Введение в специальность инженера в облати авиастроения

                                             Содержание                              Введение……………………………………………………………..........3

1. Определение нанотехнолгии………………………………………….4
2. Нанотехнологии в приборостроении..................................................5
1. Компьютерные нанотехнолгии………………….………………….5
2. Нанотехнолгии в электронике……………………………………..12
3. Нанотехнологии в оборонной и космической промышленности…14
1. Нанотехнологии в оборонной промышленности…………………14
2. Нанотехнологии в космических аппаратах………….……………17

4. Нанотехнологии в робототехнике………………………………….18

5. Нанотехнологии в станкостроении………………………………...20

Заключение………………………………………………………………21

Литература……………………………………………………………..23 
 
 
 
 
 
 
 

                                                  Введение.

            В последние годы опубликовано множество оптимистических прогнозов о способах применения нанотехнологий. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в микроэлектронике, оптоэлектронике и приборостроении. Поэтому нанотехнологии обладают поистине гигантским потенциалом.

           На основе нанотехнолоий могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего - электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

             Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. [5]

                                    1. Определение нанотехнолгии.

         Существует большое множество различных определений нанотехнологии:

        Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10-9 метра).

        Нанотехнологии — это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.

        Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

        Нанотехнология — совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

       Нанотехнологии: любые технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами.

                           2.Нанотехнологии в приборостроении.

                                        2.1 Компьютерные нанотехнолгии.

          Нынешние теоретические разработки и эксперименты вполне могут привести к очередному техническому прорыву. Ещё полвека назад малопонятные обывателю формулы положили начало новому направлению науки. Результатом стало создание компьютеров, без которых сегодня сложно представить жизнь современного человека.

          Теперь ученые ставят более амбициозные задачи. Речь идет о создании квантового компьютера. Вместо привычных электронных микросхем, ученые предлагают строить компьютеры будущего, используя для вычисления отдельные атомы и молекулы. Поэтому техника следующего поколения должна стать более миниатюрной.

           Ученые предложили новую «подрывную технологию», используя магнитные сотовые сети, которые могут привести к увеличению вычислительной мощности по сравнению с конкурентными технологиями.

           Интегральные схемы являются множеством связанных микроскопических электронных схем и компонентов, которые имплантированы на поверхности единственного чипа полупроводникового материала. Они стали основными компонентами почти всех электронных устройств. По сравнению с вакуумными трубками и транзисторами, которые предшествовали им, интегральные схемы обеспечили дешевый, очень надежный способ производства компьютеров, удовлетворяющий более широкому диапазону требований и позволяющий выпускать более широкий диапазон продукции.

         Создав логический элемент, который является основой возможности компьютера складывать, вычитать, умножать и делить, можно продемонстрировать, что с помощью намагничивания смежных магнитов можно выполнять определенные логические и вычислительные операции, реверсируя полюса магнитов.

         Основной смысл — создание потенциально ультравысокой плотности магнитных вычислительных компонентов для значительно более высокой вычислительной мощности, не связанной с ожидаемым потолком достижений для интегральных схем полупроводников. Дополнительные преимущества заключаются в возможной интеграции с магнитными ОЗУ, которая привела бы к созданию полностью магнитных вычислений, чрезвычайная надежность, устойчивость к воздействию радиации, которая имеет критическое значение для космических или военных приложений».

        Долгосрочный потенциал развития интегрированных магнитных вычислительных систем, типа нашей, может способствовать существенному прогрессу в обработке информации. Эта технология сравнима не только со сверхпроводниками, но также и с революцией интегральной схемы прошлой половины столетия.

        В последнее время ученые много внимания уделяют графеновым материалам в надежде получить наноэлектронные устройства на их основе. Пару лет назад был представлен первый графеновый нанотранзистор, сейчас же китайские и канадские ученые продемонстрировали логическую ячейку на основе этого наноматериала. Графен и наноэлектроника на его основе на самом деле имеет огромный потенциал. Особенно это касается гибридной наноэлектроники, в которой в цепях используются квантовые точки, расположенные на графеновой поверхности. Как уже известно, такие структуры можно достаточно легко производить с помощью традиционных литографических методов.

        Международной команде ученых из Университета Альберты (University of Alberta) и Национальной Лаборатории Хефей (Hefei National Laboratory) удалось создать программируемый графеновый логический массив на основе квантовых точек, который подойдет как для создания компьютерной RAM-памяти, так и для логических цепей будущих компьютеров.

        Самое интересное в графеновой наноэлектронике состоит в том, что для работы RAM-блока не нужно соединять отдельные ключи нанопроводниками – графеновый лист представляет собой полностью функциональное, цельное устройство.

        Устройство состоит из двух основных типов Z-образных графеновых нанолент-соединений, которые характеризуются либо полупроводниковыми, либо металлическими свойствами. Что интересно, свойства металл-полупроводник зависят от ширины графеновой ленты, а лента-зигзаг вообще имеет только явно выраженные металлические свойства. (Рис 2.1).

        При этом квантовая тока формируется при изменении энергетического состояния Z-ленты.

        Таким образом, при подаче внешнего напряжения на массив нанолент, разделенный между собой краевыми разделителями (они формируются на границе раздела графеновых лент разной структуры), может работать как массив RAM-памяти, т.к. наличие либо отсутствие квантовой точки на местах пересечения лент будет соответствовать логическому «0» или «1».

          Как говорит один из исследователей, время доступа к отдельной графеновой ячейке памяти будет меньше, чем в стандартных CMOS-чипах. Также графеновый аналог потребляет меньше энергии.

         Создано первое устройство на основе нанонити, способное сохранять данные в течение длительного времени и переключаться в 1000 раз быстрее современных аналогов твердотельной памяти.

         Как ни странно, но идеальными кандидатами для твердотельной памяти оказались достаточно экзотические материалы, способные переключать свое состояние с аморфного к кристаллическому. Такая «фазовая память» (phase-change memory) может обладать высокой плотностью хранения данных совместно с быстрым переключением материала между состояниями.

          Ученые смогли создать наноячейку на основе сплава германия и теллурида сурьмы, который достаточно распространен в производстве наноэлектронных компонентов.

          Ячейка нанопамяти представляет собой нить длиной 10 микрон и диаметром около 30 нанометров. При записи информации в нанонить-ячейку меняется ее электропроводность из-за смены фазы материала. Так, кристаллическая фаза соответствует логической «0», аморфная – «1». Из-за различной электропроводности материала в разных фазах  ученым и удалось использовать нанонить из германиевого сплава в качестве логической ячейки. (Рис 2.2)

         Переключить фазу материала ученые смогли с помощью короткого, но достаточно мощного электрического импульса, который нагревает материал до точки плавления, из-за чего атомы материала становятся «закреплены» в аморфном положении. После того, как подать импульс такой же продолжительности, но меньшей амплитуды, атомы возвращаются на место, формируя снова кристаллическую решетку.

        Время хранения данных таким образом в нанонити – около 10000 лет, время чтения/записи ячейки – 50 наносекунд, потребляемая мощность – 0,7 мВт

        Как говорят исследователи, память на основе нанонитей может со временем заменить flash-память, широко использующуюся сегодня в мире.

        Сейчас ученые работают над дальнейшей миниатюризацией нанопамяти для того, чтобы достичь максимально возможного «предела» для подобных устройств.

       Ученые разработали новый метод производства подобных наноструктур, благодаря которому они добились параллельного расположения нанонитей на многослойной подложке полупроводник-оксид-нитрид-оксид-полупроводник (SONOS).

       Благодаря нововведениям в производстве, исследователи уверены, что конечная стоимость чипов будет невысокой, так как для производства современной flash-памяти требуется большее количество производственных операций.