Nanotehnologia și zonele de utilizare a acestora. referinţă

Introducere

Un număr de nanoobjects sunt cunoscute și aplicate de mult timp. Acestea includ: coloide, pulberi fine, filme subțiri.

1) R. Feynman - Laureat Nobel. "În măsura în care văd, principiile fizicii nu interzic manipularea atomilor individuali" 1959.

2) 1996. R. Yang a oferit ideea de piezotor, care oferă acum mișcări de precizie a instrumentelor de nanotehnologie cu începutul 0.01 Å. Å \u003d.

3) În 1974, Norio Tanyiguti a folosit pentru prima dată termenul "nanotehnologie"

4) În 1982-1985. Profesorul german Guter a propus conceptul de nanostructură solidă.

5) În 1985. Echipa de oameni de știință Robert Kerl, Harold Kroto, Richard Silley au deschis Fullerenes și a creat teoria CNT, care au fost obținute experimental în 1991

6) În 1982, Bining și G. Roger au creat primul microscop de tunel de scanare (STM).

7) În 1986, a apărut un microscop de scanare atomic.

8) În 1987-1988, a fost postat principiul acțiunii primei plante de nanotehnologie, care a permis să manipuleze atomii individuali. (În URSS)

E.Drexler - a luat toate cunoștințele despre nanotehnologii, a determinat conceptul de roboți moleculari autopropulsați, care ar fi trebuit să se asigure și să descompune, înregistrând informații în memorie la nivelul atomic, conservarea programelor de auto-reproducere și implementarea acestora.

9) În 1990. Cu ajutorul firmei STM IBM, au fost desenate 3 litere. Acestea au fost trase de atomii Xe (35 atomi) pe o față plată a cristalului de nichel.

Până în prezent, tehnicile tehnologice ale așa-numitelor sunt deja implementate. Atomii de dumping pe suprafețe și formarea diferitelor combinații de atomi în volum - la temperatura camerei.

Cea mai reală producție de nanotehnologii este ceea ce se numește auto-asamblare a structurilor atomice. Sarcina nanotehnologiei moderne este de a găsi legi naturale care ar fi descoperit asamblarea structurilor atomice.

Conceptul de nanoobject, nanomaterial, nanotehnologie.

Nano - ". Astfel, obiectele care au cel puțin o măsurătoare sunt măsurate în NM se încadrează în sfera de nanotehnologii. Gama reală a obiectelor avute în vedere este mult mai largă - cu privire la dimensiunea unui atom unic, de conglomerat (molecule organice care conțin peste 10 9 atomi având mai mult de 1 pm în 1.2 sau 3 dimensiuni. Este fundamental important ca aceste obiecte nu sunt constând din b. atomi, care determină manifestarea unei structuri moleculare atomice discrete a unei substanțe sau a modelelor cuantice ale comportamentului său.

1) Definiția nanoobject. Orice obiect fizic cu dimensiuni nanther în 1x, 2x, 3 coordonate din spate (în curând și posibile în timp).

2) Nano-vectori. Nanoobject se numește orice obiect amorial, în care numărul de atomi de suprafață este comparabil sau depășește numărul de atomi din volum.

3) Definiția nanoobject. Nanoobject este un bagaje cu dimensiuni în 1 sau mai multe coordonate, comparabile cu lungimea de undă de bobly pentru un electron. (În 1924, fizicianul de Broglie a spus că dualismul valului corpuscular pentru fotoni este inerent în orice particulă în natură). unde H este o scândură constantă, p - impuls. Electron - are cel mai mare val de de Broglie.

4) Nano-tip definesc. Apelați obiecte care sunt mai mici decât dimensiunea critică a evenimentului în măsurarea lor. (Dimensiunea compulsiilor cu raza de polarizare a unui fenomen critic, lungimea kilometrajului liber de electroni, dimensiunea domeniului magnetic, dimensiunea solventului fazei solide).

5) Definiția nanoobject. Un obiect nano-obiect se numește un obiect cu o dimensiune mai mică de 100 nm cel puțin în 1 din dimensiunile 3-spațiale. 100nm - lungime de undă pentru un electron în p / p.

Nanomaterialele se numesc atât nano-vectori (ASI care servesc la fabricarea dispozitivelor și a dispozitivelor diferitelor scopuri tehnice, precum și materiale în care nanoobjects sunt utilizate pentru a forma aceste materiale de anumite proprietăți sau materiale nanostructurate. Conceptul de "nanotehnologie" este strâns legat cu conceptul de "nanomateriale".

Sub termenul "tehnologie" înțelege trei cauze:

1) proces tehnologic
2) Set de documentație tehnologică

3) Disciplina științifică studiază modelul de prelucrare și procesele de produse.

Nanotehnologie - Aceasta este o disciplină științifică care studiază modelele în obținerea procesării și aplicării nanomaterialelor.

Motive fizice pentru specificul nanoparticulelor și nanomaterialelor.

1) În nanoobjects, numărul de atomi de frontieră de suprafață sau de cereale devine comparabil cu numărul de atomi. Situat în volum.

2) Atomii, situați la suprafață, de asemenea, în nodurile de margine și pașii au un număr mic de link-uri completate. Spre deosebire de atomii din volumul de solid. Aceasta duce la o creștere diferită a activității chimice, catalitice a nanoobiectelor și a materialelor monostructurate. În plus, migrarea de la atomii de carbon are loc de-a lungul suprafeței este mult mai rapidă, adică. Creșteți rata migrației de difuzie, recristalizarea, precum și capacitatea de sorbție etc.

3) Pentru nanoobjects, puterea tensiunii liniare și de suprafață se manifestă mult mai puternică decât pentru nanoobjects, deoarece La îndepărtarea suprafeței în volumul corpului solid, aceste forțe sunt semnificativ slăbite. Amploarea acestor forțe duce la purificarea volumului de nanoobject a defectelor structurii cristalinei. Nano-Object are o structură cristalină mai avansată decât Nanobject.

Rezistența imaginii a fost obținută prin metoda calculării câmpurilor electrice.

4) În nanoobjects, mărimea efectelor dimensionale datorate împrăștierii, recombinarea și reflexiei la limitele obiectelor este cel mai important dobândită (este vorba despre mișcarea microparticulelor).

În orice fenomen (e-mail, conductivitate termică, plastic, defiratie etc.)

Transportatorii pot fi atribuiți unei anumite lungimi eficiente a alergii libere, atunci când dimensiunea obiectului \u003e\u003e lungimea gamei libere a transportatorului de transportator Procesul de împrăștiere și moartea transportatorilor depinde în mod slab de geometria obiectului . Dacă dimensiunea obiectului este comparabilă cu lungimea calea liberă a transportatorului, atunci aceste procese se continuă mai intens și depind puternic de geometria eșantionului.

5) Dimensiunea nanoparticulelor este comparabilă sau mai mică decât dimensiunea noii faze, domeniu, buclă de dislocare etc. Acest lucru duce la o scădere radicală a proprietăților magnetice (Nanoparticulele Fe nu are proprietăți magnetice), proprietăți dielectrice, proprietăți de rezistență ale nanoobiectelor și nanomaterialelor comparativ cu obiectele macro.

6) Pentru un număr mic de atomi ai substanței, reconstrucția de suprafață, autoorganizarea și auto-asamblarea este caracteristică. acestea. Când combinați un atom într-un cluster, formarea de structuri geometrice, care pot fi utilizate pentru a rezolva problemele tehnice

Figura 1 - Puterea interacțiunii dintre atomi.

7) În nanoobjects, se manifestă modelele cuantice de comportament ale diferitelor particule elementare (electroni). Din poziția mecanicii cuantice, electronul poate fi reprezentat de un val care descrie funcțiile de undă corespunzătoare. Propagarea acestui val în solid este controlată de efectele asociate cu așa-numitul. Restricții cuantice (interferență de undă, posibilitatea de tunere prin bariere potențiale). Pentru materiale metalice, limitările impuse de natura valurilor particulelor elementare sunt încă irelevante, deoarece Pentru ei (pentru electron) 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) Deoarece dimensiunea nanoobiectului scade, crește gradul de eșantionare a spectrului energetic al electronilor. Pentru un punct cuantum (obiect constând literal, de la mai mulți atomi), electronii dobândesc un spectru de energii permise, aproape similare cu un atom separat.

Clasificarea nanoobiectelor.

Dimensiunea nanoobiectului este baza clasificării nanoobiectelor.

În conformitate cu dimensiunea, distinge:

1) 0-D Nanoobjects - cele în care toate cele 3 dimensiuni spațiale se află într-o gamă de nanometri (dur: toate cele 3 dimensiuni<100нм)

Un astfel de obiect într-un sens macroscopic este Zermet și, prin urmare, din punctul de vedere al proprietăților electronice, astfel de obiecte sunt numite puncte cuantice. În ele, valul de Brogly este mai mare decât orice dimensiune spațială. Doturile cuantice sunt utilizate în aranjament cu laser, optoelectronică, fotonică, senzorică etc.

2) 1-D Nanoobjects sunt acele obiecte care au dimensiuni nanometrice în două dimensiuni, iar în a treia dimensiune macroscopică. Acestea includ: nanowires, nanofibre, nanotuburi unice și multi-piatră, macromolecule organice, inclusiv. ADN duble spirale.

3) 2-D Nanoobjects - Cei care au o dimensiune nanometrică numai într-o singură dimensiune, iar în cealaltă, această dimensiune vor fi macroscopice. Aceste obiecte includ: straturi subțiri de suprafață de suprafață omogene: film, acoperiri, membrane, heterostructuri multistrat. Cititorul lor cvasi face posibilă modificarea proprietăților gazului de electroni, caracteristicile tranzițiilor electronice (tranzițiile P-N) etc. Este 2-D Nanoobjects vă permit să veniți cu o bază pentru a dezvolta o bază elementară fundamentală a electronicii. Va fi nanoelectronică, nanoopică etc.

În prezent, 2-D Nanoobjects servesc cel mai adesea ca tot felul de antifraziune, acoperiri anti-coroziune etc. De mare importanță, ei au, de asemenea, pentru a crea diferite tipuri de membrane în filtre moleculare, sorbente etc.

Clasificarea nanomaterialelor.

Având în vedere faptul că nanomaterialele au fost cunoscute în prezent, au venit la nanotehnologia modernă din diferite domenii de știință și tehnologie acceptabile la o singură clasificare, pe orice bază pur și simplu nu există.

Nanomateriale:

Materiale nanostructurate volumetrice

Nanoclusters, nanoparticule, nanopowderi

Nanofilluri multistrat, nanostructuri multistrat, nanofill multistrat.

Nanomateriale funcționale (inteligente)

Nanoporous.

Fullerenes și nanotuburile lor derivate

Biologice și biosolemente

Lichide nanostructurate: coloide, geluri, suspensii, compozite polimerice

Nanocompozite.

Nanoparticule, nanopowderi

Primele nanoparticule au fost create de o persoană din greșeală, întâmplător, în diferite procese tehnologice. În prezent, au început să proiecteze și să producă în mod specific, ceea ce a pus bazele nanotehnologiei. Dezvoltarea nanotehnologiei a condus la o revizuire fundamentală a unor principii fundamentale:

Cale " de sus în jos" - Paradigma totală a nanotehnologiei (de la piesa de prelucrat este tăiată prea mult)

Nanotehnologia oferă calea jos sus" - De la mic la mare (de la un atom la obiect). Aceasta este o paradigmă de nanotehnologie.

