Основи на нанотехнологиите. Нанотехнологично зарядно устройство. Наноигли за възстановяване на вътрешните органи

Московски държавен технически университет Бауман
1
Б е ликов А н д р е и и в а н о в и ч, к.т.с. , доц
Катедра МТ - 11 "Електронна техника в машиностроенето"
Основи на наноелектрониката и
нанотехнологии
Москва, 2014 г

Целта и задачите на дисциплината

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Целта и задачите на дисциплината
2
Формиране на знания в областта на наноматериалите,
наносистеми и устройства на наноелектрониката, внедряване
процеси за получаване на наноматериали и наносистеми за
широка гама от технически области.
1. Наноелектронни устройства, приложни ефекти.
2. Наноструктурирани материали
3. Методи за измерване и изследване на наноматериали
4. Нанотехнологии

Фактор "НАНО-"

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Фактор "НАНО-"
3
Р. Файнман:
„Контрол и управление на структурата на материята в много малки размери
са малко проучена област от физиката, която изглежда много
важен и обещаващ и може да намери много ценни
технически приложения…”.
Е. Телър (един от създателите на американската термоядрена бомба),
средата на ХХ век:
„Който овладее нанотехнологиите по-рано, ще заеме водеща позиция в
техносферата на следващия век.
Научни и технологични революции:
- 1-ви, - индустриален;
- 2-ри, - електронен;
– 3-то, - нанотехнологични.

Предмети на "НАНО-"

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Предмети на "НАНО-"
4
Наноматериалите са материали със структурни елементи,
геометрични размери, от които поне в едно измерение не
надвишават 100 nm, които в резултат на това имат качествено нови
Имоти.
Нанотехнологията е съвкупност от методи и инструменти, които осигуряват
манипулиране на материята на атомно и молекулярно ниво с
цел за производство на крайни продукти с предварително определен
наномащабна структура.
Наносистемна технология – изцяло или частично създадена на
базирани на нанотехнологии и функционално завършени наноматериали
системи и устройства, чиито характеристики са осн
се различават от показателите на подобни системи и устройства
дестинации, създадени от традиционни електронни технологии
при използване на микро- и макрообеми вещества.

История. Странни съвпадения?!

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
История. Странни съвпадения?!
1908 Немски физик Густав Мие (1869-1957)
развива теорията за оцветяването на стъклото
метални частици от различно естество и
форми - дава пълното решение на уравненията на Максуел
за разсейване на електромагнитни вълни върху
сферични частици с размер от 10 nm. „Въпроси
оптика на мътни среди, особено колоидни
метални разтвори” („разсейване на Mie”)
1928 г. - откритие от Г. А. Гъмов (1904-1968)
тунелен ефект, който стои в основата
съвременни методи за изследване на наноструктури.
Гъмов Георгий Антонович (1904-1968),
известен съветско-американски физик теоретик.
5

Отстъпление

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Отстъпление
6
През 1924 г. Лев Давидович Ландау (1908-1968) идва в Ленинград,
малко по-късно - Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994). Гъмов,
Ландау и Иваненко създадоха група ("Трима мускетари"), ангажирана в
теоретична физика.
През лятото на 1928 г. Георги Антонович Гъмов се заема с теорията
ядрена физика – в Германия, където е изпратен в Гьотинген
университет, един от центровете на квантовата физика, се опита да разбере
как квантовата теория може да промени възприемането на атомното ядро. AT
библиотека, Георгий Антонович намери статия от Ърнест Ръдърфорд, в
който описва експеримент върху разсейването на алфа частици в уран,
но не се съгласи със заключенията на Ръдърфорд. Оказа се, че Лев Давидович Ландау
явлението, открито от Ръдърфорд, е добре описано от вълната
механика, където няма непроницаеми бариери. Ето защо,
връщайки се от библиотеката, записа Георги Антонович Гъмов
формула,
описващ
възможност
такива
вълново-механичен
проникване.
други
думи
той
формулира квантово-механичната теория за a-разпадане, една от 4-те
видове радиоактивност, (независимо от R. Gurney и E. Condon), даване
първото успешно обяснение на поведението на радиоактивните елементи.
Той показа, че дори частици с не много висока енергия могат
известна вероятност за проникване през потенциала
бариера (тунелен ефект). Това направи Г. А. Гъмов известен
в световен мащаб.
Дмитрий Дм. Иваненко

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"

7
1931 г. - Германските физици Макс Кнол и Ернст Руска (Нобелова награда за 1986 г.) създават
трансмисионен електронен микроскоп.
1938 г. - създаване на сканиращ електронен микроскоп
1939 - Сименс, където е работил Ернст Руска, произвежда първата реклама
електронен микроскоп с разделителна способност 10 nm.
1956 A. Uhlir, Bell System, открива нанопорест силиций.
1959 г. - американски физик Ричард Фейнман. Той изложи основните идеи на нанотехнологиите, възможността за манипулация на атомно ниво, изследване и контрол в нанометъра
диапазон, „Има много място отдолу.“ Щастлив
За раждането на нанотехнологиите се счита 29 декември 1959 г.
1966 г. Американският физик Ръсел Йънг (Национално бюро по стандартизация), изобретява
пиезо мотор.
сканиране
тунел
микроскопи
и
позициониране
наноинструменти с висока точност.
1968 г. - Алфред Чо и Джон Артър, служители на научното подразделение на American
Компаниите Bell разработват теоретичните основи на нанотехнологиите в обработката
повърхности с атомна точност.
1971 - Ръсел Йънг представя идеята за инструмента Topografiner, който служи като прототип
сонда микроскоп. Толкова дълго време за разработка на такива устройства
се обясняват с факта, че наблюдението на атомните структури води до промяна
тяхното състояние, следователно бяха необходими качествено нови подходи, които не разрушаваха
изследвано вещество.
През 1974 г. японският физик Норио Танигучи (Токийския университет) въвежда термина
„нанотехнология“ по отношение на структурни материали с наномащабна структура.

Историята на създаването на основите на нанотехнологиите

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Историята на създаването на основите на нанотехнологиите
8
1977 г. - американски студент от MIT Е. Дрекслър (р. 1955 г.)
въвежда термина "нанотехнология", - хипотетично сглобяване
обекти от молекулярни вериги.
1981 г. - въведен е метод за получаване на малки метални клъстери.
G. Gleiter разработи концепцията за наноматериалите, основната роля
в която е назначена на интерфейсите, позволяващи
променя значително свойствата на твърдите вещества.
1982 г. - в Цюрихския изследователски център за физика на IBM
Герд Биниг и Хайнрих Рорер (нобелови лауреати за 1986 г.) създават
Ерик Дрекслър
сканиращ тунелен микроскоп (STM).
1983 г. - В. Н. Лаповка и Л. И. Трусова, нанокристален никел, с твърдост две
пъти по-висока от твърдостта на поликристална проба.
1985 - Американски химици: професор Ричард Смоли, Робърт Кърл и Харолд Крото
(нобелови лауреати през 1996 г.) откриват фулерени - молекули, състоящи се от 60 атома
въглерод, подреден във формата на сфера.
1986 - Германският физик Герд Биниг разработва сканираща атомна сила
сондов микроскоп - визуализация и манипулиране на атоми от всякакви материали.
1986 г. - американският учен Ким Ерик Дрекслър, който работи в лабораторията
изкуствен интелект в Масачузетския технологичен институт, публикува книга
"Engines of Creation", където той предлага идеята за нано "асемблер",
молекулярни роботи, работещи по зададена програма и събиращи всичко (в
включително техния вид) от импровизирани молекули.
1987 г. - Наблюдава се квантова проводимост при точкови контакти. Т.А. Фултън и Г. Дж.
Долан създава първия транзистор с един електрон.

