Что такое нано. История нанотехнологий

Карельский Государственный Педагогический Университет

Что такое нано. История нанотехнологий

Выполнила:

544 гр. (2006 г.)

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах. Так, в США действует программа “Национальная нанотехнологическая инициатива” (в 2001 г. ее бюджет был 485 млн. долл., что сопоставимо с годовым бюджетом всей Российской академии наук). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой “нано-”. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. Теперь постараемся бросить взгляд на нее как на единое целое. 

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.

Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т. е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении. 

1974 год. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии.

нанотрубки," align="left" width="768" height="516 src="/>

Методы изучения:

1982 год. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах. Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи – острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.

Появление наноструктур потребовало новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства. С момента изобретения Биннингом и Рорером первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа прошло всего 24 года, но за это время из остроумной игрушки он превратился в один из мощнейших инструментов нанотехнологии. Сейчас известны десятки различных вариантов зондовой сканирующей микроскопии (SPM - scanning probe microscopy). 

Как видно из названия, общее у этих методов - наличие зонда (чаще всего это хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по Х и Y и на единицы микрометров - по Z. Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы: 

  сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~0.01-10 В) и регистрируется туннельный ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца; 

  атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе; 

  ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности. 

Углеродные наноструктуры:

Фуллерены. Способность углерода образовывать цепочки –С–С–С– используется Природой для создания биополимеров, а человеком - синтетических полимеров и разнообразных пластмасс. В 1985 г. Х. Крото с сотрудниками обнаружили в парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Наиболее стабильными из них оказались С60 и С70. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй - регбийного мяча. Позднее их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Р. Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений. Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т. д. 

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность — скрученность решетки относительно продольной оси. При  этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с  регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов.

С62Н20

Графен. Графеном (Graphene) называется слой атомов углерода, соединенных посредствам связи sp. Графен характеризуется большой механической жесткостью, высокими значениями теплопроводности и электрической проводимости, что делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях – от наноэлектроники до покрытия фюзеляжей авиалайнеров. Но процедура отделения графеновых слоев от графита крайне сложна, поэтому один из путей практического использования их уникальных свойств состоит в том, чтобы попытаться изготовить композиты на их основе. Данная материя не является просто кусочком обычного угля, графита, или алмаза. Из-за своих малых размеров она проявляет удивительные свойства.

В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года в журнале Nature, Константин Новоселов и Андре Гейм утверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой массой покоя. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, предсказаны теорией относительности Эйнштейна и описаны уравнением Дирака. В графене удалось наблюдать когеренцию электронов при комнатной температуре, что свидетельствует о проявлении эффектов квантовой интерференции.

При сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка, а совокупность большого количества таких параллельных друг другу слоев представляет собой графит. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками.

1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул. Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью – в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов.

Области применения нанотехнологий:

  Электроника.

Собственные нанопрограммы развивают практически все ведущие разработчики электроники – IBM, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Mitsubishi, Motorola, NEC, 3M и др. Специалисты Intel совместно с учеными университета Беркли продемонстрировали одноэлектронный транзистор на базе открытых нобелевскими лауреатами Ричардом Смэлли, Робертом Карлом и Хэрольдом Крото фуллеренов (молекул углерода С60), служащих сегодня основой углеродных нанотрубок. А в ряде японских фирм уже проектируются одноэлектронные логические схемы.

В этом году стало известно о переговорах представителей компаний Intel, AMD и Apple с руководством фирмы Cooligy, выпускающей MEMS-системы водяного охлаждения процессоров. Предложенный Cooligy электрокинетический MEMS-нанос прогоняет воду по микроканалам процессора, снимая в четыре раза больше тепловой энергии (1 кВт), нежели существующие системы воздушного охлаждения.

Военное научное агентство DARPA на базе MEMS готовит микросамолет длиной 15 см и массой 50 г, способный держаться в воздухе 60 мин, подниматься на высоту 10 км и двигаться со скоростью 30 км/ч. Он оборудован видео - и инфракрасной камерами и радаром, а его бортовой микрокомпьютер обеспечивает самостоятельное движение по заданному маршруту.

Но на смену недавно появившемуся термину MEMS уже спешит новый – NEMS (наноэлектромеханика), и MEMS-производители обещают на базе нанотехнологий выпустить через год-два умные радиодатчики RFID с микроантеннами.

  Энергетика.

Ученые университета г. Тулса (шт. Оклахома) изобрели батареи размером 1 мкм, которые прекрасно подойдут для питания крохотных роботов. В научных институтах ряда стран проходят финальные стадии экспериментов по созданию углеродных электродов на основе одностенных нанорожков (особой разновидности нанотрубок) для метаноловых топливных элементов, способных обеспечивать десятки часов непрерывной работы ноутбуков и мобильных телефонов.

