Виды нанотехнологий - Нанотехнологии

Первые технические средства в этой области были изобретены в швейцарских лабораториях IBM. Огромную роль сыграли.

Создание сканирующего туннельного микроскопа и сканирующего атомно-силового микроскопа (Нобелевская премия 1992 года), что позволило не только рассматривать отдельные атомы в кристалле, но двигать и переставлять их нужном порядке.

Открытие новой формы существования углерода в природе-фуллеренов (Нобелевская премия 1996 года), что дало возможность создавать трехмерные структуры из атомов углерода с уникальными свойствами.

Рис. 1 Горизонтальный и вертикальный способы

На рис.1 приведены "горизонтальный" и "вертикальный" способы манипулирования и перемещения атомов по поверхности с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа.

Поатомная сборка принципиально изменяет парадигму создания изделий. Если до сих пор изделия создавались из заготовок путем удаления ненужных частей, которые шли в отходы, то нанотехнологии позволяют получать изделия из отдельных атомов без отходов и загрязнения окружающей среды (рис.2 [1]).

Рис.2. Две технологические парадигмы "сверху-вниз" и "снизу-вверх": а-в - примеры получения изделия из большой заготовки отсечением ненужного ("сверху-вниз"), обкалыванием, отпиливанием, точением; г-е - примеры конструирования изделия из отдельных атомов ("снизу-вверх") молекулярно-лучевой эпитаксией через трафарет, самосборкой за счет ускоренной поверхностной диффузии, перемещением отдельных атомов иглой сканирующего зондового МИКВ0СК0Па

Примеры результатов "поатомной" сборки приведены на рис.3 [1].

Принципиальным фундаментом нанотехнологии является физика, химия и молекулярная биология искусственных и естественных объектов, состоящих из счетного числа атомов, т. е. таких объектов, в которых уже в значительной степени проявляется сильная зависимость всех свойств от их размеров (размерные эффекты), дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения (рис.4 [1]).

Нанообъекты занимают свое место в пространственно-временной плоскости характерных параметров объектов, используемых человечеством (рис.5[1]).

Рис.4. Примеры специфического поведения вещества на субмикронном

Уровне:

1 - колебательный характер;

Рост характеристики с насыщением;

Рост харакеристики с максимумом.

1'нс. 5. Место наноструктурпропаинмх оГгьсктоп п прострпистпешш-прсмсшюй плоскости характерных параметров

Для описания объектов различных размеров используются различные методы и теории (рис.6 [1]).

Рис. 6. Фундаментальные физические основы технологий различного масштабно - временого уровня

Континуальные - непрерывные в пространстве

В настоящее время выделились следующие направления исследований и разработок в областях нанотехнологий:

1. Сверхпрочные материалы для авиационной, космической, "земной" промышленности;

Полимерные материалы с любым, наперед заданными свойствами;

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы;

Нанопористые материалы (молекулярные фильтры, адсорбенты, катализаторы, сепараторы);

Негорючие нанокомпозитные материалы на полимерной основе;

Элементы памяти компьютеров, сверхминиатюрные системы записи огромных массивов аудио и визуальной информации;

Источники электрического тока невиданной емкости (топливные элементы и аккумуляторы);

Нанороботы, передвигающиеся по венам и артериям и удаляющие нежелательные образования;

9. Нанодиагносты и нанотерапевты, определяющие характерзаболевания и впрыскивающие нужные лекарства в нужной точке;

Биосовместимые материалы для трансплантации;

Лекарственные препараты;

12. Катализаторы, действующие не хуже природных ферментов-чемпионов производительности и эффективности.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий из нитридов, боридов, карбидов различных металлов толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только монокристаллическому алмазу. Подобные покрытия увеличивают износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозийную стойкость изделий, сделанные из дешевого материала в объеме. Ресурс деталей машин и инструментов с твердофазным наноупрочнением для жизненно важных аэро космического, энергетического, тяжелой техники повышается до 500% при малых энерго - материальных затратах. Создание космических средств с улучшенными на принципиально новом уровне тактико-техническими характеристиками связано с теоретическими и экспериментальными работами в области нанотехнологий и наноматериалов. Прогноз динамики увеличения отношения прочность/масса конструкционных материалов до 2040 года выглядит следующим образом.

На 2007г	До2015г	До 2025г	До 2040
Металлические и полимерные композитные материалы	Композитные материалы из многостенных нанотрубок	Неориентированные структуры из одностениых нанотрубок	Монокристалл ические сеточные структуры из чистого углерода
Прочность /масса 10	50	100	500 и более

В 2007 году в печати отмечались следующие достижения мирового уровня в нашей стране:

-создание нанотехнологических сканирующих зондовых приборов, туннельных и атомно-силовых микроскопов; -разработка технологий нанокристалических титановых имплантантов и особостойких наноструктурных покрытий; - разработка новых методов получения наноматериалов; - синтез и компактирование ультрадисперсных порошков; - получение наноматериалов методами интенсивной пластической деформации, кристаллизация из аморфного состояния, пленочная нанотехнология; -работы в области создания интеллектуальных наноматериалов и др. В настоящее время создаются наноэлектронные устройства: нанотранзисторы, элементы логики, память большой емкости, микропроцессоры, преобразователи физических величин, датчики, самоорганизующиеся среды и т. п.

Первый нанотранзистор был создан в Нидерландах в 1998 году. Если традиционными методами удавалась создавать транзисторы размером 180 нм, то с использованием нанотехнологии - 65 и даже 18 нм.

Предполагается, что далее наноэлектроника будет развиваться в следующих направлениях:

Создание квантовых компьютеров;

Одноэлектроника (использование свойств одного электрона в двухатомной молекуле) и спинтроника (использование двух возможных значений спина электрона);

Использование углеродных трубок;

4. Молекулярная электроника с использованием фрагментов ДНК. Приближение к квантовым пределам (один электрон, один спин и т. д.)

Сулит быстродействие ~1 ТГц (-10 операций в секунду), плотность записи информации -10 ТБ/см, что на много порядков выше, чем достигнута сегодня, а энергопотребление на несколько порядков ниже.

При такой плотности записи в винчестере размером в наручные часы можно было бы разместить фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех до единого жителей Земли.

У Министерства обороны США существует хорошо финансируемая программа создания "Smart dust" - умной пыли, т. е. большого семейства микророботов размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т. д.

Нанороботы смогут очищать сосуды от микробов, зарождающихся раковых клеток, отложений холестерина (холестериновых бляшек), доставлять лекарства к соответствующим органам.

Рынок продукции нанотехнологии выглядит следующим образом: Готовые продукты, имеющиеся на рынке:

Нанодисперсные материалы;

Защитные и функциональные покрытия;

Композиты;

Керамика;

Полимерные материалы;

Катализаторы;

Наномембраны, нанофильтры;

Светодиоды;

Сенсоры, датчики; *биочипы.

Продукты, которые будут готовы к выходу на рынок через 3-5 лет: *углеродные материалы;

Сверхпроводящие наноматериалы;

Наноэлектронные устройства;

Наноматериалы оптоэлектроники ;

Средства доставки лекарственных препаратов (нанокапсулы); *лекарственные наноматериалы;

Микросистемная техника;

Медицинские диагносты;

Наноматериалы и наноустройства для военной техники. Перспективные продукты и разработки через 10-20 лет:

Наноматериалы с заданными свойствами, изменяющимися под воздействием внешней среды;

Продукция нанобиотехнологий;

Гибридные устройства и приборы бионического характера;

Нанобиосистемы и устройства;

Наноматериалы для преобразования и хранения энергии;

Устройства сверхплотной записи информации;

* наноэлектромеханика, биоактивные материалы, "умныеимплантаты".

Гибрид живой и неживой материи - вот главный переворот, который несут человечеству нанотехнологии.

В странах ЕС с 2003 по 2006 на развитие нанотехнологии было выделено 1300 млн. евро, на 2007-2013 г (7 лет) - 4865 млн. евро.

В 2007 г. Нанофорум, представляющий собой европейскую нанотехнологическую сеть, финансируемую Евросоюзом, опубликовал сообщение, в котором перечислены

- 240 центров в 28 странах, открытые внешним пользователям для работы на технологическом и аналитическом оборудовании;

Оптоэлектроника - электроника, использующая оптическое излучение

16 центров классифицируется как крупнейшие исследовательские инфраструктуры Евросоюза, они имеют крупномасштабные технологические средства, рабочий персонал для проведения научно-исследовательских работ, передачи технологии и обучения и многомиллионные (в евро) ежегодные бюджеты; 143 сети, которые поддерживают сотрудничество и информационный обмен между участниками в странах Евросоюза;

Национальные сети в Германии, Великобритании, Франции, Голландии и Польше.

В США выполняется "Национальная нанотехнологическая инициатива". Ее бюджет в 2001 г составляет 485 млн. долларов. В 2002 г. в наноисследования в США вложено 1,5 млрд. долларов, примерно четверть на военную технику. К 2015 г ставится задача создание новой отрасли на 2 млн. рабочих мест и годовым оборотом 15 млн. долларов.

В послании федеральному собранию в апреле 2007 г. президент РФ В. В. Путин объявил о выделении на нанотехнологии 130 млрд. рублей (5 млрд. долларов).

Наше государство на ближайшие годы выделило на нанотехнологии 200 млрд. рублей (8 млрд. долларов), создана государственная корпорация нанотехнологии.

В 2007 г. более 50 стран мира инвестируют в развитие и освоение нанотехнологии до 14 млрд. долларов. Мировой рынок нанопродукции быстро развивается и составил в 2007 г. порядка 2,5 млрд. евро, а к 2010 г. - возрастет до 100 млрд. евро. В 2007 г. это в основном биотехнология, катализ, наноэлектроника, оптроника, средства связи нового поколения, тонкие пленки различного назначения.

По прогнозам к 2015 г. годовой оборот мирового рынка нанотехнологии достигнет 1 трлн. д

Рис. 9. Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на олларов (или 1 трлн. евро).

Наряду с подчеркиванием важности нанотехнологической революции в XXI веке, специалисты отмечают опасность использования наноматериалов, которые, попадая в легкие, вызывают рубцевание ткани легких (гранулему легких), а затем и развитие раковых клеток. Возможно повреждение мозга.

Литература:

Ю. И.Головин. Введение в нанотехнологию. Учебное пособие. М. "Издательство Машиностроение - 1", 2003.

"Нанотехнологии в ближайшем тысячелетии". Пер. с англ. М. "Мир", 2002.

Ю. И.Головин. "Нанотехнологическая революция стартовала!" Природа, 2004, №1, с.25-36.

4. М. Рыбалкина. Нанотехнологии для всех. Большое - в малом, www. nanonewsnet. ru, http://ribalkina. narod. ru.

Виды нанотехнологий - Нанотехнологии

Похожие статьи