Фундаментальная наука в основе



Скачать 144.94 Kb.

Дата16.02.2017
Размер144.94 Kb.
Просмотров150
Скачиваний0

3
Интерлюдия первая —
фундаментальная наука в основе нанотехнологии
В этой главе…

Электроны
34

Атомы и ионы
36

Молекулы
37

Металлы
39

Другие материалы
41

Биосистемы
44

Молекулярное распознавание
48

Электропроводность и закон Ома
50

Квантовая механика и квантовые идеи
51

Оптика
53
3

34 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
есмотря на то что данная книга предназначена для не ученых, перед тем, как войти в дом к атомам и молекулам, все же полезно будет напомнить некоторые базовые научные принци пы. Данные научные темы затрагивают физику, химию, биоло гию, материаловедение и технику. Необходимая информация будет рассматриваться быстро, мы не будем углубляться в сложные и элегантные научные конструкции. Данный обзор задуман как удобное путешествие по наиболее значимым науч ным темам, необходимым для понимания наномасштаба. На всю главу будет всего два уравнения, обещаем!
Э Л Е К Т Р О Н Ы
Представление химика о физическом мире основывается на существовании двух частиц, меньших, чем атом. Эти частицы —
протон и электрон (нейтрон — это комбинация этих двух час тиц). Хотя существуют и субатомные частицы (кварки, адроны и т.п.), протоны и электроны в некотором смысле представляют простейшие частицы, необходимые для описания материи.
Электрон был открыт в начале двадцатого столетия. Элек троны очень легкие (в 2 000 раз легче наименьшего атома, водо рода) и обладают отрицательным зарядом. Протоны, состав ляющие оставшуюся часть массы водорода, имеют положитель ный заряд. Взаимодействие двух электронов, подошедших близко один к другому, описывается фундаментальным законом электрического взаимодействия. Силу взаимодействия можно выразить в простом уравнении, которое иногда называется за
коном Кулона.
Для двух заряженных частиц, разделенных расстоянием r,
сила, действующая между ними, равна
2 1
2
/
F
Q Q
r
=
Н

Электроны
35
Здесь F — сила, действующая между двумя частицами, разделен ными расстоянием r, а заряды частиц равны соответственно Q
1
и Q
2
. Обратите внимание на то, что если обе частицы — это элек троны, то Q
1
и Q
2
имеют одинаковый знак (а также одинаковое значение); следовательно, F — положительное число. Когда на частицу действует положительная сила, эта частица отталкивает ся. Поскольку одноименные заряды отталкиваются (например,
два одноименных полюса магнита трудно приблизить друг к дру гу), два электрона не желают сближаться. Обратное утверждение также справедливо. Если есть две частицы с противоположными зарядами, сила, действующая между ними, будет отрицательной.
Эти частички будут притягиваться, так что разноименные заряды
притягиваются. Это следует непосредственно из закона Кулона.
Из закона Кулона также следует, что сила взаимодействия мала, если частички очень удалены друг от друга (так, что r
становится очень большим). Следовательно, два электрона,
расположенные близко, будут отталкиваться до тех пор, пока расстояние между ними не станет настолько велико, что сила их взаимодействия станет несущественной.
Когда поток электронов создает электрический ток, бывает полезно описать, что происходит в пространстве, из которого уходят электроны. Эти участки пространства называются
“дырками”, и их нельзя назвать действительными частицами,
это просто места, где должны были быть электроны, и куда они стремятся попасть. Принято, что дырки имеют положи тельный заряд; следовательно, электрический ток можно представить как группу электронов, пытающихся перейти из места с избытком электронов (отрицательных зарядов), на пример, низ батарейки, в место, где расположены дырки
(положительные заряды), — верх батарейки. Чтобы это сде лать, электроны проходят по электрическим цепям, и их мож но заставить выполнять полезную работу.
Электроны могут не только формировать ток, они отвечают за химические свойства атома, к которому они относятся,
и ниже мы рассмотрим эту тему подробнее.

36 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
А Т О М Ы И И О Н Ы
Простейшая картина атома состоит из плотного тяжелого ядра с положительным зарядом, окруженного группой элек тронов, вращающихся вокруг ядра и имеющих (как все элек троны) отрицательные заряды. Поскольку ядро и электроны имеют противоположные заряды, электрические силы удер живают атом вместе почти так же, как гравитация удерживает планеты вокруг Солнца. В ядре сосредоточена основная масса атома — порядка 1 999/2 000 массы водорода и еще большая доля для других атомов.
В природе существует 91 атом и каждый из этих 91 атомов имеет различный заряд ядра. Положительный заряд ядра ра вен числу протонов, которые в нем содержатся, так что наибо лее легкий атом (водород) имеет заряд ядра +1, второй по лег кости (гелий) — +2, третий (литий) — +3 и т.д. Самый тяже лый из встречающихся в природе атомов — уран — имеет за ряд ядра +92. (Возможно, вы думали, что 91 й атом будет иметь заряд +91, но элемент с номером 43, технеций, не встре чается в природе, поэтому при подсчете мы его пропустили.)
Все сказанное можно видеть в периодической системе элемен тов Менделеева.
В незаряженных атомах число электронов точно уравно вешивает заряд ядра, так что существует один электрон на ка ждый протон. Водород имеет один электрон, гелий — два, ли тий — три, а уран — 92. Поскольку все электроны упакованы вокруг ядра, обычно атомы с большим числом электронов не сколько больше атомов с меньшим числом электронов.
Если число электронов не равно заряду ядра (числу прото нов), атом имеет ненулевой заряд и называется ионом (это слово любят употреблять в кроссвордах). Если число электро нов больше числа протонов, суммарный заряд отрицательный,
и ион называется отрицательным ионом (анионом). С другой стороны, если число протонов превышает число электронов,

Молекулы
37
имеем обратную ситуацию и положительный ион (катион).
Положительные ионы несколько меньше нейтральных атомов с тем же ядром, поскольку они содержат меньше электронов,
которые ближе расположены к суммарному положительному заряду. Анионы несколько больше незаряженных собратьев из за дополнительных электронов. Все атомы имеют размер порядка 0,1 нанометра, а наибольший диаметр у урана — около
0,22 нанометра. Следовательно, все атомы имеют приблизи тельно одинаковый размер (отличаются не более чем в 3 раза),
и все атомы немного меньше наноразмеров.
Упомянутые атомы являются фундаментальными строи тельными блоками всей природы, которую мы видим. Их можно представлять как кирпичики разного цвета и размера,
из которых можно сделать любые стены, башни, здания и дет ские площадки. Это “строительство” подобно объединению атомов в молекулы.
М О Л Е К У Л Ы
Когда атомы связываются в стационарную структуру, они формируют молекулу. Построение похоже на совмещение час тей в детском конструкторе. Хотя набор частей и невелик, мож но построить почти что угодно, что придет на ум строителю,
и что не противоречит нескольким базовым законам физики, ка сающимся сборки частей. Природа и нанотехнолог имеют для игры 91 атом — каждый приблизительно сферической формы,
но отличающийся по размерам и способности взаимодейство вать и соединяться с другими атомами. Существует множество различных молекул — миллионы известны, и сотни новых син тезируются или открываются каждый год. На рис. 3.1 показано несколько молекул, содержащих от 2 до 21 атомов. Размер лю бой молекулы, состоящей из 30 или больше атомов, превышает
1 нанометр.

38 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
Этиленгликоль
Аспирин
Кислород
Вода
Углекислый газ
Этиловый спирт
Рис. 3.1. Модели некоторых распространенных небольших молекул.
Белые сферы представляют водород, темные — углерод и кислород.
Из книги Brown/LeMay/Bursten Chemistry: The Central Science, 9/e,
©
Person Education, Inc. Перепечатано с разрешения Pearson
Education, Inc., Upper Saddle River, New York
Чтобы сформировать молекулы, атомы связываются вме сте. Существует множество типов химических связей, но все они порождены взаимодействием электронов атомов или ио нов. Например, нетрудно видеть, что положительный ион бу дет притягиваться к отрицательному. Напомним, что сила притяжения описывается законом Кулона. Фактически это и есть то притяжение, которое формирует связи в поваренной соли (хлорид натрия). Разрыв и формирование связей являет ся химической реакцией. Поскольку электроны отвечают за связи, а химические реакции — это просто создание и разрыв связей, можно утверждать, что электроны отвечают за химиче ские свойства атомов и молекул. Если изменить электроны,
изменятся свойства. Хороший пример этому — поваренная соль. И натрий, и хлор (два задействованных атома) ядовиты для человека, если их употреблять по отдельности. Если же их объединить, они безопасны и вкусны.
Связи являются ключом к нанотехнологии. Они объеди няют атомы и ионы в молекулы и сами могут действовать как механические устройства — петли, опоры или структурные со

Металлы
39
ставляющие машин, имеющих наноскопические размеры. Для микроскопических и больших устройств связи — это просто средство создания материалов и реакций. В наномире, где са ми молекулы могут быть устройствами, связи также могут быть компонентами устройств.
Меньшие отдельные молекулы обычно встречаются только как пары. Когда они собираются в достаточно массивную еди ницу, молекулы могут взаимодействовать с другими атомами,
ионами и молекулами так же, как атомы могут взаимодейство вать друг с другом — через электрические заряды и закон Ку лона. Следовательно, хотя отдельные молекулы воды являют ся газом при комнатной температуре, многие молекулы воды собираются в кластер и могут стать каплей воды, которая уже относится к жидкости. Если охладить жидкость ниже 0 °С, она перейдет в твердое состояние. Жидкая, твердая и газообразная вода имеет одинаковый молекулярный состав, но отличается упаковкой молекул.
Подобное поведение характерно для многих молекул. Мо лекула диоксида углерода обычно формирует газ (углекислый газ), но если множество таких молекул соберутся вместе, они сформируют сухой лед. Следовательно, определенные твер дые материалы могут состоять просто из молекул. Обычно данные молекулы относительно невелики, состоят из менее сотни атомов. Гораздо большие молекулы, называемые поли
мерами, сами являются материалами и ключом к нанонауке.
М Е Т А Л Л Ы
Большинство из встречающихся в природе атомов органи зовывают кластеры с другими. Данный процесс позволяет по лучать огромные молекулоподобные структуры, содержащие миллиарды миллиардов атомов одного типа. В большинстве случаев они становятся тяжелыми, блестящими, ковкими структурами, называемыми металлами. В металлах некоторые

40 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
электроны могут покидать их “родные” атомы и проходить сквозь толщу металла. Данные текущие электроны составляют электрический ток, и поэтому металлы проводят ток. Приме рами устройств, в которых электрические заряды проходят по металлическим структурам, являются удлинители, линии электропередач и телевизионные антенны.
Представить сказанное может быть довольно тяжело. Ду майте об этом как о банке, в котором вкладчиками являются атомы, доллары и электроны, а само здание банка — это мак роскопический блок материала или гигантская молекула. Вы лично имеете определенную сумму денег, которая, возможно,
слишком мала в масштабах всей экономики. В то же время, как только вы внесли деньги в банк, они объединяются со всеми деньгами, которые внесли другие люди, и далее возникает по ток денег между вкладчиками и заемщиками. Если банк дает взаймы деньги кому то извне, он создает бизнес связь с заем щиком почти аналогично тому, как формируется химическая связь. Если порвать связь с банком, вы получаете назад, если не считать процентов, ту же сумму, что была до прихода в банк. Свободный поток денег через банковскую систему ана логичен электрическому току, проходящему сквозь толщу на шего металла. В противном случае, когда деньги хранятся под подушкой, и нет свободного потока или обмена, можно про вести аналогию с диэлектриками, или непроводниками. Дан ная аналогия не идеальна, но она помогает представить общую картину.
Большинство металлов блестящие, поскольку при падении света на металл свет рассеивается движущимися электронами.
Некоторые материалы, сделанные из подобных атомов, не отно сятся к металлам. Эти материалы обычно составлены из более легких атомов. Несколько примеров: графит, уголь, алмаз, жел тая сера и черный или красный фосфор. Эти материалы иногда называют диэлектриками, поскольку они не имеют движущихся электронов, проводящих электрический ток. В общем случае

