Фундаментальные основы. 
Достижения современного естествознания в области нанотехнологии

Методы атомно-силовой микроскопии Микроигла в консолях для сканирования в микроскопах Основным инструментом для работы в области микрочастиц на атомно-молекулярном уровне являются микроскопы. Исторически без микроскопа не возможно рассмотреть и познать микромир. Повышение разрешающей способности микроскопа и расширение знаний о элементарных частицах происходят одновременно. В настоящее время с помощью микроскопов: атомно-силового микроскопа (АСМ), cканирующего электронного микроскопа (СЭМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона .

При выполнении указанных действий по перемещению, соединению или разъединению атомов или молекул возникает ряд технических трудностей. Для их преодоления, например, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10?11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4−10 К), поверхность подложки должна быть чистой и гладкой на атомарном уровне. Поэтому применяются специальные технологии её механико-химической обработки. С целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов производится охлаждение подложки.

Отличительная особенность новых материалов в прцессе применения нанотехнологий при их получении — это непредсказуемые получаемые физикотехническме характеристики, которые они приобретают. В связи с этим появляется возможность получения новых квантовых физикомеханических характеристик в веществах, у которых меняются обычные электронные структуры, что меняет обычную форму проявления в новых соединениях. Например, возможность уменьшения размера частицы не всегда поддаётся определению и замерам размеров элементарных частиц при помощи макро-микро измерений. Однако, это становится возможным, когда диапазон размеров наночастиц находится в зоне миллимикронов. Определенное количество физикомеханических свойств также изменяется с изменением размеров макроскопических элементов. В настоящее время новые необычные механические свойства наноматериалов — предмет исследования наномеханики. Особое место в нанотехнологиях получения новых веществ занимает применение катализаторов, влияющих на необычное поведение наноматериалов во взаимодействии с биоматериалами.

Частицы, размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют наночастицами. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, получены прозрачные керамические материалы на основе нанопорошков размерами 2—28нм cо свойствами, лучшими, чем у крона (коэффициент преломления n=2,08 вместо n=1,52) и др. Получено взаимодействие искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также проявляет небывалые ранее важные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

Трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.;

двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.;

одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д.

Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, который применяется в электронике. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных покрытий-плёнок (CVD, ALD) в виде монослоёв.

Важнейшей задачей, стоящей перед НТ — как заставить молекулы или атомы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Возлагается надежда на то, что природа действительно имеет подобные системы и в ней осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула, А или Б. Имеем 2 вещества: ——А и ——Б, где —— — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы, А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса. Молекулярная НТ, иногда называемая молекулярным производством, рассмативает вопросы проектирования наносистем (машин), работающих и управляющих наночастицами на атомно-молекулярном уровне. Это особенно важно для создания машин, способных производить другие машины, позволяющие воспроизводить нужную последующую систему, более приспособленную к новым требованиям. Производство должно размежеваться от обычных технологий, например, изготовления углеродных наноматериалов типа фуллеренов и др.

Применение наночастиц и наноматериалов становятся во многих отраслях производства (керамика, металлургия) всё более эффективным. В настоящее время исследование наноматериалов стало одним из главных направлений работы многих научных коллективов.

Частицы малых размеров (атомы, молекулы и наночастицы, с размероми несколько нанометров, обладают склонностью к агрегации и слипанию, что мешает их использованию. Они часто образуют агломераты под действием сил поверхностного натяжения, электростатического взаимодействия (электризация). Возможный путь решения проблемы — использование веществ—дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.