил удивительный мастер Левша, сумевший подковать английскую блоху; здесь же сегодня живут мастера, создающие миниатюрные копии обычных и необычных предметов. Поэтому в музее Вас будет ждать сюрприз – коллекция действующего! микроскопического оружия, рассмотреть которую в деталях можно только под микроскопом. Вес самого маленького револьвера составляет всего 5.5 г. Поэтому кажется просто невероятным, что его барабан способен вращаться, а сам револьвер вполне может стрелять крошечными пулями калибра 1.5 мм. Однако сегодня уже и эти экспонаты не удивят ученого: значительно более сложные микроразмерные механические устройства производятся в промышленных масштабах и окружают человека повсюду – мы просто не можем их увидеть! Причем особый интерес представляют не столько просто механические, сколько микроэлектро-механические системы или МЭМС, способные на микроуровне преобразовывать механическую энергию в электрические или оптические сигналы, и наоборот. Создание МЭМСов стало возможно только в последнее время, преимущественно благодаря стремительному развитию полупроводниковых технологий.

В конце 50-х годов XX в. известный физик Р.Фейнман публично пообещал 1000 долларов (немалая по тем временам сумма) тому, кто создаст электрический мотор размером менее 1/64 дюйма (примерно 0.4 мм). Вызов принял молодой ученый У.Маклеллан, который вручную собрал требуемое устройство с помощью пинцета и оптического микроскопа. Сейчас микромотор Маклеллана можно увидеть в музее Калифорнийского технологического института. Интерес к микроэлектромеханическим системам постепенно охватывал все больше университетов и компаний, и уже к середине 80-х годов прошлого века успехи в области разработки МЭМС привели к созданию первых коммерческих продуктов на их основе...

Предположим также, что есть наноконструктор, состоящий из нескольких тысяч атомов разного вида. Что с его помощью можно собрать? На автомобиль или домик в деревне такого количества атомов, увы, не хватит. Зато можно с упоением собирать всевозможные молекулы различной формы: кольцеобразные (например, бензол), вытянутые (алканы) сферические («фуллерены»)... Скучно. Особенно, если хочется автомобиль. Впрочем, автомобили собирают из всевозможных дисков, шестеренок, цилиндров, поршней, и прочих деталей, которых в нашем конструкторе, к сожалению, нет. Но если задуматься, почему бы нам не использовать вместо всех перечисленных деталей молекулы соответствующей формы и не собрать из них «наноавтомобиль»? Уже гораздо интереснее, не правда ли? Особенно если не задаваться вопросами относительно того, не развалится ли такой автомобиль, сможет ли он ездить и кого будет возить?

Проще сказать, чем сделать. Несмотря на все достижения нанотехнологии, любые работы на молекулярном уровне остаются чрезвычайно сложной задачей. Впрочем, современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами хорошо всем известных электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают «наносилы» под действием электрического поля или света, или, наоборот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик. В настоящее время одной из общих тенденций развития современной техники является миниатюризация функциональных устройств. В наиболее явном виде эта тенденция проявилась в процессе эволюции электронных компонентов. Если первые транзисторы было настолько велики, что их можно было взять пальцами, то теперь уже никого не удивляет, что процессор современного компьютера состоит из миллионов транзисторов. Вслед за электронными компонентами миниатюризация затронула и электромеханические устройства. Несмотря на то, что поведение однотипных механических устройств в макро- и микромире различно, усилия ученых и инженеров привели к созданию «микроэлектромеханических систем», которые уже широко применяются даже в быту. Сделать следующий шаг - осуществить перенос электромоторов в наномир - оказалось еще сложнее. При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию трения над силами инерции. Так, время затраченное на гашение инерции после придания вращательного движения (с одинаковым моментом вращения) мячу, лежащему на поверхности стола, и молекуле фуллерена на поверхности монокристалла кремния, будет различаться на несколько порядков... Чтобы попытаться разобраться с этими и другими, не менее интересными, вопросами, следует обсудить следующие главы (темы) «наноазбуки»:

• Квантовые точки,
• Квантовые нити,
• Квантово-размерные эффекты,
• Туннельный эффект,
• Квантовые компьютеры,
• Энергетическая щель,
• Экситон,
• Нанометрология,
• Единицы измерения,
• НЭМС,
• Наномашины,
• Наноактюаторы,
• Нанороботы,
• МЭМС,
• Плазмонный резонанс,
• Пьезодвигатели