2020-05-12
272
Практически весь ХХ век описание самоорганизации проводилось только в рамках синергетики. Однако в настоящее время приоритет в исследованиях самоорганизации переходит к молодой и перспективной науке нанотехнологии. Приставка «нано» образована от греческого слова «гном», «карлик». Нанометр является одной миллиардной частью метра (10-9) и может быть представлен длиной десяти атомов водорода, выстроенных в линию (диаметр атома водорода приблизительно равен 0,1 нм).
Огромный толчок появлению и развитию нанонауки и нанотехнологии дали два важнейших события. Первым стала знаменитая лекция физика-теоретика Ричарда Фейнмана (рис. 1.1) «Там, внизу, полно места – приглашение в новый мир физики». С этой лекцией он выступил в Калифорнийском технологическом институте на ежегодном собрании Американского физического общества 29 декабря 1959 г. В ней он с позиции теоретической физики рассмотрел ряд возможностей, которые возникают при бесконечной минитюаризации: сверхплотная запись, сжатие и сохранение информации, введение «механического хирурга в кровеносные сосуды…» [2]. 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 [2].
Рис. 1.1. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (1819 – 1988)
Вторым событием является изобретение нобелевскими лауреатами Биннигом и Рорером (рис. 1.2) в начале 1980-х гг. сканирующего туннельного микроскопа, а несколько позже – атомно-силового микроскопа. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла из кальция, иридия и олова ученые смогли измерить неровности высотой в один атом [3]. С помощью туннельного микроскопа стало возможным манипулировать атомами, а, следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.
Рис.1.2. Генрих Рорер (слева) и Герд Бинниг
Термин «нанотехнология» стал особенно популярен в 80-е годы XX века в результате исследований Эрика Дрекслера (рис. 1.3.), почетного председателя американского Института предвидения (Foresight Nanotech Institute – ведущая нанотехнологическая организация США, финансирующая исследования и активно занимающаяся пропагандой данного направления). В 1986 году вышла в свет знаменитая книга Э. Дрекслера «Машины созидания: наступающая эра нанотехнологий» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology»), в которой он выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул [4].
В зависимости от вида зарядов взаимодействия между атомами, ионами и молекулами могут быть разделены на кулоновские взаимодействия, обусловленные электростатическим взаимодействием, и ван-дер-ваальсовые взаимодействия, возникающие вследствие поляризации соседних молекул и образования диполей (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Типы межмолекулярных взаимодействий
| Взаимодействие | Энергия связи, кДж/моль | Примеры |
| Ион – ион | 200 – 300 | Ионные кристаллы (NaCl, CaCl2, MgO), тетрабутиламмоний хлорид |
| Ион – диполь | 50 – 200 | Молекулярные комплексы краун-эфиров (комплекс Na+ с 15-краун-5) |
| Диполь – диполь | 5 – 50 | Карбонильные соединения (ацетон); HCl, SO2 в жидком и твердом состоянии |
| Водородная связь | 4 – 120 | Вода, уксусная кислота, ДНК |
| Катион – π | 5 – 80 | Взаимодействие между катионом К+ и бензолом |
| π-стекинг | 0 – 50 | Молекулы бензола в кристаллах, графит |
| Силы Ван-дер-Ваальса | 0.8 – 25 | Молекулярные кристаллы Ar, Cl2, I2 |
| Гидрофобные взаимодействия | Водные суспензии латексов, жировых эмульсий |
ЛИТЕРАТУРА
1. Малинецкий Г.Г. Синергетика – от прошлого к будущему. http://www.rusnor.org/pubs/articles/7919.htm (дата обращения: 03.11.2014).
2. Фейнман Р.Ф. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики. Пер. с англ. // Российский химический журнал. – 2002. Т.XLVI, №5. – C. 4-6.
3. Бинниг Г., Рорер Г.Сканирующая туннельная микроскопии – от рождения к юности. Нобелевские лекции по физике // Успехи физических наук. – 1988. Т. 154, вып. 2. – С. 261-278.
4. Drexler E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, New York: Anchor Books, 1986.
5. Kroto H.W., Heath J.R., O’Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E. // Nature. 1985. V. 318. P. 162.
6. Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г. // ДАН СССР. 1973. T. 209. C. 610.
7. Iijima S. Helical microtubules graphitic carbon // Nature, London. 1991. V. 354. Р. 56-58.
8. Радушкевич Л.В., Лукъянович В.М. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте // Журнал физической химии. – Т.26, №1. 1952. – С.88-95.
9. Taniguchi N. In Proceedings of the International Conference on Production Engineering. Pt. 2. Jpn. Soc. Press (Eng.), Tokyo, 1974.
