Основные понятия. 1. Нанотехнологии - что это такое:

Введение

Программа

1. Нанотехнологии - что это такое:

1.1 Основное понятие

1.2 Зачем нужны нанотехнологии

1.3 Зарождение и развитие нанотехнологической сферы и ее перспективы

1.4 Организационные финансово-экономические аспекты развития нанотехнологий

1.5 Социальные и гуманитарные аспекты развития нанотехнологий.

2. Азы нанотехнологий

2.1 Специфика наномира

2.2 Роль свободных и внутренних поверхностей

2.3 Зарождение и рост наночастиц

2.4 Размерные эффекты

2.5 Самоорганизация и самосборка

2.6 Две технические парадлины: «сверху вниз» и «снизу вверх»

3. Как увидеть и измерить наномир

3.1 микроструктурный анализ

3.2 электронная микроскопия

3.3 сканирующая микроскопия

3.4 дифракционный анализ

3.5 спектральные методы

3.6 методы определения размеров частиц

4. наноматериалы и нанотехнологии в живых системах

4.1 нанобиотехнологии

4.2 наномедицина

4.3 нанотехнологии и защита окружающей среды

5. нанотехнологии и нанопродукты

5.1 сельское хозяйство

5.2 пищевые продукты

5.3 потребительские товары и строительство

Всего пять или шесть лет назад очень немногие российские ученые и инженеры работали в области исследования наноструктур и разработки нанотехнологий. Многие специалисты смежных областей не имели представление об этой сфере деятельности не говоря широких слоях общества. После принятия нескольких федеральных-целевых программ (ФЦП), создание российской государственной корпорации нанотехнологий РОСНАНО и миллиардным (в долларах) бюджетом, выступлений президента РФ и лиц правительства в СМИ о необходимости ускоренного освоения новых революционных технологий создалась новая информация о НТ. Возникла даже волна нездорового ажиотажа, в котором теряются ориентиры и затрагиваются ключевые моменты. Во взвешенной и квалифицированной оценке нуждаются сами ученые, органы управления, отвечающие за распределение бюджетных средств, промышленные круги, население в целом и, конечно, обучающийся его контингент, в том числе студенты и школьники. Нужно иметь ориентиры как научные, так и рыночные, жизнеспособные и конкурентно способные в условиях новой среды. Для этого необходима объективная и доступная информация, позволяющая ориентироваться в широком информационном поле нанотехнологий. Этой цели и служит краткий предлагаемый курс.

Англоязычный термин «nanotechnology», т.е. нанотехнология (НТ) предложен профессором Норио Танигучи в докладе «Об основных принципах нанотехнологий» на одной из международных конференций в 1974 г., т.е. примерно за 40 лет до настоящего момента и задолго до возникновения бума вокруг этой области науки. Первоначально он обозначал всего лишь прецензионную механическую обработку изделий с субмикронной точностью, актуальность которой обусловила быстрая миниатюризация твердотельной электроники. Сейчас по своему смыслу и накоплению термин «нанотехнология» стал намного шире буквального русского перевода и подразумевает следующие основные составляющие:

- фундаментальные исследования и знания свойств и особенностей поведения веществ, относящихся к объектам наномира;

- совокупность разнообразных методов, методик и технологий, в том числе промышленных применяемых к объектам в наномасштабе;

- собственно результаты – нанопродукция.

Как следует из названия наномир номинально представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1 нм = 10^-9м = 10^-6мм = 10^-3мкм). Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области их характерных размеров от атомных (~0,1нм) до нескольких десятков нанометров: свойства таких материалов и изделий из них (физико-механические, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические, биохимические и т.д.) могут радикально отличаться от макроскопических.

С точки зрения любого белка или вируса, имеющих нанометровые размеры, человек – это гигантский Гулливер, протяженность которого в миллионы раз больше их собственной. Приблизительно во столько раз размер России превышает размер самого человека. Тем не менее, кровоток, имеющий типичную скорость ~ 1 см/с, может переместить вирус через весь организм за считанные секунды. Для перемещения человека по стране так же быстро нужны транспортные средства со скоростью ~10 км/с.

Перечень нанообъектов и наноструктур приведен в таблице:

Область знания	Объекты, процессы	Диапазон размеров (нм)
Электроника	Волновая функция электронов Длина свободного пробега электронов Туннелирование Толщина наполняемых слоев в БИС (большие интегральные схемы)	10…100 1…100 1…100 1…10
Оптика	Квантовый колодец Глубина скин-слоя в металле Длина волны УФ излучения Длина волны рентгеновского излучения	1…100 10…100 10…100 0,01…10
Механика и материалы	Радиус вершины трещины Примесные кластеры Зародыши новой фазы Приповерхностные слои, пленки Шероховатость номинально гладких поверхностей	0,1…100 0,1…100 1…10 0,1…100
Катализ	Активные центры Нанопоры, наночастицы	0,1…1 1…100
Супрамолекулярная химия	Первичная структура макромолекулы Вторичная структура макромолекулы Третичная структура макромолекулы	0,1…1 1…10 10…1000
Молекулярная биология	Бактерии Вирусы Рибосома Белки ДНК (диаметр) Мембраны (толщина)	100…10 000 20…300 2…100 1…100

Следует отметить, что наряду с отдельными наночастицами естественного или искусственного происхождения, их слабосвязанными ансамблями (порошками, аэрозолями, суспензиями и т.п.) предметом НТ являются также и наноструктурированые материалы. Под ними понимают макроскопические тела, имеющие в своем составе наноразмерные морфологические или структурные единицы. К наноматериалам относятся нанокристаллические металлы и сплавы, тонкоклеточные однослойные и многослойные покрытия, нанолекозиты, нанокерамика и т.д. еще более сложно устроены биологические клети и ее отдельные элементы, гибридные микроскопические устройства.

Говоря на НТ подразумевается оперирование отдельными атомами и молекулами с учетом их молекулярного взаимодействия. Размеры простых атомов ~0,1…0,2 нм, простых молекул ~1 нм. Макромолекулы, входящие в состав полимеров, биологических объектов (ДНК, белки) имеют диаметр 1…2 нм, длина в развернутом виде несколько миллиметров, откуда и получили название. Но обычно они находятся в сложенном, упакованном виде, образуя вторичные, третичные и т.д. структуры и занимают несколько десятков нанометров во всех направления.

Свойства необходимых образований (ассоциатов) атомов - так называемые малоатомные кластеры сильно зависят от числа атомов (N) в них. Варьируя контролируемым образом N можно обеспечить заданные характеристики изделия простым прибавлением или отщеплением частиц. Именно достижению этой цели и посвящена значительная часть нанотехнологических разработок.

Нанообъекты и наноструктуры могут быть синтезированы искусственно или найдены в готовом виде и отобраны из природных объектов (как правило, биологических). Например, энзимы - биологически активные белки – являются катализаторами многих жизненноважных процессов в мире живого и имеют наноразмеры. Они издавна применялись для закваски сыров, хлеба, виноградного сока для получения деликатных пищевых продуктов.

Необходимо различать характерные размеры R и размерность D объектов наномира. (на английском размер – size, размерность – dimension). Для того, чтобы возникла «наноспецифика» поведения веществ, достаточно иметь малое значение R только в одном измерении. Такие объекты называются квазиразмерными (D=2). К ним относятся тонкие приповерхностные слои однородного материала (слои толщиной в одну молекулу), пленки Ленгмюра-Блоджетт, пленки и покрытия разного назначения, многослойные гетероструктуры, биологические мембраны и т.д. квазидвумерность этих объектов, дает возможность изменить свойства электронного газа, что создает основу для разработки новой элементарной базы наноэлектроники следующего поколения.*

Определение размерности объекта:

3D объемные (трехмерные)

D

2D двумерные

1D одномерные

0D нульмерные

			Фрактальные 1<D<2 2<D<3

*В квантовой механике такие объекты называются квантовыми ямами или колодцами. Такие пленки часто используют в качестве антифрикционных, износостойких, антикоррозийных покрытий, чувствительных элементов сенсорики и т.д. большую роль приповерхностные структуры или их состояния играют в нанопористых и композиционных наноматериалах. Первые применяют в молекулярных фильтрах и ситах, адсорбентах, аккумуляторах газообразного топлива, катализаторах; вторые - в качестве высокопрочных конструкционных материалов, сред для высокоплотной записи и хранения информации, лазерных и светочувствительных элементах.

Если объект в двух измерениях имеет наноразмеры, а по третьему размеру считается макроскопическим, то его квалифицируют как квазиодномерный (D=1). К таким объектам относятся нановолокна и нанонити; проводящие дорожки, напыленные на диэлектрическую подложку; одностенные и многостенные нанотрубки; органические макромолекулы (двойные спирали ДНК) и т.д. При наличии специфической электропроводности их называют квантовыми проволоками.

Наконец, когда все три размера частицы находятся в нанометром диапазоне, она считается нульмерной (D=0) в в макроскопическом смысле, поскольку ни в одном из измерений она не имеет макроскопических размеров. С точки зрения электронно-оптических свойств низкоразмерные системы (D<3) могут сильно отличаться от объемных микроскопических вследствие измерения условий квантования волновой функции электронов. Эти особенности низкоразмерных систем с успехом используют в лазеростроении, оптоэлектронике, сенсорике и т.д.

Кроме объектов с целочисленным значением D существуют и дробноразмерные, или фрактальные. Величина D у них занимает промежуточное значение между целыми числами. Фрактальная геометрия придает специфические свойства нанобъектам.

Определение НТ сформулировано в документах Национальной Нанотехнологической Инициативы США:

Нанотехнологии – это совокупность фундаментальных и прикладных исследований и разработок, направленных на познание специфики поведения вещества и управление его свойствами в интервале его характерных размеров примерно от 1…100 нм, где уникальные явления позволяют реализовать инновационные приложения.

Американская Международная Организация по испытанию материалов приняла стандарт E2456-06 «Терминология для нанотехнологий». Нанонаука в нем определяется как: изучение вещества, процессов, явлений и устройств в нанометровом диапазоне, а нанотехнология – широкий круг технологий для исследования и манипулирования объектами или материалами, характерный размер которых находится в интервале от 1…100 нм хотя бы в одном из трех измерений.

Основы и главные области применения нанотехнологий.

Фуелерены Фуелериты Нанотрубки Композиты На их основе

Классификация нанообъектов по размерности

0D	Нанокластер (квантовая точка)	мицелла	Фулерон СGO
1D	Молекула ДНК	нанотрубка	нанопроволока
2D	Тонкий приповерхностный слой	Эпителиальная клетка	Сверхрешетка(многослойная тонкопленочная структура)
3D	Нанокристаллический материал	Нанофазный композитный материал	Нанопористый материал

Зачастую нанотехнологии позволяют создавать готовые изделия, содержащие миллионы элементов, минуя стадию производства материалов, отдельных деталей, их обработки и сборки. Наибольшее распространение также интегральные технологии получили в твердотельной электронике, в частности в планарной микро- и наноэлектронике, когда на поверхности полупроводниковой пластины создается десятки и сотни миллионов наномасштабных элементов большой интегральной схемы. Чаще всего такие интегральные схемы на одном чипе, как правило на пластинке из сверхчистого монокристаллического кремния, используют в качестве микропроцессоров или блоков оперативной памяти в ПК, сотовых телефонах, измерительных приборах и т.д. («ЧИП» происходит от англ. Chip – сцепка, стружка, осколок). Такая пластинка кремния имеет толщину около полумиллиметра и представляет собой тщательно отполированную полоску определенным образом сориентированного (по кристаллографическим осям) монокристалла. Часто чипом называют также и готовую микросхему.

Дата добавления: 2014-01-04