Зыбкая экзотика нанофизики

Еще недавно сведения о наночастицах определенного размера были академической экзотикой, но сейчас они остро необходимы технологам, заново изучающим свойства давно известных химических элементов.

В самое ближайшее время в России в той или иной степени примут грандиозную программу по нанотехнологии с невероятным для нашей нынешней науки объемом финансирования. По крайней мере, споры о форме поддержки идут на самом высоком уровне. Помощь государства дает шанс избежать <отставания навсегда> российской технологии, аналогичного тому, которое было предопределено в 70-е годы в традиционной микроэлектронике и исправляется теперь с огромным трудом. Например, лучшие российские микросхемы производятся сейчас с разрешением в 0,22 микрона (220 нанометров), что соответствует мировому уровню ведущих производителей 1998 года, в то время как на любом компьютерном рынке уже имеются в продаже изделия, изготовленные с разрешением 90 нанометров.

Приставка <нано> сейчас самая <грантообразующая> во всем мире - о государственном финансировании исследований по нанотехнологиям в США уже упоминалось.

Для физиков и химиков объекты с размерами в данном диапазоне стали объектами исследования задолго до 1974 года. Наиболее старые <нанонауки> - квантовая механика и коллоидная химия. Однако долгое время все методы исследования нанообъектов были косвенными - анализ спектров, рассеяния света и других видов электромагнитного излучения. Когда же ученые добрались до более-менее прямых методов исследования, выяснилось, что физика наномира оказалась более сложной, чем ожидали и теоретики, и экспериментаторы.

К 80-м годам ХХ века для отдельных атомов и не очень больших молекул, находящихся либо в вакууме, либо в избытке твердого инертного газа при низких температурах, удалось предложить теоретическое описание, вполне совпадающее с экспериментальными данными. Созданная еще в XIX веке классическая термодинамика прекрасно описывала свойства граммовых (и более) количеств вещества, находящегося в равновесии со своим окружением.

В итоге физики могли хорошо описать вещество либо на уровне отдельных атомов, либо состоящее из бесконечного числа связанных атомов.

Физика твердого тела, особенно для кристаллических структур, считалась почти завершенной теоретической и экспериментальной наукой к 1986 году, однако открытие высокотемпературной сверхпроводимости заставило пересмотреть считавшуюся классической теорию.

Быстрое развитие физики микро- и нанообъектов началось после создания в 1958 году первой интегральной микросхемы. При производстве микросхем пришлось учитывать, например, что удельная электропроводность относительно широких (микроны), но тонких (нанометры) металлических пленок существенно отличается от таковой для массивных металлов - проводимость пленки ниже из-за соударений ее электронов с близко расположенными поверхностями. Пришлось развивать теорию и накапливать новые экспериментальные данные.

При совершенствовании технологических процессов возникли новые проблемы. Тонкие пленки деталей микросхем обычно получают конденсацией в вакууме паров соответствующего вещества на кремниевую пластину. Долгое время считалось, что уменьшению ширины тонкопленочных элементов будут препятствовать особенности фотолитографического процесса - необходимость использовать все более коротковолновый свет и трудность совмещения фотошаблонов.

Однако при размерах частиц металлов менее 50 нанометров (несколько сотен атомов) началось резкое изменение их свойств.

Например, при уменьшении размеров частиц золота до 2 нм (примерно 15 атомов) его температура плавления уменьшается с 1065°С до 200°С. Такие наночастицы металла, даже соприкасаясь друг с другом, почти не проводят электрический ток, потому что образуют замкнутые электронные системы из нескольких десятков атомов. У этих частиц фактически исчезает главная причина всех <металлических> свойств - свободные электроны.

Подобная потеря привычных свойств предсказана физиками давно - известно, что потенциал ионизации (энергия отрыва электрона от единичного атома) намного больше, чем работа выхода (энергия отрыва электрона от куска того же металла). Например, у золота потенциал ионизации равен 9,2 эВ, а работа выхода - только 4,3 эВ. Неожиданным оказался факт, что при увеличении числа атомов в частице потенциал ионизации уменьшается не равномерно, а зависит, например, от того, четное или нечетное число атомов содержится в ней.

Еще недавно такие сведения были академической экзотикой, но сейчас они остро необходимы технологам, заново изучающим свойства давно известных химических элементов.

Соответственно, накопленные за многие десятилетия данные о физико-химических характеристиках веществ приходится существенно дополнять, а иногда собирать заново.

Хорошо знакомая всем <технарям> классическая термодинамика позволяет предсказывать направление и результаты самых разнообразных процессов - от работы бытового холодильника до крупнотоннажных химических производств. Термодинамическое описание строго применимо только к идеальным системам - состоящим из бесконечного числа частиц (однородным), не обменивающимся с окружающей средой ни веществом, ни энергией (изолированные системы). Однако при этом термодинамические предсказания, сделанные на основании относительно небольшого числа сведений о различных веществах, обеспечивают точность, достаточную для самых разнообразных технологий.

В наномире основные предпосылки классической термодинамики потеряли свою строгость и незыблемость. Энергия беспорядочных тепловых движений становится достаточной для перемещений наночастиц, и в результате появляются сообщения о нарушении второго закона термодинамики.

В отличие от второго закона термодинамики, другое ее базовое понятие - температура - хорошо знакомо и тем, кто не изучал физическую химию. Однако в наномире, особенно для малых протяженных объектов, смысл температуры, как параметра, способного выравниваться благодаря теплопроводности, утрачивается. В одном из самых популярных объектов - углеродных нанотрубках - можно было бы говорить об одномерной температуре, но даже вдоль трубки она не выравнивается из-за случайных колебаний.