Nanotechnologie a oblasti jejich použití. odkaz

Úvod

Řada nanoobjects je známo a aplikováno po poměrně dlouhou dobu. Mezi ně patří: koloidy, jemné prášky, tenké filmy.

1) R. Feynman - Nobelova laureát. "Pokud vidím, zásady fyziky nezakazují manipulaci s individuálními atomy" 1959.

2) 1996. R. Yang nabídl myšlenku piezotor, který nyní poskytuje přesný pohyb nanotechnologických nástrojů s počátkem 0,01 Å. Å \u003d.

3) V roce 1974, Norio Tanyiguti, nejprve použil termín "nanotechnologie"

4) V letech 1982-1985. Německý profesor Glauter navrhl koncept pevné nanostruktury.

5) V roce 1985. Tým vědců Robert Kerl, Harold Kroto, Richard Smutley otevřel fullereny a vytvořil teorii CNT, která byla experimentálně získána v roce 1991

6) V roce 1982 vytvořil biing a G. Roger první skenovací tunelovací mikroskop (STM).

7) V roce 1986 se objevil skenovací atomový mikroskop mikroskop.

8) V letech 1987-1988 byl vyslán princip jednání prvního nanotechnologického závodu, což umožnilo manipulovat s individuálními atomy. (V SSSR)

E.Drexler - vzal veškeré znalosti z nanotechnologií, určil koncept samohybných molekulárních robotů, které by měly být montáže a rozloženy, zaznamenávat informace v paměti na atomovou úroveň, uchování programů pro seberealizaci a jejich implementaci.

9) V roce 1990. S pomocí STM pevné firmy IBM byly čerpány 3 písmena. Byly nakresleny atomy XE (35 atomů) na ploché tvář niklu krystalu.

Dosud jsou prováděny technologické techniky tzv. Dumping atomy na povrchu a tvorbě různých kombinací atomů v objemu - při teplotě místnosti.

Nejdůležitějším výstupem nanotechnologií je to, co se nazývá samo-montáž atomových struktur. Úkolem moderní nanotechnologie je najít přírodní zákony, které by objevily shromáždění atomových struktur.

Koncept nanoobject, nanomateriál, nanotechnologie.

Nano - ". Tak, objekty, které mají alespoň jedno měření, měří v NM, spadají do rozsahu nanotechnologií. Skutečný rozsah předmětných předmětů je mnohem širší - na velikosti jediného atomu, ke konglomerátu (organické molekuly, které obsahují více než 10 9 atomů, které mají více než 1 μm v 1,2, nebo 3 velikosti. Je zásadně důležité, aby tyto objekty je zásadně důležité nejsou sestávat z b. atomy, které způsobují projev diskrétní atomové molekulární struktury látky nebo kvantových vzorců jeho chování.

1) Definice nanoobject. Jakýkoliv fyzický objekt s nantherovými rozměry v 1x, 2x, 3 souřadnice zadanosti (brzy a možná v čase).

2) Nano-vektory. NanoObject se nazývá jakýkoliv imterální objekt, ve kterém je počet atomů povrchu srovnatelný nebo překračuje počet atomů v objemu.

3) Definice nanoobject. NanoObject je zavazadla s rozměry v 1 nebo více souřadnicích, srovnatelných s de brogově vlnovou délkou pro elektron. (V roce 1924, fyzik de Broglie řekl, že korpuskulární vlna dualismus pro fotony je inherentní částice v přírodě). kde h je konstantní prkno, p - impuls. Electron - má největší vlnu de Broglie.

4) Definujte nano typu. Zavolejte objekty, které jsou menší než kritická velikost události v jejich měření. (Velikost nutkání s polarizačním poliem kritického jevu, délka volného kilometu elektronů, velikosti magnetické domény, velikosti rozpouštědla pevné fáze).

5) Definice nanoobject. Nano-objekt se nazývá objekt o velikosti menší než 100 nm alespoň v 1 3-prostorových rozměrech. 100NM - de brogově vlnová délka pro elektron v p / p.

Nanomateriály se nazývají jak nano-vektory (ASI slouží k výrobě zařízení a zařízení různých technických účelů, stejně jako materiály, ve kterých se nanoobjects používá k vytvoření těchto materiálů určitých vlastností nebo nanostrukturovaných materiálů. Koncept "nanotechnologií" je úzce propojen S konceptem "nanomateriálů".

Pod pojmem "technologie" pochopit tři způsobující:

1) technologický proces
2) Sada technologické dokumentace

3) Vědecká disciplína studuje vzor doprovodný zpracování a výrobní procesy.

Nanotechnologie - Jedná se o vědeckou disciplínu, která studuje vzorce při získávání zpracování a aplikace nanomateriálů.

Fyzické důvody pro specifika nanočástic a nanomateriálů.

1) V nanoobjects se počet atomů hranic povrchu nebo zrna stává srovnatelným s počtem atomů. Nachází se v objemu.

2) Atomy, které se nacházejí na povrchu, také v uzlech římsu a kroků mají malý počet dokončených odkazů. Na rozdíl od atomů v objemu pevné látky. To vede k jinému zvýšení chemické, katalytické aktivity nanoobjects a monostrukturovaných materiálů. Kromě toho dochází k migraci z atomů uhlíku podél povrchu je mnohem rychlejší, tj. Zvýšit rychlost difuzní migrace, rekrystalizace, stejně jako sorpční kapacita atd.

3) Pro nanoobjects se pevnost lineárního a povrchového napětí projeví mnohem silnější než pro nanoobjects, protože Při demontáži povrchu v objemu pevného tělesa jsou tyto síly významně oslabeny. Velikost těchto sil vede k purifikaci objemu nanoobject defektů krystalové struktury. Nano-objekt má pokročilejší krystalovou strukturu než nanobject.

Síla obrazu byla získána metodou výpočtu elektrických polí.

4) V nanoobjects je vzdáleně získána velikost rozměrových účinků v důsledku rozptylu, rekombinace a odrazu na hranicích objektů (je to o pohybu mikročástic).

V každém jevu (e-mail, tepelná vodivost, plast, defioration atd.)

Nosiče mohou být přičítány určité účinné délce volného běhu, když velikost objektu \u003e\u003e Délka volného rozsahu nosiče nosiče proces rozptylu a smrt nosičů slabě závisí na geometrii objektu . Pokud je velikost objektu srovnatelná s délkou volné dráhy nosiče, pak tyto procesy postupují intenzivněji a silně závisí na geometrii vzorku.

5) Velikost nanočástic je srovnatelná nebo menší než velikost nové fáze, domény, dislokační smyčky atd. To vede k radikálnímu poklesu magnetických vlastností, (nanočástice Fe nemá magnetické vlastnosti), dielektrické vlastnosti, pevnostní vlastnosti nanoobjects a nanomateriály ve srovnání s makro objekty.

6) Pro malý počet atomů látky je charakteristická rekonstrukce povrchu, samoreganizace a samospráva charakteristická. ty. Při kombinaci atomu do klastru, tvorba geometrických struktur, které mohou být použity k řešení technických problémů

Obrázek 1- Síla interakce mezi atomy.

7) V nanoobjects se projevují kvantové vzorce chování různých elementárních částic (elektronů). Z polohy kvantové mechaniky může být elektron reprezentován vlně popisujícími odpovídající vlnové funkce. Šíření této vlny v pevné látce je řízena účinky spojenými s takzvanými. Kvantové omezení (interference vlny, možnost tunelování přes potenciální bariéry). Pro kovové materiály jsou omezení uložená vlnovou povahou elementárních částic stále irelevantní, protože Pro ně (pro elektron) Wave de Broglya λe< 1мм, число составляет несколько атомарных размеров. А в п/п эффективная масса электрона и его скорость движения таковы, что длины волны де Бройля для электрона λe может составлять от 10 до 100 мм. Причем, размеры формируемых структур а п/п уже соизмеримы с данными величинами. Современные микропроцессоры (флэш память) || расстояние между контактами от 0.03мкм до 30мкм.

8) Vzhledem k tomu, že rozměr nanoobject se snižuje, se zvyšuje stupeň odběru vzorkování spektra elektronů. Pro kvantový bod (objekt sestávající, doslova, z několika atomů), elektrony získají spektrum povolených energií, téměř podobné samostatnému atomu.

Klasifikace nanoobjects.

Rozměr nanoobject je základem klasifikace nanoobjects.

V souladu s rozlišením rozlišování:

1) 0-D NanoObjects - ty, ve kterých všech 3 prostorové velikosti leží v sortimentu nanometrů (hrubý: Všechny 3 velikosti<100нм)

Takový objekt v makroskopickém smyslu je zermet, a proto z hlediska elektronických vlastností se tyto objekty nazývají kvantové tečky. V nich je De Brogová vlna větší než jakákoliv prostorová velikost. Kvantové tečky se používají v laserovém uspořádání, optoelektronice, fotoniky, senzorice atd.

2) 1-D nanoobjects jsou tyto objekty, které mají rozměry nanometrů ve dvou rozměrech a ve třetím - makroskopické velikosti. Mezi ně patří: nanowires, nanovlákna, jednolůžkové a multi-kamenné nanotrubice, organické makromolekuly, vč. Dvojitá spirály DNA.

3) 2-D NanoObjects - ty, které mají velikost nanometrů pouze v jedné dimenzi, a v druhé zbývající této velikosti bude makroskopický. Tyto objekty zahrnují: tenké v blízkosti povrchových vrstev homogenního materiálu: fólie, povlaky, membrány, vícevrstvé heterostruktury. Jejich kvazi-reader umožňuje změnit vlastnosti elektronového plynu, vlastnosti elektronických přechodů (P-N přechody) atd. Je to 2-D nanoobjects vám umožní přijít s podkladem pro rozvoj zásadně nové elementární základny elektroniky. Bude to nanoelektronika, nanoopic atd.

V současné době, 2-D nanoobjects nejčastěji slouží jako všechny druhy antifrazionu, antikorozní povlaky atd. Velký význam, mají také pro vytváření různých druhů membrán v molekulárních filtrech, sorbentech atd.

Klasifikace nanomateriálů.

Vzhledem k tomu, že nanomateriály byly v současné době známy na moderní nanotechnologii z různých oblastí vědy a technologie přijatelné na jedinou klasifikaci, na jakémkoli základě, jednoduše neexistuje.

Nanomateriály:

Volumetrické nanostrukturované materiály

Nanoklustery, nanočástice, nanopovci

Vícevrstvé nanofills, vícevrstvé nanostruktury, vícevrstvé nanofills.

Funkční (Smart) nanomateriály

Nanoporézní

Fullereny a jejich odvozené nanotrubice

Biologické a bioslementy

Nanostrukturované kapaliny: koloidy, gely, suspenze, polymerní kompozity

Nanokompozity.

