Нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра.
Приведенные здесь в качестве эпиграфа строки взяты из фантастического произведения и пока не могут претендовать на серьезное отношение со стороны простого человека. Но для современного специалиста по нанотехнологиям, лемовские фантазии уже не утопия, а повседневная работа.
Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход — скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.
Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего века начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.
Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.
Существующие способы осаждения примесей в полупроводниках (эпитаксии) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему пределу не только в смысле размеров, но и топологически. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры — когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии.
В частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды. В то же время, сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. По видимому, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где «атомная сборка» будет осуществлена в промышленных масштабах.
Хотя сейчас в нашем распоряжении и имеются средства для манипуляций отдельными атомами, вряд ли их можно «напрямую» применять для того, чтобы собрать что-либо практически необходимое: уже хотя бы только из-за количества атомов, которые придется «монтировать».
Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.
Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. в конце концов этот экспоненциальный процесс приведет к созданию молекулярных роботов — механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером.
Перспективы
За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека
МЕДИЦИНА
Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации — первая половина XXI века.
ГЕРОНТОЛОГИЯ
Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Прогнозируемый срок реализации: третья — четвертая четверти XXI века.
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами — комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены все лишние звенья.Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло, мясо — все, что угодно)». Стоит ли говорить о том, что подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй — четвертой четвертях XXI века.
БИОЛОГИЯ
Станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.
ЭКОЛОГИЯ
Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.
ОСВОЕНИЕ КОСМОСА
По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
КИБЕРНЕТИКА
Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Прогнозируемый срок реализации: первая — вторая четверть XXI века.
РАЗУМНАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ
За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века.
Элементы информационных систем
Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.
ВВЕДЕНИЕ
Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем.
Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.
КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
При переходе к наномасштабам, на первый план выходят квантовые свойства рассматриваемых объектов. С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами квантового ограничения, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.
Специфическим проявлением квантового ограниче-ния является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновский блокады. Рассмотрим иллюстрируемый на следующем рисунке пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл.
Первоначально граница раздела между диэлектриком и металлом электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система воз-вращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Так перенос заряда в структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона.
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Одними из первых, появились элементы на резонансном туннелировании, представляющие собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которых потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом.
Туннельный транзистор, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование индивидуальных электронов контролируется ку-лоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора в его середине между двумя прослойками твердого диэлектрика. Если представить один бит как наличие или отсутствие одного электрона, то схема памяти емкостью 100 Гб разместится на кристалле, площадью всего 6 см2.
В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 10 12 Гц.
Квантовые точки
ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Полупроводниковые квантовые точки представляют собой размерами порядка нанометра, гигантские молекулы, состоящие из 103 — 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью.
Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ МОГУТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНЫ ПОСРЕДСТВОМ
- колоидальных химических средств
- управляемым затвердеванием в процессе эпитаксического роста
- флуктуаций размера в условных квантовых колодцах
- нанопроизводство
КОЛЛОИДАЛЬНЫЕ ТОЧКИ
Коллоидальные точки являются свободными, т.е. они не погребены внутри другого полупроводника. Таким образом, они свободны от натяжения. Они закрыты органическими молекулами, используемыми для предотвращения свертывания маленьких точек в процессе их роста. Размер этих молекул можно контролировать в процессе роста и их форма приближается к сферической. Коллоидальные технологии были развиты достаточно глубоко в основном для ионных систем II — IV (CdS, CdSe) и недавно для полупроводников III — V групп (InP, GaP, InAs). В связи с совершенной универсальностью размеров, можно проводить спектроскопические исследования высокого разрешения. Последние выявили новые физические эффекты, включая значительное расширение взаимодействия электронно-дырочного обмена применительно к соответствующим массивным твердым телам, передача заряда в возбужденном состоянии, необычное поведение (в отношении масс) под давлением (например, задержанные фазовые переходы), и определение до 10 возбужденных состояний электронно-дырочных переходов. Теперь стала возможной замена органической протравленную оболочку вокруг этих точек неорганическими полупроводниками — например: CdSe (ZnS) — таким образом производя структуры «ядро — оболочка». Были созданы массивы каллоидальных точек. Более того входные структуры запрещающие загрузку каллоидальных квантовых точек носителями недавно стали возможны для точек размерами 6нм.
УПРАВЛЯЕМЫЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
Управляемое затвердевание пленки материала А выращенного на субстрате созданном из материала В производит острова А, т. к. разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP. Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитоксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А.
Формы этих точек сильно разнятся. Они появляются в виде пирамид, но накрапление изменяет форму и состав. Обычно может получиться только маленькое число размеров. Спектроскопические и транспортные изменения этих точек раскрыли мультиэкситонные переходы (несколько электронов и несколько дырок распадаются вместе). Также были обнаружены эффекты Кулоновской блокады, где загрузка точки электронами вызывает Кулоновское отталкивание электронов от других электронов так электронное сложение требует повышенного входного напряжения. Вертикальное выравнивание самособирающихся точек в настоящее время обещает заманчивые перспективы для создания сетки точек и приложения устройств.
ФЛУКТУАЦИИ РАЗМЕРОВ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ
Флуктуации размеров в квантовых ямах нарушает периодичность в двух расширенных направлениях, таким образом вызывая образование точки. Управление формой и размером достаточно сложно, но качество восприимчивости такое хорошее, что можно наблюдать чрезвычайно точные спектроскопические черты. Фактически многие из недавних достижений одноточечной спектроскопии и наноядерного магнитного резонанса или нанофотолюменесценции были сфокусированы на этом типе точек.
НАНОПРОИЗВОДСТВО
Нанопроизводство квантовых точек идеально для изучения транспортных свойств таких как наблюдение перехода электронов поодиночке в точки. Это раскрывает красивую последовательность переходов перекомпановывая атомную физику в ее правиле отбора, но на энергетическом масштабе миллиэлектронвольт (вместо приблизительно 10эВ). Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.
Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях (например, «частица в ящике») на максимальном пределе нулевого измерения (т.е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Таким образом эта область интересна теоретикам квантовой физики, экспериментаторам в области электроскопии, передачи информации и, вероятно, специалистам в области оптоэлектроники. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках.
Цель: Познакомиться с основами нанотехнологий, показать их значимость в современном мире.
Задачи:
1. Адаптировать учащихся к перспективам нанотехнологий.
2. Способствовать формированию познавательного интереса учащихся, расширить и углубить их представления о влиянии размеров атомных структур на разнообразные физические свойства.
3. Способствовать желанию самостоятельно изучать научную информацию в Интернете и умению анализировать получаемую информацию о развитии нанотехнологий.
Основные понятия:
Нано – дольная приставка единиц, обозначающая 10 -9 .
Наночастица – это частица, объект, имеющий размеры 1-100 нанометра.
Нанотехнология – это технология работы с веществом на уровне отдельных атомов.
План лекции:
- Смысл приставки «нано».
- Что такое «нанотехнологии».
- Этапы развития нанотехнологий.
- «Нано» сегодня.
- Перспективы нанотехнологий.
Большинство
современных школьников знакомо с термином «нанотехнологии», но что стоит за
этим словом, не знают. В лучшем случае расшифруют приставку «нано» как дольную
единицу физики. Актуально на сегодняшний день предоставить ребятам начальные
сведения о нанотехнологиях, об их истории развития, о современных достижениях в
данной области и возможных будущих новинках.
Смысл приставки «нано»?
Нанотехнология
– часто используемое слово. Оно касается таких научных отраслей как химия,
физика, электроника, механика, а также медицина и фармакология, космическая и
военная промышленность. Данное понятие происходит от греческого слова «nanos»,
в переводе означающего «гном». Можно предположить, что данное быстро
развивающееся направление науки занимается «маленькими объектами». Вот
только выражения «малый», «мелкий» в этом случае по-прежнему являются не совсем
адекватными, поскольку за наночастицы принимаются частицы размером 1-100
нанометров, что составляет 1-100 миллиардных частей метра.
