reforef.ru 1 2 3


УДК 681.3

А.А. Потапов,
д.х.н., проф., Институт динамики систем и теории управления СО РАН

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАНОСИСТЕМ

Рассмотрены основополагающие принципы нанопроектирования, которыми следует руководствоваться при постановке и проведении исследований в области механосинтеза.

Успех становления нанотехнологии целиком и полностью определяется уровнем ее теоретического обеспечения. В этом отношении теория конструирования наносистем по своим целям и задачам полностью совпадает с теорией электронного строения вещества, и весь опыт, приобретенный в этой области естествознания, может быть принят при разработке теоретического обеспечения нанотехнологии. В этой связи важно обобщить предшествующий опыт и сформулировать основные принципы, которые могли бы стать руководством для создания теоретических основ нанотехнологии.

Принцип наблюдаемости и познаваемости. Единственный способ постижения природы вещества и его электронного строения, имеющийся в руках исследователя, опирается на эмпирический подход к данной проблеме. Он реализуется с помощью так называемого метода «черного ящика» [1, 2] и заключается в изучении отклика исследуемой системы на внешнее воздействие , которое формируется из числа известных физических полей – электрического , магнитного , электромагнитного , механического и теплового . Причина и следствие в данном случае связаны между собой коэффициентом . Эта величина, называемая обобщенной восприимчивостью, играет в построении теории вещества ключевую роль. Она выступает в качестве меры взаимодействия вещества с соответствующим полем и содержит всю исходную информацию о строении вещества. Именно она подлежит экспериментальному определению, так что . Восприимчивость представляет собой свойство вещества и является функцией состава , структуры микрочастиц и энергии их взаимодействия , так что . В общем виде эта задача не решается. Но ее можно упростить, устремляя величину к нулю (путем перевода вещества в газовую фазу с относительно невысоким давлением). Тогда поставленная задача сводится к определению свойства одной микрочастицы, т.е. [3]. Экспериментальная величина является однозначной функцией электронного строения данной микрочастицы. У атомов с их сферической симметрией единственным структурным параметром выступает радиус атома. Связь между этими величинами в настоящее время установлена[4]. С другой стороны, взаимодействия между внутриатомными зарядами, надо полагать, подчиняются закону Кулона. Анализ зависимости энергии связи между ядром и электронами в логической последовательности от простого (атом водорода) к сложному (многоэлектронные атомы) в порядке возрастания номера элемента таблицы Менделеева приводит к выводу о том, что положение электронов на своих оболочках строго определено. Данное обстоятельство открывает путь для установления электронного строения многоэлектронных атомов и тем самым приступить к решению основной задачи атомной физики. Принципиальных ограничений на этом пути постижения внутриатомного строения нет. Примером тому может служить диполь-оболочечная модель атома (см. ниже).

Принцип атомизма является основополагающим принципом атомистического мировоззрения и современного естествознания. Идея атомизма прошла многотрудный путь от умозрительных заключений древних философов о первоэлементах, основанных на непосредственных наблюдениях свойств и явлений объектов окружающего мира, до эмпирического подтверждения атомно-молекулярного строения вещества и создания современной теории атома. Первый шаг в эмпирическом постижении внутреннего строения атома был сделан, когда была установлена сложная электрон – протон – нейтронная структура атома. Данное обстоятельство послужило импульсом для начала теоретических поисков непротиворечивой модели атома. Наиболее приемлемой структурной моделью на тот момент явилась оболочечная модель Н.Бора (1920г.). Затем в стремлении дать объяснение непостижимо высокой устойчивости атомов, а также с целью описания атомных спектров была создана квантовая механика (в первую очередь усилиями Л.де-Бройля, Э.Шредингера, В.Гейзенберга), которая в последующем стала основой атомной физики. Основным достижением квантовой механики стала квантовая теория атома водорода (1926 г.), которая позволила с высокой точностью согласовать рассчитываемые и экспериментальные данные. В стремлении перенести полученный результат на многоэлектронные атомы была разработана «водородоподобная» теория Хартри-Фока (1930 г.), основанная на решении уравнения Шредингера в приближении самосогласованного поля. Одним из радикальных выводов данной теории явилось то, что атом представляет собой бесформенное, не имеющее структуры электронное облако. В результате этого вопрос о структуре атома на долгие времена был «отложен». Сегодня приходит осознание необходимости более трезвой оценки возможностей квантовомеханического описания многоэлектронных атомов. В первую очередь стала очевидной несостоятельность принятого в теории Хартри-Фока приближения самосогласованного поля. Идея самосогласованного (усредненного) внутриатомного поля находится в явном противоречии с периодическим характером данных эксперимента по потенциалам ионизации атомов и многозарядовых ионов. Внутриатомные поля сильно неоднородны, благодаря оболочечному строению атомов; электрические поля внешних и внутренних оболочек могут различаться в десятки и сотни тысяч раз! Концепция самосогласованного поля не выдерживает критики и в теоретическом отношении; она противоречит известной и всесторонне апробированной теореме Гаусса о распределении зарядов внутри замкнутых оболочек. Становится все более очевидной необходимость в новых альтернативных подходах к описанию атомов.

