Введение в специальность инженера в облати авиастроения

      Кремниевые нанонити изначально выращивались учеными на подложке оксид-нитрид-оксид. Принцип хранения памяти в      устройстве сравнительно прост: при подаче положительного потенциала на нанонить электроны туннелируются в подложку, заряжая ее. Отрицательный потенциал, наоборот, способствует возвращению электронов назад в нанонить. Таким образом реализованы два логических состояния – «1» и «0».

           Как позже показали тесты, устройство находится в состояниях «1» и «0» устойчиво, без промежуточных состояний.

          Также устройство отличается достаточно высокой стабильностью работы при повышенных температурах и простой интеграцией в технологический процесс по производству чипов памяти.

          Исследователи обнаружили, что ячейкой хранения информации размером в один бит может выступать отдельный атом. ( Рис 2.3).

Используя сканирующий туннельный микроскоп, ученые помещали атом железа, функционирующий  как самостоятельный магнит, на тонкую пленку нитрида меди. При этом за счет взаимодействия с окружающими  атом железа немагнитными атомами возникает  явление магнитной анизотропии: магнитный момент ориентируется  в определенном направлении.

         Направление магнитного момента можно использовать как значение бита: 0 или 1. Если однобитовую ячейку действительно удастся довести до размера одного атома, то объемы информации, которую могут хранить жесткие диски, возрастут в тысячи раз.

         Однако до работающего прототипа «атомной» памяти и тем более до коммерческой реализации еще далеко. Одной из проблем является то, что эксперимент проводился при температурах, близких к абсолютному нулю, которые в обычном компьютере, разумеется, недостижимы.

        Одновременно другая группа исследователей в IBM совершила другой прорыв в области нанотехнологий, который потенциально позволяет многократно уменьшить размеры процессора. Сотрудники цюрихской лаборатории IBM показали, что в качестве элементарного переключателя (элемента логического вентиля) может использоваться отдельная молекула, которая может переходить из состояния «включено» в состояние «выключено» без изменения формы.

        Исследователи из Rensselaer Polytechnic Institute (США) разработали метод компактизации пучков нанотрубок. Такие плотные пучки отлично проводят электрический ток и однажды могут заменить медные контакты в компьютерных чипах.

        Теоретические расчеты показали, что проводимость плотноупакованных углеродных нанотрубок может превосходить проводимость меди. Но обычные методы синтеза нанотрубок позволяют получать лишь реденькие «заросли».

         Команда ученых выяснила, что погружение вертикально выращенных пучков нанотрубок в органические растворители (например, изопропиловый спирт) и последующая сушка позволяют значительно увеличить плотность пучков.

         Такое явление объясняется так называемой капиллярной коалесцецией. Когда растворитель испаряется, капиллярные силы заставляют нанотрубки сближаться и связываться при помощи Ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

         Плотность пучков нанотрубок увеличивается в 25 раз. На плотность и конечную форму пучка оказывают сильное влияние такие факторы, как высота, диаметр трубок и начальное расстояние между ними. (Рис 2.4).

         Такое значительное увеличение плотности не является пределом. Более того, для практического использования пучков в качестве замены меди, необходимо дальнейшее уплотнение.

         По словам ученых, уплотненные пучки нанотрубок могут стать основой трехмерных компьютерных чипов с новой архитектурой, в которой компоненты чипа размещаются в вертикальных стеках.

        Также успешно может использоваться большая площадь поверхности пучков нанотрубок. Это особенно важно при разработке электродов для суперконденсаторов и водородных топливных элементов, а также в любых ситуациях, где требуется высокая электро- и теплопроводность и хорошие механические характеристики. [1]

                                     2.2 Нанотехнолгии в электронике.

          Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области.

Этот  процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который  гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

          Однако принципиально новая особенностью наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования.

          Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

         Мировое научное сообщество сейчас активно дискутирует на тему квантовых битов, квантовых компьютеров и квантовой криптографии. Это наиболее яркие примеры того принципиально нового, чего можно добиться в области наноэлектроники. Перечисленные вещи, вообще говоря, фантастические, и до сих пор многие сомневаются, удастся ли что-либо из этого реализовать.

         По самым же оптимистичным прогнозам, современные компьютеры будут выглядеть в сравнении с квантовыми как телега на фоне «Мерседеса», настолько принципиально сильным ожидается отличие в скорости вычислений и в используемой алгоритмической базе.

          Объём нынешнего рынка исследований и разработок в области микроэлектроники эксперты оценивают в два-три триллиона долларов.

Ожидается, что в ближайшие годы рынок, связанный  с нанотехнологией, достигнет одного триллиона долларов, и примерно треть  от этой цифры — изделия наноэлектроники. Сбудется ли этот прогноз, трудно сказать, но пока всё к тому сходится.

           В России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. Разработки в таких областях, как СВЧ, фотоприёмники, излучательные структуры, солнечные батареи, силовая электроника и сейчас на очень хорошем уровне.

          Потенциал у нас есть, необходимо создать условия для развития наноэлектроники И, к сожалению, за последние пятнадцать лет экономические реформы вместо ожидаемого рывка в этой области привели к потере позиций, сформированных во времена Советского Союза.

          Тогда наша страна была третьей микроэлектронной державой мира — отставая от Японии и США, конечно, но превосходя по уровню и номенклатуре другие страны. Нишу, которую занимал СССР, сейчас прочно занимают Южная Корея, Тайвань, Китай, небольшие страны Азии, такие как Сингапур, и европейские страны — Германия, Франция, Англия.

          В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов — полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алферов.

          Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие.

          На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь мы, к сожалению, не в лидерах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне. Потенциал у нас есть, особенно если учитывать, что многие специалисты, уехавшие из России в тяжелые времена экономических реформ, весьма успешно работают в самых передовых областях наноэлектроники за рубежом.

           Необходимо только создать организационные и экономические условия, чтобы всё это развивалось и у нас. Насколько я понимаю последние административные новации в области нанотехнологий, правительственные структуры уже этим озабочены. Ближайшее будущее покажет, насколько всё это правильно, верно и обоснованно.

           Ещё один важный момент состоит в том, что Россия — большая, многонациональная страна, и уже поэтому ее наука обречена иметь особые задачи, поставленные силовыми ведомствами.

Военные действия ведутся сейчас преимущественно  с использованием всё более высокоточного  оружия. Космическая система наблюдения и связи важна для удержания  контроля на большой территории. [4]

    3. Нанотехнологии в оборонной и космической промышленности.

                      3.1 Нанотехнологии в оборонной промышленности.

          Освоение и внедрение нанотехнологий называют третьей научно-технической революцией. Благодаря такому прорыву человек сможет создавать новый мир по своему хотению, даже «конструировать» живую материю, основанную на саморегуляции. В будущем нанороботы будут способны к самовоспроизведению (невольно вспомнишь писателей-фантастов, которые предсказывали выход машин из-под контроля их создателей, что грозило уничтожением человечества). Однако все это дело отдаленного будущего.

           Практическое применение нанотехнологиям, как и всяким новинкам в науке, первыми ищут военные. Новая техника, уверены ученые в погонах, в корне изменит характер боевых действий — война станет быстрой и разрушительной.

           Первыми изобретателями нанооружия стали американцы. По данным Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) США, в 2006 году в Афганистане были испытаны системы слежения за передвижением войск союзников НАТО, чтобы координировать их действия. А эксперты Института глобального климата и экологии «Росгидромета» говорят, что нанооружие как разновидность климатического оружия могло быть испытано США еще во               Вьетнаме в начале 70-х годов прошлого века — тогда там искусственно вызывались муссонные дожди.

             В России первые наноразработки тоже были связаны с оружием, но долгое время они оставались теоретическими. В 90-е годы, когда сворачивались фундаментальные исследования, наноразработки были приостановлены.

              Недавно принятая государственная программа развития нанотехнологий предусматривает так называемый французский вариант внедрения — за счет создания государственных корпораций (в отличие от американского, где ставка сделана на частный бизнес).

              Мозговым и управляющим центром отечественных исследований в новой области станет корпорация «Роснанотех», которая по капитализации, как обещает первый вице-премьер Сергей Иванов, может превзойти «Газпром».

              Представители наноцентров Московского энергетического института и Российского научного центра «Курчатовский институт» не скрывают: вектор развития нанотехнологий — оборона. Среди других приоритетов охрана государственной границы, защита от техногенных катастроф.

              В США уже создан Институт солдатских нанотехнологий — для разработки вооружения и экипировки «солдата будущего». Это будет, собственно, уже не солдат в привычном сегодня понимании, а отдельный самостоятельный механизм. Например, форма одежды у него будет толщиной всего несколько миллиметров. Ее планируют создать на основе нановолокна из нанополиуретана. Последний по структуре очень напоминает паутину. Это, по сути дела, мягкая броня, защищающая солдата от неограниченного (!) количества пуль — в отличие от современных бронежилетов, где количество принятых пуль ограничено.