Как
представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью
денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной
шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит,
чтобы выложить цепочку вокруг экватора.Уменьшим
слона до размера микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет
величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до
нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги
казалось бы нам тогда равной… 170 километрам.
Откинем фантазию о крошечных человечках и насекомых. На самом деле нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Сложные молекулы белков, строительные блоки живого, имеют размеры в 10нм. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи В этом особом мире работают свои законы и взаимосвязи, значительно отличающиеся от тех, которые действуют в нашем мире. Мы воспринимаем окружающие нас явления с точки зрения знакомых нам законов. Например, мы можем объяснить, почему может разрушиться строение, или почему набравшее скорость тело движется по инерции еще некоторое время. Однако нас удивляет, почему капля воды, муха, или даже некоторые виды ящериц удерживаются на потолке так, как будто закон гравитации на них не действует. Удивительными являются для нас и такие обычные явления, как несмачиваемость листьев некоторых растений или плодов. Все это заставляет задуматься над тем, какие силы работают в данном случае.
Что такое «нанотехнологии»?
Исследованиям
явлений в данной области сегодня посвящено огромное внимание не только в
физике, химии, но и в других естественных науках. С учетом этого необходимо
подчеркнуть, что наш организм предлагает целый ряд примеров «нанотехнологических»
процессов, таких как дыхание или пищеварение. Возьмём, к примеру, котлету.
Представим, что мы её с удовольствием съели за обедом. Каким образом котлета
поступает в печень, почки? Расщепляется до отдельных атомов и молекул, и именно
на молекулярном уровне идёт усвоение пищи организмом. Работой на уровне
отдельных атомов и молекул как раз и занимаются нанотехнологи. Лауреат Нобелевской премии за исследования в
области квантовой электродинамики Р.П. Фейнман сказал: „Если природа
уже миллионы лет работает на уровне атомов и молекул, то почему же этого не
можем делать мы?“.
Самое интересное и самое сложное в наномире – всё, что связано
с живой природой. Существует много
примеров того, как человек только начинает открывать для себя явления и
свойства наномира, которое живая природа давно освоила.
Есть одно из
свойств природы, называемое «эффект лотоса». Оно заключается в том, что листья
этого цветка всегда остаются чистыми. При дожде капли воды не смачивают листья,
а просто скатываются с них, увлекая за собой частички грязи. Объясняется это
строением поверхности листьев. Она покрыта крошечными шишечками высотой от 5 до
10 микрон, а на шишечках находятся ещё и многочисленные нановолосики. Именно
эта структура во многом обеспечивает самоочистку листа и его водоотталкивающие
свойства. Сейчас нанотехнологи стремятся использовать «эффект лотоса» в своих
разработках самоочищающихся стёкол, красок и тканей.
Ещё одно из замечательных изобретений природы – лапки геккона. Геккон – небольшая ящерка, прославилась тем, что может свободно перемещаться по вертикальным стенам или даже потолку. И все потому, что его лапки покрыты до миллиарда тончайшими волосками особой формы. Они тесно соприкасаются с поверхностью и притягиваются к ней за счет так называемой ван-дерваальсовой силы, силы, действующей между молекулами. Нанотехнологи уже создали экспериментальные аналоги таких нанолипучек на основе углеродных нанотрубок – вполне возможно, что скоро каждый сможет попробовать себя в роли человека-паука.
Многие из давно используемых человечеством материалов
являются именно «нанообъектами». Одним из самых древних примеров таких систем
являются цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология
получения которых была известна еще в Древнем Египте. Эта технология дожила до
наших дней, войдя в основу окраски кремлевских звезд. Мало кто знает, что
рубиновое стекло в буквальном смысле является золотым, поскольку представляет
собой наночастицы золота, “растворенные” в высококачественном стекле. Широкую
гамму цветов – от фиолетового до желтого – можно наблюдать и в «Кассиевом
пурпуре», представляющий собой наночастицы золота, распределенные равномерно в
геле оловянной кислоты, и названный так по имени гамбургского стекловара
Андреаса Кассия (XVII век).В уникальном
музее художественной керамики, размещенном в небольшом итальянском городе
Фаенца, посетители могут любоваться экспонатами, украшенными цветной глазурью,
технология которой была разработана гончарами Умбрии еще в XV веке и
использовала отражающую способность ультрадисперсных металлических частиц для
придания керамике необычного блеска.