К настоящему времени известен ряд моделей атомов и альтернативных теорий, претендующих на создание неоклассической атомной физики. При всем многообразии моделей электронного строения атомов в их основе лежит основополагающая и всесторонне апробированная оболочечная модель, в начальном варианте предложенная Н. Бором. Однако ни модель Н. Бора, ни последующие оболочечные модели не дают количественного описания атомов, не раскрывают электронную структуру атомов и не объясняют механизм формирования электронных оболочек. Важный шаг в усовершенствовании оболочечной модели атомов был сделан в связи с обоснованием новых величин - поляризационного радиуса и энергии связи внешних электронов атома с его ядром (остовом), имеющих статус атомных констант[3,4]. Они имеют эмпирическое происхождение и основаны на измерении поляризуемости атомов. В общем случае радиус атома складывается из радиуса остова атома и расстояния между внешними электронами и остовом атома, так что , причем, как правило, <<. В свою очередь радиус остова атома складывается из внутренних межоболочечных расстояний. Эффективное расстояние непосредственно связано с поляризуемостью атома соотношением , где k – коэффициент, равный ½ для атомов первой группы таблицы Менделеева и равный 1 для всех остальных атомов. Величины и взаимосвязаны универсальным соотношением [3,4].


Новые данные по радиусам и энергиям связи атомов вывели построение модели атома на качественно новый уровень – на уровень их количественного описания. Была предложена непротиворечивая диполь-оболочечная модель [4,5], в которой образование оболочек атома обязано положительному заряду остова атома, действующему как аттрактор для валентных электронов, наподобие ядру атома водорода. В данной модели многочастичную (многоэлектронную) задачу удалось свести к двухчастичной (двухзарядовой) задаче, в которой атом представляет собой систему, состоящую из положительно заряженного остова с зарядом (– число электронов на внешней оболочке) и заряда внешней оболочки как совокупности взаимосвязанных между собой электронов. Такое сведение достигается применением теоремы Гаусса, согласно которой заряд на поверхности сферы равен сумме всех положительных и отрицательных зарядов внутри сферы, а результирующий заряд на данной сфере эквивалентен точечному заряду, помещенному в центр сферы [6].

Введение в модель атома радиуса и энергии связи, имеющих статус атомных констант, закрепляет сложившиеся представления об атоме как индивидуальной строительной единицы и обеспечивает тем самым возможность количественного описания связи микро- и макроскопического уровней. Таким образом, сегодняшние представления об атоме как о микрообъекте со строго установленной внутренней электронной структурой отражают два основополагающих фактора: 1)собственно атомистический (характеризующий индивидуальность и самотождественность атомов) и 2) эволюционный, который выполняет структурообразующую роль в процессе химической эволюции вещества. Данное обстоятельство представляется решающим в постановке работ в области нанопроектирования и наноконструирования.


Принцип периодичности элементов является результатом и следствием открытого Д.И. Менделеевым периодического закона (1869 г.), согласно которому «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомного веса» [7, c. 486]. В последующем данная формулировка периодического закона была уточнена; в ней периодическая зависимость от атомного веса заменена периодической зависимостью от заряда ядра, т.е. от порядкового номера элемента. Таблица Менделеева позволила упорядочить и систематизировать все существующие элементы в соответствии с их порядковым номером. Теория периодической системы в первоначальном варианте была разработана Н. Бором (1921 г.). В последующем было предпринято немало попыток для того, чтобы усовершенствовать таблицу Менделеева и дать приемлемое объяснение ее строению.

