|
|
Каталог статей
ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Нанотехнологии — 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 атомной структурой путём контролируемого
манипулирования отдельными атомами и молекулами.
____В Техническом комитете ISO/ТК 229 под нанотехнологиями подразумевается следующее:
____- знание и
управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее
масштаб менее 100 нм, в одном или более измерениях, когда ввод в
действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых
применений;
____-
использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе,
которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от
объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для
создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти
свойства.
____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.
____Нанотехнологии
качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких
масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей
часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые
на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и
взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул
(например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.
____Нанотехнологии
и в особенности молекулярная технология — новые, очень мало
исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой
области, пока не сделаны, тем не менее, проводимые исследования уже дают
практические результаты.
____Историк
науки Ричард Букер отмечает, что историю нанотехнологий описать крайне
сложно по двум причинам - во-первых, «размытости» самого этого понятия.
Например, нанотехнологии часто не являются «технологиями» в привычном
смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось
экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом.
____Чарльз Пул,
автор книги «Введение в Нанотехнологию», приводит показательный пример:
в Британском Музее хранится, так называемый «Кубок Ликурга» (на стенах
кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского
законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами - он содержит
микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При
различном освещении кубок меняет цвет - от темно-красного до
светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании
витражей средневековых европейских соборов.
____Отцом
нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в
400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с
греческого означает «неделимый», для описания самой малой частицы
вещества.
____В 1661 году
Ирландский химик Роберт Бойл опубликовал статью, в которой
раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле
состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская
основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все
состоит из «корпускулов» - сверхмалых деталей, которые в разных
сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи
Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.
____Предположения
о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить и
в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон
выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут
исследовать «тайны корпускул».
____1883 год.
Вероятно, впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был
достигнут американским изобретателем и основателем компании «Kodak»
Джорджем Истмэном (1954 – 1932), который изготовил фотопленку.
____1905 год.
Швейцарский физик Альберт Эйнштейн (1879 – 1955) 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.
____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 ввел в научный оборот слово
«нанотехнологии», которым предложил называть механизмы, размером менее
одного микрона. Греческое слово «нанос» означает «гном», им обозначают
биллионные части целого.
____1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
____1985 год.
Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали
технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один
нанометр.
____1986 год.
Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог
Эрик Дрекслер (р. 1955) опубликовал книгу, в которой предсказывал, что
нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
____1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
____1993 год. В
США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь
физика Ричарда Фейнмана (1918 – 1988), который в 1959 году произнес
пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут
решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В
1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в
сфере квантовой электродинамики - ныне это одна из областей нанонауки.
____1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
____1999 год.
Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная
молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
____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, автор книги «Нанотехнологии: Введение в Новую Большую
Идею», 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».
____Но в
большинстве случаев многие источники, в первую очередь англоязычные,
первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы
нанотехнологией, связывают с выступлением американского физика Ричарда
Фейнмана (1918 – 1988) под названием «Там внизу много места», 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 произвольное 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.
____Вот как Ричард Фейнман описал предполагаемый им манипулятор:
____«Я думаю о
создании системы с электрическим управлением, в которой используются
изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных
в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко
выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах,
снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут
закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие
отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в
масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые
механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной
величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех
поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут
оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и
присоединены к обычной системе электрического управления. После этого
можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами!
Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть
довольно широкой — от хирургических операций до транспортирования и
переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип
предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и
блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о
возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что,
естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и
модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется
отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые,
значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не
мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных
станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением
станков или их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного меньше
объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в
4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления
материалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы обычного
станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему
стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы
одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно
сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения
размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими
явлениями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от
масштабных факторов. Кроме того, существует еще и проблема «слипания»
материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так
называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам,
необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет
отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет
плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько
физических проблем такого типа, о которых следует помнить при
проектировании и создании микроскопических механизмов».
____Впоследствии
футуролог Эрик Дрекслер (р. 1955) и его последователи оценили параметры
механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении
размера компонент к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что
они недооценивают важность электрических, оптических и т. д. эффектов, а
тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее
масштабируются. При этом, разумеется, осознаётся что электрические и
прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.
