Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Э

Экситон (лат. exciW — возбуждаю) – элементарная квазичастица (связанное состояние «электрон-дырка»), выступающая как целое образование и возникающая в веществе при наличии небольшого количества атомов примеси, обеспечивающих дополнительные уровни энергии в запрещенной зоне, за которые электрон может зацепиться и остаться в запрещенной зоне, взаимодействуя с дыркой посредством электростатических сил. В экситоне может наблюдаться пятое состояние вещества – конденсат Бозе-Эйнштейна.

Элемент Пельтье (англ. Thermoelectric Cooler, TEC)  – термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье – возникновении разности температур при протекании электрического тока. Обратный механизм называется эффектом Зеебека.

Энзимы (ферменты) (греч. зиме – дрожжи, лат. fermentum)  – белковые молекулы или их комплексы (молекулярные машины), ускоряющие химические реакции в живых системах.

Энтропия (греч. энтропия — поворот, превращение) – мера неупорядоченности больших систем. Например, в теории тепловых машин – та часть энергии, которая рассеивается в пространстве, не совершая полезной работы.

Эпитаксия (греч. эпи — на и таксис — упорядоченность) – технология выращивания (нарастания) на поверхности моно-кристаллических тонких пленок в соответствии с кристаллической структурой подложки (каждый последующий слой имеет ту же ориентировку, что и предыдущий).

Эффект безызносности (избирательный перенос при трении)  – возникает в результате протекания химических и физических процессов на поверхности контактирующих тел, приводящих к образованию на них самоорганизующихся систем толщиной около 100 нм, которые обеспечивают автокомпенсацию износа и снижение коэффициента трения.

Эффект Холла – явление, заключающееся в том, что в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля.

В начале пути

Там… внизу… еще очень много места…

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике (1959 год)

Во времена Аристотеля считалось, что мир состоит из четырех элементов (стихий) – воды, земли, огня и воздуха. Этого положения было достаточно, чтобы с той или иной степенью точности объяснить окружающий мир и обеспечить существование человечества всем необходимым на тот период времени.

Ориентировочно в 400 году до н. э. греческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из особых конечных частиц, которые он назвал атомами. Это было гениальным предположением, опередившим науку на два тысячелетия. Даже после опубликования в 1661 году английским химиком Робертом Бойлем (Robert Boyle) книги, открыто отвергающей учение Аристотеля (философскую основу основ тогдашней науки – алхимии, химии и физики), потребовалось еще несколько веков, чтобы подтвердить догадку древнегреческого философа. Бойль в своей книге утверждал, что все состоит из «корпускул» (лат. corpusculum – частица) – мельчайших частиц материи или эфира, образующих в разных комбинациях окружающие нас вещества, но, естественно, доказать данный факт на тот период было невозможно.

Джозеф Джон Томсон (Joseph John Thomson) в 1897 году, экспериментируя с электродами, помещенными в трубку с откачанным воздухом, открыл отрицательно заряженные частицы – электроны, имеющие массу 9,1 х 10-31 кг и заряд 1,6 х 10-19 Кл.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике «В знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

Через год, в 1907 году, английский ученый Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), получивший Нобелевскую премию по химии за 1908 год, открыл атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Вместе они называются адронами (термин предложен советским физиком, академиком Львом Борисовичем Окунем).

Но, как оказалось, нейтроны и протоны тоже не являются конечными частицами. В стандартной модели элементарных частиц протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Гипотеза об их существовании была впервые выдвинута в 1964 году американским физиком Мюрреем Гелл-Манном (Murray Gell-Mann). Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике за 1969 год «За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Независимо от него гипотезу о четырех различных «тузах» (от тузов четырех мастей в карточных играх), которыми Гелл-Манн называл кварки, поскольку считал, что их всего четыре, также высказал американский физик Джордж Цвейг (George Zweig). Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи.

Однако это уже пико-, фемто– или даже аттоуровень размеров (табл. 1), относящихся к атомной и даже ядерной физике, а данная книга посвящена нанонауке – отрасли знаний, основанной на изучении объектов и технологий, включающих в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получивших принципиально новые качества, которая также относительно молода.

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна (Albert Einstein), который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10-9 м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла (Nikola Tesla). Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Таблица 1. Приставки и множители десятичных кратных и дольных единиц международной системы СИ

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, – это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова.

Еще в 20-е годы XX века Гамов впервые произвел решения уравнений Эрвина Шредингера (Ervin Schrodinger), описывающие возможность частицы преодолеть потенциальный барьер, когда ее энергия меньше его высоты. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от этой преграды, а с потерей энергии (как волна) преодолеет ее.

Данное явление, названное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники.

Следует остановиться на биографии Г. А. Гамова подробнее. Этот ученый много сделал для мировой науки, но так и не был оценен ею в полной мере, чему есть объективные и субъективные причины. В марте 1932 года в возрасте 28 лет Гамов был избран самым молодым членом-корреспондентом отечественной Академии наук за всю историю ее существования. Гамов всячески стремился уехать на Запад. В 1933 году по рекомендации академика Абрама Федоровича Иоффе Гамова на 20 дней направили в заграничную командировку в Бельгию для участия в работе Сольвеевского конгресса и ознакомления с зарубежными физическими лабораториями. Несмотря на клятвенные обещания, из зарубежной командировки в СССР Гамов не вернулся, запросил работу на Западе и был исключен из Академии наук.

Гамова называют трижды нелауреатом Нобелевской премии, так как он участвовал в исследованиях по трем направлениям, авторы которых впоследствии были удостоены этого звания. Гамов является создателем квантовой теории а и р-распада радиоактивных ядер, автором гипотез «горячей Вселенной» (теории Большого взрыва) и генетического кода.

На основе установленной им связи между ядерными процессами и космологией Гамов первым предложил модели звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 году совместно с Теллером он разработал теорию строения красных гигантов. В 1946–1948 годах ученый предложил теорию получения химических элементов методом последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной» (теорию Большого взрыва), в рамках которой предсказал реликтовое излучение и рассчитал его температуру. Американские астрофизики Арно Аллан Пензиас (Arno Allan Penzias) и Роберт Вудроу Вильсон (Robert Woodrow Wilson), подтвердившие теорию Гамова, в 1978 году стали нобелевскими лауреатами «за открытие микроволнового реликтового излучения».