Эра нанотехнологии

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Человечество  во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для  этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Мною был  проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема работы заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь людей на абсолютно новый уровень.

Цель моего  теоретического исследования состоит  в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалёком будущем.

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10^-9м; атомы, молекулы). Греческое слово «нанос» примерно означает «гном». При уменьшении размера частиц до 100-10 нм и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются  повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и  неэффективностью решения задач методом «проб и ошибок».

 

 

1. История развития нанотехнологии

1905 год. Швейцарский  физик Альберт Эйнштейн опубликовал  работу, в которой доказывал, что  размер молекулы сахара составляет примерно 1 нм.

1931 год. Немецкие  физики Макс Кнолл и Эрнст  Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 год. Американский  физик Ричард Фейнман впервые  прочел лекцию на годичном  собрании Американского физического  общества, которая называлась «Полно  игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание  на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред  Чо и Джон Артур, сотрудники  научного подразделения американской  компании Bell, разработали теоретические  основы нанотехнологии при обработке  поверхностей.

1974 год. Японский физик  Норио Танигучи на международной  конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово «нанотехнологии». Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские  физики Герд Бинниг и Генрих  Рорер создали специальный микроскоп  для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский  физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология  стала известна широкой публике.  Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу «Двигатели созидания», в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.

1989 год. Дональд  Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил  название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский  физик Сеез Деккер создал транзистор  на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские  физики Джеймс Тур и Марк  Рид определили, что отдельная  молекула способна вести себя  так же, как молекулярные цепочки. 

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии – «прорывом года», а влиятельный бизнес-журнал Forbes – «новой многообещающей идеей». Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция».

В Томском государственном  университете России разработаны составы  и технология получения новых  тонкопленочных наноструктурных материалов на основе двойных оксидов циркония и германия, имеющих высокую химическую, термическую стойкость и обладающих  хорошей адгезией к различным подложкам (кремния, стекла, поликора и др.). Толщина пленок  составляет от 60 до 90 нм, размеры включений - 20-50 нм. Полученные там материалы могут быть использованы как покрытия:

• стекол (солнцезащитные – хорошо пропускает видимый свет  и отражает до 45-60% тепловое излучение, теплозащитные – отражает до 40% солнечной радиации, селективно пропускающие);
• ламп (увеличение световой отдачи на 20-30%);
• инструментов (защитно-упрочняющие – увеличение срока службы изделий).

Ведутся работы и в Харьковском национальном университете имени В.Н.Каразина. Направления исследований: поверхностные явления, фазовые превращения и структура конденсированных пленок. Исследования проводятся над пленками металлов и сплавов (1.5 - 100 нм), получаемые методом конденсации в вакууме на различных подложках путем электронной микроскопии (СЗМ), электронографии, а также методов, разработанных в группе (Гладких Н.Т., Крышталь А.П., Богатыренко С.И.).

1. Основные достижения нанотехнологии

2.1 Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)

Для того чтобы увидеть атом, существует, как считается, громоздкий и дорогой электронный микроскоп. Однако, несмотря на известную поговорку, не всегда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. В ряде случаев можно получить больше информации, если атом... ощупать, в буквальном смысле. Для этого и существует сканирующая зондовая микроскопия. Зонд – это микроскопический, чрезвычайно чувствительный щуп, который пробегает, сканирует, шероховатости поверхности атомарного размера. Более того, в ряде случаев зонд физически может двигать атомы.

В основе сканирования или «ощупывания» лежит достаточно простой принцип – атомы острия щупа «чувствуют» атомы, находящиеся на поверхности, тем сильнее, чем ближе они находятся друг к другу. Это похоже на то, как отталкиваются два сухих воздушных шарика, наэлектризованные о шерстяной свитер или волосы. В случае СЗМ возникающие силы межатомного взаимодействия чуть-чуть изменяют положение щупа и это можно обнаружить за счет чувствительных детекторов. Подобным образом мы ощущаем приближающийся наэлектризованный воздушный шарик, который еще даже не коснулся наших волос.

Первый сканирующий  зондовый микроскоп был придуман на кончике пера и затем создан в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером из Цюрихского отделения фирмы IBM. Этот микроскоп, правда, регистрировал не изменение положения острого щупа, а изменение так называемого туннельного тока, возникающего за счет «проскока» электронов, происходящего между поверхностью материала и сверхтонкой иглой, как только она приближается к поверхности на расстояние, сравнимое с межатомным. Движение иглы над поверхностью образца осуществлялось с помощью специальных «пьезодвигателей», способных создавать запрограммированные компьютером перемещения с шагом в сто миллиардные доли метра. Столь необычный и чрезвычайно эффективный способ исследования поверхности очень быстро был оценен научной общественностью и в 1986 году Бинниг и Рорер получили нобелевскую премию за разработку «сканирующего туннельного микроскопа» (СТМ). С появлением СТМ, а впоследствии «атомно-силового микроскопа» (АСМ, 1986 г.) и других модификаций сканирующих зондовых техник стало возможным сделать новый шаг в изучении окружающего нас мира. Современные методы зондовой микроскопии позволяют изучать рельеф, состав и структуру, «видеть» и перемещать единичные атомы и молекулы. За последнее десятилетие применение зондовой микроскопии позволило значительно расширить познания в различных областях физики, химии и биологии. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенона на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa.

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических  трудностей. В частности, требуется  создание условий сверхвысокого  вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур, поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Основой всех типов сканирующей  зондовой микроскопии является, как  уже отмечалось, взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью за счет механических, электрических или магнитных сил. Природа взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному члену семейства зондовых микроскопов.

2.2 Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, двумерные объекты и одномерные объекты - вискеры.

Самоорганизация наночастиц. 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. Обнадеживает то, что 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 молекулы ДНК.

Проблема образования агломератов. Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, 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, нерастворимых в воде. Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.