Наночастички разных материалов служат отличным катализатором. Так, добавленное в сырую нефть нанозолото значительно повышает качество процесса ее очистки. А присадка к топливу на основе углеродных трубок приводит к его более полной утилизации, снижая к тому же уровень вредных выбросов.

В университете Беркли запущен электрический однолопастный ротор размером 300 нм. Лопасть прикреплена к валу, сделанному из углеродной трубки.

  Медицина.

На смену проекту "Геном человека" пришел проект "Геном эпитаксиального слоя человека", фиксирующий химические процессы, способные запускать или останавливать работу различных человеческих генов. Такую работу можно выполнить только на базе современных нанодостижений. А Минздраву России с помощью нанотехнологий удалось расшифровать генетический код вируса атипичной пневмонии, полученного у единственного заболевшего ею российского гражданина.

В университете Лос-Анджелеса создан зонд, состоящий из одной молекулы длиной 20 нм и способный образовывать временные связи с отдельными участками молекулы ДНК. Структуру ДНК можно при этом фиксировать в процессе томографического сканирования образцов растворов, содержащих такие молекулярные комплексы. Институт аналитического приборостроения РАН разработал ДНК-анализатор "Нанофор 03-С", определяющий последовательности молекул и выполняющий фрагментный анализ ДНК с разрешением в один нуклеотид.

Компания Rutgers трудится над наномотором (проект Viral Protein Nano Motor) для устройства, перемещающегося по кровеносной системе человека и восстанавливающего поврежденную клеточную структуру. Сегодня все крупнейшие фармацевтические компании занимаются созданием систем клеточной доставки лекарств, подразумевающих перенос нанороботами целебных молекул прямо к вредоносным бактериям.

Помогли нанотехнологии и биологам. С их помощью австралийский геолог Филиппа Уине смогла выявить бактерии размером 100 нм (так называемые нанобы) в образцах, пролежавших в грунте сотни миллионов лет. Ранее считалось, что живая клетка не может поддерживать нормальный обмен веществ, если ее размер не превышает 200 нм. Но оказалось, что нанобы отлично живут и размножаются – правда, только в коллективе. В колонии нанобов различные группы бактерий берут на себя разные функции по поддержанию общей жизнедеятельности.

  Промышленность.

Концерн BMW разрабатывает на базе нанопорошков самоочищающиеся автомобильные поверхности, а в Audi такие порошки применяются для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам. Процессоры Intel и AMD полируются нанопорошком, что позволяет избежать загрязнения поверхности микроскопическими пылинками. Активно используются нанопорошки при изготовлении DVD-дисков.

В Калифорнийском университете создана легкая пена, содержащая наночастички стекла и превращающаяся после затвердевания в высокопрочный материал. Другая находка этих ученых, – материал, поверхность которого представляет собой множество игл длиной несколько нанометров, – будет применяться для покрытия корпусов подводных лодок. Он позволит снизить уровень трения корпуса о воду и сделает субмарины бесшумными. А еще одно достижение калифорнийцев, источник когерентного излучения на базе одного атома цезия, упростит управление будущими квантовыми компьютерами.

Ученые из российского Института общей физики РАН и Института нанотехнологий Международного фонда "Конверсия" вырастили на поверхности алюминия с хромовым покрытием с помощью установки нанолитографии "Луч-2" углеродные объекты размером 3 нм.

В Принстонском университете разработан деформируемый электропроводник, который можно растягивать в два раза (до сих пор лучшие эластичные проводящие материалы растягивались на 5–10%). Он представляет собой проводящий слой из золота толщиной 25 нм. Теперь появляется возможность создавать переносные надувные компьютерные сети и кожу для роботов, способную передавать "ощущения" и упрощающую управление периферийными системами.

Пока наиболее востребованным товаром на рынке наноматериалов остаются углеродные трубки. Компания Carbon Nanotechnologies продает их по цене 500 долл. за 1 г, а в день она изготавливает около 1 кг трубок. Небольшие объемы производства объясняются не только ограниченными мощностями. Фирмы, выпускающие товары массового спроса, не спешат использовать нанотрубки прежде всего потому, что их пока нельзя закупать в больших количествах. Но такой замкнутый круг будет разорван уже в ближайшие 2–3 года, когда объем производства углеродных трубок вырастет в сотни раз.

Особое внимание нанотехнологи уделяют кристаллографии. Дело в том, что ручная сборка одного наноустройства из атомов может потребовать нескольких лет, а до появления молекулярных роботов-сборщиков еще далеко. Поэтому немало исследований направлено на поиск технологий выращивания наноматериалов и наноустройств в виде кристаллов, которые к тому же по достижении определенного размера могут распадаться на множество копий с идентичной структурой.