Историята на създаването на основите на нанотехнологиите

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Историята на създаването на основите на нанотехнологиите
9
1987–1988 - В Научноизследователския институт "Делта" под ръководството на P.N. Лускинович пусна първия
Руска нанотехнологична инсталация, която извърши насочено изпускане на частици
от върха на сондата на микроскопа под въздействието на нагряване.
1989 г. - Доналд Айглър, служител на IBM, излага логото с ксенонови атоми.
1990 - Ели Яблонович създава първия фотонен кристал в САЩ.
1991 г. - японският професор Сумио Лиджима (компания NEC), използва фулерени за
създаване на въглеродни нанотръби с диаметър 0,8 nm. Въз основа на тях в наше време
произвеждат се материали сто пъти по-здрави от стоманата.
1991 г. - Първата нанотехнологична програма на Националния
научен фонд. В Япония - изпълнението на държавната програма за развитие на технологиите
манипулиране на атоми и молекули (проект "Атомни технологии").
1998 - Холандски професор Сиз Декер (Технологичен университет в Делфт)
създава транзистор на базата на нанотръби. Технологии за създаване на нанотръби с дължина 300 nm.
1999 г. - американски учени - професор по физика Марк Рийд (Университет Йейл) и
Професор по химия Джеймс Тур (Университет Райс) – разработване на общи принципи
манипулиране както на отделна молекула, така и на тяхната верига. 2002 Cees Dekker се присъединява
въглеродна тръба с ДНК, получила единичен наномеханизъм.
2000 г. - Приемане на Националната инициатива за нанотехнологии на САЩ
2000 г. - Япония - Създаване на Комитета по нанотехнологии
2003 г. - Професор Фън Лиу от Университета на Юта, използвайки постиженията на Франц Гизибъл,
използвайки AFM, той изгражда изображения на електронни орбити, като анализира техните смущения, докато се движат около ядрото.
2004 - Андрей Гейм (1958) и Константин Новоселов (1974) (нобелови лауреати
2010) работят върху графен. Двумерни кристали от BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox

10. Отдръпнете се...

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Отстъпление…
Нобеловият лауреат Р. Хофман в отговор на въпроса какво е нанотехнология,
остроумно отбеляза, че се радва, че хората са намерили ново име за химията
10

11. Тенденции

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Тенденции
Средства, изразходвани от бюджета на различни страни за
нанотехнологии през 1997-2005 г
11

12. Тенденции

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Тенденции
Публикации за нанотехнологии и наноматериали и
висока температурна проводимост
12

13. Пазарни сектори

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Пазарни сектори
13

14. Фактор размер

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Фактор на размера
14

15. Ефекти на наноструктурите

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Ефекти от наноструктури
15
1. РАЗМЕР ФАКТОР.
Наноматериали и наноустройства, състоящи се от наноразмерни части
осигуряват суперминиатюризация - разширяване на функционалните
възможностите на електронните системи, като същевременно намалява техния размер, значително
повишение
плътност
магнитен
записи
информация.
упадък
консумация на енергия. Способност за проникване в биологични системи
човешкото тяло.
2. ПЛОЩ/ОБЕМ НА КОНСТРУКТИВНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ.
Наноматериалите имат голяма специфична повърхност.
Използването в катализа осигурява ускоряване на реакциите в хиляди и
милиони пъти. Нанофилтрите разделят бактериите, ефективно абсорбират
примеси или токсини. Пренос на лекарства чрез наночастици и тяхното активно усвояване.
ефективни сорбенти. Наноструктурни ефекти в материалите -
подобряване на качеството.
3. ФИЗИЧЕСКИ ЕФЕКТИ.
Наномащабни ефекти - качествени промени в характеристиките на материалите в
връзка с проявата на квантовомеханични ефекти поради приноса
повърхност на сечението. Критичният размер на елемента е съизмерим с т.н
наречен радиус на корелация на определено физическо явление
(среден свободен път на електрони, фонони, дължина на кохерентност в
свръхпроводник, размери на магнитен домейн и др.).

16. Фактори, които определят свойствата

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Фактори, които определят свойствата
16

17. Интердисциплинарност

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
Интердисциплинарност
ПРОИЗХОД И ОСНОВА НА НАНО-:
1. ФИЗИКА
2. ХИМИЯ
3. МАТЕМАТИКА И ПРОГРАМИРАНЕ.
СИМУЛАЦИЯ НА МОЛЕКУЛНИ СИСТЕМИ.
4.ТЕХНОЛОГИЯ
5. ОБОРУДВАНЕ
17

18. НАНО-2014, МОСКВА, Московски държавен университет

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
NANO-2014, МОСКВА, Московски държавен университет
XII международна конференция
на наноструктурирани материали
Московски държавен университет "Ломоносов".
13-18 юли 2014 г
11 секции,
975 доклада и презентации!
18

19. НАНО-2014, МОСКВА, Московски държавен университет

Московски държавен технически университет на име N.E. Бауман, катедра MT-11 "Електронни технологии в машиностроенето"
NANO-2014, МОСКВА, Московски държавен университет
19
СЕКЦИИ НА КОНФЕРЕНЦИЯТА:
Раздел 01. Образуване, оформяне и самосглобяване на неорганични наночастици; Въглеродни наноматериали.
Образуване, структуриране и самоорганизация на неорган
наночастици; въглеродни наноматериали.
Секция 02. Тънки филми и хетероструктури, 2D и 3D нанофабрикация. Тънки филми и
хетероструктури, 2D и 3D нанотехнологии.
Раздел 03. Нанокерамика. Нанокерамика.
Раздел 04. Масови метални наноматериали. Масови метални наноматериали.
Секция 05. Нанокомпозити и хибридни наноматериали. Нанокомпозити и хибриди
наноматериали.
Раздел 06. Полимерни, органични и други меки материали. Полимерни, органични и
други меки материали.
Раздел 07. Наноматериали за енергия. Наноматериали за енергия.
Раздел 08. Биологични и биомедицински наноматериали. Биологични и биомедицински
наноматериали.
Секция 09. Наноматериали: механика и приложения в машиностроенето. Наноматериали
за машиностроене.
Раздел 10. Наноматериали за информационни технологии, наноелектроника и нанофотоника.
Наноматериали за информационни технологии, наноелектроника и
нанофотоника.
Секция 11. Наноматериали и катализа. Наноматериали за катализа.

С настъпването на новото хилядолетие започна ерата на нанотехнологиите. Бързото развитие на компютърните технологии, от една страна, ще стимулира изследванията в областта на нанотехнологиите, от друга страна, ще улесни проектирането на наномашини. Така нанотехнологиите ще се развиват бързо през следващите десетилетия.

Много източници, предимно на английски, свързват първото споменаване на методи, които по-късно ще бъдат наречени нанотехнологии, с известната реч на Ричард Файнман „Има много място там долу“, произнесена от него през 1959 г. в Калифорнийския технологичен институт на годишната среща на Американското физическо общество. Ричард Фейнман предположи, че е възможно механично да се движат единични атоми с манипулатор с подходящ размер, поне такъв процес няма да противоречи на физичните закони, известни днес.

