Оглавление

1. Введение.                                                                                                3

2. Зарождение нанотехнологии.                                                                5

3. Ближайшие перспективы нанотехнологического прорыва.              10

4. Заключение.                                                                                          14

5. Список литературы.                                                                              16               

1. Введение.

       Нанотехнология – это совокупность методов и приёмов структурирования вещёства на атомном и молекулярном уровнях в целях производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнология обеспечивает возможность создания объектов, имеющих принципиально новые качества и позволяющих осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба, а также создания материалов, содержащих структурные наночастицы и обладающих качественно новыми свойствами и эксплуатационными характеристиками.

       Очень многие специалисты уверены,  что в ближайшие десятилетия  именно развитие нанотехнологий  станет основой грядущей промышленной  революции. Нанотехнология позволяет  нам осуществлять манипуляции  с веществом на уровне точности 1 нанометра (одна миллиардная часть метра), что означает возможность управления процессами в атомарном и молекулярном масштабе.  На этом уровне размеров стираются границы не только между привычными основными направлениями науки (физика, химия, биология), но даже и между их прикладными или смежными разделами (типа материаловедения, механики, электроники, генетики и нейробиологии). Нанотехнология объединяет в себе самые разнообразные науки и относится (причём существенно и принципиально) к промежуточным областям науки, т.е. по своей сути относится к междисциплинарным исследованиям, объединяющим понятия и подходы многих научных дисциплин. Возможность управления разнообразными характеристиками вещества на нанометровом уровне подводит учёных к необычным сочетаниям миниатюрных компонентов и их использованию даже для имитации некоторых молекулярных процессов, напоминающих жизнедеятельность микробиологических объектов.

      Развитие нанотехнологий обещает  огромные перспективы прежде  всего в технике (создание очень прочных и лёгких материалов, солнечных батарей нового типа, крошечных по размерам компьютеров с исключительно высоким быстродействием и возможностями, микро- и наноинструментов, автономных устройств и роботов различных размеров и т.д.) и в молекулярной биологии (медицинское вмешательство в работу клеток, непосредственная связь электронных устройств с нервной системой и клетками мозга и т.д.). В обозримом будущём ожидается бурный рост производства и рынка нанотехнологических материалов и изделий, вследствие чего многие государства и промышленные корпорации уже начали активно финансировать разнообразные программы по развитию исследований в этой области и организации соответствующих производств.

       Некоторые коммерческие товары  этого типа уже получили широкое распространение (например, головки магнитных дисков с покрытием нанометровой толщины, наноструктурные катализаторы, косметические товары с использованием наночастиц и т.д.), однако основные «прорывы» на рынке наноизделий ещё только намечаются. Независимо от того, удастся ли учёным реализовать свои фантастические замыслы, связанные с созданием так называемых молекулярных ассемблеров (сборщиков) и способных к самовоспроизведению нанороботов (эта концепция получила название молекулярной нанотехнологии), уже сейчас полученные конкретные результаты в области нанотехнологий обещают оказать самое серьёзное воздействие как на жизнь отдельных людей, так и на развитие всего мирового сообщества. 
 
 
 
 
 
 

2. Зарождение нанотехнологии.

     Нанотехнология, обеспечивающая возможность манипуляции отдельными молекулами и атомати вещества и создание наноструктурных материалов, - уникальная область науки и техники, изменяющая привычные представления о характере физико-химических превращений вещества, об их свойствах и возможностях использования. Вплоть до 1998 г., когда появился первый транзистор наномасштаба, практические возможности применения нанотехнологий считались фантастикой. Однако прошло несколько лет после этого события и мир захлестнула волна сообщений о работающих наноустройствах, собранных из отдельных молекул и атомов, и новых материалах, созданных с помощью нанотехнологии. В настоящее время подобные новости воспринимаются уже как рядовые и очевидные. К таким быстрым темпам развития нанотехнология пришла после более чем полувековых интенсивных исследований.

      В 1928 году сотрудник Ленинградского  технологического института Г.А.  Гамов, исследуя строение атомного  ядра и явление радиоактивности,  разработал основы туннельного  переноса заряда. Это явление было использовано позднее в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ).

      В 1931 году немецкие физики Макс  Кнолл и Эрнст Руска создали  прототип электронного микроскопа, с помощью которого можно было  исследовать нанообъекты.

      В 1939 году компания Siemens выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

      В 1959 году профессор Калифорнийского  технологического института Ричард  Фейнман (лауреат Нобелевской  премии 1965 г.) в своей лекции, прочитанной  перед Американским физическим обществом, отметил принципиальную возможность использования атомов в качестве строительных частиц для создания новых материалов и устройств. Этот год считается годом рождения натехнологии.

      В 1966 году американский физик  Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов США, изобрёл пьезодвигатель, применяемый в СТМ и для позиционирования наноинструментов с точностью до 10нм.

     В  1968 году сотрудники компании Bell Альфред Чо и Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

      В 1974 году термин «нанотехнология»  был впервые использован японским  учёным Норио Танигучи на конференции  Японского общества точного машиностроения, который обратил внимание на то, что в будущем материалы станут обрабатывать с ультравысокой точностью (достижение наноразмерного интервала), для чего потребуется применение как новых технологических приёмов, так и соответствующего метрологического обеспечения.

      В 1982 году Герд Бинниг и Генрих  Рорер (лауреаты Нобелевской премии 1986 года) в Цюрихском исследовательском  центре IBM  создали СТМ, воспроизводящий трёхмерную картину расположения атомов на поверхностях электропроводящих материалов.

      В 1985 году американские химики  Ричард Смэлли, Роберт Карл и  Хэрольд Крото (лауреаты Нобелевской  премии 1996г.) открыли фуллерены –  молекулы сферической формы, состоящие  из атомов углерода.

       В 1986 году Герд Бинниг в Цюрихском центре IBM разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), который в отличие от СТМ позволяет визуализировать атомы любых материалов, а не только электропроводящих.

      В 1987 – 1988 гг. в НИИ «Дельта»  под руководством П.Н. Лускиновича была  создана первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая путём термической десорбции направленный выход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

      В 1989 году Г. Глейтер впервые  получил из атмосферных плёнок  консолидированный нанокристаллический материал, им был введён термин «наноматериалы».

      В 1990 году Дональд Эйглер и  Эрхард Швецер сумели выложить 35 атомами ксенона на грани  кристалла никеля название компании  IBM. Для такого первого в мире целенаправленного переноса отдельных атомов они использовали СТМ производства IBM.

      В 1991году японский профессор  Сумио Идзима, работавший в компании  NEC, открыл углеродные трубки диаметром 0,8нм (нанотрубки).

      В 1998 году Сиз Деккер, голландский  профессор Технического университета г. Делфта, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул, и впервые в мире изменил электрическую проводимость нанотрубки.

      В 1999 году американские учёные  Марк Рид (Йельский университет)  и Джеймс Тур (Университет Райса) разработали единые принципы манипуляции одиночной молекулой и цепочкой из них.

      В 2000 году немецкий физик Роберт  Магерле предложил технологию  нанотомографии – создания трёхмерной  картины внутреннего строения  вещества с разрешением 100нм.

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

      С самого начала зарождения  производства предметов, используемых  человеком, метровые размеры были  определяющими, так как ни сами  предметы, ни механизмы, используемые при их изготовлении, начиная от лопаты и топора и заканчивая современными станками, было бы неразумно делать слишком малыми. Это относиться к большинству механических устройств (от современных автомобилей до новейших конструкций стереосистем, используемых в них). Таким образом, окружающий нас мир вещей и механизмов в своем преобладающем большинстве является продуктом «мёртвой» технологии.

      В то же время миниатюризация  вещей и механизмов была мечтой  умельцев всех времён и народов.  Однако размеры механических деталей определяются, во-первых, материалом, из которого они сделаны, и, во-вторых, размерами машин и механизмов, с помощью которых эти детали изготовлены. Указанные обстоятельства накладывают серьёзные ограничения на миниатюризацию деталей, которые могут быть преодолены лишь с огромными трудностями и затратами и только тогда, когда это становится совершенно необходимым (например, производство наручных часов). Достигнутую при этом миниатюризацию механических процессов можно считать предельной для «метровой» промышленной технологии.

      В то же время в эпоху  «метровой» технологии не всегда  требовались устройства с большими  размерами (например, при определении  температуры, освещённости, химического  состава вещества, сборе и хранении  информации, различных расчётах и т.п.).

      Более того, чем меньше размеры  этих устройств, тем они функциональнее  и экономичнее. Впервые это  было осознано при создании  электронной и вычислительной  техники во второй половине  ХХ в., когда начался переход  к широкомасштабной «миллиметровой» технологии, обусловленный возникновением   промышленной электроники. Примером достижения «миллиметровой» технологии явилась вакуумная лампа. Дальнейшее сокращение размеров технологического пространства в тысячи раз способствовало возникновению твёрдотельной микротехнологии, которая была разработана в последнее десятилетие ХХ в. и обеспечила существенный прогресс вычислительной техники: в интегральной схеме площадью 1см стало возможным размещение миллионов твёрдотельных транзисторов. Кристаллы кремния явились основой интегральных микросхем, миниатюризация которых и обусловила экспоненциально быстрый рост эффективности и быстродействия на единицу стоимости (и массы) вычислительных машин. В то же время, несмотря на столь разительный успех микротехнологии и практически полное отличие как микропродуктов, так и способов их изготовления от изделий «метровой» технологии, обе эти промышленные схемы объединяет общность классических законов, определяющих их работу (например, закон Ома, который одинаково справедлив и для бытового электронагревателя, и для интегральной микросхемы). Таким образом, все технологии – от «метровой» до «микрометровой» - могут быть объединены одним словом – классические.

        В ходе бурной миниатюризации  отдельных компонентов, микросхем  и целых процессорных систем  появилась реальная почва для  идеи предельного уменьшения  размеров (вплоть до атомно-молекулярных) всего, чем человек оперирует  для достижения своих целей. Естественными строительными модулями в этих случаях могут служить отдельные атомы и молекулы, а наиболее эффективными технологическими процессами – самосборка и самоорганизация отдельных элементов.

       Классические представления о  закономерностях природы начинают нарушаться при размерах, составляющих десятые доли микрометра. За этой гранью начинается область, подчинённая законам наномира, в которых проявляют себя волновая природа электрона и размерные поверхностные эффекты. Возникает вопрос: что произойдёт, когда микронные размеры будут уменьшены в 1000 раз? Первый ответ можно дать сразу: в этой области не работают законы классических технологий. Второй ответ тоже очевиден: происходит переход от сплошных веществ, подчиняющихся классическим технологиям, к атомно-структурным веществам квантовой нанотехнологии. Третий ответ: человечество вступает в такую «производственную» область, в которой исчезает грань между живой и неживой природой. 
 
 
 
 
 
 

3. Ближайшие перспективы нанотехнологического прорыва.

     Нанотехнология несомненно оказывает огромное воздействие на экономику, общественную жизнь и промышленность ХХI в. Перечислить все области, в которых нанотехнология существенно влияет на научно-технический прогресс, практически нереально, можно назвать только некоторые из них:

  - элементы  наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы  и лазеры, фотодетекторы, солнечные  элементы, различные сенсоры);

  - устройства  сверхплотной записи информации;

  - телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры;

  - видеотехника (плоские экраны, мониторы, видеопроекторы);

  - молекулярные  электронные устройства, в том  числе переключатели и электронные  схемы на молекулярном уровне;

  - нанолитография;

  - топливные  элементы и устройства хранения энергии;

  - устройства  микро- и наномеханики (молекулярные  моторы, наномоторы, нанороботы);

  - нанохимия  и катализ (в том числе управление  горением, нанесение покрытий, фармацевтика);

  - устройства  авиационного, космического и оборонного назначения;

  - устройства  контроля состояния окружающей  среды;

  - целевая  доставка лекарств и протеинов,  биополимеры и заживление биологических  тканей, клиническая и медицинская  диагностика, создание искусственных  мускулов, костей, имплантация живых органов;

  - регистрация  и идентификация канцерогенных  тканей, патогенов и биологически  вредных агентов.

       Можно с уверенностью предположить, что при сохранении достигнутых  темпов развития вся полупроводниковая  промышленность очень скоро столкнётся с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции электронных схем в ЭВМ ограничены пределами, определяемыми известными физическими законами. Таким образом, для дальнейшего прогресса науки и техники необходимы кардинальный пересмотр существующих технологий и разработка новых технологий. Такой революционный прорыв может быть осуществлён только за счёт использования нанотехнологии, которая позволяет создавать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе.

    Компьютерная  техника и электроника, вероятно, одними из первых получат реальную  возможность использования нанотехнологии  на практике. Развитие оптоэлектроники  и сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники  целиком основано на применении полупроводниковых квантоворазмерных наногетероструктур, выращиваемых с атомной точностью методами молекулярно-лучевой эпитаксии при разложении металлоорганических соединений. Переход от микроэлектроники к наноэлектронике связан с резким увеличением производительности вычислительных систем при снижении уровня энергозатрат, увеличением пропускной способности каналов связи и информационной ёмкости, повышением качества систем отображения информации, созданием экономичных осветительных приборов и существенным расширением применения электронных устройств в медицинских, биологических, экологических, химических и промышленных технологиях. Развитие наноэлектроники закладывает основы перехода к принципиально новым принципам работы базовых элементов электроники, включающим использование одноэлектронных эффектов, эффектов электронной интеграции, спиновых эффектов, бестоковых переключающих устройств, а также к разработке квантовых технологий создания вычислительных устройств и защищённых систем связи.

      Применение нанотехнологии для интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения вместе с использованием квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур открывает перспективы создания систем искусственного (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и образовывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокочастотного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д.

      Нефтепереработка с получением  ценных химических продуктов – область, где наноструктурные материалы и наносистемы уже нашли промышленное применение. Иллюстрацией реализации нанотехнологического потенциала в уже сложившемся реальном секторе экономики является:

  - применение  кристаллических материалов как носителей катализаторов с хорошо структурированными размерами пор в диапазоне 1нм, причём их использование уже стало базисом рынка цеолитных катализаторов с объёмом продаж приблизительно 30 млрд. долл. в год;

  - разработка  упорядоченного мезопористого материала с размерами пор в диапазоне 10…100нм, что позволит применять такие системы при удалении ультрадисперсных загрязнений;

  - создание  адсорбентов водорода на основе  наноструктур, которое может обеспечить  перевод транспортных средств  на экологически чистый вид топлива.

      Обобщая изложенный материал, можно  отметить следующие возможные  потенциальные прорывы в будущем  с помощью нанотехнологии:

  - разработка  запоминающих устройств, обладающих  многотерабитной ёмкостью памяти, что существенно повысит возможность хранения информации на единице площади поверхности. Например, может быть осуществлено сжатие всей информации, содержащейся в самой крупной библиотеке мира, в устройстве объёмом несколько кубических сантиметров;

  - производство  материалов и изделий по технологии «снизу вверх», т.е. их создание из атомов и молекул. Такое производство потребует меньше материалов и будет меньше загрязнять окружающую среду;

  - разработка  материалов, которые обладают как  сверхвысокой прочностью, так и  пластичностью с меньшими массой и размерами, что весьма важно для производства всех типов наземных транспортных средств, кораблей, летательных и космических аппаратов;

  - повышение   производительности компьютеров  и эффективности миниатюрных  транзисторов и чипов памяти в миллионы раз;

  - использование  гена для обнаружения раковых  клеток или органов, в которых  они находятся, при помощи созданных  методами нанотехнологии контрастирующих  веществ, а также обеспечение  целенаправленной доставки лекарств  к больным клеткам;

  - развитие  водородной энергетики, основанной  на фотокаталитическом и других  способах использования солнечной  энергии.

      С помощью нанотехнологии появляется  практическая возможность конвергенции  неорганических, органических и  биологических объектов, что позволит создавать принципиально новые микромашины и микромеханизмы, нанороботы и биокомпьютеры, «интеллектуальные» материалы и новые типы медицинских технологий.

      В настоящее время принципы, используемые  для создания наноструктур путём  их конструирования из фрагментов, только формируются. Поэтому каждый успех в понимании физических, химических и биологических свойств наносистем открывает новые возможности и методы построения наноструктур и наноустройств. 

4. Заключение.

      В России утверждена стратегия развития наноиндустрии, которая определяет главные приоритеты и организационно-правовые механизмы создания инфраструктуры соответствующей отрасли. В неё войдут государственные научные центры и университеты, а также лаборатории частных корпораций. Всего же, с учётом федеральных целевых программ, на развитие этого направления в федеральном бюджете должно быть запланировано около 180 млрд. руб. Определена головная научная организация по развитию наноиндустрии – это Российский научный центр «Курчатовский институт». Разработана Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года. Программа состоит из следующих блоков:

  - состояние  работ в области наноиндустрии;

  - приоритетные  направления работ в области  наноиндустрии;

  - цели, задачи и этапы реализации Программы развития;

  - основные  инструменты реализации;

  - ресурсное  обеспечение и индикаторы реализации;

  - основные  функции реализации;

  - органы  управления и координации в  рамках Программы.

     Разработка, создание и использование наноструктур способствуют развитию взаимосвязей различных отраслей науки. Междисциплинарные исследования по нанотехнологии усилят также связи фундаментальной науки и высшего профессионального образования, преподавание естественных наук станет комплексным.

      Одним из важнейших условий  быстрого и успешного развития  нанотехнологии в нашей стране  является разработка новых учебных  курсов и подготовка пособий,  которые позволят профессионально  готовить кадры исследователей, специалистов и рабочих, способных творить в этой достаточно сложной области науки и техники, так как нанотехнология – это не просто отдельная дисциплина, а масштабная, всесторонняя область знаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Список литературы.

1. А.Н.Ковшов, Ю.Ф.Назаров, И.М.Ибрагимов. Основы нанотехнологии в технике. Москва: Издательский центр «Академия», 2009г. – 240с.
2. Ю.Альтман. Военные нанотехнологии. Возможность применения и превентивного контроля вооружений. Москва: Техносфера, 2006г. – 424с.
3. Д.И.Рыжонков, В.В.Лёвина, Э.Л.Дзидзигури. Наноматериалы. Учебное пособие. Москва «Бином. Лаборатория знаний» 2008г., 365с.
4. Ю.И.Головин. Введение в нанотехнику. Москва «Машиностроение» 2007г. – 496с.
5. Мартинес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Р уеда Ф., Нанотехнологии для микро-  и оптоэлектроники. Москва «Техносфера», 2007г. – 368с.