Удивительный мир нанотехнологии

Нанотехнология - это область прикладной науки, занимающаяся производством материалов и изделий сверхмалых размеров и изучающая свойства различных веществ на атомарном и молекулярном уровне. Термин "нанотехнология" произошел от слова "нанометр" (единица измерения, равная одной восьмимиллионной сантиметра).
Удивительный мир нанотехнологии

Инструменты от FEI Co. помогают тем, кто работает с продуктами на основе нанотехнологии, наблюдать и манипулировать объектами в масштабе нанометра, а также получать изображения наноструктур на уровне долей ангстрема. Здесь показаны: (а) Titan — растровый/зондирующий электронный микроскоп (S/TEM) компании с напряжением 80- 300 кВ; (b) 3-D реконструкция области полупроводника в электронном микроскопе (пропускание тока между металлическими слоями); (c) 3-D реконструкция в электронном микроскопе бактерии, ориентирующейся в магнитном поле Земли (водные микроорганизмы); (d) изображение высокого разрешения наномоста между двумя кристаллами золота в положении 110 (образец любезно предоставлен C. Кисьеловски, NCEM, США); и (e) S/TEM-изобра-жение промежуточной цепи, подготовленное и полученное in-sity в FEI DualBeam (сфокусированный ионный пучок/растровый электронный микроскоп)

Объем информации, связанной с нанотехнологией, поистине огромен. Если вы будете вести поиск по этой теме в Google, то найдете более миллиона ссылок. Интерес к этой области бесспорен, а шумиха по поводу ее возможностей и потенциала, подогреваемая рекламой в средствах массовой информации и научной фантастикой, ежедневно усиливается. Что же такое нанотехнология? Каково ее значение для автоматики и средств управления? Один из экспонатов Британского музея, Чаша Ликурга, датируется четвертым веком и представляет собой римскую стеклянную чашу. Чаша изменяет свой цвет, отражая лучи света, благодаря мельчайшим частицам золота и серебра (каждый кристалл величиной около 70 нм). Осознавали ли древние римляне, что они используют нанотех-нологию? Конечно же, нет, но факт остается фактом: наноматериалы оказывают влияние на наш мир уже много столетий. «Нано» существует со дня сотворения мира, как и материя, — утверждает Азиш Гош, вице-президент промышленной консультативной службы в ARC Advisory Group. — Новым здесь является только развитие технологии — новое понимание, новая визуализация, которая стала возможной благодаря прогрессивной технологии». Он считает, что на передовой рубеж нанотехнологию выдвинуло создание растрового туннельного микроскопа в IBM около 10 лет тому назад. «С помощью этого прибора исследователям удалось переместить атомы кремния таким образом, что они образовали буквы IBM. Этот удивительный факт сфотографировали и продемонстрировали всему миру. Именно это и есть нанотехнология. По сути — это возможность управления отдельными атомами. Это открытие и оповещение широкой общественности привели к осознанию возможности выполнения каких-то действий в масштабе наномира», — считает Гош.

 

Не просто нечто очень маленькое

Обычно нанотехнологию определяют как вид технологии, занимающийся объектами, размеры которых не превышают 100 нм. Нано, а по-гречески это «карлик», означает 10-9 или миллиардную часть чего-либо. Например, нанометр — это миллиардная часть метра. Ангстрем — это 1/10 часть нанометра. Атомы обычно имеют размер 0,2 нм. Диаметр человеческого волоса примерно 200 000 нм. «Большинство людей путают нанотехнологию с миниатюризацией, — добавляет Гош. — Но это далеко не одно и то же. Нано значит не просто еще меньше. Нанотехнология позволяет соединять атомы и молекулы и располагать их в определенном порядке для получения вполне конкретного результата. Нанотехнология — это наука и искусство управления материей на атомном или молекулярном уровне». Манипулирование молекулами придает им совершенно новые свойства, и в результате они изменяют свое поведение. «Например, — поясняет Гош — если вы разместите атомы углерода в определенном порядке, то связи между ними станут гораздо прочнее. Из материала с такими атомами можно сделать клюшку для гольфа, которая будет гораздо прочнее и легче обычной». В Rockwell Automation дают такое же определение этого термина. Доктор Сюжит Чэнд, старший вице-президент, который занимается передовыми технологиями и является главным техническим директором, а также доктор Рэм Пэй, руководитель технических лабораторий, определяют нанотехноло-гию как выполнение различных операций (манипулирование), точное размещение, измерение, моделирование и создание материалов на уровне меньше сотни нанометров. «Тем не менее, — добавляет Пэй, — я бы несколько уточнил это определение: хотя бы в одном измерении». Вопрос и состоит в том, в каком именно измерении? Например, углеродные нанотрубки могут быть очень длинными или очень узкими. Характеристика важна и ее следует принимать во внимание.