Произведя соответствующее масштабирование, Дрекслер получил следующие
численные оценки:
____- позиционирование реагирующих молекул с точностью ~0.1 нм
____- механосинтез с производительностью ~106 опер/сек на устройство
____- молекулярная сборка объекта массой 1 кг за ~104 сек
____- работа наномеханического устройства с частотой ~109 Гц
____- логический затвор объёмом ~10^-26 м^3, с частотой переключения ~0.1 нсек и рассеиваемым теплом ~10^-21 Дж
____- компьютеры с производительностью ~10^16 опер/сек/Вт; компактные вычислительные системы на 10^15 MIPS.
____Но прежде,
чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том
варианте, в котором её видят Эрик Дрекслер и его последователи будет
полезно получить представление о том, как работают «устройства»
аналогичного масштаба в живых организмах.
____В рамках
данного обзора приведём лишь один из наиболее ярких примеров -
АТФ-Синтаза. АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность
концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в
молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Последняя используется практически
всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.
____АТФ-синтаза
присутствует в «энергетических станциях» растительных и животных клеток
- хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную
конструкцию из нескольких типов единиц - белковых молекул. Одна из этих
единиц - а-единица - прочно закреплена в мембране хлоропласта или
митохондрии. Из неё выступает двойной «кронштейн» - пара b-единиц. С
помощью r-единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±- и
І-единиц. Рядом с а-единицей в толще мембраны свободно вращается
цилиндрический блок с-единиц. Очередная с-единица может захватывать
протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При
этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной а-единице.
С-блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица не
сблизится с а-единицей. При этом протон через имеющийся в а-единице
канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка.
Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и
приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула
- і-единица. Она играет роль коленчатого вала. По мере вращения она
давит на очередную І-единицу, заставляя её переходить из одной
конформации - закрытой - в другую - открытую. В открытой конформации
І-единица захватывает пару молекул - аденозиндифосфат (АДФ) и
неорганический фосфат. При закрытии она с силой прижимает их друг к
другу; это приводит к механосинтезу АТФ. При очередном открытии готовая
молекула АТФ выходит в окружающую среду и І-единица готова к очередному
циклу.
____Таким
образом можно сказать, что АТФ-синтаза представляет собой довольно
сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор - с-блок;
статор - а-единица), коленчатого вала (і-единица) и блока рабочих
инструментов (І-единиц), осуществляющих механосинтез молекул АТФ из двух
исходных компонент.
____Интересно,
что АТФ-синтаза может работать и «в обратную сторону». Если над
мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже І-единицы будут
вращать с-блок через і-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким
образом, «электромотор» может работать и как «электрогенератор».
____Это только
один из примеров расшифрованных природных наноустройств, среди которых
есть, к примеру, «электромотор», двигающий флагеллы бактерий;
«сборочный конвейер» - рибосома; ферменты - «нанороботы», находящие
ошибки в информации, записанной на ДНК и исправляющие их. С каждым годом
обнаруживаются новые молекулярные механизмы, выполняющие самые
разнообразные функции, это позволяет предположить, что устройства,
аналогичные по масштабам могут быть изготовлены и искусственно - то, что
было сделано, может быть повторено.
____Что касается человеческих «достижений» в этой отрасли, то можно выделить следующие основные фундаментальные направления:
____1) Сканирующая зондовая микроскопия.
____Одним из
методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая
зондовая микроскопия, в рамках которой реализованы как не оптические,
так и оптические методики. Исследований свойств поверхности с помощью
сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводят на воздухе при
атмосферном давлении, вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики
позволяют изучать как проводящие, так и не проводящие объекты. Кроме
того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования,
например с классической оптической микроскопией и спектральными
методами.
____С помощью
сканирующего зондового микроскопа можно не только увидеть отдельные
атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности,
перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные
наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, как уже
упоминалось выше, в исследовательском центре компании IBM,
последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла
никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании,
используя 35 атомов ксенона.
____При
выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В
частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10^−11
тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких
температур (4^-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и
атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её
приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения
поверхностной диффузии осаждаемых атомов.
