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.
Нанотехнология — это
междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая
дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов
исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения
продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования
отдельными атомами и молекулами.
Нанотехнология - это технология изучения
нанометровых объектов, и работы с объектами порядка нанометра (миллионная доля
миллиметра) что сравнимо с размерами отдельных молекул, и атомов.
Первое
упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, сделал
один из крупнейших физиков современности и
лауреата Нобелевской премии 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
- метод поатомной (помолекулярной) сборки. Главная идея такой сборки состоит
в изготовлении деталей из элементарных «кирпичиков» вещества — атомов или
молекул. Такой путь производства отличается от принятого в настоящее время,
когда детали получают из естественных, природных материалов путем отделения от
заготовок избыточного материала. Идеи
Фейнмана казались слушателям фантастическими, поскольку практическая реализация
предлагаемых им устройств и механизмов считалась проблемой далекого будущего
или вообще невозможной. При этом сам
Фейнман не пользовался термином «нанотехнология», поскольку это понятие было
введено в обиход позднее. В 1981 году появился туннельный микроскоп, который
позволяет не только видеть отдельные атомы, но и поднимать, перемещать их. Этот прибор впервые позволил получить изображения отдельных
атомов, а не их упорядоченных скоплений. Нобелевскую премию в области физики за
изобретение этого ценного прибора получили Герд Бинниг и Гейнрих Рорер из
исследовательской лаборатории фирмы IBM в Рюшликоне. Таким
образом, была доказана принципиальная возможность собрать любой предмет,
вещество из отдельных атомов. В 1974 году сам термин «нанотехнологии» ввёл
японский физик Норио Танигути. Долгое время термин
не получал широкого распространения среди специалистов, работавших в связанных
областях, так как Танигучи использовал понятие нано- только для обозначения точности
обработки поверхностей, например, в технологиях, позволяющих контролировать
шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т. п.
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 направления:
 |
| Ричарф Фейнман |
- изготовление электронных схем размером до нескольких атомов;
- сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов;
- создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов).
Так,
изобретение растрового туннельного микроскопа, привело к созданию целой серии
приборов, позволяющих анализировать поведение вещества на молекулярном и
атомном уровне, а еще позднее на этой основе реализовались возможности
управления поведением атомов и молекул. С другой стороны, простота и удобство
этих приборов привели к их очень быстрому распространению, так что сегодня
невозможно себе представить исследования, разработки и производство в нанотехнологии
без атомарных микроскопов, ставших стандартным оборудованием многих лабораторий.
Можно было бы привести еще несколько важных дат в истории нанотехнологии,
однако необходимо подчеркнуть, что эта история сложилась из множества
параллельно протекавших и непрерывных разработок в различных областях науки и
техники.
Приставка «нано» (от греч.nanos— «карлик») означает миллиардную (10-9) долю
чего-либо; нанометр — это миллиардная часть метра, или тысячная часть
микрометра. Нанометр сопоставим с размером молекулы. Для сравнения: тонкий
человеческий волос имеет толщину около 50000 нм.
Несмотря на то, что история
нанотехнологий насчитывает уже полвека, реальное их применение стало возможно
только в последнее десятилетие. Особенно большие успехи достигнуты в области
создания наноматериалов, которые обладают качественно новыми свойствами,
в том числе искусственно заданными функциональными и эксплуатационными
характеристиками.
Наноматериал — это
материал, содержащий микроскопические искусственно синтезированные структурные
элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают
100 нм. Благодаря этому физико-механические, тепловые, электрические,
магнитные, химические и другие свойства наноматериалов радикально отличаются от
обычных свойств макроскопических материалов. Поэтому нанопорошки, нанопленки,
нанопокрытия и другие нанопродукты по своим качествам сильно отличаются от
свойств веществ, из которых они получены.
 |
– нанопористые структуры;
– наночастицы;
– нанотрубки и нановолокна;
– нанодисперсии (коллоиды);
– наноструктурированные поверхности и пленки;
– нанокристаллы и нанокластеры.
Самым известным наноматериалом
является фуллерен — открытая в 1985 году новая кристаллическая
модификация углерода (ранее известные его
модификации — графит и алмаз). Молекула фуллерена содержит от 36 до 540
атомов углерода. Получают фуллерены из сажи от сжигания графита.
Если
в «углеродный шарик» — фуллерен С60 — вставить «поясок из 10 атомов,
получится новая, слегка удлиненная молекула — С70 . Изучение
фуллеренов привело исследователей к созданию нанотрубок, поверхность которых образуется
правильными углеродными шестиуголньниками . Эти
трубки-молекулы, длиной до миллиметра и диаметром в несколько нанометров, могут в зависимости от условий
получения быть прямыми спиральными, состоять из одного или нескольких слоев
(вложенных друг в друга трубок), иметь открытые или закрытые концы, содержать
до миллиона атомов – С1000000 .
