Достижения нанонауки (обзор зарубежных публикаций)

Муртазина Э.М.

УДК 378.147.809

Э. М. Муртазина

ДОСТИЖЕНИЯ НАНОНАУКИ (ОБЗОР ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ)

Ключевые слова: нанотрубки, нанопроволоки, нано кластеры, достижения в области нанонауки, формы контролируемых нано кристаллов, высокопроизводительные оптико-электронные приборы, суперсимметричные частицы.

Существуют две основные причины, которые привели к развитию нано-науки. Первая причина заключается в том, что нано-структура достаточно мала, так что квантово-механические эффекты доминируют. Вторая причина заключается в том, что миниатюризация устройств в полупроводниковой промышленности продолжается. В этой статье приводятся данные некоторых научных публикаций, представленных он-лайн в открытом доступе по нано-науке и технике. Обзор в основном сосредоточен на публикациях исследователей Лаборатории Беркли Калифорнийского университета.

Keywords: nanotubes, nanowires, nanoclusters, advancements in nanoscience, shape-controlled nanoscrystals, high- performance

optoelectronic devices, super symmetric particles.

There are two main reasons that have led to the nano-science. The first reason is that the nano-structure is small enough so that quantum mechanical effects dominate. The second reason is that miniaturization of devices in the semiconductor industry has continued. In this article some scientific publications presented on-line in the open access on nano-science and technology has been reviewed. The review is basically centered on the publications of researchers of Berkley Lab, University of California.

За последние десять лет, ученые в стране и за рубежом подтвердили всему миру, что метод "наращивания снизу вверх" или подход "сверху-вниз" для изготовления большого количества нанотрубок, а также нанопроволок, нанокластеров вполне возможны. Эти усилия показали, что если нано-структура может быть создана по низкой стоимости, то будущее мира скоро изменится к лучшему. На самом деле современные масштабы нано размеров в основном менее 20 нанометров. В полупроводниковой промышленности эти размеры составляют менее 70 нанометров.

Считается, что устройства будут продолжать уменьшаться. В ближайшие 10 лет, нано наука и техники будут доминировать в полупроводниковой промышленности, а возможно, и в других отраслях промышленности.

Есть две основные причины, которые приводят к развитию нанонауки. Первая причина заключается в том, что нано-структура достаточно мала, так что квантово-механические эффекты доминируют, например, квантовые эффекты разделения энергетических состояний. Помимо этого, исследователи получают новые устройства для практической реализации идей и концепций, например, средства одноэлектронного переноса, такие как лазеры и квантовые точки.

Вторая причина заключается в том, что миниатюризация устройств в полупроводниковой промышленности успешно продолжается. В оптоэлектронике, лазеры на квантовых точках показывают низкую плотность порогового тока, низкий порог зависимости тока от температуры, а также большие преимущества дифференциального усиления, которое может приводить к большой дифференциальной пропускной способности усиления модуляции. Нанотехнологии и нано-детекторные датчики используются для измерения чрезвычайно небольших количеств химических и биологических материалов. Это открывает возможность обнаружения клеток, что приведет в

биомедицине к развитию малоинвазивных диагностических методов. Развиваются нано-масштабные устройства на основе квантовых точек и другие устройства, такие как ферромагнитные устройства памяти с использованием квантовых точек, спиновые фильтры квантовых точек, устройства спиновой памяти и т.д. Исследователи уверены, что развитие нанонауки в этом направлении содержит большие потенциальные возможности [2].

В 2001 финансовом году в СШАотмечен 83% рост вложений в развитие нано исследований, что составило 500,000,000 долларов в затратах США на исследования. Это демонстрирует, насколько серьезно отношение к этой развивающейся области науки и технологии [1]. Развитие нанотехнологий приводит, например, к изменению парадигмы образования в ведущих научно-образовательных центрах мира [10].

В этой статье мы рассмотрим некоторые научные публикации, представленные в Интернете в открытом доступе, освещающие проблемы нанонауки и воздействия нанотехнологий на наше будущее. Обзор в основном базируется на публикациях исследователей Лаборатории Беркли Калифорнийского университета.

Национальная Лаборатория имени Лоренса в Беркли (LBNL, LBL), известная также как "BerkeleyLab", является Национальной

Лабораторией Соединенных Штатов,

расположенной в местечке Беркли Хиллз недалеко от Беркли, Калифорния. Лаборатория проводит несекретные научные исследования под эгидой Министерства Энергетики Соединенных Штатов (DOE). Она управляется и эксплуатируется Университетом Калифорнии.

Лаборатория была основана Эрнестом Лоуренсом 26 августа 1931 г. как Радиационная Лаборатория Калифорнийского университета в составе Физфака. Исследования в области физики сосредоточены вокруг нового инструмента,

циклотрона, ускорителя частиц, за который Э.Лоуренс получил Нобелевскую Премию по Физике в 1939 г.

С 1950-х годов по настоящее время, Лаборатория Беркли сохранила свой статус как крупный международный центр физических исследований, и также осуществляющий диверсифицированную исследовательскую

программу в почти каждой области научных исследований.

14 научных подразделений лаборатории -это лаборатории вычислительных наук, общенаучных исследований, энергетики и наук об окружающей среде, биологических наук и фотоники.

Многие научно-исследовательские проекты осуществляются при поддержке нескольких подразделений, например, вычислительные и инженерные подразделения интегрированы в проектах бионаук, общих наук, и энергетических исследований.

Научные подразделения лаборатории проводят работы в области: науки о Земле, геномики, науки о жизни, химических наук, технологии экологической энергетики,

материаловедения, бионаук, вычислительных исследований, использования ускорителей и термоядерных исследований, инженерных разработок, ядерной науки, ядерной медицины и физики, нанонауки и нанотехнологии.

В настоящее время, исследования в области нано-науки в Национальной лаборатории Лоренса Беркли привлекают внимание всего мира.

Например, список достижений в области нанонауки, полученные исследователями Лаборатории Беркли является весьма внушительным. Ученые лаборатории были первыми, кто начали выращивать нанокристаллы различных форм, а не простых сфер, выращиваемых всеми остальными. Инновационные вклады в фундаментальную физическую химию

нанокристаллов являются отличительной чертой выдающейся карьеры Др. Аливисатоса. Его прорывные исследования включают создание нанокристаллов с контролируемыми размерами и формами, а также передовые исследования свойств нанокристаллов, включая оптические,

электрические, структурные и термодинамические. В своем исследовании, он продемонстрировал ключевые возможности использования

нанокристаллов в биологической визуализации и возобновляемых источниках энергии. Он сыграл решающую роль в создании фонда "Молекулярное Производство - Molecular Foundry" при Министерстве Энергетики США в составе Исследовательского Центра Нанонауки, и он был директором-основателем этого фонда. Он является основателем и главным редактором "NanoLetters", ведущего научного издания в области нанонауки [7]. Исследователи Лаборатории Беркли были первыми, которые стали использовать нанопровода, покрытые изоляцией, провода из бакиболлов в оболочке покрытия из нитрида бора, и он создал первые в

мире нанопроволочные нанолазеры размером всего в 100 нанометров в диаметре (около десяти миллионной доли дюйма). С открытием фонда "Molecular Foundry", исследователи Лаборатории Беркли ожидают, что список достижений лаборатории значительно вырастет.

Один из исследователей Лаборатории Беркли, Др. Омар M. Ягхи, Американский химик Иорданского происхождения, Профессор Химии Университета Калифорнии его исследовательские лаборатории разрабатывают и производят классы соединений, теперь известных как

металлорганические структуры (MOFs), цеолитные и мидазолатные структуры (ZIFs), и ковалентные органические структуры (COFs). Среди металлоорганических структур есть вещества с экстремально большими поверхностными областями (5640 м2/г для MOF-177) и с очень низкой кристаллической плотностью (0.17 г-см-3 для COF-108) [5]. Он успешно развивает эти материалы, проводя фундаментальные научные исследованияи доводя их до применения в чистых энергетических технологиях, включая хранение водорода и метана, захвата и хранения углерода.

В растущем мире наноразмерных частиц, структур и устройств, одним из наиболее убедительных историй была история квантовых точек, полупроводниковых нанокристаллов, которые загораются как неон в радуге резких цветов, когда их подвергают воздействию ультрафиолетового света. Квантовые точки, как известно, уже послужили для старт-апа нескольких высокотехнологичных компаний, в том числе той, что выделилась из Лаборатории Беркли. Пол Алвисатос, химик Лаборатории Беркли Калифорнийского университета в Беркли, который возглавляет Отдел Материаловедения и является заместителем директора Лаборатории Беркли, известен как один из создателей технологии квантовой точки. Они его исследовательская группа недавно добавили важную новую главу к этому теоретическому исследованию, когда они соединили квантовые точки с сегментированными наностержнями, получив обширный новый массив из разветвленных наноструктур [5].

Недавно исследовательская группа Лаборатории, возглавляемая Полом Аливисатосом, совершили настоящий прорыв, выращивая нанопровода из высокоценного полупроводникового нитрида галлия и затем успешно контролируя направление исследований по выращиванию нанопроводов [4]. Нанопровода из нитридагаллия имеют треугольное сечение, когда выращиваются на субстрате оксидалитий алюминия, и шестигранное при выращивании на субстрате оксида магния. Направление выращивания важно для электрической и термической проводимости, а также других важных свойств нанопроводов.

Более того, исследователи лаборатории научились настраивать отдельные компоненты этих наноструктур и рассчитывать электронные взаимодействия их ответвлений в трех измерениях. Это дает возможность создания электронных

устройств, адаптированных к различным применениям, начиная с квантовых вычислений для искусственного фотосинтеза.

Еще в одном исследовании, квантовые точки были использованы исследовательской группой Лаборатории Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (Lawrence Livermore National Laboratory) в виде наноразмерных зондов, чтобы заглянуть внутрь ядер биологических клеток. Ядро клетки называют одной из самых известных, но наименее понятных клеточных органелл, и пробел в знаниях вытекает из отсутствия способа изображения долгосрочных явлений в ядрах. Фанкинг Чениз Лаборатории Беркли и Даниэль Гериониз Лаборатории Ливермора нашли способ переноса покрытых кремнием квантовых точек внутрь ядер клеток. Чтобы квантовые точки смогли проскользнуть мимо мембраны, которая охраняет вход в ядро, Чен и Герион позаимствовали трюк вируса SV40, который проходит через барьер с помощью белка, прикрепляющегося к механизму ядерного перемещения в клетке. Исследователи получили часть этого белка и прикрепили его к своей квантовой точке, создавая гибрид как часть биологической молекулы и часть наноразмерного полупроводника, достаточно маленький, чтобы проскользнуть через поры ядерной мембраны, достаточно правдоподобно обманывая ее оборону. Они смогли ввести и сохранить квантовые точки в ядрах до недели без вреда для клеток. Точки светились в течение нескольких дней с достаточным разрешением, чтобы обнаружить биологические процессы, происходящие в единичных молекулах. Это должно позволить ученым отслеживать специфические химические реакции внутри ядер, например, узнать, как белки помогают восстанавливать поврежденные ДНК.

Так же, как Век Микротехнологии зародился благодаря введению примесей в кристаллы полупроводниковых материалов, введение примесей в полупроводники (легирование полупроводников) является основой, на которой вырастает Век Нанотехнологии. Исследовательская группа Аливисатоса показала, что происходит с наноразмерными кристаллами при различных видах кристаллического легирования.

Они показали, что для нанокристаллов, процесс легирования, в котором один тип положительно заряженного атома или катиона, обменивается на другой, происходит гораздо быстрее, чем для кристаллов микронных размеров, и является полностью обратимым, что практически невозможно в кристаллах большего размера при тех же условиях окружающей среды. Это должно ускорить процесс развития легированных нанокристаллов.

Химик Пидонг Янгиз Лаборатории Беркли в дальнейшем исследовании разработал технологию, которая дает возможность интегрирования нанопроволок на основе нитрида гелия в пленки различного состава для производства светоизлучающих диодов, транзисторов,

биохимических датчиков и нанолазеров ультрафиолетовой длины волны [5, 6].

Еще одна разработка является многообещающей для массового производства наноразмерных устройств. Группе исследователей Лаборатории Беркли и Калифорнийского Университета под руководством физика Алекса Зеттла удалось преобразовать нанотрубки в "ленты конвейера", способные передавать частицы размером с атомы на микроскопические рабочие площадки [3]. Применяя небольшой электрический ток к углеродным нанотрубкам, команда исследователей смогла перемещать отдельные атомы индия вдоль трубки, подобно автозапчастям на сборочной линии. В серии испытаний, индий неоднократно передавался туда и обратно вдоль нанотрубки, не потеряв ни одного атома. Это исследование закладывает основу для высокой производительности получения оптических, электронных и механических компонентов атомного размера, из которых будут изготовляться наноустройства будущего.

Исследователи Лаборатории Берклине являются новичками в исследовании космоса. Физики лаборатории впервые измерили мельчайшие разности температур космического микроволнового фонового излучения, и именно здесь, в рамках Космологического Проекта Суперновой (Supernova Cosmology Project) разработаны методы измерения расширения Вселенной, ведущие непосредственно к открытию ускоряющегося расширения и существования темной энергии.

В то время как вопросы могут быть космическими, ответы переплетаются с нашим пониманием о высших энергиях и масштабах малейших расстояний. В соответствии с традициями Эрнста Лоуренса, исследовательские команды ученых и инженеров Лаборатории Беркли в сотрудничестве с научными учреждениями многих стран, являются лидерами в разработке новых систем ускорителя и детекторов по всему миру. Их вклад является решающим в создании детектора ATLAS Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе. Цифровые Оптические Модули, разработанные в Лаборатории Беркли, были погружены во льды Южного Полюса для нейтринного телескопа Ice Cube. Детектор GRETINA и сверхпроводящий источник тяжелых ионов VENUS, созданные здесь, являются потенциальными прототипами для Ускорителя Редких Изотопов; и далее в будущем появятся детекторы демпфирующие кольца для Международного Линейного Коллайдера. Пучки электронов, ускоренные приводимыми в движение лазерам и кильватерными полями через плазменные каналы, продемонстрировали новый принцип "настольного" ускорения [8].

Кандидаты на звание темной энергии включают квантово механическую энергию вакуума; поля, в названии которых используется термин "квинтэссенция", чья сила изменяется со временем; неоднородности в ткани пространства-времени, созданные в результате Большого Взрыва; или даже экстра-пространственныеразмерности.

Чтобы найти различия между ними, расширяющаяся Вселенная должна быть проверена на больших расстояниях и в масштабе более ранних времен [10, 11].

Лаборатория обладает уникальным исследовательским оборудованием, на котором ежегодно работают более 2000 специалистов из других стран. Особо следует отметить две установки, сконструированные и созданные исследовательским отделом Министерства энергетики: самый мощный в мире источник мягкого рентгеновского излучения и просвечивающий электронный микроскоп с самой высокой разрешающей способностью в США (Национальный центр электронной микроскопии)

[9].

Лаборатория в Беркли одной из первых начала осуществлять крупномасштабные исследовательские программы по нанотехнологиям и уже добилась значительных успехов. В работе над проектами соединяются усилия химиков, физиков, биологов и материаловедов. С 1991 г. проводится программа синтеза нанокристаллов заданного размера из полупроводников и металлов, включающая также теоретическое изучение электрических и оптических свойств нанокристаллов и наноструктурных проводящих полимеров [7].

В программах лаборатории большое внимание уделяется разработке новейших методик исследования и различных видов измерительной аппаратуры. Эта аппаратура позволяет исследователям проводить эксперименты при низких температурах, высоких давлениях, с фемтосекундным временным разрешением и пространственным разрешением на уровне отдельной молекулы.

В мире науки, Национальная Лаборатория имени Лоренсав Беркли (Berkeley Lab) является синонимом "совершенству". Тринадцать ученых,

связанных с Лаборатории Беркли стали лауреатами Нобелевской премии. Пятьдесят семь ученых Лаборатории являются членами Национальной академии наук (NAS), что является одной из самых высоких почестей для ученого в США. Тринадцать из ученых награждены Национальной медалью науки, высшей наградой за вклад в различные области научных исследований. Восемнадцать инженеров были избраны членами Национальной Инженерной Академии, и трое ученых были избраны в Институт Медицины. Кроме того, Berkeley Lab подготовила тысячи студентов университета, которые продвигают технологические инновации в США и по всему миру.

Литература

1. Г.Г. Амирова, И.Х. Зиганшин, Вестник Казанского технологического университета, 14, 15, 272-276 (2011).

2. A. Zettletal, Nano Letters, l, 11, 3508-3511 (2007)

3. A. Zettletal, Nature Nanotechnology, published on-line 20 July 2008

4. L. Elaine, K. Woong, and Y. Peidong, Nano Res., 1, 123128 (2008)

5. A.G. Wong-Foy, A.J. Matzger, O.M. Yaghi, Journal of the American Chemical Society, 12S (11), 3494-3495; Jennifer Kahn, National Geographic, 98-119 (2006)

6. H.M. El-Kaderi, J.R. Hunt, J.L. Mendoza-Cortés, A.P. Côté, R.E. Taylor, M. O'Keeffe, O.M. Yaghi, Science, 316 (5822), 268-72 (2007)

7. K. Manthiram, Y. Surendranath, A. Paul Alivisatos, JACS, 136, 7237-7240 (2014)

8. C. Fanqing, D. Gerion, Sci STKE, published on-line 28 June 2005

9. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://nanoarea. ru/index. php/infrastruktura-issledovanij-razrabotok-i-obrazovanija/456-nanonauka-i-nanotehnologija

10. Э.М. Муртазина, Вестник Казанского технологического университета, 9, 728-732 (2010)

11. Э.М. Муртазина, Г.Г. Амирова, Вестник Казанского технол. университета, 16, 9, 336-342 (2013)

Достижения нанонауки (обзор зарубежных публикаций) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Муртазина Э.М.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Муртазина Э.М.

Текст научной работы на тему «Достижения нанонауки (обзор зарубежных публикаций)»