Терминът "нанотехнология" е използван за първи път от Норио Танигучи през 1974 г. Той нарече този термин производството на продукти с размер от няколко нанометра. През 80-те години на миналия век терминът е използван от Ерик К. Дрекслър в неговите книги Machines of Creation: The Age of Nanotechnology Coming и Nanosystems: Molekular Machinery, Manufacturing, and Computation. Основно в неговите изследвания са математическите изчисления, с които е възможно да се анализира работата на устройство с размери от няколко нанометра.

Всъщност американците въведоха термина нанотехнологии в ежедневието, обобщавайки научните изследвания, които вече се провеждаха по това време на широк фронт, причинени от появата на подходящи инструменти, по-специално сканиращи сондови микроскопи.

Неволно новият термин се оказа успешен PR ход, тъй като не формулира конкретна задача, а предлага с помощта на един инструментариум решение на широк спектър от задачи в различни области на човешката дейност.

Нанотехнологиите и по-специално молекулярните технологии са нови области, които са много малко проучени. Развитието на съвременната електроника е на път да намали размерите на устройствата. От друга страна, класическите производствени методи се доближават до естествената си икономическа и технологична бариера, при която размерът на устройството не намалява много, но икономическите разходи нарастват експоненциално. Нанотехнологиите са следващата логична стъпка в развитието на електрониката и други наукоемки индустрии.

Както показва прегледът на литературата, днес нанотехнологиите се разглеждат както като област на изследване, така и като посока на технологично развитие. От една страна, това отразява съвременните тенденции в отношенията между наука и технологии, а от друга, поражда сериозно терминологично объркване. Противоречията започват още в опитите да се обозначи областта на изследване като цяло и да се дефинира понятието "нанотехнология". Така някои автори отделят „нанонаука“ (nanoscience), която се занимава с познаването на свойствата на наномащабните обекти и анализа на тяхното влияние върху свойствата на материалите, и „нанотехнологиите“ (nanotechnology), чиято цел е развитие на тези свойства за производството на структури, устройства и системи с характеристики, определени на молекулярно ниво. Понякога подобно разделение има чисто методологична основа, когато става въпрос за анализ на научни публикации (и тогава се говори за „нанонаука“) или патенти (в този случай се използва понятието „нанотехнология“). На практика се оказва практически невъзможно да се направи разлика между нанонаука и нанотехнология, поради което, за да се избегне объркване, някои изследователи предлагат да се ограничат само до един термин - „нанотехнология“, комбинирайки и двата компонента в него. При този подход е важно да се предложи съгласувана дефиниция на нанотехнологиите, която по-специално има за цел да маркира общите граници на разглежданата област, изключвайки излишните неща от нея.

Трябва да се отбележи, че въпреки наличието на различни дефиниции на нанотехнологиите, все още няма единна съгласувана версия, освен това такава, която да формира основата за изграждане на съответните класификации.

На международно ниво, от разнообразието от подходи, открити в научни публикации, аналитични прегледи и политически документи на различни страни, пет дефиниции се открояват като имащи най-голямо влияние (Таблица 1).

Таблица 1 - Общи дефиниции на нанотехнологиите

	Определение
VII Рамкова програма на ЕС (2007-2013 г.)	Придобиване на нови знания за явления, чиито свойства зависят от интерфейса и размера; контрол на свойствата на материалите на нанониво за получаване на нови възможности за практическото им приложение; интегриране на технологии на нанониво; способност за самосглобяване; наномотори; машини и системи; методи и средства за описване и манипулиране в наноразмер; химически технологии с нанометрова точност за производство на основни материали и компоненти; въздействие върху човешката сигурност, общественото здраве и опазването на околната среда; метрология, мониторинг и отчитане, номенклатура и стандарти; изследване на нови концепции и подходи за практическо приложение в различни индустрии, включително интеграция и конвергенция с нови технологии.
Работен план на Международната организация по стандартизация (ISO) от 23.04.2007 г	1) Разбиране на механизмите, управляващи материята и процесите в наномащаба (обикновено, но не изключително, по-малко от 100 нанометра в едно или повече измерения), където явленията, свързани с такива малки размери, обикновено отварят нови възможности за практическо приложение. 2) Използване на свойствата на материалите, които се появяват в наномащаба и са различни от свойствата на отделните атоми, молекули и насипни вещества, за създаване на подобрени материали, устройства и системи, базирани на тези нови свойства.
Европейско патентно ведомство (EPO)	Терминът "нанотехнология" обхваща обекти, чийто контролиран геометричен размер на поне един от функционалните компоненти в едно или повече измерения не надвишава 100 нанометра, като същевременно се запазват присъщите им физични, химични, биологични ефекти на това ниво. Той също така обхваща оборудване и методи за контролиран анализ, манипулация, обработка, производство или измерване с точност под 100 нанометра.
САЩ: Национална инициатива за нанотехнологии (2001-настояще)	Нанотехнологията е разбирането и манипулирането на материята на ниво от приблизително 1 до 100 нанометра, където уникалните явления създават възможности за необичайни приложения. Нанотехнологиите обхващат природните науки, инженерството и технологиите в нанометров мащаб, включително изобразяване, измерване, моделиране и манипулиране на материята на това ниво.
Япония: Втори генерален план за наука и технологии (2001-2005 г.)	Нанотехнологиите са интердисциплинарна област на науката и технологиите, включително информационни технологии, науки за околната среда, науки за живота, материали и др. Тя служи за контрол и използване на атоми и молекули с размер от порядъка на нанометър (1 / 1.000.000.000), което дава възможност за откриване на нови функции, дължащи се на уникалните свойства на материалите, проявени в наномащаба. В резултат на това става възможно създаването на технологични иновации в различни области.

Всички тези дефиниции бяха идентифицирани от Работната група по нанотехнологии (WGN) на Организацията за икономическо сътрудничество и развитие (ОИСР) като основа за създаване на единна методологична рамка, необходима за организиране на международно хармонизирана система за събиране и анализ на статистическа информация за областта на нанотехнологиите. Трябва да се отбележи, че дефинициите, предложени от различни международни или национални организации, имат работен характер, отразяват спецификата на тези конкретни програми и проекти, във връзка с които са формулирани, и се различават в зависимост от техния обхват, задачи, които трябва да бъдат решени и ниво на авторитет на тези организации. Например дефиницията на нанотехнологиите в VII Рамкова програма на ЕС подчертава техния научен и технологичен компонент; подходите, възприети от европейските и японските патентни служби, са насочени към работа в областта на защитата на интелектуалната собственост, докато езикът от Националната инициатива за нанотехнологии на САЩ обхваща естествените науки, инженерството и технологиите. Все пак не бива да се забравя, че съставът на дадения набор от дефиниции е продиктуван преди всичко от тяхната политическа оперативност (ориентация към вземане на политически решения) и принадлежност към държави (региони) с максимален размер на държавно финансиране за научно-техническата сфера (ЕС, САЩ, Япония) . Списъкът се допълва от т. нар. „рамкова“ ISO дефиниция, която формира основата на RGN документите, и дефиницията на Европейското патентно ведомство (EPO) – засега единственият източник на международно сравнима информация за нанотехнологиите. Тези дефиниции имат редица общи характеристики, за които трябва да се направят няколко допълнителни забележки.

Първо, всяка от горните дефиниции насочва вниманието към мащаба на разглежданото явление. По правило се посочва диапазонът от 1 до 100 nm, в който могат да се записват уникални молекулни процеси.