____2) Наночастицы.
____Современная
тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь
совершенно новые свойства, если рассматривать лишь только очень
маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 100
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
дёшевы 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.
____Нанообъекты
можно разделить на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые
взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и
т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного
наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные
объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного
наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также
существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в
какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только
метод микролитографии, применяемый в электронике, позволяющий получать
на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм;
метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок.
Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности
следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с
их помощью возможно создание реальных монослоёв.
____3) Самоорганизация наночастиц.
____Одним из
важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить
молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться,
чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой
занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не
отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны
упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и
материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют
подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны
биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из
примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную
форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько
молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза,
использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берётся
комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б.
Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение
одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя
одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут
молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение:
====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.
____4) Проблема образования агломератов.
____Частицы
размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных
кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они
могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как
наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии,
эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений —
использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный
раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно
добавлять в среду, содержащую наночастицы, для облегчения манипуляций с
ними.
____Эти
«базовые» возможности применения нанотехнологий уже дали некоторые
практические результаты, которые можно отнести к новейшим достижениям в
данной области (некоторые из них будут более подробно рассмотрены в
следующих разделах):
____1) Наноматериалы.
____Это
материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными
характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их
составляющих:
____-
углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром
от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких
сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку
гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся
полусферической головкой;
____- фуллерены
— молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм
углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой
выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа
трёхкоординированных атомов углерода;
____- графен —
монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском
университете. Графен можно использовать как детектор молекул (NO2),
позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен
обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему
графен рассматривают как перспективный материал, который заменит кремний
в интегральных микросхемах.
____- нанокристаллы – наноразмерные объекты с множеством приложений использования;
____- аэрогель -
класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза
полностью замещена газообразной, также имеет множество областей
применения;
____-
наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies
(США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала
для электродов литий-ионных аккумуляторов, которые обладают улучшенными
характеристиками и малым временем зарядки. В феврале 2006 года компания
начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане, а затем
Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о
совместном создании электромобиля на основе этих акуммуляторов.
____- самоощищающиеся поверхности.
____2) Наномедицина и химическая промышленность.
____Это
направление в современной медицине, основанное на использовании
уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания,
конструирования и изменения биологических систем человека на
наномолекулярном уровне. ДНК-нанотехнологии — используют специфические
основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко
заданных структур. Также сюда включают промышленный синтез молекул
лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы
(бис-пептиды).
____3) Компьютеры и микроэлектроника.
____Миниатюризация
компонент вычислительной техники, увеличение частоты их
функционирования представляют собой магистральное направление развития
нанотехнологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность
целого ряда активных компонент - транзисторов, диодов, ячеек памяти -
состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже из единственной
молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным
электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких
компонент в единую систему, соединения их нанопроводами. Тем не менее,
можно не сомневаться, что решение этих проблем - вопрос времени. Оценки
показывают, что компьютер, собранный из наноэлектронных компонент и по
своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объём в 1
см^3 - но будет работать в 107 раз быстрее (быстродействие будет
ограничено лишь возможностью отвода тепла). Вероятно, наиболее быстрые и
производительные компьютеры будущего будут использовать именно
наноэлектронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику
или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут
созданы на совершенно другой элементной базе. Эрик Дрекслер
предполагает, что такой базой может стать наномеханика.
____Дрекслер
предложил механические конструкции для основных компонент нанокомпьютера
- ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются
вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг
друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при
использовании углеродных нанотрубок) компьютер эквивалентный
современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объём в 0.01
мк3, компьютер с памятью в 1 терабайт - объём в 1 мк3. Как и в случае с
наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет
определяться возможностью отвода тепла. Расчёты Дрекслера показывают,
что при температуре окружающей среды ~300°К на один ватт рассеиваемой
мощности такой компьютер будет осуществлять ~1016 операций в секунду.
При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без
специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объёмом
0.01 мк3) это даёт производительность 109 операций в секунду. Если эти
показатели будут достигнуты, то этого будет вполне достаточно для того,
чтобы оснастить бортовым компьютером микронного размера наноустройство,
например, медицинского назначения.
