НАНОТЕХНОЛОГИИ СОСТОЯНИЕ, НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

I. Что же такое нанотехнологии

Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых – порядка миллиардных долей метра (10 -9 м). Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении. Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. НАНОТЕХНОЛОГИЯ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

НАНОМИР И НАНОСТРУКТУРЫ Один нанометр – это магическая точка на шкале размеров

ИНСТРУМЕНТАРИЙ НАНОТЕХНОЛОГИЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ СТАЛИ ВОСТРЕБОВАНЫ ПОСЛЕ ТОГО, КАК ПОЯВИЛИСЬ ИНСТРУМЕНТЫ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ВИДЕТЬ, ИЗМЕРЯТЬ И МАНИПУЛИРОВАТЬ ВЕЩЕСТВОМ НА НАНОСКОПИЧЕСКОМ УРОВНЕ. ОПРЕДЕЛЯЮЩУЮ РОЛЬ ДЛЯ РАЗВИТИЯ И СТАНОВЛЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ СЫГРАЛИ ДВА СОБЫТИЯ: СОЗДАНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА (СТМ) И АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА (АСМ). ОНИ ПОЗВОЛИЛИ ВПЕРВЫЕ ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ АТОМОВ И МАНИПУЛИРОВАТЬ АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ; ОТКРЫТИЕ НОВОЙ ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ – ФУЛЛЕРЕНОВ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК. ШИРОКО РАСПРОСТРАНЕНЫ ТАКЖЕ КРЕМНИЕВЫЕ И ДРУГИЕ НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ, КОТОРЫЕ НАЗЫВАЮТ НАНОПРОВОДАМИ. Молекула фуллерена -С 60 Углеродные нанотрубки

Принципиально новые углеродные соединения – фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах, были открыты в 1985 году. В 1991 году были открыты углеродные нанотрубки – макромолекулы, представляющие собой полые цилиндрические структуры длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Были получены нанотрубки разной геометрии – как однослойные (одностенные), так и многослойные (много стенные). В 2004 году появился еще один принципиально новый класс наноматериалов – сверхтонкие углеродные пленки – графены. ФУЛЛЕРЕНЫ И УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Графен – слой атомов углерода, соединенных в шестигранную кристаллическую решетку и представляющих собой графеновую пленку толщиной всего в один атом углерода. Однослойные углеродные нанотрубки – только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная будет базироваться на графене.

К настоящему времени установилась следующая классификация наноматериалов: нанопористые структуры наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии наноструктурированные поверхности и пленки монокристаллы и нанокластеры НАНОМАТЕРИАЛЫ

НАНО-АЛЮМИНИЙ В РАКЕТНОМ ТОПЛИВЕ Порошок АI с размером зерен менее 100 нм

Важнейшим направлением в нанотехнологии является постоянное совершенствование методов нано производства (Наноструктура, которую нельзя построить, не слишком полезна). В нанотехнологиях применяются два принципиально разных подхода к обработке вещества и созданию нано изделий и наноструктур: технологии «сверху- вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up). Подход «сверху-вниз», т.е. обработка вещества с последовательным уменьшением размеров до требуемых (нанометровых) размеров. Наноструктура создается в объемном материале, как это принято в классических технологиях интегральных схем на основе кремния (планарная технология с использованием фотолитографии, рентгенолитографии и др.) НАНОСБОРКА Процесс формирования наноструктур по принципу «сверху-вниз» предусматривает обработку макромасштабного объекта или структуры и постепенное уменьшение их размеров, вплоть до получения изделий с нанометровыми параметрами, методами литографии и нанолитографии.

Технология «снизу-вверх» заключается в том, что при создании наноструктур набирают и выстраивают отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход также осуществляется с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций с участием углеродных нанотрубок, электропроводящих полимеров, биологических клеток и белковых структур. НАНОСБОРКА

КАЖДАЯ ИЗ УКАЗАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР ИМЕЕТ СВОИ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ, ПОЭТОМУ ВЕДЕТСЯ АКТИВНЫЙ ПОИСК КОМПРОМИССНЫХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИИ ЭТИХ ТЕХНОЛОГИЙ. ВСЕ ТЕХНОЛОГИИ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ МАНИПУЛЯЦИЮ ОТДЕЛЬНЫМИ АТОМАМИ, СЛИШКОМ МЕДЛЕННЫЕ И ГРОМОЗДКИЕ, ОСОБЕННО ЕСЛИ НУЖНО СОЗДАТЬ МАССИВНУЮ СТРУКТУРУ ИЛИ ДОСТАТОЧНОЕ КОЛИЧЕСТВО ИНКАПСУЛИРОВАННОГО ЛЕКАРСТВА. САМОЙ ВАЖНОЙ ИЗ ВСЕХ ТЕХНОЛОГИЙ НАНОПРОИЗВОДСТВА ЯВЛЯЕТСЯ САМОСБОРКА ИЗ-ЗА ЕЕ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ, СПОСОБНОСТИ ПРОИЗВОДИТЬ СТРУКТУРЫ НА РАЗЛИЧНЫХ МАСШТАБАХ ДЛИНЫ И НИЗКОЙ СТОИМОСТИ. НАНОСБОРКА

НАНОТЕХНОЛОГИИ ОХВАТЫВАЮТ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ШИРОКИЙ КЛАСС НАУК И ИМЕЮТ МНОГО АСПЕКТОВ РАЗВИТИЯ. ИХ МОЖНО КЛАССИФИЦИРОВАТЬ ПО НЕСКОЛЬКИМ ОЧЕНЬ РАЗНЫМ ПРИЗНАКАМ И ОСОБЕННОСТЯМ: ПО СТЕПЕНИ СЛОЖНОСТИ СОЗДАВАЕМЫХ СТРУКТУР; ПО ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К РАЗЛИЧНЫМ НАУКАМ; ПО МЕТОДАМ ПРОИЗВОДСТВА; ПО ПРЕДПОЛАГАЕМЫМ ПРИМЕНЕНИЯМ; ПО ВРЕМЕННОЙ ШКАЛЕ ПРОГНОЗИРУЕМОГО ВНЕДРЕНИЯ. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПО СТЕПЕНИ СЛОЖНОСТИ НАНООБЪЕКТОВ Класс объектов Конкретные примеры Нанопорошки, наночастицы в растворе Краски, косметические кремы Нанотрубки, нанопроволоки Углеродные нанотрубки Простые слои и покрытия нанометрической толщины Алмазные пленки на разнообразных поверхностях, многослойные покрытия в молекулярной электронике, защитные покрытия, солнечные батареи Трехмерные слоистые структуры Магнитные запоминающие устройства Трехмерные периодические и случайные образования Кристаллизованные белки, трехмерные устройства молекулярной записи информации Линейные цепочки Информационные молекулы ДНК и др. Поверхностные структуры с незначительной глубиной Новейшие микроэлектронные устройства, нано механические устройства Многослойные покрытия, получаемые различными методиками Поверхностные лазеры с вертикальным резонатором (VSCEL) Развитые трехмерные структуры, не обладающие способностью к самовоспроизведению или саморепликации Манипуляции с ДНК, бимолекулярные компьютеры, наномашины Развитые трехмерные структуры, обладающие способностью к самовоспроизведению Самовоспроизводящиеся нанороботы

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПО ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К РАЗЛИЧНЫМ НАУКАМ Физика Аналитические и механические приборы и устройства Сканирующие зондовые микроскопы Оптические микроскопы ближнего поля; оптические «щипцы» Электронные, магнитные, оптические свойства наноструктур Наномеханика Самоорганизация структур и объектов Химия/Матери аловедение Частицы, покрытия, пористые материалы, дендримерные молекулы, нано волокнистые композиты, структуры на основе ДНК Электроника Литография с использованием оптических, электронных и ионных пучков Многослойные магнитные датчики Запись информации с помощью механических микрозондов Использование нанотрубок в качестве переключателей, проводников и т.п. Биология Анализ биомолекул и клеточных процессов. Биоминерализация. Биологические моторы и биокомпьютеры Медицина Получение наночастиц с нанесенными на их поверхность антигенами/антителами/участками ДНК Использование наночастиц для оптической сигнализации о состоянии органов и тканей Применение магнитных наночастиц для выделения и нагрева отдельных участков тканей Преодоление иммунного барьера организма за счет переноса препаратов на наночастицах Создание и использование ДНК-чипов Создание биосовместимых материалов и веществ Использование имплантантов для контроля состояния организма и дозированного ввода препаратов Создание и применение электродов, обеспечивающих контакт с мозгом и нервной системой

ОСНОВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ Оптическая литография, литография с применением электронных, ионных и атомарных пучков Штамповка, молекулярное «впечатывание», нанолитография Самосборка Создание структур на поверхности при манипуляциях отдельными атомами и молекулами с использованием сканирующих зондовых микроскопов Механосинтез (молекулярные нанотехнологии) Получение частиц из газовой фазы (пламя, плазма) Получение нанокомпозитов методами золь-гель

Внедрение нанотехнологий в экономику не может быть основано просто на использовании достижений фундаментальной науки. Оно должно быть связано с активным и плодотворным сотрудничеством между бизнесом, промышленностью, наукой и государством. С целью получения максимального экономического эффекта от результатов исследований и разработок в области нанотехнологий, очень важно обеспечить своевременный их перевод в инновационную продукцию. Среди разнообразных научно-технических достижений и перспективных идей в области нанотехнологий необходимо уже на начальной стадии исследований и разработок тщательно отобрать те, которые можно достаточно быстро внедрить в промышленное производство и продвинуть на рынок. Сделать их приоритетными и поддержать серьезными фундаментальными исследованиями. Задача заключается не в том, чтобы построить бизнес, подходящий для нанотехнологий, а в том, чтобы создать нанотехнологии, подходящие для бизнеса. ФОРМИРОВАНИЕ РЫНКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ

1 написать несколько признаков и особенностей нанотехнологий 2 нанообъекты 3 опишите как вы поняли подходы « сверху – вниз » и « снизу – вверх »