Техника - молодёжи 2009-03, страница 8

Нанотехнологий

-ггтпгттта

на границе между классической и атомной физикой

□ □

Первое известное нам устройство, в основе которого лежит магнетизм, датируется II веком до нашей эры. Устройство это - прародитель современного компаса -носит название «Указателя Юга», а выглядит как ложка из магнитного железняка, помещённая на бронзовую плитку (рис. 1). В древнем Китае оно использовалось как определитель места для будущего захоронения. Китайцы верили, что устройство обладает душой, и наделяли его магическими свойствами.

Рис. 1. "Указатель Юга», использовавшийся в погребальнык церемониях Древнего Китая

Сегодня невозможно представить себе жизнь без самой различной аппаратуры и машин, в работе которых большую роль играет явление магнетизма. Взгляните, например, на рис. 3 - там показаны части современного автомобиля, в которых используется магнетизм. Вообще же при упоминании словосочетания «магнитное устройство» едва ли не в первую очередь на ум приходят устройства внешней магнитной памяти, столь распространённые в вычислительной техни

ке. Сегодня винчестеры обычных офисных компьютеров, технология которых основывается на применении тонких, толщиной несколько нанометров, магнитных плёнок, имеют ёмкость в сотни гигабайт.

И это не предел и даже не приближение к пределу. Перспектива замены плёнок магнитными наночастииа-ми обещает не только дальнейший рост плотности в сотни раз, но и существенное повышение скорости записи/считывания информации.

Что в нём такого, в этом «нано»?

Разные разделы физики занимаются изучением разных аспектов материального мира. Например, законы классической механики, которую мы начинаем изучать в 7-м классе школы, позволяют рассчитать не только плотность бруска железа, но и скорость, с которой он будет скользить по наклонной плоскости. И для расчёта нам не надо понимать строение атомов, из которых этот брусок состоит. Строением атома занимается атомная физика, которую начинают изучать только в 11-м классе. То есть атом как таковой есть объект изучения атомной физики, в то время как для описания свойств бруска, составленного из миллиардов этих атомов, нам требуется лишь классическая механика.

Уже в середине 1950-х гг. учёные стали задавать себе вопрос, как будут меняться свойства вещества, если последовательно уменьшать размер образца. Например, такое свойство вещества, как плотность. Как она будет меняться в таком процессе «дробления»?

На первый взгляд всё просто. Берём брусок железа в 1 кг, измеряем его объём, взвешиваем, считаем плотность - делим массу на объём - и получаем 7874 кг/м³. Теперь распилим этот брусок на два по 0,5 кг и посчитаем плотность каждого из них. Масса нового бруска уменьшилась в два раза, но и объём уменьшился тоже в два раза. Таким образом, плотность каждого нового бруска опять

будет равна 7874 кг/м³. Вывод: плотность не зависит от объёма.

Казалось бы, такой эксперимент можно проводить до тех пор, пока мы будем физически способны и дальше распиливать наш брусок, и плотность должна оставаться неизменной.

Хорошо; тогда представим, что у нас есть возможность пилить этот «клас-сико-механический» брусок вплоть до отдельных атомов. Когда, в конце концов, мы допилимся до того, что останется один атом железа, он будет уже объектом изучения атомной физики, к коему законы классической механики не применимы. Таким образом, мы начали с механики и «допилили» до атомной физики. Возникает вопрос: а есть ли что-то между двумя этими предельными случаями? Где та граница, что отделяет классическую механику от атомной физики?

Граница эта и проходит через нано-мир. С одной стороны, свойства железной наночастицы не будут описываться классической механикой, а с другой -она не будет вести себя как отдельный атом. Её нельзя описывать законами атомной физики, так как она содержит в себе несколько сотен атомов железа.

Наномир - это своего рода мостик, соединяющий два этих предела. Поэтому, несмотря на то, что и механика, и атомная физика хорошо развиты, изучение наномнра потребовало новых теорий и, соответственно, -новых методов и инструментов для их изучения.

Магнитные явления в наноструктурах: суперпарамагнетизм

Очень интересные изменения происходят в наномире с магнитными свойствами вещества. Настолько интересные, что выделилось отдельное направление исследований - наномаг-нетизм, область физики, занимающаяся изучением магнитных свойств структур с размерами от одного до нескольких сотен нанометров.

Самое известное явление в этой области - «суперпарамагнетизм», наблюдаемый в очень малых магнит-