Нанотехнологии и современность

Содержание

 

Введение                                                                                                                   3

1. История нанотехнологий                                                                                    4

1.1. Определение и терминология нанотехнологий                                             9

1.2. Фундаментальные положения                                                                       11

2. Новейшие достижения                                                                                      14

2.1 Нанотехнологии «в деле»                                                                               19                                                                                                       

2.2 Прогноз развития нанотехнологий.                                                               27         

Заключение                                                                                                             31

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь  совершенно новые свойства, если взять  очень маленькую частицу этого  вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Чтобы понять, какие именно свойства и качества они могут проявить, давайте рассмотрим историю нанотехнологий с древности по современное время, их перспективы и отношение к ним.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История нанотехнологий

 

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

 

Этот манипулятор он предложил  делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший  бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

 

Изложенные Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают  практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931.

 

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент:

 

Если бы, — говорит, — был  лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что  на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал

 

Увеличение в 5000000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые  микроскопы, считающиеся основными  инструментами нанотехнологий, таким  образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.

 

Впервые термин «нанотехнология» употребил  Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий  размером несколько нанометров. В 1980-х  годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

История нанотехнологий в датах:

1905 г  Альберт Эйнштейн теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

 

1931г. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

 

1932 г. Голландский профессор  Фриц Цернике, Нобелевский лауреат  1953 г., изобрел фазово-контрастный  микроскоп - вариант оптического  микроскопа и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).

 

1939 г. Компания Siemens выпустила первый  коммерческий электронный микроскоп  с разрешением 10 нм.

 

29 декабря 1959 - День рождения  нанотехнологий.  Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.

 

1966 г. Американский физик Рассел  Янг, работавший в Национальном  бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих  туннельных микроскопах (СТМ)  с точностью позиционирования до 0,01 ангстрем.

 

1968 г. Исполнительный вице-президент  компании Bell Альфред Чо и сотрудник  ее отделения по исследованиям  полупроводников Джон Артур обосновали  теоретическую возможность использования  нанотехнологий в решении задач  обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

 

1971 г. Рассел Янг выдвинул  идею прибора Topografiner, послужившего  прообразом зондового микроскопа.

 

1974 г. Японский физик Норио  Танигучи, работавший в Токийском  университете, предложил термин "нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой).

 

1982 г. В Цюрихском исследовательском  центре IBM  Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали СТМ, позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

1985 г. Американские химики: профессор  Райсского университета Ричард  Смэлли, а также Роберт Карл  и Хэрольд Крото (Нобелевские  лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены - молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

 

1986 г. Герд Бинниг разработал  сканирующий атомно-силовой зондовый  микроскоп, позволивший визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.

 

1987--1988 гг. В НИИ "Дельта" под  руководством П. Н. Лускиновича  и в МИРЭА под руководством  М.В.Евдокимова заработали первые  российские СТМ с атомным разрешением и нанотехнологические установки, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

1989 г. Ученые Дональд Эйглер  и Эрхард Швецер из Калифорнийского  научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

 

1991 г. Японский профессор Сумио  Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для  создания углеродных трубок (или  нанотрубок) диаметром 0,8 нм.

 

1998 г. Сиз Деккер, голландский  профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул и первыми в мире измерили электрическую проводимость такой молекулы. Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

 

1999 г. Американские ученые - профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) - разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.

 

2000 г.  Ж.И. Алферов, Г. Кремер, Дж. Килби –  получили Нобелевскую премию за работы по созданию полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем.Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии - создания трехмерной картины  строения вещества с разрешением 100 нм.

 

2002 г. Сиз Деккер соединил  углеродную трубку с ДНК, получив  единый наномеханизм.

 

2003 г. Профессор Фенг Лью из  университета Юты, используя наработки  Франца Гиссибла, с помощью атомного  микроскопа построил образы орбит  электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

 

2004 г. В Манчестерском университете  создан материал  графен, который может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств. В Стенфордском университете создали транзистор из одностенных углеродных нанотрубок, размером 3 нм в длину и 2 нм в ширину.  Нанотрубки играли роль электродов, а помещенный между ними органический материал - полупроводника. Администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу”

.

2005 г.   В компания Intel создали прототип процессора размером около 65 нм. Пока в нем использует комплементарные металл-оксидные полупроводники, но в планах - перейти на квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки. В лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 50 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц.

2007 г. 19 июля. Учреждена государственная  корпорация «Российская корпорация  нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»)Генеральным директором корпорации назначен Л. Б. Меламед

 

1.2 Определение и терминология нанотехнологий

 

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

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- набор научных, технологических  и производственных направлений, которые объединены в единую культуру, основанную на проведении операций с материей на уровне отдельных молекул и атомов.

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

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.