Nanočástice, nanopowders.

První nanočástice byly vytvořeny osobou neúmyslně, náhodou, v různých technologických procesech. V současné době začali navrhovat a vyrábět konkrétně, což položil základ pro nanotechnologii. Vývoj nanotechnologie vedl k základní revizi některých základních principů:

Způsob " vzhůru nohama" - Celkový paradigma nanotechnologie (od obrobku je odříznut příliš mnoho)

Nanotechnologie nabízejí cestu dolů nahoru" - Od malých až velkých (z atomu k objektu). Toto je paradigma nanotechnologií.

V podstatě, v současné době, v nanotechnologii, technologické techniky, které k nám přišly z makotechnologií, dominují. Vytvořit nanočástice, které patří do třídy 0-D objektů. Moderní nanotechnologie Použít metodu disperze, tj Broušení. Aby bylo možné grinit (dispergováno) jakýkoliv makroskopický objekt na nanoskop, normální disperze není vhodný. Čím menší je velikost částic, tím vyšší je aktivita jejich povrchu, v důsledku toho jsou jednotlivé částice kombinovány do hromadných konglomerátů. Proto pro ultra tenké disperze vyžaduje použití určitého typu média ve formě povrchově aktivních látek, které snižují síly povrchového napětí, stejně jako stabilizátory. SOAP-made kompozice, které brání výztuži. Za určitých podmínek. Když je povrchová energie silně snížena na okraji pevného tělesa, proces dispergačního procesu může nastat spontánně, kvůli. Například tepelný pohyb částic. Tyto metody zahrnují prášky částic desítek nm. Oxidy těchto kovů s velikostí částic v 1 nm. A také vyrábět dispergační polymery, složky keramiky atd.

Metody broušení: kulový mlýn, vibrační pěstitel, atraktory, inkoustové mlýny.

1)

2) Kromě dispergování je proces široce používán, který je kombinován z bimnerských paradigmatu. Tento proces spočívá v odpaření pevné látky, následované kondenzací v různých podmínkách. Například parní kondenzace látky zahřívanou na 5000-10000 ° C v chlazeném inertním plynovém médiu s rychlým odstraněním výsledného prášku z kondenzační zóny. Je tedy možné získat prášky s velikostí částic 3-5 nm.

1 - Zdroj odpařené látky

2- čerpání

3 - prášek

4 - Scraper.

5 - Kondenzační buben


3) Třetí metoda se týká také tradiční disperze a nazývá se postřik roztavené látky v toku chlazeného plynu nebo kapaliny.

N2, AR2 může sloužit jako proud jako kapalina a alkohol, voda, aceton jako kapalina. Tímto způsobem je možné získat částice s rozměry asi 100 nm.

Všechny popsané procesy jsou velmi produktivní, ale zpravidla neposkytují ultraladensurzure prášku, stabilitu velikosti částic a neposkytuje čistotu procesu. Nejedná se o jediné známé způsoby tvorby nanočástic. K 0-D nanoobjects, kromě ultrafinních prášků, také fullereny, uhlík 0-d nanoobjects.

Kapitola 1- D. nanoobjects.

Každý z pojmenovaných nanoobjects najde svou aplikaci v různých průmyslových odvětvích. Například Nanowires nabízí použití jako vodiče v submikronech a nanoelektronických uzlů. Nanofires se používají jako prvek nanostrukturovaného nanokompozice p / p. Organické makromolekuly také najít aplikaci při vytváření nanostrukturovaných materiálů.

V medicíně v chemickém průmyslu.

Pro elektroniku, takové 1-D nanoobjects, jako jsou nanotrubice byly velmi významné. A velké, všechny nanotrubice jsou rozděleny. Je to 2 velká třída:

1) Uhlíkové nanotrubice (CNT).

2) Ne drahé nanotubes.

Kromě toho se všechny nanotrubičky liší v počtu vrstev: jednovrstvé, dvouvrstvé, vícevrstvé.

Non-harmonické nanotubes

Všechny non-cnts jsou rozděleny do dvou systémů:

1) Přechodné nanostruktury, jejichž uhlík je zahrnut

2) Dichalkogenid nanotrubičky. V současné době, MOS 2, WS 2, WSE 2, MOTE 2, atd. Jsou známy z dichalkogenidových trubek. Takové nanotrubice jsou velmi tenké, ideálně monoatomické vrstvy, materiály válcované do role.

Některé vrstvené materiály, na základě asymetrie chemických vazeb, jsou docela volně zhrouceny do takových válců, a jediným problémem ve tvorbě takových struktur je získat volný jeden, který není vázán na atomovou velikost látku . Jiné materiály nejsou náchylné k spontánní skládání, a proto jsou v současné době vyvíjeny technologické metody, což násilně umožňují nanotubes. Existují 3 varianty těchto procesů:

1) Heteroepitaxiální rozšíření tenkých vrstev materiálu, ze kterého chceme tvořit nanotube, na základě již existujících nanotrubiček. Příklad GAN → ZNO

Hlavní nevýhodou této metody je, že je obtížné zvolit několik materiálů pro heteroepitaxiální prodloužení

2) Jediné nanotrubice získané sekvenčním poklesem elektronického paprsku původní nanowire. Příklad: zlato a platinové nanotrubice. D PT nanotubes - 0,48 nm.

3) Na základě kultivace tenkého, intenzivní heteroepitaxiální struktury, tloušťky několika monovrstev, na plochém substrátu, následované uvolňováním této heterostruktury z komunikace s substrátem a skládáním do trubky, svitek. 1 ml - jeden monovrstva.

Proces skládání je způsoben působením interatomických sil v napjatém heteroplenu.

Zapnuto ve způsobu heteroepiticia se pěstuje bohatství v souladu s ním, pak se zvyšuje voda asin na tuto strukturu, vrstva Asin. Má parametry krystalové mřížky jsou velké než bohatství, a proto, když se tato vrstva zvyšuje, je stlačena. Pak se na této vrstvě opět zvyšuje vrstva GAA. Na rozdíl od ASIN však tato vrstva má menší parametr krystalové mřížky (menší velikost elementární buňky) a naopak, táhne se. Výsledkem je, že když začneme etch ESAL vrstva, uvolněná struktura inas C Asga se začne proměnit v trubici na úkor sil, které inas se rozšiřuje, a vrstva GAA je utažena.

Výhody metody:

1) Průměr trubek je široce pestrý a může být snadno nastaven jako sada odpovídajících materiálů pro heterostrukturu.

2) Metoda umožňuje použití téměř všech materiálů (P / P, Me, dielektrices) a všechny je otočte do nanotrubičky.

3) Dobrá kvalita a relativně velká délka trubek s homogenní tloušťkou stěny.

4) Metoda je dobře spojena s technologií IC Integral Microchip.

5) Fyzikální vlastnosti takových nanotrubek jsou určeny materiály počáteční heterostruktury.

2- D. Nano-zařízení (tenké filmy)

V technice. Jako povlaky. Vytvoření tenkovrstvých povlaků může významně změnit vlastnosti zdrojového materiálu bez ovlivnění objemu a bez zvýšení geometrických rozměrů. Tloušťka ne více než 1 μm. Nejčastější cíle povlaku:

1) Zvýšená odolnost proti opotřebení, termo- a korozní stabilitu materiálů různých částí.

2) Tvorba rovinné, jednovrstvé. Vícevrstvé a heterostruktury pro mikrónové prvky, nanoelektronika, optoelektronika, smyslová atd.

3) Změna optických vlastností povrchu (brýle-chameleons)

4) Vytvořit magnetické prostředí v záznamech a skladovacích prvcích.

5) Vytváření optických nástrojů pro záznam a ukládání informací. CD, DVD disky.

6) Vytváření absorbérů, separátory plynových směsí, katalyzátorů, chemicky modifikovaných membrán atd. Existují dva zásadně odlišný přístup ke zlepšení servisních charakteristik povrchu (tj. Pro vytváření filmů na nich):

1) Úprava blízkých povrchových vrstev různých typů léčby (chemické, tepelné, mechanické, záření nebo jejich kombinace).

2) Použití dalších vrstev mimozemských atomů.

Všechny metody nátěru lze kombinovat do dvou skupin:

1) Fyzické srážky z parní fáze. PVD.

2) Chemické srážky z parní fáze. CVD.

V obou případech se proces provádí ve vakuové komoře, ve kterém je někdy vytvořen malý tlak technologického plynu (relativně chemicky neutrální plyny - AR, N2, ethylen)

V (PVD), fyzikální metody srážení z parní fáze se používají především dvěma způsoby, jak dodat nový materiál na substrát.

1) Postřik v důsledku tepelného ohřevu (topení může být provedeno různými způsoby: odporový, elektronový nosník, indukce, laser, atd.

2) Stříkání v důsledku kinetické energie EK zrychlených iontů neutrálních plynů, například iontů AR. Pozitivní ion AR bombarduje katodou, na katodovém cíli postřikovaného materiálu a tak dále Tam je fyzikální postřik tohoto materiálu.

Rozdíl - pouze v metodách materiálu

Fyzikální metody depozice z fáze páry jsou aplikovány nejrůznější povlaky, protože Tyto metody mají širokou škálu výhod:

1) Široká škála materiálů. Které lze aplikovat tímto způsobem (mě. Slitiny, polymery, některé chemické sloučeniny)

2) Možnost získání vysoce kvalitních povlaků ve velmi širokém rozsahu teplot substrátu.

3) Vysoká čistota tohoto procesu, která poskytuje dobrou kvalitu spojky.

4) Nedostatek významné změny velikosti detailů.

Ve způsobech chemických srážek z parní fáze, pevné výrobky (fólie) na substrátu rostou v důsledku chemické reakce s účastí atomů pracovní atmosféry kamery. Plazma jakéhokoliv elektrického výboje se používá jako zdroje energie pro proudění takové reakce, někdy laserové záření. Tento typ technologických procesů je rozmanitější než předchozí. Používá se nejen vytvořit nátěry, ale pro výrobu nanočástek, které se pak odstraní z povrchu substrátu.

Tímto způsobem můžete získat chemické sloučeniny s uhlíkovými karbidy, s n-nitridy, oxidy atd.

Výhody chemické depozice z parní fáze je:

1) Flexibilita a velká odrůda, která umožňuje vysrážení povlaku na substrátech různých povahy a tvaru (na vláknech, prášcích atd.)

2) Relativní jednoduchost potřebných technologických zařízení. Snadná automatizace.

3) Velký výběr chemických reakcí a látek vhodných pro použití

4) Nastavitelnost a ovladatelnost povlakové struktury, jeho tloušťka a velikost zrna.

5) Zrna - prvky polykrystalické struktury, ty krystaly tvořících polykrystals.

