Нанотехнологии 2008 Обзор 5-й международной конференции по нано-, био- и чистым технологиям, Сан Франциско 2008 Боярский М.Н. Институт космических исследований РАН

Что такое нанотехнология? Нанотехнология имеет дело с манипулированием веществом в атомном или молекулярном масштабе, измеряемом нанометрами (1 – 200 нм) 1 нанометр примерно в раз меньше диаметра человеческого волоса Возможность проектирования и манипулирования веществом на молекулярном уровне может радикально изменить свойства вещества, способы производства и применения материалов и объектов

Почему так важен масштаб? На волновые свойства электрона внутри вещества оказывают влияние неоднородности в нанометровом диапазоне. Структурируя вещество в нанометровых линейных масштабах можно менять фундаментальные свойства вещества (температуру плавления, магнетизм, тепло/электропроводность…) без изменения химического состава Систематическая организация вещества в нанометровом линейном масштабе является ключевой чертой биологических систем. Нанотехнология обещает дать возможность размещения искусственных компонентов и структур внутри живой клетки и производить новые материалы методами «самосборки», характерными для живой природы.

Зачем нужна нанотехнология? Необходимость понимания свойств материи на молекулярном и атомарном уровнях для проектирования, построения и манипулирования веществом на макроуровнях Имеются ограничения, накладываемые существующей технологией (нашей способностью работать с чрезвычайно малыми объектами), а не законами физики В наномасштабах многие вещества обладают уникальными характеристиками Влияние миниатюризации (перехода на наномасштабы): Проектирование и изготовление материалов и изделий Хранение и обработка информации Хранение и транспортировка энергии

Мультидисциплинарная природа нанотехнологии Нанонаука: объединяющая наука Нанотехнология Химия Физика Биология Инженерия Computer science Социальные науки

Гонка патентов (Source: Base data from the USPTO database; compilation and graphic: Nanowerk)

Волны новых технологий Source: Norman Poire, Merrill Lynch Норман Пуаро: в среднем 28 лет на принятие новой технологии, 56 лет - быстрый рост, через 112 лет - насыщение

Очень короткая история 1959: Ричард Фейнман - лекция"Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в развитии нанотехнологий. Предложена возможность прямого манипулирования отдельными атомами как более мощного способа синтеза новых веществ. «Проглотить доктора»: хирургический наноробот. 1974: Норио Танигучи впервые определил термин «нанотехнология» как «обработка, разделение, объединение и деформирование материалов с помолекулярной и поатомной точностью». 1981: электронный сканирующий микроскоп 1985: открытие фуллерена (С 60 ) 1986: атомно-силовой микроскоп 2000: Президент Клинтон объявляет «US National Nanotechnology initiative»

«Молекулярное совершенство»: Фуллерены/ нанотрубки: Электро- и теплопроводность Механическая и термостойскость Вариативность свойств

Области применения нанотрубок Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки Оптические применения: дисплеи, светодиоды СТМ/АСМ микроскопы Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью

Применение углеродных нанотрубок для химических датчиков Каждый атом в одностенной нанотрубке (SWNT) находится на поверхности открыт для внешней среды, в т.ч для обмена электронами Малейшие изменения зарядов в НТ может вызвать сильнейшие изменения в ее электрических свойствах Чувствительные микродатчики для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях

Биодатчики на основе массивов кантилеверов Кантилевер - микромеханический зонд размерами 500μm х 100μm х 0.5μm. Зонды объединены в массив с шагом 250 μm Покрытия, притягивающие различные молекулы Детектирование отклонения отраженного света (10-20 нм) Чувствительность – аттограмм ( г) Применения: диагностика заболеваний, обнаруженире бактерий и вирусов «Искусственный нос»

Квантовые точки (Quantum Dots) кристаллы полупроводников нанометрового размера, которые имеют уникальные свойства, в т.ч. способность настраиваемой интенсивной люминесценции в узкой полосе от ИК до УФ в ответ на облучение с определённой частотой применение: раннее выявление заболеваний, в т.ч. опухолей Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток Возможно выявление 10 – 100 раковых клеток Нанокристалл селенида кадмия диаметром в пятнадцать атомов Скопление разных квантовых точек, облучаемых лазером

Биомедицина: Инженерия тканей Живой организм основан на многочисленных наноструктурах (белки) клетки тела приспособлены к взаимодействию с поверхностями, обладающими неровностями нанометровых масштабов костные импланты с нанонеровными Ti/ZnO покрытиями ускоряют регенерацию тканей кости в 5-8 раз подавляют воспалительные процессы на поверхности импланта

Биомедицина: лекарства Наномембраны для безинъекционного, постепенного (4-24 часа) введения лекарственных средств. Лечение диабета (homecare) Наночастицы как эмульсификаторы для введения гидрофобных/водонерастворимых лекарственных средств Паклитаксел – цистостатический препарат. Растворимость в воде – 0.03 мг/Л. Текущее прменение: инъекции раствора в Cremophor EL, обладающем серьезными побочными действиями Решение: эмульсия наночастиц, образованных выпариванием раствора действующего вещества в TPGS, локально доставляемая баллонным катетером Применение наночастиц для направленной доставки лечащих агентов (управление теплом, магнитным полем и т.д.)

Нанотехнологии и «чистая энергия» для населения Земли 10 нанотехнологических прорывов в производстве и хранении энергии: 1.Нано-тонкопленочные фотоэлементы – революционное уменьшение стоимости в раз 2.Хранение Н 2 - революция в сверхлегких материалах для водородных баков и /или новых реверсивных водородно-хемосорбционных систем (адсорбция Н 2 углеродными нанотрубками) 3.Топливные элементы – уменьшение стоимости в раз 4.Аккумуляторы и суперконденсаторы – увеличение удельной емкости в раз (электромобили, распределенная генерация электроэнергии) 5.Фотокаталитическое разложение CO 2 для производства жидкого топлива (метанол и др.)

Нанотехнологии и «чистая энергия» для населения Земли 10 нанотехнологических прорывов в производстве и хранении энергии (продолжение): 6.Использование наноматериалов для прямого преобразования фотон + вода для производства водорода 7. Наноэлектроника для компьютеров, датчиков и других устройств 8.Высокотемпературные сверхпроводники для замены традиционных металлических 9.Нанопокрытия для буров – резкое снижение стоимости бурения геотермальных скважин 10.Светодиоды для замены традиционных источников освещения

Применение нанотехнологий в солнечных элементах Три технологических поколения фотоэлементов: 1.Кремниевые пластины 2.Тонкопленочные фотоэлементы 3.Нанополимерные системы

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 1) Кремниевые фотоэлементы: На данный момент кремниевые фотоэлементы наиболее распространены, обладают наибольшей эффективностью преобразования и наиболее долговечны; но они и самые дорогие Отражение света от поверхности фотоэлемента ограничивает эффективность Нанопокрытия кремниевых батарей уменьшают отражения в критических областях спектра

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 2) Тонкопленочные фотоэлементы: дешевле удобнее в производстве и применении возможно применение как тонированных оконных покрытий Менее эффективны, менее долговечны и восприимчивы к воздействию окружающей среды Нанопокрытия тонкопленочных фотоэлементов: защищают батареи (гидрофобные нанопокрытия) перспективны как прозрачные электропроводящие пленки взамен дорогого и дефицитного индия

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 3) Нано-фотоэлементы: повышение эффективности

Некоторые итоги и перспективы Нанотехнология является объединяющей силой для разработки передовых решений важнейших технологических вызовов Нанотехнология имеет широкий спектр приложений оказывающих существенное влияние на промышленность, бизнес и общество в целом Наноматериалы и наноэлектроника предложат инновационные материалы и устройства в ближайшие 3- 5 лет Наномедицина обещает прорывы в лечении таких болезней, как рак и болезнь Альцгеймера в следующие 5-7 лет Нанотехнология может обеспечить развитие «чистой энергии» как решения энергетических проблем, стоящих перед человечеством