Practic, în prezent, în nanotehnologie, tehnici tehnologice care au venit la noi de la Macotehnologii sunt dominate. Pentru a crea nanoparticule care aparțin clasei de obiecte 0-D. Nanotehnologia modernă Aplicați metoda de dispersie, adică. Măcinare. Pentru a șterge (dispersat) orice obiect macroscopic la nanometrică, dispersia normală nu este adecvată. Cu cât dimensiunea particulelor este mai mică, cu atât este mai mare activitatea suprafeței lor, ca rezultat, particulele individuale sunt combinate în conglomerate în vrac. Prin urmare, pentru dispersia ultra-subțire necesită utilizarea unui anumit tip de mediu sub formă de surfactanți, care reduc forțele tensiunii suprafeței, precum și stabilizatoarele. Compoziții de săpun care împiedică armarea. Sub anumite conditii. Atunci când energia de suprafață este puternic redusă la marginea corpului solid, procesul de dispersie poate apărea spontan, datorită. De exemplu, mișcarea de căldură a particulelor. Aceste metode includ pulberi ale particulelor de zeci de nm. Oxizi ai acestor metale cu dimensiuni de particule în 1 nm. Și, de asemenea, produce polimeri dispersari, componente de ceramică etc.

Metode de măcinare: moară de moară, cultivator vibratoare, atractori, mori cu jet de cerneală.

1)

2) În plus față de dispersare, procesul este utilizat pe scară largă, care este combinat de paradigme bumbice. Acest proces constă în evaporarea unui solid, urmată de condens în diferite condiții. De exemplu, o condensare cu abur a unei substanțe încălzită la 5000-10000 ° C într-un mediu de gaz inert răcit, cu o îndepărtare rapidă a pulberii rezultate din zona de condensare. Astfel, este posibil să se obțină pulberi cu dimensiuni de particule 3-5 nm.

1 - Sursa substanței evaporate

2- pompare

3 - Pulbere

4 - Scraper.

5 - Tambur de condensare

3) A treia metodă este, de asemenea, legată de dispersia tradițională și se numește pulverizare a substanței topite în fluxul de gaz răcit sau lichid.

N2, AR2 poate servi ca un jet ca un lichid, alcool, apă, acetonă ca lichid. În acest fel, este posibil să se obțină particule cu dimensiuni de aproximativ 100 nm.

Toate procesele descrise sunt foarte productive, dar de regulă, nu furnizează ultradensura de pulbere, stabilitatea dimensiunii particulelor și nu furnizează puritatea procesului. Acestea nu sunt singurele modalități cunoscute de formare a nanoparticulelor. La 0-D nanoobjects, în plus față de pulberile ultrafine, includ, de asemenea, Fullerenes, Carbon 0-D Nanoobjects.

Capitolul 1- D. nanoobjects.

Fiecare dintre numele Nanoobjects își găsește aplicația în diferite industrii. De exemplu, nanowires oferă utilizarea ca conductori în nodurile submicronice și nanoelectronice. Nanofires sunt utilizați ca element de nanocompunere nanostructurată P / P. Macromoleculele organice găsesc, de asemenea, aplicație în crearea de materiale nanostructurate.

În medicină, în industria chimică.

Pentru electronice, astfel de nanoobjectoare, cum ar fi nanotuburile au fost foarte semnificative. În general, toate nanotuburile sunt împărțite. Este 2 clase mari:

1) Nanotuburi de carbon (CNT).

2) Nanotuburi non-costisitoare.

În plus, toate nanotuburile diferă în numărul de straturi: un singur strat, cu două straturi, multistrat.

Nanotuburi non-armonice

Toate non-CNT-urile sunt împărțite în două sisteme:

1) Nanostructuri tranzitorii ale căror carbon este inclus

2) Nanotuburi dichalcogenide. În prezent, MOS 2, WS 2, WSE 2, MOTE 2, etc. sunt cunoscute din tuburile Dichalcogenide. Astfel de nanotuburi sunt straturi ultra-subțiri, ideale monoatomice, materialele s-au rostogolit într-o rolă.

Unele materiale stratificate, în virtutea asimetricității legăturilor chimice, sunt acoperite în mod liber în astfel de role, iar singura problemă în formarea unor astfel de structuri este de a obține unul liber, care nu este legat de substanța de dimensiune atomică . Alte materiale nu sunt predispuse la plierea spontană și, prin urmare, se dezvoltă metodele tehnologice, permițând forțat nanotuburile. Există 3 variante ale unor astfel de procese:

1) Prelungirea heteroepitaxială a straturilor subțiri de material din care dorim să formăm un nanotub, pe baza nanotuburilor deja existente. Exemplu gan → zno

Principalul dezavantaj al acestei metode este că este dificil să alegeți câteva materiale pentru extensia heteroepitaxială

2) Nanotuburi unice, obținute printr-o scădere secvențială a fasciculului electronic al nanowire original. Exemplu: nanotuburi de aur și platină. D PT Nanotuburi - 0,48 nm.

3) Pe baza cultivării unei structuri heteroepitaxiale subțiri, intense, o grosime a mai multor monostraturi, pe un substrat plat, urmată de eliberarea acestei heterostructuri de la comunicare cu substratul și plierea în tub, derulați. 1 ml - un monostrat.

Procesul de pliere se datorează acțiunii forțelor interatomice într-o heteropolene tensionată.

În metoda de heteroepitianie, din păcate cu el este cultivat, atunci stratul Asin crește la această structură, stratul de asin. Are parametrii laticii de cristal sunt mari decât cele din păcate și, prin urmare, atunci când acest strat este în creștere, este comprimat. Apoi, pe acest strat, din nou stratul Gaale este în creștere. Dar, spre deosebire de Asin, acest strat are un parametru mai mic al laticii de cristal (dimensiunea mai mică a celulei elementare) și, dimpotrivă, se întinde. Ca rezultat, atunci când începem să fiarbăm stratul ASAL, structura eliberată a INAS C ASGA începe să transforme într-un tub în detrimentul forțelor pe care le extinde Inas și stratul Gaale este strâns.

Avantajele metodei:

1) Diametrul tuburilor este variat pe scară largă și poate fi ușor setat ca un set de materiale corespunzătoare pentru heterostructură.

2) Metoda permite utilizarea aproape oricăror materiale (P / P, ME, Dielectrice) și toate le transformă în nanotuburi.

3) Calitate bună și lungime relativ mare de tuburi cu grosimea omogenă a peretelui.

4) Metoda este bine îmbinată cu tehnologia Microchip IC integrat.

5) Proprietățile fizice ale unor astfel de nanotuburi sunt determinate de materialele heterostructurii inițiale.

2- D. Nano-Facilități (Filme subțiri)

Folosit în tehnică. Ca acoperiri. Crearea de acoperiri de film subțire poate schimba semnificativ proprietățile materialului sursă fără a afecta volumul și fără a crește dimensiunile geometrice. Grosime nu mai mult de 1 μm. Cele mai comune obiective de acoperire:

1) Creșterea rezistenței la uzură, stabilitatea termică și coroziune a materialelor de diferite părți.

2) Crearea planarului, cu un singur strat. Multistrat și heterostructuri pentru elemente de micron, nanoelectronică, optoelectronică, senzorială etc.

3) Schimbarea caracteristicilor optice ale suprafeței (ochelari-chameleoni)

4) Pentru a crea medii magnetice în înregistrări și elemente de stocare.

5) Crearea de instrumente optice pentru înregistrarea și stocarea informațiilor. CD, discuri DVD.

6) Crearea de absorbanți, separatoare de amestecuri de gaze, catalizatori, membrane modificate chimic etc. Există două abordări fundamentale diferite pentru îmbunătățirea caracteristicilor de serviciu ale suprafeței (adică, pentru a crea filme pe ele):

1) Modificarea straturilor de suprafață apropiate de diferite tipuri de tratament (chimice, termice, mecanice, radiații sau combinații ale acestora).

2) Aplicând straturi suplimentare de atomi străini.

Toate metodele de acoperire pot fi combinate în două grupe:

1) Precipitații fizice din faza de abur. PVD.

2) Precipitarea chimică din faza de abur. CVD.

În ambele cazuri, procesul este realizat într-o cameră de vid, în care se creează uneori o presiune mică a gazului tehnologic (gaze neutre din punct de vedere chimic - Ar, N2, etilenă)

În (PVD), metodele fizice de precipitare din faza de abur sunt utilizate în principal, două moduri de a furniza materiale noi substratului.

1) Pulverizarea datorată încălzirii termice (încălzirea poate fi efectuată într-o varietate de moduri: rezistiv, fascicul de electroni, inducție, laser etc.

2) Pulverizarea datorată ENK energetic kinetic a ionilor de gaze neutre accelerate, de exemplu, ionii ar. Pozitiv Ion AR bombardează catodul, la ținta catodică a materialului pulverizat și așa mai departe Există o pulverizare fizică a acestui material.

Diferența - numai în metodele de pulverizare a materialelor

Metodele fizice de depunere din faza de abur sunt aplicate cele mai diferite acoperiri, deoarece Aceste metode au o gamă largă de avantaje:

1) O mare varietate de materiale. Care pot fi aplicate în acest fel (mine. Aliaje, polimeri, unele compuși chimici)

2) Posibilitatea de a obține acoperiri de înaltă calitate într-o gamă foarte largă de temperaturi de substrat.

3) Puritate ridicată a acestui proces, care oferă o bună calitate a ambreiajului.

4) Lipsa unei schimbări semnificative a dimensiunii detaliilor.

În metodele de precipitații chimice din faza de abur, produsele solide (film) pe substrat cresc ca rezultat al unei reacții chimice cu participarea atomilor atmosferei de lucru a camerei. Plasma oricărei descărcări electrice este utilizată ca surse de energie pentru a curge o astfel de reacție, uneori radiații laser. Acest tip de procese tehnologice este mai diversi decât cel precedent. Se utilizează nu numai pentru a crea acoperiri, ci pentru fabricarea nanopowders, care sunt apoi îndepărtate de pe suprafața substratului.

În acest fel, puteți obține compuși chimici cu carburi carbon, cu N-nitride, oxizi etc.

Avantajele depunerii chimice din faza de abur sunt:

1) Flexibilitate și mare varietate, care vă permite să precipitați acoperirea pe substraturi de natură și formă diferită (pe fibre, pulberi etc.)

2) Simplitatea relativă a echipamentului tehnologic necesar. Automatizare ușoară.

3) Selecție largă de reacții și substanțe chimice adecvate pentru utilizare

4) Reglarea și controlabilitatea structurii de acoperire, grosimea și dimensiunea granulelor.

5) Grains - Elemente ale unei structuri policristaline, acele cristale care constituie policristale.

Procesele epitaxiale joacă un rol major în producția de structuri de film subțire. Epitaxia este un proces tehnologic de extindere orientată a stratului de material pe suprafața aceluiași material sau alt material, adică. Substraturi care efectuează funcția de a crea o orientare. Dacă materialele substratului și filmele coincid, atunci procesul se numește autopitacitate, dacă materialele substratului și peliculei sunt diferite, atunci este o heteroepitaxie. Toate procesele epitaxiale sunt împărțite în două clase:

1) Procese cu transportator mediu (fază lichidă și epitaxie de fază gazoasă).

2) Fără suport de transport (epitaxi vid). Fasciculul molecular sau epitaxia razei moleculare.

Epitaxi de fază lichidă. Demnități de dezavantaje.

Epitaxia din faza lichidă este utilizată în principal pentru a obține compuși cu semiconductori multistrat, cum ar fi GaAs, CDSNP2; Este, de asemenea, principala modalitate de a obține siliciu cu un singur cristal. Procesul este realizat într-o atmosferă de azot și hidrogen (pentru restabilirea filmelor de oxid pe suprafața substraturilor și topiturii) sau în vid (filme de oxid pre-restaurate). Topul se aplică pe suprafața substratului, dizolvându-l parțial și îndepărtează contaminarea și defectele.

Epitaxi de fază gazoasă. Demnități de dezavantaje.

Epitaxi de fază gazoasă - obținerea straturilor epitaxiale de semiconductori prin depunere din faza paro-gaz. Acesta este cel mai des folosit în dispozitivele semiconductoare de siliciu, Germania și Arsenide Galiu și dispozitive semiconductoare de arsenide galiu. Procesul se efectuează la o presiune atmosferică sau redusă în reactoare speciale verticale sau orizontale. Reacția se aprinde pe suprafața substraturilor (plăci semiconductoare) încălzite la 750 - 1200 ° C

Fasciculul molecular (fascicul) Epitaxi. Demnități de dezavantaje.

Epitaxi de fascicule moleculară (MPE) sau epitaxi de raze moleculare (ME) - creștere epitaxială în condiții de vid super-ridicate. Vă permite să creșteți heterostructura unei grosimi date cu heterburzuri netede monoatomino și cu un profil dopaj specificat. Pentru procesul de epitaxi, sunt necesare substraturi speciale bine purificate cu o suprafață atomică și netedă.

Extensie orientată. Corpul de cristal este văzut cu ochiul gol, suprafața solidă, solidă.

Într-un microscop: Obligațiuni atomice și chimice

Orice atom situat direct pe suprafață are o legătură chimică incompletă, incompletă. Și această conexiune este un minim de PE.

Orientarea efectului atomilor de substrați asupra localizării atomului liber atunci când este depus la suprafață.

Nanomaterialele de carbon

Arhitectul american Fuller a introdus un nou element de design în arhitectură.

În 1985. Particulele de carbon conectate într-un design similar au fost descoperite. Aceste substanțe au fost numite Fullerenes. Fullerene C-60 (60 atomi c), Fullerene C-70 (70 atomi C) este posibil Fullerene C-1000000.

Atomii de carbon pot forma o moleculă C-60 de înaltă integrată, constând din 60 de atomi și situată într-un diametru de 1nm. În același timp, în conformitate cu teorema Euler Leonard, atomii de carbon formează 12 pentagoane corecte și 20 de hexagoane regulate.

Moleculele C-60, la rândul lor, pot forma un cristal, numit fullerite cu o zăbrele cubice limitate (HCC) și legături intermoleculare suficient de slabe. Având în vedere că Fullerenes sunt atomi mult mai mari, grila este obținută nespecificabilă, adică. Are cavități în volumul octaedrului și tetraedral în cavitățile în care pot fi atomii străini. Dacă umpleți cavitățile octaedrale ionii alcalini (K, RB, CS), apoi la temperaturi sub încăpere, Fulleren se transformă într-un material polimer fundamental nou, care este foarte convenabil pentru formarea unei billet polimer în spațiul aproape gol (pentru Exemplu, bule). Dacă completați cavitățile tetraedrale de către alți ioni, noul material superconductor este format cu un T \u003d 40 ÷ 20 K critică, datorită capacității de adsorbție a diferitelor substanțe, fulleritele servesc ca bază pentru crearea de noi materiale unice. Exemplu, C 60 C2H4 are proprietăți feromagnetice puternice. În prezent, mai mult și folosiți mai mult de 10.000 de specii. Din carbon, puteți obține molecule cu un număr gigantic de atomi. De exemplu, de la 100.000.000. Aceasta, cel mai adesea, nanotuburile alungite unice sau multiple (nanotuburi alungite). În același timp, diametrul unui astfel de nanotub este ≈1 nM, iar lungimea este unități, zeci de mm - lungimea maximă. Capetele unui astfel de tub sunt închise cu 6 pentagoane corecte. În prezent, acesta este cel mai durabil material. Grafena este hexagonul drept, are o structură plană, dar poate că în cazul în care foaia de grafen nu este creată din alternanța hexagonilor drept, ci din combinația de 5-7 pătrate.

Sinteza nanomaterialelor de carbon.

Primele fullerene au fost izolate din vaporii de grafit condensați obținuți prin evaporarea laser a probelor de grafit solid. În 1990. Un număr de oameni de știință (Kretcher, Hofman) au dezvoltat o metodă de producere a fullerenelor în cantitatea de mai multe grame. Metoda a fost combinată cu tije de grafit - electrozi într-un arc electric în atmosferă la presiuni scăzute. Selectarea parametrilor optimi ai procesului a făcut posibilă optimizarea randamentului fullerenelor adecvate, care din masa inițială a tijei - 3-5% din masa anodului, care, în parte, explică costul ridicat al lui Fullerene . Acest lucru este interesat de japonezi. Mitsubishi a reușit să stabilească producția industrială de flelerene adecvate prin metoda arderii hidrocarburilor. Dar astfel de flalerene nu sunt curate, ele conțin în compoziția lor 2. Prin urmare, singurul mod pur de a produce - arderea în atmosfera lui el.

O creștere relativ rapidă a numărului total de instalații pentru producerea de fullerene și purificarea acestora a condus la o reducere semnificativă a prețurilor pentru acestea (primele 1 grame - 10.000 $, și acum - 10 ÷ 15 $). Costul ridicat al Fullerene (precum și al altor carbon N / m) explică nu numai o ieșire scăzută%, ci și un sistem complex de curățare. Schema standard de curățare: Când se arde, se formează un fel de funingine. Se amestecă cu un solvent (toluen), atunci acest amestec este filtrat, după ce centrifuga este distilată, astfel încât cea mai mare este distilată de la celelalte incluziuni mici. Apoi evaporate. Precipitatul întunecat rămas este un amestec fin de diferite fullerene. Acest amestec trebuie împărțit în funcție de componentele individuale. Acest lucru este produs prin cromatografie lichidă, adăugând microscopie electronică și utilizând microscopia sondei de scanare.

Inițial, CNT a fost obținut, de asemenea, prin metoda de evaporare a arcului electric sau laser a grafitului, urmată de condensare într-un mediu de gaz inert. Această metodă era departe de cea mai bună. Prin urmare, în prezent, cea mai practică metodă este depunerea chimică a aburului. Pentru a face acest lucru, compusul care conține carbon este luat, de exemplu, acetilenă, este descompusă pe suprafața unui catalizator foarte puternic încălzit. Și pe suprafața acestui catalizator, CNT-urile sunt pornite cu un fascicul dens. Această reacție se numește piroliza catalitică a hidrocarburilor gazoase. Cel mai adesea se realizează în cuptoare tubulare rotative. Ca catalizatori, Fe, CO, Ni, ale căror particule sunt saturate cu bucăți de zeolit. Zeolitul este un mineral natural. Spre deosebire de arcul electric, laser și alte tipuri de sinteză la temperaturi ridicate, piroliza catalitică permite fabricarea nanostructurilor de carbon în scară industrială și nu în laborator și, deși sunt mai puțin puri și mai puțin omogene în compoziție, pot fi utilizate. Graphen. - particule de grafit. Fulgi de grafen sunt plasate pe un substrat de SI oxidat, care permite explorarea grafenei ca material independent, adică Pentru măsurători electrofizice. Exemplu, metoda chimică de obținere a grafenului: grafitul cristalin este expus la HCI și H2SO4, ceea ce duce la oxidare la margini, în aceste frunze grafice. Gruparea carboxil de grafen este transformată în cloruri prin tratarea clorurii de tionil. Apoi, sub acțiunea octadecilaminei, în soluții tetrahidrofuran, tetrachlormetan și dicloretan, transformarea în straturi de grafen cu o grosime de 0,54 nm.

Metoda de obținere a grafenei pe substraturi de carbură de siliciu, în timp ce grafenul este format prin descompunerea termică a carburii de siliciu pe suprafața substratului. Studiile au arătat că un strat de grafit care este alocat în acest caz are o grosime mai mare decât un strat atomic, dar pentru că La interfața dintre carbura SIC Silicon, se formează o încărcare necompensată, deoarece doar un strat atomic de grafit este implicat în conductivitate, adică acest strat este în esență un grafen.

Utilizarea nanomaterialelor de carbon

1) Fullerenes sunt folosite pentru a modifica mediile optice.

2) Pentru fabricarea de materiale compozite fundamentale noi și, atât cu impurități de nanotuburi, cât și cu fullerenes

3) Pentru acoperirile Superhard. Suprafața sculelor, articole de frecare etc. Realizați proprietățile durității cu diamante.

4) Pentru lubrifianți și aditivi.

5) Pentru containere, așa-numitele. hidrogen combustibil, care va continua să fie utilizat ca surse de energie chimică

6) Pentru fabricarea de nanosenzori, înregistrarea tipurilor fizice și chimice de expunere. Sensibilitate - 1 moleculă de substanță străină.

7) Sondă, pentru scanarea microscopiei.

8) Pentru fabricarea manipulatoarelor atomice

9) Pentru fabricarea dispozitivelor de stocare a informațiilor nanomecanice.

10) Pentru fabricarea nanowellificatoarelor, nanoresistorii, nanotranzistorii, elemente nanofecice.

11) Pentru fabricarea ecranelor de protecție din e / m de radiații și temperaturi ridicate. Tehnologie "stealth".

12) Puteți face nanocontaineri pentru droguri.

13) Pentru fabricarea afișajelor paralele de dimensiuni mari de înaltă definiție și luminozitate.

Principiul funcționării microscopului tunelului de scanare (STM)

Dacă reuniți doi atomi separați la o distanță suficientă, este posibilă schimbul de electroni între acești atomi fără achiziție suplimentară de către acești electroni. Prin urmare, dacă luați două corpuri, aduceți-o mai aproape de o distanță suficientă, atunci un curent electric de tunel va curge între aceste corpuri, deoarece Procesul de tranziție a electronilor printr-o barieră potențială fără achiziționarea de energie se numește tunel. Pentru relevanță, este necesar să se efectueze două condiții:

1) Unul dintre corpuri ar trebui să aibă electroni liberi și alte niveluri electronice goale pentru care acești electroni ar putea merge.

2) Între corpuri este necesar să se atașeze diferența potențială, iar valoarea sa este mai mică decât atunci când diferența de aer este de probă.

În STM, unul dintre aceste corpuri este o sondă.