На второ място, той подчертава фундаменталната възможност за управление на процеси, които се случват, като правило, в границите на определения диапазон. Това дава възможност да се разграничат нанотехнологиите от природни явления от този вид („случайни“ нанотехнологии), както и да се осигури възможност за придаване на уникални характеристики и функционалност на създадените материали и устройства, чието постигане е било невъзможно в рамките на предишната технологична вълна. Това от своя страна означава, че в средносрочен и дългосрочен план нанотехнологиите могат не само да допринесат за развитието на съществуващи пазари, но и да допринесат за появата на нови пазари (продукти или услуги), начини за организиране на производството, видове икономически и социални отношения.

На трето място, характерна черта на дефинициите е тяхната икономическа и статистическа оперативност. Нанотехнологиите се представят като количествено измеримо явление – те са техники, инструменти, материали, устройства, системи. Това ги прави важен елемент от веригите на стойността, но въпросите за оценка на приноса на нанотехнологиите към себестойността на крайния продукт и границите на диверсификация на съществуващите производствени сектори при тяхното приложение изискват допълнително разглеждане.

В същото време има някои различия в тези определения. На първо място, те се отнасят до степента на конвергенция и предназначението на нанотехнологиите. Така в европейската версия се отбелязва както интегрирането на различни технологии в границите на наномащаба, така и тяхното сближаване с други технологии; обособени са отделни области на тяхното приложение. Японската версия подчертава иновативния характер на нанотехнологиите. Освен това европейските и японските дефиниции ясно отразяват широко разпространеното убеждение, че използването на подобни „градивни елементи“ (например атоми и молекули) и инструменти за анализ (микроскопи, мощни компютри и др.) в различни научни дисциплини може да доведе до в бъдеще към синтез на информация, био- и нанотехнологии.

Интересно е също, че сред горните дефиниции има не само общи (основни), но и т. нар. „изброени“, включително приетите в VII Рамкова програма на ЕС. Обикновено те се формират чрез изброяване на научни и технологични области (посоки), които принадлежат към съответната област. Както показва случаят с биотехнологиите, използването на общи и списъчни дефиниции допринася за ефективното решаване на различни задачи в областта на статистиката, анализа, науката, технологиите и иновационната политика. По този начин основните дефиниции са много подходящи за научни дискусии, постигане на консенсус по общи въпроси и вземане на рамкови политически решения. Дефинициите на списъци позволяват да се установи комуникация с технологични и производствени области, където могат да се прилагат нови технологии (например за проучване на пазари и компании), както и да се осигури създаването на по-строга система за подбор и проверка на проекти. В крайна сметка това подобрява точността и надеждността на получената информация.

В официалната руска практика доскоро бяха в сила две различни основни дефиниции на нанотехнологиите, които са представени съответно в „Концепцията за развитие на нанотехнологиите в Руската федерация за периода до 2010 г.“ и „Програмата за Развитието на наноиндустрията в Руската федерация до 2015 г." (Таблица 2).

Таблица 2 - Руските дефиниции на нанотехнологиите

Документ	Определение
Концепцията за развитие в Руската федерация на работата в областта на нанотехнологиите за периода до 2010 г.	Нанотехнологиите са съвкупност от методи и техники, които осигуряват възможност за създаване и модифициране на обекти по контролиран начин, включително компоненти с размери под 100 nm, притежаващи принципно нови качества и позволяващи интегрирането им в напълно функциониращи широкомащабни системи; в по-широк смисъл този термин обхваща и методите за диагностика, характерология и изследване на такива обекти.
Програма за развитие на наноиндустрията в Руската федерация до 2015 г	Нанотехнологиите са технологии, насочени към създаване и ефективно практическо използване на нанообекти и наносистеми с желани свойства и характеристики.

Първата от тези две версии се фокусира върху изучаването и създаването на обекти от определен (наномащабен) мащаб, втората предлага да се разгледат процесите на създаване и използване на нанотехнологии. И в двата случая няма индикации за характеристики, свързани с уникалността на явленията и възникващи в наномащаба. В допълнение, дефиницията, представена в Програмата за развитие на наноиндустрията, не носи нова информация за характеризираното явление и е формулирана въз основа на свойства и характеристики от същия ред. Това го прави максимално абстрактен и го лишава от каквото и да е ниво на оперативност.

За да преодолеем проблемите, отбелязани по-горе, и да разработим дефиниция на нанотехнологиите, която да отразява тяхната специфична природа и да може да се използва в областта на статистическото наблюдение, както и в политиката за наука, технологии и иновации, ние се опитахме да синтезираме ефективни елементи от различни съществуващи подходи. Съответните методически усилия доведоха до нова версия на основната дефиниция на нанотехнологиите, която беше обсъдена в редица представителни аудитории, включително специализирани експертни срещи и фокус групи, работната група на Научно-координационния съвет на Федералната целева програма „Научни изследвания и развитие в приоритетни области за развитие на научно-технологичния комплекс на Русия през 2007-2012 г.“ в направление „Индустрия на наносистеми и материали“, редакцията на списание „Руски нанотехнологии“, първият и вторият Международни форуми по нанотехнологии и т.н. Окончателният вариант на предложената дефиниция е както следва...

Предлага се нанотехнологиите да се разбират като набор от техники и методи, използвани в изследването, проектирането и производството на наноструктури, устройства и системи, включително целенасочен контрол и модификация на формата, размера, взаимодействието и интегрирането на техните съставни наномащабни елементи (около 1 -100 nm), наличието на които води до подобряване или появата на допълнителни експлоатационни и / или потребителски характеристики и свойства на получените продукти.

Тази дефиниция отчита сложната научна и технологична същност на разглежданото явление, посочва специфичното измерение и управляемост на основните процеси, подчертава тяхното решаващо влияние върху свойствата на създаваните продукти и отношението към пазарната новост. Може да се използва за провеждане на научно-техническа експертиза, формулиране на критерии за подбор и оценка на отделни проекти, свързани с нанотехнологиите, и организиране на статистическо наблюдение в тази област.

Предложеното определение беше разгледано от Съвета на Държавната корпорация "Роснанотех" през септември 2009 г. и прието като работно.

Както бе отбелязано по-горе, интердисциплинарният характер на нанотехнологиите определя целесъобразността от допълване на тяхната основна дефиниция със списък, който да обхваща научни и технологични области, обединени от общото понятие "нанотехнологии". В хода на работата бяха идентифицирани седем такива големи области, които съставляват дефиницията на списъка и формират основата на проекта за класифициране на областите на нанотехнологиите.

Курс "Основи на нанотехнологиите" / 26.02.2009г.

Източник: Център за изследване на нанотехнологиите на Московския държавен университет

Лекциите по курса "Основи на нанотехнологиите" ще се провеждат през пролетния семестър на 2009 г. във вторник и петък от 17:00 часа в зала 02 на Главната сграда на Московския държавен университет.

Лекционният курс "Основи на нанотехнологиите" е отворен за всички. Ако не сте студент, аспирант или служител на Московския държавен университет, можете да стигнете до лекцията само като се регистрирате предварително за нея.

Материали от лекции "Основи на нанотехнологиите"публикувани, докато се изнасят лекции.

Подборът и подредбата на материалите е предмет на авторските права на лекторите, но част от илюстративния материал може да бъде свързан с други обекти на авторското право.

Лекция 1 (PDF, 3.2Mb), академик на Руската академия на науките, професор Ю.Д. Третяков.

Теми на лекциите: основни понятия и дефиниции на науките за наносистемите и нанотехнологиите. Историята на появата на нанотехнологиите и науките за наносистемите. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност.
Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.

Лекция 2 (PDF, 3.8Mb), проф. A.N. проби.

Тема на лекцията: характеристики на физическите взаимодействия в наномащаби. Ролята на обема и повърхността във физичните свойства на наноразмерни обекти. Механика на нанообектите Механични вибрации и резонанси в наноразмерни системи. Сила на триене. Кулоново взаимодействие. Оптика на нанообекти. Съотношението на дължината на вълната на светлината и размера на наночастиците. Разлики в разпространението на светлината в хомогенни и наноструктурирани среди. Магнетизъм на нанообектите.

Лекция 3 (PDF, 1.7Mb), проф. В.Ю. Тимошенко.

Тема на лекцията: квантова механика на наносистемите. Квантови размерни ефекти в нанообекти. Квазичастици в твърди тела и наноструктурирани материали. квантови точки. Мустаци, влакна, нанотръби, тънки филми и хетероструктури. Квантови ефекти в наноструктури в магнитно поле. Електропроводимост на нанообекти. Концепцията за балистична проводимост. Едноелектронно тунелиране и кулонова блокада. Оптични свойства на квантовите точки. Спинтроника на нанообекти.

Лекция 4 (PDF, 4.7Mb), член-кореспондент на Руската академия на науките, професор E.A. Гудлин.

Тема на лекцията: методи за получаване на наночастици

Лекция 5 (PDF, 2.5Mb), академик на Руската академия на науките, професор А.Р. Хохлов.

Тема на лекцията: нанотехнологии и "мека" материя.

Програма на курса

Основни понятия и дефиниции на науките за наносистемите и нанотехнологиите. Историята на появата на нанотехнологиите и науките за наносистемите. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност. Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.
(Академик на Руската академия на науките, професор Ю. Д. Третяков)

Характеристики на физическите взаимодействия в наномащаби. Ролята на обема и повърхността във физичните свойства на наноразмерни обекти. Механика на нанообектите. Механични вибрации и резонанси в наноразмерни системи. Сила на триене. Кулоново взаимодействие. Оптика на нанообекти. Съотношението на дължината на вълната на светлината и размера на наночастиците. Разлики в разпространението на светлината в хомогенни и наноструктурирани среди. Магнетизъм на нанообектите.
(проф. А. Н. Образцов)

Квантова механика на наносистемите. Квантови размерни ефекти в нанообекти. Квазичастици в твърди тела и наноструктурирани материали. квантови точки. Мустаци, влакна, нанотръби, тънки филми и хетероструктури. Квантови ефекти в наноструктури в магнитно поле. Електропроводимост на нанообекти. Концепцията за балистична проводимост. Едноелектронно тунелиране и кулонова блокада. Оптични свойства на квантовите точки. Спинтроника на нанообекти.
(проф. В. Ю. Тимошенко)

Основни принципи за формиране на наносистеми. Физични и химични методи. Процеси за получаване на нанообекти „отгоре надолу”. Класическа, "мека", микросфера, йонно-лъчева (FIB), АСМ - литография и наноиндентация. Механоактивация и механосинтез на нанообекти. Процеси за получаване на нанообекти "отдолу нагоре". Нуклеационни процеси в газови и кондензирани среди. Хетерогенна нуклеация, епитаксия и хетероепитаксия. Спинодален колапс. Синтез на нанообекти в аморфни (стъклени) матрици. Химични методи за хомогенизиране (съутаяване, зол-гел метод, криохимична технология, аерозолна пиролиза, солвотермално третиране, искрово-критично сушене). Класификация на наночастиците и нанообектите. Техники за получаване и стабилизиране на наночастици. Агрегация и дезагрегация на наночастици. Синтез на наноматериали в едно и двумерни нанореактори.

Статистическа физика на наносистемите. Характеристики на фазовите преходи в малки системи. Видове вътрешно- и междумолекулни взаимодействия. хидрофобност и хидрофилност. Самосглобяване и самоорганизация. Мицелизиране. Самосглобени монослоеве. Филми на Лангмюр-Блоджет. Надмолекулна организация на молекулите. Молекулярно разпознаване. Полимерни макромолекули, методи за тяхното получаване. Самоорганизация в полимерни системи. Микрофазово разделяне на блок съполимери. Дендримери, полимерни четки. Послойно самосглобяване на полиелектролити. надмолекулни полимери.
(Академик на Руската академия на науките, професор А.Р. Хохлов)

Компютърно моделиране на наноструктури и наносистеми. Микроскопски и мезоскопски методи за моделиране (Монте Карло и молекулярна динамика, дисипативна динамика на частиците, методи на теория на полето, методи на крайните елементи и перидинамика). Конюгиране на различни пространствени и времеви мащаби. Молекулярен дизайн. Компютърна визуализация на нанообекти. Възможности за числен експеримент. Примери за молекулярно моделиране на наноструктури, молекулярни превключватели, протеини, биомембрани, йонни канали, молекулярни машини.
(Професор P.G. Khalatur)

Методи за изследване и диагностика на нанообекти и наносистеми. Сканираща и трансмисионна електронна микроскопия. Електронна томография. Електронна спектроскопия. Дифракционни методи за изследване. Оптични и нелинейно оптични методи за диагностика. Характеристики на конфокалната микроскопия. Микроскопия със сканираща сонда: Мощна микроскопия. Спектроскопия на атомно-силовите взаимодействия. Тунелна микроскопия и спектроскопия. Оптична микроскопия и поляриметрия на близкото поле. Приложение на сканиращата сондова микроскопия в нанотехнологиите.
(проф. В. И. Панов)

Вещество, фаза, материал. Йерархична структура на материалите. Наноматериали и тяхната класификация. Неорганични и органични функционални наноматериали. Хибридни (органо-неорганични и неорганично-органични) материали. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурирани 1D, 2D и 3D материали. мезопорести материали. Молекулярни сита. Нанокомпозити и техните синергични свойства. Структурни наноматериали.
(Член-кореспондент на Руската академия на науките, професор Е.А. Гудилин)

Капилярност и омокряне в наносистеми. Повърхностна енергия и повърхностно напрежение. Капки върху твърди и течни повърхности. Пълно и непълно намокряне. Повърхностни (електростатични и молекулярни) и капилярни сили. Хистерезис на контактния ъгъл: ролята на химическата нехомогенност и грапавост. суперхидрофобни повърхности. Фрактални и подредени текстури. Еластокапилярност. Динамика на намокряне и разпространение. Проблеми на потока, смесването и разделянето в малки канали и устройства за микро- и нанофлуиди. Цифрова микрофлуидика, електрокинетика, анизотропни и суперхидрофобни текстури като примери за решаване на микро- и нанофлуидични проблеми. Приложения: самопочистване и хидроизолация, мастиленоструен печат, лаборатория върху чип, ДНК чипове, биомедицина, горивни клетки.
(проф. О.И. Виноградова)

Лекция 10

Катализа и нанотехнологии. Основни принципи и понятия в хетерогенната катализа. Влияние на условията на получаване и активиране върху формирането на активната повърхност на хетерогенни катализатори. Структурно-чувствителни и структурно-нечувствителни реакции. Специфика на термодинамичните и кинетичните свойства на наночастиците. Електрокатализа. Катализа върху зеолити и молекулни сита Мембранна катализа.
(Академик на Руската академия на науките, професор В. В. Лунин)

Лекция 11

Физика на наноустройствата. Методи за създаване на наноустройства. Механични и електромеханични микро и наноустройства. Сензорни елементи на микро- и наносистемна технология. Температурни сензори на базата на термодвойки. Сензори за ъглова скорост. Сензори за магнитно поле. Микро и нано помпи. Интегрирани микроогледала. Вградени микромеханични ключове. Интегрални микро- и нано-мотори. Физически принципи на действие на основните елементи на микро- и наноелектрониката. Закон на Мур. единични електронни устройства. едноелектронен транзистор. Едноелектронни елементи на цифрови схеми.
(проф. А. Н. Образцов)

Лекция 12

Физика на наноустройствата. Устройства на оптоелектрониката и наноелектрониката. Светодиоди и лазери на базата на двойни хетероструктури. Фотодетектори на базата на квантови ямки. Лавинни фотодиоди, базирани на система от квантови ямки. Уреди и инструменти за нанофотоника. Фотонни кристали. Изкуствени опали. оптични влакна. Оптични ключове и филтри. Перспективи за създаване на фотонни интегрални схеми, устройства за съхранение и обработка на информация. Магнитни наноустройства за запис и съхраняване на информация. Наносензори: полупроводникови, пиезоелектрични, пироелектрични, върху повърхностни акустични вълни, фотоакустични.
(проф. В. Ю. Тимошенко)

Лекция 13

Молекулярни основи на живите системи. Идеята за жива клетка; структурата и функциите на органелите, принципът на самоорганизация на живите същества. Приложимост на термодинамични и кинетични подходи към процеси, протичащи в живата материя. Бактерии, еукариоти, многоклетъчни организми. Нуклеинови киселини: класификация, структура, свойства. Естествени наносистеми в съхранението, възпроизвеждането и внедряването на генетичната информация на клетката. Системи за контрол на клетъчното делене на ниво организъм. Ракът е повреда в генетичната програма на клетката.
(Член-кореспондент на Руската академия на науките, професор О.А. Донцова)

Лекция 14

Структура и функции на протеините. Функциите, изпълнявани от протеините, разнообразието от аминокиселини, които изграждат протеина. Нива на организация на протеини, методи за изследване на различни нива на организация на протеинова молекула. Първична структура на протеини, посттранслационни модификации. Вторични и третични структури на протеина, проблеми с правилното сгъване на протеини, заболявания, причинени от неправилно опаковане на протеини. Създаването на изкуствени протеини с „подобрена“ структура е важна нанотехнологична задача. Идеята за кватернерна структура и използването на кватернерна структура за разширяване на възможностите за регулиране и за изпълнение на механични функции. Протеини на съединителната тъкан (колаген), механизми за регулиране на механичната якост. Протеини, които образуват цитоскелета (актин, тубулин, протеини на междинни филаменти), регулиране на сглобяването и разглобяването на елементите на цитоскелета. Използването на цитоскелетни протеини като "релси" за моторни протеини. Миозини, кинезини и динеини като примери за високоспециализирани наномоторни протеини, които осигуряват вътреклетъчен транспорт и биологична мобилност. Възможности за използване на моторни протеини за решаване на някои проблеми на нанотехнологиите.
(проф. Н. Б. Гусев)

Лекция 15

Въглехидрати. Моно-, олиго- и полизахариди. Характеристики на структурата, начини на представяне. Възможността за използване на полизахариди като нанобиоматериали. Липиди. Класификация и характеристики на структурата. Наноструктури, образувани от липиди. Монослоеве, мицели, липозоми. Перспективи за целите на нанотехнологиите. Биомембрани. Характеристики на структурата и основните функции.
(проф. А. К. Гладилин)

Лекция 16

Ензимите са протеини със специална функция на катализа. Основни принципи на структурата на ензимите и характеристики на ензимната катализа. Активният център на ензима е самоорганизираща се и високо организирана функционализирана наночастица и наномашина. Витамини и коензими, тяхното участие в катализата. Молекулен дизайн и промяна на спецификата на ензимите – нанотехнологични проблеми и перспективи. Размерни ефекти в нанообхвата при протеинова катализа. Ензими в мембрани и мембраноподобни наноструктури: регулиране на каталитичните свойства и олигомерния състав чрез размера на матрицата. Биомолекулни наночастици; ензим в "яка" (обвивка от неорганични и органични молекули) е нов стабилен катализатор. Полиензимни комплекси: прилагане на принципа на "разпознаване" в природата и наноразмерни матрици.
(проф. Н. Л. Клячко)

Лекция 17

Структурни и функционални аспекти на бионанотехнологиите. Разнообразие от надмолекулни структури, образувани от биомолекули. Принципът на самосглобяване. Използване на биоструктури с уникална геометрия като шаблони за получаване на наноматериали и наноструктури (получаване на нанопроводници, нанотръби и нанопръчки от метали, проводими полимери, полупроводници, оксиди и магнитни материали с помощта на ДНК, вирусни частици и протеинови нишки). Създаване на 2D наномодели и 3D суперструктури с помощта на ДНК, S-слоеве, вирусни частици и липозоми. Изкуствени методи за самоорганизация в нанообхвата. Биофункционализация на наноматериали. Общи методи за конюгиране на нанообекти с биомолекули. Специфичен афинитет на някои биомолекули към нанообекти.
(проф. И. Н. Курочкин)

Лекция 18

Нанобиоаналитични системи. История на развитието на съвременните биоаналитични системи. Биосензори. Основни понятия, области на приложение. „Разпознаващи“ елементи на биосензорите: ензими, нуклеинови киселини, антитела и рецептори, клетъчни органели, клетки, органи и тъкани. "Детектиращи елементи" на биосензори. Физически основи на регистрация на сигнали. Видове биосензори: електрохимични, полупроводникови, микрогравиметрични, фиброоптични, повърхностни плазмони, дифракционни решетки, интерферометрични, микро- и наномеханични. Нанобиоаналитични системи, базирани на наномащабни полупроводникови и метални структури (квантови точки, молекулярни "пружини", гигантски нелинейни оптични ефекти върху повърхността на метални наночастици - SERS, методи на ензимна и автометалография и др.). Приложение за целите на мониторинг на околната среда и биомедицински изследвания. Нанобиоаналитични системи, базирани на сканираща сондова микроскопия.
(проф. И. Н. Курочкин)

Нанотехнологиите по своята специфика са интердисциплинарна научна област на приложната технология, която се занимава с изучаването и създаването на иновативни и иновативни методи за получаване на най-новите материали с определени свойства, които впоследствие се използват в голямо разнообразие от отрасли на живота на модерен човек.

Като цяло нанотехнологиите работят със структури, които имат стойности от 100 nm и дори по-малко, като по този начин използват устройства, както и материали, имащи горните размери. Към днешна дата нанотехнологиите са изключително разнообразни и се използват в голямо разнообразие от изследвания, вариращи от създаването на нови технически устройства до най-новите изследвания, свързани с изучаването на молекулярно-атомно ниво.

Основи на нанотехнологиите.

Метод на атомно-силовата микроскопия.

Трябва да се каже, че един от основните инструменти, които се използват за работа с микрочастици, са микроскопите, тъй като без това устройство не е възможно не само да се работи с микрочастици, но и да се изучава микросветът. Увеличаването на разделителните характеристики на съвременните микроскопи и получаването на все повече знания за елементарните частици днес са взаимосвързани помежду си. В момента, с помощта на такова оборудване като атомно-силови микроскопи или AFM и сканиращи електронни микроскопи, съвременните учени са в състояние не само да наблюдават отделни атоми, но дори да намерят начини да им въздействат, например чрез преместване на атоми по повърхността . В същото време съвременните учени вече са успели да създадат така наречените двуизмерни наноструктури върху повърхности, използвайки горния метод на експозиция. Така например в изследователските центрове на известната компания IBM учените, чрез последователно смесване на ксенонови атоми на повърхността на никелови нанокристали, успяха да създадат фирмено лого, състоящо се от 35 атома материя.

Извършвайки тези действия, свързани със смесването на веществата, както и тяхното разделяне и свързване, учените срещнаха някои технически трудности. За да се преодолее това, е необходимо да се създадат условия на свръхзвуков вакуум (10–11 тора), за това е необходимо да се охлади дъската и микроскопът до ултра ниска температура, равна на 4 до 10 K, докато повърхността на този субстрат трябва бъдете гладки и чисти на атомно ниво. За целта се използват специализирани технологии за механична и химична обработка на продуктите, като целта на тази обработка е да се създаде намаление на повърхностната дифузия на отложените атоми, с помощта на което основата се охлажда.

Наночастици.

Основната отличителна черта на новите материали, които се получават в процеса на употреба нанотехнологии, е непредвидимото получаване на физическите и технически характеристики на придобитите материали. Благодарение на това съвременните учени получават възможност да получат нови квантови физико-механични характеристики на вещества, в които електронните структури са модифицирани, което автоматично променя формата на проявление на тези съединения. Така например способността за намаляване на размера на частиците далеч не е определена или измерена с помощта на макро или микро измервания във всички случаи. Измерванията обаче могат да бъдат възможни, ако размерът на частиците е в диапазона милимикрони. Трябва също да се отбележи, че някои физични и механични свойства се променят, когато размерът на елементите се промени. В момента наличието на необичайни механични свойства в наноматериалите е обект на изследване от учени, работещи в областта на наномеханиката. В същото време отделно място в съвременните нанотехнологии заема производството на нови вещества с помощта на различни катализатори, които влияят на поведението на наноматериалите, когато те взаимодействат с различни биоматериали.

Както казахме по-рано, частици с размери от 1 до 100 нанометра се наричат ​​наночастици, докато проучванията показват, че наночастиците от много материали имат висока абсорбция и каталитични свойства. Други материали осигуряват уникални оптични свойства. Например, изследователите успяха да получат прозрачни керамични материали на базата на нанопрахове с размери 2–28 nm, които имат по-добри свойства от например короните. Също така учените успяха да получат взаимодействието на изкуствено получени наночастици с естествени обекти с наномащаб, например с протеини, нуклеинови киселини и др. В допълнение, пречистените наночастици, поради техните уникални свойства, имат способността да се интегрират в различни структури. Такива структури, съдържащи наночастици, придобиват безпрецедентни свойства и характеристики.

Към днешна дата всички нано-обекти са разделени на три класа:

Първият клас включва триизмерни частици, които се получават чрез взривяване на проводници, чрез плазмен синтез или чрез възстановяване на тънки филми.

Вторият клас включва така наречените двумерни обекти, които са филми и са получени чрез метода на молекулярно отлагане, ALD, CVD и методите на йонно отлагане.

Третият клас включва мустаци или едномерни обекти, получени чрез молекулярно наслояване или чрез въвеждане на различни вещества в цилиндричен микропорт.

Освен това има и нанокомпозити, които се получават чрез въвеждане на наночастици в специализирани матрици. Към днешна дата широко се използва само методът на микролитографията, който позволява да се получат островни плоски обекти на повърхността на матрицата с размер от 50 nm или повече, които се използват в съвременната електроника. Също така е необходимо да се отбележат методите на молекулярно и йонно наслояване, тъй като с помощта на тези методи е възможно да се получат истински филмови покрития под формата на монослой.

Самоорганизация на наночастиците.

Едно от най-важните предизвикателства пред нанотехнологиите е как атомите и молекулите да се групират по определен начин, което би им позволило да се самовъзстановяват и саморазвиват, което в крайна сметка ще доведе до нови материали или устройства. Тези проблеми се решават от химици, работещи в областта на супрамолекулната химия. При това те изучават не отделните молекули, а взаимодействието между тях, както и как са организирани при конкретно въздействие и дали имат способността да образуват нови вещества. Много учени смятат, че природата наистина има такива системи и в нея протичат такива процеси. Например вече са известни биополимери, които могат да бъдат организирани в специални структури. Също така като такива примери са дадени протеини, които поради своите свойства могат не само да се сгъват и да придобиват кълбовидна форма, но и да образуват цели комплекси и структури, които съдържат няколко протеинови молекули наведнъж. Вече днес учените са успели да създадат метод за синтез, който използва специфичните свойства, притежавани от ДНК молекулите.

4 Нанообекти обикновено се наричат ​​обекти, състоящи се от атоми, йони или молекули и имащи размер по-малък от 100 nm в поне една от посоките. 1) триизмерни (3D) структури - наночастици, нанокластери; 2) плоски двумерни (2D) обекти - нанофилми; 3) линейни едномерни (1D) структури - нанопроводници, 4) нулевомерни (0D) обекти - наноточки, квантови точки. Наноматериалите са макроскопични материали, изградени на базата на нанообекти

5

6 Характерни размери в нанометри ДНК молекули 10 nm Вируси 100 nm Бактерии nm Амеба nm Растителен прашец nm Нематоди nm Насекоми nm Малки бозайници nm Големи бозайници nm Прости молекули 1 nm НАНООБЕКТИ

8

9 Нанотехнологии - съвкупност от технологични методи и техники, използвани при изследването, проектирането и производството на материали, устройства и системи, включително целенасочен контрол и управление на структурата, химичния състав и взаимодействието на отделните им наномащабни елементи (с размери от порядъка на 100 nm и по-малко, поне едно от измерванията), които водят до подобряване или поява на допълнителни експлоатационни и / или потребителски характеристики и свойства на получените продукти. Съгласувано с държавната корпорация "Роснанотех" Дефиниция на нанотехнологиите (съвременна руска версия) Вестник на руските нанотехнологии, 2010, т.5, 7-8, стр.8-16.

10

12 Още през 500 г. художници са правили витражи с много ярки цветове, които не могат да се получат с помощта на бои. Яркостта и издръжливостта са осигурени чрез добавяне на наночастици от благороден метал към стъклото. Примери от хилядолетната история на нанотехнологиите

От писмо от Бенджамин Франклин (7 ноември 1773 г.)...като бях в Клапхам, където има...голямо езеро... извадих една струя масло и капнах малко от нея във водата. Видях го да се разпръсква с изненадваща бързина по повърхността... маслото, но не повече от една чаена лъжица... което се разпръсква удивително и се разширява постепенно... превръщайки цялата тази четвърт от езерото, може би половин акър, като гладка като огледало.... Примери от хилядолетната история на нанотехнологиите 31

Маслото не повече от една чаена лъжица може би половин акър nm 32 .... не повече от една чаена лъжичка масло .... .... около половин акър (0,2 хектара) ...

18 Наночастиците не се утаяват от течна среда. Всички цветове на дъгата могат да бъдат получени чрез разсейване на светлина от наноколоиди с различен размер на частиците. Тези ефекти са открити от Майкъл Фарадей през 1857 г. Примери от хилядолетната история на нанотехнологиите НАНОКОЛОИДИ

© H. Schroeder Loughborough University 1998 Лекция 1.21 „Типичен гений“ Ексцентричен Ричард Файнман

22 Детство/Образование Усвои диференциално и интегрално смятане на 15-годишна възраст – В гимназията имаше коефициент на интелигентност 123. В последната си година спечели шампионата по математика на Нюйоркския университет. Вписа се в Масачузетския технологичен институт (MIT), взе всички курсове по физика При прием в Принстънския университет за първи път в историята получава най-високите оценки на изпитите както по физика, така и по математика - защитава дисертация (докторска степен) през 1942 г.

23 Проектът Манхатън След атомната бомбардировка той изпадна в депресия за дълго време – Мислеше, че е безсмислено да работи за бъдещето, тъй като светът в крайна сметка ще бъде унищожен Работил в Лос Аламос Ръководил група барабани на „компютърни хора“

24 Преподаване Въпреки многобройните други предложения. Файнман избра професорска длъжност в Калифорнийския технологичен институт (Caltech) -Прякор Великият обяснител -Опита се да направи представянето на всяка научна тема достъпна за първокурсници Награден с медала Oersted за изключителни постижения в преподаването

25 Лекциите на Фейнман, първо записани на магнетофон и след това „преведени“ на „писмен английски“ от професорите М. Сандс и Р. Лейтън, не приличат на нито един известен курс. Те се отличават с оригинален метод на представяне, който отразява ярката научна личност на автора, неговата гледна точка по пътя на обучението на студентите по физика, способността му да заразява читателите с интерес към науката.

26 Създаване на квантовата електродинамика За развитието на тази теория през 1965 г. е удостоен с Нобелова награда по физика (заедно с още двама учени) „Диаграмите на Файнман“ се използват за изчисляване на взаимодействията на елементарните частици Имат голямо значение за съвременните „струни“ теория

27 Лекция „Дядото на нанотехнологиите“ Има много място в дъното: Покана за навлизане в нова област на физиката, изнесена пред Американското физическо дружество през 1959 г. Публикувано в Engineering and Science през 1960 г.

28 ... Бих искал да обсъдя една малко проучена област на физиката, която изглежда много важна и обещаваща и може да намери много ценни технически приложения. Говорим за проблема с контрола и управлението на структурата на материята в диапазона на много малки размери. Долу (т.е. „под или в космоса“, ако желаете) е удивително сложен свят на малки форми и някой ден (да речем през 2000 г.) хората ще бъдат изненадани, че преди 1960 г. никой не е вземал сериозно изследване на този свят. .. Познатите ни принципи на физиката не забраняват създаването на обекти "атом по атом". Манипулирането на атомите по принцип е съвсем реално и не нарушава никакви закони на природата. Практическите трудности при прилагането му се дължат само на факта, че ние самите сме твърде големи и обемисти обекти, в резултат на което ни е трудно да извършваме подобни манипулации.

29 "Дядото на нанотехнологиите" През декември 1959 г. Р. Файнман от личните си средства учредява две награди от $1000 за практическото изпълнение на две задачи за "контрол на структурата на материята в интервала от много малки размери", които изглеждат него осъществимо само в далечното бъдеще: 1) Направете работещ електрически мотор, поставен в куб със страна 1/64 инча (0,4 мм) 2) „Поставете Енциклопедия Британика на глава на карфица“, тоест напишете текста в шрифт, намален с фактор.

30 „Дядото на нанотехнологиите“ По-малко от година по-късно първата награда „Файнман“ отиде при физика Маклелън от Калифорнийския университет. Работейки през обедните почивки и използвайки конвенционален микроскоп, часовникарски инструменти и клечки за зъби, за 2,5 месеца той сглобява електрически мотор от 13 части, тежащ 250 микрограма и въртящ се с 2000 оборота в минута. крило на комар

31 „Дядото на нанотехнологиите“ Малко съм разочарован, че не е необходима нова технология за създаването на двигателя. Бях сигурен, че го измислих достатъчно малък, за да го сглобя, но ти успя. Честито! Не започвайте да работите с дребен шрифт. Не бих искал да се разделя с втората награда. Откакто написах статията си, успях да се оженя и купих къща! С уважение, Ричард Файнман

32 „Дядото на нанотехнологиите“ През 1985 г. Томас Нюман от Станфордския университет спечели втората награда за необходимото намаляване на размера на шрифта. Първа страница на „Приказка за два града“ от Чарлз Дикенс (запис с електронен лъч)

33 „Накрая си позволявам да предложа още една идея (може би предназначена само за много далечно бъдеще), която ми се струва изключително интересна. Говорим за способността да подреждаме атомите в необходимия ред, а именно атомите, най-малките градивни елементи на нашия свят!“ – Фейнман, 1959 г. D.M. Eigler, E.K. Швайзер. Позициониране на единични атоми със сканиращ тунелен микроскоп. Nature 344, (1990). „Дядото на нанотехнологиите“ 5 nm Atoms Xe

35 Норио Танигучи въвежда термина в статия от 1974 г.: „Върху основната концепция на нанотехнологиите“ Танигучи се позовава на своя термин основно на толерансите на обработка на макроскопични обекти и материали. Всъщност в неговата интерпретация на нанотехнологиите тя се свежда до привеждане на съществуващите принципи на механична обработка на материалите до молекулярно съвършенство.

Година – Ерик Дрекслър – основател и председател на Американския институт за прогнозиране и оформяне на бъдещето (Foresight Institute) „Бащата на нанотехнологиите“

46 Национален съвет за наука и технологии (NSTC) Комитет по технологии Междуведомствената работна група по нанонауки, инженерство и технологии (IWGN)

49 „Бизнесът трябва да разбере, че ако не навлезе в нанотехнологиите днес, ще пропусне всичко на света и в най-добрия случай ще работи с ватирано яке в кладенец, който ще се управлява от нашите приятели и партньори.“ Русия се нуждае от дългосрочна стратегия за развитие на иновациите, в противен случай "когато разделянето на енергийния пазар в света приключи, можете да останете без нищо". 15 декември 2005 г. На заседание на правителството на Руската федерация министър-председателят Михаил Фрадков предпочете нанотехнологиите пред ватирани якета

© H. Schroeder Loughborough University 1998 Лекция 1.54 Нанотехнологии. От алхимия до химия и отвъд… Професор Малинецки Г.Г. Институт по приложна математика на името на M.V.

55 Общо заключение Ръководството на партия „Единна Русия“ взе правилното и смело решение да ускори развитието на нанотехнологиите. Успешното изпълнение на това решение ще позволи да се отговори на предизвикателствата в областта на националната сигурност и да издигне руската наука на качествено ново ниво.

56 Опасности от нанотехнологичен проект за Обединена Русия Нанотехнологиите не са петрол. За да използвате постиженията, трябва да ги имате. Районът не е очертан и не са разпределени приоритети. Опасност от разпиляване на средства и загуба на цел. Липса на цялостна координация на работата по проекта. Проблеми с експертизата. Липсата на интердисциплинарност и сътрудничество със специалисти е опасност от преоткриване на колелото. Остър кадрови дефицит. Засега има малко специалисти. КРАЯТ НА ПРЕЗЕНТАЦИЯТА