Главная написать админу

Интересное

Нанотехнології та наноматеріали

5-04-2010, 21:32 Туры на теплоходе речной круиз на теплоходе.
Нанотехнології та наноматеріали

На очах фантастика стає реальністю – люди навчилися переміщати окремі атоми і складати з них, як з кубиків, пристрої і механізми незвичайно малих розмірів і тому невидимі звичайним оком. З'явилася ціла галузь науки –нанотехнологія, – що ввібрала в себе найновіші досягнення фізики, хімії і біології. Учені - нанотехнологи працюють з нікчемно малими об'єктами, розміром в нанометри. Нанотехнологія – не просто кількісний, а якісний стрибок від роботи з речовиною до маніпуляції окремими атомами.
У перекладі з грецького nano означає карлик. Один нанометр – 10–9 м. Нанометр в стільки ж разів менше одного метра, в скільки товщина пальця менше діаметру Землі. Розмір об'єктів, з якими мають справу нанотехнологи, лежить в діапазоні 0,1–100 нм. Більшість атомів мають діаметр 0,1–0,2 нм, а товщина ниток ДНК – близько 2 нм. Діаметр еритроцитів -7000нм, товщина людського волоса -8*104 нм.
Літаки, ракети, телевізори і комп'ютери змінили навколишній світ в ХХ в. Учені стверджують, що в тому, що наступив XXI в. стрижнем нової технічної революції стануть матеріали, ліки, пристрої, засоби зв'язку і доставки, зроблені з використанням нанотехнологій. Ідея про те, що цілком можливо збирати пристрої і працювати з об'єктами, які мають нанорозміри, була вперше висловлена Річардом Фейнманом, лауреатом Нобелівської премії, в 1959 р. в мові «Там, внизу, повно місця!», вимовленої в Каліфорнійському технологічному інституті (США). Слово «внизу» означало в світі дуже малих розмірів». Тоді Фейнман сказав, що коли-небудь, наприклад в 2000  р., люди дивуватимуться з того, що до 1960 р. ніхто не відносився серйозно до досліджень наномиру. За його словами, людина дуже довго жила, не помічаючи, що поряд цілий світ об'єктів, розгледіти які він не в змозі. Ну а якщо ми не бачимо ці об'єкти, то не можемо і працювати з ними. Проте самі люди складаються з пристроїв, які чудово навчилися працювати з нанооб'єктами. Це наші клітки – цегла, з якої складається наш організм. Клітка все своє життя працює з нанооб'єктами, збираючи з різних атомів молекули складних речовин. Зібравши ці молекули, клітка розміщує їх в різних частинах – одні опиняються в ядрі, інші – в цитоплазмі, треті – в мембрані. Уявіть собі можливості, які відкриваються перед людством, якщо воно оволодіє такими ж нанотехнологіями, якими вже володіє кожна клітка людини.
Фейнман так описує наслідки нанотехнологічної революції для комп'ютерів [9]. «Якщо, наприклад, діаметр сполучаючих дротів складатиме від 10 до 100 атомів, то розмір будь-якої схеми не перевищуватиме декількох тисяч ангстрема. Кожен, хто пов'язаний з комп'ютерною технікою, знає про ті можливості, які обіцяє її розвиток і ускладнення. Якщо число використовуваних елементів зросте в мільйони разів, то можливості комп'ютерів істотно розширюються. Вони навчаться міркувати, аналізувати досвід і розраховувати власні дії, знаходити нові обчислювальні методи і т.п. Зростання числа елементів приведе до важливих якісних змін характеристик ЕОМ». Покликавши учених в наносвіт, Фейнман відразу ж попередив про перешкоди, які їх там чекають, на прикладі виготовлення мікроавтомобіля завдовжки всього 1 мм. Оскільки деталі звичайного автомобіля зроблені з точністю 10–5 м, то деталі мікроавтомобіля слід виготовляти з точністю, в 4000 разів більшою, тобто 2,5 *10–9  м. Таким чином, розміри деталей мікроавтомобіля повинні відповідати розрахунковим з точністю ±10 шарів атомів.
Наносвіт не тільки повний перешкод і проблем. Нас в наносвіті чекають і хороші новини – всі деталі там виявляються дуже міцними. Відбувається це через те, що маса нанооб'єктів зменшується пропорційно третьому ступеню розмірів, а площа поперечного перетину – пропорційно другого ступеня. Означає, механічне навантаження на кожен елемент об'єкту – відношення ваги елементу до площі його поперечного перетину – зменшується пропорційно розмірам об'єкту. Таким чином, пропорційно зменшений наностіл володіє в мільярд разів міцнішими наноніжками, чим це необхідно.
Фейнман вважав, що людина зможе легко освоїти наномир, якщо створить машину-робота, здатного робити зменшену, але працездатну копію самого себе. Хай, наприклад, навчилися робити робота, який може без нашої участі створювати свою зменшену в 4 рази копію. Тоді вже цей маленький робот зможе зробити копію первинного, зменшену вже в 16 разів, і т.д. Очевидно, що 10-е покоління таких роботів створюватимуть роботів, розміри яких будуть в мільйони разів менше за первинних (рис.31).
Звичайно, у міру зменшення розмірів постійно стикатимемося з незвичайними фізичними явищами. Нікчемна вага деталей нанороботу приведе до того, що вони прилипатимуть один до одного під дією сил міжмолекулярної взаємодії, і, наприклад, гайка не відділятиметься від болта після відкручування.
Проте відомі нам закони фізики не забороняють створювати об'єкти «атом за атомом». Маніпуляція атомами у принципі цілком реальна і не порушує ніяких законів природи. Практичні ж труднощі її реалізації обумовлені лише тим, що ми самі є дуже крупними і громіздкими об'єктами, унаслідок чого нам складно здійснювати такі маніпуляції.

