(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Развитие нанотехнологий
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего проф образования
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ технический УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
Кафедра
«Физика и разработка материалов и компонент электрической техники«
Курсовая работа на тему:
«Нанотехнологии«
по дисциплине «Физика твердого тела«
Управляющий
Водзинский В.Ю. _____________________
«_____» _______________ 2009
Выполнил
Иванов А.С. __________________________
«_____» _______________ 2009
Работа защищена с оценкой _____________
Нижний Новгород 2009
Содержание
- Введение
- 1. Появление и развитие нанонауки
- 2. Виды искусственных наноструктур
- 3. Некие характеристики наноструктур
- 4. Получение искусственных наноматериалов
- 5. Прикладная нанотехнология
- 6. Будущее нанотехнологий: препядствия и перспективы
- Выводы
- Литература
Введение
Нанотехнологии — ключевое понятие начала XXI века, знак новейшей, третьей, научно-технической революции. Это «самые высочайшие» технологии, на развитие которых ведущие экономические державы растрачивают сейчас млрд баксов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компы в манипулировании информацией. Их развитие открывает огромные перспективы при разработке новейших материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Посреди более возможных научных прорывов специалисты именуют существенное повышение производительности компов, восстановление человечьих органов с внедрением вновь воссозданной ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология), получение новейших материалов, сделанных впрямую из данных атомов и молекул, также новейшие открытия в химии и физике.
Нанотехнологии уже так либо по другому затрагивают нашу жизнь. Нанопродукты можно найти в карах и в краске на стенках домов. По прогнозам отраслевой ассоциации NanoBusiness Alliance, к 2010 году мировой Рынок нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. баксов.
одна из обстоятельств сложного «нрава» нанотехнологии состоит в том, что ее сфера — непостижимо малые по своим масштабам элементы. Нанометр — единица измерения, которая отдала заглавие нанотехнологии, — составляет одну миллиардную часть метра. Атом водорода, меньший из имеющихся в природе, имеет поперечник около 1/10 нм; поперечник людского волоса — около 75 тыс. нм.
Еще одна причина неверных представлений о технологии унаследована от ее чисто теоретического прошедшего: ее объявляли ключом к победе над заболеваниями и загрязнением окружающей среды, к созданию настольных фабрик, где невидимые боты будут создавать немыслимые изделия, и даже к фактическому бессмертию. сразу ее клеймили как потенциальную чуму, которая приведет к возникновению армий нанороботов, вытесняющих людей, либо покроет землю сероватой слизью побочных молекулярных товаров. Логично, что реальность не имеет ничего общего ни с розовыми мечтами, ни с страхами.
Нанотехнологии отменно различаются от обычных дисциплин, так как на таковых масштабах обычные, макроскопические, технологии воззвания с материей нередко неприменимы, а микроскопичные явления, пренебрежительно слабенькие на обычных масштабах, стают намного значительнее: характеристики и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.
В большой степени определение нанотехнологии зависит от спеца, которому задан вопросец.
Теоретик Э. Дрекслер предложил слово «нанотехнология» в 1980 году, описывая им теоретический (в то время) молекулярный производственный процесс с внедрением компонент и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот спектр получил заглавие наномасштаб — nanoscale).
В неких книжках можно повстречать последующее определение: нанотехнология — это совокупа способов производства товаров с данной атомарной структурой методом манипулирования атомами и молекулами.
В связи с данным определением возникает естественный вопросец: каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Попробуем разобраться в этом, а так же раскрыть сущность нанонауки, разглядеть историю ее развития, выделить объекты ее исследования, способы исследования, и, что самое увлекательное, осознать, как человек реализует большой потенциал нанонауки в ежедневной жизни.
1. Появление и развитие нанонауки
Нанонаука базирована на исследовании объектов, которые включают составляющие размерами наименее 100 нм хотя бы в одном измерении и в итоге получают принципно новейшие свойства. Эта ветвь познаний относительно молода и насчитывает не наиболее столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году на теоретическом уровне обосновал, что размер молекулы сахара равен 1 нм.
Идею же сотворения особых устройств, способных просочиться в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся южноамериканский физик сербского происхождения Никола Тесла. Конкретно он предсказал создание электрического микроскопа.
1-ые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения нанотехнологий, — это труды русского физика Г.А. Гамова. в 20-е годы XX века он в первый раз произвел решения уравнений Шредингера. Неповторимое свойство, свойственное для квантовых частиц, заключается в их возможности просачиваться через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответственного данной преграде. Электрон, встретив на собственном пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, нареченное «туннельным эффектом» (туннелированием), позволило разъяснить почти все экспериментально наблюдавшиеся процессы.
В 1939 году германские физики Э. Руска и М. Кноль сделали электрический микроскоп, ставший прототипом новейшего поколения устройств, которые дозволили заглянуть в мир нанообъектов.
