[Phụ lục cho bài viết của S. Romanov “Từ lịch sử của máy ly tâm khí”]

4

KVANT 2008/№3

Ban quản lý nghe được một lời phê bình nhiệt tình: “Đây là hành vi côn đồ kỹ thuật!” Cho đến nay, tổng cộng chín thế hệ máy ly tâm khí đã được tạo ra. Toàn bộ ngành công nghiệp phân tách của Liên bang Nga đều dựa trên công nghệ máy ly tâm. Nhà máy khuếch tán khí cuối cùng đã bị đóng cửa vào năm 1992 và kể từ năm 1988, việc sản xuất uranium được làm giàu ở mức độ cao cho mục đích quân sự đã hoàn toàn chấm dứt. Ngành công nghiệp phân tách hiện đang hoạt động để sản xuất uranium có độ giàu thấp cho năng lượng hạt nhân, tạo ra các đồng vị ổn định và xử lý uranium có độ giàu cao từ đầu đạn hạt nhân thành uranium có độ giàu thấp cho các lò phản ứng điện. Kết quả là chúng ta có những điều sau đây. Ở Liên Xô, dưới sự lãnh đạo khoa học của I.K. Kikoin, ngành công nghiệp tách đồng vị dựa trên công nghệ máy ly tâm lần đầu tiên được tạo ra trên thế giới. Nhưng không ai trên thế giới biết về điều này. Hơn nữa, ngành công nghiệp này hoạt động rất tốt, đây là ngành duy nhất ở Liên Xô nhận nguyên liệu thô từ các cường quốc công nghiệp phát triển và gửi về thành phẩm chất lượng cao. (Ở phương Tây, họ có thể nghĩ rằng việc phân tách được thực hiện bằng phương pháp khuếch tán khí.) Các chuyên gia Đức, sau thất bại của Đức, đã làm việc ở Liên Xô để tạo ra máy ly tâm, rời khỏi Liên Xô và một lần ở phương Tây, đã đăng ký bằng sáng chế cho máy ly tâm. Sản phẩm đã được đăng ký chính xác là sản phẩm được tạo ra ở Liên Xô. Không có sự phản đối nào, mặc dù phía Liên Xô nhận thức rõ về bước đi này. Tác giả của bằng sáng chế, Gernot Zippe (anh ta, giống như Steenbeck, đến Viện “A” với tư cách là tù nhân chiến tranh và làm việc trong nhóm của Steenbeck) trở thành một người rất giàu có nhờ bằng sáng chế này. Đây là điều mà sau này chính ông đã nói với các đồng nghiệp Nga khi gặp họ tại các hội nghị quốc tế. Zippe giữ danh hiệu “cha đẻ” của phương pháp ly tâm tách đồng vị uranium, máy ly tâm được mệnh danh là “máy ly tâm Zippe”

Ứng dụng

Đồng vị là dạng của một nguyên tố hóa học có số lượng nucleon khác nhau trong hạt nhân của chúng. Vì chúng là cùng một nguyên tố hóa học nên chúng có cùng số electron nguyên tử và do đó có cùng số proton hạt nhân. Số lượng neutron trong hạt nhân của chúng là khác nhau. Tất cả các đồng vị của một nguyên tố đều nằm trong một ô của bảng tuần hoàn, do đó tên của chúng: “iso” - giống hệt nhau, “topos” - vị trí. Các đồng vị nổi tiếng nhất là đồng vị hydro deuterium và tritium. Hiện nay, người ta đã biết khoảng 1.400 đồng vị, trong đó có 357 đồng vị tự nhiên của 92 nguyên tố hóa học, số đồng vị còn lại thu được nhân tạo trong các phản ứng hạt nhân khác nhau. Nhiều đồng vị có tính phóng xạ và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ (được gọi là nguyên tử được dán nhãn). Do đó, việc tách đồng vị bài toán đã nảy sinh từ những năm 30 của thế kỷ trước. Do tính chất hóa học giống nhau của các đồng vị của một nguyên tố nên cần phải sử dụng sự khác biệt về tính chất vật lý của các đồng vị và hợp chất của chúng, do sự khác biệt về khối lượng hạt nhân của chúng. Tỉ số khối lượng hạt nhân càng cao thì càng dễ tách

