Что такое нанометр в физике
Нанометр
Наноме́тр (нм, nm) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т. е. 10 −9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10 −3 микрона; обозначения: ммк, mμ)
Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения малых длин, равная 10 ангстремам — общепризнанной единице измерения, не входящей в систему СИ. Она часто ассоциируется с областью нанотехнологий и с длиной волны видимого света.
Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти атомов водорода выстроенных в линию, если за диаметр атома водорода принять два боровских радиуса.
Для человека длина волны видимого света составляет 380—760 нм (соответственно изменение спектра от фиолетового до красного цвета).
Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм.
Данные на компакт-дисках записываются в виде углублений (по-английски такое углубление называются pit), имеющих размеры: 100 нм глубины и 500 нм ширины.
См. также
Примечания
Полезное
Смотреть что такое «Нанометр» в других словарях:
нанометр — нанометр … Орфографический словарь-справочник
нанометр — • нанометр (нм) единица длины, равная 10–9 м, 10–3 мкм, или 10 ангстремам (А). (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Нанометр (нм) ед. измерения длины, равная 10″9м. (Источник: «Словарь терминов… … Словарь микробиологии
НАНОМЕТР — (обозначение нм), единица длины, равная 10 9 м. Применяется для измерения межмолекулярных расстояний и длин волн. Заменил АНГСТРЕМ единицу, ранее употреблявшуюся для подобных измерений … Научно-технический энциклопедический словарь
нанометр — сущ., кол во синонимов: 2 • единица (830) • миллимикрон (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
нанометр — а, м. nanomètre m. Одна миллиардная метра. В Гарвардском университете (США) созданы самые тонкие проволоки их диаметр менее десяти нанометров (тысячных долей микрона). Такая проволока состоит из всего 20 рядов атомов. НИЖ 1999 9 17. Километры,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
нанометр — миллимикрон (10 9 метра) [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии Синонимы миллимикрон EN nanometer … Справочник технического переводчика
Нанометр нм — Нанометр, нм * нанаметр, нм * nanometer or nm единица длины, равная 10 Е, или 10 9 м … Генетика. Энциклопедический словарь
нанометр — nanometras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dalinis ilgio matavimo vienetas, 10⁹ karto mažesnis už metrą: 1 nm = 10⁻⁹ m. atitikmenys: angl. nanometer; nanometre vok. Nanometer, n rus. нанометр, m pranc. nanomètre, m … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Нанометры в метр
1 нанометр = 0.000000001 метра
Нанометр (от лат. nanos — карлик и др.-греч. μέτρον —мера, измеритель; русское обозначение: нм; международное: nm) — дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной части метра (то есть 10 −9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10 −3 микрона; обозначения: ммк, mµ или (реже) µµ). Нанометр часто ассоциируется с областью нанотехнологий и с длиной волны видимого света. Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения малых длин. Нанометр также наиболее часто используется в описании технологий полупроводникового производства.
Нанометр равен 10 ангстремам (ангстрем — устаревшая единица измерения, не входящая в систему СИ). Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти молекул водорода выстроенных в линию, если за молекулу водорода принять два боровских радиуса.
Длины волн видимого света, воспринимаемого человеком, лежат в диапазоне 380—760 нм (соответственно цвет такого излучения изменяется в диапазоне от фиолетового до красного).
Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм.
Данные на компакт-дисках записываются в виде углублений (по-английски такое углубление называется pit), имеющих размеры: 100 нм глубины и 500 нм ширины.
Современные передовые технологии производства микросхем оперируют с элементами размером 14—22 нм, переходят на элементы 10 нм и планируют уменьшить их в будущем до 5 нм.
Просто о сложном: нанометр — это вообще сколько?
Теории и практики
Наука о мерах и весах, метрология — вчерашний день. Сегодня принято измерять то, что никто не видит, то есть объекты наноразмеров. Этим занимается нанометрология. Степан Лисовский, аспирант МФТИ, сотрудник кафедры нанометрологии и наноматериалов, рассказывает об основных принципах нанометрологии и функциях различных микроскопов и объясняет, почему размер частицы зависит от способа его измерения.
