Процессы самоорганизации применительно к некоторым вопросам нанотехнологии

Принято полагать, что для осуществления перехода любой системы в специальный режим, характеризуемый возникновением пространственноорганизованных структур необходимым, но недостаточным условием является наличие внешнего воздействия, достигшего определенного критического значения. Этот принцип полностью коррелирует с идеями физики открытых систем и самоорганизации. Приоритетными в этом отношении являются работы Пригожина и Стен-герс [1].

В случае структур Белоусова – Жаботинского таким параметром является определенное фик-

Е

BY

2026. Т. 29, № 1. С. 48–69

2026, vol. 29, no. 1, pp. 48–69 сированное значение концентрации реагентов, в случае ячеек Бенара это градиент температур. В случае самоорганизующихся систем необходимым параметром является самосогласованность микрообъектов системы, называемая когерентностью, что требует наличия определенных связей внутри самой системы.

Для возникновения самоорганизованной структуры необходимо, но недостаточно, чтобы система являлась открытой, подвергающейся притоку вещества, энергии или информации через границы системы. Необходимым условием также является наличие определенной мощности воздействия. Только определенная мощность может обеспечить переход системы в нелинейную область, которую принято называть областью, удаленной от равновесия [2].

Необходимо обеспечить возможность перехода спонтанной самоорганизации беспорядочного движения, которое можно определить как хаотическое состояние, к новому порядку через нарастание флуктуаций [3].

1. Влияние различных технологических факторов на процессы самоорганизации

Процессы, возникающие при взаимодействии излучения с веществом, являются простыми случаями формирования сильно неравновесного состояния твердого тела. В этом случае вещество находится в радиационном поле, и это способствует реализации классической открытой системы, подвергающейся притоку энергии извне. В качестве примера подобного воздействия можно рассмотреть облучение системы потоком высокоэнергетических квантов электромагнитного поля или заряженных частиц, включая наноразмерные.

В таком случае внешнее воздействие в любой форме создает в объеме облучаемого вещества разнообразные дефекты. Дефекты эти, однако, недолговечны. Происходящие в твердом теле разнообразные диссипативные процессы оказывают воздействие на эти дефекты, способствуют их аннигиляции и реализации баланса всех этих процессов [4].

Авторы [5], описывая свои экспериментальные исследования, посвященные облучению металлов и металлических сплавов, находящихся, в основном в кристаллическом и поликристаллическом состоянии, утверждают, что в процессе облучения сплавов Fe-Cr и Fe-Cr-Ni ускоренными ионами ар- гона с энергией 20, 25 и 30 кэВ они обнаружили на поверхности необычную упорядоченную структуру, представляющую собой системы как разнонаправленных, так и квазипараллельных полос. Объяснения, достаточно внятного, этот эксперимент до сих пор не имеет, и природа его непонятна. Исследования, проведенные авторами [5] с помощью оптической микроскопии, показали, что характерные размеры полос составляют примерно 3 мкм. Анализ с помощью электронной микроскопии показал наличие высокоорганизованной пространственной структуры с размерами 500–1000 ангстрем. Эти же авторы работы фиксировали трансформацию однородной гомогенной системы в неоднородную и гетерогенную с образованием различающихся пространственно организованных структур.

По всей видимости, в этих случаях фиксируется иерархия самоорганизованных структур, соответствующая принципам многоуровней концепции строения и организации материи [6]. Возможно также, что поскольку свойства упорядоченности эти системы демонстрируют на различных масштабных уровнях, то их следует рассматривать как фрактальные, что в принципе не противоречит многоуровневой концепции строения материи.

Для преобразования и изменения свойств металлических поверхностей и их структурирования за счет спонтанной генерации возникающих пространственноорганизованных структур можно использовать электромагнитное излучение в видимой области длин волн. Для этих целей можно применять как лазерное излучение, так и излучение от точечного излучения. В случае лазерного излучения мы имеем сфокусированный узкий поток излучения, что затрудняет облучение значительных поверхностей. В случае рассеянного излучения необходимо применять фильтры, вырезающие требуемый диапазон длин волн, что вызывает падение мощности излучения, подводимого к образцу. Однако применение рассеянного излучения позволяет с помощью различных устройств, например дифракционных решеток с определенной структурой, придавать уже излучению определенную структуру с определенными параметрами и характеристиками. В любых случаях необходимо использовать излучение как определенной длины волны, так и определенной пороговой мощности, которые определяются экспериментально для каждого конкретного случая и конкретной экспериментально установки, поскольку рас- считать их теоретически пока не представляется возможным.

Применение лазерного излучения также имеет свои интересные особенности, в отличие от применения потока заряженных частиц, когда в материале с высокой степенью вероятности возможно образование локальных областей с различными свойствами. Более того, в этих локальных областях вещество может находиться в различных состояниях, при этом надо учитывать тот факт, что для смещения атома обрабатываемого материала как в кристаллической решетке, так и в аморфной структуре необходима энергия порядка 14 эВ, что при лазерном воздействии на материал исключается, исходя из чисто физических соображений для обычных используемых в исследованиях лазеров.

Лазерное излучение при облучении кристаллической или аморфной структуры может воздействовать только на электроны твердого тела обрабатываемого вещества, поскольку именно они определяют состояние остающихся атомных остовов. Попытка объяснить эти противоречия была предпринята в работе [7].

Автор этой работы предположил возможность проявления когерентного поведения системы под воздействием когерентного излучения лазера. Однако при использования рассеянного электромагнитного излучения, особенно пространственно структурированного, ни о какой когерентности речь не идет, тем не менее образование пространственноупорядоченных структур имеет место быть. Вопрос же о том, каким образом система аккумулирует требуемую для когерентного поведения энергию, является как минимум дискуссионным, что требует значительных дополнительных исследований.