Epitaxiální procesy hrají významnou roli při výrobě tenkovrstvých struktur. Epitaxie je technologický proces orientovaného prodloužení vrstvy materiálu na povrchu stejného nebo jiného materiálu, tj. Substráty, které provádějí funkci vytváření orientace. Pokud se materiály substrátu a filmů shodují, proces se nazývá autoepearity, pokud jsou materiály substrátu a fólii jiné, pak je to heteroepitaxie. Všechny epitaxiální procesy jsou rozděleny do dvou tříd:

1) Procesy se středním nosičem (kapalná fáze a plynová fáze epitaxie).

2) Bez média nosiče (vakuová epitaxie). Molekulární paprsek nebo molekulární ray epitaxie.

Tekutá fáze epitaxie. Nevýhody nevýhod.

Epitaxie z kapalné fáze se používá hlavně pro získání vícevrstvých polovodičových sloučenin, jako je GAAS, CDSNP2; Je to také hlavní způsob získání jediného krystalického křemíku. Způsob se provádí v atmosféře dusíku a vodíku (pro obnovení oxidových filmů na povrchu substrátů a taveniny) nebo ve vakuu (předem obnovené oxidové fólie). Tavenina se aplikuje na povrch substrátu, částečně rozpouštět se a odstraní kontaminaci a vady.

Plynová fáze epitaxie. Nevýhody nevýhod.

Epitaxie plynové fáze - získání epitaxiálních vrstev polovodičů u depozice z fáze paro-plynu. Nejčastěji se používá v Silicon, Německo a arzenidové polovodičové polovodičové zařízení a arzenidové polovodičové polovodičové zařízení. Způsob se provádí při atmosférickém nebo sníženém tlaku ve speciálních vertikálních nebo horizontálních reaktorech. Reakce pokračuje na povrchu substrátů (polovodičové desky) zahřáté na 750 - 1200 ° C

Molekulární paprsek (paprsek) epitaxie. Nevýhody nevýhod.

Molekulární paprsek Epitaxie (MPE) nebo molekulární-ray epitaxie (mě) - epitaxní růst v podmínkách super vysoké vakua. Umožňuje pěstovat heterostrukturu dané tloušťky s hladkými heterbursty monoatomino a se specifikovaným dopingovým profilem. Pro proces epitaxie jsou potřebné speciální dobře purifikované substráty s atomovým a hladkým povrchem.

Orientované rozšíření. Křišťálové těleso je vidět s nahým okem - plochý, pevný povrch.

V mikroskopu: atomové a chemické vazby

Jakýkoliv atom umístěný přímo na povrchu má roztrhané, neúplné chemické vazby. A toto spojení je minimálně EP.

Orientace účinku atomů substrátu na místě volného atomu, když je uložen na povrchu.

Uhlíkové nanomateriály

Americký architekt Fuller představil nový designový prvek v architektuře.

V roce 1985. Bylo zjištěno, že uhlíkové částice spojené do podobného provedení. Tyto látky byly pojmenovány fullereny. Fulleren C-60 (60 atomů C), Fulleren C-70 (70 atomů c) je možné fullerene C-1000000.

Atomy uhlíku mohou tvořit vysoce integrovanou molekulu C-60, sestávající ze 60 atomů a umístěných v průměru 1 nm. Současně, v souladu s větou Euler Leonard, atomy uhlíku tvoří 12 správných pentagonů a 20 pravidelných šestiúhelníků.

C-60 molekuly, zase mohou tvořit krystal, který se nazývá fullerite s ohraničenou krychlovou mřížkou (HCC) a dostatečně slabými intermolekulárními vazbami. Vzhledem k tomu, že fullereny jsou mnohem větší atomy, mřížka je získána nespecifikovaná, tj. Má dutiny v objemu oktohedrálu a tetrahedrální v dutinách, ve kterých mohou být cizí atomy. Pokud vyplníte oktohedrální dutiny alkalické ionty (K, Rb, CS), pak při teplotách pod místností, fulleren se změní na zásadně nový polymerní materiál, který je velmi výhodný pro tvorbu polymerního sochoru v blízkém prostoru (pro Příklad bubliny). Pokud vyplníte tetraedrální dutiny jinými ionty, nový supravodivý materiál je vytvořen s kritickým t \u003d 40 ÷ 20 K. Vzhledem ke schopnosti adsorpce různých látek slouží fullerites jako základ pro vytváření nových jedinečných materiálů. Příklad C60 C 2H4 má výkonné feromagnetické vlastnosti. V současné době, více a použití více než 10 000 druhů. Z uhlíku můžete získat molekuly s gigantickým množstvím atomů. Například od 100 000 000. To nejčastěji, CNT single nebo multi-dimenzované (prodloužené nanotubes). Současně je průměr takového nanotrubice ≈1 nm a délka je jednotky, desítky mm - maximální délka. Konce takové trubice jsou uzavřeny 6 správnými pentagony. V současné době je to nejodolnější materiál. Grafen je pravý šestiúhelník, má plochou strukturu, ale možná vlnitý v případě, že grafenový list není vytvořen ze střídání pravých šestiúhelníků, ale z kombinace 5-7 čtverců.

Syntéza uhlíkových nanomateriálů.

První fullereny byly izolovány od kondenzovaných grafitových párů získaných laserovým odpařováním vzorků s pevným grafitem. V roce 1990. Řada vědců (Krecher, Hofman) vyvinul způsob výroby fullerenů ve výši několika gramů. Způsob byl kombinován s grafitovými tyčemi - elektrodami v elektrickém oblouku v atmosféře při nízkých tlacích. Výběr optimálních parametrů procesu umožnil optimalizovat výtěžek vhodných fullerenů, které z počáteční hmotnosti tyče - 3-5% hmotnosti anody, který zčásti vysvětluje vysoké náklady na fullerene . To se zajímá o Japonce. Mitsubishi se podařilo vytvořit průmyslovou výrobu vhodných fullerenů metodou spalování uhlovodíků. Ale takové fullereny nejsou čisté, obsahují ve složce O 2. Proto jediný čistý způsob, jak vyrábět - hořící v atmosféře on.

Relativně rychlý nárůst celkového počtu instalací pro výrobu fullerenes a jejich čištění vedlo k výraznému snížení cen pro ně (prvních 1 gramů - 10 000 dolarů, a nyní - 10 ÷ 15 $). Vysoké náklady na Fullerene (stejně jako jiný uhlík N / m) vysvětluje nejen nízkotlaký výstup, ale také komplexní čisticí systém. Standardní čisticí schéma: Při hoření je vytvořeno něco jako saze. Je smíchán s rozpouštědlem (toluen), pak se tato směs zfiltruje, poté se oddestiluje odstředivka, takže největší se oddestiluje od zbývajících malých inkluzí. Pak se odpaří. Zbývající tmavá sraženina je jemná směs různých fullerenů. Tato směs by měla být rozdělena podle jednotlivých složek. To se vyrábí pomocí kapalinové chromatografie, vysoce přidávací elektronovou mikroskopií a pomocí mikroskopie skenovací sondy.

Zpočátku, CNT byl také získán způsobem elektrického oblouku nebo laserového odpařování grafitu, následovaný kondenzací v inertním plynovém médiu. Tato metoda byla daleko od nejlepších. Proto je v tuto chvíli nejpraktičtější metodou chemickou depozici páry. K tomu se provádí sloučenina obsahující uhlíku, například acetylen, je rozložen na povrchu velmi silně vyhřívaného katalyzátoru. A na povrchu tohoto katalyzátoru, CNTS jsou zahájeny hustým paprskem. Tato reakce se nazývá katalytická pyrolýza plynných uhlovodíků. Nejčastěji se realizuje v rotujících trubkových pecích. Jako katalyzátory, Fe, CO, NI, jejichž částice jsou nasycené kousky zeolitu. Zeolit \u200b\u200bje přírodní minerál. Na rozdíl od elektrického oblouku, laseru a jiných typů vysokoteplotní syntézy, katalytická pyrolýza umožňuje výrobu uhlíkových nanostruktur v průmyslovém a ne laboratorním měřítku, a ačkoli jsou méně čisté a méně homogenní ve složení, mohou být použity. Grafen - grafitová částice. C Graflé vločky jsou umístěny na substrátu oxidovaného SI, který umožňuje prozkoumat grafen jako nezávislý materiál, tj. Pro elektrofyzikální měření. Příklad, chemický způsob získání grafenu: krystalický grafit je vystaven HC1 a H2SO4, což vede k oxidaci na okrajích, v těchto listech grafenu. Karboxylová skupina grafenu se převede na chloridy zpracováním thionylchloridu. Potom pod působením oktadecylaminu, v tetrahydrofuranových roztocích, tetrachlormethanu a dichloretanu, transformace do grafenu vrstev o tloušťce 0,54 nm.

Způsob získání grafenu na substráty karbidu křemíku, zatímco grafen je tvořen tepelným rozkladem karbidu křemíku na povrchu substrátu. Studie ukázaly, že vrstva grafitu, který je přidělen v tomto případě, má tloušťku větší než jednu atomovou vrstvu, ale proto Při rozhraní mezi karbidem SIC SiConon se vytvoří noncompenzovaný náboj, protože do vodivosti je zapojena pouze jedna atomová vrstva grafitu, tj. Tato vrstva je v podstatě grafen.

Použití uhlíkových nanomateriálů

1) Fullereny se používají k úpravě optických prostředí.

2) Pro výrobu zásadně nových kompozitních materiálů, a to jak s nečistot nanotrubiček, tak s fullereny

3) Pro superhard nátěry. Povrch nástrojů, rozmrazujících předmětů atd. Dosáhněte vlastností tvrdosti diamantu.

4) Pro lubrikanty a přísady.

5) Pro kontejnery, tzv. vodíkové palivo, které budou i nadále použity jako chemické zdroje energie

6) Pro výrobu nanosenzorů, registrace fyzikálních a chemických typů expozice. Citlivost - 1 molekula mimozemské látky.

7) Sonda, pro skenování mikroskopie.

8) Pro výrobu atomových manipulátorů

9) Pro výrobu nanomechanických informačních úložných zařízení.

10) Pro výrobu nanowelrificers, nanorzistorů, nanotransistorů, nanoofetických prvků.

11) Pro výrobu ochranných obrazovek z E / M radiace a vysokých teplot. Technologie "Stealth".

12) Můžete udělat nanocontainers pro drogy.

13) Pro výrobu velkých rovnoběžných rovinných displejů s vysokým rozlišením a jasem.

Princip provozování mikroskopu skenovacího tunelu (STM)

Pokud sdružujete dva samostatné atomy v dostatečné vzdálenosti, je možné vyměňovat elektrony mezi těmito atomy bez dodatečných akvizic těmito elektrony. Proto, pokud vezmete dvě těla, přiveďte ji blíže k dostatečné vzdálenosti, pak mezi těmito tělesem proudí elektrický proud tunelu, protože Proces přechodu elektronů potenciální bariérou bez získání energie se nazývá tunelování. Chcete-li relevantovat, je nutné provést dvě podmínky:

1) Jeden z těl by měl mít volné elektrony a jiné prázdné elektronické úrovně, pro které by tyto elektrony mohli jít.

2) Mezi těly je nutné připojit potenciální rozdíl a jeho hodnota je menší, než když je vzduchová mezera vzorek.

V STM Jeden z těchto těl je sondou.

S konvergencí sondy a povrchem objektu do vzdálenosti, přibližně 0,5 nm (když vlnová funkce atomů nejblíže k sobě začaly překrývat) a když je mezi sondou použitelný rozdíl 1 ÷ 1 A objekt začíná tzv. Takzvaný. Tunelový proud.

Průměr nosníku tohoto tunelu je ≈0,4 nm, který poskytuje vysoké rozlišení mikroskopu v rovině objektu. Proud tunelu bude 3 zapnutý. Je důležité poznamenat, že při změně vzdálenosti l o 0,1 nm se tunelový proud mění 10krát. To je přesně to, co poskytuje vysoký umožňující schopnost mikroskopu ve výšce objektu. Ve skutečnosti, v procesu měření, sondy, pohybující se nad povrchem objektu šetří konstantní výšku.


Upevnění polohy sondy, jeho souřadnice v systému XYZ umožňuje sledovat profil povrchu a převést odpovídající obraz na obrazovce monitoru.

Protože Vzdálenost mezi sondou a postudem povrchu během procesu měření není větší než 0,3 ÷ 1 nm, pak lze argumentovat, že proces měření se ve skutečnosti mění ve vakuu. Ve vzduchu - 20 nm. Prostředí ovlivňuje molekuly adsorbované na povrchu.

Technické příležitosti skenování mikroskopu tunelu (STM)

Hlavní technické vlastnosti jsou:

1) Povolení k normálu k povrchu objektu

2) Rozlišení v letadle XY, tj V povrchové rovině objektu

Vysoké rozlišení STM na normální k povrchu předmětu přibližně 0,01 nm. Určeno strmou exponenciální závislostí tunelového proudu ze vzdálenosti mezi objektu a sondou. V rovině XY je vysoké rozlišení poskytováno průměru paprsku elektronu tunelového proudu, který závisí na stupni ostření jehly sondy. S více průchodem sondy v přírůstcích0.02 nm může rozlišení v rovině XY dosáhnout 0,03 nm. Skutečný svolení STM závisí na souboru faktorů, z nichž hlavní jsou: vnější vibrace, akustické zvuky, kvalita sond. Kromě rozlišení mikroskopu je nejdůležitější charakteristika takzvaná. užitečný nárůst

kde DG \u003d 200 μm (rozlišení očí), DM je maximální rozlišení mikroskopu. DM \u003d 0,03 nm (pro STM). Tak čas. Pro srovnání: Nejlepší optické mikroskopy jednou

Další důležité vlastnosti STM:

Maximální velikost skenovacího pole 1x1 μm.

Maximální pohyb sondy OZ (během procesu měření) téměř nepřesahuje 1 μm.

Moderní mikroskopy mohou v zásadě poskytnout skenové pole až několik set, ale přesnost zhoršuje. Kromě měření povrchového profilu a vytvoření jeho vizuálního modelu umožňuje STM posoudit typ elektrické vodivosti materiálu (pro P / P), nastavit parametry valenční zóny, vodivou zónu SP, Energetické charakteristiky nečistot (tj. Určuje polohu úrovní nečistot). Určete chemický typ komunikace mezi povrchovými atomy objektu; Určete chemické složení povrchu objektu nebo povrchové vrstvy - tzv. STM spektroskopie.

Atomic-Force Mikorskop (skenovací elektrický mikroskop) AFM.

Rozdíl od STM spočívá v tom, že sondy (cantilevers) spolupracují s povrchem ve studiu ne elektricky, ale silou.

Závislost pevnosti dvou atomů z dálky. Síla odpuzování se zvyšuje. Dokončete dva atomy v jednom bodě je zásadně nemožné.

Konzolová jehla se týká povrchu objektu a je odrazen tímto povrchem, když se přiblíží vzdálenost inteligentní interakce. Vibrace konzolové sondy jsou převedeny na elektrické signály různými způsoby (nejjednodušší je optická metoda). Optická metoda:

Tento signál má informace o výšce. Na kterém Canilever klesla na specifický krok měření. Informace o pohybu v rovině XY jsou zaznamenány z mechanismů pro pohyb této roviny ve studiu.

Kromě optických konverzí mohou být použity kapacitní nebo tunelové senzory, protože Mezi studovaným předmětem a sondou (v režimu ECM Microscopy) může AFM prozkoumat nejen provádění objektů, ale také dielektriku. Požadavky na objekt - mělo by být hladké (takže neexistují žádné vysoké kapky výšek) a pevné (plynné a kapalné předměty není žádný bod pro poznávání).

Rozlišení AFM přímo závisí na kvalitě ostření sondy.

Hlavní technické složitosti tohoto typu mikroskopie jsou:

1) Složitost produkce sondy, ukázala na velikost jednoho atomu.

2) Zajištění mechanického. Počítaje v to. Tepelná a vibrační stabilita na úrovni je lepší než 0,1 Á.

3) Vytvoření detektoru. Schopen zaregistrovat tak malé pohyby.

4) Vytvoření skenovacího systému s krokem do podílu Å.

5) Zajištění hladké konvergence jehly sondy s povrchem.

Ve srovnání s rastrovým elektronovým mikroskopem, RAM, AFM má řadu výhod:

1) AFM umožňuje získat skutečně trojrozměrný povrch povrchu, RAM 2D obrázek

2) Nevodivý povrch, zvažovaný pomocí AFM, nevyžaduje použití kovové vrstvy.

3) Pro normální provoz, RAM vyžaduje vakuum, pro AFM vakuum není nutné.

4) AFM potenciálně může poskytnout vyšší rozlišení než REM
Nevýhody AFM lze považovat:

1) Velikost pole Scan Scan (ve srovnání s REM).

2) Přísné požadavky na velikost vertikálních kapek výšek naskenovaného povrchu. V RAM, viz soubor, v AFM - Ne.

3) Přísné požadavky na geometrii sondy. Což je velmi snadné poškození.

4) Praktické disekce zkreslení. Který činí tepelný pohyb atomů podněcování povrchu. Tato nevýhoda by mohla být vymazána, pokud rychlost skenování překročila rychlost pohybu pohybu molekul, tj. Na nějakém snímku je již odlišný.

Všechny tyto problémy jsou nějakým způsobem kompenzovány v důsledku zpracování výsledků měření programu, je však třeba mít na paměti, že to, co vidíme na obrazovce počítače, není skutečný povrch, ale model a stupeň spolehlivosti modelu - v otázce.

V současné době byly skenovací sondy mikroskopy STM a ACM široce používány ve všech oblastech vědy (ve fyzice, chemii, biologii, v hmotné vědě).

Nanotechnologické sondy.

Zpočátku, když byla stanovena hlavní možností pohybující se individuální atomy s Sond STM, vědci měli nějakou euforii - už snili o montáži všech objektů nejen nanomira, ale také macromir. Nicméně na základě úspěchů StM mikroskopie byly vytvořeny zařízení, která se nazývají nanotechnologické sondy. Pokud existuje velký potenciální rozdíl mezi objektem a sondou než při měření povrchových parametrů objektu, můžete excitovat jakýkoliv atom povrchu (odstrčit povrch). Tento vzrušený atom. Zpravidla se drží sondy, a proto může být převedena na nové místo na nové místo, a s poklesem energie dodávané k sondě (s poklesem potenciálního rozdílu), opět vynecháni povrch. Ale v těchto dnech, problém upevnění (nuceného) mimozemských atomů nebyl vyřešen na povrchu objektu za jiných podmínek, než je absolutní nula nebo blízko k absolutní nule.

Vzhledem ke studiím provedeným studií jsme nyní známí pro excitační energii atomů různých materiálů a řešili problematiku přivádění atomového plynu do zóny práce sondy STM. Ve skutečnosti to je přesně přítomnost atomového přívodního zařízení do pracovního prostoru rozlišuje stroj sondy nanotechnologický stroj od STM.

V současné době již byly vyvinuty principy řízení multi-vízových strojů, což umožňuje zvýšit jejich výkonnost, a proto zvýšit pravděpodobnost širšího využití takové sestavy sondy a nakonec s ziskovou montáží ve směru "zdola nahoru".

Ve kterých směrech se rozvíjí nanotechnologie.

1) Směr "zdola nahoru" je implementován, tj. Sestava ThomArt.

2) Vytvoření nových nanomateriálů makroskopickými a fyzikálně-chemickými metodami.

Úspěchy nanotechnologií.

1) Ovládání povrchu nanometrů je v poptávce při výrobě věcí, jako jsou kontaktní čočky, vytvoření nanoelektronických zařízení.

2) Mikroskopie skenovací sondy s přesností není v současné době. S tím můžete najít a pohybovat jednotlivé atomy a vytvářet skupiny atomů. Takové struktury však nejsou vhodné pro hmotnostní použití.

Nejslibnějším materiálem z hlediska nanotechnologií je uhlík s unikátními chemickými vlastnostmi:

1) Umožňuje vytvářet molekuly s neomezeným počtem atomů.

2) Má izomorficitu krystalové mřížky, tj. Různé typy krystalových mřížek.

V současné době jsou obrovské peníze investovány do nanotechnologií.

Termín "nanoelektronika" je logicky připojen k termínu "mikroelektroniky" a odráží přechod moderní polovodičové elektroniky z prvků s charakteristickou velikostí v mikroni a submikronové oblasti na prvky s velikostí oblasti nanometrů. Tento proces rozvoje technologií odráží empirický zákon Moora, který uvádí, že počet tranzistorů na křišťálově se zdvojnásobí každou jednu a půl nebo dva roky.

Ruský prezident Dmitrij Medveděv je přesvědčen, že existují všechny podmínky pro úspěšný rozvoj nanotechnologií.

Nanotechnologie je novým směrem vědy a technologie aktivně se rozvíjejí v posledních desetiletích. Nanotechnologie zahrnují tvorbu a využití materiálů, zařízení a technických systémů, jehož fungování je stanoveno nanostrukturou, tj. Jeho uspořádané fragmenty 1 až 100 nanometrů.

Prefix "Nano", který přišel z řečtiny ("Narnos" v Řecku - Gnome), znamená jednu miliardu sdílení. Jeden nanometr (nm) je jeden miliard metr.