Рисунок 31 - Художня інтерпретація концепції Р.Фейнмана: роботи уміють самі робити свої зменшені копії

Щоб якось стимулювати створення мікрооб'єктів, Фейнман обіцяв заплатити 1000 доларів тому, хто спорудить мікроелектродвигун розміром 1/64 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). І зовсім скоро такий мікроелектродвигун був створений.
Р.Фейнман передбачив появу нанотехнологій ще в 1959 р., виступаючи з лекцією «Там, внизу, повно місця!». У своїй лекції Фейнман говорив і про перспективи нанохімії. Зараз хіміки використовують для синтезу нових речовин складні і різноманітні прийоми. Як тільки фізики створять пристрої, здатні оперувати окремими атомами, багато методів традиційного хімічного синтезу можуть бути замінені прийомами «атомної збірки». При цьому фізики у принципі дійсно можуть навчитися синтезувати будь-яку речовину, виходячи з написаної хімічної формули. Хіміки замовлятимуть синтез, а фізики -просто «укладати» атоми в пропонованому порядку. Розвиток техніки маніпуляції на атомарному рівні дозволить вирішити багато проблем хімії і біології.
Нанотехнологія стала самостійною областю науки і перетворилася на довгостроковий технічний проект після детального аналізу, проведеного американським вченим Ериком Дрекслером на початку 1980-х, і публікації його книги «Машини творення: прийдешня ера нанотехнологій».
От як починається його книга: «Вугілля і алмази, пісок і мікросхеми комп'ютера, рак і здорова тканина – на всьому протязі історії, залежно від впорядкування атомів, виникало дешеве або дорогоцінне, хворе або здорове. Впорядковані одним чином, атоми складають грунт, повітря і воду; впорядковані по-іншому, вони складають стиглу суницю. Впорядковані одним чином, вони утворюють удома і свіже повітря; впорядковані по-іншому – утворюють золу і дим.
Наша здатність упорядковувати атоми лежить в основі технології. Люди пішли далеко в своїй здатності упорядковувати атоми, від заточування кременя для наконечників стріл до обробки алюмінію для космічних кораблів. Ми гордимося нашою технологією, нашими ліками, що врятовують життя, і настільними комп'ютерами. Проте наші космічні кораблі все ще грубі, наші комп'ютери поки що дурні, а молекули в наших тканинах все ще поступово приходять в безлад, спочатку руйнуючи здоров'я, а потім і саме життя. При всіх наших успіхах у впорядкуванні атомів ми все ще використовуємо примітивні методи впорядкування. При нашої наявної технології ми все ще вимушені маніпулювати великими, погано керованими групами атомів. Але закони природи дають багато можливостей для прогресу, і тиск світової конкуренції завжди штовхає нас вперед. Добре це або погано, але найбільше технологічне досягнення в історії чекає нас попереду».
За визначенням Дрекслера, нанотехнологія – «очікувана технологія виробництва, орієнтована на дешеве отримання пристроїв і речовин з наперед заданою атомарною структурою». Як вважають багато фахівців, протягом наступних 50 років багато пристроїв стануть такими маленькими, що тисяча наномашин цілком зможуть розміститися на площі, займаною точкою в кінці цього речення. Щоб збирати наномашини, необхідно:
– навчитися працювати з одиночними атомами – брати їх і ставити на потрібне місце;
– розробити складальники – нанопристрої, які зможуть працювати з одиночними атомами за програмами, написаною людиною, але без його участі. Оскільки кожна маніпуляція з атомом вимагає певного часу, а атомів дуже багато, то, за оцінками учених, необхідно виготовити мільярди або навіть трильйони таких наноскладальників, щоб процес збірки не займав багато часу;
– розробити реплікатори – пристрої, які б виготовляли самих наноскладальників, оскільки їх потрібне буде дуже і дуже багато.
Учені і технологи вже давно прагнуть в світ маленьких розмірів, особливо ті з них, які розробляють нові електронні прилади і пристрої. Щоб електроний пристрій був розумним і надійним, він повинен складатися з величезного числа блоків, а значить, містити тисячі, а іноді і мільйони транзисторів.
Спочатку роблять фотошаблон (рис.32), для чого на скляній пластині, покритою тонкою непрозорою плівкою хрому, а зверху шаром фоторезиста, лазером роблять рисунок мікросхеми в дуже великому масштабі, проявляють і одержують негатив.
Потім фотошаблон освітлюють паралельним УФ-пучком, який фокусують лінзою і одержують крихітне зображення рисунка мікросхеми на поверхні підкладки, покритої знову ж таки фоторезистом. Останню операцію повторюють багато раз, покриваючи малюнком мікросхеми всю поверхню підкладки. Шляхом подальшої обробки одержують безліч чіпів – шматочків підкладки з мікросхемою на кожному (рис.33)


