Нанометр
Обозначение: nmВесь мир
Что такое Нанометр (nm)?
Формальное определение
Нанометр (обозначение: нм, международное: nm) — единица длины в СИ, равная одной миллиардной метра (10⁻⁹ м) или одной миллионной миллиметра. Один нанометр равен 10 ангстремам (Å). Нанометр — основная единица для измерения атомных и молекулярных структур, элементов полупроводников и длин волн видимого света.
Атомный масштаб
Молекула воды — около 0,275 нм. Двойная спираль ДНК — около 2 нм. Углеродная нанотрубка — 1–50 нм. Видимый свет — от 380 нм (фиолетовый) до 750 нм (красный).
Нанотехнологии
Нанометр стал синонимом передовых технологий. Производители полупроводников описывают технологические нормы в нанометрах: 7 нм, 5 нм, 3 нм.
Этимология
Греческие корни
Приставка «нано-» от греческого «νᾶνος» (nanos — «карлик»). «Нанометр» буквально означает «карликовая мера».
История
Приставка «нано-» принята в СИ в 1960 году. До этого стандартной единицей был ангстрем (Å = 0,1 нм), введённый Андерсом Йонасом Ангстремом в 1868 году.
В массовой культуре
Слово «нано» вошло в массовую культуру как синоним «чрезвычайно малого»: iPod Nano, нанотехнологии, наноматериалы.
Точное определение
Определение в СИ
1 нм = 10⁻⁹ м. Свет проходит один нанометр за 3,336 аттосекунды. На этом масштабе доминируют квантовые эффекты.
Методы измерения
Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) достигают атомного разрешения. Атомно-силовые микроскопы (АСМ) измеряют рельеф с точностью 0,1 нм. Рентгеновская дифракция определяет структуры кристаллов с субнанометровой точностью.
Калибровка
Калибровка на нанометровом масштабе основана на параметрах кристаллической решётки кремния (0,5431 нм).
История
Эпоха ангстрема
До стандартизации нанометра в физике доминировал ангстрем (Å), введённый в 1868 году. 1 Å = 0,1 нм.
Принятие приставки «нано»
Официально принята в 1960 году. Нанометр постепенно заменил ангстрем в научных публикациях в 1970–1980-х годах.
Революция нанотехнологий
Лекция Ричарда Фейнмана 1959 года считается концептуальным рождением нанотехнологий. В 1981 году Бинниг и Рорер изобрели СТМ (Нобелевская премия 1986 года). В 1989 году Дон Эйглер расположил 35 атомов ксенона, чтобы написать «IBM».
Полупроводники
От 10 000 нм (1971) до 3 нм (2020-е). Закон Мура — удвоение плотности транзисторов примерно каждые два года — измерялся в нанометрах десятилетиями.
Современное применение
Полупроводниковая промышленность
TSMC, Samsung и Intel конкурируют за наименьший нанометровый техпроцесс. Современные процессоры содержат более 100 миллиардов транзисторов с размерами 5–20 нм.
Оптика
Видимый свет: 380–750 нм. Лазеры, LED, оптические фильтры и волоконная оптика характеризуются длиной волны в нанометрах.
Наноматериалы
Наночастицы золота (20 нм) выглядят красными. Углеродные нанотрубки прочнее стали. Квантовые точки (2–10 нм) используются в дисплеях QLED.
Молекулярная биология
ДНК — 2 нм в ширину с шагом спирали 3,4 нм. Вирусы — от 20 нм (парвовирус) до 300 нм (мимивирус).
Применение в быту
Потребительские технологии
Транзисторы процессоров смартфонов — менее 5 нм. Слои OLED-дисплеев — десятки нанометров. Солнцезащитные кремы содержат наночастицы оксида цинка (20–100 нм).
Здравоохранение
мРНК-вакцины от COVID-19 используют липидные наночастицы диаметром 80–100 нм. Золотые наночастицы (~40 нм) используются в экспресс-тестах.
Покрытия
Антиотпечаточные покрытия — 10–20 нм. Водоотталкивающие покрытия используют наночастицы. Самоочищающееся стекло — покрытие TiO₂ толщиной 10–25 нм.
В науке и промышленности
Атомная физика
Атомные радиусы — от 0,03 нм (гелий) до 0,3 нм (цезий). Длины связей — 0,1–0,3 нм. Боровский радиус — 0,0529 нм.
Спектроскопия
УФ-спектр: 10–380 нм. Видимый: 380–750 нм. Ближний ИК: 750–2500 нм.
Наука о поверхностях
Атомно-слоевое осаждение (ALD) строит плёнки по одному атомному слою (0,1–0,3 нм). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) исследует верхние 1–10 нм материала.
Квантовая механика
На нанометровом масштабе доминируют квантовые эффекты: туннелирование, волново-частичный дуализм, квантовое конфайнмент.
Кратные и дольные единицы
| Название | Обозначение | Множитель |
|---|---|---|
| Пикометр | пм | 10⁻¹² м |
| Нанометр | нм | 10⁻⁹ м |
| Микрометр | мкм | 10⁻⁶ м |
| Миллиметр | мм | 10⁻³ м |
| Метр | м | 10⁰ м |
Интересные факты
Нить ДНК — около 2 нм в ширину. Если вытянуть всю ДНК одной клетки, получится около 2 метров — разница в миллиард раз.
В 1989 году исследователи IBM расположили 35 атомов ксенона, написав «IBM» — первая демонстрация манипуляции атомами.
Транзисторы современных процессоров — около 5 нм, примерно 15 атомов кремния в ширину. На одном чипе — более 100 миллиардов транзисторов.
мРНК-вакцины от COVID-19 используют липидные наночастицы 80–100 нм — одно из самых успешных применений наномедицины.
Наночастицы золота 20 нм выглядят красными, а 100 нм — фиолетовыми. Этот эффект средневековые стеклодувы неосознанно использовали в витражах.
Графен — один слой атомов углерода — имеет толщину 0,335 нм. Несмотря на это, он примерно в 200 раз прочнее стали по весу.
Самый маленький вирус — парвовирус свиней (17 нм). Вирус SARS-CoV-2 — около 100 нм.
Длина волны зелёного света (550 нм) примерно в 200 раз больше диаметра атома золота (0,288 нм).
Региональные особенности
Универсальное использование
Нанометр используется одинаково во всём мире. Нет региональных различий в определении, символе или применении.
Ангстрем
Ангстрем (Å = 0,1 нм) по-прежнему используется в кристаллографии, поскольку межатомные расстояния удобно выражаются числами от 1 до 5 Å.
Названия техпроцессов
В полупроводниковой индустрии названия техпроцессов («3 нм», «5 нм») стали маркетинговыми обозначениями, а не точными размерами.