Нанотехнологии

Министерство  науки и образования Украины

Харьковский Национально  Технический университет «ХПИ»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по истории  науки и техники

на тему:

НАНОТЕХНОЛОГИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

• Нанотехнология…………………………………………………………..….3
• Манипуляции наночастицами……………………………………………..4
• Нанотехнологии сегодня……………………………………………………6
• Наноустройства научатся самовоспроизведению……………………….7
• Биотехнологии, нанороботы……………………………………………….9
• Нанотехнологии в металургии…………………………………………...12
• Замена нефти и газа………………………………………………………..13
• Нанотехнолгии в военной промышленности…………………………..14
• Нанотехнологии в Медицине……………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами [1, c.3].

 

Ученые, достигшие сегодня  высоких результатов в области  нанотехнологий, во многом обязаны двум изобретениям конца прошлого столетия. В 1981 году физики Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM создали сканирующий туннелирующий микроскоп, который позволил им увидеть отдельные атомы. А уже в 1986 году он был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Оба ученых за свои революционные труды были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году увидела свет эпохальная статья двух исследователей из той же лаборатории IBM - Айглера и Швейцера, под названием "Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа", и многим стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось - весь мир обошла "нанофотография" удивительной мозаики, образующей символику компании IBM, "выгравированная" отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью.

С появлением сканирующего микроскопа началось широкое развитие нанотехнологий - способов обработки частиц, размеры которых находятся в пределах от одного до ста нанометров (1 нм = 10-9 м). Чтобы лучше представить данный порядок величин достаточно вообразить Земной шар и футбольный мяч - именно так соотносится в размерах последний и наночастицы. Сегодня Бинниг продолжает свою научную работу в лабораториях IBM, разрабатывая и совершенствуя технологию создания жестких дисков нового поколения без намагничивающих записывающих и считывающих головок.

Манипуляции наночастицами

Проблемой манипуляцией атомов при помощи сканирующего микроскопа занимался и ученый Дон Айглер (Don Eigler), который также проводил свои эксперименты в лабораториях IBM. Он в 1989 году впервые не только смог переместить атомы при помощи сканирующего микроскопа, но и научился делать это в заданных направлениях и на заданные расстояния. Сегодня при помощи его установки свободно можно перемещать наночастицы, управляя процессом с компьютера. Один из опытов Айглера видится очень показательным, так как может явиться своеобразным коридором связующим цифровую реальность и наномир. Так, ученый расположил атомы кобальта на поверхности меди таким образом, что они образовали замкнутый эллипс. После помещения в одну из частей эллипса еще одного атома кобальта, во второй его половине (пустой) прослеживался сигнал аналогичный наличию в ней какой-то атомоподобной частицы.

Понятно, что никакой  частицы в пустом фокусе эллипса  не было. Однако наличие сигнала  на сканирующем микроскопе ученый объяснил с помощью эффекта шепота, который  достаточно давно известен людям. Его суть заключается в том, что даже тихий разговор человека в специально спроектированном помещении может быть слышен в противоположном его краю, тогда как нормальной слышимости речь будет совершенно неразборчива с близкого к нему расстояния. Примером таких помещений могут служить множественные театры, которые, как известно, имеют эллиптическую форму. Такой эффект обусловлен конструкцией стен и потолков, которые в сумме целенаправленно отражают звуковые волны. Согласно дуализму свойств микрочастиц, атомы ведут себя аналогично волнам, именно поэтому в пустой части фокуса эллипса наблюдался эффект подобный звуковому эффекту шепота. Таким образом, изменяя форму эллипса действия данного явления на атомарном уровне можно избежать, то есть на одном элементарном звене (кольцо атомов кобальта) получить как присутствие сигнала "атома-призрака", так и его отсутствие. Следовательно, варьирование формы расположения атомов кобальта создает основу для создания интерпретатора двоичной системы исчисления. Массивы наночастиц, разложенных по поверхности меди кольцеобразно, могут создать невероятной емкости устройства хранения данных, считывателем которых станет сканирующий микроскоп.

Другой эффект, позволяющий  создавать устройства хранения и  запоминания, был открыт исследователями из Иллинойского университета, которые разработали методику для размещения на стандартном полупроводниковом кристалле массива органических молекул, которые в принципе можно использовать в качестве запоминающих устройств классического по своей топологии типа. Технология относительно проста. С готовой кремниевой пластины предварительно удаляется оксидная пленка (например, при помощи рентгеновского излучения). Затем, в глубоком вакууме, поверхность, состоящая из химически чистого кремния, покрывается слоем атомов водорода. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (похоже, он становится основным производственным инструментом нанотехников) можно удалять из этого слоя отдельные атомы водорода, создавая на поверхности рельефный рисунок, таким образом, чтобы углубления рельефа стали бы областями чистого кремния. Если на полученную заготовку нанести органические молекулы, то они одним концом присоединятся к кремнию, а вторым будут свободно "парить" над поверхностью, при этом вращаться с частотой до терагерца. Ученые утверждают, что этим вращением можно управлять при помощи электрических импульсов. Таким образом, может быть создан упорядоченный массив (все зависит от шаблона, по которому делаются дырки в водородном покрытии) управляемых переключающихся элементов - то есть механическая молекулярная память, с частотой функционирования порядка нескольких терагерц. Естественно, все пока находится в глубоко экспериментальной стадии, но возможности открываются колоссальные.

Нанотехнологии  сегодня

Уже сегодня существует целый ряд разработок, основывающихся на элементах нанотехнологии. Например, компания IBM недавно представила  новую технологию хранения информации, с помощью которой можно будет  добиться плотности записи порядка  триллиона бит на квадратный дюйм, что в 20 раз больше, чем у самого совершенного на сегодня магнитного носителя. Кремниевым запоминающим устройствам до этого показателя еще дальше. В новой технологии Millipede компании IBM - все необычно: и подход к организации хранении данных, и время (в хронологическом отношении развития компьютерного прогресса) "рождения" новой технологии, и небывалое количество циклов записи/перезаписи. Ноу-хау компании IBM лишь "эхо" давно забытых перфокарт, с единственной лишь разницей в том, что технология реализована на микроскопическом уровне и не является "одноразовой" по отношению к носителю информации. Основной элемент Millipede - массив одноконечных кремниевых кронштейнов длиной 70 и толщиной 0,5 мкм (в будущем эти цифры, конечно же, уменьшаться), на каждом из которых находится микроскопическая игла длиной 2 мкм. В представленном компанией IBM демонстрационном образце использовался массив 32 х 32 с размерами всего 3 х 3 мм.

О своем достижении в  области электронных технологий на молекулярном уровне поведала и компания НР. В ее лаборатории достигли наивысшей плотности на данный момент и даже готовы продемонстрировать 64-бит чип энергонезависимой памяти, в котором роль ячеек памяти играют отдельные молекулы. Этот чип умещается на площади в один квадратный микрон. Кроме того HP удалось совместить запоминающие и управляющие элементы в одном молекулярном устройстве. Самое удивительное, что у компании HP уже разработана опытная методика производства нанолитографической печати, позволяющей делать копии чипов на пластинах, подобно тому, как делаются копии страниц с оригинал-макета в типографиях.

Нанотехнологии применимы  и в таких "прикладных" областях как создание охладительных установок. Термоионный метод охлаждения, разрабатываемый  фирмой Cool Chips, находится на совершенно ином, более глубоком физическом уровне, нежели классические методы, "орудующие" воздушным потоком, или холодильники Пельтье, которые используют термоэлектронный эффект. Термоионный охладитель - это термоионный преобразователь, в котором под действием напряжения происходит отвод "горячих" электронов (электронов с большой энергией) от охлаждаемой поверхности. Что касается ожидаемой эффективности разработки Cool Chips, то она, включая все потери (даже отток тепла через проводники) составит порядка 70-80%, при теоретической интенсивности теплоотвода порядка 5кВт/кв.см. Если сравнивать новую технологию с традиционными методами охлаждения, то КПД компрессорных систем равен 40-50%, термоэлектрических - 8%, в лучшем случае при большом научном прорыве приблизительно 20-30% [2, c.7].

Наноустройства научатся самовоспроизведению

Единственной проблемой, стоящей на пути развития нанотехнологий сегодня, является слишком большой  масштаб сборки. Перемещение отдельных  молекул производится с помощью  зондов, управляемых компьютером, который, в свою очередь, управляется человеком. Процедура сборки наноустройств имеет ограниченный диапазон и не автоматизирована на наноуровне.

 
Прогресс. Компьютеры следующего поколения  будут созданы нанороботами

Ученые считают, что сдвинуть дело с мертвой точки поможет управляемый механосинтез. В ходе этой, пока еще теоретической процедуры, молекулы можно будет собирать из атомов с помощью механического приближения — сокращения расстояния между атомами до тех пор, пока не вступят в действие химические связи. Это возможно лишь при наличии манипулятора, который способен оперировать отдельными атомами в радиусе до 100 нм. Управлять столь тонким устройством человек уже не сможет, для этого потребуется нанокомпьютер. И скорее всего он должен быть встроен прямо в наноробота-сборщика, который будет осуществлять сборку устройств.

Американский институт молекулярного производства объявил  конкурс на изготовление первого  такого устройства с призовым фондом $250 тыс. По самым оптимистичным оценкам, стратегический дует из нанокомпьютера и наноманипулятора будет создан не раньше 2015 года. После этого развитие нанотехнологий ничто уже не будет сдерживать, ведь первый манипулятор сможет воспроизвести сам себя без участия человека. Дальше будет еще проще. Используя свойства ДНК к размножению, несколько бактерий смогут за несколько часов довести свое количество до нескольких миллионов, не требуя ничего, кроме незначительных объемов энергии и сырья.

Биотехнологии, нанороботы

В медицине и биотехнологиях использование нанороботов также сулит невероятные прорывы. Многие тяжелые и даже неизлечимые заболевания, перед которыми пасует современная медицина, перестанут быть опасной угрозой. Медицинские нанороботы доберутся до пораженных органов и злокачественных клеток, не требуя хирургического вмешательства и химиотерапии.

 
Хирургия будущего. Медицинские  нанороботы дешевы в производстве и  безвредны для организма

Британский футуролог  Обри де Грей убежден, что благодаря  нанотехнологиям станет возможным  регулярно обновлять клетки организма и таким образом фактически достичь бессмертия. Больше того, он убежден, это вовсе не дело отдаленного будущего — первыми бессмертными, по его мнению, станут люди, родившиеся в начале XXI века.

 
Обри де Грей: нанобессмертие уже не за горами

Другие ученые в своих  прогнозах заходят еще дальше и предсказывают, что нанотехнологии позволят перестроить человеческий организм. Например, дадут возможность  управлять энергетическим балансом, поставляя в организм калории, без  необходимости употреблять в пищу продукты, содержащие эти калории.

Благодаря нанотехнологиям  станет возможным повысить биологическую  совместимость различных протезов и имплантов с нервными тканями  человека. Возможно, сбудется мечта  писателей фантастов жанра «киберпанк», которые описывали нейроинтерфейсы, позволявшие людям будущего взаимодействовать с компьютерами непосредственно через нервную систему.

2009 год для нанотехнологий  начался с сенсации. Американские  ученые из университета Джона  Хопкинса объявили о создании наноробота, способного уничтожать раковые клетки. Микроскопическое устройство размером с частичку пыли имеет в диаметре меньше одной десятой миллиметра, при этом оно способно проникать в организм человека и перемещаться по нему, ориентируясь на биохимические сигналы клеток. Робот умеет отличать злокачественные клетки от здоровых и удалять их и организма.