Termín "nanotechnologie" (nanotechnologie) byl představen v roce 1974 profesor-materiály z Tokyo University of Norio Tanyiguchi (Norio Taniguchi), což zjistilo, že "výrobní technologie, což umožňuje dosáhnout ultra vysoké přesnosti a ultramal rozměrů ... Asi 1 nm ... ".

Ve světové literatuře je Naniscience jasně odlišena od nanotechnologií (nanotechnologie). Pro Nanoscale je termín také použit. Nanoscale věda (vědní věda o nano).

V ruštině av praxi ruských právních předpisů a regulačních dokumentů se termín "nanotechnologie" spojuje "nanoscience", "nanotechnologie" a někdy i "nanoindustra" (obchodní a výrobní oblasti, které používají nanotechnologii).

Nejdůležitější složkou nanotechnologií je nanomateriályTo znamená, že materiály, které jsou neobvyklé funkční vlastnosti, z nichž jsou určeny objednanou strukturou jejich nanovců ve velikosti od 1 do 100 nm.

- nanoporézní struktury;
- nanočástice;
- nanotubes a nanovlákna
- nanodisperze (koloidy);
- nanostrukturované povrchy a filmy;
- nanokrystaly a nanoklustery.

Technika nanosystémů - Funkčně dokončené systémy a zařízení, jejichž vlastnosti jsou radikálně odlišné od ukazatelů systémů a zařízení podobného účelu, vytvořené na základě nanomateriálů a nanotechnologií.

Nanotechnologické aplikace

Seznam všech oblastí, ve kterých tato globální technologie může výrazně ovlivnit technický pokrok, téměř nemožné. Pouze některé z nich lze volat:

- prvky nanoelektroniky a nanofotonic (polovodičové tranzistory a lasery;
- fotodetektory; Solární články; různé senzory);
- zařízení informačního záznamu superpost;
- telekomunikační, informační a výpočetní technologie; superpočítače;
- Video zařízení - ploché obrazovky, monitory, video projektory;
- molekulární elektronická zařízení, včetně spínačů a elektronických obvodů na molekulární úrovni;
- nanolitografie a nanoimontrinting;
- Palivové prvky a zařízení pro skladování energie;
- zařízení mikro a nanomechaniky, včetně molekulárních motorů a nanootů, nanorobot;
- nanochemie a katalýza, včetně spalování, povlaku, elektrochemie a farmaceutik;
- letectví, kosmické a obranné aplikace;
- zařízení pro monitorování životního prostředí;
- cílová dodávka léků a proteinů, biopolymerů a hojení biologických tkání, klinické a lékařské diagnostiky, vytváření umělých svalů, kostí, implantace živých orgánů;
- biomechanika; genomika; bioinformatika; BioOinstrumentaries;
- registrace a identifikace karcinogenních tkání, patogenů a biologicky škodlivých činidel;
- Bezpečnost v zemědělství a ve výrobě potravin.

Počítače a mikroelektronika

Nanokomputer - výpočetní zařízení založené na elektronických (mechanických, biochemických, kvantových) technologiích s velikostí logických prvků pořadí několika nanometrů. Samotný počítač vyvinutý na základě nanotechnologií má také mikroskopické rozměry.

DNA počítač - výpočetní systém pomocí molekul DNA výpočetní techniky. Biomolekulární výpočty jsou kolektivním názvem pro různé techniky, jedním nebo jiným spojeným s DNA nebo RNA. V DNA výpočtů nejsou data předložena ve formě nul a jednotek, ale ve formě molekulární struktury, postavené na základě spirály DNA. Speciální enzymy provádějí roli softwaru pro čtení, kopírování a správu dat.

Atomový mikroskop - mikroskop s vysokým rozlišením mikroskop na základě interakce konzolové jehly (sondy) s povrchem studovaného vzorku. Na rozdíl od skenovacího tunelového mikroskopu (STM), může být prozkoumána jak vodivé, tak nevodivé povrchy, a to i přes vrstvu tekutiny, která umožňuje pracovat s organickými molekulami (DNA). Prostorové rozlišení mikroskopu atomové síly závisí na velikosti konzolu a zakřivení jeho ostrova. Rozlišení dosahuje atomové horizontální a výrazně překračuje vertikálně.

Anténní oscilátor - 9. února 2005 byl získán anténní oscilátor na univerzitě v Bostonu laboratoře o velikosti asi 1 μm. Toto zařízení má 5 000 milionů atomů a je schopen oscilovat s frekvencí 1,49 gigahertz, což umožňuje přenášet obrovské množství informací.

Nanomedicínský a farmaceutický průmysl

Směr v moderní medicíně, na základě využití jedinečných vlastností nanomateriálů a nano-verzích pro sledování, navrhování a změnu lidských biologických systémů na nanomoolekulární úrovni.

DNA nanotechnologie - Použijte specifické základy molekul DNA a nukleových kyselin pro vytvoření jasně specifikovaných struktur založených na nich.

Průmyslová syntéza molekul léčiv a farmakologické přípravky jasně definované formy (bis-peptid).

Na počátku 2000., vzhledem k rychlému pokroku v technologii výrobních částic nano-velikostí, podnět byl podán vývoji nového pole nanotechnologií - nanoplazmonický. Ukázalo se, že je možné přenášet elektromagnetické záření podél řetězce kovových nanočástic excitací plasmon oscilace.

Robotika

Nanorobot. - Roboty vytvořené z nanomateriálů a velikost srovnatelné s molekulou s funkcemi pohybu, zpracování a přenos informací, provádění programu. Nanoroboti schopni vytvářet jejich kopie, tj Self-reprodukce, nazvaná replikátoři.

V současné době byly vytvořeny elektromechanické nanovosti, které jsou omezeny na pohyb, které lze považovat za prototypy nanorobotů.

Molekulární rotory - Syntetické nanočásticové motory schopné vytvářet točivý moment, když se na ně aplikují dostatečnou energii.

Ruské místo mezi zeměmi rozvíjejícími se a vyrábějícími nanotechnologie

Světové lídry na celkovém objemu investic do oblasti nanotechnologií jsou země, Japonsko a Spojené státy. V poslední době se investice do tohoto odvětví, Čína, Brazílie a Indie významně zvýšily. V Rusku bude výše financování v rámci programu "Vývoj infrastruktury NanoIndustry v Ruské federaci na období 2008-2010 27,7 miliard rublů.

V posledním (2008) zprávě Londýnské výzkumné firmy Cienttifica, která se nazývá "Zpráva o pohledech na nanotechnologii", je popsána výše o ruských investicích: "I když EU z hlediska investic stále zaujímá první místo, Čína a Rusko mají již předstihl Spojené státy. "

V nanotechnologii existují oblasti, kde se ruské vědci stali první na světě, kteří obdrželi výsledky, které označily rozvoj nových vědeckých proudů.

Mezi nimi je možné vyrábět ultrafinní nanomateriály, navrhovat jednobabrové zařízení, jakož i práce v oblasti mikroskopie atomové síly a skenovací sondy. Pouze na speciální výstavě probíhající v rámci XII St. Petersburg Ekonomický fórum (2008) bylo předloženo okamžitě 80 konkrétní vývoje.

Rusko již produkuje řadu nanoproinderů v poptávce na trhu: nanomabra, nanopovci, nanotubes. Nicméně, podle odborníků, na kombínci nanotechnologického vývoje, Rusko zaostává za Spojenými státy a dalšími vyspělými zeměmi deset let.

Materiál připravený na základě informací o otevřených zdrojech

Přednáška №19.

Nanotechnologie v posledních letech se stala jedním z nejdůležitějších a zajímavých oblastí znalostí v čele fyziky, chemie, biologie, technických věd. Dává vysoké naděje pro rychlé průlomy a nové směry v technologickém vývoji v mnoha oblastech činnosti. Pro usnadnění a urychlení rozsáhlého využití tohoto nového přístupu je důležité mít obecné prezentace a některé specifické znalosti, které by na jedné straně by byly dostatečně podrobné a hluboko pro podrobné pokrytí tématu a zároveň Dostupně přístupné a hotové, být užitečný v širokém spektru odborníků, kteří se chtějí dozvědět více o bytí otázce a vyhlídek v této oblasti.

Současný široký zájem o nanotechnologii sahá až do 1996-1998, kdy vládní komise s pomocí centra pro Centrum pro hodnocení světových technologií (Worldo1ogu hodnotící septeg), financovaný Národním fondem americké vědy a jiných federálních agentur , učinil studium světového výzkumného zkušenosti a rozvojové zkušenosti nanotechnologií s cílem posoudit jejich technologický inovační potenciál. Nanotechnologie je založena na pochopení, že částice menší než 100 nanometrů (nanometr je jeden miliard metr) poskytují materiály z nich nové vlastnosti a chování. Důvodem je skutečnost, že předměty s rozměry menší charakteristické délky (což je způsobeno povahou určitého fenoménu) často demonstrují jinou fyziku a chemii, což vede k takzvaným rozměrům efekty - nové chování v závislosti na velikosti částic. Byly pozorovány například změny elektronické struktury, vodivosti, reaktivity, bodu tání a mechanických vlastností ve velikostech částic. Závislost chování na velikosti částic nám umožňuje navrhnout materiály s novými vlastnostmi ze stejných atomů zdrojů.

Na závěr Společenství má tato technologie obrovský potenciál pro použití v extrémně velkém a nejrůznějším množství praktických oblastí - od výroby více odolnějších a lehkých stavebních materiálů až po snížení doby dodávání nanostrukturovaných léčiv do obvodu plemenného systému , Zvýšení kapacity magnetických médií a vytváření spouštěčů pro rychlé počítače. Doporučení, tyto a následující výbory vedly k přidělení velmi velkých fondů pro rozvoj naniscience a nanotechnologií v posledních letech. Interdisciplinární studie pokryly širokou škálu témat z chemie katalýzy nanočásticemi na fyziku laserů na kvantových bodech. V důsledku toho za účelem vyhodnocení nejčastějších vyhlídek a důsledků rozvoje nanotechnologií a jejich příspěvek k tomuto nové vzrušující oblasti činnosti, bylo si uvědomil, že výzkumníci potřebují pravidelně překračovat limity jejich úzkých profesí znalosti. Technické manažeři, odborníci a ti, kteří mají finanční rozhodnutí, by se měli zabývat velmi širokou škálou disciplín.