Попытка объяснить наблюдаемые явления с позиций когерентного взаимодействия представляет интерес, но для реализации когерентного взаимодействия необходимо, чтобы характерные размеры системы становлись сравнимыми с масштабом когерентности электронной волновой функции. Только при соблюдении этого условия свойства системы начинают зависеть от ее размеров и формы.

Интересным и несколько парадоксальным является применение для переструктуризации вещества различных механических воздействий, в частности воздействия механической остроза-точенной алмазной иглы атомно-силового микро- скопа, работающей в контактном режиме с поверхностью образца.

Реализуемая в контактном режиме точечная механическая нагрузка обеспечивает переструктуризацию материала, приводящую, согласно данным работы [8], к интенсивной миграции дефектов из зоны контакта. Удивительно то, что после снятия нагрузки структурные дефекты возвращаются в зону воздействия, причем скорость убегания дефектов весьма значительна и достигает нескольких мм/с, как отмечает в своей диссертации М.Ш. Акчурин [9] и подтверждает исследованиями с помощью катодолюминесценции.

Весьма привлекательной для технологических применений является получившая название элек-тропластической деформации идея управления механическим поведением твердых тел и их структурой с помощью электрического поля. Дефекты различных типов в кристалле по-разному искажают кристаллическую решетку, и именно поэтому отдельные микрообъемы кристалла неидентичны друг другу. Вследствие этого строгое равновесие и структура зарядов в локальной области вблизи дефекта не выполняются. Соответственно, как электрические поля в диэлектриках, так и электрические токи в проводниках по-разному будут воздействовать на области кристалла, содержащие дефекты. Металлическую кристаллическую решетку можно уподобить электронной жидкости, в которой расположены положительно заряженные ионы. Электрический ток, проходящий через эту жидкость, меняет свойства решетки и влияет на процессы пластической деформации [10; 11].

Впервые этот эффект был обнаружен при изучении ускорения движения дислокаций в монокристаллическом цинке [12]. Авторы [13] уверены, что этот эффект, получивший название электронного ветра, инициируется движением электронов при протекании тока.

В качестве организующего фактора могут быть использованы электрические поля высокой напряженности порядка 108 В/см. Применение таких полей для структурных изменений и модификаций возможно при использовании в качестве технологического инструмента сканирующего туннельно-зондового электронного микроскопа [14; 15]. Требуемые величины электрического поля легко можно реализовывать в межэлектродном пространстве такого прибора. Причем возможно создавать электростатические поля такой величины, которая обеспечит пластическую деформация поверхности образца и другие электропластиче-ские эффекты [16; 17].

Реально также осуществлять модификацию полупроводниковых материалов с образованием структур, отличающейся от основного химического строения и типом проводимости [18; 19]. Однако идея использовать эти эффекты для систем записи и хранения информации представляется весьма утопической вследствие проблем с созданием как информационной ячейки, так и подведения к ней и снятия информации.

Аналогичные исследования реализовывались и на металлических образцах [20; 21]. Следует отметить, что существенное влияние на результаты экспериментальных исследований в туннельном микроскопе, на воспроизводимость результатов измерения и, самое главное, на их интерпретацию оказывают множество факторов, связанных технологией создания зонда [22].

Совершенно неоднозначные результаты были получены группой исследователей под руководством В.Н. Перегудова [22]. Оказалось, что применение рентгеновского излучения для воздействия на полупроводниковые кристаллы может приводить как к обратимым, так и необратимым изменениям структурных, электрофизических и оптических характеристик. Исследования полупроводниковых соединений типа АIIBVI и АIIIBV обнаружили наличие долговременной структурной релаксации. Неожиданным оказалась наблюдаемая уже после воздействия на образец рентгеновского облучения релаксация, которая сопровождалась изменением электрофизических и оптических характеристик, причем временной разрыв неоднозначным образом зависел от условий эксперимента, однако четкой и понятной корреляции обнаружено не было.

Весь комплекс этих экспериментальных исследований и попыток должным образом их объяснить и интерпретировать, связанный с низкоэнергетическим электромагнитным излучением, включая микроволновое, инициировал возникновение абсолютно нового научного направления, получившего название микроволновой химии.

Особенность этого направления – в его междисциплинарности, поскольку оно возникло на стыке физики и химии и включало в себя химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанных с энергией микроволнового (МВ) поля СВЧ-колебаний. Свойства МВ-излучения ускорять химические реакции, удалять влагу из твердых и высокопористых пре- паратов, модифицировать свойства различных сорбентов [23] имеют колоссальную перспективу для практического применения как в микро-, так и в макрообласти человеческой деятельности.

Существующие теории и модельные представления о физическом механизме взаимодействия МВ-излучения с веществом, как в микрообъемах, так и в промышленных масштабах не позволяют даже приблизительно сказать, будут или не будут наблюдаться эффекты поглощения МВ-поля веществом.

Однако в работе [24] удалось установить, что в кристаллогидратах центрами поглощения МВ-энергии являются дефекты, причем не точечные, а протяженные. Эти дефекты являются, аналогично центрам кристаллизации, центрами зоны дегидратации, а поскольку граница между исходным и обезвоженным веществом является протяженным дефектом, то можно сделать вывод, что распространение зоны дегидратации носит фронтальный характер.

В [24] обнаружено, что небольшое строго дозированное воздействие МВ-поля малой мощности на частицы или кластеры, не приводящее к термическому воздействию и разогреву образца и, соответственно, изменению его химического состава, приводит к нетермическому отжигу части объемных дефектов микрочастиц, т. е. к чисто полевому воздействию на структуру вещества, приводящему к его переструктуризации [24].

