Нанотехнология. 4

Введение

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) . Приставка "нано-" в переводе с греческого означает "карлик".

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения  исследований явлений на атомном  и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

   История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая  нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт  Эйнштейн опубликовал работу, в  которой доказывал, что размер  молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики  Макс Кнолл и Эрнст Руска  создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон  Артур, сотрудники научного подразделения  американской компании Bell, разработали  теоретические основы нанотехнологии  при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио  Танигучи на международной конференции  по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд  Бинниг и Генрих Рорер создали  специальный микроскоп для изучения  объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики  Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1998 год. Голландский физик Сеез  Деккер создал транзистор на  основе нанотехнологий.

2000 год. Администрация США поддержала  создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

  Основные особенности наноматериалов  и технологии их получения

"Обычная" промышленность  работает с тоннами и кубометрами,  к чему все привыкли. Наноматериалы  - продукт нанотехнологий - это нечто  особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого вещества способен решить множество проблем. Это пример современной "гомеопатии", которая поставлена на вполне научную основу и глубоко продумана.

Наноматериалы - не один "универсальный" материал, это обширный класс множества  различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически  интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что  наноматериалы - это просто очень  мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микро и макро объекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик  веществ и материалов обусловлены  не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Важной особенностью металлических  наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учеными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм.

   Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий

В Германии Creavis — исследовательское  подразделение корпорации Degussa.

В США центры развития нанотехнологий, финансируемые Национальным научным фондом (NSF):

Национальная сеть нанотехнологической  инфраструктуры (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN), включающая 13 организаций, занимающихся нанотехнологиями. Ведущей организацией является Корнелльский университет.

Центр иерархического производства (Center for Hierarchical Manufacturing, CHM) при Университете Массачусетса — Амхерст.

Центр наномасштабных химических, электрических  и механических производственных систем(Center for Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems, Nano-CEMMS) при университете Иллинойса.

Центр скоростного нанопроизводства (Center for High Rate Nanomanufacturing, CHN), базирующийся в  Северо-Восточном университете.

Центр масштабируемого и интегрированного нанопроизводства (The Center for Scalable and Integrated Nanomanufacturing, SINAM) при Калифорнийском университете в Беркли.

В России: ГК "Роснанотех" Государственная корпорация Российская корпорация нанотехнологий создана в Российской Федерации в соответствии с Федеральным законом "О Российской корпорации нанотехнологий" № 139-ФЗ от 19 июля 2007. Корпорация содействует реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, финансируя инвестиционные проекты по производству нанотехнологической продукции, содействует развитию инфраструктуры в сфере нанотехнологий и поддерживает программы подготовки и переподготовки кадров.

ЗАО "Нанотехнология МДТ" — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тестовые образцы.

ООО "АИСТ-НТ" — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.^[

ООО "Нано Скан Технология" — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования. В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов и 3 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ.

   Области применения нанотехнологий

  Наноэлектроника

Наноэлектроника — область  электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Основные задачи наноэлектроники

—   разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

—   разработка физических основ технологических процессов;

—   разработка самих приборов и технологий их изготовления;

—   разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы - основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов

Наиболее реально ожидаемое  и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица  информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.

В настоящее время рассматриваются  несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография. 

Нанотехнологии в строительстве

Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство.

Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся  материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.

Определенные успехи в этой области  уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.

Другое направление практического  применения нанотехнологии в строительстве  — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.

Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.

В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный  материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию (класс 1 согласно EN 13300). Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктур-ной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света.

Нанотехнологии в медицине

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К  ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным  клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти  лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Лаборатории на чипе, разработанные  рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека, определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность.

Новые бактерицидные средства создаются  на основе использования полезных свойств  ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

 Основные направления использования нанотехнологий в АПК

На сегодняшний день наноматериалы  и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное  влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

Нанотехнологии применяются при  послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок  в регулируемых средах, озонировании воздуха.

В животноводстве и птицеводстве при  изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж уменьшается в 2 раза).

На основе наноматериалов создано  большое число препаратов, позволяющих  сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

Нанотехнологии в машиностроении

В промышленности основной отраслью-потребителем нанопродукции является машиностроение. Ведь базой машиностроительного  комплекса являются материалы с  нужными физико-химическими свойствами (иногда, почти фантастическими) и нанотехнологии позволяют создавать такие материалы. Разрабатываются новые металлические, керамические, полимерные материалы, материалы с т.н. "памятью". Активно разрабатываются всевозможные нанопокрытия, толщина которых в несколько микрон коренным образом повышает эксплуатационные качества конечного изделия..

В российском машиностроении наметилась тенденция к широкому производственному внедрению некоторых нанотехнологий, особенно в строительной отрасли. Так, активно используются резцы с особопрочными кернами для обработки бетонных и асфальтовых дорожных покрытий, обработки угольных и соляных пластов в шахтах. В промышленных масштабах налажен выпуск нержавеющих гидроштампованных фитингов (всевозможные переходники, угольники, крестовины с толщиной стенки от 0,8 до 2мм).

Ведутся активные разработки по теме ультрадисперсных нанокомпонентов - спецпорошков (основа для технологий восстановления изношенных поверхностей), налажен серийный выпуск некоторых видов такой продукции. При использовании таких спецпорошков время ремонтов сокращается в 2-3 раза (при аналогичном снижении стоимости ремнта), а межремонтный период вырастает до 1,5 нормативных сроков. Процесс восстановления следующим образом: попадая в работающий агрегат, наночастицы спецпорошка испытывают повышенную температуру и давление, в результате чего наночастицы "активируются" и начинают образовывать новый, сверхпрочный слой на местах износа. В последствии, именно этот, вновь образовавшийся слой принимает на себя основные эксплуатационные нагрузки.

Перспективными наноразработками являются создание сверхвысокопрочных пружин, создание металлокерамических  материалов, производство режущих элементов  из сверхтвёрдых образцов. Близко к серийному выпуску находится тема по производству станков электрохимических для изготовления деталей с нанометрической структурируемой поверхностью. Заманчиво выглядит применение объёмных наноматериалов, создаваемых на металлической базе. Изделия из таких материалов дадут возможность осуществить принципиально новое техническое перевооружение, ведь ресурс изделий будет повышаться в 2-5 раз.

На вышеперечисленные технологии уже обратили внимание передовые  автоконцерны мира, ведь при создании автомобилей нужны материалы с самыми разнообразными характеристиками. Использование наноматериалов позволит инженерам при разработке не ограничивать проект из-за оглядки на прочностные свойства того или иного материала. Скорее наоборот, исходя из требуемой задачи будет создаваться модель технологического узла, а необходимый материал будет разработан в кратчайшие сроки на базе нанотехнологий .

Заключение

С наступлением нового тысячелетия  началась эра нанотехнологии. Стремительное  развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Перспективы нанотехнологической  отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".