Рисунок 32 - Фотошаблон з рисунком інтегральної схеми електронного годинника. При освітленні пучок світла проходить через прозорі ділянки (білі на фото) і засвічує фоторезист.

Рисунок 33 - До виготовлення мікросхем методом фотолітографії.

При виробництві мікросхем застосовується оптична фотолітографія. При виготовленні мікросхем фотолітографія використовується принаймні двічі. Спочатку виготовляють фотошаблон: негатив рисунка мікросхеми в дуже великому масштабі, звичайно на скляній пластині. Потім за допомогою цього фотошаблону рисунок мікросхеми відтворюється вже в мініатюрі [8].
Транзистор був винайдений в 1947 р., тоді його розміри складали близько 1 см. Вдосконалення методів, фотолітографії, дозволило довести розмір транзистора 100 нм. Проте основою фотолітографії є геометрична оптика, а значить, цим способом неможливо провести дві паралельні прямі на відстані, меншому довжини хвилі. Тому зараз при літографії використовують ультрафіолетові пучки малої довжини хвилі і навіть електронні пучки.
Впровадження в світ нанорозмірів, по якому йшли виготівники мікросхем дотепер, можна назвати дорогою зверху «вниз». Вони використовують технології, добре себе що зарекомендували в макросвіті, і лише намагаються міняти масштаб. Але є і інший шлях – «від низу до верху». А що, якщо примусити самі атоми і молекули самоорганізовуватися у впорядковані групи і структури розміром в декілька нанометрів?
Прикладами такої самоорганізації молекул є вуглецеві нанотрубки, квантові точки, нанодроти і дендріміри.
Першими пристроями, за допомогою яких стало можливим спостерігати за нанооб'єктами і пересувати їх, стали скануючі зондські мікроскопи – атомно-силовий мікроскоп і працюючий за аналогічним принципом скануючий тунельний мікроскоп. Атомно-силова мікроскопія (АСМ) була розроблена Г.Біннігом і Г.Рорером, яким за ці дослідження в 1986 р. була присуджена Нобелівська премія. Створення АСМ, здатного відчувати сили тяжіння і відштовхування, що виникають між окремими атомами, дало можливість нарешті «помацати і побачити» нанооб'єкти. Основою служить мікрозонд, звичайно кремнієвий – тонка пластинка-консоль (кантільовєр, 500* 50 * 1мкм) з вістрям
.


Рисунок 34 - Вістря мікрозонда і принцип роботи АСМ [8].

(висота 10 мкм, радіус закруглення 1–10 нм), що закінчується сукупністю декількох атомів. При переміщенні мікрозонда уздовж поверхні зразка вістря зонда піднімається і опускається, обкреслюючи мікрорельєф поверхні, як патефонна голка на грамплатівці. Над вістрям розташований дзеркальний майданчик, на який падає і відображається промінь лазера. Відповідно до рухів вістря відхиляється і промінь, і це відхилення реєструється фотодетектором, а сила, з якою вістря притягується до довколишніх атомів, – п'єзодатчиком. Завдяки системі зворотного зв'язку забезпечується постійна сила взаємодії мікрозонда і поверхні зразка. В результаті будується об'ємний рельєф поверхні зразка в режимі реального часу. Розрішальна здатність АСМ - приблизно 0,1–1нм по горизонталі і 0,01 нм по вертикалі.
У іншій групі скануючих мікроскопів для побудови рельєфу поверхні використовується так званий квантово-механічний тунельний ефект. Електричний струм між гострою металевою голкою і поверхнею, розташованою на відстані менше 1нм, залежить від відстані: чим менша відстань, тим більше струм. Якщо між голкою і поверхнею прикладено напругу 10В, то тунельний струм складає 10 нА–10пА. Вимірюючи цей струм і підтримуючи його постійним, можна зберігати постійним і відстань між голкою і поверхнею., що дозволяє будувати об'ємний профіль поверхні. На відміну від АСМ, СТМ дозволяє вивчати тільки провідні поверхні – металів або напівпровідників.

Рисунок 35 - Голка СТМ підтримується на постійній відстані над шарами атомів досліджуваної поверхні [8].

СТМ можна використовувати і для переміщення атома в точку, вибрану оператором. Якщо напругу між голкою мікроскопа і поверхнею зразка зробити у декілька разів більше, ніж треба для вивчення цієї поверхні, то найближчий до неї атом зразка перетворюється на іон і «перескакує» на голку. Після цього, злегка перемістивши голку і змінивши напругу, можна примусити атом, що втік, «зістрибнути» назад на поверхню зразка. Таким чином можна маніпулювати атомами і створювати на поверхні наноструктури. Ще в 1990 р. співробітники IBM (США) показали, що це можливо, склавши з 35 атомів ксенону назву своєї фірми на нікелевій пластинці.


Рисунок 36 - Назва фірми, викладена в СТМ з 35 атомів ксенону на нікелевій пластинці в 1990 р.

За допомогою тунельного мікроскопа можна не тільки рухати атоми, але і створювати передумови для їх самоорганізації. Наприклад, якщо на металевій пластині знаходиться крапля води, що містить іони тіолів, то зонд мікроскопа викликатиме таку орієнтацію цих молекул, коли їх два вуглеводневі хвости обернені від пластини. В результаті можна збудувати моношар тіольних молекул, що прилипнули до металевої пластини.