Проведенные ранее экспериментальные исследования независимых друг от друга групп исследователей [25–27], в которых изучалось воздействие слабых импульсных магнитных полей (ИМП) на конденсируемые среды, [25; 26]. показали, что кратковременное воздействие слабых ИМП вызывает долговременное изменение как структуры, так и химических и физических свойств широкого класса немагнитных материалов, причем наблюдаются запаздывание проявления эффектов после окончания воздействия и долговременный немонотонный характер кинетики этих процессов. В работе [27] показано, что под воздействием слабого ИМП (с амплитудой порядка 0,015 Тл, частотой 50 Гц, длительностью импульса 500 мкс и общего времени воздействия от 50 до 150 с. на полимер СКТВ меняются температура плавления, энергия активации и температура кристаллизации через 25 часов после снятия воздействия и остаются неизменными в течение 1500 часов.

Похожие результаты по воздействию слабых и сверхслабых импульсных магнитных полей (0,4 Тл и менее) на пластины монокристаллического кремния, причем плоскопараллельные с высокой степенью параллельности, были получены в работе [28]. Авторами этой работы было установлено, что кратковременное воздействие ИМП приводит к долговременным немонотонным изменениям на сей раз топологии поверхности. Зафиксированные изменения достигают максимума в районе 150–200 часов после снятия воздействия.

Некоторые объяснения этих эффектов можно найти в [29–33], но проблему можно до сих пор считать незакрытой несмотря на то, что полное понимание этих эффектов открывает очень большие перспективы для практического использования.

Наиболее привлекательными с практической и технологической точек зрения являются создание на поверхности подложки максимально свободного от примесей, структурных несовершенств, неоднородностей и непараллельности переходного тонкопленочного слоя и использование поверхности для нанесения на нее наноразмер-ной и наноструктурированной пленки. Поскольку на поверхности подложки (в идеале) отсутствуют примеси и структурные неоднородности, а миграция атомов по поверхности в поисках нерегулярностей структуры присутствует всегда, то необходим некий физический агент, который реализовал бы на поверхности подложки в создаваемой пленке строго упорядоченные неоднородности в качестве центров зародышеобразования для роста последующих структур, хотя бы по какому-нибудь одному параметру.

При этом необходимо, чтобы эти неоднородности имели строго упорядоченную, в самом лучшем случае фрактальную структуру и в точности соответствовали локальному распределению наносимых атомов, молекул или наноразмерных частиц на искомую поверхность, которое является необходимым. Подобная технология будет полностью отвечать принципам реализации группового метода обработки, поскольку позволит на всей поверхности пленки за один цикл получить требуемую регулярную структуру, состоящую из локальных упорядоченных групп различных атомов.

Требуется учесть, что если имеющиеся структурные несовершенства (дислокации, вакансии, дефекты) представляют собой нарушения структуры, имеющие значительный и протяженный характер, и занимают определенный участок поверхности, то примеси, будучи центрами про- цесса зародышеобразования и кристаллизации, представляют собой незначительные нарушения структуры твердого тела, выходящей на поверхность, и, соответственно, локализации волновой регулярности.

Исходя из этих соображений, перспективной задачей представляется получение пространственной структуры типа так называемого графического поля, имеющего внутреннюю статическую структуру, которая может быть выражена графически. Подобная графика должна, по всей видимости, представлять собой фрактальную структуру и соответствовать принципам самоподобия.

В случае если известна структура вещества (тип решетки, межатомные расстояния и т. п.), то необходимо создать полевую структуру или каркас, чтобы атомы, осаждаемые на подложку, в него встроились в соответствии с принципами самоорганизации. Для этого необходимо создать такой резонатор, который будет провоцировать соответствующие самоорганизационные процессы. Возможным вариантом является необходимость создать полевую структуру (например, объемную интерференционную структуру типа голограммы, состоящую из локальных регулярно чередующихся областей максимумов и минимумов), подобную будущей структуре. Проблема заключается в том, в какой мере вообще можно создать такую решетку на основе электромагнитных полей, распространяющихся в пространстве или имеющих устоявшуюся структуру. Вполне возможно, что ее можно создать локально на некоторой поверхности, сформировав на ней интерференционные максимумы, соответствующие организующей директивной структуре.

В любой момент времени на рабочей поверхности поле будет создавать в нужных точках амплитудные максимумы. Такое поле в принципе может провоцировать создание упорядоченной тонкопленочной структуры в малом локальном объеме. Создание объемной структуры в большей ячейке пространства, по-видимому, тоже достижимо, хотя уже и с существенно большими трудностями.

Определенные надежды дает явление, называемое графоэпитаксией и заключающееся в феномене возникновения на аморфных подложках монокристаллических структур в случае, если предварительно на аморфную подложку была нанесена упорядоченная структура, по мере возможности совпадающая по структурным признакам с кристаллической решеткой наносимого материала. При этом размеры такой структуры могут на несколько порядков превосходить размеры образуемых микро- и нанокристаллитов [108], опираясь на определенные свойства фрактальных структур (самоподобие на всех уровнях).

Возможно также формировать периодическую сетчатую структуру, например, из атомов углерода с помощью так называемых предшественников, что можно рассматривать как разновидность графоэпитаксии. В работе [109] в качестве предшественников использовались нитроцеллюлозные микросетки с ячейками гексагональной формы, полученные на основе явления самоформирова-ния в тонком слое полимерного раствора с характерным размером ячеек 1–2 мкм.

В работе [110] описываются эксперименты по получению кластеров кобальта, серебра и палладия в углеродной матрице, для чего использовалась термообработка волокон карбоксилированной целлюлозы. Кластеры металла оказывали каталитическое воздействие на процесс структурирования аморфной углеродной матрицы, что имеет следствием формирование замкнутых графитовых плоскостей, окружающих кластеры металла при температуре отжига [110].

Однако надо учитывать высокоразвитую поверхность традиционных каталитических носителей, вне зависимости от того, гладкая это поверхность монокристаллов или нет, при нахождении на ней наночастицы влияние окружающей среды имеет сильно асимметричный характер, что явным образом сказывается как на строении частицы, так и на ее свойствах.

Поверхность монокристалла носит упорядоченный характер и всегда хорошо организована, поэтому она оказывает сильное управляющее воздействие на формирующуюся на ней наночастицу. Это явление получило название эффекта репликации. Оно приводит к тому, что обычно первые два слоя атомов, конденсировавшиеся на поверхности, повторяют ее строение. При этом форма наночастицы, формирующейся на поверхностьи, меняется, она теряет классическую форму сферы [29].

Становится понятно, что для создания требуемой структуры, основанной на росте наночастиц на дефектах, дислокациях, выходящих на поверхность, и прочих неоднородностях, эти неоднородности должны иметь строго упорядоченную структуру. Подобный процесс будет практически полностью соответствовать основополагающим принципам группового метода обработки. Этот метод обработки, в отличие от пошагового индивидуального (как, скажем, перемещение элек- тронного луча в колонне растрового электронного микроскопа), позволяет на всей поверхности обрабатываемого изделия за один цикл получить требуемую регулярную структуру, представляющую собой комплекс локальных упорядоченных групп различных атомов, молекул или наноразмерных частиц. Если структурные несовершенства (дислокации, вакансии, дефекты, выходящие на поверхность) являются значительными и протяженными нарушениями структуры поверхности, то примеси как центры локализации процесса зародышеобразования являются всего лишь достаточно незначительными нарушениями регулярности структуры твердого тела.

Развитие этих идей и подходов имело место в работах [34–37].

Большой интерес представляет собой подход, развиваемый в работе [38], ее авторами постулируется, что в любой системе часть атомов может находиться в так называемом «мягком» состоянии, а часть, соответственно, в «твердом» состоянии. Такую терминологию они предлагают в качестве определяющей. Термин «мягкие» означает структурные состояния, которые обладают дополнительной степенью свободы в конфигурационном пространстве. Атомы в «мягких» состояниях обладают, по мнению авторов [38], совершенно особыми свойствами, среди которых большой уровень статических смещений и значительный ангармонизм колебаний. Они высказывают предположение, что формирование структуры в некристаллических твердых телах, в отличие от кристаллических структур, связано с самосогласованным созданием областей «мягких» состояний.

Вопрос о том, за счет чего возникает процесс самосогласования, каковы его механизм и перспективы практического использования, остается открытым и не рассматривается. Пока не расматривается.

Существенной при формировании некристаллических тел является неустойчивость движения, связанная с разупорядочением на уровне ближнего порядка. Эта неустойчивость позволяет системе каким-либо образом «локировать» собственное пространство состояний и реализовывать при этом информацию и сложность на уровне мезоскопического порядка.

В итоге, согласно авторам работы [38], можно заключить, что кинетика некристаллических тел действует как своего рода селектор, сохраняя только те случайные последовательности, которые совмещаются с физико-химическими законами неравновесной динамики и информацией, и допускает существование асимптотически устойчивых и воссоздаваемых состояний [38].

Крайне важным является тот факт, что все приведенные эксперименты посвящены взаимодействию с веществом директивных, силовых физических воздействий или агентов, не находящихся в состоянии резонансного взаимодействия с исследуемой или обрабатываемой структурой. Все они являются реализацией силового, директивного воздействия на обрабатываемую среду. По мнению авторов [39], существует только два предельных и практически недостижимых для материи состояния: хаос (газ Делоне) и идеальный кристалл (правильная система Делоне). Переход из одного состояния в другое, в соответствии с их концепцией, определяется только количеством энергии, полученным веществом.

Если количество энергии, полученное веществом, способно его разрушить, то состояние вещества смещается к хаосу, в противном случае вещество тратит эту энергию на упорядочение. Проблема состоит в определении этой границы.

Переход от силового директивного воздействия на структуру к резонансным явлениям открывает, по нашему мнению, новые перспективы в области материаловедения. Поскольку электрон может быть однозначно описан волновой функцией, то в некотором приближении пространственную структуру любого объекта на уровне внешних валентных электронов можно представить как совокупность волновых структур или как некую особую волновую структуру, обладающую строгой периодичностью. Эта периодичность будет однозначно связана со структурными характеристиками решетки материала [40; 41].

Несмотря на громадное количество работ по самоорганизационным процессам в микро-и наномире, понимание физических механизмов, ответственных за самоорганизацию, пока отсутствует. Поэтому мы предполагаем в качестве одного из возможных (а их наверняка не один и не два) механизмов резонансное взаимодействие. С этой точки зрения необходимо создать условие для резонансного взаимодействия, которое обеспечит генерацию пространственных структур воздействующего агента в структуре обрабатываемого объекта путем резонансного взаимодействия.

Как предполагается в работе [42], введение электромагнитного излучения, когерентного не только во времени, но и в пространстве, с пространственным преобразованием положения ато- мов и молекул позволит обеспечить самое оптимальное управление ходом нанотехнологических процессов. Согласно общепринятой (по крайней мере, активно не оспариваемой) точке зрения, наноструктуры являются твердотельными объектами, соответственно, в них, как в упругой среде, могут возникать как объемные, так и особенно поверхностные волны, локализованные вблизи границ зерен. Однако надо признать, что вопрос о том, в каком состоянии, жидком или твердом, кристаллическом или аморфным, является совершенно бессмысленным для наночастиц, состоящих из небольшого количества атомов, молекул или ассоциатов.

Свойство поверхностных волн локализовать энергию возмущений в приповерхностном моно-молекулярном слое приводит к резонансным явлениям, сопровождающим движение вдоль поверхности источников возмущений. Причем в упругой среде резонансные эффекты проявляются тогда, когда там не было свободных поверхностей, появившихся потом, например возникновение и развитие микротрещин и трещин [43], обычно представляющих собой фрактальные структуры.

Поскольку не только общепринятых, но и более или менее осмысленных представлений относительно механизмов поглощения энергии нанораз-мерными системами не существует, то в работе [44] А.В. Карнаухов и В.О. Пономарев предложили понятие диссипативного резонанса. Это предложение коррелирует с попытками объяснить такое явление, как проблема «KТ», которая заключается в том, что энергия, приобретаемая элементами структуры в результате взаимодействия с каким-либо воздействием, в том числе и излучением (электромагнитным или каким-либо другим), во много раз (даже на несколько порядков) меньше энергии теплового хаотического движения [44].

Диссипативный резонанс заключается в возможности перехода энергии излучения в энергию механических колебаний вязкоупругой распределенной среды, содержащей акцепторы воздействующего излучения.

Взаимодействие внешнего поля с вязкоупругой средой может в итоге привести к генерации в системе структуры порядка. В таком случае индивидуальные колебания акцепторов под действием излучения складываются синфазно, что приводит к общему увеличению энергии колебательного процесса, существующего в среде до величин, пре- вышающих, и значительно, порог теплового шума (KT) [44].

Впервые А.В. Карнаухов ввел понятие диссипативного резонанса в работе [45] и обозначил, что это физическое явление представляет собой новый и очень важный класс физических явлений. С помощью диссипативного резонанса можно объяснить характер совместного воздействия слабых электромагнитных полей не только на различные физико-химические системы (в том числе и биологические), но и на их организацию (в том числе и структурную).

В общем виде диссипативный резонанс представляет собой явление нарастания какого-либо вида колебаний под действием внешних периодических сил за счет образования в системе структуры порядка.

Этот вид резонанса представляет собой частный случай более общего класса процессов самоорганизации в диссипативных структурах, отличительной чертой которого является квази-периодический характер изменения некоторых параметров системы [44]. Свои утверждения авторы работы [44] проверили методом численного моделирования на специальной модельной системе и добились определенного успеха, что позволяет согласиться со многими их утверждениями.

Резонансные процессы давно привлекают пристальное внимание ученых. Разработанная А.Н. Колмогоровым, В.И. Арнольдом и Ю. Мозером теория КАМ (названная так в их честь) занимается изучением воздействия резонансов на различные системы, в том числе и на траектории частиц. Она приводит к некоторым очень важным выводам. Поскольку частоты частиц зависят от значений динамических переменных, то в фазовом пространстве, характеризующем систему, в одних точках резонанс наступает, а в других нет. В случае хаоса резонансы порождают необычайно сложное поведение системы в фазовом пространстве [46]. Еще один важный результат теории КАМ заключается в том, что, увеличивая значения энергии, мы увеличиваем области фазового пространства, в которых преобладает случайный характер траекторий. При некоторых критических значениях энергии на месте более или менее упорядоченной системы возникает турбулентность, провоцирующая хаос [46]. Поэтому для получения упорядоченных структур нет никакой необходимости стремиться к увеличению энергии. Весьма примечательно, что уже в классической динамике резонансы приводят к появлению диффузион- ных членов, тем самым вводят неопределенность и нарушают симметрию во времени [46], что можно трактовать как появление у системы памяти. Резонансы – не локальные события, поскольку они не происходят в данной точке пространства или в данный момент времени. Резонансы влекут за собой нелокальное описание и поэтому не могут быть включены в описание на уровне индивидуальных траекторий, ассоциируемое нами с ньютоновской динамикой. Резонансы приводят к волновому диффузионному движению [46]. Однако обычное облучение любой системы ЭМ-полем с резонансной частотой не приведет к самосогла-сованию и самокоррекции структуры, т. к. поле необходимо информационно структурировать. Известны экспериментальные исследования фрактальных структур карбида кремния, которые показали, что фрактальные структуры этого материала поглощают электромагнитное излучение в 15–30 раз интенсивнее, чем монокристаллический карбид кремния [47]. Однако чисто резонансное взаимодействие приведет только к неупорядоченному поглощению энергии и, возможно, к хаотическому структурированию.

Так как большинство твердотельных структур либо обладают фрактальными свойствами, либо являются фракталами, а в общем случае мультифракталами, то не обязательно обеспечивать резонансное взаимодействие с каким-либо конкретным узлом кристаллической решетки или ее фрагментом, а достаточно обеспечить резонансное взаимодействие для локальной группы атомов.

Потом эта локальная группа преобразуется в кластер, который станет зародышем, распространяющим свою структуру на всю кристаллическую матрицу. А как было отмечено в работе [48], взаимодействие среды с интерферирующей частицей изменяет состояние среды тем сильнее, чем мощность воздействующего излучения.

В результате осуществления этих процессов среда приобретает информацию о траектории, выбранной частицей, что позволяет реализовать кристаллическую решетку в соответствии с ее базовой структурой.

Таким образом, можно сформулировать, что для достижения положительного эффекта не обязательно обеспечивать воздействие излучения на каждый конкретный атом, молеклу или узел решетки. Необходимо лишь подобрать для такого воздействия соответствующий физический агент. Естественный вопрос о том, какой физический агент можно использовать для этих целей, представляет собой отдельный класс экспериментальных исследований и теоретических измышлений.

Поскольку кристаллическая решетка в соответствии с базовыми основами квантовой механики представляет собой упорядоченную периодическую полевую структуру, которая может быть топологически выражена, то необходимо обеспечить корреляцию топологии воздействующего агента и структуры кристаллической матрицы. Они должны быть подобны, причем, в соответствии с неким масштабным коэффициентом, весь процесс взаимодействия можно представить как взаимодействие полевых структур или их волновых функций.

Как полагают Г.В. Дедков и В. Кон, на этом пути возникают громадные трудности, поскольку для расчета структур даже небольших молекул необходимо оперировать с числом параметров порядка 105, что совершенно нереально, и приходится прибегать к таким удивительным вещам, как «химическая и математическая интуиция», и вместо моделирования на основе реальных экспериментов заниматься построением «догадок и измышлений» [49; 50].

Если рассматривать локализацию атомов внутри кристалла с помощью рентгеновских методов как локализацию индивидуальных атомов, то следует признать, что пределы точности далеко превосходят те пределы, которые ставятся соотношением неопределенностей. Однако мы не имеем права рассматривать эти данные как относящиеся к отдельным атомам. Рентгеноструктурные измерения межатомных расстояний определяются тем фактом, что расстояния эти повторяются в кристалле миллионы раз.

Это совершенно подобно тому, как расстояния между соседними гребнями волн снова и снова воспроизводятся вдоль направления распространения волны.

В соответствии с этим Э. Шредингер высказал идею представить кристаллическую решетку и ее строение как некую систему-аналог де-бройлевской волны, однако такая задача представляется чрезвычайно сложной с точки зрения ее практической реализации. Вторичные пучки, выявляемые на рентгенограммах, определяются квантами импульса, которые могут быть сообщены световой волне кристаллической решеткой, если рассматривать ее как стоячую волну. Это отнюдь не новая математическая теория дифракции рентгеновских лучей, а просто иная, данная Шре- дингером интерпретация, допускаемая существующей теорией, но, возможно, далеко не всем нравящаяся [51].

Исследования выявили новые типы резонансного взаимодействия, связанные с воздействием электромагнитных колебаний, отличающиеся тем, что воздействие на систему осуществляется в одном диапазоне шкалы электромагнитных волн, а отклик системы наблюдается в другом диапазоне. Одна из разновидностей такого резонансного взаимодействия получила название электромагнитно-акустического преобразования (ЭМАП) и активно развивается современными исследователями. Обнаружены и проанализированы различные аспекты такого взаимодействия. Установлено, что на стадии отвердевания минеральных вяжущих система откликается на внешние низкочастотные возмущения, что исследователи связывают с согласованием существующих в области мезофазы колебательно-вращательных движений надмолекулярных структур [52]. Для воздействия на вяжущие использовались электромагнитные колебания весьма малой мощности (15 ВА) и частотой от 0,5 до 8,0 МГц. Под воздействием поля происходит повышение степени однородности продукта, снижение потери массы и увеличение остаточной прочности образцов, сокращение числа и объема пор независимо от массы образцов. Авторы этих исследований связывают полученные феномены с влиянием акустической волны на резонансной частоте с одной из мод собственных колебаний или с вращением структурных образований среды. Нормальные волны акустических продольных колебаний с соответствующим воздействующему электромагнитному полю набором гармоник формируются в скин-слое металлической оправки, в которой заключена обрабатываемая субстанция, под воздействием формы сигнала электромагнитного поля и токового режима воздействия антенны на реакционную массу.

Авторы работ по исследованию ЭМАП совершенно справедливо полагают, что поскольку явление влияния слабых и ультраслабых электромагнитных полей, обнаруженное ими, распространяется на различные процессы, причем в разных технологических средах (кристаллизацию металлических сплавов, твердение минеральных вяжущих, графт-сополимеризацию алкилакри-латов), то это наводит на мысль об общей единой фундаментальной базе этих феноменов. Особенно в отношении макроскопических свойств мезофазы, геометрические размеры которой значительно превышают межатомные расстояния и достигают десятков нанометров.

Надо заметить, что эти поля являются ультрасла-быми только с нашей точки зрения, в соответствии с возможностями нашей фиксирующей измерительной аппаратуры. Для обеспечения необходимого воздействия на соответствующие структуры они являются вполне достаточными и обладают возможностями адекватного воздействия.

ЭМАП в металлах представляет собой обратимый процесс. С равной эффективностью происходит как генерация упругих волн в среде электромагнитным полем, так и возбуждение электромагнитных волн ультразвуком, падающим на поверхность проводника. Эквивалентность прямого и обратного преобразований позволяет рассматривать один из этих процессов. Подавляющее большинство работ по ЭМАП выполнено в линейном режиме, когда частота возбуждаемых в металле акустических колебаний совпадает с частотой падающей электромагнитной волны. С увеличением интенсивности электромагнитной волны в процессах ЭМАП начинают проявляться нелинейные эффекты. Генерация ультразвука при этом происходит на частоте, удвоенной по отношению к частоте электромагнитной волны. Наблюдение этого эффекта возможно и в отсутствие постоянного магнитного поля.

Эпитаксиальные структуры типа сверхрешеток обладают электрическими и упругими свойствами, существенно отличающимися от характеристик составляющих их компонент. Наличие периодически модулированного объемного заряда в таких структурах позволяет реализовать новый механизм прямого преобразования электромагнитных и акустических волн в полупроводниках, заключающийся в использовании взаимодействия электрического поля электромагнитной волны с нескомпенсированным зарядом в слоях сверхрешетки [55].

Исследованием процессов резонансного взаимодействия в условиях, когда воздействие осуществляется в одном частотном диапазоне, а отклик системы наблюдается в другом, давно и плодотворно занимается школа академика Н.Д. Девяткова, работы которого продолжили академик Ю.В. Гуляев и профессора Н.И. Синицын и О.В. Бецкий Они основывались на предположении, что в области слабых (сверхслабых) внешних воздействий можно предполагать неожиданные эффекты действия, названные ими «парадоксы слабых воздействий» [56]. В основу физической концепции воздействия электромагнитных волн крайне высокочастотного диапазона (КВЧ-волн) было положено представление об их информационном, а не энергетическом воздействии [57]. К сожалению, пока мы не имеем никаких аппаратных средств для измерения информационного потенциала, а можем только опираться на представления о связи информации, энтропии и энергии. Работами исследователей этой школы было установлено, что взаимодействие электромагнитного излучения миллиметрового диапазона (ММ-волн) с различными биологическими и физическими объектами носит особый характер.