Совершенно идея о том, что в дальнейшем население земли сумеет создавать объекты, собирая их «атом за атомом», всходит к известной лекции «Там понизу много места» 1-го из больших физиков XX века, доктора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана. Размещенные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика либо шуточка. Сам же Фейнман гласил, что в дальнейшем, научившись манипулировать отдельными атомами, население земли сумеет синтезировать все что угодно, т.е. применять атомы как обычный строительный материал.
В 1964 году, спустя 6 лет опосля изобретения интегральной схемы, Г. Мур, один из основоположников американской компании Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет умножаться любые два года. Это наблюдение получило заглавие первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их производства, он нашел закономерность: новейшие модели микросхем всякий раз появлялись через примерно равные промежутки времени (18-24 месяца). При всем этом их емкость росла всякий раз приблизительно в два раза.
В 1968 году сотрудники южноамериканского отделения исследования полупроводников Дж. Артур и А. Чо разработали теоретические базы нанообработки поверхностей.
В 1973 году русские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали 1-ые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и обосновали ее стабильность. Глобальная наука впритирку подошла к началу решения прикладных задач в области нанотехнологий.
Современный вид идеи нанотехнологии начали получать в 80-е годы XX века в итоге исследовательских работ Э. Дрекслера, работавшего в лаборатории искусственного ума Массачусетского технологического института.
Дрекслер выдвинул теорию всепригодных молекулярных ботов, работающих по данной программке и собирающих любые объекты (в том числе и для себя подобные) из подручных молекул. Все это также поначалу воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда достаточно буквально предсказал много будущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года реализуются, при этом нередко со значимым опережением даже его прогнозов.
Почти все ученые в мире в той либо другой степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» в первый раз (в 1974 году) предложил японский физик Н. Танигучи из Токийского института. Нанотехнология, по Н. Танигучи, — это разработка объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м, включающая процесс разделения, сборки и конфигурации материалов методом действия на их одним атомом либо одной молекулой.
Скопленные познания в области нанотехнологий дозволили заного посмотреть на ряд неповторимых природных явлений. Так, в 1975 году германские ботаники В. Бартлотт и К. Найнуйс нашли и запатентовали явление самоочистки поверхностей неких растений, также тот факт, что этот парадокс протекает в наноструктурированных поверхностных областях.
Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новейший уровень. В весеннюю пору 1981 года германские физики К. Бинниг и Э. Руска, также швейцарец Г. Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп дозволил выстроить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. При помощи такового микроскопа сделалось вероятным «захватить» атом с токопроводящей поверхности и поместить его в необходимое пространство, другими словами манипулировать атомами, а как следует, конкретно собирать из их хоть какое вещество.
В 1985 году коллектив ученых в составе британского астрофизика, Г. Крото, американских химиков Р. Керла, Д. Хита и Ш. О’Брайена под управлением Р. Смолли получил новейший класс соединений — фуллерены — и изучил их характеристики. В итоге взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была найдена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена — это 20 практически безупречных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позже удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также в первый раз смогли измерить объект размером 1 нм.
В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп. Таковой микроскоп, в отличие от туннельного, может вести взаимодействие с хоть какими объектами, а не только лишь с токопроводящими материалами.
Собственного рода сенсацию в сентябре 1989 года сделали южноамериканские исследователи Д. Эйглер и Э. Швейцер из Калифорнийского научного центра компании IBM. При помощи 35 атомов ксенона на чистой в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили заглавие собственной конторы.
В 1991 году японский исследователь С. Ииджима из компании NEC открыл углеродные нанотрубки.
В 1992 году Э. Дрекслер на научном уровне разглядел задачки практического внедрения молекулярных нанотехнологий в новеньком научно-практическом направлении, которое следует именовать «практическая нанотехнология».
Это отдало мощнейший толчок к началу внедрения нанотехнологических способов в индустрии. В 1994 году стали появляться 1-ые коммерческие материалы на базе микрочастиц — нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии.
В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), в первый раз получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.
Быстрое развитие нанотехнологий вызвано к тому же потребностями общества в резвой переработке больших массивов инфы.
Современные кремниевые чипы могут при различных технических ухищрениях уменьшаться ещё приблизительно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нм вырастут квантовомеханические помехи, что равнозначно недлинному замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в каких заместо кремния употребляются разные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В истинное время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.
2. Виды искусственных наноструктур
Самым обычным наноматериалом могут служить фрагменты вещества, размельченные до наноразмерного состояния либо приобретенные каким-то иным физическим либо хим методом. Хотя бы в одном измерении они обязаны иметь протяженность не наиболее 100 нм и проявлять отменно новейшие характеристики (физико-химические, многофункциональные, эксплуатационные и др.)
Реально спектр рассматриваемых объектов еще обширнее — от отдельных атомов (размером наименее 0,1 нм) до органических молекул, содержащих выше 109 атомов и имеющих размеры даже наиболее 1 мкм в одном либо 2-ух измерениях. Принципно принципиально, что в их уже в значимой степени проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества и квантовые эффекты.