В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.
Согласно
рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие
типы наноматериалов:
– нанопористые структуры;
– наночастицы;
– нанотрубки и нановолокна;
– нанодисперсии (коллоиды);
– наноструктурированные поверхности и пленки;
– нанокристаллы и нанокластеры.
Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, часто непривычные для нас свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Создание материалов с такими замечательными свойствами стало возможно благодаря тому, что нанотехнологи работают с веществом на атомном и молекулярном уровне.
Этапы развития нанотехнологий. Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, сделал один из крупнейших физиков современности Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой лекции «Там внизу много места». Он говорил о том, что скоро люди научатся манипулировать отдельными атомами, это позволит им управлять строением веществ. В 1981 году появился туннельный микроскоп, который позволяет не только видеть отдельные атомы, но и поднимать, перемещать их. Таким образом, доказана принципиальная возможность собрать любой предмет, вещество из отдельных атомов. Сам же термин «нанотехнологии» в 1974 году ввёл японский физик Норио Танигути. В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий» и приставка «нано» стала на слуху у широкой публике. В ней автор характеризовал нанотехнологию как «путь к бессмертию и свободе», так как можно будет не только оздоравливать человеческий организм, но и улучшать его природные функции. На данный момент принято делить нанотехнологию на три напрвления: изготовление электронных схем размером до нескольких атомов; сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов; создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов)
«Нано» сегодня. Уже сегодня рынок нанопродкции огромен. 147 миллиардов долларов – стоимость товаров, выпущенных во всём мире в 2008 году с использованием новейших, только что созданных, нанотехнологий. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас.
Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях, самые дорогие из них давали эффективность лишь 34%. Нанотехнологии вплотную взялись за солнечную энергетику. Солнечные батареи нового поколения - это дешевая полимерная пленка, вместо дорогого кристаллического кремния, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотоплёнки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю энергию, используют нанотехнологии: покрытие, содержащее фуллерены. Новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.
Каждый из нас знаком с энергетикой плееров, диктофонов, фонариков, игрушек. Её основа – обычная литий-ионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы и нанопористые материалы – они заряжаются с немыслимой ещё вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Представьте, какое преимущество для электромобилей даст эта новинка!
Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Достаточно взглянуть на процессор Intelобразца 2008 года, произведённый по нормам 45нм базовых микросхем, он работает на тактовой частоте около 3ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. Однако применение нанотехнологий не ограничивается уменьшением размера транзистора – появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем.По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих «всего» около 50 миллионов транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных Интернет-устройствах – так нанотехнологии помогут нам в доступе к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам Интернета.
Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применить виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющее повязки для ожогов и серьёзных ран, содержащие такое наносеребро. В недалёком будущем начнется промышленный выпуск хитозановых повязок, которые ускорят заживление ран в разы. Планируется выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.
Московские нанотехнологи разработали
телевизор, который можно свернуть в рулон. Толщиной он всего несколько
миллиметров и представляет собой органический светодиод. На сегодняшний день
есть у него серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро
портится.
Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. Этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые токи, и получить их можно из окружающей среды, например, из тепла человеческого тела.
При разнице температур всего в 2°C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения: в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.
Перспективы нанотехнологии . По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы. Давайте немного пофантазируем, представим мир недалекого будущего. Электричеством нас будут обеспечивать солнечные батареи, встроенные в стены и крыши домов. Телевизоры, компьютеры будут компактными виде стикеров. Все окружающие нас предметы будут оснащены миниатюрными процессорами, чтобы, например, поддерживать необходимую температуру, давление, влажность, следить за составом воздуха. Микро- и нанодатчики помогут в обнаружении любых угроз, от пожара до атаки террористов. Даже одежда будет самоочищающая и умеющая контролировать эмоциональное состояние того, кто её носит. Наноматериалы ширко будут использоваться в технике и промышленности, они будут защищать от грязи, коррозии, различных повреждений. Однако самое интересное и важное – как повлияет развитие нанотехнологий на частную жизнь человека, на жизнь общества в целом. Уже ясно, что эти технологии сильно изменят мир. Но предвидеть эти изменения в деталях пока не может никто.
Что нам ждать
от нанотехнологов? Планируется создание молекулярных роботов-врачей, которые
«жили» бы внутри человеческого организма, предупреждая о болезнях, или вовсе
устраняя их. Более сложные молекулярные роботы предотвратят старение организма,
вылечат безнадежно больных. На производстве такие роботы будут собирать любые
предметы из атомов и молекул, что, безусловно, повысит качество продукции.
Сельское хозяйство полностью преобразуется, так как, например, стакан молока
можно будет получить простым нажатием кнопочки. Комплексы молекулярных роботов
тут же из атомов произведут все химические процессы, что и в живом организме, и
вы получаете стакан настоящего парного молока. Экология будет оздоровляться
роботами-санитарами, которые вторсырьё превратят в исходное.
Нанотехнологии – это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности человека, которую они бы не затронули. Мир нанотехнологий интересен и доступен не только ученым. Ищите, читайте, анализируйте информацию. Занавес в удивительный мир нанотехнологий приоткрыт! Попробуйте самостоятельно познакомиться, например, с наноартом, космическим лифтом.
Интернет-сайты
http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях №1 в России
http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»
http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал
http://www.nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров
http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях.
Что такое нанотехнологии?
Опубликовано kur в 29 июнь, 2007 - 22:51.Как не странно звучит этот вопрос в наше время, но отвечать придётся. Хотя бы для себя самого. Общаясь с учёными и специалистами, занятыми в этой отрасли, я пришёл к выводу, что вопрос до сих пор остаётся открытым.
В Википедии кто-то дал такое определение:
Нанотехнология - область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10-9 метра).
В популярной печати используется ещё более простое и доходчивое для обывателя определение:
Нанотехнологии - это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.
(Люблю краткие определения:))
Или вот определение профессора Г. Г. Еленина (МГУ, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН):
Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
Да, в общем, всё довольно понятно.. Но вот наш (специально отмечу, отечественный) дотошный скептик скажет: "А что, всякий раз, когда мы растворяем кусочек сахара в стакане чая, мы разве не манипулируем веществом на молекулярном уровне?"
И будет прав. Необходимо добавить к опередению понятия, связанные с "контролем и точностью манипулирования".
Федеральное Агентство по науке и инновациям в "Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года", дает такое определение:
"Нанотехнология - совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результатет этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов".
Ого! Мощно сказано!
Или вот Статс-секретарь Минобрнауки РФ Дмитрий Ливанов определяет нанотехнологии как:
"набор научных, технологических и производственных направлений, которые объединены в единую культуру, основанную на проведении операций с материей на уровне отдельных молекул и атомов".
Простой скептик удовлетворён, но вот скептик-специалист скажет: "А не этими ли самыми нанотехнологиями всё время занимается традиционная химия или молекулярная биология и многие другие направления науки, создавая новые вещества, в которых их свойства и структура определяются определенным образом связанными наноразмерными объектами?"
Что же делать? Мы же понимаем, что такое "нанотехнологии".. чувствуем, можно сказать.. Попробуем добавить к определению ещё пару терминов.
Бритва Оккама
Нанотехнологии: любые технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами.
Кратко и скупо? Дадим пояснения использованным в определении терминам:
"Любые": данные термин призван примирить специалистов разных научно-технологических направлений. С другой стороны, этот термин обязывает контролирующие бюджет развития нанотехнологий организации заботиться о финансировании широкого круга направлений. Включая, конечно и молекулярные биотехнологии. (Без необходимости искусственно притягивать к названию этих направлений приставку "нано-"). Считаю довольно важным термином для ситуации с нанотехнологиями в нашей стране на текущем этапе:).
