МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ПОИСКУ ВОЗМОЖНЫХ ПУТЕЙ РАЗВИТИЯ НАНОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

«По уровню научно-исследовательских разработок РФ находится в одинаковых стартовых позициях с ведущими мировыми державами. Анализ организации работ по развитию нанотехнологий в мире приводит к заключению, что, несмотря на широкий фронт проводимых работ в этой области, каждая страна стремится выделить области особого внимания и свои приоритеты»[1].

Однако, при нынешних темпах развития, когда значительно сократилось время, отпущенное на создание новой технологии, без изменения самой технологии решения творческих задач, без обеспечения научных исследований по приоритетным направлениям инструментальной научной методологией, невозможно эффективно решить поставленные выше задачи.

Как показано в статье Н.В.Левашова [5]: «Законы природы формируются на уровне макрокосмоса и микрокосмоса. Человек, как живое существо, существует, в так называемом, промежуточном мире — между макро- и микромиром. И в этом промежуточном мире человеку приходится сталкиваться только с проявлением законов природы, а не с ними непосредственно. Как следствие этого, возникает проблема с созданием полноценной картины мироздания».

Исходя из этого, наш мир условно можно разделить на три уровня: макромир — космос (Вселенная), мезомир — срединный мир и микромир. Соответственно и познание шло тремя путями: «ВНИЗ» в микромир (микрокосмос), т.е. вглубь материи и «ВВЕРХ» — на макроуровень — в макрокосмос, и на мезоуровне (в срединном мире). Человек же сам оставался в срединном мире, где он мог что-то измерить, пощупать, рассмотреть и т.д. как с помощью своих органов чувств, так и с помощью изобретенных им инструментов. Для познания на других уровнях он вынужден изобретать соответствующие инструменты и приборы, усиливающие часть его возможностей. Каждый свой шаг по пути познания он делал, используя самую примитивную технологию решения творческих задач — технологию метода проб и ошибок, постепенно складывая мозаичную картину окружающего мира. В результате анализа развития различных научных систем установлено, что наука развивается по объективным законам, которые можно познать и использовать для планомерного развития научных, технических и других систем, без надежд на озарение или осенение.

Таким образом, если вести речь о развитии наших представлений о мире, то история науки показывает, что они развиваются всегда по одному и тому же алгоритму: вначале мир воспринимается однородным, жѐстким, затем появляются представления, что он состоит из однородных частей, которые могу соединяться друг с другом жѐсткими, затем подвижными, гибкими, изменяющимися во времени и т.д. связями. Далее выясняется, что соединяемые части несколько отличны друг от друга (неоднородны), и это приводит к новому качеству.

Следующий шаг: система настолько «неоднородна», что она переходит в свою противоположность — в антисистему, т.е. представления развиваются по цепочке: однородная система —>  однородная система из элементов со сдвинутыми характеристиками (физическими, геометрическими и др.) —> неоднородная система —> антисистема —> [2]. При этом количественные изменения на каждом из этих уровней переходят в качественные, заключающиеся во внешнем проявлении в виде различных эффектов.

Кроме того, анализ особенностей синтеза и развития систем показывает, что взаимодействующие части относятся друг с другом в определенных отношениях, которые могут быть выражены количественными соотношениями. При этом, взаимодействие неоднородных объектов, приводит к возникновению внутренних противоречий, разрешение которых возможно лишь при гармонизации целого и части или частей между собой. А гармонизация возможна только там, где имеется родство элементов, содержащих различия в сущности [3]. Гармония – мера разрешения противоречий, поэтому изучение метрической стороны гармонии предполагает разделение целого на части и дифференцированность системы. Здесь проявляют себя, так называемые, законы симметрии, золотого сечения, нарушенной симметрии [6], являющиеся следствием более фундаментальных законов природы и, которые можно использовать для планомерного развития, в частности, нанометрических технологий.

Как было отмечено, нанометрические технологии занимаются синтезом искусственных объектов из атомов или агрегатов из них [7].

Как известно, в настоящее время существуют три способа создания нанообъектов: «сверху - вниз», «снизу - вверх» и самосборка. Технология «снизу – вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов более сложных образований и т.д.) располагаемых в требуемом порядке. Технология «сверху – вниз» предполагаем уменьшение размеров деталей, т.е. постепенным удалением лишних элементов.

Самосборка – это объединение разных объектов в более сложное образование на основе законов синергетики. Особенно интенсивно в последнее время изучается самосборка сферических коллоидных частиц. С одной стороны, маленькие шарики, плавающие в растворе, являются довольно простым объектом, с другой – посредством определенных воздействий из них можно создавать очень сложные и интересные структуры.

Однако эти технологии связаны с рядом проблем.

