НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Нанонаука и нанотехнология в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли

М. Холм, М. Алпер[81]

Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли представляет собой круп­ную многопрофильную научную организацию, относящуюся к Министерству энергетики. Она проводит исследования по материаловедению, химии, геоло­гии, медицине, охране окружающей среды, энергетике и ядерной физике. Ла­боратория располагается на территории Калифорнийского университета. В ис­следованиях принимают участие около 250 преподавателей, 360 аспирантов и 320 студентов-старшекурсников. Лаборатория обладает уникальным исследо­вательским оборудованием, на котором ежегодно работают более 2000 специа­листов из других стран. Особо следует отметить две установки, сконструиро­ванные и созданные исследовательским отделом Министерства энергетики: самый мощный в мире источник мягкого рентгеновского излучения и просве­чивающий электронный микроскоп с самой высокой разрешающей способно­стью в США (Национальный центр электронной микроскопии).

Лаборатория в Беркли одной из первых начала осуществлять крупномасш­табные исследовательские программы по нанотехнологиям и уже добилась значительных успехов (рис. 11.12). В работе над проектами соединяются усилия химиков, физиков, биологов и материаловедов. С 1991 г. проводится программа синтеза нанокристаллов заданного размера из полупроводников и металлов, включающая также теоретическое изучение электрических и опти­ческих свойств нанокристаллов и наноструктурных проводящих полимеров.

Для получения нанокристаллов с определенной пространственной геомет­рией отрезки молекул ДНК, содержащие заданные аминокислотные последо­вательности, присоединяли к кристаллам. С помощью сочетания различных методик были созданы и изучены искусственные магнитные структуры нано - метровых размеров. Группа экспериментаторов и теоретиков сперва предска­зала существование, а затем и синтезировала разнообразные углеродные нано­структуры, включая маленький «бакибол» С36 и нанотрубки из «скрученного»

Электронная микроскопия с разрешением 0,1 нм

■

Изображение атомов полупроводникового нанокриеталла (размером S нм)

У'

"МВиВш

Сборка молекул (1 нм) на поверхности клетки (размер 5 нм) к молекуле ДНК

Рис. 11.12. Исследования по нанотехнологиям, осуществляемые Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли.

Графита, которые, в зависимости от особенностей структуры, могут обладать полупроводниковыми или металлическими свойствами. Соединяя такие труб­ки, можно создавать «нанодиоды», а затем, применяя литографическую техни­ку, изготавливать наноразмерные устройства, в состав которых входят нано­кристаллы и нанотрубки. Такие устройства можно использовать для изучения электрических свойств и характеристик переноса в получаемых материалах.

Около двадцати лет в лаборатории оптическими методами изучаются раз­мерные зависимости фундаментальных физических процессов. Некоторые исследователи пытаются решить сложную задачу введения легирующих при­месей в нанокристаллы. Изучаются способы использования наноразмерных магнитных частиц в высокочувствительных сенсорах.

Лаборатория им. Лоуренса в Беркли одной из первых стала заниматься био­молекулярными материалами и изучать биологические структуры в качестве нанообъектов. Такой подход позволяет, например, изменять порядок атомов в биоструктурах или создавать новые углеводородные молекулы с регулируемы­ми поверхностными свойствами. Наноразмерные полимеры (например, де- ндримеры), создаваемые на биологической основе, могут быть изготовлены в виде «прочных» структур, обладающих заданными размерами, химической ак­тивностью и гибкостью. Интерес к таким материалам объясняется их уникаль­ной каталитической активностью, способностью поглощать свет, переносить энергию и т. д.

В программах лаборатории большое внимание уделяется разработке новей­ших методик исследования и различных видов измерительной аппаратуры. Как уже упоминалось, в Беркли спроектирован и собран крупнейший в мире источник (третьего поколения) ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения, позволяющий получать подробную информацию о структуре и электронных параметрах различных веществ (полимеров, полупроводников, слоистых материалов и белков). В Национальном центре электронной микро­скопии работают лучшие в мире микроскопы, дающие изображения деталей структуры нанокристаллов (распределение атомов, строение граней, внешние оболочки). Кроме того, в лаборатории накоплен богатый опыт в разработке и использовании сканирующих зондовых устройств (например, СТМ и АСМ) и спектральных приборов. Эта аппаратура позволяет исследователям проводить эксперименты при низких температурах, высоких давлениях, с фемтосекунд - ным временным разрешением и пространственным разрешением на уровне отдельной молекулы.