và vân vân. Người Nga, với công nghệ và nền công nghiệp tốt nhất (phương Tây chậm hơn ít nhất 20 năm), không thể đưa máy ly tâm vào thị trường quốc tế văn minh. Liên hệ chỉ còn lại với các nước như Trung Quốc và Iraq. Nói chung là một câu chuyện rất buồn. Có lẽ không thể đưa ra đánh giá rõ ràng về hành động của giới lãnh đạo Liên Xô, vốn đã phân loại mọi công việc tách đồng vị trong nhiều thập kỷ đến mức không có cách nào không chỉ khẳng định ưu tiên của đất nước và các nhà phát triển công nghệ tiên tiến mà còn hoạt động thành công trong thị trường văn minh. Khó có ai có thể tính toán được thiệt hại kinh tế liên quan đến việc này. Mặt khác, có thể sự bí mật đó, cùng với sự khép kín chung của hệ thống Xô Viết, đã trở thành trở ngại nghiêm trọng cho việc phổ biến các công nghệ nguy hiểm tiềm tàng. Xét cho cùng, về bản chất, việc sản xuất máy ly tâm hoạt động tốt là cách hiệu quả nhất để tích lũy vật liệu phân hạch để chế tạo bom nguyên tử. Rõ ràng, ngày nay không thể đưa ra một kết luận rõ ràng về tất cả những sự kiện này. Tuy nhiên, câu chuyện này dẫn đến những suy nghĩ đáng lo ngại sau đây. Chúng tôi biết rằng những người tạo ra vũ khí hạt nhân ở cả Liên Xô và Hoa Kỳ - những nhà khoa học xuất sắc và những nhà tư tưởng sâu sắc - hiểu rõ những hậu quả chính trị có thể xảy ra khi sở hữu những vũ khí đó. Họ đã sử dụng quyền lực đáng kể của mình để truyền đạt tới các chính phủ và cộng đồng quốc tế những ý tưởng về việc không thể chấp nhận chiến tranh hạt nhân, sự cần thiết phải thông qua luật pháp quốc tế về không phổ biến vũ khí hạt nhân cũng như về kiểm soát vật liệu và công nghệ hạt nhân. Tất cả những ý tưởng này vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay. Hơn nữa, khi trình độ công nghệ tổng thể trong thế giới hiện đại tăng lên, cần có những nỗ lực mới để ngăn chặn sự phổ biến vũ khí hạt nhân.

đồng vị. Ví dụ, tương đối dễ dàng để tách nước thường và nước nặng, khối lượng mol của chúng có tỷ lệ 18:20 = 1,11. Nhưng tỷ lệ khối lượng mol của uranium hexafluoride - hợp chất khí duy nhất của uranium - đối với hai $изотопов^{238} U и^{235} U$ của nó chỉ là 1,0086. Nếu chúng ta tính đến việc trong uranium tự nhiên, tỷ lệ $изотопа^{235} U$ bằng 0,72%, thì để thu được đồng vị này ở dạng đủ tinh khiết, cần phải lặp lại thao tác tương tự nhiều lần, trong đó một phần của chất ban đầu trở nên giàu hơn một chút về đồng vị mong muốn. Trong bom uranium hạt nhân, độ tinh khiết của $изотопа^{235} U$ phải rất cao nên số lần lặp lại có thể lên tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn. Đối với các lò phản ứng hạt nhân, yêu cầu độ tinh khiết thấp hơn (cái gọi là “uranium được làm giàu” được sử dụng), do đó số lần lặp lại có thể nhỏ hơn nhiều (vài chục). Để tách các đồng vị uranium, hai phương pháp được sử dụng (trong số 11 phương pháp được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau) - phương pháp động học phân tử của khuếch tán khí và phương pháp ly tâm. Ở giai đoạn đầu của dự án hạt nhân ở nước ta, công việc đã được thực hiện về việc sử dụng

5

BỘ SƯU TẬP

sự hình thành phương pháp điện từ, trong đó sự phân tách các đồng vị xảy ra do sự khác biệt về quỹ đạo của các ion của chúng trong từ trường. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để tách một lượng nhỏ các đồng vị, nhưng đối với việc tách các đồng vị urani trong công nghiệp thì phương pháp này tỏ ra rất khó khăn và không kinh tế. Cho đến những năm 70 của thế kỷ trước, phương pháp khuếch tán khí qua vách ngăn xốp mới được sử dụng. Ở áp suất đủ thấp, khi đường tự do trung bình của các phân tử lớn hơn nhiều so với đường kính lỗ rỗng, tốc độ khuếch tán chỉ được xác định bởi tốc độ trung bình của chuyển động nhiệt. Một sự khác biệt nhỏ về khối lượng phân tử tạo ra một sự khác biệt nhỏ về tốc độ. Khí uranium hexafluoride đi qua vách ngăn trở nên nghèo hơn một chút ở đồng vị nặng và giàu hơn một chút ở đồng vị nhẹ. Với một quá trình tuần tự đi qua hàng trăm phân vùng, đầu ra có thể là một loại khí được làm giàu đủ ở dạng đồng vị nhẹ. Phần đầu tiên của “nhiên liệu” uranium hạt nhân chỉ được lấy ở Liên Xô vào năm 1950 và được sử dụng để thử bom uranium-plutonium vào năm 1951. Trong phương pháp ly tâm, uranium hexafluoride tự nhiên được đặt trong một hình trụ (hoặc ống) và các bộ truyền động ống