Рисунок 37. - Кантільовєр СТМ над металевою пластинкою. Справа – збільшене зображення області під зондом кантільовєра, на якій схематично зображені молекули тиола з сірими вуглеводневими хвостами, що шікуються в моношар у кінчика зонда
Нанотехнологія як міждисциплінарний напрям, що сформувався в світовій науці і техніці в останні роки, вивчає об'єкти, розмір яких складає приблизно 0,1 -100 нм [5]. Важливою складовою цього науково-технічного напряму є розробка наноструктурних матеріалів. Під наноструктурними (нанокристалічними, наноком-позитними, нанофазними, нановолоконними і т.д.) матеріалами прийнято розуміти матеріали, основні структурні елементи яких (кристаліти, волокна, шари, пори) не перевищують 100 нм. Актуальне встановлення багатоманітних зв'язків між властивостями і структурою матеріалів з виявленням оптимальних наноструктур, що здійснюється в тісному зв'язку з технологією виготовлення і подальшою експлуатацією наноструктурних матеріалів.
Дослідження останніх років продемонстрували важливу роль наноструктур в різних областях науки і техніка (фізиці, хімії, матеріалознавстві, біології, медицині і т.д.). Наприклад, було продемонстровано, що вуглецеві нанотрубки на порядок міцніші стали (маючи при цьому в шість разів меншу густину), наночастинки здатні вибірково проникати в ракові клітки і вражати їх, деякі наноструктури можуть в мільйони раз підвищувати швидкодію ЕОМ і т.д. Слід зазначити, що у зв'язку з поглибленням знань про будову і функціонування природних об'єктів і живих організмів на молекулярному рівні дослідники намагаються розробити загальний підхід до отримання і використовування штучних матеріалів з нанорозмірною структурою.
По суті на нанооб'єктах побудовані всі природні матеріали і системи. Саме в нанорозмірному інтервалі, на молекулярному рівні, природа «програмує» основні характеристики речовин, явищ і процесів. Нанотехнологічний підхід означає таке ж, але цілеспрямоване регулювання властивостей об'єктів на молекулярному рівні, визначаючому їх фундаментальні параметри.
Термін «нанотехнологія» вперше був використаний японським ученим К. Танігучі в 1974 р. при обговоренні проблем обробки крихких матеріалів. Принципове значення малорозмірних об'єктів було підкреслено нобелівським лауреатом Р. Фейнманом в 1959 р,. його лекція з алегоричною назвою «Внизу повним повно місця: запрошення в новий світ фізики» . Великі надії покладалися на хімічний синтез, причому наголошувалося, що закони фізики не забороняють конструювання матеріалів на атомно - молекулярному рівні.
Деякі ідеї Фейнмана були розвинені Дрекслером. В 1986 р. виходить його книга «Машини творення: пришестя ери нанотехнологій». На противагу традиційному технологічному підходу «зверху — вниз» стосовно мініатюризації інтегральних схем була звернута увага на стратегію «знизу — вгору».
Паралельно розвивалися і концепції наноматеріалів. Вперше вони були сформульовані стосовно металевих матеріалів Г. Глейтером (1981 р.); їм же був введений термін «нанокристалічні» матеріали, пізніше стали використовуватися такі терміни, як «наноструктурні», «нанофазні», «нанокомпозитні» і т.д. Головна роль згідно цієї концепції була відведена поверхням розділу (межам зерен) як чиннику, що дозволяє істотно змінити властивості твердих тіл шляхом модифікації структури і електронної будови, а також за рахунок легування хімічними елементами незалежно від розмірів їх атомів і типу хімічного зв'язку. Г. Глейтером був також запропонований метод отримання наноматеріалів, що полягає в поєднанні виготовлення ультрадисперсних порошків шляхом випаровування—конденсації з їх подальшою in situ вакуумною консолідацією при високому тиску, що забезпечувало отримання дископодібних зразків діаметром до 10 - 20 нм і товщиною до 0,1 - 0,5 нм .
Вивчення малорозмірних об'єктів (порошків, колоїдів, каталізаторів, цеолітов, пігментів, плівок, кластерів і ін.) і квантових розмірних явищ почалося задовго до «нанобуму». Більш того, археологічні знахідки свідчать про існування рецептур приготування колоїдних систем ще в античному світі. «Китайські чернила», наприклад, з'явилися більше чотирьох тисяч років тому в Давньому Єгипті, а вік біологічних нанооб'єктів може обчислюватися з моменту виникнення життя на Землі.
Наукові дослідження нанооб`єктів починаються в XIX в., коли М. Фарадей (1856 -1857 рр.) одержує і досліджує властивості колоїдних розчинів високодисперсного золота і тонких плівок на його основі. На наголошеній М. Фарадеєм зміні кольору в інтенсивності від розміру частинок - навряд чи не перший приклад дослідження розмірних ефектів в нанооб'єктах. Широкий інтерес, який виявляється до них останнім часом, обумовлений, по-крайньої мірі, трьома обставинами.
1.методи нанотехнології дозволяють одержати прин-ципово нові пристрої і матеріали з характеристиками, що значно перевершують їх сучасний рівень, що вельми важ-ливе для інтенсивного розвитку багатьох областей техніки, нанотехнології, медицини, охорони навколишнього середовища, оборони н т.д.
2.нанотехнологія виявилася вельми широким між-дисциплінарним напрямом, об'єднуючим фахівців в області фізики, хімії, матеріалознавства, біології, медицини, тех.-нології, наук про Землю, комп'ютерної техніки, економіки, соціології і ін.
3.рішення проблем нанотехнології виявило багато про-пусків як у фундаментальних, так і в технологічних знаннях, що знову-таки сприяло концентрації уваги нау-ково-інженерного співтовариства в цьому напрямі.
Вот деякі з пріоритетних напрямів нанотехнології:
•молекулярний дизайн матеріалів і речовин із заданими властивостями, що значно перевершують властивості їх сучасних аналогів;
•нанопроцесори з низьким рівнем енергоспоживання і істотно вищою продуктивністю;
•невеликі за розміром пристрої, що запам'ятовують, з величезним (мультітерабітним) об'ємом пам'яті;
•нові лікарські препарати і методи їх введення в орга-нізм(проблеми надмалих доз і їх адресної доставки);
•нові методи моніторингу навколишнього середовища і організму людини з використанням наносенсорів.


Понравилась статья - Нанотехнології та наноматеріали, читайте также:

  • Чому одні матеріали гнучкі, інші тендітні, треті м'які?
  • Особливості наноструктури
  • "Штучні атоми" - "всі ростуть як на підбір..."
  • Квантові структури
  • Квантові основи електроніки
  • Фізичні обмеження, пов'язані з технологією виготовлення ІС
  • Така близька наноелектроніка
николай
6 апреля 2012 11:09
ICQ:

привет
Добавление комментария

Ваше Имя:

Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера