Нанотехнология
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Шестерни из одной молекулы
Нанотехноло́гия — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10−9 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, ибо на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей зачастую не имеют смысла, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

Нанотехнология ныне находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, все еще не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. За применение передовых научных исследований, нанотехнологию относят к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология, и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Содержание

1 История
2 Достижения нанотехнологии
2.1 Наночастицы
2.2 Атомно-силовая микроскопия
2.3 Самоорганизация наночастиц
2.4 Проблема образования агломератов
2.5 Новейшие достижения
2.5.1 Графен
2.5.2 Геомодификаторы
2.5.3 Транзистор из нанотрубок
2.5.4 Новый процессор Intel
2.5.5 Плазмон
2.5.6 Антенна-осциллятор
2.5.7 Нанокомпьютер
2.5.8 Наноаккумулятор
3 Индустрия нанотехнологий
4 См. также
5 Ссылки

История
Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологией, сделал Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой речи «Там внизу полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»). Он предположил, что возможно перемещать атомы отдельно, механически, при помощи манипулятора соответствующих размеров.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размеров порядка нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер, особенно в своей книге «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology»), которая вышла в 1986 году. Этим термином он называл новую область науки, которую он исследовал в своей докторской диссертации в Массачусетском Технологическом Институте (МТИ). Результаты своих исследований он впоследствии опубликовал в книге «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Главную роль в его исследованиях играли математические расчёты, поскольку с их помощью до сих пор можно проанализировать предположительные свойства и разработать устройства размеров порядка нанометров.

В основном сейчас рассматривается возможность механического манипулирования молекулами и создание самовоспроизводящихся манипуляторов для этих целей.
Как уже было сказано, это позволит многократно удешевить любые существующие продукты и создать принципиально новые, решить все существующие экологические проблемы. Также такие манипуляторы имеют огромный медицинский потенциал: они способны ремонтировать повреждённые клетки человека, что приводит фактически к реальному техническому бессмертию человека. С другой стороны, создание наноманипуляторов может привести к сценарию «серой жижи». Также предполагают возможным сценарий, когда определённая группа людей получает полное управление над таким манипулятором и использует его, чтобы полностью утвердить свою власть над другими людьми. Если этот сценарий осуществится, получится идеальная монополия, которую, по-видимому, невозможно будет уничтожить.

В России с 1994 года развивается проект «Искусственный интеллект и нанотехнология в контексте Русской Идеи». В проекте рассматриваются проблемы технологического прорыва России, национальной безопасности и воспитания нового поколения инженеров. основной выход проекта DVD ИИ_НАНО.

Достижения нанотехнологии

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

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, пламенным синтезом, восстановлением тонких плёнок итд, двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания итд, одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры итд. Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв, посему скорее всего именно с ними будет связан прорыв в нанотехнологиях в ближайшие годы.

Атомно-силовая микроскопия
Одним из методов, используемых для изучения и даже создания наночастиц, является атомно-силовая микроскопия, а также туннельная электронная микроскопия. Устройство, называемое атомно-силовым микроскопом способна не только «рассмотреть» отдельные атомы, но и даже передвигать их на некоторые расстояния. Ученым удалось создать наноструктуры, используя этот метод. Например, компания IBM выложила свой логотип из нескольких атомов углерода, последовательно перемещая[Источник?] их по подложке. Однако такая операция очень сложна, дорога и требует длительного времени, поэтому атомно-силовые микроскопы используются в основном для изучения наночастиц, полученных другими способами.[Источник?]

Самоорганизация наночастиц
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, смешая эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Природные и искусственные материалы, как оказалось, имеют совершенно различные свойства на макро и наноуровне. Так, наночастицы из золота диаметром несколько нанометров проявляют каталитические свойства, тогда как на макроуровне слиток золота — один из самых инертных материалов.

Проблема образования агломератов
Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Подробнее это рассмотрено в источнике "Organic Additives And Ceramic Processing, ", D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (англ.).

Новейшие достижения

Графен
Основная статья: Графен
В октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester) было создано небольшое количество материала, названного графен. Роберт Фрейтас (Robert Freitas) предполагает, что этот материал может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств.

Геомодификаторы
Основная статья: Геомодификатор
10 августа 2004 года, зарегистрирован патент № 2264440 на способ формирования антифрикционного покрытия трущихся поверхностей, основанный на использовании специального состава-геомодификатора трения: «композиции силикатно-керамической», торговая марка «MEGAFORCE». КСК вводится между трущимися поверхностями при помощи носителя (масла, консистентные смазки, фреон, антифризы и т. д.). В результате чего, в процессе эксплуатации, на поверхностях трения образуется слой металлокерамики, составляющий с поверхностью детали единое целое. Компоненты состава обладают всеми свойстваими наночастиц, в том числе саморегуляцией процессов образования металлокерамики, в зависимости от состояния поверхности. Подробнее: cnt-moscow.ru

Транзистор из нанотрубок
23 августа 2004 года в Стенфордском университете (Stanford University) удалось создать транзистор из одностенных углеродных нанотрубок и некоторых органических материалов. Нанотрубки играли роль электродов, а помещенный между ними органический материал — полупроводника. Это устройство имело длину 3 нанометра и ширину 2 нанометра.

Новый процессор Intel
1 марта 2005 года сайт news.com сообщил, что компания Intel создала прототип процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 65 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Данный прототип использует комплементарные металл-оксидные полупроводники, но в дальнейшем компания намерена перейти на новые материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки.

Плазмон
Основная статья: Плазмон
На сайте PhysOrg.com сообщается о перспективах использования плазмонов. Плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Антенна-осциллятор
Дальнейшие исследования направлены на создание осцилляторов для телекоммуникаций. 9 февраля 2005 года сообщается, что в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 50 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц. Это позволит передавать с ее помощью большие объемы информации.[Источник?]

Нанокомпьютер
Основная статья: Нанокомпьютер
В настоящее время многие исследователи ведут работу над созданием нанокомпьютера

Наноаккумулятор
Основная статья: Наноаккумулятор
В начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут.

В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей. Заказ поступил от компании Phoenix Motorcars (США). Phoenix Motorcars Phoenix планирует произвести 10 электромобилей в 2006 , 500 штук — в 2007, 5000 — в 2008, 20000 — в 2009, 50000 — в 2010 и 100000 — в 2011 году[Источник?]…

Индустрия нанотехнологий
В 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. На долю частных доноров — корпораций и фондов — пришлось примерно $6.6 млрд. инвестиций, на долю государственных структур — около $3.3 млрд. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых нанотехнологий на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объем инвестиций составил $4 млрд.), США — на 122 % ($3.4 млрд.).

См. также

Дополнительные иллюстрации
доступны на Викискладе.
Нанороботы
Серая слизь
Супрамолекулярная химия
Биокомпьютер Эдлмана
Молекулярный компьютер
Конечный биоавтомат Шапиро
Нанокомпьютер
Квантовый компьютер
Нанопанк
http://ru.wikipedia.org/wiki/Spinhenge@home — проект распределённых вычислений в области нанотехнологий (Молекулярные магниты: Наноуровень управления магнетизмом)