Задания Первой городской Студенческой олимпиады
по нанотехнологиям
6 апреля 2008 г.
Казань
Организаторы:
МОО "Казанский клуб нанотехнологий"
Казанский государственный университет им. -Ленина
Казанский государственный технологический университет
Казанский государственный технический университет
им.
Министерство образования и науки РТ
-производственный технопарк «Идея»»
№ 1 Гигантское магнетосопротивление
Автор: Мунавиров Булат
Нобелевскую премию 2007 года по физике получили европейские ученые Альбер Фер и Петер Грюнберг, независимо друг от друга открывшие эффект гигантского магнетосопротивления. Открытие стало важным шагом в развитии технологии хранения информации. За необычайно короткий срок удалось перейти от лабораторных образцов к промышленному использованию эффекта гигантского магнетосопротивления в считывающих головках жестких дисков.
Гигантское магнитное сопротивление — квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоёв. В такой системе эффект проявляется в существенном уменьшении электросопротивления в присутствии внешнего магнитного поля.
Физическая природа этого эффекта связана с зависимостью рассеяния электронов проводимости от направления спинов. (Электрон – элементарная частица со спином ½, следовательно, в магнитном поле может принимать две ориентации – «по полю» (↑) и «против поля» (↓)). Имеется в виду, что для двух типов электронов проводимости, ферромагнетик (вещество, которое даже в отсутствии внешнего магнитного поля обладает намагниченностью) имеет различное электрическое сопротивление. Иными словами эффективно существует два канала проводимости с различными электрическими (R↑ и R↓) сопротивлениями для электронов с различными ориентациями спинов.
Таким образом, если две тонкие пленки, изготовленные из ферромагнитного материала (например, Fe или Co), как это показано на рисунке, разместить по обе стороны от пленки, выполненной из проводящего немагнитного материала (например Cu), то результирующее электрическое сопротивление такого устройства будет зависеть от ориентации намагниченности в ферромагнитных слоях. В условиях отсутствия внешнего магнитного поля намагниченность в двух соседних ферромагнитных слоях стремится принять антипараллельную ориентацию. Под воздействием же внешнего магнитного поля намагниченность обеих пленок стремиться выстроиться «по полю». Сказанное выше можно проиллюстрировать в виде эквивалентной схемы, приведенной на том же рисунке.
Вопросы:
1. Как указанное явление можно использовать в качестве устройства для хранения информации?
2. Как это реализуется в производстве жестких дисков?
3. Зачем нужен промежуточный слой?
4. Посчитайте суммарное сопротивление эквивалентных схем приведенных на рисунке.
5. Существует ли ограничение на размеры слоев материалов? Чем оно вызвано?
№ 2 Углеродные нанотрубки
Автор: Эмиль Булатов
Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до сотен микрометров состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. Эти полимерные системы впервые обнаружили более 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60.
Общие свойства УНТ.
Диаметр нанотрубок составляет обычно от 0.4 до 2.5 нм. Наиболее часто встречающийся диаметр – 1.5 нм. Длина УНТ ограничивается только методом получения и специфическими условиями проведения синтеза. УНТ целиком состоит из шестиугольников атомов углерода, за исключением концов, закрытых полусферами фуллерена. При получении УНТ, как правило, оказываются объединенными в пучки. Они стабильны на воздухе до 750 °С и до 1500-1800 °С в инертной атмосфере. Их плотность в два раза меньше, чем у алюминия. УНТ имеют форму свернутой трубки, в которой атомы углерода очень прочно связаны между собой. УНТ очень устойчивы к механическим деформациям. Предел прочности на разрыв в 20 раз больше, чем у стали, и может достигать 45 ГПа. Очень часто УНТ окисляют различными методами, и добиваются, таким образом, введения функциональных групп на поверхность трубки. Как правило, это карбоксильные и гидроксильные группы. Далее по этим группам можно присоединять различные молекулы, в том числе биологически-активные.
УНТ обладают очень высокой площадью поверхности, которая может достигать 1000 м2/г. Углеродные нанотрубки могут обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами. Электронная структура одностенных УНТ зависит от ориентации графитовой сетки по отношению к оси трубки, а также от радиуса кривизны закрученного листа графита.
Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.
По значению параметров (n, m) различают
1. прямые (ахиральные) нанотрубки
a. кресельные или «зубчатые n=m
b. зигзагообразные m=0 или n=0
2. спиральные (хиральные) нанотрубки (0 ≤ m < n, n≥0)
Рис. 2
На рис.2 пунктиром отмечена та область листа графита, которая при сворачивании и наложении друг на друга двух темных шестиугольников образует нанотрубку.
Различные методы сворачивания листа графита в нанотрубку математически описываются вектором спиральности Ch и углом спиральности θ. Также важной характеристикой нанотрубки является ее диаметр D.
Здесь
n и m – множители единичных векторов a1 и a2, из которых состоит вектор OA;
aCC- длина связи углерод-углерод.
Так как Ch, D и θ могут быть выражены через параметры n и m, то этих двух параметров достаточно, чтобы описать любую одностенную УНТ.
Вопросы:
1. Почему диаметр подавляющего большинства одностенных углеродных нанотрубок варьируется в пределах 0.4 - 2.5 нм? Определите какие числа n и m соответствуют диаметру 2,5 нм для зигзагообразных и кресельных нанотрубок?
2. Почему углеродные нанотрубки образуются в виде пучков с гексагональной структурой? Какие силы удерживают нанотрубки вместе?
3. Исходя из рис.2, получите значения n и m.
4. Определите значения θ, для каждой из структурных модификаций углеродных нанотрубок.
Рис.3 Пучки УНТ
5. Почему длина связи С-С в углеродных нанотрубках имеет промежуточное значение между длиной связи С-С в графите (1.41 Å) и длиной связи С-С в шестигранниках фуллерена С60 (1.44 Å)?
6. Как применяются углеродные нанотрубки в следующих областях:
- «зонды» для АСМ
- полевых транзисторах
- химических и биологических сенсорах
- катализе
- системах хранения и разделения газов
- композитных материалах?
№ 3 Получение и строение наночастиц золота
Автор: Алмаз Загидуллин.
Наночастицы (НЧ) металлов занимают промежуточное положение между отдельными атомами и «массивным» металлом. Благодаря ряду особенностей, связанных с их размерами и внутренним строением, они обладают уникальным сочетанием электрических, магнитных, оптических, каталитических и других свойств, не характерных для «массивных» металлов.
Наночастицы золота - это система, состоящая из большого числа атомов золота, размер которой лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. В НЧ металлов реализуется и металлический, и ковалентный тип связи (рис. 1).
Рис. 1. Наночастицы золота
В чем же состоит огромный интерес к НЧ золота? Во-первых, их свойства сильно отличаются от свойств объемных образцов металла: так, если обычное золото является диамагнетиком, т. е. совсем не проявляет магнитных свойств, то НЧ золота ведут себя как ферромагнитные частицы. Во-вторых, оказалось, что НЧ золота можно использовать для диагностики рака. Связанные НЧ хорошо рассеивают и поглощают свет, поэтому место локализации опухолевых клеток легко увидеть с помощью микроскопа (рис. 2). Благодаря этим свойствам НЧ золота в перспективе могут применяться в медицине.
Рис. 2.
Оптические свойства коллоидных НЧ металлов обуславливаются плазмонными колебаниями электронов в металлах. При этом спектры поглощения малых кластеров характеризуется интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных металлов. Именно линии плазмонного резонанса для металлов навели на мысль об использовании кластеров серебра и золота в качестве флуоресцентных маркеров для исследования биологических объектов.
На рис.3 показаны спектры поглощения поверхностных плазмонов для кластеров золота в матрице аргона. Размеры НЧ указаны на рисунке.
