Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87

площади полупроводникового кристалла. Однако она совершенно не подходит для случаев, когда те же элементы нужно разместить по большой площади, на иных материалах или не на плоских поверхностях.

Техника, необходимая для размещения транзисторов на любых поверхностях и материалах, названа "мягкой литографией". Она нетребовательна к качеству и форме подложки, а потому применять её можно для неровных и гибких поверхностей, и даже объёмных фигур.

В качестве примера, демонстрирующего возможности новой технологии, исследователи из Иллинойского университета (США) показывают полусферу, покрытую матрицей фоточувствительных транзисторов и способную сыграть роль основного элемента для широкоугольного цифрового фотоаппарата.

Процесс изготовления выглядит следующим образом: сперва на выбранную поверхность последовательно наносят тонкие плёнки алюминия, кремния и нитрида кремния. Далее поверхность нагревается и на ней методами зондовой микроскопии "рисуют" на поверхности определенную наноструктуру с характерными размерами в десятки нм. Затем мягкую полимерную матрицу, форма которой штампована наноструктурой, подвергают облучению для затвердения.

Минимальные размеры элементов, создаваемых этими способами, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать много лучшего.

Многие проблемы ещё ждут своего разрешения, - в частности, оптимизация характеристик такой необычной схемы, - но уже сегодня ясно, что мягкую литографию ждёт большое будущее. Данная технология сравнительно проста и дёшева, а потому можно ожидать её широкого применения.8

Наноэффекты в природе. Удивительные лапки.

"Длина его составляет от 8 до 30 см. Голова довольно широка 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 мелкими 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 способностью лазать как угодно и где угодно. Гекконы не только взбираются по отвесным стенам -

они с такой же легкостью ходят по потолку или передвигаются по оконному стеклу. Долгое время ученые не могли понять, каким образом геккон может бегать по совершенно гладкому вертикальному стеклу, не падая и не соскальзывая . Было

предпринято несколько попыток объяснить этот природный феномен.

Сначала полагали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапки животного. Но выяснилось, что в строении лап геккона нет ничего,

8 "Гнутость не помеха" Computerra 2003 г.

31

похожего на присоски, которые, присасывались бы к стеклу и обеспечивали ящерице хорошее сцепление.

Не оправдалось и предположение, что геккон бегает по стеклу, приклеиваясь к его поверхности клейкой жидкостью, подобно тому, как держится на разных предметах улитка. В случае клейкой жидкости на стекле оставались бы следы от его лап; тем более, что никаких желез, способных выделять такую жидкость, на лапах геккона не обнаружено.

Разгадка этого явления буквально поразила общественность: ведь при движении геккончик использует законы молекулярной 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 миллионных долей сантиметра. Снизу подушечки прикрыты листочками ткани, и при большом увеличении видно, что каждый листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щетинок. А щетинки, в свою очередь, делятся на сотни лопатообразных 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 Ван-дер-Ваальса, или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодействия.

Теория сил Ван дер Ваальса основывается на квантовой механике. Молекулы веществ на малых расстояниях отталкиваются, а на больших притягиваются (тот же принцип положен в основу работы АСМ).

Когда он опускает лапку на поверхность, лопаточки на концах нанощетинок столь плотно прилегают к ней, что лапка как бы прилипает к вертикальной стене или потолку. Но чуть геккон напряжет мышцы и потянет лапку - силы Ван дер Ваальса исчезают, и лапка легко отделяется от поверхности.

Силы Ван-дер-Ваальса очень малы, однако расположение волосков на пальчиках гекконов позволяет обеспечить достаточно большую поверхность взаимодействия, чтобы ящерица могла удержаться, например, на потолке при помощи всего одного пальца своей пятипалой лапы или кончика хвоста.

Все это побудило исследователей к попыткам использовать сделанное открытие. Сотрудники американской компании iRobot сконструировали робота, который может передвигаться вертикально по стенкам аквариума. В дальнейшем планируется снабдить его искусственными волосками и увеличить прижимающую силу. А если удастся прикрепить к роботу хвост геккона, он сможет бегать по острым граням.

Если эксперименты по созданию ящерицеподобных роботов будут успешными, эти механизмы можно будет использовать в самых разных областях - от мытья окон в высотных зданиях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.

Можно положить данный принцип в основу изготовления липкой ленты, подобной скотчу, которую можно использовать повторно и даже в условиях невесомости (обычный скотч в космосе не работает).

32

Ведутся разработки нового поколения так называемых "сухих клеев" с широким диапазоном характеристик, которые будут обеспечивать высокую адгезию ("прилипаемость") с помощью электростатического механизм.

Можно изготовить обувь, которая не скользит на льду и прочно держит человека на вертикальной стене. Она облегчила бы жизнь не только альпинистам, монтажникам-скалолазам, но и нам, обычным людям 9.

Фуллерены и углеродные нанотрубки. Их свойства и применение.

Еще древний грек Демокрит в своей атомистической концепции Вселенной обратил внимание на то, что та часть мироздания, которую называют материальным миром, состоит из множества "кирпичиков" - химических элементов и их соединений, различающихся между собой особыми свойствами и качествами.

Как неодинаковы свойства каждого из "кирпичей мироздания", 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 100-200 лет тому назад, но приобрели первостепенную важность лишь в наше время. К ним относятся уран, алюминий, бор, литий, бериллий.

Учетвертых рабочая биография только начинается.

В1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли совершенно неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение - фуллерен, уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований в этой области. Кстати, Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов.

Основой молекулы фуллерена является углерод - этот уникальнейший химический элемент, отличающийся способностью соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного состава и строения. Из школьного курса химии вам, наверняка, известно, что углерод имеет два основных аллотропных состояния - графит и алмаз. Можно сказать, что фуллерен является третьим аллотропным состоянием углерода.

Рассмотрим структуры молекул графита, алмаза и фуллерена.

Графит обладает слоистой структурой. Каждый его слой состоит из атомов углерода, ковалентно связанный друг с другом в правильные шестиугольники. Соседние слои удерживаются вместе слабыми вандерваальскими силами. Поэтому слои легко скользят друг по другу. Примером этого может служить простой карандаш - когда вы проводите графитовым стержнем по бумаге, слои

9В.А. Хамитов. Силы Ван дер Ваальса и "хитрый" геккон. Галактион Андреев Процессор на лапу // Computerra Online

33

постепенно "отслаиваются" друг от друга и оставляют на ней тонкий след.

Алмаз имеет трехмерную тетраэдрическую структуру.

Каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими атомами углерода. Вся структура алмаза в целом представляет собой, в сущности, одну макромолекулу. Благодаря высокой энергии ковалентных связей С-С, алмаз обладает высочайшей прочностью и используется не только как драгоценный камень, но и в качестве сырья для изготовления металлорежущего и шлифовального инструмента (возможно, читателям доводилось слышать об алмазной обработке различных металлов)

Фуллерены получили свое название в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в своем архитектурном деле. Фуллерен имеет каркасную структуру, внешне напоминающую футбольный мяч, который состоит из заплаток 5-ти и 6- тиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого

многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен С60.

В молекуле С60, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, 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 интересна тем, что внутри такого углеродного "мячика" образуется пустая полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной транспортировки.

По мере развития исследований фуллеренов были синтезированы и изучены молекулы фуллеренов, содержащие различное число атомов углерода - от 36 до 540.

Представители фуллеренов: а) С60 b) C70 c) C80

Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается.

В 1991 году, Сумио Иидзима, профессор японского университета Мэйдзё обнаружил длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Такая молекула с числом атомов углерода С>1 000 000, представляют собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхности трубки атомы углерода расположены в

34

вершинах правильных шестиугольников. Концы трубки закрыты с помощью шести правильных пятиугольников.

Визуально структуру таких нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и "склеиваем" ее в цилиндр (на самом деле нанотрубки растут совсем по-другому). Казалось бы, что проще - берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! - однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изучать их - и удивляться.

А удивляться было чему - ведь эти удивительные нанотрубки в 50-100 тыс. раз тоньше человеческого волоса оказались на редкость прочным материалом.

По своей прочности нанотрубки превосходят сталь в 50-100 раз, и имеют в шесть раз меньшую плотность. Модуль Юнга - характеристика сопротивления материала осевому растяжению и сжатию - у нанотрубок в среднем вдвое выше, чем у углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются!

Международная группа ученых показала, что, опираясь на эти необычные свойства, нанотрубки можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть втрое сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая 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 нанотрубок составляет десятки и сотни микронов - что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Уже описан синтез многослойной нанотрубки длиной в 2 и даже в 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры.

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 себе бесчисленное множество применений.

Нанотрубки бывают самой разнообразной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.

35