Что такое нанотехнологии. Что такое нанотехнологии: просто о сложном

Понятие нанотехнологии

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнология, нанонаука, это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника, принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся: облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том что поверхность таких частиц или огромных молекул в миллионы раз превосходит объем самих частиц, такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира как то стол, книга, песок. Поведение таких систем сильно отличается от поведения истинных растворов и расплавов и от объектов макромира благодаря высокоразвитой поверхности, как правило такие эффекты начинают играть значительную роль когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров, отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов о которых идет речь.

Есть мнение, что в мире нет на сегодняшний день стандарта, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция. В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:

знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений; нанотехнология синтез производство

использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

Согласно "Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года" (2004 г.) нанотехнология определяется, как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

3. Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм - это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология - новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.

Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Многие источники первое упоминание методов нанотехнологиеи, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана "В том мире полно места" (англ. "There"s Plenty of Room at the Bottom"), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, который создал 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 произвольное 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.

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге "Opticks" Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать "тайны корпускул".

Впервые термин "нанотехнология" употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: "Машины создания: грядёт эра нанотехнологии". Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Фуллерены - молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

Нанокристаллы

Аэрогель

Наноаккумуляторы - в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Данные аккумуляторы 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.

Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса.

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК-нанотехнологии - используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

Центральные процессоры - 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего наименьший структурный элемент. Основной конкурент Intel, компания AMD, также давно использует для производства своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно с компанией IBM. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор.

Жёсткие диски: В 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации.

Прогресс в области нанотехнологий вызвал определенный общественный резонанс.

Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть связано с религиозностью, а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов. Особо это актуально для широко разрекламированного коллоидного серебра, свойства и безопасность которого находятся под большим вопросом.

C 2005 года функционирует организованная CRN международная рабочая группа, изучающая социальные последствия развития нанотехнологий.

В октябре 2006 года Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья, в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях безопасности.

Организация "Гринпис" требует полного запрета исследований в области нанотехнологий.

Тема последствий развития нанотехнологий становится объектом философских исследований. Так, о перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году международной футурологической конференции Transvision, организованной WTA.

Нанотехнологии - способы производства и применения искусственно созданных объектов нанометровых размеров (1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра). Вещества, созданные на основе нанотехнологий, называют наноматериалами.

Нанотехнологии признаны основной движущей силой науки и техники XXI века. Это наука и технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заданной атомарной структурой. Нанотехнология - закономерный этап научно-технического прогресса, основа будущего процветания.

Разговоры о нанотехнологиях сейчас на устах каждого ученого. Но как и почему они появились? Кто их придумал? Давайте обратимся к авторитетным источникам.

В сущности, еще даже нет определения слове «нанотехнология», но это слово успешно применяют, когда говорят о чем-то миниатюрном. Точнее — сверхминиатюрном: о машинах, состоящих из отдельных атомов, о нанотрубках из графена, сингулярности и выпуску антропоморфных роботов на основе наноматериалов…

Сейчас принято считать, что термин и обозначение направленности нанотехнологий берут свое начало в докладе Ричарда Феймана «На дне много места». Тогда Фейнман удивил слушателей общими рассуждениями о том, что будет, если только начавшаяся миниатюризация электроники дойдёт до своего логического предела, «дна».

Для справки: «Английский термин « Nanotechnology » был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology ) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.»

На протяжении второй половины 20 века развивались как технологии миниатюризации (в микроэлектронике), так и средства наблюдения за атомами. Основные вехи микроэлектроники таковы:

• 1947 - изобретение транзистора;
• 1958 - появление микросхемы;
• 1960 - технология фотолитографии, промышленное производство микросхем;
• 1971 - первый микропроцессор фирмы «Интел» (2250 транзисторов на одной подложке);
• 1960-2008 - действие «закона Мура» - количество компонент на единице площади подложки удваивалось каждые 2 года.

Дальнейшая миниатюризация упёрлась в пределы, задаваемые квантовой механикой. Что касается микроскопов, то интерес к ним понятен. Хотя рентгеновские изображения и помогли «увидеть» много интересного - например, двойную спираль ДНК - микрообъекты хотелось разглядеть получше.

Проследим за хронологией и здесь:

1932 - Э.Руска изобрёл просвечивающий электронный микроскоп. По принципу действия он похож на обычный оптический, только вместо фотонов - электроны, а вместо линз - магнитная катушка. Микроскоп давал увеличение в 14 раз.
1936 - Э.Мюллер предложил конструкцию автоэлектронного микроскопа с увеличением более миллиона раз. По принципу действия он похож на театр теней: на экране высвечиваются изображения микрообъектов, расположенных на острие иглы, излучающей электроны. Однако, дефекты иглы и химические реакции не давали возможности получить изображение.
1939 - Просвечивающий электронный микроскоп Руски стал увеличивать в 30 тысяч раз.
1951 - Мюллер изобрёл автоионный микроскоп и получил изображение атомов на острие иглы.
1955 - Первое в мире изображение отдельного атома, получено автоионным микроскопом.
1957 - Первое в мире изображение отдельной молекулы, полученное автоэлектронным микроскопом.
1970 - Изображение отдельного атома, полученное просвечивающим электронным микроскопом.
1979 - Бинниг и Рорер (Цюрих, IBM) изобрели сканирующий туннельный микроскоп с разрешающей способностью не хуже вышеупомянутых.

Но главное в другом — «в мире» простейших частиц вступает в действие квантовая механика, а значит наблюдение невозможно отделить от взаимодействия. Проще говоря очень быстро оказалось, что микроскопом можно цеплять и двигать молекулы, или менять их электрическое сопротивление простым надавливанием.