Эталонное мышление
Степан Лисовский
Для начала — о простой метрологии. Как дисциплина она могла бы возникнуть еще в древности, тогда о мере рассуждали многие — от Пифагора до Аристотеля, — но не возникла. Стать частью научной картины мира того времени метрологии не удалось из-за того же Аристотеля. Он на долгие века вперед утвердил приоритет качественного описания явлений над количественным. Все изменилось только во времена Ньютона. Смысл явлений «по Аристотелю» перестал удовлетворять ученых, и акцент сместился — с семантической части описания на синтаксическую. Проще говоря, решено было смотреть на меру и степень взаимодействий вещей, а не пытаться постигнуть саму их суть. И это оказалось куда плодотворнее. Тогда же и наступил звездный час метрологии.
Самая главная задача метрологии — обеспечить единство измерений. Основная цель — отвязать результат измерений от всех частностей: времени, места измерения, от того, кто измеряет и как он сегодня решит это сделать. В результате должно остаться только то, что всегда и везде, независимо ни от чего будет принадлежать вещи — ее объективная мера, принадлежащая ей в силу единой для всех реальности. Как подобраться к вещи? Через ее взаимодействие с измерительным прибором. Для этого должен быть унифицированный метод измерения, а также эталон, единый для всех.
Итак, мы научились измерять — осталось только, чтобы все остальные люди в мире измеряли так же, как мы. Для этого нужно, чтобы все они использовали тот же метод и пользовались такими же эталонами. Практическую пользу от введения единой для всех системы мер люди осознали быстро и согласились начать договариваться. Появилась метрическая система измерений, которая распространилась постепенно почти на весь мир. В России, кстати, заслуга введения метрологического обеспечения принадлежит Дмитрию Менделееву.
Результат измерения, помимо собственно значения величины, — это еще и подход, выраженный в единицах измерения. Так, измеренный метр никогда не станет ньютоном, а ом — тесла. То есть разные величины подразумевают разную природу измерения, но, разумеется, так происходит не всегда. Метр провода оказывается метром и с точки зрения его пространственных характеристик, и с точки зрения проводимости, и с точки зрения массы вещества в нем. Одна величина оказывается замешана в разных явлениях, и это существенно облегчает работу метролога. В известной мере эквивалентными оказались даже энергия и масса, поэтому массу сверхмассивных частиц измеряют в энергии, необходимой на ее создание.
Кроме значения величины и единицы ее измерения, есть еще несколько важных факторов, которые необходимо знать про каждое измерение. Все они содержатся в конкретной методике измерения, выбранной для нужного нам случая. В ней задается все: и стандартные образцы, и класс точности приборов, и даже квалификация исследователей. Умея все это обеспечить, на основе методики мы можем проводить корректные измерения. В конечном счете применение методики дает нам гарантированные размеры погрешности измерения, и весь результат измерения сводится к двум числам: величине и ее погрешности, с которыми обычно и работают ученые.
Измерить невидимое
Нанометрология работает почти по тем же законам. Но тут есть пара нюансов, которые нельзя не учитывать. Чтобы их понять, нужно разобраться в процессах наномира и понять, в чем, собственно, их особенность. Иначе говоря, что такого особенного в нанотехнологиях.
Начать, конечно, надо с размеров: один нанометр в метре — это примерно как один китаец в населении Китая. Такого масштаба размеры (меньше 100 нм) делают возможной целую серию новых эффектов. Здесь и эффекты квантовой физики, включая туннелирование, и взаимодействие с молекулярными системами, и биологическая активность и совместимость, и сверхразвитая поверхность, объем которой (точнее, приповерхностного слоя) сопоставим с суммарным объемом самого нанообъекта. Такие свойства — кладезь возможностей для нанотехнолога и в то же самое время — проклятие нанометролога. Почему?
Дело в том, что из-за наличия особых эффектов нанообъекты требуют к себе совершенно новых подходов. Их нельзя разглядеть оптически в классическом понимании из-за фундаментального ограничения на разрешение, которого можно добиться. Потому что оно строго привязано к длине волны видимого излучения (можно использовать интерференцию и прочее, но все это уже экзотика). Основных решений для этой проблемы придумано несколько.
