Нанотехнологии

Это устройство передает энергию от нано-тонких слоев квантовых ям нанокристаллов над ними, заставляя нанокристаллы излучать видимый свет.

Нанотехнологиями ( рус. нанотехнологии , англ. nanotechnologies , нем. Nanotechnologien f pl ), Другое название Наномолекулярная технологии (от ?нано? - К. Эрик Дрекслер, 1977) - в широком смысле слова принято называть междисциплинарную область фундаментальной и прикладной науки, в которой изучаются закономерности физических и химических систем протяженностью порядка нескольких нанометров или долей нанометра ( нанометр - это одна миллиардная доля метра или, что то же самое, одна миллионная доля миллиметра - диаметр человеческого волоса составляет около 80 тыс. нанометров).

Нанотехнологии, нанонауки - 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 состоят 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 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 нанонауки и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь.

Узкое значение этого термина привязывает нанотехнологии к разработке материалов, приборов и других механических и немеханических устройств, в которых применяются подобные закономерности. Нанотехнологии имеют дело с процессами, протекающими в пространственных областях нанометровых размеров. Есть нанотехнологии можно обозначить как технологии, основанные на манипуляции отдельными атомами и молекулами для построения структур с заданными свойствами.


1. Определение и терминология

Есть мнение, что в мире нет на сегодняшний день стандарта, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукции. В Еврокомиссии создана специальная группа, которой дали два года на то, чтобы разработать классификацию нанопродукции. Среди подходов к определению понятия ?нанотехнологии? являются следующие:

1. В Техническом комитете ISO / ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:

  • знания и управления процессами, как правило, в масштабе 1 нм исключает масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
  • 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 .

2. 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 получить принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Имеется в виду, что не обязательно объект должен иметь хоть одним линейным размером менее 100 нм - это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создается с разрешением на уровне отдельных атомов, или же содержат в себе нанообъектов. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.

Нанотехнологии и особенно молекулярная технология - новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предусматриваемых в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить ее к высоким технологиям. Развитие современной электроники идет 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. Нанотехнологии - следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких производств.


2. Свойства

Свойства наносистем во многом отличаются от свойств более крупных объектов, состоящих из тех же самых атомов и молекул. Например, наночастицы платины гораздо эффективнее очищают автомобильные выхлопы от токсичных загрязнителей, чем привычные платиновые катализаторы. Однослойные и многослойные графитные цилиндры нанометровой толщины, так называемые углеродные нанотрубки, прекрасно проводят электричество и потому могут стать заменой медным проводам. Нанотрубки также позволяют создавать композитные материалы исключительной прочности и принципиально новые полупроводниковые и оптоэлектронные устройства. На современном этапе нанотехнологии используют при производстве особых сортов стекла, на которых не оседает грязь (применяется в автомобиле-и авиастроении), при производстве чернил, для производства одежды, который невозможно испачкать и помять и так далее.


3. Нанотехнологии на пересечении сфер жизнедеятельности

Нанотехнологии расположены на переднем крае различных научных, экономических и социальных направлений.

3.1. Медицина и нанобиотехнологии

В настоящее время уже есть опытные образцы наноконтейнер для прицельной доставки лекарств к пораженным органам и нановипроминювачив для уничтожения злокачественных опухолей, для создания материалов, необходимых при лечении ожогов и ран, у стоматологии в косметологии.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и уприсне их в кровь.

Эксперты Европейской комиссии составили следующий перечень важнейших по их мнению разделов нанобиотехнологиям на будущие 15-20 лет [1] :

  • прицельное поставки лекарств;
  • молекулярная визуализация;
  • косметика;
  • создание новых лекарственных средств;
  • методы диагностики;
  • хирургия, в том числе трансплантация тканей и органов;
  • тканевая инженерия
  • пищевые технологии;
  • геномика и протеомика;
  • молекулярные биосенсоры;
  • другие разделы.

3.2. Электроника и информационные технологии

Особые надежды на нанотехнологии возлагают специалисты в области электроники и информационных технологий. В 1965 году можно было уместить на одном чипе только 30 транзисторов. В 1971 году - 2 тыс. Сейчас один чип содержит около 40 млн. транзисторов величиной 130-180 нанометров, и появились сообщения, что удалось создать транзистор размером 90 нанометров. Этот процесс сделал сложную электронную и компьютерную технику доступной для большинства потребителей: в 1968 году один транзистор стоил в США $ 1, сейчас за эти деньги можно приобрести 50 млн. транзисторов.

В 1965 году Гордон Мур, специалист в области физической химии, сделал знаменитое предсказание, которое было названо "Закон Мура". "Закон Мура" провозглашает, что число транзисторов на чипе будет удваиваться каждые 18 месяцев. В течение нескольких десятилетий этот прогноз доказывал свою точность. Сейчас производители компьютерных чипов столкнулись со сложностями миниатюризации: чтобы подтверждать "Закон Мура", нужно, чтобы транзистор был не более 9 нанометров. По прогнозу Международного Консорциума Полупроводниковых Компаний, этот уровень развития технологии будет достигнуто в 2016 года.


3.3. Военное назначения

Военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия "невидимости" (известны самолеты-невидимки, созданные на основе технологии stealth), энергетические ресурсы, системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), самостоятельно восстанавливаются, связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. Предполагалось, что в 2008 году будет представлены первые боевые наномеханизмы.


3.4. Экология

Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожать последствия старых загрязнений. Кроме того, нанотехнологии сейчас используются для фильтрации воды и других жидкостей.

3.5. Сельское хозяйство

Нанотехнологии способны совершить революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы могут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. Например, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову.

3.6. Энергетика

Благодаря нанотехнологиям ученым удается добиться все лучшего поглощения солнечной энергии. Одной из прогрессивных компаний, проводит исследования в этой области, является Sandia National Laboratories. Ее фотопоглинаючи пленки характеризуются на 20% лучше фотоэлектрическим эффектом, чем современные солнечные элементы на основе кремния.

На основе нанотехнологий американская компания Engelhard создала что-то вроде "молекулярных ворот", через которые проходят молекулы двуокиси углерода, а более крупные молекулы (метановые) остаются в веществе. Практическое применение это находит при фильтрации двуокиси углерода из природного газа, а также при создании автомобильных катализаторов.

Hydrocarbon Technologies, дочерняя компания известной американской компании Headwaters, разработала методику обработки угля с помощью нанотехнологий на молекулярном уровне таким образом, чтобы создать из него экологически чистое жидкое топливо. Именно потребность в замене нефти способствовала тому, что китайская компания Shenua Group еще в 2002 году стала партнером американцев, и начала применять полученное искусственное топливо вместо мазута. Нанометод NxCat?, Созданный на другой дочерней компании Nanokinetix позволяет наполнителям автомобильных катализаторов ловить летучие органические остатки выхлопных газов. А компания Nanoforce сделала ставку на использование нанокатализаторы для очистки нефти и на технологию сбора урожая с помощью натометоду Poly-Web - микроскопических водорослей, используемых для производства биоэтанола.

Световые диоды принадлежат к совершенно другой области применения нанотехнологий. Японская компания Nichia является сегодня ведущим производителем техники освещения на основе нанотехнологий. Их световые диоды во много раз эффективнее обычных лампочки. А если учесть, что 20% мировой энергии расходуется на освещение, становится понятно - переход от обычных ламп на световые диоды позволит весьма существенно экономить энергетические ресурсы.


4. Фундаментальные положения

Недавно было установлено, что законы трения в макро-и наномире оказались похожими.

4.1. Сканирующая зондовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы как оптические, так и оптические методики.

Исследование свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводятся на воздухе при атмосферном давлении, в вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики позволяют изучать как проводные, так и не ведущие объекты. Кроме того, СОМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопии и спектральными методами.

С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Ученым уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенона на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона.

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10 -11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть одна транзакция чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов, охлаждения микроскопа позволяет избавиться от термодрейфа. Однако, в большинстве случаев нет необходимости манипулировать отдельными атомами или наночастицами и достаточно обычных лабораторных условиях для изучения интересующих объектов.


4.2. Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют "наночастицами". Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и имеют сравнительно низкую квантовую эффективность, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и другими. Тщательно очищенные наночастицы могут самовистроюватися в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также часто проявляет необычные свойства.


5. Новейшие достижения

5.1. Наноматериалы

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

  • Углеродные нанотрубки - протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графеном) и обычно заканчиваются полусферической головкой.
  • Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированних атомов углерода.
  • Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO 2), что позволяет детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещенной зоны этого полуметалл, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.
  • Нанокристаллы
  • Аэрогель
  • Наноаккумуляторы - начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li 4 Ti 5 O 12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своем 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.
  • Нанобетон.

6. Направления развития нанотехнологий

Нанотехнологии развиваются по следующим основным направлениям:

  • создания материалов с эксклюзивными, заданными свойствами путем оперирования отдельными молекулами
  • конструирования нанокомпьютеров, которые используют вместо обычных микросхем наборы логических элементов из отдельных молекул;
  • сбор нанороботов - систем, саморазмножающихся и предназначенные для ведения строительства на молекулярном уровне.