Cu o convergență a sondei și a suprafeței obiectului la distanță, aproximativ 0,5 nm (când funcțiile de undă ale atomilor cele mai apropiate unul de celălalt începe să se suprapună) și când se aplică diferența potențială≈0.1 ÷ 1 între sonda și obiectul începe să curgă așa-numitul. Tunel curent.

Diametrul fasciculului acestui curent de tunel este de ≈0.4 Nm, care asigură o rezoluție ridicată a microscopului de pe planul obiectului. Curentul tunelului va fi de 3 pe. Este important să rețineți că atunci când schimbați distanța L cu 0,1 nM, curentul de tunel se modifică de 10 ori. Acesta este exact ceea ce oferă o capacitate mare care permite un microscop la înălțimea obiectului. De fapt, în procesul de măsurare, sonda, deplasarea deasupra suprafeței obiectului economisește o înălțime constantă.

Fixarea poziției sondei, coordonatele sale în sistemul XYZ vă permite să urmăriți profilul de suprafață și să convertiți imaginea corespunzătoare pe ecranul monitorului.

pentru că Distanța dintre sonda și suprafața studiată în timpul procesului de măsurare nu este mai mare de 0,3 ÷ 1 nm, apoi se poate argumenta că procesul de măsurare se schimbă de fapt în vid. În aer - 20 nm. De fapt, mediul afectează moleculele adsorbite pe suprafață.

Oportunități tehnice de scanare microscop de tunel (STM)

Principalele caracteristici tehnice sunt:

1) Permisiunea de a normal la suprafața obiectului

2) Rezoluție în planul XY, adică În planul de suprafață al obiectului

STM de înaltă rezoluție pe normal la suprafața obiectului de aproximativ 0,01 nm. Determinată de dependența exponențială abruptă a curentului tunelului de la distanța dintre obiect și sonda. În planul XY, rezoluția înaltă este asigurată de diametrul fasciculului de electron al curentului de tunel, care, la rândul său, depinde de gradul de ascuțire a acului sondei. Cu mai multe pasaj a sondei în incrementes≈0.02 nm, rezoluția din planul XY poate ajunge la 0,03 nm. Permisiunea reală a STM depinde de setul de factori, dintre care sunt: \u200b\u200bvibrații externe, zgomote acustice, calitatea sondei. În plus față de rezoluția microscopului, cea mai importantă caracteristică este așa-numita. Creșterea utilă

În cazul în care DG \u003d 200 μm (rezoluție oculară), DM este rezoluția maximă a microscopului. Dm \u003d 0,03 nm (pentru STM). Asa de timp. Pentru comparație: cele mai bune microscoape optice o dată

Alte caracteristici importante STM:

Dimensiunea maximă a câmpului de scanare 1x1 μm.

Mișcarea maximă a sondei OZ (în timpul procesului de măsurare) aproape nu depășește 1 μm.

În principiu, microscoapele moderne pot oferi un câmp de scanare de până la câteva sute, dar precizia se deteriorează. În plus față de măsurarea profilului de suprafață și crearea modelului vizual, STM vă permite să judecați tipul de conductivitate electrică a materialului (pentru P / P), setați parametrii zonei de valență, zona de conducere a SP, Caracteristicile energetice ale impurităților (adică determină poziția nivelurilor de impuritate). Determinați tipul chimic de comunicare dintre atomii de suprafață al obiectului; Determinați compoziția chimică a suprafeței obiectului sau a stratului de suprafață - așa-numitele. Spectroscopie STM.

Atomic-Force Mikorskop (microscop de putere de scanare) AFM.

Diferența față de STM constă în faptul că sondele (consolă) interacționează cu suprafața studiată nu prin electric, ci prin forță.

Dependența de rezistența a doi atomi de la distanță. Puterea repulsiei crește. Completați doi atomi la un moment dat este fundamental imposibil.

Acul de consolă se referă la suprafața obiectului și este respinsă de această suprafață atunci când se apropie de distanța interacțiunii inteligente. Vibrațiile sondei de consolă sunt transformate în semnale electrice în diferite moduri (cea mai simplă este o metodă optică). Metoda optică:

Acest semnal are informații despre înălțime. Pe care consola a căzut la o anumită etapă de măsurare. Informațiile despre mișcarea din planul XY sunt înregistrate din mecanismele de deplasare a acestui plan în studiu.

În plus față de metodele de conversie optică, pot fi utilizați senzori capacitivi sau de tunel, deoarece Între obiectul studiat și sonda (în modul Microscopy ECM), AFM poate explora nu numai obiecte, ci și dielectric. Cerințele pentru obiect - ar trebui să fie netede (astfel încât să nu existe picături ridicate de înălțimi) și solide (obiecte gazoase și lichide nu există niciun punct de explorare).

Rezoluția AFM depinde în mod direct de calitatea de ascuțire a sondei.

Principalele complexități tehnice ale acestui tip de microscopie sunt:

1) Complexitatea producției sondei, indicată la dimensiunea unui atom.

2) Asigurarea mecanică. Inclusiv. Stabilitatea termică și vibrații la nivel este mai bună decât 0,1 Å.

3) Crearea unui detector. Capabil să înregistreze mișcări atât de mici.

4) Crearea unui sistem de scanare cu un pas într-o parte din Å.

5) Asigurarea unei convergențe netede a unui ac de sondă cu o suprafață.

În comparație cu microscopul de electroni raster, RAM, AFM are o serie de beneficii:

1) AFM vă permite să obțineți o ușurare cu adevărat tridimensională a suprafeței, imaginea RAM 2D

2) Suprafața neconductoare, luată în considerare utilizând AFM, nu necesită aplicarea unui strat metalic.

3) Pentru funcționarea normală, RAM necesită un vid, pentru ca vacuumul AFM nu este necesar.

4) AFM poate da o rezoluție mai mare decât REM
Dezavantajele AFM pot fi luate în considerare:

1) Dimensiunea câmpului de scanare mică (comparativ cu REM).

2) Cerințe stricte pentru dimensiunea picăturilor verticale ale înălțimilor suprafeței scanate. În RAM, vezi un fișier, în AFM - nr.

3) Cerințe stricte pentru geometria sondei. Care este foarte ușor de deteriorat.

4) Disecția practică a denaturării. Ceea ce face ca mișcarea termică a atomilor suprafeței studiate. Acest dezavantaj ar putea fi eradicat dacă viteza de scanare a depășit viteza mișcării de căldură a moleculelor, adică. În orice moment, imaginea este deja diferită.

Toate aceste probleme sunt încă compensate pentru orice mod datorită procesării programului de măsurare a rezultatelor măsurătorilor, trebuie totuși să vă amintiți că ceea ce vedem pe ecranul computerului nu este o suprafață reală, ci un model și gradul de fiabilitate a modelului - în cauză.

În prezent, microscoapele de scanare Microscoape STM și ACM au fost utilizate pe scară largă în toate domeniile științei (în fizică, chimie, biologie, în știința materială).

Sonde nanotehnologice.

Inițial, atunci când a fost stabilită principala posibilitate de a mișca atomii individuali cu STM probe, oamenii de știință aveau o euforie - au visat deja să asigure orice obiecte nu numai nanomira, ci și macromir. Cu toate acestea, pe baza realizărilor microscopiei STM, au fost create dispozitive, care se numesc sonde nanotehnologice. Dacă există o mare diferență potențială între obiect și sondă decât atunci când măsurați parametrii de suprafață ai obiectului, puteți excita orice atom de suprafață (rupeți suprafața). Acest atom încântat. De regulă, se potrivește cu sonda și, în consecință, poate fi transferată într-un loc nou într-un loc nou și, cu o scădere a energiei furnizate sondei (cu o scădere a diferenței potențiale), omise din nou pe suprafata. Dar în acele zile, problema fixării (forțate) a atomilor străini nu a fost rezolvată pe suprafața obiectului în alte condiții decât zero absolută sau aproape de zero absolut.

Datorită studiilor efectuate, suntem acum cunoscuți pentru energia de excitație a atomilor diferitelor materiale și au rezolvat problema furnizării de gaze atomice în zona de lucru a sondei STM. De fapt, tocmai prezența unui dispozitiv de alimentare cu gaz atomic în zona de lucru distinge mașina de nanotehnologie a sondei de la STM.

În prezent, au fost deja dezvoltate principiile gestionării mașinilor multi-vize, ceea ce face posibilă creșterea performanței acestora și, prin urmare, crește probabilitatea utilizării mai largi a unui astfel de ansamblu de strat de sondă și, în cele din urmă, cu un ansamblu profitabil în direcția "de jos în sus".

În care se dezvoltă direcții nanotehnologia.

1) Direcția "de jos în sus" este implementată, adică Adunarea Thomart.

2) Crearea de noi nanomateriale prin metode macroscopice și fizico-chimice.

Realizări de nanotehnologie.

1) Controlul suprafeței nanometrului este în cerere în producția de lucruri cum ar fi lentilele de contact, crearea de dispozitive nanoelectronice.

2) Microscopia sondei de scanare cu precizie nu este în prezent. Cu aceasta, puteți găsi și muta atomii individuali și creați grupuri de atomi. Cu toate acestea, astfel de structuri nu sunt adecvate pentru utilizarea în masă.

Cel mai promițător material, din punctul de vedere al nanotehnologiei, este carbon cu proprietăți chimice unice:

1) Vă permite să creați molecule cu un număr nelimitat de atomi.

2) Are izomorficitatea laticii de cristal, adică. Diverse tipuri de lattice de cristal.

În prezent, banii uriași sunt investiți în nanotehnologie.

Termenul "nanoelectronică" este conectat logic la termenul "microelectronică" și reflectă tranziția electronicii semiconductoare moderne din elementele cu o dimensiune caracteristică în regiunea Micron și submicron la elemente cu dimensiunea regiunii nanometrului. Acest proces de dezvoltare tehnologică reflectă legea empirică a lui Moore, care afirmă că numărul de tranzistori ai cristalului se dublează la fiecare și jumătate sau doi ani.

Președintele rus Dmitri Medvedev este încrezător că există toate condițiile pentru dezvoltarea cu succes a nanotehnologiilor.

Nanotehnologia este o nouă direcție a științei și tehnologiei care se dezvoltă activ în ultimele decenii. Nanotehnologiile includ crearea și utilizarea materialelor, dispozitivelor și sistemelor tehnice, a căror funcționare este determinată de nanostructură, adică fragmentele sale ordonate de 1 până la 100 nanometri.

Prefixul "nano", care a venit de la grec ("Narnos" în Grecia - GNOME), înseamnă o jumătate de miliarde de acțiune. Un nanometru (nm) este un miliard de metri.

Termenul "nanotehnologie" (nanotehnologie) a fost introdus în 1974 de către profesor-materiale de la Universitatea din Norio Tanyiguchi (Norio Taniguchi), care le-a determinat ca "tehnologie de producție, permițând obținerea unor precizie ultra-ridicate și dimensiuni ultramale ... aproximativ 1 nm ... ".

În literatura mondială, nanosciența se distinge clar de nanotehnologie (nanotehnologia). Pentru Nanoscale, termenul este de asemenea utilizat. Nanoscale Science (știința nano-dimensionată).

În limba rusă și în practica legislației rusești și a documentelor de reglementare, termenul "nanotehnologie" unește "nanoștiința", "nanotehnologia", și uneori chiar "Nanoindustria" (zone de afaceri și de producție, care utilizează nanotehnologia).

