Нанотехнологии. Правда и вымысел

Переходным и соединяющим звеном между достаточно развитыми инкрементными нанотехнологиями и находящимися на начальном пути развития эволюционными нанотехнологиями являются различные методы зондовой нанотехнологии (микроскопии). О практической стороне их использования мы расскажем в дальнейших главах.

Достаточно широкое применение нашли нанотехнологии, основанные на гетероструктурах, в производстве полупроводниковых источников света — светодиодов, более подробно о которых также будет рассказано в следующей главе.

Эти и другие разработки наноразмерной электротехники, в том числе отечественных ученых, в настоящее время являются наиболее весомыми достижениями в области практической нанотехнологии.

Эволюционная нанотехнология

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся на начальном этапе.

Как уже было отмечено, по идее Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей — зубчатых колес, штоков, деталей подшипников, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т. д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом. Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.

На рис. 43–45 приведены примеры простейших и довольно сложных механических конструкций, рассчитанных методами молекулярной динамики и собранных из нанокомпонентов.

Наибольшего прогресса в этом направлении достигли японские ученые из университета префектуры Айти вместе с коллегами из токийского Университета Сэйкэй, создавшие микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать. Силу трения, которую измеряли при помощи силового зондового микроскопа, зафиксировать не удалось, так как она оказалась меньше триллионной доли Ньютона, что пока измерить невозможно.

Рис. 43. Простейшие шестеренные передачи (разработка NASA)

Рис. 44. Сборочные единицы наноподшипника

Рис. 45. Сборка конструкций наноманипуляторами

Материалом для «вечного» мини-подшипника послужили синтетические молекулы — фуллерены. В данном случае они состояли из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти— и шестиугольников, формирующих шар. Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса поставили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита.

В данном случае был реализован принцип безызносного подшипника, который планируется использовать в производстве миниатюрных роботов и микромеханизмов с практически вечными деталями.

В 2005 году профессор Джеймс Тур и его коллеги из техасского Университета Райса (Rice University) создали молекулярную механическую «конструкцию» — цельномолекулярный четырехколесный «наноавтомобиль», шириной около 2 нм, работающий на поглощении энергии света (рис. 46). Он состоял примерно из трех сотен атомов и имел раму и оси (фениленэтиленовый олигомер), химически связанные ковалентными связями с четырьмя фуллереновыми колесами (бакиболлами), то есть сферами из 60 атомов.

Рис. 46. Схематичная атомная конструкция наноавтомобиля

Первый «наномобиль» проявил способность к перемещению только по золотой поверхности и только в интервале температур 170–225 °C из-за высоких сил сцепления (адгезии) с поверхностью золота при более низких температурах.

С помощью электронного микроскопа было установлено, что «наноавтомобиль» может двигаться только в перпендикулярном направлении к осям конструкции, что указывает на реализацию вращающего движения колес, а не их скольжение по поверхности.

На разработку и создание «наноавтомобиля» потребовалось восемь лет. Причем самой сложной задачей оказался как раз поиск решения о креплении четырех фуллереновых колес несущей части. Рама «наноавтомобиля» была изготовлена учеными при помощи реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, причем эта работа заняла менее 10 % затраченного времени. При этом у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на адгезию, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).