"Потребительские свойства" (можно, конечно, использовать традиционный термин "Потребительская стоимость" - кому как нравится): создание объектов с использованием таких передовых методов, как контроль и манипулирование веществом на наноуровне, должно придавать какие-либо новые потребительские свойства, либо влиять на цену объектов, в противном случае оно становится бессмысленным.
Понятно также, что, например, нанотрубки, у которых один из линейных размеров лежит в области традиционной размерности, также попадают под это определение. При этом, сами создаваемые объекты могут иметь любые размеры - от "нано" до традиционных.
"Отдельные": наличие этого термина уводит определение от традиционной химии и однозначно требует наличия самого передового научного, метрологического и технологического инструментария, способного обеспечить контроль за отдельными, а при необходимости даже за конкретными нанообъектами. Именно при индивидуальном контроле мы получаем объекты, обладающие потребительской новизной. Можно возразить, что, например, многие из существующих технологий промышленного производства ультрадисперстных материалов не требуют наличия такого контроля, но это только с первого взгляда; на самом же деле сертифицированное производство ультрадисперстных материалов в обязательном порядке требует наличия контроля за размерностью отдельных частиц.
"Контроль"
, без "Манипулирования"
распостраняет определение на так наз. нанотехнологии "предыдущего поколения".
"Контроль"
совместно с "Манипулированием"
распространяет определение на перспективные нанотехнологии.
Таким образом, если мы способны найти конкретный наноразмерный объект, проконтролировать и при необходимости изменить его структуру и связи, то это - "нанотехнологии". Если же мы получаем наноразмерные объекты без возможности такого контроля (за конкретными нанообъектами), то это не нанотехнологии или, в лучшем случае, нанотехнологии "предыдущего поколения".
"Наноразмерный объект": атом, молекула, надмолекулярное образование.
В целом, определение пытается связать науку и технологии с экономикой. Т.е. отвечает достижению главных целей программы развития наноиндустрии: созданию технологий, опирающихся на передовые методы исследования и производства, а также коммерциализации полученных достижений.
В общем, пока сам бы я на этом остановился. А вы?
Http://www.nanonewsnet.ru/what-are-the-nanotechnologies
В нашей стране правительство приняло программу по развитию наноиндустрии. Слово «нанотехнологии» в одночасье стало модным, СМИ живо обсуждают перспективы страны в свете развития этой многообещающей научной отрасли. А что такое нанотехнологии и чем они могут быть полезны?
Мы хорошо знаем что сантиметр – сотая доля метра, миллиметр – тысячная, а нанометр - миллиардная часть метра. Нано - обозначает миллиардную долю чего-либо.
Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства, технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи.Нанотехнологии это возможность создавать новые материалы с заданными свойствами из мельчайших элементов – атомов, и со временем они кардинально изменят нашу жизнь к лучшему.
Нанотехнологии в медицине
От нанотехнологических разработок в медицине ждут революционных достижений в борьбе с раком, с особо опасными инфекциями, в ранней диагностике, в протезировании. По всем этим направлениям ведутся интенсивные исследования. Некоторые их результаты уже пришли в медицинскую практику. Вот лишь два ярких примера:
Убивая микробов и разрушая опухоль, лекарства обычно наносят удар и по здоровым органам и клеткам организма. Именно из-за этого некоторые тяжелейшие болезни до сих пор не удается надежно вылечить – лекарства приходится использовать в слишком малых дозах. Выход - доставлять нужное вещество прямо в пораженную клетку, не задевая остальные.
Для этого создаются нанокапуслы, чаще всего биологические частицы (например, липосомы), внутрь которых помещается нанодоза препарата. Ученые пытаются «настроить» капсулы на определенные виды клеток, которые они должны уничтожить, проникая через мембраны. Совсем недавно появились первые промышленные препараты такого типа для борьбы с некоторыми видами рака, другими заболеваниями.
Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организме. Так, человеческий мозг серьезно защищен природой от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам. Однако эта защита неидеальна. Ее легко преодолевают молекулы алкоголя, кофеина, никотина и антидепрессантов, но она блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы их ввести, приходится делать сложные операции. Сейчас испытывается новый способ доставки лекарств в мозг с помощью наночастиц. Белок, который свободно проходит «мозговой барьер», играет роль «троянского коня»: к молекулам этого белка «пристегивается» квантовая точка (нанокристалл полупроводника) и вместе с ним проникает к клеткам мозга. Пока квантовые точки лишь сигнализируют о преодолении барьера – в будущем планируется использовать их и другие наночастицы для диагностики и лечения.
Давно завершился всемирный проект расшифровки генома человека – полное определение структуры молекул ДНК, которые находятся во всех клетках нашего организма и непрерывно управляют их развитием, делением, обновлением. Однако для индивидуального назначения лекарств, для диагностики и прогноза наследственных болезней нужно расшифровать не геном вообще, а геном данного пациента. Но процесс расшифровки пока очень длителен и дорог.
Нанотехнологии предлагают интересные пути к решению этой задачи. Например, использование нанопор – когда молекула проходит через такую пору, помещенную в раствор, датчик регистрирует ее по изменению электрического сопротивления. Впрочем, очень многое можно сделать и не дожидаясь полного решения такой сложной проблемы. Уже существуют биочипы, распознающие у пациента за один анализ более двухсот «генетических синдромов», отвечающих за различные болезни.
Диагностика состояния индивидуальных живых клеток прямо в организме – еще одно поле приложения нанотехнологий. Сейчас испытываются зонды, состоящие из оптоволкна толщиной в десятки нанометров, к которому присоединен химически чувствительный наноэлемент. Зонд вводится в клетку, и по оптоволкну передает информацию о реакции чувствительного элемента. Таким путем можно исследовать в реальном времени состояние различных зон внутри клетки, получать очень важную информацию о нарушениях ее тонкой биохимии. А это – ключ к диагностике серьезных болезней на этапе, когда внешних проявлений еще нет – и когда вылечить болезнь гораздо проще.
Интересным примером является создание новых технологий секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) молекул ДНК. Из числа таких методик следует назвать, в первую очередь, секвенирование при помощи нанопор – технологию, использующую поры для подсчета частиц от субмикронного до миллиметрового размера, суспендированных в растворе электролита. При проходе молекулы через пору изменяется электрическое сопротивление в контуре датчика. И по изменению тока регистрируется каждая новая молекула. Основная цель, которую пытаются достигнуть ученые, разрабатывающие этот метод – научиться распознавать отдельные нуклеотиды в составе РНК и ДНК.
Красота и нанотехнологии
Индустрия красоты – одна из областей, в которой новейшие технологии находят применение быстрее всего. Нанотехнологии, сравнительно недавно переставшие применяться исключительно в технических устройствах, сегодня все чаще могут быть обнаружены в продуктах косметики. Установлено, что 80 процентов всех косметических веществ, нанесенных на кожу, так на ней и остаются, вне зависимости от стоимости. Это означает, что эффект от их применения сказывается, в основном, лишь на состоянии самой верхней части кожи. Поэтому успех косметической отрасли все больше зависит от развития систем доставки активных ингредиентов в глубокие слои кожи. На помощь в решении этой проблемы, давно стоящей перед косметологами, пришли нанотехнологии. Старение кожи связано с тем, что с возрастом обновление клеток замедляется. Чтобы стимулировать рост молодых клеток, от количества которых зависит упругость кожи, ее цвет и отсутствие морщинок, необходимо воздействовать на самый глубокий, ростковый слой дермы. Он отделен от поверхности кожи барьером из роговых чешуек, скрепленных между собой липидной прослойкой. Сделать это можно лишь через межклеточные промежутки, диаметр которых ничтожно мал – не более 100 нм. Но микроскопические «ворота» – не единственное препятствие. Есть и другая сложность: вещества, заполняющие эти промежутки, «не пропускают» водорастворимые соединения. Но эти вещества, называемые липидами, можно «обмануть», если использовать нанотехнологии. Одним из решений проблемы доставки биологически активных веществ, стало создание искусственных «контейнеров», липосом, которые, во-первых, обладают малыми размерами, проникая в межклеточные промежутки, а, во-вторых, распознаются липидами как «дружественные». Липосома представляет собой коллоидную систему, в которой водное ядро окружено со всех сторон замкнутым сферическим образованием. Замаскированное таким образом водорастворимое соединение беспрепятственно проходит через липидный барьер. Косметика на основе липосом борется с первыми признаками старения кожи – повышенной сухостью, морщинами. Питательные вещества благодаря системе липосомальных комплексов способны проникать достаточно глубоко. Но, к сожалению, не настолько, чтобы существенно влиять на регенеративные процессы в коже. Мицеллы – микроскопические частицы, образующиеся в растворах и состоящие из ядра и оболочки. В зависимости от того, в каком состоянии находится раствор, из чего состоит ядро и оболочка, мицеллы могут принимать различные внешние формы. Липосомы являются одной из разновидностей мицелл.
Следующим этапом развития антивозрастной косметики стало создание наносом. Эти транспортные комплексы отличаются еще меньшими размерами по сравнению с липосомами и представляют собой шарообразные структуры с «начинкой» из витаминов, микроэлементов или других полезных веществ. Благодаря малым размерам, наносомы способны проникать в глубокие слои кожи. Но при всех своих достоинствах, наносомы не способны транспортировать биоактивные комплексы, необходимые для полноценного питания клеток. Все, на что они способны - транспортировать какое-нибудь одно вещество, например, витамин. Последние разработки в области биотехнологий позволили создавать косметические средства, способные не только проникать в зону росткового слоя дермы, но и вызывать в нем именно те процессы, которые были запрограммированы в лаборатории. Косметика прицельного действия на основе нанокомплексов не только переносит питательные вещества в глубокие слои кожи – в ее арсенале, в зависимости от поставленной задачи, имеются увлажнение, очищение, удаление токсинов, разглаживание рубцов, шрамов и многое другое. Причем нанокомплексы создаются так, что высвобождение биоактивных веществ происходит именно на том участке кожи, где в них есть потребность. Главное преимущество такой косметики - целенаправленная профилактика старения. Ведь корректировать процессы, происходящие в коже, гораздо эффективнее, чем бороться с результатами этих процессов.
В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».
Учёные утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Например, крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, смогут быстро лечить те или иные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу.
Благодаря нанотехнологиям появятся «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи» и «умная пыль». Люда станут носить одежду, которая не пачкается, более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ.
Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане.
Словом, учёные-нанотехнологи действительно намерены существенно преобразить жизнь человека.
Что такое нанотехнологии
Что же такое нанотехнологии? И как именно они позволяют менять свойства вещей?
Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов - «нано» и «технологии».
«Нано» - греческое слово, означающее одну миллиардную часть чего-нибудь, например, метра. Размер одного атома немного меньше нанометра. А нанометр настолько меньше метра, насколько обыкновенная горошина меньше земною шара. Если бы рост человека был один нанометр, то толщина листа бумаги показалась бы человеку равной расстоянию от Москвы до города Тулы, а это целых 170 километров!
Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку.
А нанотехнологии - это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов.
Существует два способа получения наночастиц.
Первый, более простой, метод - «сверху вниз». Исходный материал измельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной.
Второй - получение наночастиц путём объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это более сложный способ, но именно за ним учёные видят будущее нанотехнодогий.
Первый способ получения наночастиц - измельчение материала до тех пор, пока частица не станет наноразмерной. Второй способ получения наночастиц - объединение атомов в наночастицу различными способами.
Получение наночастиц этим способом напоминает работу с конструктором. Только в качестве деталей используются атомы и молекулы, из которых учёные создают новые наноматериалы и наноустройства.