Началось все с автоэлектронного проектора (1936 год), который позднее был модифицирован в автоионный (1951 год). Принцип его работы основан на прямолинейном движении электронов и ионов под действием электростатической силы, направленной от наноразмерного катода до уже нужных нам макроскопических размеров. Картина, которую мы наблюдаем на экране, образована на катоде или около него в силу тех или иных физико-химических процессов. Прежде всего это вытягивание автоэлектронов с атомарной структуры катода и поляризация атомов «изображающего» газа вблизи иглы катода. Образовавшись, картина в виде некоторого распределения ионов или электронов проецируется на экран, где проявляется силами флюоресценции. Таким элегантным способом можно посмотреть на наноструктуру острий, сделанных из некоторых металлов и полупроводников, но элегантность решения здесь завязана на слишком жестких ограничениях того, что мы можем посмотреть, поэтому такие проекторы не стали особо популярными.
Другим решением стало в буквальном смысле ощупывание поверхности, впервые реализованное в 1981 году в виде сканирующего зондового микроскопа, что в 1986 году было удостоено Нобелевской премии. Как можно догадаться по названию, исследуемая поверхность сканируется зондом, который представляет собой заостренную иглу.
Между иглой и структурой поверхности возникает взаимодействие, которое можно с высокой точностью определить хоть по силе, действующей на зонд, хоть по возникающему отклонению зонда, хоть по изменению частоты (фазы, амплитуды) колебаний зонда. Исходное взаимодействие, которое определяет возможность исследовать практически любой объект, то есть универсальность метода, основано на силе отталкивания, возникающей при контакте, и на дальнодействующих ван-дер-ваальсовых силах. Можно использовать и другие силы, и даже возникающий туннельный ток, картрируя поверхность не только с точки зрения пространственного расположения на поверхности нанообъектов, но и других их свойств. Важно, чтобы зонд сам был наноразмерным, иначе не зонд будет сканировать поверхность, а поверхность — зонд (в силу третьего закона Ньютона взаимодействие определяется обоими объектами и в некотором смысле симметрично). Но в целом этот метод оказался одновременно и универсальным, и обладающим широчайшим набором возможностей, так что стал одним из главных в изучении наноструктур. Его главный недостаток — он исключительно времязатратный, особенно в сравнении с электронными микроскопами.
Электронные микроскопы, кстати, также являются зондовыми, только зондом в них выступает сфокусированный пучок электронов. Использование системы линз делает его концептуально схожим с оптическим, хотя не без серьезных отличий. Первое и главное: электрон обладает меньшей длиной волны, нежели фотон, благодаря своей массивности. Разумеется, длины волн здесь не принадлежат собственно частицам электрону и фотону, а характеризуют поведение соответствующих им волн. Другое важное отличие: взаимодействие тел с фотонами и с электронами довольно сильно разнится, хотя и не лишено общих черт. В случаях информация, полученная от взаимодействия с электронами, даже содержательнее, нежели от взаимодействия со светом, — впрочем, нередка и обратная ситуация.
И последнее, на что следует обратить внимание, — это различие оптических систем: если для света линзами традиционно выступают вещественные тела, то для пучков электронов — это электромагнитные поля, что дает большую свободу манипулировать электронами. В этом и кроется «секрет» растровых электронных микроскопов, изображение на которых хоть и выглядит так, словно получено в обычный световой микроскоп, но сделано таким лишь для удобства оператора, а получается из компьютерного анализа характеристик взаимодействия электронного пучка с отдельным растром (пикселем) на образцах, которые последовательно сканируются. Взаимодействие электронов с телом позволяет картрировать поверхность с точки зрения рельефа, химического состава и даже люминесцентных свойств. Через тонкие образцы электронные пучки способны проходить насквозь, что позволяет видеть внутреннюю структуру таких объектов — вплоть до атомных слоев.
Но и это еще не все. Например, наночастице, движущейся в воздухе, можно передать заряд, после чего включить электростатическое поле и, смотря, как будет отклоняться частица, вычислить ее аэродинамический размер (от размера частицы зависит ее сила трения о воздух). Схожим, кстати, образом определяется размер наночастиц в уже упомянутом методе динамического светорассеяния, только анализируется скорость в броуновском движении, причем еще и косвенно, по флуктуациям рассеяния света. Получается гидродинамический диаметр частицы. И таких «ухищренных» методов не один.
У такого изобилия методов, измеряющих вроде бы одно и то же — размер, есть одна интересная деталь. Значение размера одного и того же нанообъекта часто различается, бывает даже, что в разы.
Какой размер правильный?
Здесь самое время вспомнить обыкновенную метрологию: результаты измерения, помимо собственно измеренной величины, задаются еще точностью измерений и методом, которым измерение проведено. Соответственно, различие в результатах может объясняться как разной точностью, так и разной природой измеряемых величин. Тезис о разной природе различающихся размеров одной и той же наночастицы может показаться диким, но так и есть. Размер наночастицы с точки зрения ее поведения в водной дисперсии не то же самое, что ее размер с точки зрения адсорбции газов на ее поверхности и не то же самое, что ее размер с точки зрения взаимодействия с электронным пучком в микроскопе. Не говоря уже о том, что для статистических методов и об определенном размере нельзя говорить, а можно лишь о величине, размер характеризующей. Но несмотря на это различия (или даже благодаря им) все эти результаты можно считать одинаково истинными, просто говорящими немножко о разном, смотрящими с разных сторон. Сравнивать же эти результаты можно лишь с точки зрения адекватности опоры на них в тех или иных ситуациях: для прогнозирования поведения наночастицы в жидкости адекватнее использовать значение гидродинамического диаметра и так далее.
Все сказанное верно и для обычной метрологии, и даже для любой фиксации фактов, но это часто упускается из виду. Можно сказать, что нет фактов более истинных и менее истинных, более соответствующих реальности и менее (исключая разве что подлог), а есть лишь факты более и факты менее адекватные для использования в той или иной ситуации, а также использующие в своей основе более и менее корректную для этого интерпретацию. Философы это со времен позитивизма хорошо усвоили: любой факт теоретически нагружен.
Нанометр: эквиваленты, использование и примеры, упражнения
Содержание:
В качестве примеров: молекула сахара имеет ширину 1 нм, а диаметр вируса SARS CoV 19 составляет 100-160 нм.
Слово нанометр происходит от комбинации двух греческих слов: «нанос», что означает карлик, и «метрон», или эталон. Префикс нано стал очень популярным в последнее время благодаря росту миниатюризации и технологий, связанных с чрезвычайно маленькими объектами, такими как электронные компоненты.
Эти очень маленькие технологии позволили за короткое время, среди прочего, создать электронные устройства с большими вычислительными возможностями в портативном размере. Кроме того, это снизило затраты, сделав их доступными для гораздо большего числа людей.
Медицинская наука также выиграла от этой миниатюризации. Вот почему было необходимо создать соответствующие единицы измерения для выражения очень малых размеров, в том числе нанометра.
Эквивалентности
Ниже приведены эквиваленты нанометра и других единиц измерения, часто используемых в науке и технике, и дают хорошее представление о том, насколько мала эта единица измерения:
Нанометр в метр
Точно так же 1 метр имеет 1 000 000 000 нм, то есть один миллиард нанометров.
Нанометр в см
В одном сантиметре не менее 10 миллионов нанометров.
Нанометр в миллиметр
В миллиметрах единица измерения, которая часто используется для обозначения таких мелких вещей, как калибр медных проводов, например, нанометр, это:
Нанометр в микрон
Чтобы получить представление об этих размерах: клетка крови имеет приблизительный диаметр 10 микрон, что в соответствии с данной эквивалентностью будет составлять 10 000 нм. А бактерия еще в 10 раз меньше, ее размер может составлять 1 микрон или 1000 нм.
Нанометр в пикометр
Пикометры подходят для измерения очень малых длин волн, таких как, например, рентгеновские лучи, порядка 5 мкм.
Применение нанометров
Нанометр является подходящей единицей измерения размеров в нанонауке: так называемая наноразмер или в наноскопическом масштабе, а также для длин волн области электромагнитного спектра, которая идет от ближнего инфракрасного через видимый спектр к гамма-лучам.
Наномасштаб
В нанонауке, которая заключается в изучении и разработке наноструктур, диапазоны составляют от 1 до 100 нанометров, поэтому нанометр является подходящей единицей для размеров, которые там обрабатываются.
В этом масштабе гравитация не является существенной силой, поскольку массы очень малы, но их место занимают другие взаимодействия, и необходимо начать учитывать квантовые эффекты.
Таким образом, свойства материалов на наноскопических уровнях заметно отличаются от свойств материалов на макроскопических уровнях.
Компьютерные чипы
Компьютерные микросхемы со временем уменьшаются в размерах. К концу 1980-х они могли быть около 2000 нанометров (0,0002 см). В 2009 году они были 22 нанометра, а сегодня их размер уменьшен до 10 нанометров. Ожидается, что они продолжат снижаться, по крайней мере, до половины последнего значения.
Длина волны видимого спектра
Электромагнитный спектр состоит из континуума длин волн и частот, в которых распространяются электромагнитные волны. Они варьируются от радиоволн, наименее энергичных, до рентгеновских и гамма-лучей, наивысших энергий.
Посередине находится диапазон видимого света: набор длин волн, к которым чувствителен человеческий глаз.
Поляризационные листы
Используемый материал состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, покрытых йодом и расположенных в параллельные ряды, расстояние между которыми меньше длины волны фильтруемого света.
Следовательно, расстояние должно составлять около нескольких сотен нанометров.
Электроны проводимости в молекулах подвижны по всей цепочке, которая, таким образом, ведет себя как очень тонкая проводящая проволока.
Таким образом, когда неполяризованный свет падает на лист (который содержит как вертикально, так и горизонтально поляризованные компоненты), эти электроны начинают колебаться горизонтально вдоль цепочки.
В результате получается линейно поляризованная волна с разностью фаз 180º по отношению к горизонтальной составляющей неполяризованного света, которые нейтрализуют друг друга. Таким образом, поляризационный лист поглощает упомянутый горизонтальный компонент, пропуская только вертикальный компонент.
Дифракция света
Для возникновения дифракции света размер решеток должен быть порядка нанометров, поскольку дифракция возникает только в том случае, если размер препятствия меньше длины падающей волны.
Упражнения
Преобразуйте следующие измерения в нанометры:
Решение для
0,000056 см = 0,000056 см x 1 x 10 7 нм / см = 560 нм
Решение б
4 микрона = 4 микрона x 1000 нм / мкм = 4000 нм
Решение c
200 пм = 200 пм x 0,001 нм / пм = 0,2 нм
Решение d
40,3 мм = 40,3 мм x 1 x 10 6 нм / мм = 40,3 x 10 6 нм
Решение e
0,0027 дм = 0,0027 дм x 1 x 10 8 нм / дм = 270 000 нм
Ссылки
Как Мексика может ответить на международные требования?
Нанометр
Нанометр.
Нанометр – это дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной части метра (0,000000001 м или 10 −9 метра).
Нанометр, как единица измерения:
Нанометр (от лат. nanos – «карлик» и др.-греч. μέτρον – «мера», «измеритель») – это дольная единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), равная одной миллиардной части метра (0,000000001 м или 10 −9 метра).
Нанометр как единица измерения имеет русское обозначение нм и международное обозначение – nm.
Устаревшее название нанометра – миллимикрон (10 −3 микрона) и соответственно устаревшее обозначение: ммк, mµ или (реже) µµ. В 1879—1967 годах официально использовалось название микрон (мк, µ). Решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967/68) данное название – микрон – отменено и вместо него используется микрометр.
В некоторых случаях нанометр используется для измерения размеров вирусов. Большинство изученных вирусов имеют диаметр в пределах от 20 до 300 нм. Некоторые филовирусы имеют длину до 1400 нм, но их диаметр составляет лишь 80 нм. В 2013 году самым крупным из известных вирусов считался Pandoravirus размерами 1 × 0,5 мкм (1000 нм × 500 нм), однако в 2014 году из многолетней мерзлоты из Сибири был описан Pithovirus, достигающий 1,5 мкм (1500 нм) в длину и 0,5 мкм (500 нм) в диаметре.
1 нанометр равен 10 ангстремам. 1 ангстрем равен 0,1 нанометра.
Перевод нанометра в другие единицы измерения:
1 нм = 10 Å = 1000 пм.
1 нм = 10 −9 м = 10 −7 см = 10 −6 мм = 10 −3 мкм.