Cea mai importantă componentă a nanotehnologiei este nanomateriale, adică materialele care sunt proprietăți funcționale neobișnuite sunt determinate de structura ordonată a nanofragmentelor lor în dimensiune de la 1 la 100 nm.

- structuri nanoporoase;
- nanoparticule;
- Nanotuburi și nanofibre
- Nanodispersion (coloide);
- suprafețe și filme nanostructurate;
- Nanocristale și nanocluștri.

Tehnica Nanosystem. - sisteme și dispozitive finalizate funcțional, caracteristicile care sunt radical diferite de indicatorii de sisteme și dispozitive de un scop similar, create pe baza nanomaterialelor și nanotehnologiilor.

Aplicații nanotehnologice

Afișează toate domeniile în care această tehnologie globală poate afecta în mod semnificativ progresul tehnic, aproape imposibil. Numai unele dintre ele pot fi numite:

- elemente de nanoelectronică și nanofotonice (tranzistoare și lasere semiconductoare;
- fotodetectoare; Celule solare; diverși senzori);
- dispozitive de înregistrare a informațiilor SuperPost;
- tehnologii de telecomunicații, informații și computaționale; supercomputere;
- echipamente video - ecrane plate, monitoare, proiectoare video;
- dispozitive electronice moleculare, inclusiv comutatoare și circuite electronice la nivel molecular;
- Nanolitografie și nanoimontrină;
- elemente de combustibil și dispozitive de stocare a energiei;
- dispozitive de micro și nanomecanică, inclusiv motoare moleculare și nanotes, nanorobot;
- Nanochimie și cataliză, inclusiv controlul arderii, acoperirea, electrochimia și produsele farmaceutice;
- aplicații de aviație, cosmică și de apărare;
- dispozitive de monitorizare a mediului;
- livrarea țintă a medicamentelor și proteinelor, biopolimerii și vindecării țesuturilor biologice, diagnostice clinice și medicale, crearea mușchilor artificiali, oase, implantarea organelor vii;
- biomecanica; genomică; bioinformatică; biooinstrumentare;
- înregistrarea și identificarea țesuturilor carcinogene, agenți patogeni și agenți nocivi biologic;
- Siguranța în agricultură și în producția de alimente.

Calculatoare și microelectronică

Nanocomputeter. - Dispozitiv de calcul bazat pe tehnologii electronice (mecanice, biochimice, cuantice) cu dimensiunea elementelor logice ale ordinii mai multor nanometri. Computerul însuși dezvoltat pe baza nanotehnologiei are, de asemenea, dimensiuni microscopice.

computer ADN - Sistem de calcul utilizând computerele moleculelor ADN. Calculele biomoleculare sunt un nume colectiv pentru diferite tehnici, într-un fel sau altul asociat ADN-ului sau ARN-ului. În calculele ADN, datele nu sunt prezentate sub formă de zerouri și unități, ci sub forma unei structuri moleculare, construite pe baza spirală a ADN-ului. Enzimele speciale sunt efectuate de rolul de software pentru citirea, copierea și gestionarea datelor.

Microscopul atomic-Power - un microscop de sonde de scanare de înaltă rezoluție, bazat pe interacțiunea acului de consolă (sondă) cu suprafața eșantionului în studiu. Spre deosebire de microscopul de tunel de scanare (STM), acesta poate fi explorat atât pe suprafețe conductive, cât și pe suprafețe neconductoare, chiar printr-un strat de fluid, care permite lucrul cu molecule organice (ADN). Rezoluția spațială a microscopului forței atomice depinde de dimensiunea consolei și de curbura insulei sale. Rezoluția atinge orizontală atomică și o depășește în mod semnificativ pe verticală.

Oscilatorul antenei - La 9 februarie 2005, a fost obținut un oscilator de antenă la laboratorul de la Universitatea din Boston de dimensiune de aproximativ 1 μm. Acest dispozitiv are 5000 de milioane de atomi și este capabil să oscileze cu o frecvență de 1.49 gigahertz, ceea ce face posibilă transmiterea unor cantități uriașe de informații.

Nanomedicina și industria farmaceutică

Direcția în medicina modernă, pe baza utilizării proprietăților unice ale nanomaterialelor și nano-versiunilor pentru urmărirea, proiectarea și schimbarea sistemelor biologice umane la nivel nanomoolecular.

Nanotehnologia ADN. - Utilizați bazele specifice ale moleculelor ADN și ale acizilor nucleici pentru a crea structuri specificate specificate pe baza acestora.

Sinteza industrială a moleculelor de medicament și preparate farmacologice ale unei forme clar definite (bis-peptidă).

La începutul anului 2000, din cauza progresului rapid în tehnologia particulelor de fabricare a nano-dimensiunilor, impulsul a fost dat dezvoltării unui nou domeniu de nanotehnologie - nanoplasmonică. Sa dovedit a fi posibilă transmiterea radiațiilor electromagnetice de-a lungul lanțului de nanoparticule metalice prin excitarea oscilațiilor plasmonului.

Robotică

Nanorobot. - Roboții creați din nanomateriale și dimensiunea comparabilă cu o moleculă cu funcțiile de mișcare, procesare și transmitere a informațiilor, executarea programului. Nanoroboturi capabile să-și creeze copii, adică. auto-reproducere, numite replicatori.

În prezent, nanovosturile electromecanice au fost deja create, care se limitează la mișcare, care pot fi considerate prototipuri ale nanoroboturilor.

Rotoare moleculare - Motoarele nanoscale sintetice capabile să genereze un cuplu atunci când sunt aplicați la ei suficientă energie.

Locul Rusiei printre țările care dezvoltă și producă nanotehnologia

Liderii mondiali din volumul total de investiții în domeniul nanotehnologiei sunt țările, Japonia și Statele Unite. Recent, investițiile în această industrie, China, Brazilia și India au crescut recent semnificativ. În Rusia, valoarea finanțării în cadrul programului "Dezvoltarea infrastructurii nanoindustriei în Federația Rusă pentru 2008-2010 va fi de 27,7 miliarde de ruble.

În ultimul raport (2008) al Firmei de Cercetare din Londra Cientabila, numită "Raport privind perspectivele de nanotehnologie", este scris despre investițiile rusești: "Deși UE în ceea ce privește investițiile încă ocupă primul loc, China și Rusia au deja depășind Statele Unite. "

În nanotehnologie, există zone în care oamenii de știință ruși au devenit primii din lume, primind rezultatele care au marcat dezvoltarea de noi curenți științifici.

Dintre acestea, este posibil să se producă nanomateriale ultrafine, proiectarea dispozitivelor monofonice, precum și lucrările în domeniul microscopiei forței atomice și a sondei de scanare. Numai la o expoziție specială desfășurată în cadrul Forumului Economic al XII-lea (2008), 80 de evoluții specifice au fost depuse imediat.

Rusia produce deja o serie de nanoproindori în cerere pe piață: Nanomabra, Nanopowders, Nanotuburi. Cu toate acestea, potrivit experților, cu privire la comerciala evoluțiilor nanotehnologice, Rusia se află în spatele Statelor Unite și alte țări dezvoltate timp de zece ani.

Materialul preparat pe baza informațiilor privind sursele deschise

Prelegere №19.

Nanotehnologia în ultimii ani a devenit una dintre cele mai importante și mai interesante domenii ale cunoașterii în fruntea fizicii, chimiei, biologiei, științelor tehnice. Oferă speranțe mari pentru descoperiri rapide și noi direcții în dezvoltarea tehnologică în multe domenii de activitate. Pentru a facilita și a accelera utilizarea la scară largă a acestei noi abordări, este important să avem prezentări generale și unele cunoștințe specifice, care, pe de o parte, ar fi suficient de detaliate și profunde pentru o acoperire detaliată a subiectului și, în același timp, Este suficient de accesibil și finisat, pentru a fi util într-o gamă largă de specialiști, dorind să afle mai multe despre ființa întrebării și a perspectivelor din acest domeniu.

Interesul actual la nanotehnologia datează din 1996-1998, când o comisie guvernamentală cu asistența Centrului de Evaluare Tehnologică Mondială (Worldo1ogu Evaluare Septeg), finanțată de Fondul Național al Științei SUA și alte agenții federale , a luat studiul experienței de cercetare la nivel mondial și a experienței de dezvoltare a nanotehnologiei pentru a evalua potențialul lor de inovare tehnologică. Nanotehnologia se bazează pe înțelegerea faptului că particulele de mai puțin de 100 de nanometri (nanometrul este de un miliard de metri) dau materiale din ele noi proprietăți și comportament. Acest lucru se datorează faptului că obiectele cu dimensiuni mai puțin caracteristice (care se datorează naturii unui anumit fenomen) demonstrează adesea alte fizici și chimie, ceea ce duce la așa-numitele efecte dimensionale - comportament nou în funcție de dimensiunea particulelor. De exemplu, modificările structurii electronice, conductivitatea, reactivitatea, punctul de topire și caracteristicile mecanice în dimensiunile particulelor sunt mai puțin critice. Dependența comportamentului asupra dimensiunii particulelor ne permite să proiectăm materiale cu proprietăți noi de la aceleași atomi sursă.

La încheierea WTS, această tehnologie are un potențial enorm de utilizare într-un multiplu extrem de mare și diversificat de zone practice - de la producerea de materiale de construcție mai durabile și ușoare la o scădere a timpului de livrare a medicamentelor nanostructurate în sistemul de creștere a circuitului , creșterea capacității mediilor magnetice și crearea declanșatorilor pentru computerele rapide. Recomandările, aceste comitete ulterioare, au condus la alocarea fondurilor foarte mari pentru dezvoltarea nanoscienței și a nanotehnologiei în ultimii ani. Studiile interdisciplinare au acoperit o gamă largă de subiecte din chimia catalizei de către nanoparticule la fizica lasere pe punctele cuantice. Ca urmare, pentru a evalua cele mai comune perspective și consecințele dezvoltării nanotehnologiei și a face contribuția lor la acest nou domeniu de activitate interesant, sa dat seama că cercetătorii trebuie să depășească periodic limitele câmpului lor îngust de cunoștințe. Managerii tehnici, experți și cei care iau decizii financiare ar trebui să se ocupe de o gamă largă de discipline.

Nanotehnologia a început să fie considerată nu numai ca una dintre cele mai promițătoare ramuri ale tehnologiei înalte, ci și ca factor de formare a sistemului în economia secolului XXI - economie bazată pe cunoaștere și nu folosirea resurselor naturale sau a procesării acestora. În plus față de faptul că nanotehnologia stimulează dezvoltarea unei noi paradigme a tuturor activităților de producție ("de jos în sus" de la atomii individuali - la produs, nu "eșantion-jos", ca în tehnologia de radiații, în care se obține produsul Prin tăierea materialului excesiv din sectoarele mai masive), ea însăși este o sursă de noi abordări pentru creșterea nivelului de trai și rezolvarea multor probleme sociale în societatea post-industrială. Conform majorității experților în domeniul politicii științifice și tehnice și a investițiilor, revoluția nanotehnologiei va acoperi toate domeniile vitale ale activității umane (de la dezvoltarea spațiului - la medicină, de la securitatea națională - la ecologie și agricultură), Iar consecințele sale vor fi extinse și mai profunde decât revoluțiile din ultima treime a secolului al XX-lea. Toate acestea vor fi sarcini și întrebări nu numai în sfera științifică și tehnică, ci și înainte de administratorii diferitelor nivele, potențialii investitori, sfera educației, organele de stat. management etc.