Сложившаяся к настоящему времени периодическая система элементов – это следствие химической эволюции и результат самосборки атомов, оболочечное строение которых определяется зарядом ядра и числом электронов на оболочках. Они же формируют движущий потенциал химической эволюции, которым являются универсальные силы кулоновского взаимодействия между зарядами. В свою очередь, дискретность заряда ядра обусловливает различие атомных структур, придавая каждому элементу исключительные свойства структурной индивидуальности. Наблюдаемая периодичность свойств атомов является следствием их оболочечного строения. Все атомы имеют одинаковые первые двухэлектронные (К-оболочки), вторые восьмиэлектронные (L-оболочки) и внешние (замкнутые) восьмиэлектронные оболочки. Последующая за L-оболочкой M-оболочка имеет 18 электронов. Следующие внутренние N- и O-оболочки могут вместить до 18 и 32 электронов. Влияние внутренних оболочек на свойства атомов относительно невелико, хотя и здесь можно выделить подгруппы элементов (типа подгруппы железа, подгруппы скандия и т.д.) со схожими свойствами. В этом отношении периодичность элементов таблицы Менделеева, обусловливаемая электронным строением атомов, представляется совершенно естественной и закономерной.


Дальнейшее уточнение и количественное выражение периодического закона получено в рамках диполь-оболочечной модели атома[4,5]. Согласно данной модели периодичность элементов связана с ограниченной емкостью их внешних оболочек. Дело в том, что внешние 8-и электронные оболочки имеют весьма устойчивую конфигурацию в виде вписанного в сферу куба с электронами в его вершинах. Для такой электронной конфигурации характерна высокая симметрия и соответствующая ей предельно низкая активность атомов благородных газов. Все это затрудняет внедрение на внешнюю оболочку гипотетического девятого электрона. С другой стороны, увеличение заряда ядра на единицу приводит к тому, что остов такого атома приобретает положительный заряд, который сам становится центром притяжения электрона. В результате образуется новая структура, представляющая собой остов (имеющий электронную конфигурацию атома благородного газа) и вращающийся вокруг него электрон, формирующий новую электронную оболочку. По своей структуре вновь образованный атом (в приближении его квазиточечного остова) подобен атому водорода. Возможность образования такого квзиводородоподобного атома находится в полном соответствии с теоремой Гаусса[6]. Увеличение заряда ядра соответствует увеличению заряда остова атома, который выступает в качестве аттрактора для электронов, и формирование очередной оболочки осуществляется по аналогии с предыдущей 8-и электронной оболочкой. В четвертом и последующих периодах октетная периодичность нарушается в результате дозаполнения внутренних оболочек. Сами оболочки представляют сферы, радиус которых изменяется в соответствии с изменением заряда ядра (остова). В свою очередь радиус атома в условиях действия центральных сил самым непосредственным образом взаимосвязан с энергией связи электрона (см. выше), которая в принципе предопределяет физико-химические свойства атомов и образуемых из них веществ.

Еще раз констатируем тот факт, что наблюдаемая периодичность свойств атомов (таких как потенциалы ионизации, поляризуемость, радиус и др.) причинно обусловлена периодичностью электронных конфигураций их внешних оболочек. Характер заполнения электронных оболочек задается дискретностью заряда ядра, равной единице . Заряд ядра является движущей силой в формировании элементов в целом, а заряд остова атома - в формировании их отдельных оболочек. Принцип периодичности чрезвычайно важен на стадии постановки и проектирования наноконструкций, когда возникает проблема выбора исходных структурных элементов. Дело в том, что природа предоставила для этой цели около 100 такого рода строительных кирпичиков; число возможных комбинаций из этих элементов оказывается астрономически большим, а процедура перебора всех возможных вариантов на практике представляется совершенно не приемлемой. Знание закона периодичности позволяет построить рациональную систему оптимального выбора атомов как строительных элементов будущих наноконструкций.


следующая страница >>