СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Физика атома АТОМ: КЛЮЧ К СОЗДАНИЮ ОСНОВ НАНОТЕХНОЛОГИИ

 

АТОМ: КЛЮЧ К СОЗДАНИЮ ОСНОВ НАНОТЕХНОЛОГИИ

 

© А.А. Потапов,

д.х.н..проф.,

Ин-т динамики систем и теории управления СО РАН

Контакт с автором: matrimm@yandex.ru

 

УДК 539.2 – 022.532

Показана основополагаяющая роль атома в становлении механосинтеза как ведущего направления нанотехнологии. Предложен новый подход к построению теоретических основ нанотехнологии.

________________________________________________

Визуализация отдельных атомов и открывшаяся сегодня возможность манипулирования ими стали эпохальным событием в истории человеческой цивилизации. Изобретение атомно-молекулярных манипуляторов приблизило человека к осуществлению его исконной мечты о создании искусственной природы, полностью подвластной разуму человека и освобождающей человека от непредсказуемости стихий естественной природы. Собственно вся наша история представляет собой непрерывное и необратимое вытеснение биосферы техносферой. В этом поступательном эволюционном процессе становится зримым и осязаемым переход к принципиально новым технологиям, основанным на освоении управляемого синтеза материалов и изделий путем поатомной сборки[1,2].

Цели и задачи. При наличии ассемблера, процедура механосинтеза (с которым связаны основные надежды нанотехнологии) представляется предельно простой и сводится к наноконструированию путем последовательного присоединения отдельных атомов (или молекул) или путем использования некоторой стандартной молекулы подходящей конфигурации, выполняющей роль заготовки, которую доводят до желаемой формы “механическим” удалением лишних фрагментов. Для практического осуществления атомно-молекулярной сборки необходимо иметь свод правил и инструкций, обеспечивающих проведение инженерных расчетов в процессе проектирования и конструирования наносистем. Для этой цели необходимо разработать прогностическую теорию, обеспечивающую практику знаниями того, какие исходные элементы (атомы и молекулы) надо выбрать для наносборки, каким образом и в какой последовательности их следует собирать для получения у создаваемого материала или изделия требуемых эксплуатационных свойств и функций. По сути, проблема целенаправленной наносборки – это проблема современного естествознания и в первую очередь проблема атомно-молекулярного строения и межчастичных взаимодействий[2,3].

Истоки атомизма. Чтобы понять создавшееся положение в науке об атоме, начнем с экскурса в историю. Ее основные вехи: 1) умозрительная атомистика древних; 2) экспериментальное подтверждение  существования атома, ставшее возможным благодаря введению в научную практику  весового (массового) метода измерений и позволившего различать  элементы материи по их весу (по массе); 3) накопление  сведений о многообразии элементов и их систематизация, завершившаяся таблицей Менделеева; 4) открытие сложного электрон-протон-нейтронного строения атома и, наконец, сегодняшний этап - 5) поиск приемлемых моделей внутриатомного строения. На всех этапах становления атомистики идея атомизма выступала как движущий потенциал эволюции в миропонимании и мировоззрении. Анализ смены атомистических воззрений показывает, что переход на следующую, более высокую ступень постижения сущности атома был связан с открытием элементарных микрочастиц, составляющих атом, или с появлением новых эмпирических знаний.

Что мы должны знать об атоме? Для полного описания атома необходимо располагать параметрами, представляющими в первую очередь его геометрию и энергетическое состояние, а также способность к взаимодействию с другими атомами. В конечном итоге необходимо знать как устроен атом, т.е. знать его электронное строение[3,4].

Что мы знаем об атоме? В настоящее время накоплен огромный массив данных, так или иначе относящихся к описанию атомов. Однако далеко не все данные из этого массива могут быть отнесены к категории атомных констант. К их числу могут быть отнесены величины, которые представляют невозмущенное состояние атома. Сказанное можно пояснить на примере рассмотрения радиуса и энергии связи атомов.

В настоящее время для описания размеров атома используются около десятка различного рода атомных радиусов, таких как ван-дер-ваальсовы, орбитальные, кинетические, ковалентные и др. Ни один из известных радиусов по своей сути не является радиусом; каждый из них несет условный смысл, связанный с методом регистрации, выбором объекта исследования или выбором той или иной модели микросистемы. Радиус атома как один из его основополагающих параметров, которым задается масштаб и пространственная протяженность окружающего нас мира, оказался не определенным по формальным признакам и не раскрытым по существу[5,6].

Энергия связи ε характеризует устойчивость и стабильность атомов и соответственно их прочностные (механические) свойства атомов. Для количественной оценки энергии связи ε в настоящее время используется так называемый потенциал ионизации , представляющий собой энергию, необходимую для отрыва от атома валентного электрона[7]. Но между потенциалом ионизации и энергией связи ε , несмотря на их физическую общность, имеется существенное различие. В отличие от энергии связи ε , в процессе измерения потенциала ионизации происходит перестройка электронной оболочки, которая вызвана удалением электрона. Различие(ε – І) представляет систематическую погрешность определения потенциала ионизации , которая может достигать единиц эВ[5]. Данное обстоятельство не позволяет отнести потенциал ионизации к категории атомных констант. Т.о., основополагающие характеристики атома, каковыми являются радиус и энергия связи, не могут быть отнесены к категории атомных констант и потому не несут достоверной информации об электронном строении атома. Анализ других атомных параметров (валентность, энергия сродства, оптические и рентгеновские спектры и др.) также не приближают к пониманию устройства атома. Остается констатировать: сегодняшнее состояние эмпирического базиса в области атомной физики не обеспечивает необходимых условий для построения корректной теории атома, и соответственно для полного понимания атома.

Как объясняет атом современная атомная физика. Сегодняшнее понимание внутриатомного строения опирается на вероятностные представления об электроне как бесструктурном облаке с переменной плотностью, описываемого волновой функцией. Волновая функция является решением уравнения Шредингера и выступает в качестве концептуальной основы квантово-механического описания атома. Считается, что волновая функция содержит всю информацию о состоянии и строении атомов[8].

Такое понимание атома формировалось в условиях ограниченного эмпирического базиса, когда анализ атомного строения опирался на имеющиеся у создателей квантовой механики данные по рассеянию микрочастиц, а также данные оптических и рентгеновских спектров. Эти данные получены с помощью аппаратуры, характерной чертой которой является разрушение начального состояния исследуемого объекта. Данное обстоятельство предопределило следующую логику рассуждений. Чтобы определить пространственное положение электрона как объекта исследования, необходимо длину зондирующего электромагнитного поля λ  уменьшать до размеров, соизмеримых с размерами электрона. Но уменьшение длины волны эквивалентно увеличению энергии зондирующего поля hν (где частота ν = с/λ, с – скорость света, h – постоянная Планка), так что при характерных для атомов размерах энергия становится достаточно большой для, того чтобы разрушить сам объект исследования. Возникла проблема, известная как влияние “прибора” на энергетическое состояние атома. Обоснование идеи невозможности определения пространственного положения электрона в атоме закрепилось в виде принципа неопределенности В.Гейзенберга. Завершающим звеном этой логической цепочки стала идея М.Борна, предложившего вероятностное описание атома, согласно которому электрон представляется в виде аморфного облака с переменной плотностью; в качестве меры вероятности выступает волновая функция, которая является решением уравнения Шредингера. Данный подход был успешно апробирован на примере атома водорода. Это послужило поводом для разработки “водородоподобной” теории Хартри-Фока, основанной на решении уравнения Шредингера в приближении самосогласованного поля; ее основные положения сохранилась и в более поздних теоретических построениях. Фактически на этом этапе (1925 – 1932г.г.) были заложены основы современной атомной физики, а затем квантово-механическое описание атома было принято в качестве концептуального основания теоретической химии [8].

Но современная атомная физика не отвечают на главный вопрос - как устроен атом и каковы причины его необычной устойчивости. Нет ответа и на вопрос, каков механизм формирования устойчивых атомных образований, таких как молекулы. По сути, изучение электронного строения многоэлектронных атомов зашло в тупик. Несостоятельность вероятностного подхода к описанию атома видится в следующем: 1) принятое в теории Хартри-Фока приближение усредненного поля не согласуется с имеющимися экспериментальными данными по потенциалам ионизации атомов и катионов и противоречит всесторонне апробированным законам электростатики; 2) систематика, принятая в спектроскопии, механически перенесена на многоэлектронные атомы, когда описание энергетических уровней атома водорода в возбужденном состоянии стало концептуальным основанием для систематизации электронных оболочек атомов в основном состоянии; фактически произошло отождествление абстрактных форм атомных орбиталей с реальным распределением электронной плотности атомов; 3) диффузный характер волновых функций многоэлектронных атомов не согласуется с экспериментальными данными по полярзуемостям и потенциалам ионизации, которые свидетельствуют о высокой жесткости электронных оболочек и твердых границах самих атомов; 4) методология вероятностного описания электрона предполагает модель бесструктурного атома и тем самым исключает саму возможность изучения электронного строения атома.

Все это достаточно очевидные положения, хотя их не принято обсуждать на страницах академических журналов. Да и сама постановка вопроса в такой незавуалированной форме воспринимается в научном сообществе далеко не однозначно. Конечно, эти вопросы можно игнорировать, но обойти их нельзя. Сегодня проблема выходит наружу. Практика в лице нанотехнологии требует от науки конкретных результатов; в первую очередь необходимо создать теоретические основы нанотехнологии, которая могла бы обеспечить всю технологическую цепочку производства наноизделий, включая стадии проектирования, конструирования и изготовления. Невозможно себе представить создание будущих нанопроизводств или нанофабрик в отсутствии научного и теоретического обеспечения механосинтеза. Сегодня в печатные издания, посвященные вопросам становления нанотехнологии, механически переносятся ставшие традиционными заклинания о том, что у квантовой механики есть определенные трудности, но они носят временный характер и рано или поздно будут преодолены. Тем самым создается ложное представление о действительном состоянии науки о веществе, которое уводит в сторону от решения одной из первоочередных задач нанотехнологии – создания ее теоретических основ.

Конечно же, попытки преодолеть создавшуюся ситуацию предпринимались на всем протяжении времени с момента создания квантовой теории многоэлектронного атома. Предложен ряд оригинальных моделей электронного строения атомов, заслуживающих внимательного к ним отношения и требующих всестороннего обсуждения. Важным шагом на этом пути стало введение в описание модели атома геометрического параметра (радиуса), что позволило вывести моделирование как научный метод исследования на принципиально новый, более высокий уровень – на уровень количественного описания.

Неоклассическое описание атома. В основе сегодняшнего понимания электромагнитной природы вещества лежит классическая теория Максвелла-Лорентца[5]. Сегодняшнее описание вещества соответствует феноменологическому уровню и не выходит за рамки теорий типа ad hoc. В принципе они позволяют объяснить известные явления и эффекты, наблюдаемые в экспериментах с веществом. Однако они бессильны в решении кардинальной задачи, стоящей перед наукой о веществе, – задачи синтеза вещества с “наперед заданными свойствами”. В этом отношении сегодняшнее состояние теории вещества не отвечает запросам практики в области создания искусственного вещества, включая нанотехнологию. Более того, приходится констатировать, что на данном этапе своего становления нанотехнология развивается стихийно, без четких методических и теоретических ориентиров[2,3,4].

Ситуация может измениться кардинальным образом в связи с появлением достоверных данных об основных характеристиках атома, полученных с помощью неразрушающих методов измерения. Речь идет об электронной поляризуемости, которая является фундаментальным свойством атомов и проявляется в способности их электронных оболочек к упругой деформации в электрических полях[5]. Поляризуемость относится к категории атомных констант и является отражением внутреннего устройства атома. С целью установления информативности поляризуемости в отношении электронного строения атомов обратимся к методу “черного ящика”, с помощью которого осуществляется эмпирический метод познания вещества[9].

Исходной величиной для рассмотрения выступает так называемая обобщенная восприимчивость, являющаяся результатом экспериментального определения и равная , где отклик исследуемой системы на внешнее воздействие (представляющее одно из известных физических полей). Именно она выступает в качестве исходной величины для нахождения свойства отдельного атома, количественное описание которого достигается с помощью так называемой обобщенной поляризуемости. Она равна , где N – атомная плотность вещества при относительно низком давлении (при котором удовлетворяется условие малости межатомных взаимодействий). Анализ показывает, что наиболее приемлемой для нашего рассмотрения является электрическая поляризуемость[2,5]. Именно она выступает в качестве источника первичной информации о внутриатомном строении: она является функцией его “состава” и “структуры”. “Структура” – это электронная конфигурация, которая формируется в результате совместного действия сил кулоновского притяжения между ядром (остовом) и электронами и сил кулоновского отталкивания между собственно электронами. Под “составом” атома надо понимать число электронов, соответствующее порядковому номеру элемента Z в таблице Менделеева. Обычно в эксперименте атом идентифицирован и потому “состав“ атома можно считать заданным априори. В результате поляризуемость оказывается однозначной функцией его “структуры“. С другой стороны, атомам присуща сферическая симметрия, поэтому в качестве единственного структурного параметра атома выступает радиус а.

Остается решить задачу по установлению связи между величиной свойства (поляризуемостью) и микроскопической величиной (радиусом атома) в виде соответствующего аналитического уравнения. Обобщенным результатом предшествующих исследований в этой области может служить уравнение (где k – коэффициент, зависящий от принимаемой модели), справедливое для водородоподобных систем. С учетом оболочечной структуры многоэлектронных атомов его радиус складывается из радиуса его остова и расстояния dп между внешними электронами и остовом атома, так что . В свою очередь радиус остова атома складывается из внутренних межоболочечных расстояний. Эффективное расстояние непосредственно связано с поляризуемостью атома: эта связь имеет вид [10]. Статус поляризуемости как атомной константы предопределяет соответствующий статус радиуса атома а и межоболочечных расстояний d. Сам факт установления связи между поляризуемостью и геометрическими параметрами атома (включая радиусы оболочек) чрезвычайно важен, поскольку он подтверждает принципиальную постижимость атома.

С другой стороны, для выбора приемлемой модели атома в процессе исследований необходимо иметь некоторый количественный критерий. Для атомов с их сферической симметрией в качестве такого критерия может быть принят радиус и/или параметр, характеризующий энергетическое состояние атома. Такая возможность количественного сравнения атомов по  данным  их радиусов появилась относительно недавно; только после того как была установлена возможность их экспериментального определения на основе измерения электрической поляризуемости. Систематические данные по поляризуемостям атомов появились лишь в конце 70-ых годов прошлого столетия. А ключевая роль поляризуемости и радиуса атома в установлении связи его с электронным строением и сегодня до конца не осознана.

Следующий шаг в построении приемлемой модели атома видится в определении энергетического состояния атома. Этой цели служит универсальное соотношение ε=−e2/dn между энергией связи ε и расстоянием dn между остовом атома и внешними электронами, имеющими заряд е [5,10]. Данное соотношение отражает тот немаловажный факт, что валентные электроны находятся в поле центральных сил ядра (остова атома). С другой стороны, энергия связи ε является результатом совокупного действия внутриатомных сил − сил кулоновского притяжения εпе электронов со стороны ядра (остова атома) и сил взаимного отталкивания εee между электронами. Эти величины самым непосредственным образом определяют пространственное положение электронов относительно своего ядра. Данное обстоятельство предопределяет очередной шаг в моделировании атома; он заключается в анализе зависимости энергии связи от номера элемента таблицы Менделеева в логической цепи от простого (атом водорода) к сложному (многоэлектронные атомы), с целью определения составляющих энергии εпе и εee. Можно предположить, что в силу сферической симметрии атома эти величины ответственны за формирование электронных оболочек и потому несут информацию об их строении. Выстраивается логическая цепь причинно обусловленных звеньев в направлении от макро к микро: χ α а,d ε εne, εee s, которая раскрывает сущность эмпирического метода постижения атомного строения s.

Основные положения настоящей схемы апробированы в рамках диполь-оболочечной модели атома[6,10]. Она является развитием основополагающей и концептуально апробированной оболочечной модели, в начальном варианте предложенной Н. Бором. Согласно данной модели атом представляет собой многослойную структуру вложенных друг в друга электронных сферических оболочек. Устойчивость атомов достигается благодаря динамическому равновесию сил кулоновского притяжения электронов в центральном поле ядра и центробежных сил отталкивания вращающихся электронов. Однако ни модель Н. Бора, ни последующие модификации оболочечной модели атомов не смогли раскрыть электронную структуру атомов и объяснить механизм формирования электронных оболочек. Радикальный шаг в усовершенствовании оболочечной модели атомов был сделан в результате того, что в описание модели были введены количественные характеристики: энергия связи и геометрические параметры , и , полученные на основании данных измерения поляризуемости этих атомов [5]. Концептуальной основой диполь-оболочечной модели является теорема Гаусса, согласно которой заряд на поверхности замкнутой полости равен сумме всех положительных и отрицательных зарядов внутри этой полости, а результирующий заряд эквивалентен точечному заряду. При заданном “составе” атома решаемая задача сводится к непосредственному установлению электронной конфигурации атома, т.е. к определению взаимного положения электронов по отношению друг к другу и к ядру. Тем самым удалось свести многочастичную (многоэлектронную) систему к двухчастичной (двухзарядовой) системе, состоящей из остова, имеющего положительный заряд ( – число электронов на внешней оболочке), и заряда внешней оболочки как системы взаимосвязанных между собой электронов. Согласно данной модели устойчивость атома определяется чисто кулоновским взаимодействием между нижележащей оболочки и каждым из электронов вышележащей по отношению к ней оболочки, т.е. энергия связи электронов внешней оболочки обусловлена действием сил кулоновского притяжения валентных электронов к остову атома и сил взаимного отталкивания электронов внешней оболочки[10].

Другим руководящим принципом, который положен в основу построения диполь-оболочечной модели, является принцип минимума потенциальной энергии электронов. Согласно данному принципу электроны каждой из оболочек в результате взаимного отталкивания стремятся образовать правильную конфигурацию с равноудаленными электронами, так что: атомы I группы таблицы Менделеева приобретают точечную конфигурацию, атомы II группы – линейную (зеркально-симметричная относительно ядра), атомы III группы - тригональную, атомы IV группы – тетраэдрическую и т.д. вплоть до атомов VIII группы, которым соответствует гексаэдрическая (кубическая) конфигурация. Согласно данной модели электроны локализованы в положении вершин перечисленных фигур. Электроны каждой отдельной оболочки тождественны, а их энергии вырождены. Для описания данной модели необходимо и достаточно иметь два параметра: п – число оболочек (или номер периода) и – число электронов на оболочке. Эти параметры однозначно характеризуют геометрию (радиус и межоболочечные расстояния) и энергетическое состояние (энергию или потенциал ионизации) атома. Даная модель атома в статике совместима с ее динамическим поведением в предположении, что каждый электрон вращается вокруг ядра (остова атома) по своей независимой эллиптической орбите, фокус которой совпадает с центром (ядром) данного атома. Характер вращательного движения электронов одинаков независимо от числа электронов на оболочке. При этом каждая электронная оболочка сохраняет свою правильную конфигурацию, как и в представлении статической модели атома. Это достигается за счет самосогласованного движения электронов в центральном поле ядра (остова) и в условиях их взаимного кулоновского отталкивания. Эллиптические орбиты образуют розетку с числом лепестков, равным числу валентных электронов. В результате у атома формируются выделенные направления с повышенной электронной плотностью, которые обеспечивают направленность связей в структуре молекул и плотных веществ.

Согласно диполь-оболочечной модели электроны в центральном поле остова атома стремятся занять пространственное положение, соответствующее одной из правильных геометрических фигур, вписанных в сферу с радиусом . Это означает, что электроны находятся на одинаковых расстояниях от ядра и на одинаковых расстояниях друг от друга. При условии баланса внутриатомных сил притяжения и отталкивания, имеющих кулоновское происхождение, электроны становятся энергетически неразличимыми, т.е. их энергии связи вырождены. Это важный результат, поскольку он вносит определенность в отношении потенциальной энергии электронов. Это означает, что многочастичная трудно решаемая задача может быть сведена к задаче о взаимодействии двух зарядов – положительного заряда остова атома и заряда каждого из электронов , так что [6]. В результате движение электронов может быть представлено с помощью одноэлектронного уравнения Гамильтона . Здесь и – кинетическая и потенциальная энергии соответственно; – момент количества движения; и – масса и заряд электрона; – радиус атома; – расстояние между остовом атома и его валентным электроном; , где – радиус остова, который в свою очередь складывается из суммы внутренних межоболочечных расстояний;  – порядковый номер атома в периоде. Настоящее уравнение может служить методическим основанием для построения неоклассической теории атома.

Электронная структура атома → свойство вещества. Все свойства вещества, такие как прочность, проводимость, теплоемкость и т.д., в конечном итоге предопределены электронным строением атомов; сегодня это утверждение представляется трюизмом. В электронной структуре атома заложена информация, закодированная на стадии формирования материи, и ее постижение и актуализация позволили бы вооружить практику рецептом создания искусственных атомно-молекулярных систем.

По определению свойство вещества – это способность вещества реагировать на внешнее воздействие, представляющее одно из возможных физических полей (из числа механического, электрического, магнитного, электромагнитного и теплового полей) [5,9]. Все многообразие свойств вещества может быть сведено к главным и сопряженным свойствам; главные свойства классифицируются по признаку воздействующего поля – электрические, магнитные, электромагнитные, механические и тепловые. Все прочие свойства вещества являются производными от главных свойств[5]. Количественное описание свойств достигается с помощью обобщенной восприимчивости χ (см. выше).

Эволюция вещества – это последовательный переход от простейшей формы материи (атомов и молекул) к ее более сложным формам в виде вещества. Архитектура вещества определяется его надатомной и/или надмолекулярной структурой, которая, собственно, и предопределяет все наблюдаемые свойства вещества. Природа данного микро-макро перехода хорошо известна и является результатом и следствием электромагнитных взаимодействий[5,9]. Отсюда следует, что проблема свойств вещества, в том числе искусственных атомно-молекулярных конструкций - это проблема межатомных и межмолекулярных взаимодействий.

Одним из признанных методов исследования межатомных и межмолекулярных взаимодействий является метод вариации плотности вещества, согласно которому направленное увеличение плотности вещества приводит к соответствующему увеличению интенсивности взаимодействия между атомами или молекулами. Описание данной экспериментальной процедуры осуществляется с помощью так называемого метода вириального разложения, согласно которому равновесное свойство реального вещества, количественное описание которого достигается с помощью обобщенной восприимчивости , может быть представлено в виде разложения по степеням плотности ρ [5,9]

, (1)

где – величина свойства , соответствующего идеальному состоянию вещества (вещество в газовой фазе при относительно невысоком давлении); и второй и третий вириальные коэффициенты, которыми учитываются отклонения от свойств идеального вещества в первом и втором приближении малости возмущения.

С учетом связи разложение (1) модно привести к виду

, (2)

где первый член данного разложения представляет атомную (молекулярную) константу как характеристику идеального состояния вещества, второй член – это поправка на неидеальное состояние вещества в линейном приближении; третий член – поправка на неидеальное состояние вещества в квадратичном приближении и т.д.

Теперь поляризуемость атомов выступает в качестве исходного пункта исследований в направлении от микро к макро, так что , где обобщенная восприимчивость χ варьируется от идеального состояния вещества, до состояния, соответствующего реальному веществу с плотностью , а приращение соответствует переходу от идеального состояния к реальному и несет искомую информацию о межатомных (межмолекулярных) взаимодействиях U. В свою очередь энергия U предопределяет архитектуру надатомной или надмолекулярной структуры вещества и его свойства. Уравнение (1) служит концептуальным основанием для нахождения связи эмпирических величин свойства с энергией межатомного (и межмолекулярного) взаимодействия. Изменение поляризуемости атомов или молекул на обусловливает соответствующее изменение макроскопической величины, например диэлектрической восприимчивости, на . В соответствии с теорией диэлектрической поляризации[5]

или (3)

где – поляризуемость вещества, соответствующего идеальному состоянию , – атомная или молекулярная плотность.

В качестве примера можно привести выражение для энергии межатомного взаимодействия, определяемую через посредство величины (или)[11]

, (4)

где – энергия связи электронов внешней оболочки атома.

Уравнение (4) описывает связь между поляризуемостью атома и энергией межчастичных взаимодействий и вместе с этим раскрывает механизм формирования связи. Он заключается в увеличении электронной плотности на линии связи атомов (или молекул) за счет перераспределении общего электронного заряда участвующих во взаимодействии атомов или молекул. В результате часть их энергии связи ∆ε валентных электронов с ядром (остовом атома) передается на образование общей межатомной (межмолекулярной) связи, представляемой энергией парных взаимодействий и(R); эта величина характеризует зависимость энергии межатомного или межмолекулярного взаимодействия от расстояния R между микрочастицами [12]. Оболочечная модель атома позволяет принципиально по-новому подойти к построению парных потенциальных функций[2]. Отличительной особенностью этих потенциалов является то, что их построение основано на понимании физических явлений, лежащих в основе взаимодействий между атомами. Существенным представляется то, что они являются результатом и следствием свойств и структуры самих атомов. Потенциалы и(R) такого типа выступают связующим звеном между атомным уровнем и веществом. Именно с их помощью осуществляется расчет энергии U межатомных и/или межмолекулярных взаимодействий и соответственно энергии сцепления элементов наноустройств. Выстраивается цепь причинно обусловленных звеньев (α12)→∆α→∆εи(R)→U→χ. Конечным звеном данной логической цепи является энергия связи (сцепления) U атомов или молекул, характеризующая физическое состояние вещества, его целостность и устойчивость, а также его свойства χ; между собой они связаны известным соотношением χ ~ ∂2U ⁄∂Х2.

Для ван-дер-ваальсовых систем (к ним относятся атомные, молекулярные, супрамолекулярные системы) доля энергии /ε, делегируемой атомами (молекулами) на образование межатомной (межмолекулярной) связи невелика и обычно не превышает более (5 – 10)%. У большинства атомов в результате их взаимодействия электронные оболочки перекрываются и образуют ковалентно-ионные связи. Энергия такой (химической) связи намного больше энергии связи ван-дер-ваальсовых систем и достигает величин до 10 эВ. В принципиальном отношении потенциальная функция химически связанных атомов строится аналогичным образом, как и рассмотренные выше потенциальные функции для ван-дер-ваальсовых систем. Но в этом случае энергия и устойчивость химической связи определяется балансом сил притяжения между положительно заряженным остовом атома и электронами “чужого” атома, с одной стороны, и взаимным отталкиванием валентных электронов разных атомов, – с другой. Приведенная выше схема формирования свойств χ очевидно применима и к атомно-молекулярным системам с химическими связями. Поскольку химическое связывание определяется прямым взаимодействием электронов с зарядом остова атома, то его интенсивность U оказывается существенно большей по сравнению с энергией связи ван-дер-ваальсовых систем. Доля энергии ε связи атома, которая идет на образование химической связи, может достигать половины своего значения и более. Например, энергия связи атома азота ε = 14,5 эВ, а энергия химической связи молекулы азота равна U ≈ 10эВ. Надо отметить, что энергии химических связей большинства молекул известны с достаточно высокой точностью, и они успешно могут быть использованы в практике нанопроектирования, а присущая молекулам структурная устойчивость предполагает возможность использования молекул наравне с атомами в качестве строительных блоков при конструировании наносистем. Такие молекулы (с выраженными ковалентными связями) как азот, водорода, кислорода и т.д. обычно не способны образовывать прочные цепочки и более сложные структуры, и их применимость ограничена образованием молекулярных систем с физическим характером связывания. Исключением из этого правила выступают ионные и ковалентные кристаллические структуры.

Очевидно, что свойства той или иной наноконструкции (механические, геометрические, электрические, магнитные, “химические”) генетически обусловлены свойствами собственно атомов и молекул, используемых для ее построения. Располагая знаниями о строении атомов и механизмами образования атомно-молекулярных систем, можно приступить к разработке стратегии наноконструирования. Схематически она может быть представлена в следующей логической последовательности: электронная конфигурация строительных атомов s и их энергии связи электронов ε→ поляризуемости α→парные потенциалы и(R) → структурная формула, соответствующая атомно-молекулярной наноконструкции→ энергия сцепления конструкционных элементов U(R0) → отдельные фрагменты → блоки → конструкция в целом → свойства χ и функции f разрабатываемой конструкции. Эту цепочку можно замкнуть саму на себя с целью корректировки соответствующих звеньев нанопроизводства путем итерации данной процедуры, с целью достижения ожидаемых характеристик χ и f. Данную схему гипотетического нанопроизводства возглавляет атом как исходная и основополагающая структурная единица (строительный элемент) наноконструкций. Очевидно, что постановка и практическое внедрение нанотехнологии не возможны без знания и понимания внутриатомного устройства.

С другой стороны, на основании данных структуры s атомов и их поляризуемостей α в соответствии с их внутренней связью с энергией U межатомных или межмолекулярных взаимодействий появляется принципиальная возможность прогнозирования физико-химических свойств χ и функций f создаваемой конструкции. Например, для получения у атомно-молекулярных систем предельных свойств (определяющих предельные технические характеристики и эксплуатационные свойства проектируемых конструкций, таких как механическая, электрическая, оптическая прочность, устойчивость системы в целом) необходимо выбрать исходные атомы или молекулы, которые по своим параметрам s, α, ε могли бы обеспечить образование максимально достижимых энергий межатомных связи U (порядка 10эВ). Небольшим энергиям связи U (порядка 0,01эВ) соответствуют предельно низкие свойства, характерные для ван-дер-ваальсовых систем. Все многообразие физико-химических свойств заключено в этих границах. То же относится и к транспортным свойствам (проводимость, теплопроводность, вязкость, диффузия и т.д.), которые изначально определяются энергией, ограничивающей свободу движения электронов (ионов). Эта энергия является результатом и следствием взаимодействия несвязанных электронов (ионов) с его ближайшим окружением. Здесь диапазон возможных свойств лежит в пределах между нулевой энергией (соответствующей сверхпроводимости, сверхтекучести) и минимальной энергией связи электрона со своим ближайшим окружением, которая по порядку величин равна тепловой энергии U≈ кТ .

Т.о., проектирование наноустройств сводится к выполнению следующей последовательности процедур. Сначала устанавливается связь ожидаемых свойств (в единицах χ ) или функций (как совокупности свойств) с энергией связи U с помощью уравнения типа (4). Эта величина U принимается для сравнения с энергией U, рассчитываемой по данным констант атомов или молекул, которые надо подобрать таким образом, чтобы обеспечить согласование рассчитываемой и прогнозируемой энергии U . Фактическим подтверждением правомерности данной схемы могут служить модельные системы естественного происхождения, такие как молекулы типа ВеН2, линейную конфигурацию которых предопределяет электронное строение атомов с зеркально-симметричной относительно ядра парой электронов; молекулы, имеющие геометрию в виде трехлучевой звезды типа ВН3, вследствие тригональной электронной конфигурации атомов третьей группы; молекулы тетраэдрической симметрии типа СН4 - атомам четвертой группы и т.д. Трансляционная симметрия кристаллов и тип кристаллической решетки также являются следствием электронного строения составляющих их атомов.

Выше было показано, каким образом данная схема работает в принципе. Для реализации данной схемы необходимо разработать действенную теорию вещества, которая могла бы раскрыть закономерные связи между атомно-молекулярным и макроскопическим уровнями. Создание такой теории сегодня стало вполне реальным в результате единого описания всех структурных уровней электронного строения вещества (см. выше), а также благодаря разработке действенной диполь-оболочечной модели [6,10].

Основной вывод: атом – это альфа и омега современного этапа становления технологии и отношение нанонауки к атому как к объекту исследования должно быть соответствующим. Невозможно создать научные основания нанотехнологии, не имея физически обоснованной теории электронного строения атома.

 

 Литература

  1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. // Под ред. Роко М.К., Уильямса Р.С. и Аливисатоса П. М.: Мир, 2002.
  2. Потапов А.А. Состояние и перспективы построения теоретических основ механосинтеза // Нанотехника. 2005., № 4, С. 32-46.
  3. Потапов А.А. Концептуальные основы проектирования наносистем. //Нано- и микросистемная техника. 2008, № 7, С. 2 – 7.
  4. Потапов А.А. Принципы проектирования наносистем.// Нано- и микросистемная техника. 2008. № 3. С.5 – 13.
  5. Потапов А.А. Деформационная поляризация. Новосибирск: Наука, 2004.
  6. Потапов А.А. Диполь-оболочечная модель атома и периодическая система элементов.//Бутлеровские сообщения. 2006, Т.10, №7, С.1 – 23.
  7. Бацанов С.С. Экспериментальные основы структурной химии. М.: Изд-во стандартов, 1986.
  8. Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия. М.: Мир, 2001.
  9. Потапов А.А. Диэлектрический метод исследования вещества. Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1990.
  10. Потапов А.А. Оболочечная модель электронного строения атомов.// Вестник Иркутского государственного технического университета. 2006, №3, С. 109 – 115.
  11. Потапов А.А. Способ измерения энергии межатомных и межмолекулярных взаимодействий и координационного числа атомных и молекулярных веществ Патент на изобретение №2287153. Бюл. №31 от 10.11.2006.
  12. Каплан Н.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М.: Наука, 1982.
Дата публикации: 31 мая 2009
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.