Основные этапы развития нанотехнологии

В наше безумное время, когда человека отовсюду окружают современные технологии, когда с каждым днем всё больше совершенствуются технологии, а мы не успеваем следить за их новинками, вообще не представляем жизнь без них, стало появляться новое, часто звучащее на слуху, направление «нанотехнология». Что же такое нанотехнология? Чтобы в этом разобраться я провел небольшой опрос среди знакомых и друзей, что же они знают о нанотехнологиях:

• 25% ответили, что не знают;

• 65% ответили, что их применяют в компьютерах;

• 10% - что в военной промышленности .

Цель моей работы рассказать, что могут дать нанотехнологии людям и конкретно: как они могут быть использованы в моей будущей профессий. Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь на абсолютно новый уровень.

Так что же такое нанотехнологии? Разберем само слово «нано» - это переход от микро к нано, «нано - это наименьшая часть микро», или 1нм = 10-9 м .

В наше время мы уже давно сталкиваемся с нанотехнологиями. Возьмем первый компьютер, который занимал целый спортзал, или современный сотовый телефон и сравним их возможности, так же уже давно знакомые нам CD диски производятся с применением нанотехнологий.

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. В настоящее время нанотехнологии развиваются в разных направлениях.

Медицина. Создаются и уже созданы «молекулярные роботы-врачи», которые внедряются вовнутрь человека, устраняют или предотвращают как бы из нутрии, возникающие заболевания. Так же это позволит доносить организму те вещества, которые ему надо, они смогут восстанавливать поврежденные ткани .

Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

Сельское хозяйство. Мы сможем заменять природных производителей пищи (растения, животных) аналогичными компонентами из молекул роботов, они будут воспроизводить те же химические процессы, что в нашем организме

Биология. Уже стало возможно внедрять в живые организмы наноэлементы, что позволит восстанавливать вымершие виды животных, даже создавать новые.

Экология. Внедрение нанотехнологий позволит устранить вредное влияние деятельности человека на окружающую среду. Это возможно с помощью роботов санитаров, которые превращают отходы в исходное сырье, что позволит перейти на безотходное производство .

Космос. Нанотехнологии позволят быстрому и лучшему освоению космоса. С помощью нанотехнологий станет возможным создать огромную армию нанороботов, и они смогут подготовить ближайшие планеты к проживанию на них людей .

Кибернетика. Уже происходит переход рабочей системы микросхем к уменьшению в размерах до величины белковой молекулы, что позволит увеличить в себе объем памяти от байта к терабайтам .

Основные этапы в развитии нанотехнологии .

Что такое нанотехногии мы уже разобрались. Давайте же узнаем, как давно они существуют. Рассмотрим основные этапы развития нанотехнологий.

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

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей лекции «Полно игрушек на полу комнаты» высказал мысль, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

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

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

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной

Инициативы в Области нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. СМИ назвали нанотехнологии "прорывом года" (Science) и "новой многообещающей идеей" (Forbes).

Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Электронные элементы на основе нанотехнологий

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли новые типы транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов.

Так же было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность.

Электроника на нанотрубках.

Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.

Квантовая электроника .

Так же удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Создан миниатюрный механический выключатель, подобный тем,

7 которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случае размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех  жителей Земли.

Солнечные батареи .

Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду.  Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Батарейки и аккумуляторы.

Создана батарея, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора в 600 миллиампер-часов заполняется через несколько минут.

Технологическое машиностроение (на примере автомобильной промышленности).

Нанотехнологии открыли целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован.

Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния  

В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.  

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем: при попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные ионы. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO•), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стёкол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности. Так же созданы самоочищающихся покрытия на основе нанопорошков, прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологий. Новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак

По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.  

Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает экологическим требованиям.

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигатели, трансмиссия .  

При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Его использование позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза; на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер; за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой снижаются вибрации и шум.

В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.  

Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля: с помощью нанотехнологий позволяют объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.  

Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях они находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т. д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также представляют интерес для

10 создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров АВS может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, используется в системах GPS-навигации.  

В результате эволюции происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшаются константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.

Также наиболее перспективными являются углеродные нанотрубки. Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для машиностроения.  

Углеродные нанотрубки (УНТ) уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, пластиковые бамперы и дверные панели автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.

Вывод.

Практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая пресловутый холодильник с доступом в интернет. Микроробототехникой занимается множество лабораторий по всему миру. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно, эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, как мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.

Возможности нанотехнологий поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Я думаю, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.

Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью.

Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться от них. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.

Подводя итог своей работы, я бы хотел заметить, что нанотехнологии незаметно входят в нашу жизнь - хотим мы этого или нет. Я считаю, что нанотехнологии в моей будущей профессии дадут большое развитие, облегчат работу и повысят производительность. Произойдет переход от большого громоздкого оборудования, к его уменьшению, это облегчит его обслуживание и продлит работоспособность. Я считаю, что нанотехнологии, как и все новое в нашей жизни, делается для того, чтобы облегчить и улучшить жизнь человечества.