Nanotechnologie se začala považovat nejen jako jeden z nejslibnějších větví vysoké technologie, ale také jako faktor tvořící systém v ekonomice 21. století - ekonomika založená na znalostech, a nikoli používání přírodních zdrojů nebo jejich zpracování. Kromě toho, že nanotechnologie stimuluje vývoj nového paradigmatu všech výrobních činností ("zdola nahoru" z jednotlivých atomů - k produktu, nikoli "vzorek dolů", jako v radiační technologii, ve kterém se produkt získá Řezáním nadměrného materiálu z masivnějších sochorů) je to samo o sobě zdrojem nových přístupů k získání životní úrovně a řešení mnoha sociálních problémů v postindustriální společnosti. Podle většiny odborníků v oblasti vědecké a technické politiky a investičních fondů se revoluce nanotechnologií pokrývá všechny životně důležité oblasti lidské činnosti (z rozvoji prostoru - k medicíně, od národní bezpečnosti - ekologii a zemědělství), a jeho důsledky budou rozsáhlé a hlubší než revoluce konomých posledních třetiny 20. století. To vše bude úkoly a otázky nejen ve vědecké a technické sféře, ale také před správci různých úrovní, potenciálních investorů, vzdělávací sféry, státních orgánů. řízení atd.

V posledních letech se objevuje dostatečný počet publikací věnovaných teorii, vlastnostech a praktickém využití nanomateriálů a nanotechnologií. Zejména toto téma je široce reprezentováno v knize autorů Ch. Pula a Ml.F. Owens nanotechnologie, per. Z angličtiny, 2., rozšířených vydání, Ed. Technosféra, M., 2006, 335С. Autoři si všimnou, že i když byla tato kniha původně plánována jako úvod do nanotechnologií, protože velmi povahy této vědy se změnila v úvod do individuálních oblastí nanotechnologie, což se zdá být jeho typickými zástupci. Vzhledem k vysoké rychlosti vývoje a interdisciplinární povahy není možné poskytnout opravdu komplexní prezentaci předmětu. Prezentovaná témata byla vybrána na základě hloubky pochopení problému, objemu jejich potenciálu nebo již existujících aplikací v technice. Mnoho kapitol diskutuje o současných i budoucích možnostech. Pro ty, kteří se chtějí dozvědět více o konkrétních oblastech, ve kterých se tato technologie rozvíjí, jsou uvedeny odkazy na literaturu.

Autoři se snažili poskytnout úvod do nanotechnologií, napsané na takové úrovni, aby výzkumníci v různých oblastech mohli hodnotit rozvoj prostoru mimo jejich odborné zájmy a technický vůdci a manažeři mají získat přehled o předmětu. Možná, že tato kniha může být použita jako základ pro univerzitní kurz na nanotechnologii. Mnozí kapitoly obsahují úvody k fyzikálním a chemickým principům, které jsou základem diskutovaných oblastí. Tak, mnoho kapitol je soběstačná a může být studována nezávisle na sebe. Kapitola 2 začíná stručným přezkumem vlastností objemových materiálů nezbytných k pochopení toho, jak a proč se vlastnosti materiálů změní, když se blíží velikost jejich konstrukčních jednotek do nanometru. Důležitým podnětem k tak rychlému rozvoji nanotechnologií byl vytvoření nových nástrojů (jako je mikroskop pro skenování tunelu), který je dovoleno vidět vlastnosti velikostí nanometrů na povrchu materiálů. Kapitola 3 proto popisuje nejdůležitější instrumentální systémy a měření jsou uvedena v nanomateriálech. Zbývající kapitoly zvažují další aspekty problému. Kniha pokrývá velmi širokou škálu problémů a témat: účinky spojené s velikostí a rozměrem naniscience a technologických předmětů, magnetických, elektrických a optických vlastností nanostrukturovaných materiálů, metod pro jejich přípravu a výzkum, samospráva a katalýza v nanostrukturách, Nanobiotechnologie, integrovaná nanoelektromechanická zařízení, Fullerites, nanotubes a další. Řada moderních metod výzkumu a certifikace nanostruktur a nanoobjects je popsána: elektronická a iontová mikroskopie, optický, rentgenová a magnetická spektroskopie.

Ve stejné době, mezery ve struktuře a obsahu jednotlivých sekcí jsou zřejmé. Takže neexistují téměř žádné informace o nanoelektronice, spirhing, nových nápadech pro kvantové výpočetní techniky a počítače. Většina z nich není ani zmínit. Pozornost je naprosto nedostatečně zaplacena extrémně silným a běžným metodám skenování sondy výzkumu, certifikace, litografie a atomového molekulárního designu. Drobný odstavec věnovaný těmto otázkám je zcela úměrný úloze sondy nanotechnologie. Velmi skromné \u200b\u200bmísto je přiděleno slabou supravodivitou a velmi slibnými zařízeními na základě ní. Scarp jsou prezentovány filmy a heterostruktury, které hrají důležitou roli v moderní rovinné elektronice, superhard a opotřebitelné povlaky, atd. V důsledku toho nejsou žádné materiály, které osvětlují metody certifikace těchto struktur, zejména charakterizují mechanické vlastnosti tenkých vrstev a nano-možnosti místními metodami napájení (nanonément, nanosrakrading atd.).

Všimli jsme si také, že nikam je systematizace objektů a procesů nanotechnologií, v důsledku čehož nezkušený čtenář zůstává nejasný, s jakou část předmětu bude moci seznámit se tím, že přečtete tuto knihu.

Navzdory výše uvedeným nedostatkům, obecně, kniha může být uznána za užitečnou pro širokou škálu čtenářů, včetně studentů fyzikálních, chemických a materiálových vědy speciality. Ten je vše důležitější, že vzdělávací literatura na nanotechnologii v ruštině je téměř naprosto nepřítomná a potřeba je vhodná v souvislosti s přípravou specialistů na nanomateriály a nanoelektronice na 12 ruských univerzitách od roku 2003.

Ne se všemi nápady a interpretací autorů se mohou bezpodmínečně dohodnout. Aby však nepořádek textu s velkým počtem komentářů, přídavek a kritických komentářů, jsou při přenosu a editaci eliminovány pouze zřejmé chyby, nesrovnalosti a překlepy.

Během psaní knihy a jeho reissue v ruštině vyšlo mnoho užitečných knih, z nichž některé jsou uvedeny níže. Podle nich může zájemce seznámit s jednotlivými sekcemi a panorama nanotechnologií jako celek hlubší.

Vývoj nanotechnologií a nanomateriálů začíná v roce 1931, kdy německé fyzi lékaře Max Knoll a Ernst Ruska vytvořili elektronický mikroskop, který poprvé dovolil vyšetřit nanoobjects. Později v roce 1959, americký fyzik Richard Feynman (Nobel Laureát ve fyzice, 1965) poprvé publikoval práci, ve které vyhlídky na miniaturizaci nazvané "tam na dně - moře prostoru". Uvedl: "Zatímco jsme nuceni používat atomové struktury, které nám přináší ... ale v zásadě by fyzik mohl syntetizovat jakoukoliv látku pro daný chemický vzorec." Pak se jeho slova zdála fantastická, protože neexistovaly žádné technologie, které by umožnily individuální atomy v atomové úrovni (to znamená, že je možné se učit odděleně, vezměte si ji a vložte ji na místě). Feynman dokonce předepsal odměnu 1000 dolarů někomu, kdo prakticky dokazuje jeho správnost.

Historie vývoje nanotechnologií

V roce 1974, japonský fyzik Norio Tanyiguchi představil termín "nanotechnologie", navrhuje, aby je popsala mechanismy menší než jeden mikron.

Německá fyzici Herre Binnig a Heinrich Rove byly vytvořeny skenovacím tunelem mikroskopem (STM), který umožnil manipulaci s látky na atomovou úrovni (1981), později obdrželi Nobelovu cenu za tento vývoj. Skenování atomové síly (AFM) Mikroskop rozšířil typy studijních materiálů (1986).

V roce 1985, Robert Kerl, Harold Kroto, Richard Smutley otevřel novou třídu sloučenin - Fullerene (Nobelova cena, 1996).

V roce 1988, nezávisle na každých dalších francouzských a německých vědců Albert Firth a Peter Grunbergu objevili účinek obří magnetorezistence (HMS) (v roce 2007. Nobelova cena ve fyzice byla udělena, po kterém by měly být magnetické nanofilmy a nanopod použity k vytvoření magnetiky Záznamová zařízení. Otevření HMS se stalo základem pro rozvoj spintronics. Od roku 1997 začala IBM v průmyslovém měřítku vyrábět spintonová zařízení - hlavy pro čtení magnetiky na bázi HMS s rozměry 10-100 nm.

HMS, nebo jinak, obří magnetorezistance (Eng. Giant Magnetoresistance Socan., GMR) - je účinek změny elektrického odporu vzorku pod účinkem magnetického pole (zejména v heterostrukturách a superlate), lišící se od magnetorezistnosti do účinku účinku (je to možné Pro změnu odolnosti vůči desítkám procent, na rozdíl od magnetorezistie, když odolnost proti změně nepřekročí procento jednotek). Jeho objev umožnil rozvíjet moderní média pro počítače - pevné magnetické diskové jednotky (HDD)

1991 byl poznamenán objevením uhlíkových nanotrubiček japonským výzkumným pracovníkem SUMIO IIJIMIA.

V roce 1998 byl poprvé vytvořen tranzistor založený na nanotubes s Sizom Decker (nizozemský fyzik). A v roce 2004 se připojil k uhlíku Nanotube s DNA, poprvé získal plnohodnotný nano-mechanismus, čímž objevil cestu k vývoji bionanotechnologií.

2004 - objev grafenu, pro studium jeho vlastností A. K. Hra a K. S. Novoselov v roce 2010 udělil Nobelovu cenu ve fyzice. Slavné společnosti IBM společnosti, Samsung Finance vědecké projekty pro rozvoj nových elektronických zařízení, mohly nahradit technologii křemíku.

Obecná charakteristika nanotechnologií a nanomateriálů

Nanotechnologie (Nt) (Řecké slovo "Nannos" znamená "trpaslík") - Jedná se o sadu metod manipulační látky v atomové nebo molekulární úrovni za účelem získání předem určených vlastností.

1 nanometr. (nm) \u003d 10 -9 metr.

Nanotechnologie zahrnuje technologie, které poskytují schopnost kontrolovat a modifikovat nanomateriály pro kontrolu a modifikování, stejně jako jejich integraci do fulatických větších systémových systémů. Nanotechnologie se používají: atomové zprávy molekul, lokální stimulace chemických reakcí na molekulární úrovni atd. Nanotechnologické procesy podléhají zákonům kvantové mechaniky.

Dnes jsou hlavními větvemi nanotechnologií: nanomateriály, nano-nářadí, nanoelektronika, mikroelektromechanické systémy a nanobiotechnologie.

Úkol NT:

  • získání nanomateriálů s danou strukturou a vlastnostmi;
  • používání nanomateriálů na určitém účelu s přihlédnutím k jejich struktuře a vlastnostech;
  • kontrola (studie) struktury a vlastnostech nanomateriálů jak během jejich přípravy a během jejich aplikace.