Другие материалы
41
они также неблестящие, поскольку нет свободных электронов,
отражающих падающий на них свет. Вообще, то, насколько сво боден поток электронов в материале, является очень важным вопросом для нанотехнологии.
Д Р У Г И Е М А Т Е Р И А Л Ы
Нанонаука и технология сфокусированы на материалах:
физических и твердых объектах. Традиционно в материалове дении рассматривается три основных класса материалов — ме таллы, полимеры и керамика. Выше были рассмотрены метал лы, обратимся теперь к двум оставшимся классам.
Наиболее распространенными полимерами являются пла стики. Иногда их называют макромолекулами в том смысле,
что они очень большие по молекулярным стандартам (хотя обычно не настолько велики, чтобы их можно было видеть не вооруженным глазом, что обычно предполагает приставка
“макро”). Большинство полимеров основаны на углероде, по скольку он имеет практически уникальную способность свя зываться с самим собой. Полимеры — это отдельные молекулы,
сформированные повторяющимися шаблонами атомов
(называемыми мономерами), связанными в цепочку. В образ це, таком как полистирольная чашка, будет множество раз личных структур, и цепочки будут иметь различные длины.
Полимеры могут “сшиваться” — это означает, что цепочки мономеров соединяются с другими цепочками со связями ме жду цепочками. “Сильно сшитые” полимеры не только ведут себя как более привычные неметаллы, но и часто тяжелее, по скольку имеют жесткую конструкцию. Возможен альтерна тивный вариант — вращение цепочек полимеров и спутывание их (как спагетти или компьютерные кабели) с формированием очень пластичных и резиноподобных материалов. Этот класс называется аморфными полимерами. Примером сильно сшито го полимера является поливинилхлорид (материал, приме

42 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
няемый для создания труб и множества других бытовых ве щей). Используемые повсеместно полистирольные чашки яв ляются преимущественно аморфными.
Простые полимеры, такие как полиэтилен или полистирол,
часто используются в технике. В отличие от металлов угле родные полимеры практически всегда являются изолирую щими материалами, поскольку электроны остаются локализо ванными возле ядра родительского атома и не могут свободно путешествовать по материалу. Тот факт, что указанные веще ства также являются гибкими изоляторами, объясняет их ис пользование для покрытия электрических проводов. Как стоило ожидать, пластики неблестящие — вспомните вид по ливинилхлоридной душевой занавески или полипропиленово го каната.
В биологическом мире помимо синтетических (искусствен ных) полимеров существует множество других важных поли меров. Примеры — паутина, молекулы ДНК, хранящие гене тическую информацию, белки и полисахариды. Все они рас смотрены в следующем разделе.
Полимеры обычно не проводят электрический ток, но можно создать специальные полимеры, обладающие такой способностью. Данный факт важен, поскольку полимеры лег кие, гибкие, дешевые, устойчивые и их легко производить. По этим причинам использование проводящих полимеров для за мены природных металлов в некоторых приложениях (от та ких простых технологических операций, как снятие статиче ского электричества, до таких наноскопических приложений,
как создание молекулярных проводов) представляет важную сферу применения необычных полимеров.

Другие материалы
43
Рис. 3.2. Молекулярная модель сегмента
полиэтиленовой цепочки. Данный сегмент
содержит 28 атомов углерода (темные), но
в коммерческом полиэтилене имеется более
тысячи атомов углерода на нить. Из книги
Brown/LeMay/Bursten Chemistry: The Central
Science, 9/e. © Person Education, Inc. Перепе
чатано с разрешения Pearson Education, Inc.,
Upper Saddle River, New York
Последняя область традиционного материаловедения — это керамика. Керамикой часто (но не всегда) являются оксиды —
структуры, в которых один из образующих атомов является ки слородом. Керамические материалы построены из нескольких различных типов атомов. Глина — это преимущественно оксид алюминия, песок образован из диоксида кремния, огнеупорный кирпич — это оксид силиката магния, а оксид кальция важен в традиционном плиточном деле. Подобно полимерам и в отли чие от металлов керамика обычно имеет локализованные элек троны, не проводит электричество (хотя при очень сильном ох лаждении некоторые керамические материалы имеют свойства

44 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
сверхпроводников) и обычно не является блестящей. Керамика часто очень тяжелая и иногда хрупкая. Этот класс только начи нают использовать в нанотехнологиях, но он обладает большим потенциалом для таких приложений, как замена костей.
Итак, мы рассмотрели три основные ветви материаловедения,
но данное обсуждение, похоже, не коснулось множества знако мых материалов. Лопата, полная земли, омлет, батон хлеба, дере во, волокна и листья — все являются неоднородными структура ми, составленными из множества компонентов, и свойства мате риала отражают как свойства компонентов, так и уникальные свойства, возникающие при смешивании компонентов. Данные неоднородные смеси очень важны в инженерных приложениях,
но большей частью они несущественны в наномире.
Б И О С И С Т Е М Ы
Из 91 элемента, встречающегося в природе, многие фигури руют в биологии. Как людям, нам для выполнения специфиче ских биологических функций требуются такие необычные ме таллические микроэлементы, как цинк, железо, ванадий, марга нец, селен, медь и все остальные составляющие пачки витами нов. Однако из общей массы большинства растений и животных более 95% состоит из четырех атомов: водорода, кислорода, азо та и углерода. Эти элементы также преобладают в большинстве синтетических полимеров. Причина этого достаточно проста.
Данные атомы могут формировать множество типов связей;
следовательно, природа может их использовать для построения некоторых очень сложных наноструктур, выполняющих ту же работу, что и в повседневной жизни, а ученые могут их приме нять для получения новых материалов. Например, молекулы в наших телах отвечают за дыхание, пищеварение, регулирование температуры, защиту и все остальное, что требуется телу. Оче видно, что для выполнения всех этих работ необходим широкий ассортимент довольно сложных наноструктур.

Биосистемы
45
В общем случае молекулы, встречающиеся в природе,
сложны и являются источником смятения для студентов, на чинающих изучать органическую химию. Чтобы эти молекулы выполняли полезные функции, их должно быть легко собрать,
распознать и связать с другими молекулами. Они также долж ны получаться в результате биологических процессов и иметь различные свойства. Чтобы это было так, данные молекулы должны быть не обычными повторяющимися полимерами, та кими как полиэтилен или полипропилен, а иметь более слож ную нерегулярную структуру.
Существует четыре больших класса биологических моле кул. Первые три — нуклеиновые кислоты, белки и углеводы,
все являющиеся полимерными структурами. Четвертая кате гория составлена из особенно малых молекул, которые реша ют специальные задачи.
Белки выполняют большую часть объема работ в биологии.
Наши ногти и волосы состоят в основном из белка кератина,
кислород переносится по нашей крови белком гемоглобином,
а белок нитрогеназа отвечает за извлечение азота из воздуха
(в узелках бобовых) и превращение его в нитраты, способст вующие росту растений. Существуют тысячи белков, структу ры и функции некоторых очень хорошо понятны, а некоторые все еще относятся к категории загадочных. Белки являются машинами биологии, функциональными агентами, которые отвечают за все происходящее.
Нуклеиновые кислоты делятся на две категории: ДНК
и РНК. Обе нужны для создания белков, но РНК не очень ис пользуются в наноструктурах, поэтому ограничим наше рас смотрение ДНК. Схема ДНК изображена на рис. 3.3. Она со стоит из сахарного скелета, содержащего отрицательные заря ды из за наличия атомов фосфора и кислорода. Внутри вы строены плоские молекулы, лежащие одна поверх другой, как колода карт. Каждая карта состоит из двух отдельных плоских молекул, слабо связанных мостиками между кислородом или азотом и водородом. Поскольку каждая карта фиксирована на

46 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
правом и левом краях и поскольку структура спиральная,
ДНК выглядит как двойная спираль (пружина). Когда ДНК
смотана, она относительно компактна.
A
A
A
Г
Г
Г
Г
Г
Т
Т
Т
Т
Т
А
А
А
А
Сахарно фосфатный скелет б)
а)
Рис. 3.3. ДНК: а) компьютерная модель двойной спира
ли; б) схематическое изображение реальных компле
ментарных пар оснований нуклеиновых кислот, связан
ных друг с другом. Из книги Brown/LeMay/Bursten
Chemistry: The Central Science, 9/e, © Person Education,
Inc. Перепечатано с разрешения Pearson Education, Inc.,
Upper Saddle River, New York
ДНК является практически уникальной молекулой, посколь ку каждая карта (называемая комплементарной парой основания)
может иметь одно из четырех строений (называются АТ, ТА, ЦГ
и ГЦ). Для каждого положения в цепи можно контролировать,

Биосистемы
47
какая комплементарная пара присутствует. Это объясняется тем,
что две плоские молекулы, составляющие их, можно выбирать из набора всего четырех молекул, называемых аденином (А), тими
ном (Т), гуанином (Г) и цитозином (Ц). А и Т подходят только друг к другу и не подходят ни к Г, ни к Ц. Г и Ц также подходят только друг к другу и не подходят ни к А, ни к Т. Из за этих огра ничений единственными возможными парами являются АТ и ГЦ
и противоположные им — ТА и ЦГ. Все они располагаются на двойной спирали в определенном порядке и кодируют все биоло гические функции. Генетический код — это просто упорядоченные комплементарные пары в двойной спирали ДНК, и это — код, ко торый считывается РНК и белками, которые используют эту ин формацию для создания белковых биологических структур, со ставляющих основу жизни.
Третий класс макромолекул, встречающихся в биологии, —
это полисахариды, которые представляют собой просто сахар, сде ланный из очень длинных молекул. Все они нужны для функцио нирования клеток, а некоторые входят в состав человеческих свя зок и других биологических структурных материалов. В то же время, они не активно используются в нанотехнологиях.
Четвертый класс биологических молекул состоит из очень малых молекул. В их число входит вода (необходима для функционирования практически всех биологических организ мов), кислород (как основной источник энергии), диоксид уг лерода (сырье для построения растений) и окись азота. По следняя молекула очень мала и состоит из азота и кислорода,
связанных вместе. Она играет множество ролей в биологии —
от “вторичного передатчика” (своеобразный элемент внутри клеточной системы связи) до участия в функции сокращения.
Существуют и другие молекулы, не такие маленькие, но такие же важные в биологических приложениях. В их число входит простой сахар и все молекулы медикаментов. Лекарства обычно действуют, связываясь либо с белком, либо с ДНК и вызывая из менения в функциях этих структур. Иногда связывание этих не больших молекул является весьма своеобразным и очень важным.

48 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
М О Л Е К У Л Я Р Н О Е Р А С П О З Н А В А Н И Е
Выше говорилось, что молекулы могут иметь формы и за ряды, а это означает, что части молекул сделаны из различных атомов и имеют различные плотности электронов. Поскольку закон Кулона гласит, что положительные заряды притягива ются к отрицательным, молекулы могут взаимодействовать друг с другом с электрическими (кулоновскими) силами. На пример, на рис. 3.4 показано, как объединяются заряженные атомы, и как две молекулы можно связать, основываясь на распределении заряда в молекулярной структуре.
Рис. 3.4. Молекулярная связь двух молекул воды.
Символами
δ
+ и
δ−
обозначены положительные
и отрицательные заряды соответственно. Пере
печатано с разрешения Advanced Light Source, Ло
ренсовская национальная библиотека в Беркли

Молекулярное распознавание
49
Способность одной молекулы притягивать другую и свя зываться с ней часто называется молекулярным распознавани
ем. Молекулярное распознавание может быть очень специфи ческим. Оно является базовой силой, вызывающей аллергию,
при которой определенные длинные молекулы распознаются телом, связываются и подвергаются воздействию больших чужеродных молекул, называемых аллергенами. В число ал лергенов входят пыльца, сахар и некоторые естественные мо лекулярные компоненты шоколада, арахиса и других вещей.
Молекулярное распознавание может использоваться дру гими сенсорными процессами. Наше чувство обоняния осно вано практически полностью на распознавании конкретных молекул сенсорами в обонятельных луковицах; в результате молекулярное распознавание является причиной того, что мы чувствуем запах розы или свежескошенной травы. Оно также позволяет учуять дым и избежать пожара. Молекулярное рас познавание используется и в биологии. Насекомые привлека ют друг друга, производя и испуская молекулы, называемые
феромонами. Если вы часто используете Internet, вы, скорее всего, получали несколько писем, предлагающих купить фе ромоны человека. Наконец, молекулярное распознавание можно использовать в качестве строительной стратегии.
Большие биологические молекулы, такие как белки, могут распознавать одна другую и строить при этом клетки, из кото рых составлены высшие биологические организмы. Молеку лярное распознавание отвечает за то, что корень сельдерея же сткий, вода утоляет жажду, клеи склеивают, а нефть плавает по воде.
Молекулярное распознавание является одним из ключевых элементов нанотехнологии. Поскольку большая часть нано технологий зависит от восходящего построения, это делает молекулы, которые могут самоорганизовываться или органи зовываться с помощью такой опорной поверхности, как ме талл или пластик, ключевой стратегией при производстве на

50 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
ноструктур. В качестве макроскопической аналогии приведем следующую: если нужно, чтобы люди выстроились по линии,
они должны видеть эту линию и место, где им следует стать.
В наномире работу “зрения” выполняет молекулярное распо знавание.
Э Л Е К Т Р О П Р О В О Д Н О С Т Ь
И З А К О Н О М А
Обычно человек использует свои чувства, чтобы получать информацию об объектах. Свет видится глазами, давление ощущается ушами и руками, а молекулы воспринимаются на вкус и запах. Все эти чувства требуют взаимодействия органов чувств тела и таких внешних структур, как молекулы, энергия или физические объекты.
Все взаимодействия, влияющие на вкус, обоняние и зрение,
требуют потока электронов по телу. Электрические заряды движутся по нашим нервным системам, чтобы сообщить моз гу, что нога споткнулась или рука вспотела. Все эти сигналы действительно зависят от движения зарядов, а следовательно,
подчиняются закону Кулона для одно и разноименных заря дов. Повторимся, вся химия (и даже биология) действительно сводится к электронам. Известно, что металлы содержат сво бодные электроны, которые могут переносить заряд и отра жать свет. Но даже в таких неметаллических структурах, как наши нервы или носы, электрические взаимодействия и куло новские силы важны. Движущиеся электроны также дают энергию нашему обществу — от электрических лампочек до батарей и компьютеров.
Закон Кулона является фундаментальным для описания сил, действующих на электрический заряд, а ток, включающий в себя электроны, движущиеся через материал, имеет опреде ляющее уравнение, которое называется законом Ома.

Квантовая механика и квантовые идеи
51
Наиболее распространенной аналогией с потоком электро нов является течение реки. Поток электронов сквозь материал называется током, обычно обозначается I и измеряется в элек тронах за секунду. Сопротивление потоку тока (аналог камней в потоке) обозначается R. Напряжение — это последняя из ключевых величин в законе Ома, представить которую слож нее всего. Напряжение — это вынуждающая сила, толкающая поток воды по наклону русла. Напряжение обозначается U.
U = IR
По закону Ома, который просто сообщает, что напряжение равно произведению силы тока на сопротивление, работают все элек трические и электронные схемы, встречающиеся в повседневной жизни. Нетрудно видеть, что из этого следует. Если есть большая вынуждающая сила и то же сопротивление, сила тока должна увеличиваться. Если держать вынуждающую силу постоянной, но увеличивать сопротивление, сила тока должна уменьшиться.
Практически во всех случаях это справедливо. Закон Ома работа ет для фенов, компьютеров и линий энергоснабжения. Все интег рированные схемы (чипы) также работают по закону Ома.
Стоит, однако, отметить, что не все подчиняется закону Ома.
Существуют сверхпроводники — материалы, в которых нет эф фективного сопротивления, и закон Ома здесь не действует.
Можно назвать и другие ситуации, включая некоторые специ фические наноструктуры (такие как углеродные нанотрубки),
в которых закон Ома также не работает. Это позволяет создать некоторые интересные приложения и задачи, которые будут рассмотрены ниже при обсуждении молекулярной электроники.
К В А Н Т О В А Я М Е Х А Н И К А
И К В А Н Т О В Ы Е И Д Е И
До двадцатого века в физике материалов доминировали представления Исаака Ньютона, который заложил основы классической механики, развиваемые и дополняемые другими