În ultimii ani, apar un număr suficient de publicații dedicate teoriei, proprietăților și utilizării practice a nanomaterialelor și nanotehnologiei. În special, acest subiect este reprezentat pe scară largă în cartea autorilor ch. Pula și Ml.f. Owens Nanotehnology, Per. Din ediția engleză, a doua, augmentate, Ed. Tehnosphere, M., 2006, 335С. Autorii remarcă faptul că, deși această carte a fost inițial planificată ca o introducere a nanotehnologiei, din moment ce însăși natura acestei științe, aceasta sa transformat în introducere în domenii individuale de nanotehnologie, care pare a fi reprezentanții săi tipici. Datorită vitezei mari de dezvoltare și natură interdisciplinară, este imposibil să se ofere o prezentare cu adevărat cuprinzătoare a subiectului. Subiectele prezentate au fost selectate pe baza profunzimii de înțelegere a problemei, volumul aplicațiilor potențiale sau deja existente în tehnică. Multe capitole discută posibilitățile actuale și viitoare. Pentru cei care doresc să afle mai multe despre domeniile specifice în care se dezvoltă această tehnologie, se administrează referințe la literatură.

Autorii au încercat să dea introducerea nanotehnologiei, scrise la un astfel de nivel, astfel încât cercetătorii din diferite domenii ar putea evalua dezvoltarea zonei în afara intereselor lor profesionale, iar liderii și managerii tehnici trebuie să obțină o imagine de ansamblu asupra subiectului. Poate că această carte poate fi folosită ca bază pentru cursul universitar privind nanotehnologia. Multe capitole conțin introduceri la principiile fizice și chimice care stau la baza zonelor discutate. Astfel, multe capitole sunt autosuficiente și pot fi studiate independent unul de celălalt. Astfel, capitolul 2 începe cu o scurtă revizuire a proprietăților materialelor volumetrice necesare pentru a înțelege cum și de ce proprietățile materialelor sunt modificate atunci când se apropie dimensiunea unităților lor structurale la nanometru. Un stimulent important pentru o dezvoltare rapidă a nanotehnologiei a fost crearea de noi instrumente (cum ar fi un microscop de tunel de scanare), care a permis să vadă caracteristicile dimensiunilor nanometrului pe suprafața materialelor. Prin urmare, capitolul 3 descrie cele mai importante sisteme și măsurătorile instrumentale sunt prezentate în nanomateriale. Capitolele rămase consideră alte aspecte ale problemei. Cartea acoperă o gamă foarte largă de probleme și subiecte: efecte asociate cu dimensiunea și dimensiunea obiectelor de nanoștiințe și tehnologii, proprietățile magnetice, electrice și optice ale materialelor nanostructurate, metode de pregătire și cercetare, auto-asamblare și cataliză în nanostructuri, Nanobiotehnologia, dispozitivele nanoelectromecanice integrate, fullerite, nanotuburi și multe altele. Sunt descrise o serie de metode moderne de cercetare și certificare a nanostructurilor și nanoobiectelor: microscopie electronică și de ioni, optic, raze X și spectroscopie magnetică.

În același timp, lacunele din structura și conținutul secțiunilor individuale sunt evidente. Deci, nu există aproape informații despre nanoelectronică, doamnă, idei noi pentru computerele și computerele cuantice. Cele mai multe dintre ele nu menționează nici măcar. Atenția este complet plătită la metode de scanare extrem de puternice și comune de scanare de cercetare, certificare, litografie și design molecular atomic. Un paragraf mic dedicat acestor aspecte nu este complet proporțional cu rolul nanotehnologiei sondei. Un loc foarte modest este alocat cu superconductivitate slabă și cu dispozitive foarte promițătoare bazate pe ea. Scarp sunt prezentate filme și heterostructuri care joacă un rol important în electronică plană modernă, straturile superhardizate și rezistente la uzură etc. În consecință, nu există materiale care luminează metodele de certificare a acestor structuri, în special caracterizarea proprietăților mecanice de straturi subțiri și nano-opțiuni prin metode locale de nanotestie de putere (nanonemonent, nanoseracdere etc.).

De asemenea, observăm că nicăieri este sistematizarea obiectelor și proceselor de nanotehnologie, ca urmare a cărora cititorul neexperimentat rămâne neclar, ceea ce parte a subiectului va fi capabilă să se familiarizeze prin citirea acestei cărți.

În ciuda deficiențelor menționate mai sus, în general, cartea poate fi recunoscută ca fiind utilă pentru o gamă largă de cititori, inclusiv studenți de specialități fizice, chimice și de materiale științifice. Acesta din urmă este cu atât mai relevant faptul că literatura educațională privind nanotehnologia în limba rusă este aproape complet absentă, iar nevoia de a fi mare în legătură cu pregătirea specialiștilor pe nanomateriale și nanoelectronică în 12 universități rusești din 2003.

Nu cu toate ideile și interpretările autorilor pot fi de acord necondiționat. Cu toate acestea, pentru a nu aglomera textul cu un număr mare de comentarii, adăugiri și comentarii critice, numai erori evidente, inconsecvențe și greșeli sunt eliminate la transferul și editarea.

În timpul scrisului cărții și a reestezii în limba rusă, au apărut o mulțime de cărți utile, dintre care unele sunt enumerate mai jos. Potrivit acestora, cititorul interesat se poate familiariza cu secțiuni individuale și panorama de nanotehnologie ca fiind cu totul mai profundă.

Dezvoltarea nanotehnologiilor și a nanomaterialelor începe în 1931, când fizienii germani max Knoll și Ernst Ruska au creat un microscop electronic, care, pentru prima dată, a permis să investigheze nanoobjects. Mai târziu, în 1959, fizicianul american Richard Feynman (Laureat Nobel din Fizică, 1965), pentru prima dată, a publicat un loc de muncă în care perspectivele de miniaturizare numite "acolo în partea de jos - Marea spațiului". El a declarat: "În timp ce suntem forțați să folosim structuri atomice, care natură ne oferă ... dar, în principiu, fizicianul ar putea sintetiza orice substanță pentru o formulă chimică dată". Apoi, cuvintele lui păreau fantastice, deoarece nu au existat tehnologii care să permită atomilor individuali la nivelul atomic (înseamnă că este posibil să înveți separat, să o luați și să o puneți în poziție). Feynman a prescris chiar o recompensă de 1000 de dolari pentru cineva care își dovedește practic corectitudinea.

Istoria dezvoltării nanotehnologiei

În 1974, fizicianul japonez, Norio Tanyiguchi, a introdus termenul "nanotehnologie", propunând să le descriem mecanisme mai mici de un micron.

Fizicienii germani Herre Binnig și Heinrich Roer au fost create de un microscop de tunel de scanare (STM), care a permis manipularea substanței la nivelul atomic (1981), mai târziu au primit Premiul Nobel pentru această dezvoltare. Scanarea microscopului de forță atomică (AFM) a extins tipurile de materiale studiate (1986).

În 1985, Robert Kerl, Harold Kroto, Richard Smallley a deschis o nouă clasă de compuși - Fullerene (Premiul Nobel, 1996).

În 1988, independent de ceilalți oameni de știință francezi și germani, Albert Firth și Peter Grunberg au descoperit efectul magnetorezistenței gigantice (în 2007. Premiul Nobel din Fizică a fost acordat, după care nanofilmele magnetice și nanopod au început să fie utilizate pentru a crea magnetice dispozitive de înregistrare. Deschiderea HMS a devenit baza pentru dezvoltarea spintronicii. Din 1997, IBM la scară industrială a început să producă dispozitive de spinton - capete pentru citirea magneticului pe bază de HMS cu dimensiuni de 10-100 nm.

HMS, sau, altfel, magnetorezistența gigantică (eng. magnetoresistența gigantului Socan., GMR) - este efectul schimbării rezistenței electrice a eșantionului sub acțiunea unui câmp magnetic (în principal în heterostructuri și superlaturi), care diferă de magnetorezistența până la efectul efectului (este posibil Pentru a schimba rezistența la zeci de procente, spre deosebire de magnetorezistență atunci când rezistența la schimbare nu depășește unitățile procentuale). Descoperirea sa a făcut posibilă dezvoltarea mediilor moderne pentru computere - unități de disc hard-magnetice (HDD)

1991 a fost marcat de descoperirea nanotuburilor de carbon de către cercetătorul japonez Sumio IIIJimia.

În 1998, a fost creat pentru prima dată un tranzistor bazat pe nanotuburi cu Decker Sizom (fizicianul olandez). Și în 2004, sa alăturat nanotubeului de carbon cu ADN, pentru prima dată obținând un mecanism de nano-mecanism complet, descoperind astfel calea către dezvoltarea bioanotehnologiei.

2004 - Descoperirea grafenului, pentru studiile privind proprietățile sale A. K. Jocul și K. S. Novoselov în 2010 a acordat Premiul Nobel în fizică. Famousi companii IBM, Samsung Finance Proiecte științifice pentru a dezvolta noi dispozitive electronice, ar putea înlocui tehnologia siliconului.

Caracteristicile generale ale nanotehnologiei și nanomaterialelor

Nanotehnologie (Nt) (Cuvântul grecesc "Nannos" înseamnă "pitic") - acesta este un set de metode de manipulare a substanței la un nivel atomic sau molecular pentru a obține proprietăți predeterminate.

1 nanometru (nm) \u003d 10-9 metri.

Nanotehnologia include tehnologii care oferă capacitatea de a controla și de a modifica nanomaterialele pentru a controla și a modifica, precum și integrarea acestora în sisteme de sistem mai mari de mai mare locuință. Se utilizează nanotehnologii: mesaje atomice ale moleculelor, stimularea locală a reacțiilor chimice la nivel molecular etc. Procesele de nanotehnologie sunt supuse legilor mecanicii cuantice.

Astăzi, principalele ramuri ale nanotehnologiilor sunt: \u200b\u200bnanomateriale, nano-instrumente, nanoelectronică, sisteme microelectromecanice și nanobiotehnologie.

Sarcina NT:

• obținerea nanomaterialelor cu o anumită structură și proprietăți;
• utilizarea nanomaterialelor într-un anumit scop, luând în considerare structura și proprietățile acestora;
• control (studii) al structurii și proprietăților nanomaterialelor atât în \u200b\u200btimpul pregătirii acestora, cât și în timpul aplicării acestora.

Există două abordări principale ale non-producției: de sus jos și jos sus . Tehnologia de sus în jos constă în măcinarea unui material având dimensiuni mari (material masiv) la particulele nanometrice. Când se apropie de partea de jos în sus, produsele de nano-ferme sunt create prin creșterea (crearea) acestora de la scale atomice și moleculare.