CÂU ĐỐ

chuyển sang trạng thái quay nhanh. Trong một chất khí quay, sự phân bố cân bằng nồng độ các phân tử được thiết lập dọc theo khoảng cách tính từ trục quay, giống như nó được thiết lập tùy thuộc vào độ cao trong bầu khí quyển của trái đất. Chỉ trong một ống quay, vai trò của trọng lực được thực hiện bởi lực quán tính ly tâm, hướng xuyên tâm từ trục quay. Sự tăng nồng độ theo khoảng cách đến trục quay xảy ra nhanh hơn đối với các hạt có khối lượng lớn hơn, do đó, ở phần ngoài của ống, tỷ lệ nồng độ của các hạt nặng và nhẹ lớn hơn ở gần trục quay. Để có được sự khác biệt đáng chú ý về nồng độ, cần có tốc độ quay rất lớn - khoảng 1000 vòng / phút. Khó khăn chính trong phương pháp này không phải là đảm bảo tốc độ quay cao mà là chuyển hỗn hợp đã được làm giàu từ máy ly tâm này sang máy ly tâm khác mà không dừng quay. Tất cả những vấn đề này đã được giải quyết thành công vào năm 1974, chủ yếu nhờ vào tài năng tổ chức và thử nghiệm của một trong những người lãnh đạo những công trình này, Isaac Konstantinovich Kikoin. L. Belopukhov

BỘ SƯU TẬP CÂU ĐỐ

Tâm lý “cuồng”

(Để bắt đầu, xem trang 4 của trang bìa)

Vào đầu tháng 8 năm 2008, Đại hội những người yêu thích câu đố thế giới lần thứ 28 sẽ diễn ra tại Praha. Hàng trăm món đồ chơi “thông minh” sẽ được đưa đến Cộng hòa Séc từ hàng chục quốc gia trên thế giới, sau đó các chuyên gia giải đố từ Châu Âu, Châu Mỹ và Nhật Bản sẽ đánh giá và nêu tên những phát minh xuất sắc nhất của năm. Trong số các câu đố mới sẽ có “Curl” của Muscovite Kirill Grebnev. Nhờ tính độc đáo của nó, nó chắc chắn sẽ thu hút sự chú ý của những người yêu thích câu đố, đặc biệt vì tại đại hội trước đó ở Úc, hai câu đố của Kirill đã được vinh danh trong số những phát minh hay nhất năm 2007. Đây là lần thứ hai trong lịch sử đại hội có hai câu đố của cùng một tác giả nằm trong số những người chiến thắng. Câu đố mới của Kirill Grebnev được hiển thị ở hình. Để tự làm một chiếc Curl, hãy lấy ba đoạn dây thép hoặc đồng có đường kính 3–4 mm. Đối với phiên bản của câu đố được hiển thị ở đây, hãy lấy các đoạn dây dài 25, 22 và 14,5 cm. Trên phần dài nhất dành cho ghim, đánh dấu một điểm chia nó thành các đoạn 9 và 13 cm. Lúc này giữ dây bằng kìm, uốn cong hai đầu dây sao cho khoảng cách giữa chúng là 12 mm. Sau đó, các vòng được uốn cong ở phần cuối của ghim. Chụp ảnh câu đố cho phép bạn sử dụng hình ảnh làm mẫu: dùng kìm uốn dần dây, sau đó áp các mảnh vào ảnh để kiểm tra kích thước chính xác. Lời giải câu đố thường bắt đầu bằng việc nhặt nó lên: bằng tay trái - bằng giá đỡ và bằng tay phải - bằng tay cầm. Sau đó, giữ phần cuối của tay cầm, họ bắt đầu di chuyển nó dọc theo giá đỡ, cố gắng đẩy chiếc vòng qua phần cong và tháo tay cầm ra khỏi giá đỡ. Trên thực tế, không thể làm gì khác - có quá ít chuyển động được thiết kế cho phép. Hãy để chúng tôi cảnh báo ngay cho bạn rằng không có nỗ lực nào trong số này sẽ đưa bạn đến gần hơn với lời giải. Sai lầm đầu tiên của tất cả những người bắt đầu giải câu đố này là họ dùng tay phải nắm nhầm đầu của tay cầm (chúng ta đang nói về những người thuận tay phải). Thủ thuật tâm lý khéo léo này được nhà phát minh đặc biệt phát minh ra để dẫn bạn ra khỏi lời giải chính xác, buộc bạn phải di chuyển tay cầm qua lại dọc theo ghim, cố gắng đẩy nó vào cuộn tròn một cách vô ích. Cách đúng không phải là di chuyển chiếc vòng về phía lọn tóc mà là thả phần cuối của tay cầm mà bạn đang giữ chặt và đẩy nó qua vòng của lọn tóc. Nếu chuyển động này được thực hiện chính xác, thì bạn có thể tự mình tìm thấy thêm lời giải với sự trợ giúp của hai bức ảnh trên trang thứ 4 của trang bìa, cho thấy các giai đoạn trung gian dẫn đến lời giải của câu đố. Chúng tôi chúc bạn thành công! A. Kalinin

6

KVANT 2008/№3

ĐẾN

KỶ NIỆM 100 NĂM

I.K.KIKOINA

Công nghệ nano: khi kích thước quan trọng

K. BOGDANOV

Bạn có thể nói từ “chim” bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, nhưng làm như vậy bạn vẫn không học được điều gì mới về loài chim. Chẳng phải tốt hơn là trước tiên hãy nhìn vào bất kỳ con chim nào và tự hỏi nó là gì!.. Có sự khác biệt lớn giữa việc biết tên của một thứ gì đó và biết nó hoạt động như thế nào. R. Feynman

TUYỆT VỜI ĐANG TRỞ THÀNH THẬT TRƯỚC MẮT CỦA CHÚNG TA - con người đã học cách di chuyển từng nguyên tử riêng lẻ và ghép chúng lại với nhau, giống như các khối, thành các thiết bị và cơ chế có kích thước nhỏ bất thường và do đó mắt thường không thể nhìn thấy được. Cả một nhánh khoa học đã xuất hiện - CÔNG NGHỆ NANO, nơi tiếp thu những thành tựu mới nhất của vật lý, hóa học và sinh học. Các nhà công nghệ nano làm việc với những vật thể nhỏ không đáng kể có kích thước được đo bằng nanomet. Công nghệ nano không chỉ là bước nhảy vọt về số lượng mà còn về chất lượng từ việc xử lý vật chất đến thao tác với từng nguyên tử riêng lẻ. Dịch từ tiếng Hy Lạp, từ “nano” có nghĩa là lùn. Một nanomet (nm) là một phần tỷ mét $( 10^{-} 9$ m). Một nanomet có cùng số lần nhỏ hơn một mét vì độ dày của ngón tay nhỏ hơn đường kính Trái đất. Kích thước của vật thể mà các nhà công nghệ nano xử lý nằm trong khoảng từ 0,1 đến 100 nm. Hầu hết các nguyên tử có đường kính từ 0,1 đến 0,2 nm, độ dày của sợi DNA khoảng 2 nm, đường kính của hồng cầu là 7000 nm và độ dày của một sợi tóc con người là 80.000 nm. Các nhà khoa học cho rằng trong thế kỷ 21 tới, cốt lõi của cuộc cách mạng kỹ thuật mới sẽ là vật liệu, thuốc, thiết bị, thiết bị liên lạc và phân phối được chế tạo bằng công nghệ nano.

Nơi mọi chuyện bắt đầu

Ý tưởng rằng có thể lắp ráp các thiết bị và làm việc với các vật thể có kích thước nano lần đầu tiên được đề xuất bởi người đoạt giải Nobel Richard Feynman trong bài phát biểu năm 1959 tại Viện Công nghệ California. Bài giảng có tên “Có rất nhiều không gian ở dưới đó!” Từ “bên dưới” trong tiêu đề bài giảng có nghĩa là “một thế giới có những chiều rất nhỏ”. Sau đó Feynman nói rằng một ngày nào đó, có lẽ vào năm 2000, người ta sẽ ngạc nhiên rằng trước năm 1960 không có ai nghiên cứu thế giới nano một cách nghiêm túc. Theo Feynman, một người sống trong một thời gian rất dài mà không nhận thấy rằng có cả một thế giới đồ vật sống bên cạnh mình mà anh ta không thể nhận ra. Chà, nếu chúng ta không nhìn thấy những đồ vật này thì chúng ta không thể làm việc với chúng. Tuy nhiên, các tế bào của chúng ta - những khối xây dựng nên cơ thể chúng ta - đã học cách làm việc với các vật thể nano một cách hoàn hảo. Trong suốt cuộc đời của mình, tế bào tập hợp các phân tử chất phức tạp từ nhiều nguyên tử khác nhau. Sau khi thu thập các phân tử này, tế bào sẽ đặt chúng vào các phần khác nhau - một số ở nhân, một số khác ở tế bào chất và một số khác ở màng. Hãy tưởng tượng những khả năng sẽ mở ra cho nhân loại nếu nhân loại làm chủ được công nghệ nano giống như mọi tế bào của con người đều sở hữu. Feynman mô tả ý nghĩa của cuộc cách mạng công nghệ nano đối với máy tính: “Ví dụ, nếu đường kính của dây kết nối là từ 10 đến 100 nguyên tử, thì kích thước của bất kỳ mạch nào sẽ không vượt quá vài nghìn angstrom. Mọi người gắn liền với công nghệ máy tính đều biết về những cơ hội mà sự phát triển và độ phức tạp của nó hứa hẹn. Nếu số lượng phần tử được sử dụng tăng lên hàng triệu lần, khả năng của máy tính sẽ mở rộng đáng kể. Chúng sẽ học cách suy luận, phân tích kinh nghiệm và tính toán hành động của riêng mình, tìm ra các phương pháp tính toán mới, v.v. số phần tử sẽ dẫn đến những thay đổi quan trọng về chất trong các đặc tính của máy tính.” Sau khi kêu gọi các nhà khoa học đến thế giới nano, Feynman ngay lập tức cảnh báo về những trở ngại đang chờ đợi họ ở đó, lấy ví dụ về việc chế tạo một chiếc ô tô siêu nhỏ chỉ dài 1 mm. Vì các bộ phận của một chiếc ô tô thông thường được chế tạo với độ chính xác $10^{-} 5$ m nên các bộ phận của một chiếc ô tô siêu nhỏ phải được chế tạo với độ chính xác cao hơn 4000 lần, tức là $2,5_{Ч} 10^{-} 9$ m. Do đó, kích thước của các bộ phận microcar phải tương ứng với kích thước được tính toán với độ chính xác $\pm 10$ lớp nguyên tử. Thế giới nano không chỉ chứa đầy những trở ngại và vấn đề. Tin vui đang chờ chúng ta trong thế giới nano - tất cả các bộ phận của thế giới nano đều rất bền. Điều này xảy ra do khối lượng của các vật thể nano giảm tỷ lệ với lũy thừa thứ ba của kích thước và diện tích mặt cắt ngang của chúng - tỷ lệ với lũy thừa thứ hai. Điều này có nghĩa là tải trọng cơ học trên

7

CÔNG NGHỆ NANO:

KHI

Mỗi phần tử của một vật thể - tỷ lệ trọng lực của phần tử đó với diện tích mặt cắt ngang của nó - giảm tỷ lệ thuận với kích thước của vật thể. Do đó, một vật liệu nano được giảm tỷ lệ có các chân nano dày hơn một tỷ lần so với mức cần thiết vì lý do độ bền. Feynman tin rằng một người có thể dễ dàng làm chủ thế giới nano nếu anh ta tạo ra một robot có khả năng tạo ra một bản sao nhỏ hơn nhưng khả thi của chính mình. Ví dụ, chúng ta hãy học cách tạo ra một robot có thể tạo ra một bản sao của chính nó giảm đi 4 lần mà không cần sự tham gia của chúng ta. Sau đó, robot nhỏ này sẽ có thể tạo một bản sao của bản gốc, giảm đi 16 lần, v.v. (hình1). Rõ ràng là thế hệ thứ mười của những robot như vậy sẽ tạo ra những robot có kích thước

KÍCH CỠ

CÓ

NGHĨA

Giải Feynman cho những thành tựu nổi bật trong lĩnh vực công nghệ nano. Trong bài giảng của mình, Feynman cũng nói về triển vọng của hóa học nano. Các nhà hóa học hiện nay sử dụng các kỹ thuật phức tạp và đa dạng để tổng hợp các chất mới. Một khi các nhà vật lý tạo ra các thiết bị có thể điều khiển từng nguyên tử riêng lẻ, nhiều phương pháp tổng hợp hóa học truyền thống có thể được thay thế bằng kỹ thuật “lắp ráp nguyên tử”. Đồng thời, như Feynman tin tưởng, các nhà vật lý thực sự có thể học cách tổng hợp bất kỳ chất nào dựa trên công thức hóa học được viết ra. Các nhà hóa học sẽ ra lệnh tổng hợp, còn các nhà vật lý sẽ chỉ đơn giản là “sắp xếp” các nguyên tử theo thứ tự đề xuất. Sự phát triển của các kỹ thuật thao tác ở cấp độ nguyên tử sẽ giải quyết được nhiều vấn đề trong hóa học và sinh học.

Máy móc sáng tạo

Hình1. Minh họa khái niệm của R. Feynman rằng robot học cách tự động tạo ra các bản sao nhỏ hơn của chính chúng

sẽ ít hơn hàng triệu lần so với ban đầu. Tất nhiên, khi chúng ta thu nhỏ kích thước lại, chúng ta sẽ liên tục gặp phải những hiện tượng vật lý rất bất thường. Trọng lượng không đáng kể của các bộ phận nanorobot sẽ dẫn đến thực tế là chúng sẽ dính vào nhau dưới tác động của lực tương tác giữa các phân tử, và một đai ốc chẳng hạn sẽ không bị tách ra khỏi bu lông sau khi tháo. Tuy nhiên, các định luật vật lý mà chúng ta biết không cấm việc tạo ra các vật thể “từng nguyên tử”. Về nguyên tắc, việc thao tác các nguyên tử là khá thực tế và không vi phạm bất kỳ định luật tự nhiên nào. Những khó khăn thực tế trong việc thực hiện nó chỉ là do bản thân chúng ta là những vật thể quá lớn và cồng kềnh, do đó chúng ta khó thực hiện những thao tác như vậy. Để bằng cách nào đó kích thích việc tạo ra các vật thể vi mô, Feynman hứa sẽ trả 1000 đô la cho bất kỳ ai có thể chế tạo một động cơ điện có kích thước 1/64 inch (1 inch $\approx 2,5$ cm). Và rất sớm một micromotor như vậy đã được tạo ra. Từ năm 1993, được trao giải hàng năm

Công nghệ nano đã trở thành một lĩnh vực khoa học theo đúng nghĩa của nó và trở thành một dự án kỹ thuật dài hạn sau những phân tích chi tiết của nhà khoa học người Mỹ Eric Drexler vào đầu những năm 1980 và việc xuất bản cuốn sách Động cơ sáng tạo: Kỷ nguyên sắp tới của công nghệ nano. Theo định nghĩa của Drexler, công nghệ nano là “công nghệ sản xuất dự kiến ​​tập trung vào việc sản xuất các thiết bị và chất có chi phí thấp với cấu trúc nguyên tử được xác định trước”. Nhiều chuyên gia tin rằng trong 50 năm tới, nhiều thiết bị sẽ trở nên nhỏ đến mức hàng nghìn cỗ máy nano này có thể dễ dàng nằm gọn trong khu vực bị chiếm bởi dấu chấm ở cuối câu này. Để lắp ráp máy nano, bạn cần: 1) học cách làm việc với các nguyên tử đơn lẻ - lấy chúng và đặt chúng vào đúng vị trí; 2) phát triển các bộ lắp ráp - các thiết bị nano có thể hoạt động bình thường với các nguyên tử đơn lẻ theo các chương trình do một người viết nhưng không có sự tham gia của người đó; 3) phát triển các bộ sao chép - các thiết bị sẽ được sản xuất bởi các bộ lắp ráp nano, vì sẽ cần rất nhiều trong số chúng.

Dây nano là gì và tại sao chúng lại bền như vậy?

Dây nano là dây có đường kính vài chục nanomet trở xuống, được làm bằng kim loại, chất bán dẫn hoặc chất điện môi. Chiều dài của dây nano thường có thể vượt quá đường kính của chúng từ 1000 lần trở lên. Dây nano thường được gọi là cấu trúc một chiều và đường kính cực nhỏ của chúng (gấp khoảng 100 lần kích thước của một nguyên tử) giúp có thể biểu hiện nhiều hiệu ứng cơ học lượng tử khác nhau. Do đó, dây nano đôi khi được gọi là “dây lượng tử”. Các đặc tính cơ và điện độc đáo của dây nano tạo ra các điều kiện tiên quyết cho việc sử dụng chúng trong các thiết bị cơ điện tử và điện tử nano trong tương lai, cũng như các thành phần của vật liệu composite và cảm biến sinh học mới.

8

KVANT 2008/№3

Dây nano không tồn tại trong tự nhiên. Trong phòng thí nghiệm, dây nano thường thu được bằng phương pháp epit Wax, tức là sự phát triển có định hướng của một tinh thể đơn lẻ trên bề mặt của một tinh thể khác, khi quá trình kết tinh của chất này chỉ xảy ra theo một hướng. Ví dụ, một dây nano silicon có thể được phát triển như thể hiện trong hình 2 bên trái. Nanocha-

Hình2. Chế tạo dây nano silicon bằng phương pháp epitaxy sử dụng hạt nano vàng

Một hạt vàng được đặt trong khí quyển chứa khí silan $( SiH_{4} ),$ và hạt nano này trở thành chất xúc tác cho phản ứng phân hủy silan thành hydro và silicon lỏng. Silicon lỏng lăn ra khỏi hạt nano vàng và kết tinh bên dưới nó. Nếu nồng độ silan xung quanh hạt nano được duy trì không thay đổi thì quá trình epit Wax vẫn tiếp tục và tất cả các lớp silicon lỏng mới sẽ kết tinh trên các lớp đã đông đặc của nó. Kết quả là dây nano silicon phát triển, nâng hạt nano vàng ngày càng cao hơn. Rõ ràng trong trường hợp này, kích thước của hạt nano quyết định đường kính của dây nano. Ở bên phải trong hình 2 một “rừng” dây nano ZnO thu được theo cách tương tự được hiển thị. Như đã biết, độ bền là đặc tính của chất rắn chống lại sự phá hủy (tách thành các phần), cũng như những thay đổi không thể đảo ngược về hình dạng dưới tác động của tải trọng bên ngoài. Khi một mẫu hình trụ có diện tích mặt cắt ngang S bị kéo căng bởi lực F, ban đầu nó bị biến dạng thuận nghịch, tức là đàn hồi - ứng suất cơ học $\sigma_{=} F S$ của nó tăng tỷ lệ thuận với độ giãn dài tương đối $\varepsilon_{=} ( L_{-} L_{0} ) L_{0}$ (hình3, vùng O), sau đó về mặt dẻo, tức là không thể đảo ngược (hình3, diện tích P). Với sự biến dạng hơn nữa, sự không đồng nhất về cấu trúc của mẫu

Hình3. Mối quan hệ giữa ứng suất cơ học và biến dạng tương đối của mẫu. Mũi tên chỉ giới hạn cường độ đối với một số vật liệu

tsa (khiếm khuyết mạng tinh thể, hoặc sai lệch) bắt đầu di chuyển và va chạm với những người khác, tạo thành các vết nứt nhỏ. Hơn nữa, càng có nhiều sự sai lệch này và chúng có thể di chuyển dọc theo mẫu càng nhanh thì sẽ càng có nhiều vết nứt vi mô. Khi ứng suất kéo đạt tới cường độ cực đại, các vết nứt nhỏ liền kề kết nối với nhau sẽ đạt đến kích thước tới hạn và mẫu sẽ bị hỏng. Dây nano là một tinh thể đơn có mạng tinh thể hầu như không có khuyết tật (sự sai lệch). Hơn nữa, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích của dây nano lớn hơn nhiều so với các mẫu có kích thước thông thường. Do đó, bề mặt của dây nano dễ dàng “hấp thụ” các sai lệch hướng ra ngoài mà không hình thành các vết nứt vi mô. Ngoài ra, bề mặt của dây nano, có bán kính cong cực nhỏ (khoảng 10 nm), được nén ở mức độ cao và do đó ngăn chặn sự lệch vị trí di chuyển ra ngoài, tức là hình thành các vết nứt vi mô. Tất cả điều này dẫn

Hình4. Sự phụ thuộc của ứng suất cơ học vào biến dạng tương đối của các mẫu niken siêu nhỏ và hợp kim của nó có đường kính khác nhau. Để so sánh, sự phụ thuộc này được hiển thị bằng màu đỏ đối với mẫu macro đa tinh thể

đến thực tế là dây nano hầu như không bị biến dạng dẻo và độ bền kéo của chúng cao gấp hàng chục lần so với các mẫu thông thường (hình4).

Tại sao các hạt nano nóng chảy ở nhiệt độ thấp?

Khi kích thước hạt giảm, không chỉ các tính chất cơ học mà cả các đặc tính nhiệt động cũng thay đổi. Do đó, nhiệt độ nóng chảy trở nên thấp hơn nhiều so với các mẫu có kích thước thông thường. hình 5 thể hiện đường cong thực nghiệm về sự giảm nhiệt độ nóng chảy của hạt nano nhôm khi kích thước hạt giảm dần. Trong trường hợp này, nhiệt độ nóng chảy của hạt 4 nm giảm $140 ^\circ$ C so với nhiệt độ nóng chảy của mẫu nhôm có kích thước tiêu chuẩn. Người ta đã thu được các sự phụ thuộc tương tự như ở hình 5 đối với nhiều kim loại. Như vậy, khi đường kính của hạt nano thiếc giảm xuống còn 8 nm

12

KVANT 2008/№3

Hình11. Sự phụ thuộc của số lân cận trung bình gần nhất trong mạng tinh thể vào đường kính của hạt bạch kim

nặng hơn nếu nó ở dạng một hạt nhỏ, vì trung bình một nguyên tử như vậy có ít lân cận gần nhất. hình 12 hiển thị biểu đồ thay đổi thế năng ion hóa, tức là hàm công $A_{вых}$, đối với các hạt nano chứa số lượng nguyên tử sắt khác nhau

Hình12. Sự phụ thuộc của hàm công vào số lượng nguyên tử trong hạt nano sắt

N. Có thể thấy, khi N tăng thì hàm công giảm dần, có xu hướng tiến tới giá trị giới hạn tương ứng với hàm công đối với các mẫu có kích thước bình thường. Sự thay đổi $A_{вых}$ với đường kính hạt D có thể được mô tả khá rõ bằng công thức

$A_{вых}$ » $A_{вых0} +$

$2Ze^{2}, D$ trong đó $A_{вых0}$ là hàm công đối với các mẫu có kích thước bình thường, Z là điện tích của hạt nhân nguyên tử và e là điện tích của electron. Rõ ràng là độ rộng vùng cấm ∆E phụ thuộc vào kích thước của hạt bán dẫn giống như công năng của các hạt kim loại - nó giảm khi đường kính hạt tăng. Do đó, bước sóng huỳnh quang của hạt nano bán dẫn tăng khi đường kính hạt tăng, như được minh họa bởi hình 10. Chấm lượng tử là những nguyên tử nhân tạo. Bán chuyên nghiệp

các hạt nano nước thường được gọi là “chấm lượng tử”. Với đặc tính của mình, chúng giống với các nguyên tử, hay chính xác hơn là những “nguyên tử nhân tạo” có kích thước nano. Rốt cuộc, các electron trong nguyên tử, di chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, cũng phát ra một lượng tử ánh sáng có tần số xác định chặt chẽ. Tuy nhiên, không giống như các nguyên tử thực, có cấu trúc bên trong và phổ phát xạ mà chúng ta không thể thay đổi, các thông số của chấm lượng tử phụ thuộc vào người tạo ra chúng, các nhà công nghệ nano. Các chấm lượng tử đã là một công cụ hữu ích cho các nhà sinh học đang cố gắng quan sát các cấu trúc khác nhau bên trong tế bào. Thực tế là các cấu trúc tế bào khác nhau đều trong suốt và không có màu như nhau. Vì vậy, nếu bạn nhìn một tế bào qua kính hiển vi, bạn sẽ không thấy gì ngoài các cạnh của nó. Để làm cho các cấu trúc tế bào nhất định có thể nhìn thấy được, các chấm lượng tử đã được tạo ra có thể bám vào các cấu trúc nội bào cụ thể. Vì vậy, để tô màu ô trên hình 13 bằng các màu khác nhau, các chấm lượng tử có ba kích cỡ đã được tạo ra. Các phân tử có khả năng gắn vào

Hình13. Tô màu các cấu trúc nội bào khác nhau bằng các màu khác nhau bằng cách sử dụng chấm lượng tử: nhân – đỏ, vi ống – xanh lục, bộ máy Golgi – vàng

bám vào các vi ống tạo nên bộ xương bên trong của tế bào. Các chấm lượng tử cỡ trung bình có thể bám vào màng của bộ máy Golgi và những chấm lớn nhất có thể dính vào nhân tế bào. Khi tế bào được nhúng vào dung dịch chứa tất cả các chấm lượng tử này và giữ ở đó một lúc, các chấm sẽ thâm nhập và dính vào bất cứ nơi nào chúng có thể. Sau đó, tế bào được rửa trong dung dịch không chứa chấm lượng tử và đặt dưới kính hiển vi. Đúng như mong đợi, các cấu trúc tế bào nói trên trở nên đa màu sắc và có thể nhìn thấy rõ ràng.