Углеродные нанотрубки
обладают очень высокой прочностью — в 50 - 100 раз прочнее стали (при
плотности, в 6 раз меньшей, чем у стали). Нити нанотрубок не боятся высоких
температур, могут выдерживать действие вакуума и химических реагентов. Подобная нить диаметром 1 мм может выдержать груз в 20 т! Используя нанотрубки в качестве
осей и надев на них колеса – фуллерены,
удалось изготовить прообраз нанотехники — наномобиль, передвигающийся по
поверхности кристаллов.
Интересно, что при введении молекулы
фуллерена внутрь нанотрубки свойства последней кардинально меняются. В
зависимости от расположения фуллерена в нанотрубке (в центре, ближе к краю и
т. д.) система может проявлять свойства проводника,
полупроводника или диэлектрика. В
будущем это может стать основой для создания сверхминиатюрных компьютеров,
построенных на транзисторах размером в единицы нанометров и скоростью
переключения состояния 10 пикосекунд (1
пкс = 10-12с). Применение нанотрубок в будущем позволит изготовить
мониторы с размером пикселя порядка микрометра и электрические провода,
способные передавать огромные точки – 10 7 А/см 2.
Широкое применение в нанотехнологиях
нашли специальные сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), позволяющие «увидеть»
нанообъект. Работа этих микроскопов основана на измерении магнитных,
электрических и других сил, возникающих между атомами. Микроскопы СЗМ
производят измерения при помощи иглы (с острием размером в один атом), которой
«ощупывают» поверхность материала. Компьютер анализирует перемещения и строит
на экране картинку, изображающую рельеф поверхности. Таким образом можно видеть
атомы и молекулы.
Современные СЗМ умеют измерять не только
линейные размеры объектов, но также их магнитные и электрические свойства,
твердость, состав «с характеристики материалов в нанометровых объемах.
На
базе СЗМ созданы технологии манипулирования отдельными атомами. С помощью иглы
микроскопа можно опознать атом, переместить его на другое место (фигура на рис.
21 собрана из атомов). Располагая атомы на поверхности детали тем или иным
образом, можно придавать ей нужные свойства.
Предполагается,
что наиболее полно нанотехнологии будут реализованы при использовании
специальных наномашин — ассемблеров. Ассемблер
— это своеобразный сборщик атомов и молекул. Он должен
захватывать их, соединять между собой и с базовой поверхностью, а также
выполнять другие манипуляции в соответствии с заданным алгоритмом.
Внешне
такой ассемблер можно представить себе в виде паука нанометрового размера с
несколькими «руками»-манипуляторами длиной в сотню атомов. В теле этого «паука»
должны размещаться устройства, управляющие работой манипулятора и содержащие
программу всех его действий. Одними «лапами» он будет держаться за поверхность,
а другими — атом за атомом складывать сложные молекулярные структуры или
устройства из «наноблоков».
Примечательно,
что ассемблеры будут обладать способностью к размножению, т. е. смогут
копировать себя, создавая себе подобных. Управлять ассемблерами будет человек —
оператор, моделирующий на компьютере требуемую молекулярную структуру.
Нанотехнологии
– это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности
человека, которую они бы не затронули.
Перспективы
применения нанотехнологий поражают воображение.
Перечислим
некоторые из них.
Нанотехнологии
позволят:
□
заменить традиционные методы производства
изделий их наносборкой непосредственно из атомов и молекул;
□
создать молекулярных роботов-врачей,
которые будут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие
повреждения;
□
изготовлять продукты питания при помощи
ассемблеров, которые будут воспроизводить те же химические процессы, что и в
живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, получение
молока из травы, минуя корову! Такое производство, не зависящее от погодных
условий и не нуждающееся в тяжелом физическом труде, решит продовольственную
проблему;
□
осуществить фантастическую идею «космического
лифта» из нано- трубок (представьте себе канат, соединяющий землю с космическим
аппаратом, по которому скользит лифтовая кабина);
□
устранить
вредное влияние человека на окружающую среду за счет перевода промышленности и
сельского хозяйства на безотходные нанотехнологии полного разложения
существующих отходов с помощью дизассемблеров,
— наноустройств, разбирающих вещество на атомы;
□
перейти
от двумерной технологии изготовления процессоров к трехмерной технологии и
добиться размещения 1012 логических элементов в 1 см3.
Другими словами, разместить процессор Intel Pentium II
в кубе с ребром 100 нм.
Комментариев нет:
Отправить комментарий