ЛЮБОЗНАЙКИН В МИРЕ КВАНТОВ

Андрей Иванович Касьян

В своем путешествии Любознайкин познакомился с девочкой Нано, которая пригласила его на экскурсию в Нанотехнический музей. Чего там только нет… Несмотря на многочисленные экспозиции, музей легко поместился бы на кончике пера. Вот экспонируется двигатель Зеттла, поперечник которого составляет всего 200 нанометров - в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Его конструкция состоит из двух мельчайших жидких капель металла индия, расположенных рядом друг с другом на подложке, составленной из углеродных нанотрубок. Индий - это светло-серебристый мягкий металл с низкой температурой плавления (157 °С). Нанотрубка представляет собой ажурную конструкцию - цилиндр, образованный атомами углерода. Диаметр ее от одного до нескольких нанометров, длина до нескольких микрон. Нанотрубки встречаются в природе, в шунгите. Сейчас научились получать их искусственно.

Одна из капель нашего двигателя меньше другой. Когда через подложку пропускают слабый ток (десятки микроампер при напряжении до 1,5 вольт), то он вызывает убегание атомов металла из большой капли в меньшую. Так как диаметр меньшей капли при этом растёт быстрее, чем уменьшается большая капля, то наступает момент, когда маленькая капля соприкасается с большой. Возникает общий связующий канал. Большая капля хочет поглотить малую. Но сцепление таково, что малая капля не может оторваться от подложки. Тогда силы поверхностного натяжения заставляют убежавшие атомы быстро вернуться на свое место. Это вызывает уменьшение размеров потолстевшей капли. Перетяжка обрывается, и тем самым восстанавливается первоначальное состояние и соотношение масс. Затем все повторяется снова. Атомы сначала убегают, а затем возвращаются. Частоту колебаний в таком двигателе можно регулировать напряжением. У нанодвигателя это типа необычайно высокое отношение мощности к размерам. Если бы его можно было сконструировать в габаритах автомобильного двигателя, то мы получили бы сотни тысяч лошадиных сил. Это объясняется мощью сил поверхностного натяжения.

Многослойная нанотрубка

Зеттл также известен изобретением теплового диода, точнее фононного диода. Фононы представляют собой кванты тепловых колебаний атомарной решётки, т.е. маленькие количества тепловой энергии, которая передается благодаря колебаниям атомов. Если атом в кристаллической решетке начинает колебаться, то он приводит в движение соседний, а тот, в свою очередь, следующий. Таким образом колебания передаются по веществу. Принцип работы компьютеров основан на управлении потоков электронов, но почему бы не использовать фононы? Тем самым откроются новые возможности в электронике. Конструкция нанодиода выполнена из знакомой нам нанотрубки покрытой неравномерным слоем специально подобранного аморфного материала. При подаче тепла от конца с большой массой к более лёгкому краю по трубке пробегает примерно на 7% больше фононов, чем при передаче энергии в обратном направлении. А это и означает реализацию принципа проводимости в одну сторону, т.е. принципа работы диода. Все правильно. Из того места, где чего-то больше, что-то поступает туда, где меньше. Хотя тепло должно распространяться во все стороны одинаково. Соавторы эксперимента - Джулио Казати и Арунава Маджумдар - считают, что семипроцентное отличие в теплопроводности впечатляет, и его нельзя объяснить в рамках обычной теории распространения тепла. Возможно этот эффект помогут объяснить солитоны возникающие в нанотрубке или будущая квантовая теория теплопроводности. Изобретение может найти применение в диковинных вычислительных системах или, скажем, в актуальных сегодня устройствах охлаждения микросхем.

Природа в важных биологических процессах часто использует механизмы, которые можно назвать молекулярными двигателями, тем самым вдохновляя учёных на создание чего-либо похожего. Эти двигатели имеют размеры единицы нанометров и создать их довольно сложно. На молекулярном уровне нельзя не учитывать тепловые процессы. В микромире тепло проявляется в виде кинетической энергии движения мельчайших частиц - молекул, которые непрерывно вибрируют и движутся. В конденсированных веществах тепло моделируется газом фононов. В свободном состоянии молекулы рассматриваются как шарики, двигающиеся в различных направлениях. Чем выше температура, тем интенсивнее движение. Но даже при абсолютном нуле движение, а точнее дрожание, не прекращаются. Еще бы не дрожать при минус 273 градусах Цельсия... На самом деле нулевые колебания молекул вблизи положения равновесия объясняются не холодом, а соотношением неопределенности Гейзенберга. Микрообъект не может быть зафиксирован в точном положении, если известна скорость его движения.

Количество молекул даже в малюсеньком объеме огромно, перемещаются они с большой скоростью, а траектории их движения изломаны из-за постоянных столкновений, запутаны и непредсказуемы. Если бы нам удалось проследить за движением нескольких молекул, то это составило бы весьма неполную картину. Остальных молекул в миллиарды раз больше. Поэтому очень часто применяется термодинамический подход, не рассматривающий реальную структуру вещества и движение отдельных молекул, что обеспечивает почти стопроцентную универсальность термодинамических методов. С другой стороны, управлять движением молекул, даже в ограниченном количестве, очень интересно и перспективно. Это позволит, в конечном итоге, вскрывать глубокие связи между различными свойствами вещества, проникнуть в тайны материи.

Скорость движения молекул определяется теплотой. С другой стороны, если появится возможность управлять их движением, то, значит, можно будет непосредственно управлять и температурой. Мы уже узнали о странных свойствах нанодиодов. Что же еще придумали ученые?

Фотография надписи на органическом полимере, полученная с разрешением 60 нм на оптическом микроскопе

Химикам университета Эдинбурга из группы Дэвида Лея удалось создать молекулярную машину, принцип действия которой основан на управлении движением молекул. Наномашина сконструирована на ротаксане - молекулярной структуре, состоящей из замкнутой циклической молекулы, нанизанной на линейную молекулу (ось), у которой на концах имеются объёмные группы, не позволяющие кольцевой молекуле соскочить. Получается что-то похожее на колесо или обруч. Такая конфигурация в принципе позволяет осуществить перемещения молекулы-кольца вдоль оси. Но это движение носит в общем случае непредсказуемый характер, и теперь учёные придумали способ как им управлять. Для этого ротаксан был модифицирован. В линейную молекулу вставили молекулу углеводорода стильбена C14H12, который разделил ее на две части и стал играть роль своего рода "ворот". В соответствующей части оси создали "область притяжения" - место, к которому молекула может прилипнуть. Причем часть молекул кольца находится ближе к воротам, а другая - дальше. Кроме этого, система способна реагировать на свет.

В исходном состоянии ворота закрыты. Но если облучить молекулу светом, то воротам передастся некоторая энергия, которой им хватит, чтобы "открыться" на короткий промежуток времени. Те молекулы, которые находятся ближе к воротам, имеют большую вероятность пройти через них, чем дальние. Благодаря тепловым колебаниям молекула проходит за очень короткий промежуток времени через ворота и задерживается в области притяжения. К этому моменту ворота уже закрываются. Тем самым осуществляется рабочий цикл двигателя. Обруч переместился по оси. При облучении большого количества подобных систем светом удается заставить множество молекул перейти в определенную часть ротаксана. Смещение молекул приводит одновременно и к смещению теплового равновесия.

Нано продемонстрировала другой музейный двигатель, построенный на принципе, очень похожим на биологический. Известно, что растения-мухоловки, что бы не остаться без обеда, достаточно оперативно реагируют на своих жертв. Если насекомое касается поверхности мухоловки, то растение сразу это чувствует. Такая быстрая реакция очень важна для современных технологий. Специалисты из американской лаборатории Белла и из германского Института коллоидов Макса Планка изобрели структуру, в каком-то смысле похожую на чувствительную ткань растения-мухоловки. Эта структура реализована на наноуровне и является фактически гибридной. Ее особенность состоит в том, что она комбинирует мельчайшие кремниевые иглы с мягким гелем, приводящим их в движение. Гидрогель - это основная часть этой композиции. Его свойства не постоянны, они меняются в зависимости от окружающей среды, в частности, от влажности воздуха. Если влажность меняется, то гель либо сжимается, либо расширяется и при этом иголки приходят в движение и меняют свою пространственную ориентацию.

Формирование бактериями токопроводящей наносети

На основе этого принципа созданы различные модификации двигателя. В одной из них иглы расположены в геле параллельно друг другу. При сжатии поверхности гель наклоняет их в определённую сторону - то есть работает как своего рода наномышца.

В другой модификации иглы не просто "воткнуты" в гель, а укреплены основанием на подложке. Тогда под действием сжимающегося геля они начинают менять свою конфигурацию, притягиваясь друг к другу. В зависимости от способа расположения игл они ведут себя по-разному. То напоминают четырёхпалую кисть руки с пальцами, растопыренными вниз, то образуют поля распускающихся микроцветов и т.д. Важно, что иглы могут возвращаться в исходное состояние, занимать любое промежуточное положение. Управление осуществляется с помощью геля. Заметим, что такие сложные движения, которые совершают иголки, наблюдаются впервые. Реализовать подобное поведение в аналогичных системах, где на полимерные элементы пытались воздействовать электрическим, магнитным и другими внешними полями, никак раньше не удавалось.

"Какие у вас в музее странные грузчики?" - спросил Любознайкин у Нано, глядя на бегающие по медным дорожкам молекулы. "Это изобретение Бартелса" - ответила она. Сначала Бартелс изобрел бегающие двуногие молекулы, а затем он приделал пару рук, в которых можно носить по молекуле. Получился человечек по имени C₁₄H₈O₂ (молекула антрахинона). Разумеется, руки - это не руки, а ноги - это не ноги, а всего лишь части молекулы, но они неплохо выполняют функции этих конечностей. Главное, что грузчики не требуют питания и зарплаты. Комментируя этот беспрецедентный опыт в области молекулярных машин, Бартелс считает, что эксперимент наглядно демонстрирует эффективность и надёжность нанотранспорта. По его утверждению, ходячие молекулы, таскающие грузы, в будущих молекулярных системах будут играть такую же роль, какая сейчас принадлежит, например, конвейерам. Заглядывая в будущее, учёный раскрывает планы своей исследовательской группы. В частности, они собираются научить молекулы не только двигаться прямо, но и обходить препятствия, а также испускать фотоны, чтобы передавать и запрашивать нужную информацию.

(Продолжение следует)