Наноструктуры владеют сочетанием ряда характеристик и физических явлений, нехарактерных обычным состояниям материалов. Уменьшение размера кристаллов может приводить к существенному изменению параметров материалов. Установлено, что эти конфигурации появляются, когда средний размер кристаллических зернышек не превосходит 100 нм, а более эффективны при размере зернышек наименее 10 нм. При всем этом частички могут иметь сферическую (равноразмерную) форму, быть вытянутыми в виде нанопроволоки либо нановолокна либо представлять собой наночешуйки (пластинки). основное, чтоб одно из измерений не превышало 100 нм.
На рис.1 показаны сферические наноразмерные структуры кремния. тут поперечник 84% частиц — 44 нм, а 16% — 14 нм.
На рис.2 представлены нановолокна политетрафторэтилена (ПТФЭ). Поперечник нановолокон — 40-60 нм при длине несколько микрометров.
Рис. 1. Наноразмерные частички кремния поперечником 14-50 нм
Рис. 2. Нановолокна ПТФЭ поперечником 40-60 нм
Еще одной формой микрочастиц могут быть слоистые наночешуйки шириной до 100 нм. На рис.3 представлены микрочастицы монтмориллонита (глинистого минерала подкласса слоистых силикатов), измененного фторуглеродными соединениями со слоистым строением, которые используются в качестве добавок к водянистым полимерным системам, к примеру, для сотворения препаратов автохимии.
Рис. 3. Наноразмерные слоистые частички монтмориллонита, измененного фторуглеродными соединениями
Одним из основных хим частей, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы. До недавнешнего времени было понятно, что углерод образует четыре аллотропных формы — алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдеилит (в первый раз найден в метеорах, потом получен искусственно). При всем этом уже на шаге перехода углерода от обычного угля до графита отмечаются значимые конфигурации параметров материала.
В 1985 году Р. Керл, Г. Крото и Р. Смоли совсем нежданно открыли принципно новое углеродное соединение — фуллерен (многоатомные молекулы углерода Сn), неповторимые характеристики которого вызвали целый шквал исследовательских работ. Фуллерен имеет каркасную структуру, весьма напоминающую футбольный мяч, состоящий из «заплаток» пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в верхушках этого полиэдра находятся атомы углерода, то мы получим самый размеренный фуллерен С60 (молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией, нехарактерной неорганическим соединениям в природе, потому признано, что молекула фуллерена является органической молекулой).
В молекуле С60, которая является более известным, также более симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При всем этом любой пятиугольник граничит лишь с шестиугольниками, а любой шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три — с пятиугольниками. Любой атом углерода в молекуле С60 находится в верхушках 2-ух шестиугольников и 1-го пятиугольника и принципно неотличим от остальных атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, соединены меж собой мощной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки — 0,1 нм, радиус молекулы С60 — 0,357 нм. структура молекулы фуллерена увлекательна тем, что снутри такового углеродного «мячика» появляется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы остальных веществ, что дает, к примеру, возможность их неопасной транспортировки. По мере исследования фуллеренов были синтезированы и исследованы их молекулы, содержащие различное число атомов углерода — от 36 до 540.
Рис. 4. Представители фуллеренов: С60, C70, и C90
Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также создаваться протяженные цилиндрические структуры, так именуемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким многообразием физико-химических параметров. Безупречная углеродная нанотрубка — это молекула из наиболее миллиона атомов углерода, представляющая собой цилиндр, приобретенный при сворачивании графеновой плоскости, поперечником около нанометра и длиной несколько 10-ов микрон. В стенах трубки атомы углерода размещены в верхушках правильных шестиугольников.
Рис. 5. структура нанотрубки
Графен как наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Новейший материал назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, весьма гибок, прочен и проводит электронный ток.
В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные при помощи электрических микроскопов, проявили, что большая часть нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев — или вложенных один в иной, или навитых на общую ось. Такие мультислойные структуры получили наименования «луковичные структуры» — онионы.
В истинное время выяснились совсем фантастические характеристики нанотрубок. По прочности они существенно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика (маленькая нить поперечником 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т). Под действием механических напряжений, превосходящих критичные, нанотрубки ведут себя достаточно экстравагантно: они не «рвутся», не «ломаются», а просто-напросто перестраиваются! Они являются красивыми проводниками электро энергии и теплоты и могут употребляться в качестве тончайших кабелей, полупроводников либо сверхпроводников. Не считая того, они способны испускать электроны, вследствие что могут отыскать применение в сверхтонких мониторах.
Углерод — не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В истинное время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда остальных материалов.
Благодаря неизменному развитию нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и сотворения самых различных форм и разновидностей объектов, которые вследствие обозначенных выше геометрических черт будут отнесены к наноматериалам.
3. Некие характеристики наноструктур
Первым и самым основным признаком микрочастиц является их геометрический размер — протяженность не наиболее 100 нм хотя бы в одном измерении. Конкретно с таковых размеров может наблюдаться высококачественное изменение параметров частиц по сопоставлению с макрочастицами такого же самого вещества. к примеру, нанонить сети способна накрепко задерживать больших по сопоставлению с ее шириной насекомых.
Конкретно размерными эффектами определяются почти все неповторимые характеристики наноматериалов. Для разных черт (механических, электронных и др.) критичный размер быть может разным, как и нрав конфигураций (равномерный либо неравномерный). К примеру, электропроводность начинает зависеть от размера частички при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и наименее.
Толика атомов, находящихся в поверхностном слое (шириной около 1 нм), естественно, вырастает с уменьшением размера частиц вещества. Поверхностные атомы владеют качествами, отличающимися от «внутренних» атомов, так как они соединены с соседями по другому, чем снутри вещества. В итоге на поверхности велика возможность протекания действий конфигурации структурного расположения атомов и их параметров. В итоге поверхность (либо межфазная граница) рассматривается как некоторое новое состояние вещества.
Беря во внимание абсолютные размеры микрочастиц, с определенными допущениями можно считать, что микрочастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. к примеру, нанотрубки имеют высшую удельную плотность поверхности, так как вся масса сосредоточена в поверхностном слое. Не считая того, расстояние меж графитовыми слоями в мультислойных системах (0,335 нм) оказывается достаточным, чтоб некие вещества в атомарном виде (к примеру, молекулы водорода) могли заполнять их межстенное место, которое образует неповторимую емкость для хранения газообразных, водянистых и даже жестких веществ. Нанотрубки владеют неповторимыми механическими качествами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки добивается 70·105 МПа (у легированной стали он равен 2,1·105 МПа, а у более упругого сплава иттрия — 5,2·105 МПа). Не считая того, однослойные нанотрубки имеют высшую (до 16%) упругость, другими словами способность оказывать влияющей на их силе механическое сопротивление и принимать начальное состояние опосля ее снятия. Более типична для мультислойных нанотрубок структура «российская матрешка» — в их трубки наименьшего размера вложены в наиболее большие. Опыты на данный момент достигнули такового технического уровня, что при помощи специального манипулятора можно вытянуть внутренние слои, оставив наружные слои фиксированными (Рис.6).
Рис. 6. исследование параметров нанотрубок: 1 — опытнейшая нанотрубка; 2 — нанотрубка опосля удаления наружных слоев на верхушке; 3 — положение опосля снятия перегрузки нанотрубка с внутренними слоями, вытянутыми с помощью специального наноманипулятора; 4 — 1-го конца и снимают с нее несколько слоев поблизости верхушки, чтоб открыть краешек, за который можно «ухватиться». Потом к заостренному концу подводят манипулятор, двигая которым, можно удлинять либо укорачивать трубку, вытягивая внутренние слои из наружной оболочки. Если удалить манипулятор, вытянутая часть ворачивается под действием сил притяжения Ван-дер-Ваальса, как пружина. Это показывает на неповторимые характеристики нанотрубок.
Таковым образом, мультислойная углеродная нанотрубка является прекрасным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть бросить недвижной, а внешнюю вынудить вращаться, можно получить практически безупречный подшипник скольжения, в каком поверхность скольжения атомно-гладкая, а силы взаимодействия меж поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса), т.е. силы трения весьма слабенькие.
С иной стороны, при больших давлениях фуллерен С60 становится жестким, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из совершенно гладких шаров, свободно крутящихся в гранецентрированной кубической сетке. Благодаря этому свойству С60 можно применять в качестве жесткой смазки.
Другое неповторимое свойство наноструктур — квантовые эффекты и необыкновенные электрические характеристики микрочастиц, до этого всего углеродных нанотрубок.
С позиций квантовой механики электрон быть может представлен волной, описываемой соответственной волновой функцией. Распространение данной нам волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.
Волна, соответственная вольному электрону в жестком теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация абсолютно изменяется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по последней мере в одном направлении, ограничен и сравним с длиной электрической волны. В данных направлениях может быть распространение лишь волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это означает, что надлежащие им электроны могут иметь лишь определенные фиксированные значения энергии. Это явление получило заглавие квантового ограничения.
Так, с одной стороны, есть трубки с неплохой электрической проводимостью, а с иной стороны, большая часть трубок — это полупроводники с шириной нелегальной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно, к примеру, существенно прирастить плотность записи запоминающих устройств.
Итак, микрочастицы владеют комплексом самых неповторимых параметров. Почти все из их еще исследованы не на сто процентов, а остальные, может быть, и не открыты. Эти характеристики открывают перед населением земли способности принципного конфигурации современного состояния науки и техники.
4. Получение искусственных наноматериалов
Сейчас создано много способов получения углеродных наноструктур с различными размерами и качествами, но сущность всех способов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в итоге хим перевоплощений углеродсодержащих материалов в критериях завышенных температур. Разглядим несколько более фаворитных способов.
Электродуговое распыление графит.
Это самый всераспространенный способ, разработанный. Конкретно так японский ученый С. Иджима в первый раз получил нанотрубки в 1991 году. Сущность способа такая: в камере, заполненной инертным газом, меж графитовыми электродами пылает электронный разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стены камеры охлаждаются с помощью воды либо водянистого азота.
Рис. 7. Схема установки для получения нанотрубок и фуллеренов
При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25-35 В температура образующейся меж электродами плазмы добивается 4000 К. При таковой температуре поверхность графитового анода активно испаряется. В итоге резкого перепада температур атомы углерода уносятся из жаркой в наиболее прохладную область плазмы Плазма — ионизированный газ, в каком атомы теряют несколько наружных электронов и преобразуются в положительно заряженные ионы. и конденсируются в осадок на стенах камеры и поверхности катода.
Рассматривая этот осадок в электрический микроскоп, можно узреть вместе с сажей и графитом новейшие структуры — фуллерены и нанотрубки. При всем этом часть осадка, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на прохладные стены камеры, а часть, содержащая графит и нанотрубки, — на катод.
Лазерное испарение графита.
В этом способе испаряемый лазером графит конденсируется на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень размещена в длинноватой кварцевой трубке снутри цилиндрической печки с температурой 1000°С. Вдоль трубки с низкой скоростью прокачивается буферный газ (гелий либо аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, продолжительностью импульса 8 нс и поперечником сфокусированного пучка около 1,6 мм. Продукты теплового распыления графита уносятся из жаркой области и осаждаются на поверхности охлаждаемого коллектора. В получаемом осадке кроме микрочастиц графита обнаруживаются также фуллерены и нанотрубки.
Рис. 8. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок лазерным испарением графита
Достоинство данного способа — возможность получения нанотрубок с данными структурными параметрами. Недочет — низкая производительность и трудность масштабирования.
Рис. 9. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок хим осаждением из пара
сейчас получение нанотрубок в количествах, достаточных для исследования, сделалось обыденным делом. Неувязка сейчас состоит в понижении их себестоимости и получении в промышленных масштабах, так как рассмотренные выше способы не разрешают достигнуть этого. С данной нам точки зрения увлекателен 3-ий способ, разработанный русскими учеными под управлением М.М. Томишко.
способ хим осаждения из пара.
Этот более удобный и массовый метод получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности жаркого железного катализатора.
Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена либо метана с азотом) пропускается через кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000°С. В трубке находится глиняний тигель Тигель — особый сосуд для плавки, варки либо нагрева разных материалов. с катализатором — железным порошком. Разложение углеводорода, происходящее в итоге хим реакции атомов газа с атомами сплава, приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним поперечником до 10 нм и длиной до нескольких 10-ов микрон. Как видно из описания, при всех способах получения фуллеренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака — сажу, частички бесформенного графита, а в случае использования катализаторов — частички металлов. Для увеличения чистоты приобретенного продукта употребляют разные способы чистки — как механические (фильтрация, обработка ультразвуком), так и хим (промывание в химически активных субстанциях, нагревание).
Рис. 10. Так под микроскопом смотрятся нанотрбки, приобретенные хим осаждением из пара
нужно сказать, что способ получения наноструктур играет весьма важную роль. Он влияет не только лишь на характеристики наноструктуры, да и на время ее жизни — период, в течение которого частичка способна эти неповторимые характеристики проявлять. По истечении этого срока микрочастицы или окисляются, или агрегируются в наночастицы и получают характеристики малогабаритных веществ.
5. Прикладная нанотехнология
1. Наноэлектроника.
Уже сначала нашего века возникли суровые преграды на пути развития электроники. До этого всего это касается роста степени интеграции и быстродействия интегральных схем. разработка приближается к базовым пределам, определяемым самой природой. Ведущие производители схем уверенно осваивают технологию 90 нм. Чудилось бы, еще незначительно, и будет разработка в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. К примеру, пробел меж проводящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь «простреливаться» в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта (о чем говорилось выше). Остальные препядствия — отвод тепла, выделяемого элементами схем, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу либо превосходящий его.
В обыденных критериях на перестройку всей концепции сотворения микропроцессоров и микросхем ушло бы лет 50. Но у населения земли нет такового припаса времени. Необходимость скорого перехода на новейшие концепции схемотехники обоснована тем, что сделать что-то принципно новое на имеющейся технологической базе фактически нереально.
Понятно, что все мультислойные нанотрубки — полупроводники. В официальном сообщении Интернациональной ассоциации производителей полупроводников говорится о начале перехода к посткремниевой эпохе в схемотехнике. В наиблежайшие 10-15 лет может начаться массовый переход с кремния на углеродные нанотрубки. к примеру, узнаваемый производитель твердых магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию увеличения плотности записи с помощью нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить методом сокращения зазора меж считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Компания дает ввести головки фактически в полный контакт с магнитной поверхностью, к примеру диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на базе нанотрубок. Особый лазер будет подогревать часть пластинки, где работает считывающая головка, что дозволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таковым образом можно будет создавать довольно малогабаритные и дешевые накопители инфы емкостью несколько тыщ терабайт.
Другое направление работ в области сотворения электрической наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения ран. Русскими учеными сделаны необыкновенные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода, также атомы меди и традиционные «магнитные элементы» — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, весьма легки и, что самое основное, прозрачны, другими словами могут быть применены для голографической записи инфы на всей глубине кристалла, тогда как простые компакт-диски копят информацию лишь на поверхности. Применение схожих ферромагнетиков может существенно повысить размер хранимой инфы в единице размера носителя.
В апреле 2007 года в США (Соединённые Штаты Америки — государство в Северной Америке) поступили в продажу компы с емкостью твердого диска 1 Тб (1012 б). На нем можно расположить информацию, равнозначную 50 миллиардов печатных страничек, около 16 суток видеоматериала в формате DVD, миллион фото в высочайшем разрешении либо около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до 2-ух лет беспрерывного прослушивания).
2. Нанотехнологии в строительстве.
Одна из отраслей индустрии, где нанотехнологии развиваются довольно активно, — это стройку. естественно, что главные разработки в данной нам области должны быть ориентированы на создание новейших, наиболее крепких, легких и дешевеньких строй материалов, также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона за счет их легирования нанопорошками.
Определенные успехи в данной нам области уже достигнуты. Так, русские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска сделали нанобетон. Особые добавки — так именуемые наноинициаторы — существенно делают лучше его механические характеристики. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обыденного, морозостойкость выше на 50%, а возможность возникновения трещинок — втрое ниже. При всем этом вес бетонных конструкций, сделанных с применением наноматериалов, понижается в 6 раз. Создатели говорят, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2-3 раза.
Также отмечается и ряд восстанавливающих параметров бетона. При нанесении на железобетонную систему нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее крепкость. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.
иной аналогичный пример приводит «Росбалт» от 16.01.08 в публикации «Горьковская стальная дорога испытывает новинки наноиндустрии», где указывается последующее: «одной из увлекательных разработок, которые дает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является глиняний наноцемент — это пылеобразная смесь фосфата и оксида сплава, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Таковой материал владеет высочайшей прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением хим разложению и замерзанию. В отличие от обычного бетона, он отвердевает даже под водой, а по своим свойствам превосходит обычный цемент».
Другое направление практического внедрения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия. к примеру, добавление наноструктур в фасадные краски обеспечивает высшую крепкость и стойкость покрытия к наружным действиям. При всем этом грязюка на окрашенной поверхности распадается благодаря действию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высшую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к УФ (Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением) излучению, что дозволяет фасаду спостроек и сооружений длительное время сохранять первозданный наружный вид.
Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новейших окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее так гладкой, что никакие остальные краски не могут на ней закрепиться.
3. Нанотехнологии и медицина.
Рис. 11. Обычное наночудо — мыльные пузыри
Самый броский и обычной пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обычный мыльный раствор, владеющий моющим и антисептическим действием. Мыло — волшебство нанотехнологии, уже бывшее таким, когда никто и не подозревал о существовании микрочастиц (рис.11). Но этот наноматериал не является основным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.
Иным древним применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся туземцами Австралии для нанесения ярчайших боевых раскрасок, также содержали микрочастицы, обеспечивающие весьма долгий и стойкий окрашивающий эффект.
Наверняка, уже почти все встречали в открытой продаже так именуемую шунгитовую воду, производители которой убеждают в ее неповторимых оздоровительных свойствах, типо приобретенных в итоге действия на нее природных фуллеренов. Индивидуальностью ее является тот факт, что такую воду недозволено длительно хранить — через несколько часов она теряет свои неповторимые характеристики.
Проведенные на Украине и в Карелии исследования проявили, что эта вода является следствием действия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале — шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, быстрее всего, явилось следствием падения огромного углеродного метеора. Любая молекула фуллерена способна сформировывать и задерживать вокруг себя аква кластер, размеры которого во много раз больше его собственного поперечника. Это соединено с тем, что в обыкновенной воде состояние и количество образующихся кластеров является нестабильным (мерцающим). Кластеры есть миллиардные толики секунды (наносекунды) и распадаются, а потом образуются вновь, другими словами мелькают.
Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, т.е. улавливать вольные радикалы, являющиеся «осколками разных органических соединений» и разрушающие жив организм.
Встающие перед населением земли глобальные препядствия требуют немедленных действий. В решении почти всех из их нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за крайние 20 лет было выявлено не наименее 30 заразных болезней (СПИД (синдром приобретённого иммунного дефицита — состояние, развивающееся на фоне ВИЧ-инфекции и характеризующееся падением числа CD4+ лимфоцитов, множественными оппортунистическими инфекциями, неинфекционными и опухолевыми заболеваниями), «птичий грипп»), смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Раз в год лишь в США (Соединённые Штаты Америки — человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.
Директор Лаборатории нанофотоники, доктор Института Раиса в Хьюстоне, Наоми Халас и Питер Нордлендер сделали новейший класс микрочастиц с неповторимыми оптическими качествами — наногильзы. Имея поперечник в 20 раз наименьший, чем у бардовых кровяных телец (эритроцитов), они свободно передвигаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особенным образом прикрепляется особые белки — антитела, поражающие раковые клеточки. Через несколько часов опосля их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы конвертируют в термическую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клеточки, при этом примыкающие здоровые клеточки при всем этом фактически не повреждаются.
Таковая неповторимая нанотехнология уже удачно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней опосля облучения все нездоровые звериные на сто процентов избавились от недуга. При этом, как отмечается, следующие анализы не выявили у их никаких очагов новейших злокачественных образований.
Необходимо подчеркнуть, что направление мед нанотехнологических исследовательских работ также развивается быстрыми темпами. При всем этом уже на данный момент приобретенные на подопытных звериных результаты обещают значимые перспективы в поверхности эталона сплава в соляной кислоте исследователи нашли нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров (рис.12).
Рис. 12. Наноструктура дамасской стали и конструкционного материала ApNano
При детализированном исследовании поверхности с внедрением сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это мультислойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные снутри цементитом — карбидом железа Fe3C, владеющим весьма высочайшей твердостью.
Так как нанотрубки владеют рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости примерно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли настолько высочайшие прочностные характеристики.
Создание различного рода защитных средств — одно из направлений военных исследовательских работ в области нанотехнологий. Так, израильская компания ApNano Materials не так давно испытала один из более стойких к удару материалов, узнаваемых населению земли (см. рис.12). Эталон материала ApNano, разработанный на базе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые выполнялись железным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с действиями до 250 т/см2, также статическую нагрузку 350 т/см2, что примерно соответствует перегрузке, развиваемой 4-мя локомотивами на область размером с человечий ноготь.
Таковой материал может пригодиться для производства шлемов и бронежилетов, также обшивки военного транспорта. На 11-й Интернациональной выставке средств обеспечения сохранности страны «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологии (Зеленоград) показали 1-ые бывалые российские эталоны «водянистой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и остальных средств персональной защиты. Ее создание заключается в обработке обыкновенной баллистической ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология) гелевой композицией на базе фтора с микрочастицами оксида корунда. Обработанная строением и выполняемыми функциями»> строением и выполняемыми функциями»> строением и выполняемыми функциями»>ткань (мед. система клеток и межклеточного вещества, объединённых общим происхождением, строением и выполняемыми функциями) снаружи не различается от аналога, но при ударном действии на нее пули либо осколка находящийся снутри гель одномоментно затвердевает (см. рис.13), препятствуя разрушению ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология) и снижая поражающее действие. Русскими спецами исследовалась эффективность защитных параметров опытнейшего эталона ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология) из «водянистой» брони и обычного эталона, сделанного из 18 слоев баллистической ткани (Строение тканей живых организмов изучает наука гистология). Тесты проводились способом метания в их шариков массой 1,04 г и поперечником 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В итоге испытаний было установлено, что «водянистая» броня обеспечивает наилучшие защитные характеристики, выдерживая нагрузку от шариков, парящих со скоростью до 560 м/с.
Рис. 13. Механизм образования гидрокластеров в полимерной наносистеме: 1) сбалансированное состояние; 2) низкая деформация; 3) затвердение при ударном действии.
Иным изобретением, которое быть может в перспективе применено для военных целей, является разработка так именуемого плаща-невидимки. Как лицезреем, некие фантастические сюжеты российских народных сказок о шапках невидимках и коврах-самолетах начинают реализоваться.
Основная задачка, стоящая перед разрабами данного маскирующего устройства, состоит в том, чтоб создать объект невидимым за счет выполнения 2-ух нужных требований: свет не должен отражаться от объекта и должен на сто процентов обходить объект. При всем этом нужно, чтоб наблюдающий лицезрел лишь задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.
Ученые и инженеры из центра нанотехнологии Бирка при институте Пердью, делая упор на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году английскими физиками, сделали виртуальную модель, состоящую из огромного количества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая припоминает круглую массажную щетку. За счет отличия кончиками игл видимого света объекты сзади щетки стают видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, — невидим.
Расчеты демонстрируют, что устройство сделает объект невидимым лишь при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красноватому свету. Но при помощи данной нам же модели можно сделать «плащ-невидимку» для хоть какой длины волны в видимом диапазоне, утверждает российский ученый В.М. Шалаев. По его словам, хотя модель работает лишь для одной частоты, ей уже на данный момент можно отыскать практическое применение — к примеру, создание защитной системы, позволяющей создать боец неприметными для устройств ночного видения, так как системы ночного видения определяют лишь определенную длину волны.
6. Будущее нанотехнологий: препядствия и перспективы
Нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И, может быть, не крайним: за областью нановеличин лежат области пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18) и т.д. величин с еще неведомыми и непредсказуемыми качествами.
В истинное время на рынке продаются лишь умеренные заслуги нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий и упаковок, позволяющих подольше сохранять свежайшими продукты питания. Но ученые предвещают триумфальное шествие нанотехнологий в недалеком будущем, делая упор на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.
По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, размер рынка продуктов и услуг в мире с внедрением нанотехнологий в наиблежайшие 10-15 лет может вырасти до 1 трлн баксов:
в сфере здравоохранения внедрение нанотехнологий может дозволить прирастить длительность жизни, сделать лучше ее свойство и расширить физические способности человека;
в лекарственной отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий;
в хим индустрии наноструктурные катализаторы уже используются при производстве бензина и в остальных хим действиях;
в транспортной индустрии применение нанотехнологий и наноматериалов дозволит создавать наиболее легкие, резвые, надежные и неопасные авто;
в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может прирастить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить наиболее экономные методы фильтрации воды и убыстрить развитие таковых возобновляемых энергетических источников, как преобразование солнечной энергии.
Это дозволит понизить загрязнение окружающей среды и сберечь значимые ресурсы.
Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, внедрение нанотехнологий дозволит в дальнейшем решить ряд более важных для населения земли заморочек. одна из их — обеспечение глобальных энергетических потребностей. Согласно прогнозам, Спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50%. В истинное время около 1,6 миллиардов человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 миллиардов единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Внедрение ископаемого горючего вырастает и может удвоиться в наиблежайшее время. С учетом имеющихся припасов природного горючего эта неувязка будет с каждым годом лишь усугубляться.
Предполагается, что нанотехнологии дозволят решить энерго препядствия средством внедрения наиболее действенного освещения, топливных частей, водородных аккумов, солнечных частей, распределения источников энергии и децентрализации производства.
Экзальтированно предвкушая те положительные конфигурации, которые принесет с собой промышленная революция, не будем настолько наивны, чтоб не задуматься о вероятных опасностях и дилеммах. Почти все большие ученые современности не напрасно пробуют привлечь внимание не только лишь к положительным перспективам грядущего, да и к вероятным нехорошим последствиям.
Ученые говорят, что исследования в области нанотехнологий и остальных областях должны быть остановлены до того, как это навредит населению земли. Но заместо обычного запрета исследовательских работ в данной нам области они дают установить правительственный контроль над небезопасными исследовательскими работами, что поможет предупредить случайную катастрофу.
Ужасы перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года опосля выхода в свет «Машин созидания» Дрекслера, где он не только лишь нарисовал утопическую картину нанотехнологического грядущего, да и затронул «оборотную сторону» данной нам медали. Одну из заморочек, которая представлялась ему более суровой, он именовал «неувязкой сероватой слизи». Ее опасность в том, что нанороботы, вышедшие из под контроля в итоге случайной либо преднамеренной порчи систем управления, могут начать копировать самих себя до бесконечности, потребляя в качестве строительного материала все на собственном пути, включая леса, фабрики, домашних питомцев и людей. Расчёт указывает, что на теоретическом уровне таковой наноробот со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы.
Эти опаски опираются на то, что гипотетичные части футуристических микромашин уже выпущены и встают на свои места. к примеру, один из компонент наноробота — электрическое устройство молекулярных размеров — на данный момент уже реализовано.
На нынешний денек также остро встают последующие вопросцы:
способна ли образовательная система научить довольно обученных профессионалов в области нанотехнологии?
может ли понижение цены продукции благодаря нанотехнологиям создать их вседоступными для террористов, чтоб создать небезопасные мельчайшие организмы?
каким будет эффект от вдыхания неких веществ, которые в истинное время формируются в молекулярном масштабе? Исследования проявили, что та же нанотрубка, представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет
структуру, похожую на асбест, а этот материал при вдыхании вызывает повреждение легких;
что случится, если в окружающую среду будет выпущено огромное количества наноматериала, начиная от компьютерных чипов и заканчивая краской для самолетов? Не будут ли наноматериалы вызывать аллергию?
не приведет ли вторжение микрочастиц в наши тела к непредсказуемым последствиям? Они могут быть меньше белков. Что случится, если микрочастицы вызовут пересворачивание белка?
Эти и остальные вопросцы, стоящие сейчас перед исследователями, вправду весьма животрепещущи и важны. В обезумевшой гонке нанотехнологий ученые должны взять на себя всю полноту ответственности за жизнь и здоровье остальных людей, чтоб не оказаться беспечными фанатиками, совершившими «революцию» лишь только «во имя революции», не утруждая себя размышлениями о вероятных катастрофических последствиях и авариях.
]]>