Existují dva hlavní přístupy k výrobě: shora dolů a dolů nahoru . Technologie shora dolů spočívá v broušení materiálu, který má velké rozměry (masivní materiál) na částice nanoskopu. Při blížení zdola nahoru jsou produkty nano-farmy vytvořeny rostoucím (vytvářením) z atomových a molekulárních stupnic.

Výroba na úrovni nano je známa jako výroba - zajišťuje rozsáhlé aktivity, vytvoření spolehlivé a nákladově efektivní výroby nanočástic materiálů, struktur, zařízení a systémů. Poskytuje výzkum, vývoj a integraci technologií shora dolů a složitější - od dna nahoru nebo procesů samoorganizace.

Nanomateriály jsou dispergovány nebo masivní materiály (konstrukční zrna, krystality, bloky, clustery), z nichž geometrické rozměry, jejichž alespoň v jednom rozměru nepřesahují 100 nm a mají kvalitativně nové vlastnosti, funkční a provozní vlastnosti, které se projevují v důsledku nanoskopu velikosti.

Všechny látky v počátečním stavu nebo po určitém zpracování (broušení) mají odlišný stupeň disperze, velikost součástí částic nelze vidět pouhým okem.

Objekty s rozměry v rozsahu 1-100 nm se považují za nanoobjects. Taková omezení jsou však velmi podmíněná. Současně se tyto rozměry týkají obou celého vzorku (nano-vrchol je celý vzorek) a jeho konstrukční prvky (nanobject je jeho struktura). Geometrické rozměry některých látek jsou uvedeny v tabulce.

Hlavní výhody nanoobjects a nanomateriálů je, že pro malé velikosti existují nové speciální vlastnosti, které nejsou charakteristické pro tyto látky v masivním stavu.

Klasifikace látky v závislosti na stupnidisperze

státu látky fragmentace látky Stupeň disperze, cm -1 Počet atomů v částici, PC.
makroskopický hrubý 10 0 -10 2 > 10 18
Pozorovací prostředky: pouhé oko
mikroskopický jemně rozptýlené 10 2 -10 5 > 10 9
Pozorovací prostředky: optický mikroskop
koloidní ulthadisperse. 10 5 -10 7 10 9 -10 2
Pozorovací média: optický ultramikroskop, elektronický a skenovací sonda mikroskop
Molekulární, atomová a iontová Molekulární, atomová a iontová > 10 7 <10 2
Pozorování: mikroskop s vysokým rozlišením (<0,1 нм) и сканирующий микроскоп

Vlastnosti nanomateriálů jsou určeny jejich strukturou, pro kterou je hojnost hranic oddílu (hranice zrna a trojitých spojů kontaktních linií tří zrn). Studium struktury je jedním z nejdůležitějších úkolů nanostrukturovaných materiálů. Hlavním prvkem konstrukce je zrno nebo krystalovat.

Klasifikace podle velikosti. Podle rozměrového znaménka nanoobjects oddělených třemi typy: nulový-dimenzionální / kvazi-dimenzionální (0d), jednorozměrný (1d), dvojrozměrný (2d).

Ne-dimenzionální nanoobjects / kvazi-tenký (0d) - Jedná se o nanočástice (clustery, koloidy, nanokrystaly a fullereny) obsahující z několika desítek do několika tisíc atomů seskupených ve spojení nebo souborů ve formě buňky. V tomto případě má částice rozměry nanometr ve všech třech směrech.

Nanočástice jsou nanoobjects, ve kterých mají všechny charakteristické lineární rozměry jeden řád (až 100 nm). Nanočástice mají zpravidla sférický tvar a pokud mají výrazné uspořádané umístění atomů (nebo iontů), se nazývají nanokrystalické. Nanočástice s těžkou diskrétností energetických hladin se často nazývají "kvantové tečky" nebo "umělé atomy".

Porovnání geometrických velikostí materiálů

Nano-vozidla jsou jednorozměrné (1d)- uhlíkové nanotrubičky a nanovlákna, nanishing, nanowire, tj. Válcové předměty s jedním rozměrem v několika mikronech a dvou nanometru. V tomto případě jedna charakteristická velikost objektu, přinejmenším řádově překročí další dva.

Nanoobjects jsou dvojrozměrné (2d) - Povlak nebo film s tloušťkou několika nanometrů na povrchu masivního materiálu (substrátu). V tomto případě musí být pouze jedna dimenze - tloušťka rozměry nanometrů, dva další jsou makroskopické.

Speciální vlastnosti nanomateriálů

V makroskopu, chemické a fyzikální vlastnosti materiálů nezávisí na velikosti, ale při přepnutí na nanocheus, vše změny, včetně barvy materiálu, bodu tání a chemických vlastností. V nanokrystalických materiálech se značně změní mechanické vlastnosti. Za určitých podmínek mohou být tyto materiály super tvrdé nebo superplastické. Tvrdost nanokrystalického niklu během přechodu na nanozměrné rozměry se zvyšuje několikrát a pevnost v tahu se zvyšuje 5krát. Tání klastrů (více než 1000 atomů) Zlato se stává stejné jako pro hromadné zlato. Přidání nanostrukturovaného hliníku do raketového paliva radikálně mění jeho rychlost spalování. Při přidávání vícevrstvých uhlíkových nanotrubiček se výrazně zvyšuje tepelná vodivost motorového oleje.

Tak, v nanokrystalických a nanoporézních materiálech, specifický povrch ostře zvyšuje, to znamená, že podíl atomů v tenkém (~ 1 nm) v blízkosti povrchové vrstvy. To vede ke zvýšení reaktivity nanokrystalů, protože atomy, které jsou na povrchu, mají nenasycené spojení, na rozdíl od těch, které jsou v objemu a spojené se sousedními atomy.

Experimentální údaje získané v různých laboratořích pro nanopowders naznačují, že ve většině případů citlivost na zapálení z elektrické jiskry, pronásledování nebo mechanické tření a intenzita spalování se zvyšuje s poklesem velikosti částic v oblaku prachu (a podle toho, odpovídajícím způsobem, se zvýšením specifického povrchu).

Pokud jsou kovové částice velikosti ICM NM, pak je jejich minimální zapálení (MAE) významně snížena a je menší než 1 MJ (to je dolní hranice citlivosti zařízení, která se obvykle používá k měření MAE) . Byla studována závislost velikosti al, polyethylenových částic a optického bělidla z MAE. Výsledky na plamennosti Al jsou uvedeny v tabulce. Podle získaných dat, maximálního tlaku výbuchu P. Max.

Felicness al. Částic
Velikost částic P Max bar Mkz, g / 3 MAZ, MJ.
  1. 40 μm.
  2. 100 nm.
  3. 35 nm.

Rozměrová závislost povrchové energie nanokrystalů vede odpovídající závislost bodu tání, která se stává méně pro nanokrystalové než pro makrocrystalty. Obecně platí, že v nanokrystalech je znatelná změna tepelných vlastností, která je spojena se změnou povahy tepelných oscilací atomů. V feromagnetických nanočástic, s poklesem velikosti pod určitou kritickou hodnotou systému, stává se energeticky nerentabilním rozdělením domén. Výsledkem je, že nanočástice jsou převedeny z polydenů v jedné ložnici, přičemž se získají speciální magnetické vlastnosti.

Vědecké oblasti související s nanotechnologií

Interdisciplinace je charakteristika průmyslu znalostí nebo vědeckého problému, kde úspěšný výsledek lze dosáhnout pouze při kombinaci úsilí jednotlivých věd. Integrace znalostí jednotlivých vědeckých odvětví vede k synergii - získání kvalitativně nových znalostí, které díky svým jedinečným vlastnostem obdržely v mnoha oblastech poznání.

Spintronics. - Směr větve moderní elektroniky, vztaženo na použití spin účinků a kvantových spinových vlastností elektronů, jsou charakterizovány dvěma kvantovými stavy (spin nahoru a otáčí). Změna orientace spin dochází v důsledku účinků vysoké hustoty proudu procházející ultra tenkým feromagnetickým strukturám (sendviče). Orientace otočení zůstává nezměněna, pokud je zdroj polarizovaného proudu vypnutý, takže spintonová zařízení se používají velmi široce jako čtení hlavy, paměťové zařízení na fenoménu GMO a tunelo MO, střídavé napětí řízené proudem, tranzistory v terénu a podobně.

Nanobiologie - pobočka biologie věnovaná studiu strukturálních, biologických, biofyzikálních procesů v přírodních biologických strukturách nebo jejich nanobiologických analogech, zákony, které podléhají biologickým systémům. Stvoření na tomto základě současných nanodelů biologických struktur tvoří základ nanobiologie. Úspěchy nanobiologické vědy je základem pro rozvoj takových směrů naniscience, jako bioorganická nanochemie, nanofarmakenty, nanosenzoric, nanomedicine a podobně.

Molekulární elektronika Prozkoumá elektronické nanosystémy obsahující jako součásti komponenty, jednotlivé molekuly nebo molekulární komplexy, jakož i technologie pro výrobu takových nanosystems založených na používání samosběrných procesů, včetně procesů manipulace jak jednotlivých molekul a molekulárních komplexů.

Nanosenseorika — Věda o smyslových nanosystémů, jejichž působení je založena na selektivním vnímání signálů různých povahy: biologické, chemické, teploty atd. A jejich transformace na elektrické (bioosenzory, které mohou nejen monitorovat stav těla, ale také automaticky provádět některé nezbytné akce).

Nanoopica - Science oblast věnovaná optickým nanosystémům, které provádějí funkce správy informací, provádějících zpracování, skladování a přenos informací ve formě optických signálů. Sliblivý úsek nanoopics je nanofotonika, jeho základna prvku je fotonové krystaly, jsou účinně používány při zpracování, skladování a zařízení pro přenos informací.

Nanomerans. (Nanorobototechnologie) - oblast technik zabývajících se vytvářením nanorobotů schopných provádět určité lékařské operace v těle pacienta (nanokatetry, které umožňují efektivně provádět diagnostiku a terapii v cévách a střevním traktu, jakož i dávkování a distribuci nanovosti, které poskytují dodávku drog potřebných pro pacienty). Kromě toho, malé mikrokomponentní velikosti je ideální pro manipulaci s biologickými vzorky na mikroskopické úrovni.

Aplikace nanotechnologií

NT jsou stále důležitější a mohou být použity ve všech průmyslových odvětvích, zejména v elektronice, solární průmysl, energii, konstrukci, auto, letadle, medicíně atd.

Elektronika.Vývoj technologického procesu při výrobě tranzistorů v počítačovém technika (mikro-procesory) se postupně snižuje od 90 do 14 nm, což není limit (je plánováno snížit jej na 10-8 nm do roku 2019). Tak, miliardy tranzistorů bude umístěno na jeden centimetr.

Vzhledem k vývoji materiálových vědních věd a mikroelektroniky se vyskytuje snížení elementární buňky úložných zařízení. Dnes, materiály na bázi superlatrices, diamagnetiky, feromagnetů, ve kterých je implementován účinek obrovského magnetického odporu, kolmého kompilace a anizotropie, jsou slibné.

Mezi polovodičovými technologiemi poznamenáváme, že lasery pracují při nízkých teplotách, mají prahovou hodnotu malé generace (až 15 μA), které dostávají rozšířené použití, například v kvantové kryptografii.

Kombinace nejnovějších výsledků z rozsahu materiálu vědy a elektroniky umožňuje vytvářet zařízení s jedinečnými pružnými, vlhkostí a nárazem odolnými vlastnostmi, mají vysokou účinnost a dlouhou životnost. Použití nových materiálů umožňuje vytvářet vysoce efektivní fotodetovatelné vybavení pro viditelné a infračervené záření, jejichž použití zvýší účinnost monitorovacích vedení, potrubí, bezpečnostních systémů.

Energie.Problematika dodávek energie jsou vždy relevantní, stanovují dva hlavní úkoly - vytvoření zařízení s ekonomickou spotřebou elektřiny a výrobou nabíječek založených na nových technologiích se zlepšenými ukazateli. Osvětlovací zařízení je upgradováno, žárovky jsou nahrazeny jasnými LED diodami a maticemi na základě nich.

Značná pozornost je věnována alternativním typům energie. Byly vyvinuty solární články, absorpční energie v infračervené části spektra. To je způsobeno technologií, která využívá speciální výrobní proces použití kovového nanananenu (drobné čtvercové spirály) na plastový substrát. Tento design umožňuje přijímat až 80% energie slunečního světla, zatímco stávající solární baterie mohou být použity pouze 20%. vyzařuje spoustu tepelné energie, z nichž některé jsou absorbovány zeminou a jinými předměty a je vyzařována po mnoho hodin po západu slunce; Nanoantenna "Calm" je tepelné záření s vyšší účinností než běžnými solárními panely.

Vytváření baterií na bázi silikonových nanovláken obsahujících lithiové ionty namísto uhlíku povedou ke zvýšení nádrže nabíječek a expanzi rozsahu použití. Ionová vodivost pevných elektrolytů nanokompozitů se zvyšuje o několik řádů velikosti, díky které mohou být miniaturní pružné baterie vyrobeny na jeho základě.

Lék.Nanostrukturování vede ke snížení velikosti tablety a zvýšení obsahu terapeutické látky v krvi. To je velmi důležité, protože nanočástice v budoucnu budou jedním z prostředků dodávání léků do postižené oblasti (Nanorobot). Stříbrné nanočástice v důsledku jejich baktericidních vlastností se používají při léčbě různých RAS k dezinfkumu. Typická velikost stříbrných nanočástic je 5-50 nm, které se přidávají do detergentů, zubních pastilek, mokrých ubrousků, aplikovaných na povrchu klimatizací, pokrývají příbory, kliky dveří (v místech, kde nebezpečí distribuce infekcí) a dokonce i klávesnice a "myši" pro počítače. Zlaté nanočástice spolu s protilátkami mohou snížit škodlivý účinek ozařování při léčbě nádorů.

Moderní vybavení umožňuje "vidět život" živých buněk, provádět manipulace s molekulami a umožňuje růst nebo klonování části orgánů. Kombinace biologických a zdravotních znalostí spolu s úspěchy elektroniky umožňují použití nanotechnologií a nanomateriálů, vytvářet mikroelektronická zařízení (čipy) pro kontrolu zdraví osoby nebo zvířete.

V důsledku zvládnutí materiálů této sekce by studenti měli:

znát

  • Základní pojmy nanotechnologií, vyhlídky na rozvoj naniscience a nanotechnologií;
  • technologie získávání nanočástic;

být schopný

Používat nanomateriály a nanotechnologie při výrobě moderních a slibných produktů;

vlastní

  • Analýza dovedností výsledků výzkumu v nanotechnologii;
  • Metody studia nanomateriálů.

Základní pojmy a definice

Historie nanotechnologie. Základní pojmy

Vývoj tohoto nového směru ve vědě a technologii se již v mnoha zemích stal v mnoha zemích, včetně v Rusku, prioritou. Pro vyřešení nejsložitějších problémů praktického implementace otevírání příležitostí na základě státních nanotechnologií a podniků existují obrovské fondy, vytvářejí speciální programy, projekty a vědecká koordinační centra, ale nanotechnologie. Svět výrazně zvýšil počet vědeckých publikací v této oblasti. Informace o nanomateriálech a nanotechnologiích jsou zahrnuty do učebních osnov technických univerzit, některé z nich začaly trénovat specialisty v novém intenzivně rozvíjejícím se vědeckém oboru, na jejichž základě již v současné době získal překvapení v téměř všech sférách lidské činnosti a budoucí sliby Ještě výraznější úspěchy. Srovnatelné s fantastickými nápady.

Samozřejmě, rozsáhlá oblast vědy a technologie v XXI století. bude spojen s konceptem "nanotechnologie". Pokud slovo "techno" přeloženo z řečtiny ( technický) znamená umění, dovednost, řemeslo a "logika" (Loga) - věda, slovo "nano" je také řecký původ ( nanos.) A znamená trpaslík. Již nyní v jo takové pojmy jako "nanofysics", "nanochemie", "nanoporézní", "nanokrystal", "nanokompozitní materiály" atd.

Nano znamená pouze jednu miliardu (10 9) podíl metry - nanometr (NM). Tuto hodnotu můžete odeslat pouze jako spekulativní. Například 1 nm je pořadí velikosti atomu, molekul; Závit této velikosti v několika desítkách tisíc časů tenčí člověka.

NanotechnologieMůže být tedy definován jako sada produktů pro výrobu výrobků s danou atomovou strukturou manipulací atomy a molekul.

Zároveň by mělo být poznamenáno, že terminologie v oblasti nanomateriálů do určité míry se skládá pouze. Takže existuje přístup k definici nanočástic podle jejich geometrických parametrů. Zejména nanostrukturální části zahrnují částice o velikosti 1 - 100 nm. Limit 100 nm je vybrána na základě skutečnosti, že speciální fyzikomechanické a chemické vlastnosti materiálu, včetně pevnosti, tvrdosti atd., Počínaje touto velikostí a níže.

Existují i \u200b\u200bdalší přístupy, které zohledňují úlohu četných povrchů sekce, zatímco jejich objemová frakce v celkovém množství materiálu se zohlední. Někteří výzkumníci se spoléhají na klasifikaci nanomateriálů na speciálních fyzikálních jevech, projevených v určité velikosti částic. Nejčastějším, a proto přijatá je však taková definice: nanomateriály - Jedná se o materiály obsahující strukturní prvky, jejichž geometrické rozměry alespoň v jednom rozměru nepřesahují 100 nm a mají kvalitativně nové vlastnosti, funkční a provozní charakteristiky.

Ostatní pojmy jsou nalezeny v literatuře: "Ultra-věznice", "Ultléční systémy", "nanostrukturální materiály", "nanokrystalické materiály".

Stávající nanomateriály lze rozdělit do několika skupin:

  • a) Materiály (pevné těleso) s rozměry alespoň jedna souřadnice nižší než 100 nm;
  • b) materiály ve formě mikrocrádové velikosti od 1 μm až 1 mm;
  • c) Volumetrické nanomateriály s rozměry několika milimetrů. Skládají se však z nanoskopických prvků s velikostí zrna 1 - 100 nm;
  • d) Kompozitní nanostrukturované materiály. V takových kompozitech jsou modifikátory různé typy nanočástic.

Historie vývoje nanotechnologie lze vysledovat s hlubokou starověku. Samotný předpoklad je skutečně, že všechny látky se skládají z nejmenší částice, zvané atom, byl již nezbytným krokem v následném provádění myšlenek nanotechnologií. A to to udělalo tím, že zavedl koncept "atomu", řecký filozof Democritus je před 2400 lety. Americký fyzik Richard Feynman (1959) oddal myšlenku vytváření skutečných objektů přímo z atomů, manipulace s nimi. V roce 1974, japonský fyzik Pyrio Tonygchi představil koncept "nanotechniky" do vědeckého oběhu.

V Rusku, teoretické studie v oblasti nanotechnologií prakticky splňovaly mezinárodní úroveň. Určitý zpoždění bylo ve vývoji domácí přesné vybavení pro výzkum v této oblasti. Pokrok v zrychleném vývoji nanotechnologií byl právě spojen s vytvořením unikátních technik, které umožňuje studovat mikroworld s neznámými před tím. Dokonce bylo i ty nejvýkonnější elektronové mikroskopy umožnily rozlišit atomové mřížky, ale bylo nutné vidět atomy - teprve pak by mohlo být zapojeno do nanovědy.

V roce 1981, kousání a G. rorsr založené na tzv. Tunelu byl postaven skenovací tunelový mikroskop (STM) a jeho nápovědy byl získán obraz povrchu zlata, byl získán křemík s atomovým rozlišením. STM je vybaven nejjemnější vodivou jehlovou sondou. Sonda se pohybuje ve vzdálenosti asi 0,5 nM nad studovaným povrchem. Na sondu se aplikuje stálé mírné napětí, takže proud tunelu dochází. Dále se mírná změna vzdálenosti mezi sondou a povrchem podstoupí vede k významné změně současné hodnoty, která charakterizuje citlivost STM. Sledovací systém prohledá povrch tak, aby sonda neustále monitoruje svou úlevu. Přesnost posunutí při skenování dosáhne tisíce nanometru. Taková přesnost se dosahuje použitím speciálního mechanického manipulátoru vyrobeného z piezokeramického materiálu.

Mikroskop skenování tunelu se ukázal být velmi nezbytným a jemným nástrojem pro studium nanoskopických objektů. Pro svůj vynález v roce 1985 získali vědci Nobelovu cenu. Mohlo by však být použito ke studiu elektrických výstupních materiálů, což bylo poměrně závažným omezením výzkumných pracovníků.

V roce 1986, IBM laboratoř (separace v Curychu, Švýcarsku) vznikla mikroskopem příští generace - atomová síla (ACM). Je založen na používání interatomických vazeb. Když se sonda (diamantová jehla) pohybuje nad povrchem studia předmětu, dojde k výkonu interakce mezi sondou a povrchem.

Když je to nejtenčí jehla přístup k atomu, pevnost přitažlivosti se zvyšuje první, a další konvergence - rovnoměrný odpojení. Roztomilý senzory přenášet tento efekt k počítači, ve kterém je signál převeden na viditelný obraz. Takový mikroskop, na rozdíl od ACM, je univerzální prostředek studia materiálů; Našel širší použití.