7. Инвестиционная деятельность

Нанотехнологии является одной из ведущих сфер новейших технологий, количество инвестиций в которую увеличивается из года в год, на фоне уменьшения объема инвестиций в других сферах.

Консультативный Совет по проблемам науки и технологии при Президенте США (PRESIDENT'S Council of Advisors on Science and Technology) подготовила доклад, в котором анализируется нынешний уровень развития нанотехнологий в США и других науковиробляючих странах и оцениваются перспективы дальнейшего прогресса в этой новейшей области научных исследований и технологических разработок. В докладе подчеркивается, что в наше время [ Когда? ] Соединенные Штаты являются мировым лидером в области нанотехнологий. На долю США приходится четверть мировых инвестиций в эту сферу и не менее половины статей по нанотехнологиям, публикуемых в авторитетных профессиональных журналах. Америка также лидирует по количеству патентов, которые присуждаются за нанотехнологий. В целом американские специалисты держат две трети таких патентов, выданных в последние годы. В одном только 2003 году ученые и инженеры из США получили около 1 тыс. нанотехнологических патентов (более свежих данных пока нет).

Авторы доклада предупреждают, что конкуренция в сфере нанотехнологий в последние годы обострилась и, безусловно, будет усиливаться и в обозримом будущем. Страны Евросоюза, Япония и Китай в настоящее время [ Когда? ] ежегодно выделяют на эти программы из своих бюджетов примерно по $ 900 млн., что ненамного меньше американских федеральных расходов. Для сравнения, по данным организации Национальная Инициатива в области нанотехнологии США (NATIONAL Nanotechnology Initiative), в 2002 году расходы всех стран мира на эти цели не превышали $ 2 млрд. Суммарный уровень инвестиций частных корпораций из других стран на эти цели в настоящее время [ Когда? ] уже несколько превышает аналогичные расходы американских компаний.

В декабре 2003 года Конгресс США принял особый закон "Нанотехнологические Исследования и Разработки 21 века" (21st Century Nanotechnology Research and Development Act), которым предусматривалось увеличение ассигнований на подобные проекты. В 2004 году из федерального бюджета США на развитие нанотехнологий было выделено около $ 1 млрд. 240 млн. (для сравнения, в 2001 году - $ 464 млн.). Эти исследования также активно финансируются за счет бюджетов отдельных штатов, в целом направили на эти цели порядка $ 400 млн. Еще больше тратит американский бизнес - почти $ 2 млрд. Пятая часть этой суммы приходится на биотехнологические фирмы, столько же - на электронные, 18% - на химическую промышленность, по 8% - на аэрокосмическую индустрию и энергетику.

Владимир Путин в 2007 году заявил, что нанотехнологии представляют собой "локомотив глобального научного прогресса", и призвал Гос-думу принять меры к скорейшему принятию законопроекта о целевом финансировании этого направления, и подчеркнул, что в его осуществлении должны принять участие академические отраслевые научные учреждения, а также частные лаборатории российских корпораций. Он призвал все страны СНГ присоединиться к этой программе развития. 4 июля 2007 года в России был принят федеральный закон "О Российской корпорации нанотехнологий".


8. Индустрия нанотехнологий

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


9. Отношение общества к нанотехнологиям

Прогресс в области нанотехнологий вызвал определенный общественный резонанс. Отношение общества к нанотехнологиям изучалось ВЦИОМ и европейской службой ?Евробарометр?. 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. Особенно это актуально для широко разрекламированного коллоидного серебра, свойства и безопасность которого находятся под большим вопросом.


10. Примечания

См.. также

Литература

  • William Sims Bainbridge. Nanoconvergence: The Unity of Nanoscience, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science, June 27, 2007, Prentice Hall, ISBN 0-13-244643-X
  • Lynn E. Foster. Nanotechnology: Science, Innovation, and Opportunity. December 21, 2005, Prentice Hall, ISBN 0-13-192756-6
  • Hari Singh Nalwa. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (10 Volume Set), American Scientific Publishers. 2004. - ISBN 1-58883-001-2
  • Akhlesh Lakhtakia (ed) (2004). The Handbook of Nanotechnology. Nanometer Structures: Theory, Modeling, and Simulation. SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-5186-X.
  • Fei Wang & Akhlesh Lakhtakia (eds) (2006). Selected Papers on Nanotechnology-Theory & Modeling (Milestone Volume 182). SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-6354-X.
  • Jumana Boussey, Georges Kamarinos, Laurent Mont?s (editors) (2003), Towards Nanotechnology, "Nano et Micro Technologies", Hermes Sciences Publ., Paris, ISBN 2-7462-0858-X.

Источники