В конце 1989 года научный мир облетела сенсация: человек научился манипулировать отдельными атомами. Сотрудник IBM Дональд Эйглер, работавший в Калифорнии, написал на поверхности металла название своей фирмы 35 атомами ксенона. Эта картинка, впоследствии растиражированная мировыми СМИ и уже осевшая на страницах школьных учебников, ознаменовала рождение нанотехнологии.

О повторении успеха сразу же (в 1991) отчитались японские ученые, создавшие надпись «PEACE ”91 HCRL” (Мир в 1991 году Центральная исследовательская лаборатория HITACHI). Правда делали они эту надпись целый год и вовсе не методом размещения атомов на поверхности, а наоборот – выковыривали ненужные атомы из золотой подложки.

Реально повторить достижение Эйглера удалось лишь в 1996 году – в цюрихской лаборатории IBM. По состоянию на 1995 год в мире было лишь пять лабораторий занимающихся манипуляцией с атомами. Три в США, одна в Японии и одна в Европе. При этом европейская и японские лаборатории принадлежали IBM, то есть тоже по факту были американскими.

Что оставалось европейским политикам и бюрократам делать в такой ситуации? Только кричать о пагубности прогресса для окружающей среды и опасности новых технологий в американских руках.

В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».

Учёные утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Например, крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, смогут быстро лечить те или иные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу.

Благодаря нанотехнологиям появятся «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи» и «умная пыль». Люда станут носить одежду, которая не пачкается, более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ.

Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане.

Словом, учёные-нанотехнологи действительно намерены существенно преобразить жизнь человека.

Что такое нанотехнологии

Что же такое нанотехнологии? И как именно они позволяют менять свойства вещей?

Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов - «нано» и «технологии».

«Нано» - греческое слово, означающее одну миллиардную часть чего-нибудь, например, метра. Размер одного атома немного меньше нанометра. А нанометр настолько меньше метра, насколько обыкновенная горошина меньше земною шара. Если бы рост человека был один нанометр, то толщина листа бумаги показалась бы человеку равной расстоянию от Москвы до города Тулы, а это целых 170 километров!

Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку.

А нанотехнологии - это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов.

Существует два способа получения наночастиц.

Первый, более простой, метод - «сверху вниз». Исходный материал измельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной.

Второй - получение наночастиц путём объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это более сложный способ, но именно за ним учёные видят будущее нанотехнодогий.

Первый способ получения наночастиц - измельчение материала до тех пор, пока частица не станет наноразмерной. Второй способ получения наночастиц - объединение атомов в наночастицу различными способами.

Получение наночастиц этим способом напоминает работу с конструктором. Только в качестве деталей используются атомы и молекулы, из которых учёные создают новые наноматериалы и наноустройства.

Представьте себе: вы выпиваете стакан воды, наполненный микроскопическими роботами. Их размеры настолько малы, что разглядеть их не представляется возможным. Однако после того, как вы их выпьете, они начнут работать над вашим организмом, залечивая раны и нанося своеобразные «заплатки», где нужно. Нанометр - это одна миллионная часть метра. Именно на таких масштабах работают нанотехнологии. Деятельность их не ограничивается конкретно медицинской сферой, скорее напротив, выходит в сферу высоких технологий, однако разработки нанотехнологий очень затратны, как в финансовом, так и в интеллектуальном смысле.

Никогда не стоит забывать, что роботы - это не только четвероногие механизмы вроде SpotMini, которые способны и выполнять разные акробатические трюки. Помимо них, инженеры также разрабатывают механизмы, которые благодаря своим крохотным размерам могут перемещаться внутри живых организмов и доставлять лекарства в труднодоступные места. Исследователи из политехнической школы Лозанны и высшей технической школы Цюриха создали робота-микроба, который подстраивается под разные типы жидкостей и может плавать даже в кровеносных сосудах.

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали наноразмерное оптоволокно, обладающее невероятным уровнем чувствительности: оно способно улавливать колебания, производимые завихрениями, создаваемыми двигающимися бактериями, а также звуковые волны, создаваемые бьющимися клетками сердечной ткани. В перспективе такой уровень чувствительности позволит специалистам следить за каждой отдельно взятой клеткой и предупреждать об изменениях в процессе их нормальной работы.

Видели ли вы когда-нибудь монитор, толщина которого меньше миллиметра? А несгораемую и непромокаемую бумагу? Или одежду, которую невозможно испачкать? Это не фантастика! Это то, что ожидает нас в недалеком будущем. Такие необычные предметы могут подарить человеку нанотехнологии . То, что технология - это способ производства какого-либо объекта, знает каждый. А вот что означает приставка «нано»? «Нано» - одна миллиардная доля чего-либо. Один нанометр – миллиардная доля метра. 1нм = 0,000000001 м. Попробуем представить себе объекты такого размера. Нанометр меньше метра примерно настолько, насколько грецкий орех меньше земного шара. Размеры в несколько нанометров имеют большие молекулы, например, белки. Атомы и обычные молекулы меньше, они измеряются десятыми долями нанометров. Нанотехнология - комплекс методов, который позволяет создавать объекты наноразмеров (от 1 до 100 нм). Такие объекты имеют особые свойства. Именно эти свойства наноматериалов позволят использовать их для новейших научных достижений. Уже сейчас нанотехнологии - наиболее перспективное и финансируемое направление в мировой науке.

На что способны нанотехнологии

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает "с нано". Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.