Рис. 3
Вопросы:
1. Каким образом здесь проявляются размерные эффекты? (Размерные эффекты – свойства объектов, которые зависят от размеров самого объекта).
Вследствие вышесказанного, получение и исследование наночастиц золота в настоящее время является актуальной задачей. Метод Брюста-Шифрина позволяет легко получить термически стабильные и устойчивые на воздухе НЧ золота с размерам от 1.5 до 5.2 нм. Методика их получения сводится к следующему.
Водный раствор HAuCl4 смешивают с раствором бромида тетра-н-октиламмония [N(C8H17)4]+Br– в толуоле. Полученную смесь обрабатывают додекантиолом C12H25SH, а затем прибавляют избыток NaBH4. Об образовании коллоидной системы свидетельствует мгновенное отчетливое потемнение толуольной фазы смеси. Полученные наночастицы могут быть выделены и повторно переведены в раствор с помощью органических растворителей без необратимой агрегации.
2. Является ли описанный способ получения наночастиц золота диспергированием (подход сверху-вниз) или агрегацией (подход снизу-вверх)?
3. В чем заключается роль каждого химического реагента в данном синтезе? Какие процессы происходят в ходе образования НЧ золота?
4. От чего зависит размер частиц, получаемых в ходе данной реакции по методу Брюста-Шифрина?
НЧ металлов с защитным монослоем, где есть металлическое ядро многогранной формы, и непосредственно окруженный самособирающийся органический монослой, являются многообещающими материалами для создания биомакромолекулярных рецепторов (рис. 4). Распознавание биомакромолекулярных поверхностей искусственными рецепторами дает возможность регулирования таких важных взаимодействий, как: белок-углевод, белок-белок, и белок-нуклеиновая кислота (рис. 5). На рис. 4 представлена модель такой НЧ – рецептора.
|
|
|
|
Рис.4
Рис. 5
5. На рис. 4 отдельные части рецептора показаны стрелками. Поясните какова функция каждого слоя, из каких фрагментов может состоять каждый слой?
В ряду НЧ благородных металлов есть так называемые «магические числа». Все атомы "магических" НЧ крепко связаны между собой, что придает им необходимую стабильность. Например, для щелочных металлов магические числа – 8, 20 и 40 (кластеры Na8, Na20, Na40), для углеродных кластеров – 60, 70 (фуллерены С60 и С70), 90 и т. д. А для благородных металлов – 13, 55, 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869.
6. В чем, на ваш взгляд, причина появления именно таких магических чисел? В чем причины различия «магических чисел» для щелочных, благородных металлов и углеродных кластеров?
№ 4 Задача о процессоре
Автор: Рамиль Валитов
Толчком к развитию электроники стало изобретение транзистора в 1947 г. Транзистор – это полупроводниковое устройство для усиления, генерирования и преобразования электрического сигнала. Потом стали производить микрочипы (интегральные микросхемы) – миниатюрная электронная схема произвольной сложности, состоящая в основном из транзисторов и пассивных элементов, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус (рис. 1).
Рис. 1
Дальнейшее развитие электроники привело к созданию центрального процессора (англ. CPU) — процессора машинных инструкций, части аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающего за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс. Современные процессоры, выполняются в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, и называются микропроцессорами (рис. 2, 3).
Рис. 2 Рис. 3
Для увеличения производительности процессоров увеличивают число транзисторов, располагаемых на чипе, фиксируя размер процессора. Нанотехнологии помогают достичь требуемых результатов.
Развитие компьютеров происходит очень быстро и описывается законом Мура – эмпирическим наблюдением, сделанным в 1964 году Гордоном Муром (одним из основателей Intel). Он высказал предположение, что число транзисторов на чипе будет удваиваться каждые 24 месяца.
Вопросы:
1. Написать формулу для закона Мура в виде f(x), где f – предполагаемое число транзисторов, x – год, x ≥ 1971, если известно, что первый микропроцессор Intel 4004, созданный в 1971 г., имел 2300 транзисторов.
2. С помощью формулы найти число транзисторов, устанавливаемых сейчас на чипах.
3. Очевидно, что увеличение числа транзисторов имеет предел, когда будет достигнуто максимально возможное число транзисторов на чипе. Тогда наступит так называемая «технологическая сингулярность». Учитывая, что при создании микропроцессора используется кремний (диаметр его атома имеет порядок 0,2 нм), а размеры чипа 16×18 мм2, определить год, когда наступит технологическая сингулярность.
4. Зависит ли мощность процессора лишь от числа транзисторов на нем? Аргументируйте свой ответ.
5. Какие трудности могут возникнуть при уменьшении характерных размеров чипов до десятков нанометров (с точки зрения классической физики). Концентрация носителей заряда ~ 1017см-3.
№ 5 Задача о переключателях
Авторы: Рамиль Валитов, Гульназ Сафина
В современных компьютерах передача информации происходит путем преобразования входящего электрического сигнала в двоичную систему исчисления и выполнения преобразований на транзисторах, путем использования простейших логических операторов NOT (отрицание), AND (конъюнкция), OR (дизъюнкция).
Концепция двоичной системы исчисления может быть применена не только к электрическим, но и химическим, оптическим и другим видам сигналов. Некоторые органические молекулы способны под воздействием химических, электрических или оптических воздействий изменять свое строение (переход одного изомера в другой, кислотной формы в основную; окисленной формы в восстановленную). В результате воздействия наблюдается изменение химических, электрических и/или оптических характеристик молекулы.
Молекулы, способные преобразовывать входящее возбуждение в определяемый выходной сигнал называются молекулярными переключателями.
Например, на рис.1 представлены три соединения, способные переходить друг в друга в определенных условиях (воздействие ультрафиолетового, видимого света или изменение кислотности среды – «входные сигналы»). Исходящими сигналами является изменение окраски смеси (поглощение при 401 нм (желто-зеленый цвет) или поглощение при 563 нм (фиолетовый)), соответствующее преобладанию в смеси соединения 2 и 3 соответственно.
Рис. 1
Рис. 2
Вопросы:
1. На рис. 1 изображено соединение в трех формах. Сопоставьте каждое изображение соединением на рис. 2.
2.
Рис. 3
На рис. 3 изображена схема из 4 переключателей (серые прямоугольники). Известны входящие и исходящие сигналы (белые прямоугольники). Нужно определить, какие логические операции выполняют переключатели (логические операторы NOT, AND и OR).
3. Нужно нарисовать схему (подобно рис. 3), состоящую из минимального числа переключателей NOT, AND, OR, которая на входе получает два сигнала и возвращает один результирующий следующим образом:
Входящий сигнал A | Входящий сигнал B | Результат |
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 1 |
4. Кроме «классических» операций NOT, AND и OR часто бывают полезны и широко используются другие операции, представленные в таблице. Нужно для каждой операции из таблицы составить эквивалентное выражение с использованием операций NOT, AND, OR, если такое представление возможно.
Название операции | Аргумент A | Аргумент B | Результат |
XOR (исключающее ИЛИ) | 0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 | |
1 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 0 | |
Импликация | 0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 | |
1 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | |
Равносильность | 0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 | |
1 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 1 | |
Штрих Шеффера | 0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 | |
1 | 0 | 1 | |
1 | 1 | 0 | |
Стрелка Пирса | 0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 | |
1 | 0 | 0 | |
1 | 1 | 0 |
№ 6 Сканирующая зондовая микроскопия
Автор: Рамиль Кашапов
Сканирующая зондовая микроскопия - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для развития нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами.
Сканирующий туннельный микроскоп – первый из семейства зондовых микроскопов, был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный метод исследования поверхности с атомарным разрешением. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике.
Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. При подведении зонда к поверхности образца образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда φP и образца φS. Барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выходаматериалов:
Вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна:
где A0 - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At - амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; Z - ширина барьера.
Если приложить к туннельному контакту разность потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток. В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми F E . В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока (в одномерном приближении) имеет вид:
Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а, именно, экспоненциальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. Это используется в двух режимах СТМ: измерение изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (используется чаще) (схема a) или измерение туннельного тока при поддерживании расстояние Z от острия до поверхности образца постоянным (схема б):
Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного
туннельного тока (а) и постоянной высоты (б)
Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.
Вопросы:
1. Как стало ясно, сердцем сканирующего туннельного микроскопа является зонд, а точнее его кончик. Дайте описание и объяснение получения изображения в случае нахождения на кончике двух атомов, а не одного.
2. Можно ли будет такой иглой работать в режимах постоянного туннельного тока и постоянной высоты?
3. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. Что происходит с кончиком иглы при работе на воздухе?
4. Возможно ли измерение локальной работы выхода методом СТМ, если можно, то как?
5. Что можно извлечь полезного измеряя вольт-амперные характеристики туннельного тока?
№ 7 Задача о нанокомпьютере
Автор: Рамиль Валитов
Японским ученым из Национального Института Материаловедения в Цукубе удалось сделать шаг вперед в нанороботехнике. Они смоделировали молекулярную систему (рис. 1), состоящую из 16 молекул дурохинона (2,3,5,6-тетраметил - 1-4-бензохинон (C10H12O2), рис. 2), формирующих кольцевую структуру, и одной молекулы дурохинона в центре. Центральная молекула играет роль «командного центра», т. к. именно через нее происходит распространение сигнала на все окружающие молекулы. Молекула дурохинона имеет 4 боковые цепи, которые можно независимо вращать, получая таким образом 4 независимых положения или «состояния» молекулы.
Рис. 1 Рис. 2
На текущем этапе распространение сигнала происходит с помощью электрических импульсов, поступающих на центральную молекулу с зонда туннельного сканирующего микроскопа. Указанная работоспособность системы была проверена учеными – к системе подсоединили молекулярные машины, которые одновременно реагировали на воздействие.
На смоделированную молекулярную систему возлагаются большие надежды. Например, предполагается, что ее можно использовать при создании нанопроцессора. Современный компьютерный процессор (чип) представляет собой набор транзисторов – это полупроводниковые устройства для усиления, генерирования и преобразования электрического сигнала. Увеличение числа транзисторов на чипе, как правило, приводит к увеличению производительности процессора. Очевидно, что представленная молекулярная система может рассматриваться как молекулярный аналог транзистора, позволяя таким образом создавать чипы с огромным количеством транзисторов и высочайшей производительностью. Положение молекул (их ориентация) определяет логическое состояние транзистора.
Другая перспективная идея использования данной системы – создание устройств для хранения информации, т. е. ультракомпактных и сверхвместительных дисков, которые в будущем смогут заметить существующие технологии магнитных жестких дисков, CD, DVD или Blu-Ray. В этом случае молекулярная система будет являться кластером данных.
Вопросы:
1. Будем полагать, что прохождение сигнала через кольцевую молекулу нанотранзистора приводит к выполнению одной элементарной операции. На рис. 3 представлен набор нанотранзисторов. Первоначальный импульс подается на центральную молекулу нанотранзистора А. Линиями на рисунке указан способ соединения нанотранзисторов, т. е. каким образом сигнал будет распространяться между нанотранзисторами. Считается, что нет обратной связи – сигнал между транзисторами может передаваться только в одном направлении – от периферийной молекулы одного транзистора к центральной молекуле другого. Сколько операций выполнит данный чип за один импульс?
Рис. 3
2. Пусть имеется чип, состоящий из 4 разных транзисторов, каждый из которых может выполнять один тип арифметической операции: сложение, вычитание, умножение или деление. Будем считать, что за один такт работы такого чипа, получает сигнал и выполняет работу лишь один, «активный» транзистор. Выбор этого транзистора произволен и зависит от выполняемой задачи. Нужно определить, какое минимальное число тактов затратит чип на проведение следующего расчета:
A=B+C
D=A*B+C
E=A*B*C*D
F=(E+D)/(B+C)+3
G=F^18
Знак ^ - обозначает возведение в степень.
3. Сколько бит информации содержит один кластер (наша молекулярная система)?
4. Предложите оптимальную систему кодирования текста (набора символов, состоящего из букв русского языка без учета регистра, символа пробела, точки и запятой), используя рассмотренную молекулярную систему. Под оптимальностью подразумевается «плотное» кодирование, полностью полезно использующее доступное информационное пространство, без дублирования информации и оставления «пустых» участков. Закодируйте с помощью Вашей системы слово «НАНО». Сколько места (в битах и молекулах дурохинона) занимает это слово? Сколько символов можно закодировать в одном кластере, используя Вашу систему?
5. За счет каких сил происходит взаимодействие центральной молекулы кластера с периферийными?
6. Какие другие «молекулярные» методы для хранения информации Вы знаете или можете предложить?
№ 8 Оно нам «нано»?
Автор: Эмиль Булатов
Сейчас повсюду слышно только о том, какую пользу принесет нам развитие нанотехнологий, что они совершат новую научно-техническую революцию. Ученые-фантасты в радужных тонах описывают наше будущее, где благодаря прогрессу в нанотехнологиях будут решены почти все проблемы, не будет болезней, энергия будет доступной, не будет недостатка в пресной воде.
Но зачастую мы даже не задумываемся об обратной стороне медали. Нанотехнологии могут быть не только полезны для общества, но и чрезвычайно опасны. Не даром почти одновременно с началом бума нанотехнологий по всему миру, у ученых начали появляться и опасения по этому поводу.
Вопросы:
1. Представьте на мгновение, что перед Вами – совершенно неподготовленный человек. Докажите ему, что интенсивное развитие нанотехнологий может в будущем оказать негативное воздействие на мир вокруг нас.
2. Каким образом можно оградить человечество от нежелательных результатов развития нанотехнологий?
№ 9 ЗАДАЧА О НАНОДВИГАТЕЛЕ
Автор: Ефимов Михаил ©
На рисунке показана схема нанодвигателя, предложенного одним из участников семинара по нанотехнологиям. Двигатель устроен следующим образом: в двух сферических молекулах фуллерена Сn, соединенных двумя углеродными нанотрубками с камерой сгорания, стенки которой также построены из углерода, находятся молекулярный водород и фтор. На двигателе закреплена молекула металлокомплекса, в состав которого входят атомы железа в нулевой степени окисления. Ожидаемый принцип действия состоит в следующем: при помещении в однородное магнитное поле этот и все остальные нанодвигатели приобретут одинаковую, и заданную приложенным магнитным полем, ориентацию в пространстве – эта роль возлагается на атомы железа. Клапаны нанотопливопроводов устроены так, что при воздействии того же магнитного поля (предполагается, что его напряженность будет выше, чем у естественного магнитного поля) клапаны откроются и в камеру сгорания станут попадать молекулы окислителя и восстановителя, продукты реакции между которыми, выбрасываясь из сопла, приведут к согласованному, направленному движению всех описываемых нанообъектов.
Ответьте на следующие вопросы и опишите, какие причины могут помешать или сделать невозможным функционирование двигателя так, как это описано в условии.
1. Будут ли двигатели ориентироваться в пространстве так, как это задумано? Предложите ваш вариант преодоления возникшего затруднения.
2. Частицы вещества, содержащиеся во внутренних объемах двигателя, могут покинуть его лишь через сопло, т. е. уже при простом истечении частиц вещества должна возникать реактивная тяга. Можно ли наполнить нанобаки атомами гелия, для использования двигателя там, где появление молекул HF нежелательно?
3. Предложите, каким именно образом можно осуществлять заправку подобного двигателя. В частности, если необходимо заправить оба бака гелием, можно поместить роботов в баллон, приложить внешнее магнитное поле, чтобы клапаны открылись, а затем закачать в баллон газообразный гелий под давлением. После снятия внешнего поля, клапаны закроются, и заправку можно считать законченной. Как действовать в том случае, если необходимо заправить в нанобаки разные газы?
4. Как вы думаете, предложенный двигатель будет конструкцией многоразового использования? Безотносительно данной задачи предположите, насколько применимо понятие ресурса для нанообъектов (нанороботов). Каким образом можно обсуждать вопросы ресурса, когда это понятие необходимо применить для громадного количества однотипных объектов?
№ 10 ВХОД-ВЫХОД
Автор: Ефимов Михаил ©
Реакция между соединениями А и В может приводить к образованию нескольких продуктов, в зависимости от того, как будут ориентированны относительно друг друга реагенты А и В в момент столкновения. Для селективного синтеза заданного продукта реакции А с В, был создан наноробот, способный ориентировать обе молекулы строго определенным образом. Робот представляет собой трубочку, отверстия с обеих сторон которой имеют конфигурацию, делающую возможным проникновение и последующее столкновение внутри робота, пары А и В единственным возможным способом, причем именно таким, что необходим для синтеза целевого продукта. Автор конструкции данного робота учел и тот факт, что не все парные столкновения молекул приводят к образованию продукта. Суммарная энергия сталкивающихся частиц должна превышать некий уровень, который физико-химики называют энергией активации. Чтобы повысить эффективность наносборщиков, автор стал думать, как можно заставить робота пропускать внутрь трубочки-реактора молекулы, имеющие некоторый избыток энергии, так чтобы суммарной энергии частиц А и В гарантированно хватило для преодоления активационного барьера и образования требуемого продукта реакции.
Вопросы:
1. Как бы вы подошли к решению этой задачи.
2. Какие фундаментальные принципы могут помешать вам осуществить задуманное и как их можно обойти?
3. Назовите имя известнейшего ученого, жившего в XIX веке, размышлявшего над возможностью существования подобной наноконструкции.
4. Как называлось произведение братьев Стругацких, где описывался макроаналог нашего робота. Какую функцию выполнял этот макроаналог?
№ 11 ЗАДАЧА О НАНОРОБОТЕ
Автор: Ефимов Михаил ©
Представьте, что вам необходимо создать наноробота, способного передвигаться на ножках по поверхности. Ну, например, наночистильщика, который смог бы удалять «отравляющие» соединения с гладкой твердой поверхности какого-либо гетерогенного катализатора, восстанавливая при этом каталитическую активность последнего. В качестве ножек робота предполагается использовать молекулы, при изменении конформаций которых будет происходить изменение положения ножки в пространстве. Наши собственные мышцы работают примерно по такому же принципу – электрический импульс является причиной изменения конформации мышечного белка, массовый переход молекул белка в более компактную форму воспринимается нами как мышечное сокращение. Однако, в микромире нас поджидает одна особенность – подошвы ножек робота входят в тесный контакт с поверхностью, и силы возникающие между ними могут превышать энергии конформационных переходов. Говоря простым языком – робот может намертво прилипнуть ножками к поверхности.
Вопросы:
1. Как вы полагаете «прилипание» робота – реальная или мнимая угроза? Вспомните, что существуют макрообъекты – вид гекконов, лапки которых способны входить в столь тесный контакт с поверхностью, что возникающие Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, позволяют ящерице бегать по потолку.
2. Как можно справиться с таким прилипанием?
3. Предложите принципиальную конструкцию наноробота, способного успешно перемещаться по поверхностям. Как вы оцениваете перспективность наноробота на гусеничном ходу?
