Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 44 – vyšlo 23. listopadu, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Budou nanomotory poháněny chaosem?

Petr Kulhánek

Koho by nelákala představa miniaturního robota odstraňujícího například sraženinu v cévě? K takovému užitečnému stroji máme sice ještě daleko, ale nanotechnologie si krok za krokem razí cestu mezi ostatními technologiemi. Celkem běžná je už výroba různých uhlíkových nanotrubic, jejichž využití v elektrotechnice a v textilním průmyslu je obrovské. K nanotrubici by ale postačilo přidat výčnělky v podobě molekul dehydrobenzenu a vznikne jednoduché ozubené kolo (viz AB 19/2007). Zajímavé jsou také pokusy s nanotruhličkami z molekul DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., které mají rozměr 42×36×36 nm³ a otevíratelné víko (viz AB 38/2009) nebo s kráčejícími molekulami (viz AB 7/2010). Lidé se také naučili manipulovat s jednotlivými atomy a dopravovat je na potřebné místo. Je to možné například za pomoci hrotu mikroskopu atomárních sil. Feynmanův sen o stavbě zařízení na atomární úrovni se před našima očima stává realitou.

Nanosoukolí, Nasa Center for Nanotechology.

AFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.

STM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese.

Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959.

Mikroskopy STM a AFM

Ideálním prostředníkem ke sledování dějů na atomární úrovni je řádkovací tunelový mikroskop (STMSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. ). Jde o pružně upevněný hrot vznášející se nad povrchem vodivého materiálu. Mezi hrot a materiál je přivedeno napětí a tunelovým jevem začne protékat snadno měřitelný elektrický proud. Tento proud je silně závislý na vzdálenosti raménka od povrchu a prudce se změní, jakmile se posouvané raménko ocitne nad jakoukoli nerovností povrchu. Pokud je hrot raménka velmi malý (ideálně je tvořen například jediným atomem wolframuWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. ), bude tekoucí elektrický proud citlivý i na atomární struktury na povrchu látky a dokonce zaznamená jednotlivé orbitalyOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce.. Obrázek povrchu se pak získá bod po bodu ze záznamu tekoucího proudu. Podobným zařízením, které se z STM postupem času vyvinulo, je mikroskop atomárních sil (AFMAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.), v němž je hrot umístěn na pružném raménku. K detekci zde neslouží elektrický proud, ale pohyby raménka sledované laseremLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Ty jsou způsobeny silou mezi atomy hrotu a atomy povrchu. Při skenování povrchu se tak ve skutečnosti získá mapa působení atomárních sil. Podstatu obou metod objevili v roce 1986 německý fyzik Gerd Binnig (1947) a švýcarský fyzik Heinrich Rohrer (1933). Na vynálezu a vývoji se podíleli i další fyzikové. V současnosti lze mikroskop atomárních sil snadno využít i k ovládání jednotlivých atomůAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech.. Ty lze přenášet za pomoci pohyblivého hrotu na určená místa a vytvářet tak potřebné struktury.

Mikroskopy STM a AFM. Zdroje: IAP, University of Notre Dame.

Řád z chaosu

Možnost vazby mezi stochastickou a uspořádanou složkou pohybu předpovídá teorie stochastické rezonance. V praxi se podařilo tento jev realizovat německé skupině vědců vedené Christianem Lotze z Freie Universität Berlin. Podložku z čisté mědi umístili do vysokého vakua. Adsorpcí vodíkových molekul se na povrchu vytvořila šesterečná monovrstva z molekul H₂. Celý experiment probíhal za teploty 5 K. Pokud mezi hrot mikroskopu STM nebo ATM a podložku z mědiMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. přivedeme napětí, objeví se tunelový proud elektronů. Za této situace se molekuly vodíku mohou nacházet ve dvou různých vibračních stavech, jejichž energie jsou si rovny při napětí 100 mV, které odpovídá tepelnému šumu. Při napětí o něco nižším je minimum energie v jednom z těchto stavů, naopak, při vyšším napětí je minimum energie ve druhém stavu.

STM snímek molekul vodíku na povrchu mědi. Napětí při snímkování bylo 37 mV
a tunelový proud 200 pA. Vzdálenost molekul vodíku je cca 1 nm. Zdroj [1].

Vibrační stavy molekuly vodíku ve vnějším elektrickém poli. Zdroj [1].

Tvar potenciálu závisí na poloze raménka. Je-li dále, přecházejí molekuly do stavu 1,
je-li blíže, naopak do stavu 2. Jde o velice citlivou zpětnou vazbu.

Napětí bylo udržováno tak, aby molekuly náhodně přecházely z jednoho stavu do druhého. Chaotický pohyb vodíkových molekul je aktivován tunelovým proudem elektronů mezi hrotem a měděnou podložkou. Tento pohyb způsobuje náhodné fluktuace, které ovlivní atomární síly působící na hrot mikroskopu. Ten se vlivem těchto fluktuací rozkmital na frekvenci 20,609 kHz s amplitudou 50 pm. Chaotický pohyb molekul se přeměnil na pravidelné vibrace hrotu s raménkem. Jde o velice zvláštní vazbu – uvědomme si, že molekula vodíku je nejmenší ze všech molekul a poměr její hmotnosti a hmotnosti raménka s hrotem je 10^–19! Z chaotického pohybu v mikrosvětě povstal řád a objevil se makroskopický pravidelný pohyb. Přitom se nedostáváme do rozporu se základními zákony termodynamiky, jejichž platnost v mikrosvětě je často diskutována. K převodu chaotické energie vodíkových molekul na uspořádaný pohyb raménka musíme přivést mezi hrot a podložku napětí. Tekoucí proud tunelových elektronů vnáší do systému energii – tu energii, která způsobí chaotický pohyb molekul vodíku a je zodpovědná za rozkmitání raménka. Jde o mimořádně zajímavý jev, který by mohl být využitelný k pohánění nanomotorů za pomoci čerpání energie z chaotického pohybu.

Klip týdne: Cesta do nanosvěta

Cesta do nanosvěta. V klipu společnosti Jülich vidíme unikátní záběry z práce řádkovacího tunelového mikroskopu pořízené elektronovým mikroskopem (jeden mikroskop nahrával práci jiného mikroskopu). Řádkovací mikroskop osahává povrch látky za pomoci hrotu podobně jako slepec detekuje okolí za pomoci slepecké hole. Mezi hrotem a nerovnostmi na povrchu teče tunelový proud elektronů. Hrot skenuje povrch látky po řádcích a počítač z průběhu proudu vytvoří obraz povrchu. Následuje ukázka růstu nanokrystalů polovodiče. Po ní je zařazen fiktivní let nad křemíkovým povrchem. Kuželové kopce odpovídají jednotlivým atomům křemíku. Animace letu je vytvořena na základě skutečných dat z tunelového mikroskopu. V závěru je ukázána manipulace s jednotlivými atomy za pomoci hrotu. Mezi atomy na konci hrotu a atomy na povrchu vzorku působí síly, které mohou atom vzorku přemístit jinam. Takto lze vytvářet různé struktury. V ukázce je vyvořeno písmeno J – logo společnosti, která záběry pořizovala. Zdroj: Jülich, 2011. (mp4, 28 MB)

Odkazy