Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией – как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии – супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров – белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму. Но и образовывать комплексы – структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекул ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- - условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно это соединение будет выглядеть так: = = = =АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.
Наночастицы имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть, слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений – использование веществ-дисперсантов, таких, как цитрат аммония(водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.
1.2 НАНОТРУБКИ
Углеродные нанотрубки – своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Эти полимерные системы впервые обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Тем не менее, уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометрового (молекулярного) размера. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят элементы аналогичного назначения в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров. В результате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации ( порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины обретут практически неограниченную память и быстродействие, лимитируемое только временем прохождения сигнала через прибор.
Именно таким свойством обладает графен – монослой атомов углерода, который в небольшом количестве был получен в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен – слой атомов углерода, соединенных посредством spІ связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. По оценкам графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Хорошая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: угля, графита, или алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. Так как графен был получен сравнительно недавно, в 2004 году, он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.
Также следует заметить о перспективах использования в нанотехнологии плазмонов. Плазмоны – коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нанометров составляет примерно 400 нанометров, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения намного больше размеров частицы). В начале 2000 года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии – наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний. Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты( в режиме 100 ТГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями при 10 ГГц).
1.3 АССЕМБЛЕР И РЕПЛИКАТОР
Ассемблером в нанотехнологии называют машину молекулярных размеров, способную к саморепликации (самовоспроизведению, саморазмножению) и конструированию других устройств, с наперед заданной структурой. Работать ассемблеры будут с помощью нанокомпьютера, который обеспечивает работу всех систем ассемблера – работу позиционных механизмов, манипуляторов, систем подачи и преобразования энергии, систем связи, молекулярных насосов и др.
Главная задача ассемблера – составление атомов и молекул в наперед заданном порядке. Макрокомпьютер с поставленной задачей управляет ассемблером до тех пор, пока задача не будет реализована. После этого ассемблер переходит в режим ожидания. Реплицируется (размножается путем создания своей копии) ассемблер или по команде от макрокомпьютера, или в зависимости от окружения. Для выполнения некоторых задач (например, восстановление озонового слоя планеты) для устранения всех веществ, разлагающих озон, ассемблеров необходимо строго определенное количество на кубический метр, и, в зависимости от содержания вредных веществ в атмосфере, ассемблеры будут регулировать свое количество. Таким образом, эта система не будет зависеть от человека, а восстановление озонового слоя будет протекать в автоматическом режиме.
Самореплицирующаяся структура – это такая структура, которая может производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор. Если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство ограничится только микроскопическими продуктами. Поэтому для применения нанотехнологии в конструировании макроскопических продуктов необходимо наличие технологии создания и управления реплицирующимися структурами.
Фундаментом теории самореплицирующихся структур является теория фон Неймана, написанная в 1940 году. Природа использует репликаторы повсеместно – как в клеточной машинерии теории, так и при репликации живых организмов. Давно созданы компьютерные программы, способные к репликации, одни из них, в особенности «вирусные» ведут себя подобно настоящим вирусам. Поэтому нет причин полагать, что самовоспроизводящиеся структуры создать невозможно.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
- изготовление электронных схем с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
- разработка и изготовление наномашин, то есть, механизмов размеров с молекулу;
- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.
1.4 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 году до нашей эры он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил назвать механизмы, размером менее 1 микрона. Греческое слово «нанос» означает примерно «старичок».
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
2004 год. В Манчестерском университете впервые получен графен.
Нобелевские премии за результат прорывного характера в области наноматериалов, нанотехнологий и наноэлектроники:
1973год. Л. Есаки, И. Гевер, Б. Джозефсон – теоретическое предсказание и экспериментальное открытие туннельных явлений;
1985 год. К. фон Клитцинг – открытие квантового эффекта Холла;
1986 год. Э. Руска – создание первого электронного микроскопа, Г. Бинниг, Г. Рорер – создание сканирующего туннельного микроскопа;
1996 год. Р. Смолли, Р. Курл, Г. Крото – открытие фуллеренов;
1998 год. Р. Лафлин, Х. Штермер, Д. Тсуи – открытие дробного квантового эффекта Холла;
2000 год. , Г. Кремьер, Д. Килби – создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем.
ГЛАВА 2
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ
• Катализ, преобразование солнечной энергии (TiO2 )
• Сенсоры
• Нано-батареи и топливные ячейки
• Дисперсионное упрочнение/прочные материалы
• Магнитная томография (магнитные наночастицы - зонды), маркеры, мини-роботы, носители лекарств
• Магнитные жидкости
• Системы с перпендикулярной записью, электроника
• Фотоника
• Квантовые точки
• Молекулярные сита / клатраты
• Аэрогели
2.1 CВЕРХПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче ее! Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением топлива и т. п. В настоящее время научились изготавливать трубки длиной в десятки микрон при диаметре порядка одного нанометра.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