Producția la nivel de nano este cunoscută sub numele de non-producție - prevede activități la scară largă, crearea unei producții fiabile și rentabile de materiale, structuri, dispozitive și sisteme nanometrice. Acesta prevede cercetarea, dezvoltarea și integrarea tehnologiilor de sus în jos și mai complexe - din partea de jos în sus sau de la procesele de auto-organizație.

Nanomaterialele sunt dispersate sau materiale masive (boabe structurale, cristalite, blocuri, clustere), dimensiunile geometrice ale căror cel puțin într-o singură dimensiune nu depășesc 100 nM și având proprietăți calitative noi, caracteristici funcționale și operaționale care se manifestă ca rezultat al nanometrice Dimensiuni.

Toate substanțele din starea inițială sau după o anumită prelucrare (măcinare) au un grad diferit de dispersie, dimensiunea componentelor particulelor nu poate fi văzută cu ochiul liber.

Obiectele cu dimensiuni în intervalul de 1-100 nm sunt considerate a fi nanoobjects. Dar astfel de restricții sunt foarte condiționate. În același timp, aceste dimensiuni se pot referi atât la întreaga probă (nano-vertexul este întreaga probă), cât și elementele sale structurale (Nanobject este structura sa). Dimensiunile geometrice ale unor substanțe sunt prezentate în tabel.

Principalele avantaje ale nanoobjects și nanomaterialelor este că pentru dimensiuni mici există noi proprietăți speciale care nu sunt caracteristice acestor substanțe într-o stare masivă.

Clasificarea substanței în funcție de graduldispersie

starea de substanță	fragmentarea substanței	Grad de dispersie, cm -1	Numărul de atomi într-o particulă, PC-uri.
macroscopic	aspru	10 0 -10 2	> 10 18
Observarea înseamnă: ochiul liber
microscopic	finly dispersate	10 2 -10 5	> 10 9
Observație înseamnă: microscop optic
coloidal.	ultradisperse.	10 5 -10 7	10 9 -10 2
Media de observare: Ultramicroscopul optic, microscopul sondei electronice și de scanare
Molecular, atomic și ionic	Molecular, atomic și ionic	> 10 7	<10 2
Observație: microscop de înaltă rezoluție (<0,1 нм) и сканирующий микроскоп

Proprietățile nanomaterialelor sunt determinate de structura lor pentru care abundența limitelor secțiunii (limitele boabelor și a articulațiilor triple sunt linia de contact a trei boabe). Studierea structurii este una dintre cele mai importante sarcini ale materialelor nanostructurate. Elementul principal al structurii este cerealele sau cristalul.

Clasificare prin dimensiune. Conform semnului dimensional al nanoobiectelor separate prin trei tipuri: zero-dimensional / cvasidimensional (0D), unidimensional (1D), bidimensional (2D).

Nanoobjects non-dimensional / cvasi-subțire (0d) - Acestea sunt nanoparticule (clustere, coloiduri, nanocriști și fullerenes) conținând de la mai multe zeci la câteva mii de atomi grupate în legătură sau în ansambluri sub formă de celulă. În acest caz, particula are dimensiuni nanometrice în toate cele trei direcții.

Nanoparticulele sunt nanoobjects, în care toate dimensiunile caracteristice liniare au o ordine de mărime (până la 100 nm). De regulă, nanoparticulele au o formă sferică și, dacă au o plasare pronunțată ordonată de atomi (sau ioni), ele sunt numite nanocristalite. Nanoparticulele cu discreditatea severă a nivelurilor de energie sunt adesea numite "puncte cuantice" sau "atomi artificiali".

Compararea dimensiunilor geometrice ale materialelor

Nano-vehiculele sunt unidimensionale (1d)- Nanotuburi de carbon și nanofibre, nanishing, nanowire, adică obiecte cilindrice cu o singură dimensiune în mai multe microni și două nanometri. În acest caz, o dimensiune caracteristică a obiectului, cel puțin o ordine de mărime depășește celelalte două.

Nanoobjects sunt bidimensionale (2d) - Acoperire sau film cu o grosime a mai multor nanometri pe suprafața materialului masiv (substrat). În acest caz, o singură dimensiune - grosimea trebuie să fie dimensiuni nanometrice, alte două sunt macroscopice.

Proprietăți speciale ale nanomaterialelor

În Macroscale, proprietățile chimice și fizice ale materialelor nu depind de dimensiune, dar când treceți la nanoche, totul se schimbă, inclusiv culoarea materialului, punctul de topire și proprietățile chimice. În materialele nanocristaline, proprietățile mecanice sunt modificate semnificativ. În anumite condiții, aceste materiale pot fi super-greu sau superplastice. Duritatea nanocristalinei nichel în timpul tranziției la dimensiunile nano-dimensionale crește de mai multe ori, iar rezistența la tracțiune crește de 5 ori. Clusterele de topire (mai mult de 1000 de atomi) aurul devine același ca și pentru aurul în vrac. Adăugarea de aluminiu nanostructurat în combustibil cu rachete își schimbă radiul de combustie. Conductivitatea termică a uleiului de motor crește semnificativ atunci când se adaugă nanotuburi de carbon multistrat.

Astfel, în materiale nanocristaline și nanoporoase, suprafața specifică crește brusc, adică proporția de atomi într-un strat subțire (~ 1 nm) aproape de suprafață. Acest lucru duce la o creștere a reactivității nanocristalelor, deoarece atomii care se află pe suprafață au legături nesaturate, spre deosebire de cele care sunt în volum și asociate cu atomii vecini.

Datele experimentale obținute în diferite laboratoare pentru nanopowderi indică faptul că, în cele mai multe cazuri, sensibilitatea la aprinderea de la scânteia electrică, turnarea sau fricțiunea mecanică și intensitatea combustiei crește cu o scădere a dimensiunii particulelor în norul de praf (și, în consecință, cu o creștere a suprafeței specifice).

Dacă particulele de metal sunt de dimensiunea ICM NM, atunci aprinderea minimă (MAE) este redusă semnificativ și este mai mică de 1 MJ (aceasta este limita inferioară a sensibilității dispozitivului, care este de obicei utilizată pentru măsurarea MAE) . A fost studiată dependența dimensiunii lui Al, a particulelor de polietilenă și a înălbiei optice de la Mae. Rezultatele asupra flamicii ale AL sunt prezentate în tabel. Conform datelor obținute, presiunea maximă de explozie P. Max crește odată cu trecerea la Nanodiapa, concentrația minimă de aprindere (MCZ) nu se schimbă semnificativ, iar MAE scade drastic cel puțin 60 de ori.

Felicitatea lui Al. Particule

Dimensiunea particulelor	P Max Bar.	Mkz, g / 3	Maz, MJ.
40 μm. 100 nm. 35 nm.

Dependența dimensională a energiei de suprafață a nanocristalelor conduce dependența corespunzătoare a punctului de topire, care devine mai puțin pentru nanocriști decât pentru macrocristale. În general, în nanocristale există o schimbare vizibilă a proprietăților termice, care este asociată cu o schimbare a naturii oscilațiilor termice ale atomilor. În nanoparticulele feromagnetice, cu o scădere a mărimii sub o anumită valoare critică pentru sistem, ea devine o partiționare eficientă din punct de vedere energetic a domeniilor. Ca rezultat, nanoparticulele sunt convertite din polizme în dormitor, în timp ce primesc proprietăți magnetice speciale.

Zone de știință legate de nanotehnologie

Interdisciplinarea este caracteristicile industriei cunoașterii sau a problemei științifice, în care un rezultat reușit poate fi realizat numai atunci când combină eforturile științelor individuale. Integrarea cunoașterii sectoarelor științifice individuale duce la sinergism - obținerea unor noi cunoștințe calitative, care, datorită proprietăților sale unice, au primit utilizarea în multe domenii de cunoaștere.

Spintronică - Direcție ramura electronică modernă, bazată pe utilizarea efectelor de centrifugare și a proprietăților de rotire cuantice a electronilor, se caracterizează prin două stări cuantice (rotiți-vă și rotiți). Schimbarea orientării spre rotație are loc datorită efectelor densității curente ridicate prin intermediul unor structuri feromagnetice ultra-subțiri (sandwich-uri). Orientarea rotirilor rămâne neschimbată dacă sursa curentului polarizat este oprită, astfel încât dispozitivele de spinton sunt utilizate foarte larg ca capetele de citire, dispozitivul de memorie de pe fenomenul OMG și tunelul mo, tensiunea alternativă controlată de curentul, tranzistoarele pe efect de teren și altele asemenea.

Nanobiologie - o ramură de biologie dedicată studiului proceselor structurale, biologice, biofizice în structurile biologice naturale sau analogii lor nanobiologici, legile care fac obiectul sistemelor biologice. Crearea pe această bază a nanodele actuale a structurilor biologice astăzi constituie baza nanobiologiei. Realizările științei nanobiologiei reprezintă baza pentru dezvoltarea unor astfel de direcții de nanoștiințe, ca nanochimie bioorganică, nanofarmacenți, nanosensoric, nanomedicină și alții asemenea.

Electronică moleculară Explorează nanosistemele electronice care conțin ca piese de componente, molecule unice sau complexe moleculare, precum și tehnologii pentru fabricarea unor astfel de nanosisteme pe baza utilizării proceselor de auto-asamblare, inclusiv procesele de manipulare a atât a moleculelor unice, cât și a complexelor moleculare.

Nanosensorika. — Știința nanosistemelor senzoriale a căror acțiune se bazează pe percepția selectivă a semnalelor de diferite natură: biologică, chimică, temperatură etc. și transformarea lor în electricitate (bioosensori care nu numai că monitorizează starea corpului, ci și automat efectuați unele acțiuni necesare).

Nanoopica. - Zona științifică dedicată nanosistemelor optice care îndeplinesc funcțiile de gestionare a informațiilor, efectuarea procesării, stocării și transmiterii informațiilor sub formă de semnale optice. O secțiune promițătoare a nanoopiei este nanophotonia, baza sa de element este cristale fotonice, sunt utilizate în mod eficient în dispozitivele de procesare, depozitare și transfer de informații.

Nanomeranii. (Nanorobototehnologia) - un domeniu de tehnici angajate în crearea de nanoroboți capabili să efectueze anumite operațiuni medicale în corpul pacientului (nanocaterii care vă permit să efectuați în mod eficient diagnosticarea și terapia în vasele de sânge și în tractul intestinal, precum și dozarea și distribuția nanovosturi care asigură livrarea de medicamente necesare pacienților). În plus, dimensiunile mici de microcomponente le fac ideale pentru manipularea probelor biologice pe un nivel microscopic.

Aplicații de nanotehnologie

NT devin din ce în ce mai importante și pot fi utilizate în toate sectoarele industriale, în special în electronică, industria solară, energie, construcții, auto, aeronave, medicină etc.

Electronică.Dezvoltarea procesului tehnologic în fabricarea tranzistoarelor în tehnicianul de calculator (micro-procesoare) scade treptat de la 90 la 14 nm, ceea ce nu este limita (este planificată să o reducă la 10-8 nm până în 2019). Astfel, un miliard de tranzistori vor fi plasați pe un centimetru.

Datorită dezvoltării științei materialelor și a microelectronicii, apare o scădere a celulei elementare a dispozitivelor de stocare. Astăzi, materialele pe bază de superlattice, diamagnetică, feromagneți, în care se implementează efectul rezistenței magnetice uriașe, compilarea perpendiculară și anizotropia, sunt promițătoare.

Printre tehnologiile semiconductoare, notăm laserele care lucrează la temperaturi scăzute, au un prag de generație mică (până la 15 μA), care va primi o utilizare pe scară largă, de exemplu, în criptografia cuantică.

Combinația dintre cele mai noi rezultate din domeniul științei materialelor și electronicii vă permite să creați dispozitive cu proprietăți flexibile, de umiditate și rezistente la impact, au o durată de viață ridicată și o durată de viață lungă. Utilizarea de materiale noi vă permite să creați echipamente fotodetectabile extrem de eficiente pentru radiații vizibile și infraroșii, utilizarea căreia va crește eficiența liniilor de monitorizare a conductelor, a conductelor, a sistemelor de securitate.

Energie.Problemele de aprovizionare cu energie sunt întotdeauna relevante, acestea prevăd două sarcini principale - crearea de dispozitive cu consum economic de energie electrică și fabricarea încărcătoarelor pe baza noilor tehnologii cu indicatori îmbunătățiți. Echipamentul de iluminat este modernizat, lămpile cu incandescență sunt înlocuite cu LED-uri luminoase și matrice pe baza lor.

O atenție deosebită este acordată unor tipuri alternative de energie. Astfel, au fost dezvoltate celulele solare, absorbția energiei în partea infraroșie a spectrului. Acest lucru se datorează tehnologiei care utilizează un proces special de producție de aplicare a nanoantanenului metalic (spirale mici pătrate) la un substrat de plastic. Acest design vă permite să primiți până la 80% din energia soarelui, în timp ce bateriile solare existente pot fi utilizate numai cu 20%. radiază o mulțime de energie termică, dintre care unele sunt absorbite de pământ și alte obiecte și este radiată timp de mai multe ore după apusul soarelui; Nanoantenna "calm" este radiația termică cu o eficiență mai mare decât panourile solare obișnuite.

Crearea bateriilor bazate pe nanofibrii de siliciu care conțin ioni de litiu în loc de carbon va duce la o creștere a rezervorului încărcătoarelor și expansiunii intervalului de utilizare. Conductivitatea ionică a nanocompozitelor solide electrolitice este mărită cu mai multe ordine de mărime, datorită cărora se pot face bateriile flexibile miniaturale pe baza acestuia.

Medicament.Nanostructura duce la o scădere a dimensiunii tabletei și la o creștere a conținutului substanței terapeutice din sânge. Acest lucru este foarte important deoarece, nanoparticulele în viitor vor fi unul dintre mijloacele de a furniza medicamente în zona afectată (Nanorobot). Nanoparticulele de argint datorate proprietăților lor bactericide sunt utilizate în tratamentul diferitelor RA-uri la dezinfectare. Dimensiunea tipică a nanoparticulelor de argint este de 5-50 nm, sunt adăugați la detergenți, paste de dinți, șervețele umede, aplicate pe suprafața aparatelor de aer condiționat, tacâmuri, mânere ușă (în locuri unde pericolul distribuției infecțiilor) și chiar tastaturile și "șoareci" pentru computere. Nanoparticulele de aur împreună cu anticorpii pot reduce efectul nociv al iradierii în tratamentul tumorilor.

Echipamentul modern vă permite să "vedeți viața" celulelor vii, să efectuați manipulări cu molecule și face posibilă creșterea sau clonarea părților organelor. Combinația de cunoștințe biologice și medicale, împreună cu realizările electronice, permite utilizarea nanotehnologiei și nanomaterialelor, a crea dispozitive microelectronice (jetoane) pentru a controla sănătatea unei persoane sau a unui animal.

Ca urmare a mastering a materialelor din această secțiune, elevii ar trebui:

știi

• Conceptele de bază ale nanotehnologiilor, perspectivele de dezvoltare a nanoscienței și nanotehnologiei;
• tehnologie de obținere a nanoparticulelor;

a fi capabil să

Utilizați nanomateriale și nanotehnologie în producția de produse moderne și promițătoare;

proprii

• Analiza abilităților de cercetare a rezultatelor în nanotehnologie;
• Metode de studiu a nanomaterialelor.

Concepte și definiții de bază

Istoria nanotehnologiei. Noțiuni de bază

Dezvoltarea acestei noi direcții în domeniul științei și tehnologiei a devenit deja în multe țări, inclusiv în Rusia, o prioritate. Pentru a rezolva cele mai complexe probleme ale implementării practice a oportunităților de deschidere pe baza nanotehnologiei de stat și a afacerilor, există fonduri enorme, creează programe speciale, proiecte și centre de coordonare științifică, dar nanotehnologia. Lumea a sporit semnificativ numărul de publicații științifice în acest domeniu. Informațiile privind nanomaterialele și nanotehnologiile sunt incluse în curriculumul universităților tehnice, unii dintre aceștia au început să formeze specialiști într-un nou domeniu științific intens, pe baza cărora le-a obținut deja surprinderea în prezent în aproape toate sferele activității umane și promisiunile viitoare chiar și mai multe realizări izbitoare. Comparabil cu ideile fantastice.

Evident, zona extinsă de știință și tehnologie din secolul al XXI-lea. va fi asociat cu conceptul de "nanotehnologie". Dacă cuvântul "techno" tradus din greacă ( tech.) înseamnă artă, pricepere, ambarcațiuni și "logică" (Logos) - știința, cuvântul "nano" este, de asemenea, de origine greacă ( nanos.) Și înseamnă pitic. Deja acum în termenii "nanofisics", "nanochimie", "nanoporoasă", "nanocristal", "materiale nanocompozite" etc.

Într-adevăr, nano înseamnă doar o cotă de miliarde (10 9) din contor - nanometru (nm). Puteți trimite această valoare numai ca speculativă. De exemplu, 1 nm este ordinea dimensiunii atomului, moleculelor; Fire de această dimensiune în câteva zeci de mii de ori mai subțire de o persoană.

NanotehnologieAstfel, acesta poate fi definit ca un set de produse pentru producerea de produse cu o structură atomică dată prin manipularea atomilor și a moleculelor.

În același timp, trebuie remarcat faptul că terminologia în domeniul nanomaterialelor într-o anumită măsură constă numai, este stabilită. Deci, există o abordare a definiției nanoparticulelor în funcție de parametrii lor geometrici. În particular, părțile nanostructurale includ particule cu o dimensiune de 1 la 100 nm. Limita de 100 nm este selectată pe baza faptului că proprietățile speciale fizicomecanice și chimice ale materialului, inclusiv rezistența, duritatea etc., începând cu această dimensiune și mai jos.

Există și alte abordări care iau în considerare rolul numeroaselor suprafețe ale secțiunii, în timp ce se ia în considerare fracția volumului în cantitatea totală de material. Unii cercetători se bazează în clasificarea nanomaterialelor asupra fenomenelor fizice speciale, manifestate într-o anumită dimensiune a particulelor. Cu toate acestea, cele mai frecvente și, prin urmare, adoptate este o astfel de definiție: nanomateriale - acestea sunt materiale care conțin elemente structurale, ale căror dimensiuni geometrice cel puțin într-o singură dimensiune nu depășesc 100 nm și posedă proprietăți noi, caracteristici funcționale și operaționale.

Alți termeni se găsesc în literatura de specialitate: "Ultra-închisori", "Ultrasperse Systems", "materiale nanostructurale", "materiale nanocristaline".

Nanomaterialele existente pot fi împărțite în mai multe grupuri:

• a) materiale (corpuri solide) cu dimensiuni cel puțin o coordonate mai puțin de 100 nm;
• b) materiale sub forma unei dimensiuni microcradești de la 1 μm la 1 mm;
• c) nanomateriale volumetrice cu dimensiuni de mai multe milimetri. Cu toate acestea, ele constau din elemente nanometrice cu dimensiune de cereale 1 - 100 nm;
• d) materiale nanostructurate compozite. În astfel de compozite, modificatorii sunt diferite tipuri de nanoparticule.

Istoria dezvoltării nanotehnologiei poate fi urmărită cu antichitate profundă. Într-adevăr, presupunerea în sine este că toate substanțele constau din cea mai mică particulă, numită Atom, au fost deja un pas necesar în implementarea ulterioară a ideilor de nanotehnologie. Și a făcut acest lucru prin introducerea conceptului de "atom", filosoful grec Democritus este de 2400 de ani în urmă. Fizicianul american Richard Feynman (1959) a susținut ideea de a crea obiecte reale direct de la atomi, manipulând-le. În 1974, fizicianul japonez Pyrio Tonygchi a introdus conceptul de "nanotehnică" în circulația științifică.

În Rusia, studiile teoretice în domeniul nanotehnologiei au îndeplinit practic nivelul internațional. Un anumit GAL a fost în dezvoltarea echipamentelor de precizie interne pentru cercetare în acest domeniu. Progresul în dezvoltarea accelerată a nanotehnologiei au fost asociate cu crearea de tehnici unice, ceea ce permite studierea unui microworld cu necunoscute înainte de aceasta. Au existat chiar și cele mai puternice microscoape electronice permise să distingă laturile atomice, dar era necesar să se vadă atomii - numai atunci ar putea fi angajați în nanoscience.

În 1981, muscularea și G. RORSR bazate pe așa-numitul efect de tunel au fost construite un microscop de tunel de scanare (STM) și cu ajutorul său imaginea suprafeței aurului, s-a obținut siliciu cu rezoluție atomică. STM este echipat cu cea mai bună sondă a acului conductiv. Sonda se deplasează la o distanță de aproximativ 0,5 nm deasupra suprafeței fiind studiată. O tensiune ușoară constantă se aplică sondei, astfel încât are loc curentul de tunel. Apoi, o ușoară modificare a distanței dintre sonda și suprafața studiului supus conduce la o schimbare semnificativă a valorii curente, care caracterizează sensibilitatea STM. Sistemul de urmărire scanează suprafața astfel încât sonda să monitorizeze continuu relieful. Precizia deplasărilor la scanare atinge mii de nanometri. O astfel de precizie se realizează prin utilizarea unui manipulator mecanic special realizat din material piezoceramic.

Microscopul de tunel de scanare sa dovedit a fi un instrument foarte necesar și subtil pentru studiul obiectelor nanometrice. Pentru invenția sa în 1985, oamenii de știință au primit Premiul Nobel. Cu toate acestea, ar putea fi folosit pentru a studia materialele electrice de ieșire, care a fost o restricție destul de gravă pentru cercetători.

În 1986, un laborator IBM (separarea în Zurich, Elveția) a fost creat de microscopul de generație următoare - forța atomică (ACM). Se bazează pe utilizarea legăturilor interatomice. Când sonda (acul diamantului) se deplasează deasupra suprafeței obiectului studiat, apare puterea interacțiunii dintre sonda și suprafața.

Când cei mai subțiri acul se apropie de atom, forța de atracție crește în primul rând, iar cu convergență ulterioară - chiar și repulsia. Senzorii drăguți transmit acest efect computerului în care semnalul este transformat într-o imagine vizibilă. Un astfel de microscop, spre deosebire de ACM, este un mijloc universal de studiere a materialelor; A găsit o utilizare mai largă.