«Когда вы переходите в масштаб наномира, — поясняет Пэй, — отношение площади поверхности к объему чрезвычайно увеличивается. Поэтому физические законы, которые управляют поведением вещества в этом масштабе, кардинально отличаются от законов микро- и макромира».

 

Из лаборатории на завод

Нанотехнология в настоящее время находится на самом раннем этапе развития. Она еще не нашла широкого коммерческого распространения, но прогресс здесь очевиден и уже можно найти применения, которые прошли путь из лаборатории до завода. Роджер Грейс, президент консалтинговой фирмы Roger Grace Associates, занимающейся высокими технологиями, называет нанотехноло-гию «новым рубежом». «Мы находимся в процессе развития и открытий в том, что касается нанотехнологии. Большинство современных изделий, созданных с помощью нанотехнологии, имеют в своем составе углеродные нанотрубки. Они являются компоновочными блоками большинства нанопродуктов, продаваемых сегодня», — говорит он.

Практическое применение нанотехнологии: новые способы получения энергии

Удивительный мир нанотехнологии

Специальная смазка, в состав которой введены наночастицы, уменьшает трение между магнитной и немагнитной поверхностью до ничтожно малого уровня, который в 50 раз ниже, чем трение между двумя тефлоновыми поверхностями. Технология, созданная в отделе по разработкам и исследованиям в области нанотехнологий в Rockwell Scientific Co. (RSC), используется для получения электрической энергии из беспорядочных движений, таких, как телодвижения человека, океанские волны и многие другие источники.

Электрическая энергия генерируется в соответствии с законом Фарадея, подобно тому, как это происходит в фонаре, который необходимо «потрясти, чтобы зарядить». При вибрации фонаря магнит перемещаться через катушку, при этом генерируется электрический ток, который заряжает конденсатор. С помощью нанотехнологии можно заставить магнит перемещаться по поверхности практически без трения и проскакивать через катушку взад и вперед гораздо чаще и генерировать гораздо больше электричества из энергии вибрации.

RSC удалось адаптировать эту технологию и создать зарядное устройство для переносного оборудования. В рамках программы Управления перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA-Defense Advanced Research Project Agency) RSC в настоящее время разрабатывает устройство для получения энергии из океанских волн (показано на снимке), которое будет устанавливаться на океанских буях, использующихся для ведения наблюдений, чтобы заменить батареи, имеющие ограниченный срок службы.

Чэнд и Пэй из Rockwell считают, что нано-концепция быстро развивается в трех параллельных направлениях:

Наноматериалы и покрытия

«В настоящее время мы наблюдаем использование наноматериалов, созданных, в основном, на коммерческой основе, — считает Чэнд, — в таких изделиях, как теннисные мячи, клюшки для гольфа и одежда. Что касается промышленности, здесь они используются в подножках внедорожников для придания им большей прочности. Нанопокрытия также имеют разнообразное применение на производстве, например, покрытие корпусов электрооборудования для поглощения электромеханического излучения». 

Нанодатчики

Нанодатчики имеют огромный потенциал для автоматизации производства. К числу их достоинств относится большая точность и прецизионность. Как ожидается, они смогут обнаруживать наркотики, опасные материалы, опасные газы и т. п. в чрезвычайно малых количествах. Компании работают над созданием датчиков, которые обнаруживают раковые опухоли, а также таких, которые реагируют на появление в воздухе вредных примесей до того, как они станут опасными для человека. Некоторые устройства, созданные по нанотехнологиям, уже появились на рынке.

Наноэлектроника

Как сообщается, потенциал, заложенный в нанотехнологии, позволит в два раза увеличить скорость процессоров. «Переход к нано-масштабу, — утверждает Чэнд, — позволяет нам не только уменьшить размер корпуса, но и повысить производительность, что поможет нам встраивать электронику в самые миниатюрные устройства». В настоящее время также разрабатываются инструменты, способные выполнять различные операции в нано- и еще меньшем масштабе. Такие устройства позволяют инженерам и ученым видеть структуру, взаимное расположение и связи частиц, определяющие свойства веществ, которые могли бы быть полезными при создании изделий по нанотехнологиям. Электронные микроскопы корпорации FEI, системы с фокусировкой ионных пучков и комбинированное оборудование — это далеко не все инструменты, помогающие ученым и создателям нанотехнологий и изделий на их основе вести наблюдение и работать в наномасштабе. Мэт Харрис, вице президент, занимающийся вопросами развития мирового рынка в FEI Corporation, приводит ряд примеров. «В полупроводниковой промышленности инструменты, созданные по нанотехнологиям, в течение многих лет использовались для управления процессами и диагностики в режиме реального времени. Это позволяло выполнять фундаментальные исследования, а затем переводить их в полномасштабный технологический процесс». Зондирующие электронные микроскопы дают возможность проникать внутрь материалов, исследовать их свойства и структуры, что помогает найти соответствующие материалы, покрытия и расположение слоев материалов для их обработки. Имеют ли они правильную кристаллическую структуру для кремния определенного вида? Достаточна ли толщина окиси кремния, получаемая в ходе определенного процесса? Оборудование на основе нанотех-нологии, входящее в состав производственных линий, выполняет контроль качества. Пластины проходят через систему, которая измеряет толщину определенного слоя. Если она в пределах допусков, пластина проходит дальше. Если нет, она подается обратно туда, где задаются рабочие параметры, и изделие вновь попадает на производственную линию. Возможные применения также имеются в фармацевтической и химической промышленности. Наночастицы, по словам Харриса, исследуются с целью более эффективной доставки лекарственных веществ и используются для разработки процессов создания продукта и механизмов контроля качества, чтобы гарантировать, что продукт находится в пределах допусков для данного лекарственного средства в данном применении. Он также добавляет, что в химической промышленности исследователи стремятся найти такие частицы, которые бы катализировали реакции более эффективно и делали процессы более производительными.

Практическое применение нанотехнологии: полупроводники, микродисплеи

Удивительный мир нанотехнологии

Пластины нового поколения GAIN-HBT (GaAsInN HBT) от Kopin Corp.- изделия массового производства на основе нанотехнологии, предназначенные для изготовления десятков миллионов усилителей мощности для сотовых телефонов. Транзисторы улучшают характеристику усилителя мощности по основным параметрам и позволяют уменьшить рабочее напряжение, повысить радиочастотные характеристики и улучшить температурную стабильность.

Изделие отличается нанотехнологическим базовым слоем, который позволяет усилителям мощности работать в широком диапазоне температур и достигать более высокой энергоэкономичности. Конструирование транзисторов на основе запрещенных зон в базовом слое предполагает постепенное изменение количества индия (In) и азота (N) в дополнение к галлию (Ga)и мышьяку (As). Добавка индия и азота уменьшает ширину запрещенной зоны для работы с низким напряжением, а постепенное изменение концентрации создает внутреннее электрическое поле для повышения скорости. Улучшение характеристик достигается с помощью точного контроля состава смеси из четырех компонентов внутри 50-нм слоя.

 

Долгая извилистая дорога

Несмотря на такие привлекательные стороны, есть множество факторов, которые препятствуют широкому распространению нанотехнологии. Нехватка стандартов, по мнению Харриса из FEI, — главный из них. «Из-за отсутствия стандартов для промышленности затруднительно наладить производство, создать эффективную методику контроля качества или верно оценить риски» — утверждает он. Наночастицы уже нашли свое применение в топливных присадках, в красках, в косметике, шинах, мячах для гольфа, бейсбольных битах и во многом другом. Есть ли какие-то опасности, связанные с изделиями, изготовленными по нанотехнологии? Конечно, они есть. Так утверждает Гош из ARC. «Предположим, вы создали нано-серебро или нано-углерод, свойства которых полностью отличаются от свойств обычного углерода или серебра. Как оно повлияет на кожу? Что произойдет, если кто-то его проглотит? Мы не знаем, как это подействует. Работа над стандартами идет полным ходом, но в данный момент это все еще достаточно расплывчатая тема»,- добавляет он. Рауль Найер, аналитик по проблемам техники из Frost & Sullivan, согласен с тем, что стандарты необходимы. Он обращает внимание на то, что на самом деле никому до конца не известно, на что способны наночастицы. Было показано, что углеродные нанотрубки при определенных условиях вызывают поражение тканей легких у крыс. В других случаях была обнаружена токсичность. Эта отрасль промышленности требует какого-то регулирования, считает он, но в то же время следует быть осторожным, чтобы слишком большое количество правил не стало препятствием для дальнейшего развития. Он предупреждает: «Следует соблюдать баланс между мерами безопасности и требованиями дальнейшего развития». По мнению Харриса из FEI, для выработки этих решений необходимо сотрудничество промышленности и правительства. Он видит стандарты de facto, появляющиеся в настоящее время. «Углеродные нанотрубки — одно из самых ранних приложений нанотехнологии — используются во всех видах промышленных применений от полупроводников до красок и различных покрытий. Производители углеродных нанотрубок установят стандарты для этих изделий, как только будут разработаны официальные стандарты», — утверждает он. Еще одно серьезное препятствие на пути развития нанотехнологии — отсутствие инструментов для малозатратного производства в больших объемах. «Нам необходимы капиталовложения и усилия по развитию технологий нанопроизводства, которые позволят создать воспроизводимые, недорогие компоненты для изготовления устройств или продуктов, — замечает Роджер Грейс. — Для того, чтобы можно было поставить что-нибудь полезное и практичное, нам необходимы способы соединения наномира с микромиром и макромиром». Другими словами, нанотехнологию следует поставить на поток. «Нанотех-нология, по общему признанию, очень привлекательна, — замечает Грейс, — но она должна стать практичной. Настоящий вызов заключается в производстве. Для создания жизнеспособных решений, пригодных для практического применения, мы должны иметь возможность обрабатывать наночастицы и наноматери-алы в масштабах крупного производства. Если решения слишком дороги и/или их слишком трудно соединить с внешним миром, они будут неосуществимы».

 

Правильная политика инвестиций

Каким может быть будущее нанотехнологии? Харрис из FEI отвечает, ссылаясь на информацию о современном состоянии рынка. «Ключевое требование для устойчивого роста определенной технологии, — отмечает он, — это рост частных инвестиций. Государственные капиталовложения могут помочь на начальном этапе, но способствовать развитию может только рост частных инвестиций. В наши дни частные инвестиции в нанотехнологию превосходят государственные, и, как ожидается, эта тенденция продолжится в дальнейшем. А это показатель ее долгосрочной жизнеспособности».

Практическое применение нанотехнологии: эпоксидные смолы на основе углеродных нанотрубок

Удивительный мир нанотехнологии

Углеродные нанотрубки (CNT) — это цилиндрические молекулы углерода, обладающие такими свойствами, которые делают их потенциально полезными в самых разных материалах и приложениях нанотехнологии. К таким свойствам относятся исключительная прочность и электрические характеристики, благодаря которым они становятся эффективными проводниками тепла. Они относятся к числу самых известных наноматериалов, используемых в настоящее время.

Среди изделий на основе CNT можно назвать серию эпоксидных концентратов от Zyvex Corp., в которых стандартные промышленные эпоксидные смолы смешаны с многостенными или одностенными нанотрубками или углеродными нановолокнами для увеличения электрической и тепловой проводимости и улучшения механической прочности.

Запатентованная технология Kentera от Zyvex (нековалентная модификация углеродных наноматериалов) позволяет расслаивать, диспергировать и сцеплять наноматериалы с материалом подложки для улучшения свойств основного полимера. Изготовители композитных материалов могут выбирать из большого количества вариантов состава (количества CNT в продукте) для удовлетворения требований к цене и свойствам материала. Изображение растрового электронного микроскопа (SEM) показывает полиуретановый тонкопленочный состав, заполненный на 2,5 % по весу с помощью технологии Kentera. Углеродные нанотрубки выглядят как белые волокна, находящиеся в матрице.

Пэй и Чэнд из Rockwell Automation подкрепляют эти заявления конкретными цифрами. Современные показатели, по их мнению, свидетельствуют о том, что ежегодно в глобальные исследования в области нанотехнологий вкладывается около 5 млрд. долл. Ожидается, что в 2006 г. это будет уже 6 млрд. долл. Найер из Frost & Sullivan считает, что нанотехнология настолько фундаментальна, что коснется буквально каждой отрасли промышленности. Ее основными преимуществами станет впечатляющий рост производительности и не менее впечатляющее сокращение стоимости. В ближайшее время нанотехнология поможет улучшить существующие приложения, а в будущем она приведет к созданию новых продуктов и новых материалов. «Нанотехнология, — утверждает Харрис, — может сделать вещи на 10% легче или на 5% эффективнее или на 15% ярче». «А когда вы делаете вещи дешевле, легче и надежнее, — добавляет Роджер Грейс, — выигрывает каждый».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *