В. Г. Шувалов,
к.т.н.. СИНИМ, Новосибирск
Проблемы нано-метрологии
Нанометрология - новый современный раздел метрологии, науки об измерениях. Это настолько новая область измерений, что до сих пор нет ее официального определения в нормативных документах, таких как "РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения" от 01.01.2001 г. и от 01.01.2013 г.
Приведем определение понятие нанометрологии в редакции Интернет-энциклопедии "Википедия": "Нанометрология - наука, отличающаяся измерениями, методами и средствами обеспечения их единства, способами достижения требуемой точности измеренных значений в диапазоне нанометров".
Нанометрология немыслима без новых, более совершенных методов и инструментов измерений. Фундаментальные научные экспериментальные исследования связаны в первую очередь с непосредственными измерениями изучаемых объектов на атомно-молекулярном уровне. Получение информации о размерах и самих микро-частицах - первейшая задача нано-метрологии [1].
Нанометрология, как наука, развивается на основе достижений в таких направлениях деятельности, как нанотехнология и наноиндустрня. В России, (по-мнению авторов, прим. редактора) эти научные направления, к сожалению, отстают от мирового уровня лет на 20.
Переход в систему отсчета наноразмеров и нано-времен связан с проблемой применения фундаментальных законов классической физики макро-мира к явлениям в микро-мире. Так, закон Кулона и закон всемирного тяготения, одинаково описывающие свойства поля статического электричества и гравитационного поля, при переходе в мир нано-размеров, постулируют резкое увеличение сил взаимодействия зарядов и масс электронов ,приблизительно, ~ в 10 18 раз.
Повлияет ли это обстоятельство на применимость этих законов в нано-мнре? Ответ находим в работах [2.3]: границы действия этих законов (по определению) указывают на неприменимость соотношений между величинами, постулируемых в этих законах, в области наноразмеров. Кроме того, сейчас уже известно, что в нано-мире даже классическая термодинамика перестает работать, ее законы теряют свою строгость.
Беспорядочные тепловые движения своей энергией могут перемещать наночастицы, а это прямое нарушение законов термодинамики.
С температурой тоже не все понятно. Смысл понятия температура, как физического параметра, утрачивается. А все потому, что в микро-мире нет, в привычном понимании, свойства теплопроводности, благодаря которому в макро-мире этот параметр выравнивается. Свойства материалов при уменьшении частиц до размеров менее 50 нанометров, резко изменяются.
Если, например, уменьшить размеры частичек золота до двух нанометров ( эта величина характеризует геометрические размеры области, содержащей около 15-ти атомов золота), то температура плавления этой субстанции резко падает вниз с 1065 ?C (для обычного золотого слитка) до до 200 ?C ( для наноструктуры из атомов золота). Эти наночастицы, даже находясь в соприкосновении друг с другом, и образуя замкнутые электронные системы, полностью теряют металлические свойства из-за исчезновения в них свободных электронов. И , таким образом, эти наночастицы золота почти не проводят электрический ток.
Известные из курса общей физики формулы вычисления полного сопротивления схем, состоящих из группы резисторов, при их параллельном или последовательном соединении становятся несправедливыми.
Вода в нанопорах вещества горных пород не замерзает до температур от минус 20. ?C .до минус 30 ?C. Найдена и фундаментальная граница этих нарушений - размер полости длиной (диаметром) около 10 нанометров, при переходе через которую свойства обычной воды надо изучать заново [4].
Что касается закона Ома, то он, фактически, вообще не является фундаментальным законом, так как не выполняется (в некоторых случаях) даже в рамках классической физики (в электронных лампах и в других случаях .)
Известно, что в нано-мире сопротивление всех резисторов одинаково и определяется квантом электрического сопротивления R0 :
R0 = h/(2e2)= 12.9 кОм [5]
Отсюда можно сделать вывод: некоторые законы классической физики в областях с линейными размерами порядка нескольких нонометров не применимы по определению, другие - нарушаются. Тем не менее, основные законы природы - закон сохранения энергии, законы сохранения импульса и момента импульса, классические законы оптики, применимы в этом случае наравне с законами квантовой физики.
Ведь квантовая физика создана на фундаменте законов классической физики при экстраполяции их математических выражений в случае малых размеров частиц и при больших скоростях движения.
На это обстоятельство указывает уравнение Шредингера, с помощью которого получают квантовый продукт классическим инструментом - решением дифференциального уравнения. Квантовая физика - современная фундаментальная наука, изучающая свойства мельчайших частиц вещества.
Ее законы описывают поведение электронов, атомов и молекул и кажутся весьма странными с точки зрения здравого смысла. То, что справедливо в макромире обычных тел. с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, нередко оказывается неверным в микромире.
Так, например, структура атома водорода в классической физике представлена стабильной круговой орбитой электрона вокруг ядра атома. Характерные размеры структуры: размер атома ~ 0.1 нм, размер электрона ~ нм. размер ядра ~ 10-6 нм. - в миллион раз меньше!
Выходит, что электрон заполняет все пространство атома и, по существу, определяет его размер. Кроме того, при своем равноускоренном движении вокруг ядра он не излучает и не поглощает энергии, что противоречит законам излучения классической физики.
Таким образом, движение электрона в атоме относится к области явлений, в которой классическая механика неприменима. Попытки объяснить противоречивость свойств атома в рамках классической физики вынудили Луи де Бройля выдвинуть гипотезу: для элементарных частиц нет понятия фиксированных формы и размера, они определяются энергетическим состоянием частицы как
λ бр = (hc)/E
где »бр - длина волны (по де Бройлю) элементарной частицы, определяющая ее размер,
h - постоянная Планка,
c - скорость света,
Е - энергия частицы.
По правилам квантования орбит на длине окружности стационарной орбиты укладывается целое число - n длин волн »бр (для атома водорода п = 1). Отсюда следует: чем меньше размер частицы, тем больше ее энергия. Так γ-квант (гамма-квант, элемент гамма-излучения) обладает несравненно большей ( ~ в 1010 раз ) большей энергией, чем радиоквант.
Согласно законам квантовой механики, не существует определенных круговых орбит электронов. В силу волновой природы электрон "размазан" в пространстве, подобно "облаку" отрицательного заряда. .Размер электронного облака грубо характеризует собственный размер атома, но поскольку облако не имеет четко выраженных границ, атомы также не имеют ни точной границы, ни определенного размера.
Возврат к списку