Самый труднопреодолимый и существенный недостаток углеродных нанотрубок (УНТ) это то, что манипулирование ими затруднено из-за очень маленьких размеров элементов и осуществляется в основном методом атомно-силовым микроскопом (АСМ).

До сих пор исследователям не удавалось добиться одновременного регулирования размеров и пространственного положения углеродных нанотрубок, которое требуется для построения на их основе транзисторных цепей.

Кроме того, невозможность синтезировать нанотрубки четко определенных размеров (хиральности), характеризующиеся определенными электрическими свойствами. Обычно при синтезе образуются нанотрубки с большим разбросом параметров, что не позволяет использовать их серийно; 

производственно-технологические трудности интеграции нанотрубок в серийные микроэлектронные устройства – сложности ориентации, обеспечения определенного месторасположения;

нагрев и значительные потери энергии в местах соединения «металл-нанотрубка» из-за высокого сопротивления соединения.

Для разработки новых технологий и совершенствования известных, необходимы государственные инвестиции, которые в РФ, увы, весьма скромные. Выход здесь опять же видится в разработке и применении новых методологических принципов проведения научных исследований и разработок в области нанометрических технологий, которые позволят значительно сократить затраты на науку.

Россия обладает заметным потенциалом интеллектуальной собственности по нанотехнологиям, но еще значительно отстает от передовых стран [1].

Развитие нанотехнологий невозможно без создания адекватных аналитических средств, позволяющих на атомарном уровне изучать элементные взаимодействия, лежащие в основе новейших нанотехнологий, получать информацию о структуре, составах и линейных параметрах нанообъектов и систем на их основе.

Цель данного исследования состоит в том, чтобы показать возможные рациональные пути развития нанометрических технологий, основываясь на известных объективных закономерностях развития систем.

К решению проблемы можно подойти со следующих позиций: нанообъекты являются носителями определенных качеств, проявляющихся до и после их «сборки», они образуют объекты, подчиняющихся определенным количественным соотношениям и являются следствием проявления определенных законов микромира.

С методологической точки зрения можно предложить следующую последовательность исследования и прогнозирования дальнейших путей развития нанометрических объектов.

1.     Определить состав исследуемого объекта и на его основе подобрать логически непротиворечивую структуру системы и динамику поведения (развития). Найти ответ на вопрос: из чего состоит объект исследования? Какие при этом составе проявляет свойства? Например, если в качестве объекта взять атомы, то выстраивая их в виде определенной структуры, можно получить новое качество. Атомы можно расположить в точке (пример – квантовые точки), выстроить в линию (пример – нанопроволоки), расположить в виде плоскости (Графен), собрать в объем с определенной структурой (пример - дендримеры). И каждый раз будут проявляться определенные качества и свойства.

2.     После определения состава объекта найти адекватную ему структуру и закончить этот этап формированием концепции о структуре объекта. Найти ответ на вопрос: как устроить объект исследования, чтобы получить заданное качество?

Составить новую структуру, изучить и сравнить разные структуры.

3.   Выявить правила гармонии системы, еѐ устройства и функционирования: как должны соотноситься друг к другу целое и части или части между собой, чтобы система обладала целостностью и выполняла заданную функцию.

Выявить механизм адаптации (гармонии) системы и еѐ динамику. Найти ответы на вопросы: Как происходит функционирование (работа) системы  с данной структурой и данным составом, по каким правилам и с какой динамикой? Что заставляет еѐ быть такой? Почему именно так?

Гармония связана с «золотым сечением», следовательно, здесь должны учитываться законы симметрии, нарушенной симметрии и «золотого сечения, а также тенденции перехода развития систем с макро- на микроуровень.

Примечание: В случае синтеза искусственных систем с заданной функцией, необходимо сформулировать функцию цели или главную полезную функцию этой системы.

4.     Выявить пути эволюции системы: как, развивая систему, сохранить ее целостность и гармонию, реализовать заданную функцию. Найти ответы на вопросы: Как развивается система и что ею движет? Почему одна система сменяет другую? Какова цель этого развития? Кому это нужно?

Такой анализ потребует только интеллектуальную энергию, бумагу и может быть проведен до начала конкретных физических исследований.

В процессе изучения природного мира, человек, используя полученные знания, создал искусственный мир — мир технических систем (ТС), роль которого — усилить возможности человека. Но при исследовании природного и искусственного мира человек использует одни и те же подходы, т.е. одну и ту же методологию.

Говоря о нанометрических технологиях, в которых технические системы будут формироваться из отдельных атомов и агрегатов нанометрических размеров, следует помнить, что это те же системы, но сформированные на микроуровне . При этом законы формирования систем будут аналогичны законам формирования систем на макроуровне. Например, если нужно осуществить хотя бы одну полезную функцию над заданным исследуемым объектом с целью получени результата Rо, необходимо построить с ним временную систему с Вещественно- Полевым и Функционально совместимым звеном (П → О).

Практически вся техника предназначена для выполнения заранее заданной главной полезной функции (ГПФ). Причѐм, как правило, внедряется та техника, у которой выше ГПФ. Повышения ГПФ искусственных систем (ИС), их развитие идѐт по пути последовательного использования свойств всех иерархических уровней системы (материи), усложнения внутренней организации системы и т.д. Иначе говоря, по пути вычерпывания всех ресурсов развития ИС, идеализации еѐ состава и структуры — когда части системы с более высокой организацией берут на себя функции частей с более низкой организацией, как бы «поглощая» их в себя. В идеальной системе нет «лишних» элементов: всѐ работает на ГПФ системы.

Но системный эффект может быть значительнее, если объединить разнородные элементы, вплоть до элементов с противоположными функциями. Увеличение степени неоднородности — один из источников интенсивного развития системы. Кроме того, это один из фундаментальных принципов развития систем.

Если вести речь, например, о технике, в которой используются законы природы и их следствия, она работает, благодаря проявлению механизма неоднородности в любой цепочке технической системы, по которой протекают потоки энергии, вещества или информации. Анализ эволюции технических систем (занимающих разные ниши в техносфере), проведѐнный в начале 90-х годов, показал, что они, проходя четыре этапа развития, приведенные выше, развиваются преимущественно по нескольким рациональным путям вычерпывания ресурсов развития: на уровне системы, надсистемы и вещества [4]. Эти пути развития ТС ещѐ раз подтверждают, что принцип неоднородности является универсальным принципом эволюции природных и искусственных систем.

Можно выделить следующие рациональные пути вычерпывания ресурсов развития: А. на уровне вещества, как системы:

-   вычерпывание собственных ресурсов:

-     вещество в виде кластера обрастает себе подобными системами, увеличиваясь в размерах до появления нового качества; Например, способ получения высокооктанового бензина путем использования мочевины и др.

-     вещество в общем виде остается без изменения, но последовательно «обрастая» дополнительными веществами, выполняющими требуемые функции, превращается в вещество-композит; Например, к наноструктуре добавляются отдельные атомы или системы атомов. Появляются новые свойства, например, дендримеры.

-     по пинии использования свойств веществ, выполняющих функцию системы моно-вещество à би- вещество à поли-вещество à сложное-вещество à «сворачивающееся» в идеальное веществоà….При этом наносистемы дополнительно развиваются по линии: «сплошное» нановещество à нановещество с одной полостью à нановещество с двумя и более полостямиà нановещество со многими полостями –пористое нановещество, заполненное другими веществами, выполняющим определенную функцию.

- по линии объединения с альтернативными веществами-системами с измененными характеристиками, увеличивающими степень неоднородности синтезированной системы с последующей идеализацией и сворачиванием системы в идеальное вещество; Здесь, кроме всего проявляется системный эффект, качества, которого нет ни у одного из элементов, составляющих систему.

- по линии вычерпывания ресурсов развития на уровне подсистем вещества за счет использования свойств его внутренней организации. (способ получения высокооктанового бензина за счет использования структуры мочевины, которая затягивает вовнутрь молекулу бензина).

Ученые использовали Принц-технологию для создания самодвижущихся струйных микродвижителей для возможной доставки лекарств в определенные места организма. Такие комплексные микромашины могут работать автономно, аналогично биологическим микроорганизмам, превращая химическую энергию локальной окружающей среды в кинетическую энергию своего движения.

В. на уровне надсистемы:

- исчерпав возможности развития на уровне системы, ее развитие (системы) продолжается на уровне надсистемы, в которую она входит в качестве одной из подсистем со своей Основной Функцией Цели.

Другая возможная линия развития нанометрических технологий и систем – это учет законов симметрии, золотого сечения и нарушенной симметрии.

Диалектическое противоречие между симметрией и асимметрией является движущей силой саморегуляции.

Гегель писал: «Противоречие - корень всего движения и живучести». Перефразируя  известный философский закон «О Единстве Противоположностей», получим закон «О Единстве Симметрии и Асимметрии». Белорусский философ Э.М. Сороко высказал предположение, что «сочетание симметрии и асимметрии в определенной пропорции и есть гармония» [8].

Асимметричность морфологических процессов есть фундаментальный закон живой материи, а числа Фибоначчи, золотое сечение и пентагональная симметрия его количественное отображение.

Приведенные выше предположения дают возможность качественно нового подхода к изучению не только живой материи, но и косной. Становится возможным построение реальных математических моделей наносистем и всевозможных самоорганизующихся систем.

Известно, что большинство металлов кристаллизуются либо в плотно-упакованную гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, например, Al, либо в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку, например, Mg или Zn. Каждый атом в обеих плотноупакованных решетках имеет соседей. Например, ГЦК наночастица имеет форму 14-гранника – 6 квадратных граней и 8 граней в форме равностороннего треугольника. Если теперь к такой наночастице добавить еще один слой атомов, получим частицу из 55 атомов, а если добавлять еще по слою, получим ряд кластеров с суммарным количеством атомов: 1, 13, 55, 147, 309, 561,… Сравним эту цепочку с цепочкой натуральных чисел, которая называется рядом Фибоначчи 0, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377,

610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765…, особенность которой состоит в том, что эта последовательность постепенно приближается к «золотому сечению» :Аn+1/An =1,618.

Если использовать ту же процедуру для построения наночастицы с ГПУ , то получим несколько отличный от предыдущего ряд магических чисел: 1, 13, 57, 153, 321, 581,..

Фуллерены представляют собой устойчивые многоатомные кластеры углерода с числом атомов от нескольких десятков до сотен. Как известно, углерод представляет собой достаточно устойчивое соединение протонов и нейтронов. Наличие внешних связей дает возможность молекуле углерода образовывать соединения типа алмаза или графита. Однако на микроуровне углерод способен создавать кластеры, число атомов углерода в которых будет не произвольным, а подчиняться определенной закономерности, исходящей из неоднородности свойств углерода по разным направлениям. Поэтому число атомов в кластере, в зависимости от типа решетки будет: 32, 44, 50, 58, 60, 70, 72, 78, 80, 82, 84 и т.д.

В связи с тем, что кластеры могут образовываться путем добавления атомных слоев, при этом число атомов будет подчиняться ряду Фибоначчи, который будет приближаться к «золотому сечению» и проявляющиеся эффекты должны быть более устойчивыми. При этом конфигурации атомных кластеров, в которых электроны образуют заполненные оболочки, особенно устойчивы и порождают электронные магические числа: 3, 9, 20, 36, 61,… для ГЦК структур. Этот ряд также постепенно приближается к «золотому сечению», т.е. к более устойчивому состоянию системы.

Таким образом, учитывая, что синтез наносистем сопровождается разрешением противоречий, которые возникают  на  этой  стадии,  преимущество  в  плане  устойчивости  соединений  имеют  те  сочетания взаимодействующих систем, которые имеют совместимые друг с другом по свойствам и качествам элементы и подчиняются законам гармонии.

Однако, учитывая, что проявление эффектов усиливается при увеличении неоднородности системы, например, если увеличивать неоднородность в каком-либо предпочтительном направлении, эффект будет существеннее.

Именно неоднородность на наноуровне позволяет получить ряд новых физических эффектов, которые могут быть использованы для создания наносистем с особыми свойствами. Этот принцип совместимости работает практически на всех уровнях организации материи.

Таким образом, используя предложенные методологические подходы, можно помочь выбрать наиболее рациональные пути развития нанометрических технологий, не тратя средства и время на их поиск методом проб и ошибок.

Список литературы

1.     Бабкин В.И. Государственная значимость нанотехнологий. Конференция «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям», Москва, 18-19 ноября 2008г

2.     Кондраков И.М. Динамизация технических систем. Тез. В сб.: "Методология и методы технического творчества". Новосибирск.  СО АН СССР. 1984 г. С. 70-72.

3.     Коробко В.И., Коробко Г.Н. Золотая пропорция и человек / Издательство Международной Ассоциации строительных вузов. – М., 2002. – 394 с..

4.     Кондраков И.М. «Адаптация искусственных систем к окружающей среде».  «Образование, наука, производство в технологическом университете»: Сб. научн. докл № 5 Юбилейной научно-практической конференции в технологическом университете. Минеральные Воды: СКФ БГТУ им. В.Г. Шухова, 2008, с.56-63. ISBN 978-5-903213-07-8.

5.     Левашов Н.В. «Теория Вселенной и объективная реальность». В сб. научн. докл. Ежегодной научно-практ. конф. «Наука, экология и педагогика в технологическом университете», — Минеральные Воды. Изд-во СКФ БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. — с. 205, с. 81-90. ISBN 5-903213-02-2.

6.     Марутаев М. Гармония мироздания – закон Единого Целого. Ж.Российский колокол. № 3, 2005, с. 136 – 169.

7.     Старостин В.В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие/ В.В.Старостин; под общ. Ред. Л.Н.Патрикеева. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 431 с.

8.     Сороко Э.М. Структурная гармония систем. - Минск, 1984