Сверхпрочные наноструктурные материалы

Сверхпрочные наноструктурные материалы

Достижения и новые прадигмы

Высокая прочность наноматериалов.

Как известно, механическая прочность кристаллических материалов зависит от размера зерен d, и эта зависимость описывается соотношением Холла— Петча а = kd~'/2 + а0. Однако для нанометрового интервала размеров такая зависимость часто нарушается, что создает предел для повышения прочности с уменьшением размера зерен. Тем не менее, наноструктурные материалы (характеризующиеся большим числом поверхностей раздела) благодаря интенсивным граничным процессам могут обладать не только высокой прочностью, но и значительной пластичностью.

Пластичность наноматериалов

 Последние  данные по наноструктурным композитам Cu/Nb демонстрируют полное подавление  механизма хрупкого разрушения проволоки, растягиваемой при температуре жидкого гелия. Этот факт является неожиданным, поскольку известно, что металлы с ОЦК-структурой, в частности Nb, подвергаются хрупкому разрушению при 4,2 К. Наноструктурные композиты Cu/Nb демонстрируют значительное повышение прочности и пластичности при деформировании (деформационное упрочнение).

Рис. 1.. ПЭМ-изображение высокого разрешения (слева) нанослоев Cu/Cr и диаграмма (справа), показывающая, как уменьшение размера структурных элементов материала проволоки влияет на соотношение между ее ударной вязкостью и пластичностью.

Наноструктурные материалы будущего значительно превзойдут современные конструкционные материалы по прочности и пластичности. Их предел прочности на растяжение составляет около 2 ГПа, а относительное удлинение равно 10%.

Эти результаты показывают, что при переходе к наноструктурным материалам отношение прочность/пластичность может стать значительно большим, чем у современных конструкционных материалов (рис. 1). Применение современных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность (рис. 1).

Фундаментальные физические закономерности поведения материалов.

Исследования процессов деформирования сложных наноструктурных материалов можно проводить также, объединяя экспериментальные измерения с моделированием поведения атомарных структур. Современные методы моделирования, в частности метод «встроенных атомов», уже сейчас позволяют решать задачи трехмерной молекулярной динамики для систем, содержащих до 100 миллионов атомов с реалистическими потенциалами межатомного взаимодействия. Эти методы открывают перед исследователями богатые возможности для сравнения данных теоретических расчетов и экспериментов, что позволит углубить знания о фундаментальных физических закономерностях поведения материалов с прочностью, близкой к теоретическому пределу.

Одной из основных причин инвестиций в нанотехнологию стало желание фирм-производителей продлить действие уже упоминавшегося закона Мура, согласно которому размеры микроэлектронных устройств должны уменьшаться вдвое каждые четыре года. При таком темпе уменьшения уже к 2020 г. устройства должны были бы иметь размеры порядка 10 нм, а к 2035 г. — порядка атомов. В действительности, совершенствование логических устройств по этому закону (т. е. исключительно посредством уменьшения размеров) должно прекратиться еще раньше (примерно к 2012 г.) вследствие нарастания квантовых эффектов при уменьшении размеров.

Поэтому для дальнейшего наращивания вычислительных возможностей ЭВМ необходимо развивать новые методы обработки информации.

Методы обработки информации.

Наиболее перспективным направлением в этой области являются, по-видимому, квантовые вычислительные устройства, идею которых Ричард Фейнман предложил еще в начале 1980-х гг. В таких компьютерах квантовые эффекты не ограничивают, а расширяют возможности проведения вычислений и позволяют намного увеличить быстродействие. В обычных, цифровых ЭВМ информация сохраняется в виде последовательности символов «0» и «1» (бит информации соответствует выбору одной из этих цифр). Информация в квантовых битах записывается суперпозицией состояний «0» и «1», точное значение которых одновременно определяется в момент измерения. Последовательность из N цифровых битов может представлять любое число в интервале от 0 до 2N—1, в то время как N квантовых битов могут представить все эти 2N чисел одновременно. Квантовый компьютер с 300 такими битами может описывать систему с числом элементов 2300 ~ 10100, что превышает общее число атомов во Вселенной! Поэтому квантовые компьютеры могут решать гораздо более сложные задачи, чем любая цифровая ЭВМ.

Уже разработаны квантовые алгоритмы вычисления факториалов больших чисел, которые по быстродействию намного превосходят алгоритмы для цифровых компьютеров. При поиске данных в массиве из N элементов скорость квантовых компьютеров в №/2раз превосходит скорость цифровых ЭВМ. Сейчас проводятся лишь простейшие квантовые логические операции в устройствах с небольшим числом атомарных квантовых битов, и ясно, что этот подход не приведет к крупномасштабным квантовым вычислениям. Однако именно нанотехнология может решить проблему изготовления большого числа квантовых битов и вывести вычислительную технику к пределам действия закона Мура.

Создание квантовых битов

Уже сейчас нанотехнология подходит к решению задачи о создании матриц из полупроводниковых или сверхпроводящих квантовых точек (так называемых «искусственных атомов»), которые могут применяться в качестве квантовых битов при выполнении следующих условий: 1) они должны быть наноразмерными, чтобы в них могли проявляться квантовые эффекты; 2) все квантовые точки матрицы должны быть одинаковыми; 3) квантовые точки должны быть изолированы от окружения, чтобы квантовые эффекты сохранялись. Эксперименты по созданию квантовых битов из отдельных квантовых точек могут дать результат уже в ближайшие годы. Если это случится, нанотехнология обеспечит средство изготовления матриц из тысяч квантовых битов и тогда, возможно, недолго придется ждать создания квантовых компьютеров.

На рис. 1. показан набор моделей наночастиц (диаметр реальных частиц составляет около 5 нм) из золотых и полупроводниковых деталей, а также фуллеренов и углеродных трубок на подложке с золотыми электродами. Модели воспроизводят реальные трехмерные микроэлектронные схемы, получаемые самосборкой из молекул и наночастиц золота (размером около 5 нм) в лабораторной колбе путем химических процессов с участием тиолов.

Рис. 1.. Модели трехмерных наночастиц диаметром около 5 нм.