52 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
учеными на протяжении последующих двух веков. Законы
Ньютона описывают довольно точно все движения, которые можно наблюдать в макромире, такие как движение автомоби лей, эффект гравитации и траектория полета футбольного мя ча. Однако, когда физики начинают изучать очень маленькие структуры в наномасштабе и мельче, некоторые правила,
сформулированные в классической физике для материалов, не работают, как ожидается. Атомы отказываются вести себя как крошечные Солнечные системы, а электроны демонстрируют свойства и волн, и частиц. Из за этих и других наблюдений некоторые идеи классической механики были заменены или дополнены новой теорией, названной квантовой механикой.
Квантовая механика объединяет несколько интересных,
элегантных и дерзких идей; в то же время нам достаточно не скольких существенных замечаний. Например, при таких ма лых масштабах энергию и заряд нельзя складывать непрерыв но, их можно прибавлять небольшими кусочками. Данные ку сочки называются квантами. Изменение заряда иона, напри мер, может произойти только при прибавлении или вычитании электронов. Следовательно, заряд иона квантуется (увели чивается) на заряд одного электрона. Прибавить половину электрона невозможно.
Повседневный опыт дает мало примеров квантового поведе ния. Электрический ток кажется непрерывным, величина энер гии, которую можно прибавить к футбольному мячу пинком или к бильярдному шару ударом кия, кажется непрерывной пе ременной — чем сильнее ударить, тем быстрее покатится мяч.
Несмотря на это в повседневной жизни существует несколько квантованных вещей. Один хороший пример — деньги. Копейку разделить невозможно, но для больших сумм всегда можно
(теоретически) найти предмет, стоящий ровно столько.
Многие базовые правила, определяющие поведение наност руктур, — это замаскированные законы квантовой механики.

Оптика
53
В качестве примеров можно привести такие вопросы: насколько малый провод еще может проводить электрический ток, сколько энергии помещается в молекулу до того, как она меняет свое со стояние или начинает действовать как ячейка памяти.
О П Т И К А
Квантовая механика может быть существенной во многих вопросах, возникающих в нанотехнологии, включая понима ние аспектов оптики — например, как свет взаимодействует с материей. Так, цвета отдельных красителей фиксируются квантовой механикой. Большие молекулы, называемые фта
лоцианином, придают синий цвет джинсам, и их можно изме нить, чтобы они давали зеленоватый или пурпурный цвет,
трансформировав химическую или геометрическую структуру молекулы. Данные модификации меняют размер кванта света,
взаимодействующего с молекулой, и, следовательно, меняют воспринимаемый цвет. Подобным образом, различные флуо ресцентные лампы дают несколько более зеленые или пурпур ные оттенки, поскольку меняются молекулы или нанострук туры, заполняющие трубку и испускающие свет. Даже свет звезд имеет различный цвет, поскольку поступает от звезд с разной температурой и различных элементов, горящих в ат мосфере звезды.
Свет также может взаимодействовать с материей другими способами. Если коснуться черной машины в солнечный день,
можно почувствовать тепловую энергию, переданную металлу светом солнца. Вещество также может отдавать световую энергию, как при горении или в электрических лампочках. Во всех случаях, интересующих нас, общий объем энергии, задей ствованной в процессе, не меняется (технический термин —
“энергия консервируется”). Однако, манипулируя этой энер гией, можно получать очень интересные вещи.

54 3
Интерлюдия первая — фундаментальная наука...
Когда металлические объекты становятся меньше, кванты энергии (размеры приращения энергии), применимые к ним,
становятся больше. Эта связь похожа на поведение барабанов:
чем туже кожа на барабане, тем выше энергия и тон звука. Это также справедливо для колоколов: в общем случае, чем мень ше колокольчик, чем выше тон. Данная связь между размером структуры и квантом энергии, который взаимодействует с ней,
очень важна для управления светом с помощью молекул и на ноструктур и является одной из основных тем в нанонауке.
Именно поэтому золото, рассмотренное в главе 2, меняло цвет.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал