История развития нанонауки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат к кандидатскому экзамену

«История и философия науки»

 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗНАНИЙ О ТВЕРДЫХ СПЛАВАХ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Несомненно, нанотехнология остается ключевым понятием начала 21го века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике. Однако, несмотря на большие перспективы, до недавнего времени вопрос использования наноструктурных (НС) металлов и сплавов в качестве конструкционных и функциональных материалов нового поколения оставался спорным. Только в последние годы наметился прорыв в этой области, связанный как с разработкой новых путей получения объемных НС материалов, так и с исследованием фундаментальных механизмов, приводящих к достижению в них новых свойств. Интерес к нанотехнологии существенно возрос, так как обнаружилось, что при достижении размера кристаллов ниже определенной пороговой величины происходит существенное изменение свойств. Эти эффекты наблюдаются при формировании характерных элементов структуры (как правило, кристаллических зерен) со средним размером не более 100 нм. Хотя глубокое понимание этих механизмов остается предметом фундаментальных исследований, опытно-промышленные изделия для медицины и микроустройств скоро могут появиться на рынке.

Прикладной интерес к наноматериалам обусловлен возможностью значительной модификации и даже принципиального изменения свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние, новыми возможностями, которые открывает нанотехнологии в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера при переходе в нанокристаллическое состояние. Сущность нанотехнологии состоит в возможности работать на атомном и молекулярном уровне, в масштабе длин 1-100нм, для того, чтобы создавать и использовать материалы и устройства, имеющие новые свойства и функции благодаря малой шкале их структуры. Таким образом, термин «нанотехнологии» относится к размерам именно структурных элементов. Уже сегодня нанопродукты играют важную роль почти во всех отраслях индустрии. Сфера их применения огромна.

Основными типами наноструктурированных материалов по размерности структурных элементов, из которых они состоят, являются нульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D) и трехмерные (3D) наноматериалы. К нульмерным наноматериалам относятся нанокластерные материалы и нанодисперсии, т. е. материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Одномерные наноматериалы — нановолоконные (нанопрутковые) и нанотубулярные материалы с длиной волокон (прутков, трубок) от 100 нм до десятков микрометров. К двумерным наноматериалам относятся пленки (покрытия) нанометровой толщины. Важной характеристикой объемных наноматериалов является однородность структуры и свойств в различных сечениях, даже если образцы имеют большие геометрические размеры. Другими параметрами, наряду со средним размером зерен, являются распределение зерен по размерам, их равноосность, наличие преимущественно большеугловых границ. Структуры в объемных наноматериалах являются ультрамелкозернистыми структурами зеренного типа, содержащими преимущественно большеугловые границы зерен. Создание таких наноструктур может быть осуществлено методами ИПД, позволяющими достичь очень больших пластических деформаций при относительно низких температурах в условиях высоких приложенных давлений.

В чистых металлах и ряде сплавов интенсивные пластические информации обеспечивают формирование ультрамелкозернистых структур с размером зерен 100-200 нм, а иногда и более. Сформировавшиеся зерна имеют специфическую субструктуру, связанную с присутствием решеточных и зернограничных дислокаций, наличием больших упругих искажений кристаллической решетки

Дополнительно, с изменением внутренней структуры в конструкционных материалах реализуется эффект упрочнения, т.е. изменение величин, характеризующих физико- механическое поведение материалов, в сторону увеличения.

 

История развития нанонауки

Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10~9м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, — это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Георгий Гамов, член-корреспондент АН СССР, был исключен из Академии наук, после того как в 1933 году не вернулся в СССР из командировки в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса, и только посмертно, в 1 990 году, его звание было восстановлено.

Так вот, еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений   Эрвина   Шредингера.   Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального   барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники. В 1956 году Г. А. Гамов получил премию Калинга за популяризацию науки.

Основываясь на этих и других теоретических исследованиях, в 1932 году нидерландский профессор Фриц Цернике открыл метод фазового контраста и создал первый фазово-контрастный микроскоп (Нобелевская премия 1953 года). Это был вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа мельчайших деталей изображения. Цернике с его помощью исследовал живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение немецкой фирме Carl Zeiss, мировому лидеру в производстве оптических устройств, но ее менеджеры в то вре¬мя не осознали его перспективности.

В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 году, и Макс Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

На какое-то время, в основном в связи со Второй мировой войной, когда передовые немецкие ученые были задействованы в разработке новейших видов вооружения, работы в данном направлении были не столь интенсивными.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О'Кифи предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, регистрировался в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Дж. О'Кифи назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники в середине 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки. В это же время Юрий Сергеевич Тиходеев, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар», впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Это было время великих открытий. Советские ученые Дмитрий Николаевич Гаркунов и Игорь Викторович Крагельский при исследованиях аварий авиационной техники в 1956 году открыли явление избирательного переноса при трении («эффект безызносности»). Позднее было установлено, что особенностью процесса является образование так называемой «сервовитной пленки» толщиной около 100 нм, способной в десятки раз снизить потери на трение и интенсивность изнашивания трущихся соединений машин и механизмов.

Однако мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», а то и «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из крупнейших физиков XX века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана, прочитанной 29 декабря 1959 года. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов...», то есть использовать атомы как обыкновенный строительный материал, что-то вроде кирпичей или, в лучшем случае, узлов и деталей машин.

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне. В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18—24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство (пьезодвигатель), применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов.

В это же время Дэвид Джонс теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник, а Эйдзи Озава предположил существование полой высокосимметричной молекулы Сб0 со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч.

В 1968 году исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник отделения исследования полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач по обработке поверхностей и достижению атомной точности при создании электронных приборов.

В 1971 году Р. Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем, применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

В 1973 году советские ученые Дмитрий Анатольевич Бочвар и Елена Григорьевна Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в этой области, когда теоретические и чисто научные исследования стали находить практическое применение в различных отраслях экономики.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США).

Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.