В экспериментах, связанных с исследованием особенностей взаимодействия радиоволн с объектами различной природы впервые был применен принцип многократного междиапазонного (на один-два порядка) разнесения частот падающих и принимаемых радиоволн. Большие мощности электромагнитного излучения вызывают рост диссипации энергии и смещение интервала резонансного взаимодействия в сторону меньших частот. Поэтому, если частота падающей волны вначале находилась в интервале резонансного взаимодействия, вскоре она оказывается вне этого интервала, резонансное взаимодействие с системой прекращается, и волна поглощается на поверхности объекта [58].

В принципе возможен прием диссипированного излучения и в других диапазонах-метро-вом, сантиметровом, миллиметровом и даже субмиллиметровом – все определяется глубиной зондирования, чувствительностью аппаратуры и ее помехоустойчивостью. При этом мощность первичного воздействия является крайне незначительной – от 10 мкВт/см2 и менее. Данная методика легла в основание КВЧ/СВЧ – радиоспектроскопии, нашедшей широчайшее применение в медицине, биологии и исследовании физических объектов [59–62].

Авторы этих работ обнаружили «физические» КВЧ-резонансы, представляющие собой максимальный радиоотклик объекта в ДМ-диапазоне в узких областях КВЧ-облучения. Авторы [59–62] пытаются объяснить это с позиций нелинейной динамики. Нелинейная среда в ответ на внешнее периодическое воздействие может находиться в зависимости от его интенсивности в одном из трех динамических состояний – хаотическом, колебательном или стационарном. При изменении мощности КВЧ-излучения, падающего на объект, наблюдались все три состояния.

В процессе этих исследований также было обнаружено вторичное излучение водных и биологических сред в ДМ-диапазоне при воздействии на эти среды низкоинтенсивными резонансными электромагнитными ММ-волнами. Установлено, что радиоизлучение ДМ-диапазона обладает свойством послесвечения, которое сохраняется в этих специфических средах в течение длительного времени - от минут до часов для ММ- и лазерного возбуждения и в течение месяцев при магнитном и электростатическом возбуждении. Авторы этих работ полагают, что последействие заключается в сохранении в течение некоторого релаксационного времени неравновесного состояния пространственного и временного порядка в макроструктуре молекулярных осцилляторов и что имеет место принципиально новый, энтропийный характер возбуждения [63]. С похожим эффектом, названным нами «эффектом памяти», мы столкнулись при проведении экспериментов по получению наноразмерных тонких пленок с фрактальной структурой методами ионного магнетронного распыления и термического вакуумного напыления.

Поскольку в обычном случае фронт кристаллизации вещества электрически активен, то он может расцениваться как источник даль-нодействующего электрического поля. Поэтому если присутствует неустойчивость роста, то можно ожидать осуществления генерации импульсов электромагнитного поля при движении фронта кристаллизации, связанного с соответствующими элементами структуры.

В работе [64] был обнаружен эффект возникновения в процессе кристаллизации воды электромагнитной эмиссии, имеющей импульсный характер и идентифицирующей растущую структуру. При этом авторы [65] обоснованно полагают, что обнаруженная ими собственная электромагнитная эмиссия является новым физическим инструментом исследования эволюции структуры растущего из расплава кристалла.

Значительный интерес в этом направлении вызывают изучение взаимодействия лазерного излучения с различными микро- и наноструктурами и объектами и исследование их нелинейных свойств. Значительный прогресс в этой области связан с исследованиями взаимодействия лазерного излучения со сферическими микрочастицами. Они ведут себя как микрорезонаторы, внутри которых формируется сферически симметричное распределение электромагнитного поля, предста- вимое в виде так называемой «шепчущей галереи». Сферически симметричная структура электромагнитного поля при определенных условиях может самолокализоваться в виде трехмерного солитона в однородной изотропной нелинейной среде [65].

Если диэлектрический объект, имеющий форму шара, будет подвержен воздействию внешней электромагнитной волны, то в шаре возбудится тот тип волны, для которого частота воздействующего поля является резонансной. При этом возбуждающая энергия может быть составной частью фонового или техногенного излучения.

Практически все поле такой волны будет расположено в очень узкой области вблизи поверхности шара (аналогичные явления, по всей видимости, имеют место быть при взаимодействии электромагнитной волны с плоской структурой фрактальной графики. Это и есть волна шепчущей галереи.

Важными свойствами мод шепчущей галереи являются их высокая добротность, обеспечивающая остроту резонанса моды, и малость объема, реально занимаемого полем, по сравнению с объемом всего шара [66].

Мы полагаем, что самоорганизация электромагнитного поля в нелинейной среде в виде сферически симметричной структуры – структурного резонанса, представляет собой достаточно универсальный объект, и считаем, что одним из важнейших элементов самоорганизации является наличие волновой структуры, особенно при слабых воздействиях. Поле внутри такого объекта само-локализуется и удерживается, как мы склонны полагать, за счет эффекта полного внутреннего отражения внутри наведенного микрорезонатора, а именно – радиально-градиентного распределения показателя преломления нелинейной среды. Реализация структурного резонанса в изотропной нелинейной среде возможна при отстройке частоты излучения в область с исходной, отрицательной диэлектрической проницаемостью, вблизи частоты плазменного резонанса [67]. Таким образом, в изотропной среде индуцируется сферический микрорезонатор, что говорит о самолока-лизации не только электромагнитного излучения, но и в любых слабых полях в виде сферически симметричного структурного резонанса в нелинейной среде. Эти исследования находят уже сейчас некоторое практическое применение [68].

Необходимо отметить определенную корреляцию процессов самоорганизации и с процессами образования и свойствами фрактальных структур,

Рис. 1. Фото цветка жизни в камне 1

Fig. 1. Photo of the Flower of Life in Stone 1

Рис. 2. Фото цветка жизни в камне 2

Fig. 2. Photo of the Flower of Life in Stone 2

особенно при переходе к наноразмерному состоянию. Применение фрактальных структур для инициации процессов самоорганизации представляет громадный интерес как с точки зрения исследования и понимания соответствующих механизмов, так и их взаимного практического использования. Весьма привлекательным с этой позиции представляется использование электромагнитного излучения, имеющего фрактальные свойства и структуру. Такое излучение может нужным образом влиять на, например, процессы зарождения и роста тонких наноразмерных пленок. Вопрос в том, как структуризировать в общем случае поток электромагнитного излучения. Желательно для этих целей использовать дифракционные решетки, представляющие собой фрактальный

Рис. 3. Графическая реконструкция структуры цветка жизни Fig. 3. Graphical reconstruction of the structure of the flower of life комплекс из тонких, в оптимальном случае нано-размерных, штриховых сложно организованных линий.

Как ни удивительно, но примеры таких структур известны с древнейших времен. В своей книге «Древняя тайна цветка жизни» (книга, как ни странно, многократно переиздавалась – последнее переиздание, дополненное – 2024 г.) [69] ее автор, бывший физик, а ныне называющий себя исследователем Мира и Вселенной, взявший себе псевдоним Друнвало Мелхиседек, приводит фотографию обнаруженного им рисунка, высеченного в камне в храме, посвященном Озирису в городе Абидосе. Фотографии этих структур приведены на рис. 1 и рис. 2.

Впоследствии аналогичные изображения были обнаружены в нескольких египетских (и не только египетских) храмах. Графическая реконструкция показана на рис. 3.

Для реализации подобных структур имеется достаточное количество алгоритмов, реализуемых с помощью современной электронно-вычислительной техники. Самый простой: берется окружность, и в нее вписывается крест (можно даже косой, типа андреевского), и в местах пересечения линий креста с окружностью алгоритм повторяется, по границам структуры проводится новая окружность, и все повторяется. Так обра- зуется вся структура, причем ее вариантов очень много. До конца прошлого века это было в основном умственной забавой теоретиков, пока в Фонде развития новых медицинских технологий «Айрэс»

6,1 мм

Рис. 4. Пример штриховой структуры в пленочном исполнении Fig. 4. Example of a bar structure in a film format не попытались, причем весьма успешно, использовать электромагнитное излучение, проходящее через такую структуру для воздействия на различные биологические объекты, включая человеческий организм. Проведенные в медицинских центрах и организациях исследования, вплоть до клинических, показали, что такие структуры оказывают несомненное, но не однозначное воздействие на человеческий организм. В итоге были разработаны различные типы таких структур, выпускаемые на коммерческой основе под названиями резонаторов, аппликаторов, транспарантов, структуризаторов.

Попытки применять такие структуры, представляющие собой, по сути, дифракционные решетки для большого спектра электромагнитного излучения, для воздействия на технологические процессы микро- и наноэлектроники также привели к положительным результатам, особенно для процессов нанесения наноразмерных пленок. Были разработаны на основе различных алгоритмов структуризаторы, представляющие собой тонкопленочную штриховую структуру на прозрачной для электромагнитного излучения подложке. Пример такой структуры, не самой сложной и высокоорганизованной, приведен на рис. 4. Толщина штриха для разных типов колебалась от 1,0 до 3,0– 4,0 мкм, а размеры площадки – от 5,0 мм до 5–6 см, причем из таких площадок можно было набирать

Рис. 5. Структура тонкой пленки меди, полученной с помощью структуризатора

Fig. 5. Structure of a thin copper film obtained using a structurizer более объемистые структуры. Более подробную информацию по таким структурам и медицинским и биологическим экспериментах можно найти на сайте фирмы «Айрэс» [].

Проведенные исследования по влиянию струк-туризаторов на процессы нанесения тонких на-норазмерных пленок (Ni, Fe, Co, Cu) на различные подложки (кремний, стекло, керамика, слюда, пленка тетрафторэтилена) показали, что при воздействии структуризаторов на подложке происходит процесс самоорганизации и реализуются различные фрактальные структуры [70–74].

Пример такой фрактальной структуры приведен на рис. 5. (растровый электронный микроскоп JSM -35, материал медь). Надо отметить, что без участия структуризатора (в обычном режиме нанесения) пленки получаются исключительно ровные и гладкие.

Наблюдается определенная корреляция с организующим структуризатором. Однако попытки каким-либо образом понять механизм образования подобных упорядоченных фрактальных тонкопленочных самоорганизованных структур пока не увенчались успехом. Эксперименты также показали, что в случае образования тонкопленочных структур, состоящих из упорядоченной системы из больших куполов, при вскрытии любого купола под ним фиксируется упорядоченная структура из более мелких куполов. И так далее.

Это установлено для структуризаторов, сформированных только из комбинаций окружностей. Как нам представляется, гораздо более интересно формировать структуризаторы на основе эллипсов, а не окружностей. Поскольку эллипс имеет два фокуса, то результаты, как показывают пред- варительные эксперименты, получаются еще более интересные и впечатляющие.

Заключение

Проблемы и вопросы, связанные с непосредственным изучением наномира и наноразмерного состояния вещества, занимают все большее место в практических и технологических аспектах наноэлектроники и нанотехнологии, а вопросы самоорганизации особенно. Интерес к механизмам самоорганизации и их практического использования особенно большой, но и развитие теоретических представлений занимает не последнее место. Причем, чем больше развиваются наши представ- ления о наномире, тем больше становится линия фронтира, отделяющая исследованную область от непознанной.