____Среди уже доступных «миниатюризаций»:
____-
процессоры - компания Intel уже давно использует при изготовлении
процессоров нанотехнологические процессы: в настоящее время процессоры
содержат наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм, также
существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и
опытные образцы 22 нм; в дальнейшем планируется уменьшить эту величину
до 5 нм;
____- жёсткие
диски — в 2007 году физики Питер Грюнберг (р. 1939) и Альберт Ферт (р.
1938) получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта,
позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной
плотностью информации;
____-
антенна-осциллятор — 9 февраля 2005 года 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, что позволяет передавать с её помощью огромные
объёмы информации;
____- плазмоны —
это коллективные колебания свободных электронов в металле; характерной
особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый
плазмонный резонанс, впервые предсказанный в начале 20-го века; в начале
2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления
частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области
нанотехнологии — наноплазмонике; оказалось возможным передавать
электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с
помощью возбуждения плазмонных колебаний.
____4) Робототехника.
____-
молекулярные роторы — синтетические наноразмерные двигатели, способные
генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного
количества энергии;
____-
нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые
с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи
информации, исполнения программ; нанороботы, способные к созданию своих
копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами; вопросы
разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных
международных конференциях;
____-
молекулярные пропеллеры — наноразмерные молекулы в форме винта,
способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной
форме, аналогичной форме макроскопического винта;
____5) Концептуальные устройства.
____Nokia Morph
— проект сотового телефона будущего, созданный совместно
научно-исследовательским подразделением Nokia и Кембриджским
университетом на основе использования нанотехнологических материалов.
____6) Молекулярное производство.
____Является
одной из фундаментальнейших задач всей нанотехнологической отрасли,
решение которой позволит кардинально изменить жизнь человека и
устройство общества в целом. Суть молекулярного производства - в
манипулировании отдельными атомами или наноразмерными объектами для
построения макро-объектов, другими словами, создание любого физического
объекта из исходных элементов с атомарной точностью. Для этой цели
разрабатываются проекты нанофабрики и наноассемблера, которые позволят
осуществлять указанные манипуляции.
____Оценки
показывают, что нанофабрика весом около 60 кг («настольная нанофабрика»)
сможет с молекулярной точностью изготовлять объект, объёмом около 1 л и
весом около 4 кг примерно за 3 часа. Это позволило бы за 2 дня
изготовить вторую такую же нанофабрику; удвоение их количеств каждые 2
дня позволило бы за 2 месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого
жителя Земли.
____Разрабатывается целый ряд подходов, которые могут позволить приблизится к развитой молекулярной нанотехнологии. Среди них:
____-
использование биологических молекул - белков, нуклеиновых кислот - и
других макромолекул; такие молекулы могут послужить как готовыми
деталями для наносистем промежуточного уровня, так и «молекулярными
роботами» для сборки нанокомпонент, изготовленных другим способом;
____-
механосинтез с использованием зондовой микроскопии; предложен ряд
подходов, которые могут позволить собирать углеродные конструкции
буквально атом за атомом;
____- метод
молекулярных строительных блоков; этот метод «промежуточного уровня»
активно разрабатывается в последнее время; его суть состоит в том, что
наноустройства собираются из заранее синтезированных химически молекул -
строительных блоков, способных соединяться друг с другом
Индустрия нанотехнологий в последнее время претерпевает
значительные изменения, главным образом благодаря инвестициям в эту
отрасль. К примеру, в 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки
нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10
млрд. На долю частных доноров — корпораций и фондов — пришлось примерно
$6.6 млрд инвестиций, на долю государственных структур — около $3.3
млрд.
____Мировыми
лидерами по общему объёму капиталовложений в этой сфере являются США и
Япония. Среди американских крупнейших центров можно выделить:
____-
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 (сокращённо ГК
«Роснанотех») 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.
____- ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии»:
____Федеральная
целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской
Федерации на 2008—2010 годы» утверждена Постановлением Правительства РФ
от 2 августа 2007 № 498. Цель программы: создание в Российской Федерации
современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для
развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии. Объём
финансирования в рамках программы — 27,7 млрд.руб.