Институт кристаллографии РАН представил технологию управляемого выращивания нитевидных кристаллов кремния (так называемые острийные наноструктуры), за рубежом пока отсутствующую. Радиус закругления на вершинах кристаллов составляет всего 2 нм, что позволяет использовать их в наноэлектронике как точечные источники электронов в лучевых приборах. Еще один проект ИК РАН – подготовка трековых наномембран с порами 50–5000 нм, применяемых в проектах выделения вирусов, тонкой очистки воздуха или жидкости и во множестве других задач.

А создаваемый в ИК РАН компьютерный программный комплекс BARD (базовый анализ рефлектометрических данных) позволит определять электронную структуру тонких (в том числе нано-) пленок, анализируя различные виды рассеиваемого ими излучения. Производители, зная детальную структуру нанопленок, смогут выпускать их промышленные образцы высокого качества.

Будущее рынка нанотехнологий.

Миллиардные инвестиции в нанотехнологии связаны с появлением у человечества шанса решить все ключевые проблемы современности. Генетически модифицированные растения и животные, растущие не по дням, а по часам, победят проблему голода на планете. Нанороботы смогут собирать в неограниченных количествах любые предметы первой необходимости из произвольных подручных материалов. Избавление от голода и плохих условий жизни позволит правительствам сосредоточиться на повышении культурного уровня, а среднее образование станет доступно всем детям земли. Медики с помощью генной инженерии и молекулярных автоматов, способных следить за состоянием клеток человеческого тела и при необходимости ремонтировать их, рассчитывают сказать "нет" болезням, а возможно, и смерти. Удастся остановить гибель множества природных ресурсов и восстановить утраченные виды животных и растений, создав их клоны. Прекратится загрязнение планеты – нанороботы смогут переработать любые отходы, переводя их в удобрение или энергоресурсы. Появится возможность безопасных космических путешествий, а затем Земля и вся Солнечная система будут преобразованы во благо человечества. Все это согласно весьма авторитетным прогнозам вполне реально, "нано-рай" на Земле может наступить уже в первой половине нынешнего века. Ведь массовое распространение достижений, основанных на нанотехнологиях, начнется через 10 лет.

Но, к сожалению, в довесок ко множеству прикладных выгод земная цивилизация может получить не меньшие социальные проблемы. Два десятилетия практических исследований – это крайне мало для зрелости научного направления, поэтому отношение общества к нанотехнологиям сегодня очень неоднозначно. Вполне возможно, что с помощью нанотехнологий богатые станут еще богаче и смогут жить вечно. А представители остальной части человечества, получив от элиты бесплатный кусок хлеба и набор предметов первой необходимости, так и останутся людьми второго сорта, живущими под глобальным контролем НаноБрата. Все нанотехнологические достижения патентуются, поэтому доступ к ним серьезно ограничен уже сегодня. В каком направлении свернет человечество под влиянием завораживающих нанодостижений, станет понятно достаточно быстро.

Дальнейшее развитие нанотехнологии предусматривает переход от отдельных элементов и их сборок к интегрированию сенсорной, логически-аналитической, двигательной и исполнительной функции в одном устройстве. Первый шаг в этом направлении - создание микро-нано-электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нанопроводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нанонасосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см2. Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей). 

Министерство обороны США, например, финансирует программу 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. 

Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-“доктора”, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм, и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня. 

Вот как формулирует грядущие благодаря нанотехнологиям перемены сотрудник Института глобального прогнозирования (Institute For Global Future, USA) Дж. Кэнтон: 

  наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств; 

  сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах. E-бизнес (электронно-информационный) уступит лидирующие позиции NT-бизнесу (нанотехнологическому); 

  быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях; 

  потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными и компактными, а вместе с тем и более дешевыми; 

  медицинское обслуживание будет более доступным и эффективным. Появятся новые лекарственные препараты и диагностические средства. Нанобиотехнология сделает жизнь людей более здоровой и продолжительной; 

  новые подключенные к Интернету устройства, объединяющие функции телефона, телевизора и компьютера, образуют глобальную систему связи, которая объединит всех, везде и всегда; 

  мир окружающих вещей станет “интеллектуальным” за счет встраивания чипов во все предметы быта и производства; 

  общество станет более свободным и интеллектуальным. 

В завершение приведем оптимистическое предсказание Артура Кларка: 

“2040 год: будет усовершенствован “Универсальный репликатор”, основанный на нанотехнологиях; может быть создан объект любой сложности при наличии сырья и информационной матрицы. Бриллианты и деликатесная еда могут быть сделаны в буквальном смысле слова из грязи. В результате за ненадобностью исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и недавнее изобретение человеческой цивилизации - работа. После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования”. 

Литература:

1.  http://www. /modern_physics/nano/nano2.html

2.  http://*****/technlgy/nano. htm

3.  http://www. nanoforum. org/

4.  http://www. wikipedia. org/