Нанотехнологии

Введение

“Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами.Прикладная нанотехнология рассматривает задачи и способы применения нанотехнологий для помощи человечеству. Нанотехнология появилась относительно недавно. Однако она открывает такие перспективы для человечества, что появляется необходимость широкого распространения основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.

 Изучение  наноструктур знаменует новый  этап в развитии физики и  биологии, поскольку по своему  размеру они занимают промежуточное  положение между молекулами и  микроскопическими объектами (т.  е. объектами размером порядка  1 мкм). Они содержат поддающееся  счету число атомов и, следовательно,  подходят для решения технологических  задач на атомном уровне.

Наноструктуры ведут себя подобно хамелеонам: они  достаточно большие для того, чтобы  их перемещать, но при этом они обладают квантовыми свойствами, которые характерны для более мелких объектов. В целом  нанообъекты характеризуются малыми размерами и сложной внутренней организаций.

Разработки  в области нанотехнологии ведут  к революционным успехам в  медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если примерно 10 лет назад единицы  людей представляли себе, что такое  нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам  экспертов, вся промышленность будет  развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами.

С помощью  нанотехнологий можно очищать нефть  и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион  раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.

 Моя работа  состоит из двух глав. В первой  главе я рассмотрю два вида  наночастиц: нанотрубки и фуллерены.  Во второй главе я рассмотрю  способы применения наночастиц  в нашей жизни. В моей работе  я акцентировала внимание на  свойствах наночастиц и их  применение в нашей жизни.

Глава 1. Наночастицы.

 Для начала  хотелось бы рассказать о способе  изучения нанообъектов – сканирующей  зондовой микроскопии. 

Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью  современных средств регистрации. Для регистрации используют различные  типы сенсоров, чувствительность которых  позволяет зафиксировать малые  по величине возмущения. Для получения  полноценного растрового изображения  используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).

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 (СЗМ) можно не только увидеть отдельные  атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы  по поверхности. Это происходит с  помощью приложенного к зонду  электрического напряжения, за счет которого отдельные атомы можно «выдергивать»  из поверхностного слоя, переносить в  другое место и, меняя полярность, снова возвращать в поверхностный  слой в нужную точку. Так, учёным уже  удалось создать двумерные наноструктуры  на поверхности, используя данный метод. Например, 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, необходимо охлаждать подложку и микроскоп  до сверхнизких температур, 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.

Теперь же поподробнее опишем наночастицы. Наночастицы - частицы, размерами от 1 до 100 нанометров (10-9 м). Наночастицы любого вещества могут иметь свойства, полностью  отличающиеся от свойств самого вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы  некоторых материалов 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.

Существует 3 вида наночастиц: трёхмерные частицы, двумерные объекты – пленки и  одномерные объекты. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности  матриц плоские островковые объекты  размером от 50 нм, применяется он в  электронике. В особенности следует  отметить методы ионного и молекулярного  наслаивания, поскольку с их помощью  возможно создание монослоёв.

 

 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).

Также возникает  проблема образования агломератов, то есть проблема слипания наночастиц. Эту проблему надо решать, так как  наночастицы могут помогать в  производстве керамики и металлургии. Одно из возможных решений — использование  веществ, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый  спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.

Вообще известно много видов наночастиц, однако более  подробно я расскажу только о некоторых, таких как нанотрубки и фуллерены.

Углеродные  нанотрубки.

“Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят  из одной или нескольких свёрнутых  в трубку гексагональных гафитовых  плоскостей (графенов) и заканчиваются  обычно полусферической головкой.

Различают металлические  и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже вблизи абсолютного нуля температур, в то время как проводимость полупроводниковых  трубок проявляется только при повышении  температуры.

 Сказанное  относится к простейшим однослойным  нанотрубкам. В реальных условиях  трубки нередко получаются многослойными,  то есть представляют собой  несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так  называемые «матрёшки»).

Фуллерены.

Теперь поподробнее  расскажем о фуллеренах. “Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие  классу аллотропных форм углерода и  представляющие собой выпуклые замкнутые  многогранники, составленные из чётного  числа атомов углерода.

 

 

 

 

 В молекулах  фуллеренов атомы углерода расположены  в вершинах правильных шести-  и пятиугольников, из которых  составлена поверхность сферы  или эллипсоида. Самый симметричный  и наиболее полно изученный  представитель семейства фуллеренов  — фуллерен (C60), в котором углеродные  атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников  и 12 пятиугольников и напоминающий  футбольный мяч. 

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в  регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее  число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах  и часто имеют довольно сложный  изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно  выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Молекулярные  кристаллы, состоящие из молекул  фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода —  кристалл С60, менее — система  кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.

Молекулярный  кристалл фуллерена является полупроводником  и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был  связан с вопросами использования  фуллеренов в качестве нового материала  для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и  т. п.

Глава 2. Применение нанотехнологий в нашей жизни.

Нанотрубки

Теперь же поподробнее расскажем о применении нанотрубок в нашей жизни. Нанотрубки используют в производстве сверхпрочных нитей, композитных материалов, нановесов, транзисторов, прозрачных проводящих поверхностей, топливных элементов, капсул для активных молекул, нанопипеток, дисплеев и светодиодов. Их используют для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

Нанотрубки  используют как точные весы для измерения  массы предельно малых объектов, типа вирусов. Взвешиваемая частица  распологается на конце нанотрубки, которая колеблется в электрическом  поле. Из-за веса частицы частота  колебаний изменяется, и по её изменению  можно судить о весе частицы.

Нанотрубки  проводят тепло лучше, чем алмаз, который раньше считался самым эффективным  проводником тепла. Их используют как  «теплосмазку» для овода тепла  от компьютеров.

Также получена прозрачная ткань из нанотрубок толщиной в несколько десятков атомов. За счет сочетания высокой проводимости, гибкости и большой прочности  эта ткань перспективна для применения во многих областях – от солнечного паруса до светодиодов.

Американские  ученые применили нанотрубки для  создания нового типа памяти для компьютера. Новые чипы не только более емкие, но и более быстрые и долговечные.

 Так же  калифорнийские ученые заявляют, что скоро можно будет подзарядить  мобильное устройство от собственной  одежды. С помощью нанотехнологий  обычный хлопок и полиэстер  может превратиться в электропроводную  ткань, которая будет работать  в роли аккумулятора.

В основе создания электропроводной ткани лежит пропитка хлопковой или полиестеровой  ткани краской, насыщенной углеродными  нанотрубками. После этого ткань  приобретает необычное свойство – способность накапливать электрический  ток. При этом ткань не теряет своей  эластичности и, как показали опыты, сохраняет новое свойство после  многократных стирок.

Фуллерены

Теперь поподробнее  о способах применения фуллеренов в  нашей жизни. Фуллерены используют в создании аккумуляторов и электрических  батарей. Основой этих аккумуляторов  являются литиевые катоды, содержащие фуллерены.

Фуллерены могут  быть также использованы в фармации для создания новых лекарств.

Кроме того, фуллерены нашли применение в  качестве добавок в огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при  пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который  в несколько раз увеличивает  время нагревания до критической  температуры защищаемых конструкций.

 Также  фуллерены применяются в качестве  красителей для копировальных  машин, что позволяет существенно  повысит качество получаемых  копий и снизить расход красителей.

Из фуллеренов могут быть собраны молекулы в  форме разнообразных нанодеталей. Японские ученые создали микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что  даже самые точные современные приборы  не смогли их зарегистрировать. Материалом для такого «вечного» мини-подшипника послужили фуллерены состоящие  из 60-ти атомов углерода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Перспективы и проблемы нанотехнологии.

В конце XX века стала очевидной неизбежность развития нанотехнологии и наступления третьей  научно-технической революции. Нанотехнология открывает большие перспективы  при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и т.д. Предполагается использование  наноматериалов для увеличения производительности компьютеров, восстановления человеческих органов. Ожидаются новые открытия в химии и физике, способные  оказать революционное воздействие  на развитие цивилизации.