____Программой назначены головные организации отраслей по направлениям развития нанотехнологий:
____-
наноэлектроника (в части прикладных и ориентированных
научно-исследовательских опытно-конструкторских работ) — ФГУП «НИИ
физических проблем им. Ф. В. Лукина»;
____- наноинженерия — Московский государственный институт электронной техники (технический университет);
____-
функциональные наноматериалы для энергетики — ФГУП «Всероссийский НИИ
неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара»;
____- функциональные наноматериалы для космической техники — ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша»;
____- нанобиотехнологии — ФГУП Российский научный центр «Курчатовский институт»;
____-
конструкционные наноматериалы — ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов
«Прометей»» и ФГУП «Технологический институт сверхтвердых и новых
углеродных материалов»;
____- композиционные наноматериалы — ФГУП «Всероссийский НИИ авиационных материалов»;
____- нанотехнологии для систем безопасности — ФГУП «Центральный НИИ химии и механики».
____Также существует ряд частных предприятий:
____- ООО «АИСТ-НТ»:
____ООО
«АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году.
Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для
образования, научных исследований и мелкосерийного производства. В
настоящее время компания производит 2 уникальных прибора, а также
широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов.
____- ООО «Нано Скан Технология»:
____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.
____- ЗАО «Нанотехнология МДТ»:
____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 НПП «Центр перспективных технологий»:
____ООО НПП
«Центр перспективных технологий» – российское предприятие, работающее в
области нанотехнологий. Создано в 1990 г., специализируется на
производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов
и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения. Является
первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения для
управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.
____Прогресс в
области нанотехнологий вызывает определенный общественный резонанс.
Отношение общества в России к нанотехнологиям изучалось ВЦИОМ и
европейской службой «Евробарометр». Ряд исследователей указывают на то,
что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть
связано с религиозностью, а также из-за опасений, связанных с
токсичностью наноматериалов.
____C 2005 года
функционирует организованная CRN международная рабочая группа,
изучающая социальные последствия развития нанотехнологий. В октябре 2006
года Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья,
в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения
распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях
безопасности. Организация «Гринпис» вообще требует полного запрета
исследований в области нанотехнологий.
____О
перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году
международной футурологической конференции Transvision, организованной
WTA. Также в 2007 году представители Российского трансгуманистического
движения (РТД) акцентировали внимание на развитии нанотехнологического
производства на круглом столе «Влияние науки на политическую ситуацию в
России. Взгляд в будущее», состоявшегося Государственной Думе РФ.
____26 апреля
2007 года бывший Президент России Владимир Путин (р. 1952) в послании
Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным
направлением развития науки и техники». По мнению Путина, для
большинства россиян нанотехнологии сегодня — «некая абстракция вроде
атомной энергии в 30-е годы». Также о необходимости развития
нанотехнологий заявляет ряд российских общественных организаций. 8
октября 2008 года было создано «Нанотехнологическое общество России», в
задачи которого входит «просвещение российского общества в области
нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в
пользу нанотехнологического развития страны».
____6 октября
2009 года президент Дмитрий Медведев (р. 1965) на открытии
Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное,
чтобы не произошло по известному сценарию — мировая экономика начинает
расти, экспортный потенциал возрастает, и никакие нанотехнологии не
нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий был бы для
нашей страны просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы
нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к
такому сценарию развития я вас призываю», — подчеркнул Д.Медведев,
обращаясь к участникам форума. При этом президент особо отметил, что
«пока эта (государственная) поддержка (бизнеса) носит безалаберный
характер, пока мы не смогли ухватить суть этой работы, надо наладить эту
работу». Д. Медведев также подчеркнул, что Роснано до 2015 года на эти
цели будет выделено 318 млрд рублей. Д. Медведев предложил Минобрнауки
увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в
квалифицированных кадров для нанотехнологий, а также создать госзаказ на
инновации и открыть «зеленый коридор» для экспорта высокотехнологичных
товаров.
http://www.t-generation.ru/047_nano.html |
| Категория: Нанотехнологии | Добавил: beautylife (19.12.2011)
|
| Просмотров: 1699
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |