Skenējošais elektronu mikroskops (SEM) elektronu mikroskopijas laboratorijā Nacionālajā pētniecības centrā “Kurčatova institūts” (Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”). Maskava, Krievija. 06.04.2018.
Nanofizikas pētījumu lokā ir objekti ar izmēriem robežās 1–100 nm. Salīdzinājumam, atoma izmērs ir ~0,1 nm, bet mata diametrs ~80 tk nm, tādējādi nanofizika atrodas starp atomfiziku un mikrofiziku. Nanoizmēros dažāda veida materiālu īpašības nosaka ģeometriskie izmēri, nevis materiāla ķīmiskais sastāvs. Šo atklājumu pielieto nanotehnoloģiju izveidē. Nanoizmēru objektus ne tikai pēta un novēro, bet arī rada un manipulē ar tiem.
Blusas morfoloģija
Nanofizika ir cieši saistīta ar citām nanozinātnēm – nanoķīmiju, nanobioloģiju, nanoelektroniku.
Atkarībā no objekta vai parādības pētāmajām īpašībām nanofiziku iedala mehāniskajā, elektriskajā, virsmas, optiskajā, katalītiskajā, magnētiskajā, koloidālajā nanofizikā. Tiek pētīts arī īpašību kopums (piemēram, nanovada sensoram – gan elektriskās, gan virsmas īpašības, kas tiek pielāgotas nanoķīmijas funkcionalizācijas ceļā). Pēc objektu dimensiju skaita nanofiziku iedala: 0D – nanodaļiņas, kvantu punkti, nanoklasteri; 1D – nanovadi, nanocaurulītes, nanošķiedras; 2D – nanokārtiņas, nanofilmas, nanopārklājumi; 3D – nanostrukturēti materiāli. Nanofizikas sastāvā ietilpst arī mezoskopiskā fizika, kas pēta elektronu transporta procesus mazos izmēros, izmantojot kvantu teoriju.
Nanofizika pēta gan dabiskas izcelsmes objektus (piemēram, nanodaļiņas magnetotaktiskajās baktērijās, dezoksiribonukleīnskābes (DNS) dubultspirāli) un parādības (piemēram, morfīdu tauriņa spārnu košo krāsu, ko izraisa no nanostruktūrētas virsmas atstarotas gaismas interference), gan cilvēku radītus objektus (piemēram, tranzistoru elementus, oglekļa nanocaurulītes) un ar tiem saistītas īpašības (piemēram, Damaskas tērauda stiprību veicinošās oglekļa nanocaurulītes un stikla krāsas atkarību no zelta nanodaļiņu izmēra). Nanofizika pilnveido nanoizmēru objektu teorētisko aprakstu, kas nepieciešams materiālu īpašību un procesu prognozēšanai.
Nanofizikas atklājumi tiek izmantoti, radot izturīgu sporta aprīkojumu (ar nanocaurulīšu piemaisījumu uzlabojot aprīkojuma stiprību), saules baterijas (ar nanodaļiņām uzlabojot bateriju efektivitāti), pašattīrošas krāsas (izmantojot uz virsmas esošu nanoizmēru struktūru izraisītu ūdens atgrūšanos (“lotosa efektu”)), pretvēža terapijas līdzekļus (izmantojot funkcionalizētas nanodaļiņas zālēs, analīzēm laboratorijā vai laboratorijas čipa (lab on a chip) sistēmās). Nanofizikas atklājumi plaši tiek pielietoti elektronikas industrijas tehnoloģijās. Laika posmā no 1974. līdz 2014. gadam komerciāli ražotu tranzistoru izmēri samazināti līdz 14 nanometriem (2014), un to turpmāks samazinājums tuvojas fiziskajam limitam, ko nosaka elektronu tunelēšana. Nanofizikai ir daudz izaicinājumu, jo īpaši bioloģiskās sistēmās, kur interešu lokā ietilpst šūnas elementi, molekulārie motori, proteīni, mikroorganismu flagellas un citi.
Nanoizmēru objekti saistīti ar kvantu un virsmas efektiem, kas rada negaidītas īpašības un parādības. Jo mazāks objekta dimensiju skaits, jo lielāka virsmas un tilpuma atomu skaita attiecība un izteiktākas virsmas īpašības. Mazos izmēros izpaužas arī kvantu efekti – kvantu tunelēšana un kvantu slazdošana, kas iezīmē fizikālo parādību pāreju no nepārtraukta uz kvantētu. Šos procesus apraksta kvantu mehānika.
Nanofizikas pētījumiem pamatā ir zināšanas par nanomateriāla īpašību atkarību no tā ģeometriskajiem izmēriem, nevis ķīmiskā sastāva. Mainot nanoobjekta izmērus, tiek mainītas materiāla mehāniskās, optiskās, elektriskās, siltumvadīšanas un citas īpašības. Šo sakarību teorētisks apraksts tiek attīstīts. Nanostrukturētu materiālu izveide, kombinējot dažādus nanoobjektus, ļauj iegūt unikālus materiālus, kam makroskopiskajā pasaulē nav analogu.
Nanoizmēru objektu izgatavošanai izmanto nanotehnoloģijas. Tā kā optiskā mikroskopa izšķirtspēja difrakcijas dēļ ir ierobežota ar ~200 nm, objektu novērošanai izmanto modernās mikroskopijas tehnikas: elektronu mikroskopiju (skenējošo elektronu mikroskopiju, scanning electron microscopy, SEM) un transmisijas elektronu mikroskopiju (transmission electron microscopy, TEM), kā arī skenējošās zondes mikroskopiju, no kurām būtiskākās ir skenējošā tuneļmikroskopija (scanning tunneling microscopy, STM), atomspēku mikroskopija (atomic force microscopy, AFM) un magnētiskā spēka mikroskopija (magnetic force microscopy, MFM); kā arī fluorescenci izmantojošo superizšķirtspējas optisko mikroskopiju (super-resolution microscopy). Objekta iekšējās uzbūves pētījumiem izmanto rentgenstaru difraktometru (x-ray diffractometer, XRD), masas spektrometriju (mass spectrometry, MS), kā arī spektroskopijas metodes un lielizmēra iekārtas ar rentgenstaru vai neitronu avotiem. Teorētiskiem aprēķiniem lieto skaitlisko aprēķinu metodes, piemēram, molekulārās dinamikas metodi, Montekarlo metodi.
Francijas Antidopinga aģentūra pārbauda valsts atlētus, lai pastiprināti cīnītos pret dopinga lietošanu sportā. Šatenī, Francija. 25.02.2015.
Nanofizikas pirmsākumi saistās ar 29.12.1959., kad amerikāņu fiziķis Ričards Feinmens (Richard Phillips Feynman) Amerikas Fizikas biedrības (American Physical Society) sanāksmē uzstājās ar lekciju “Tur apakšā ir pietiekami daudz vietas” (There's Plenty of Room at the Bottom), kurā fantazēja par iespējām izveidot ierīces, manipulējot ar atsevišķiem atomiem. Strauja nanofizikas attīstība notika pēc 1980. gada, kad līdztekus nanotehnoloģiju popularizēšanai sabiedrībā un elektronikas industrijas progresam miniaturizācijas virzienā tika veikti vairāki zinātniski atklājumi: 1981. gadā vācu fiziķis Gerds Binnigs (Gerd Karl Binnig) un šveiciešu fiziķis Heinrihs Rorers (Heinrich Rohrer) izveidoja skenējošo tuneļmikroskopiju – mikroskopijas veidu, kas, izmantojot kvantu tunelēšanos, nosaka virsmas elektriskās īpašības ar precizitāti līdz individuāliem atomiem. 1985. gadā amerikāņu fiziķis Roberts Kērls (Robert Floyd Curl), angļu ķīmiķis Harolds Kroto (Sir Harold Walter Kroto) un amerikāņu fiziķis Ričards Smallijs (Richard Erret Smalley) atklāja oglekļa molekulas fullerēnus. 1991. gadā japāņu fiziķis Sumio Ližima (飯島 澄男) atklāja oglekļa nanocaurulītes, izraisot paplašinātu interesi par oglekļa nanomateriāliem un to īpašībām. Paralēli arī citās fizikas apakšnozarēs tika veikti pētījumi nanoizmēru objektiem, atklājot to neparastās optiskās, magnētiskās, mehāniskās un citas īpašības. Šie pētījumi veidoja pamatu jaunai fizikas nozarei – nanofizikai, ietverot arī vēsturiski senākus pētījumus, kā, piemēram, koloīdu un plāno kārtiņu pētījumus. 2000. gadā sāka ražot pirmos nanoproduktus: pretiedeguma krēmus ar titāna dioksīda (TiO2) un cinka oksīda (ZnO) nanodaļiņām, antibakteriālus audumus un iepakojumus ar sudraba (Ag) nanodaļiņām.
Nanoizmēru objektu neparasto īpašību, daudzveidīgā pielietojuma, kā arī miniaturizācijas iespēju dēļ nanofizikas popularitāte mūsdienās turpina augt. Universitātēs un pētniecības iestādēs tiek atvērtas nanozinātņu (tai skaitā nanofizikas) nodaļas, institūti un studiju programmas. Straujai attīstībai ir arī pretinieki, kurus satrauc nanoizmēru objektu potenciālais kaitīgums un piesārņojums vidē.
Nanofizika ir aktīvs pētniecības lauks lielā daļā pasaules universitāšu un pētniecības institūciju. Daudzās no tām ir izveidoti speciāli centri, nodaļas, laboratorijas vai grupas, kas veic pētījumus vienlaikus nanofizikā un citās nanozinātnēs. Tādi atrodami arī pasaules nozīmīgākajās universitātēs, kā, piemēram, Nanoinženierijas grupa (NanoEngineering Group) Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā (Massachusetts Institute of Technology) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), Stenforda Nanoraksturošanas laboratorija (Stanford Nanocharacterization Laboratory) Stenforda Universitātē (Stanford University) ASV, Nanoizmēra sistēmu centrs (Center for Nanoscale Systems) Hārvarda Universitātē (Harvard University) ASV, Nanozinātņu centrs (Nanoscience Centre) Kembridžas Universitātē (University of Cambridge) Anglijā un citi.
Ievērojamākie mūsdienu nanofiziķi: padomju, nīderlandiešu un britu fiziķis Andrejs Geims (Андрей Константи́нович Гейм) un krievu-britu fiziķis Konstantins Novosjolovs (Константин Сергeевич Новосёлов) no Mančesteras Universitātes (University of Manchester) Lielbritānijā, kuri 2004. gadā ieguva jaunu 2D nanomateriālu grafēnu. Abiem zinātniekiem 2010. gadā par šo atklājumu piešķirta Nobela prēmija.
Nanofizikai veltīto periodisko zinātnisko izdevumu skaits nepārtraukti aug. Zinātnisko žurnālu reitingā (Scientific Journal Rankings, SJR) nanozinātņu un nanotehnoloģiju kategorijā 1999. gadā bija iekļauts 21 žurnāls, 2007. gadā – 50, bet 2014. gadā – jau 94 žurnāli, no kuriem svarīgākie: Nature Nanotechnology (kopš 2006. gada, Nature Publishing Group), Advanced Materials (kopš 1988. gada, Wiley-VCH), Nano Today (kopš 2006. gada, Elsevier), Nano Letters (kopš 2001. gada, American Chemical Society), ACS Nano (kopš 2007. gada, American Chemical Society).
Skenējošais elektronu mikroskops (SEM) elektronu mikroskopijas laboratorijā Nacionālajā pētniecības centrā “Kurčatova institūts” (Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”). Maskava, Krievija. 06.04.2018.
Blusas morfoloģija
Francijas Antidopinga aģentūra pārbauda valsts atlētus, lai pastiprināti cīnītos pret dopinga lietošanu sportā. Šatenī, Francija. 25.02.2015.