Kvant. Нано

А так ли хорошо знакомо вам нано? // Квант. — 2010. — № 1. — С. 32-33

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Ибо наличное все непременно быть чем-нибудь должно,
Будь оно иль велико, или самых ничтожных размеров...
Тит Лукреций Кар
Около двух миллионов молекул водорода,
положенных в ряд, заняли бы миллиметр, и около 200
миллионов миллионов миллионов их весили бы один
миллиграмм. Числа эти нужно рассматривать как весьма
грубые приближения; они по мере усовершенствования
науки будут исправлены более разнообразными и
точными опытами.
Джеймс Клерк Максвелл
Эмульсия — это атмосфера в миниатюре, тяготеющая к
земле. В масштабе такой атмосферы высота Альп
представилась бы несколькими микронами, а отдельные
холмы стали бы равны молекулам.
Жан Батист Перрен
Нано (от греч. nanos — карлик) — приставка для
образования наименования дольных единиц, равных
одной миллиардной доле исходных единиц.
Большой энциклопедический словарь

Вообще говоря, следовало бы ответить «конечно, да, и довольно давно» - ведь даже наш далекий предок, вымазавшись в саже, уже имел дело с содержавшимися в ней наночастицами углерода. Сталкивались с подобными «крошками», причем наверняка более осознанно, и ученые, занимавшееся тонкими порошками и коллоидными растворами. Но мало кто представлял, какие поразительные изменения в физических свойствах объектов могут происходить при их уменьшении до нанораз-меров. Обнаружить эти перемены удалось совсем недавно с появлением наноприборов - особых, совершенно не похожих на привычные приборов, способных новые свойства измерять и исследовать.

Переход к таким масштабам повлек за собой открытие крайне нетрадиционного поведения частиц, проявляющего закономерности квантовой физики. А это, в свою очередь, породило новые отрасли знаний и технологий, построенные на принципиально иной, чем прежде, идеологии и на иных подходах, - наноэлектронику, наномедицину, нанофотонику, наноэнергетику... далее везде. Приставка с «карликовым» окрасом скрывает в себе целый кладезь огромных резервов, овладение которыми, как прогнозируют ученые, в весьма близком будущем преобразит весь окружающий нас мир и поможет человечеству справиться с множеством накопившихся цивилизацией проблем.

С этими перспективами вы можете ознакомиться и в публикациях нашего журнала - их внушительный список приводится, как обычно, в конце выпуска.

А пока, откликаясь на призыв Р.Фейнмана, написавшего ровно полвека назад статью «Внизу полным-полно места. Приглашение в новый мир физики», направимся на поиски нанообъектов, во множестве обитающих и вокруг нас, и, конечно же, в школьном курсе физики. Думается, их прямое или косвенное обнаружение поможет вам лучше подготовиться к постижению такой заманчивой нанонауки, таящей в себе мегавозможности.

Вопрос и задачи

1. Можно ли видеть невооруженным глазом одну десятимиллионную долю грамма (т.е. 100 нанограмм) вещества?
2. Очень точное взвешивание можно произвести с погрешностью в 10 нанограмм. Сколько атомов содержится в крупинке железа массой 10 нанограмм?
3. Как оценить размеры молекул воды и спирта?
4. Если соединить 50 миллилитров воды и 50 миллилитров спирта, то объем раствора окажется меньше 100 миллилитров. Почему?
5. Оцените, во сколько раз среднее расстояние между молекулами водорода при нормальных условиях больше поперечника самой молекулы.
6. Почему при уменьшении плотности воздуха электрический разряд происходит при более низких напряжениях?
7. Чем объяснить, что вода, находящаяся в глиняном сосуде, имеет температуру ниже температуры окружающего воздуха? При каких условиях температура воды в этом сосуде будет такой же, как и окружающего воздуха?
8. В чайнике кипит вода, и мы видим выходящий из носика чайника водяной пар. Так ли это?
9. Сосуд разделен на две секции пористой перегородкой. В одной секции находится газ, состоящий из легких молекул, в другой - из тяжелых. Давления газов в начальный момент одинаковы. Через некоторое время давление в той секции сосуда, где находились тяжелые молекулы, увеличилось. Затем, через более длительный промежуток времени, давления в обеих секциях сосуда выровнялись. Как это объяснить?
10. Почему броуновские частицы должны быть относительно малыми?
11. Чтобы разорвать кусок проволоки, требуются значительные усилия. Однако если раскалить проволоку в пламени горелки, то разорвать ее намного легче. Почему?
12. Слепить фигурку из сухого песка нельзя, а из мокрого можно. Почему?
13. С помощью паяльника нельзя расплавить медные или стальные провода. Отчего же тогда удается надежно соединить пайкой эти провода друг с другом?
14. Опытный стекольщик, после того как проведет алмазом по стеклу, смачивает царапину водой, а уже затем ломает лист. Для чего производится смачивание?
15. Известно, что в холодную погоду для растопки вместо дров используют обыкновенные красные кирпичи, вымоченные в бензине. На чем основан этот способ обогрева?
16. Если мыльную пленку расположить вертикально, то цветные полосы на ней будут со временем смещаться вниз, меняя свою ширину, а вскоре в верхней части пленки возникнет быстро увеличивающееся темное пятно, после чего пленка разорвется. Как это объяснить?

Микроопыт

Нагрейте в пламени спиртовки лезвие безопасной бритвы. Вы сможете увидеть на поверхности металла так называемые цвета побежалости - меняющуюся радужную окраску. В чем причина ее появления?

Любопытно, что...

...прочные сабли и клинки из дамасской стали научились делать еще в средние века. А вот тайна изготовления такой стали открылась совсем недавно, когда анализ ее структуры позволил обнаружить в ней углеродные нанотрубки - гигантские цилиндрические молекулы из атомов углерода, придающие материалам уникальные упругость и твердость.

...в отличие от природных алмазов, искусственно созданные наноалмазы обладают рядом особенных свойств. Так, у их наночастиц значительно выше поверхностная активность и реакционная способность (у них больше удельная поверхность). Поэтому наноалмазы ныне используют и в биологии, и в медицине в качестве адсорбентов токсичных соединений и носителей препаратов для лечебных целей.

...золото давно научились расплющивать в листки толщиной 100 нанометров, а химической обработкой доводить до толщины 10 нанометров. Однако до размеров самих атомов добраться таким образом было невозможно. И лишь с появлением электронного микроскопа с разрешением 0,12 нанометра удалось при увеличении в семь миллионов раз «увидеть» ряды атомов в кристалле золота, находящихся друг от друга на расстоянии 0,235 нанометра.

...история приготовления коллоидных растворов золота, меняющих цвет от оранжевого до зеленого, или добавления в расплавленное стекло соединений золота, придающих ему яркий красный цвет («золотой рубин»), берет начало в далеком прошлом. О применении «растворимого золота» в медицине упоминал и знаменитый врач XVI века Парацельс. Однако лишь в 1857 году Фарадей доказал, что яркая окраска коллоидных растворов золота обусловлена мелкими взвешенными его частичками. Это и было нанозолото, совершенно не похожее по своим свойствам на золото обычное.

...возможно, самый острый объект, созданный природой, это жало осы - радиус закругления его острия не превышает 10 нанометров.

...в своем знаменитом опыте по определению размеров молекул лорд Рэлей поступил удивительно простым способом. Капая масло в таз с водой, Рэлей бросал туда пыльцу камфоры. Зная, что на поверхности воды частички камфоры совершают беспорядочное движение, а на поверхности масла они спокойны, он подбирал массу масляной капли такой, что закрывал ею всю поверхность воды и добивался прекращения «плясок» пыльцы. Это и было свидетельством того, что масло растеклось мономолекулярным слоем, толщина которого, а значит и размер молекул масла, не превышала 1,7 нанометра.

...суперинвар - сплав железа и никеля с добавкой хрома - обладает необычайно малым коэффициентом теплового расширения. Так, при повышении температуры на один градус метровый стержень из суперинвара удлиняется лишь на 30 нанометров.

...электрическая емкость электролитических конденсаторов может быть очень большой за счет малого расстояния между их обкладками, определяемого химической пленкой толщиной в несколько нанометров.

...мембранные технологии, применяемые для получения полупроницаемых пленок, не так давно пополнились еще одним методом. Ускоренные тяжелые ядра облучают синтетические пленки и превращают их в «сита» с аккуратными отверстиями, размер которых можно регулировать в нанодиапазоне.

...так называемые живые молекулярные машины -жгутики бактерий или элементарные мышечные звенья, обеспечивающие целенаправленное движение клеток и перенос молекул через мембраны, - обладают характерными размерами в единицы или десятки нанометров. А диаметр двойной спирали молекулы ДНК составляет около двух нанометров, длина же ее вдоль контура -порядка 400 нанометров.

...приставка «нано» получила столь широкое распространение, что стала использоваться для описания объектов и макроскопических масштабов. Так, в соответствии с европейской классификацией малых спутников, аппараты массой от одного до десяти килограмм получили название «наноспутники».

1. «Нанотехнология на службе человека» - 2005, №4, с.11;
2. «Нанотехнологии: когда размер имеет значение» - 2008, №3, с.6;
3. «На пути к квантовому компьютеру» - 2009, №1, с.2;
4. «Рассказы о современной механике» - 2009, №3, с.2;
5. «Линейка длиной в один нанометр» - 2009, №4, с.2;
6. «Почему углеродные нанотрубки прочнее стали?» - 2009, №4, с.7;
7. «Космический нанолифт» - 2009, №5, с.11;
8. «Измеряем прочность тел от нано до мега» - 2009, №6, с.3;
9. «Как управлять светом с помощью магнитного поля» -2010, №1, с.12.

Ответы

Вопросы и задачи

1. Да, примерно такую массу имеет точка типографского шрифта.
2. Приблизительно сто тысяч миллиардов атомов.
3. Если считать молекулы шариками, плотно прилегающими друг к другу, то на каждую из них приходится (1/N_A)-я часть молярного объема. Извлекая кубический корень из этого объема, находим диаметр молекулы. Для воды он составляет примерно 0,3 нм, для спирта 0,46 нм.
4. Когда смешивают два вещества, молекулы одного из них могут «занять» часть объема в пространстве между молекулами другого, при этом объем смеси будет меньше, чем сумма первоначальных объемов обоих веществ. Это уменьшение объема особенно заметно, если размеры молекул одного вещества значительно меньше, чем у другого.
5. Расчет, аналогичный приведенному в решении задачи 3, дает величину среднего расстояния между молекулами водорода примерно 30 нм, что в 150 раз больше диаметра самой молекулы (около 0,2 нм).
6. Разрежение газа ведет к увеличению длины свободного пробега (а это десятки нанометров при нормальных условиях) электронов и ионов под действием электрического поля, т.е. к увеличению их кинетической энергии. Поэтому при уменьшении плотности воздуха ионизация его молекул наступает при более низком напряжении.
7. Вода просачивается через мельчайшие поры глиняного сосуда и обращается в пар. На испарение расходуется энергия, отнимаемая от сосуда с водой, из-за чего он охлаждается. Температуры воды и воздуха сравняются, если окружающий воздух будет насыщен водяными парами.
8. Нет. Водяной пар, состоящий из молекул воды размером менее нанометра, невидим. То, что мы наблюдаем, это туман, состоящий из капелек воды много большего размера, образующихся при конденсации пара.
9. Легкие, т.е. более подвижные, частицы быстрее проходят сквозь нанометровые поры перегородки. Поэтому сначала выравнивается число легких частиц в единице объема, и давление в секции, где находились тяжелые частицы, увеличивается. Через некоторое время становится одинаковой и плотность тяжелых частиц, и давления выравниваются.
10. С увеличением размеров частицы число ударов молекул о ее поверхность возрастает пропорционально квадрату ее размера, тогда как масса растет пропорционально кубу размера, поэтому молекулам становится все труднее и труднее сдвинуть частицу.
11. При нагревании проволоки расстояния между атомами, составляющие доли нанометра, в среднем увеличиваются, а силы притяжения между ними соответственно уменьшаются.
12. Вода смачивает песок и обволакивает каждую песчинку. Сокращая свою свободную поверхность под влиянием поверхностного натяжения, вода препятствует расползанию песчинок.
13. Припой (легкоплавкий сплав) заполняет мельчайшие неровности поверхностей и, отвердев, обеспечивает прочное сцепление проводов межмолекулярными силами, действующими на расстояниях меньше нанометра.
14. Смачивая края поверхностной трещины на стекле, вода оказывает на него «расклинивающее» действие, что способствует раздвиганию стенок трещины.
15. Благодаря смачиванию, в многочисленных порах и мельчайших капиллярах кирпича бензин хорошо удерживается силами поверхностного натяжения. По мере нагревания бензин частично вытекает, частично испаряется и таким образом поддерживает огонь для обогрева.
16. Вода во внутреннем слое мыльной пленки постепенно стекает вниз, и верхняя часть пленки становится все тоньше. Когда ее толщина достигает размеров двух диаметров молекул мыла, иначе говоря промежуточный водяной слой исчезает, при интерференции отраженных лучей света в столь тонкой пленке гасятся волны всех длин, и возникает темное пятно. Это - свидетельство того, что пленка слишком тонка и скоро лопнет.

Микроопыт

При температуре 220 - 350 °C сталь покрывается нанометровой прозрачной оксидной пленкой. Конкретная толщина пленки обусловлена температурой, а от толщины зависит результат интерференции отраженных световых лучей.