Основы нанотехнологий. Нанотехнологическое зарядное устройство. Наноиглы для восстановления внутренних органов
Bauman Moscow State Technical University
1
Б е л и к ов А н д р е й И в а н ов и ч, к. т. н. , д о ц е н т
к а ф е д р а М Т - 11 " Эл е к т р о н н ы е т ех н о л о г и и в м а ш и н о с т р о е н и и "
Основы наноэлектроники и
нанотехнологий
Москва, 2014
Цель и задачи дисциплины
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Цель и задачи дисциплины
2
Формирование знаний в области наноматериалов,
наносистем и устройств наноэлектроники, реализации
процессов получения наноматериалов и наносистем для
широкого спектра технических областей.
1. Наноэлектронные приборы, используемые эффекты.
2. Наноструктурные материалы
3. Методы измерений и исследования наноматериалов
4. Нанотехнологии
Фактор «НАНО-»
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Фактор «НАНО-»
3
Р.Фейнман:
«Контроль и управление строением вещества в очень малых размерах
являют малоизученную область физики, которая представляется весьма
важной и перспективной и может найти множество ценных
технических применений…».
Э.Теллер (один из создателей американской термоядерной бомбы),
середина ХХ века:
«Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в
техносфере следующего столетия».
Научно-технические революции:
– 1-я, - промышленная;
– 2-я, - электронная;
– 3-я, - нанотехнологическая.
Субъекты «НАНО-»
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Субъекты «НАНО-»
4
Наноматериалы – материалы со структурными элементами,
геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не
превышают 100 нм, обладающие вследствие этого качественно новыми
свойствами.
Нанотехнология – совокупность методов и средств, обеспечивающих
манипулирование веществом на атомном и молекулярном уровнях с
целью производства конечных продуктов с заранее заданной
наноразмерной структурой.
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на
основе нанотехнологий и наноматериалов функционально законченные
системы и устройства, характеристики которых кардинально
отличаются от показателей систем и устройств аналогичного
назначения, созданных по традиционным технологиям электроники
при использовании микро- и макрообъемов веществ.
История. Странные совпадения?!
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История. Странные совпадения?!
1908 г. – немецкий физик Густав Ми (1869-1957)
разрабатывает теорию окрашивания стекла
металлическими частицами различной природы и
формы - дает полное решение уравнений Максвелла
для рассеяния электромагнитных волн на
сферических частицах размером от 10 нм. «Вопросы
оптики мутных сред, в особенности коллоидных
металлических растворов» («рассеяние Ми»)
1928 г. – открытие Г.А.Гамовым (1904-1968 гг)
туннельного эффекта, который лежит в основе
современных методов исследования наноструктур.
Гамов Георгий Антонович (1904-1968),
известный советско- американский физик-теоретик.
5
Отступление
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Отступление
6
В 1924 году в Ленинград приехал Лев Давидович Ландау (1908-1968),
чуть позже – Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994). Гамов,
Ландау и Иваненко создали группу («три мушкетера»), занимались
теоретической физикой.
Летом 1928 года Георгий Антонович Гамов занялся теоретической
ядерной физикой – в Германии, куда был направлен в Геттингенский
университет, один из центров квантовой физики, пытался выяснить,
как квантовая теория может изменить восприятие ядра атома. В
библиотеке Георгий Антонович нашел статью Эрнеста Резерфорда, в
которой описывался эксперимент по рассеянию альфа-частиц в уране,
но не согласился с выводами Резерфорда. Оказалось, что Лев Давидович Ландау
обнаруженное Резерфордом явление хорошо описывается волновой
механикой, где не существует непроницаемых барьеров. Поэтому,
вернувшись из библиотеки Георгий Антонович Гамов записал
формулу,
описывающую
возможность
такого
волновомеханического
проникновения.
Другими
словами,
он
сформулировал квантово-механическую теорию a-распада, одного из 4
типов радиоактивности, (независимо от Р.Герни и Э.Кондона), дав
первое успешное объяснение поведению радиоактивных элементов.
Показал, что частицы даже с не очень большой энергией могут с
определенной вероятностью проникать через потенциальный
барьер (туннельный эффект). Это сделало Г.А.Гамова знаменитым
во всем мире.
Дмитрий Дм. Иваненко
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
7
1931 г. – немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска (Нобелевская премия 1986 г.) создают
просвечивающий электронный микроскоп.
1938 г. – создание сканирующего электронного микроскопа
1939 г. – компания Siemens, в которой работал Эрнст Руска, выпускает первый коммерческий
электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
1956 г. – А.Улир (A. Uhlir), Bell System, открывает нанопористый кремний.
1959 г. – американский физик Ричард Фейнман. Выдвинул основные идеи нанотехнологии возможность манипулирования на атомном уровне, исследование и контроль в нанометровом
диапазоне, «Там внизу еще много места» (“There’s plenty of room at the bottom”). Днем
рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г.
1966 г. – американский физик Рассел Янг (Национальное бюро стандартов), изобретает
пьезодвигатель.
Сканирующие
туннельные
микроскопы
и
позиционирование
наноинструментов с высокой точностью.
1968 г. – Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской
компании Bell, разрабатывают теоретические основы нанотехнологии при обработке
поверхностей с атомарной точностью.
1971 г. – Рассел Янг выдвигает идею прибора Topografiner, послужившего прообразом
зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств
объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению
их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие
исследуемое вещество.
1974 г. – японский физик Норио Танигучи (Токийский университет) вводит термин
«нанотехнология» в отношении конструкционных материалов с наноразмерной структурой.
История создания основ нанотехнологий
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История создания основ нанотехнологий
8
1977 г. – американcкий студент MIT Э.Дрекслер (г.р.1955)
вводит термин «нанотехнология», - гипотетическая сборка
объектов из молекулярных цепочек.
1981 г. – реализован способ получения малых металлических кластеров.
Г. Глейтером разработана концепция наноматериалов, главная роль
в которой была отведена поверхностям раздела, позволяющим
существенно изменить свойства твердых тел.
1982 г. – в Цюрихском исследовательском центре IBM физики
Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г.) создают
Эрик Дрекслер
сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).
1983 г. – В.Н.Лаповка и Л.И.Трусова, нанокристаллический никель, с твердостью в два
раза выше твердости поликристаллического образца.
1985 г. – американские химики: профессор Ричард Смэлли, Роберт Керл и Гарольд Крото
(Нобелевские лауреаты 1996 г.) открывают фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов
углерода, расположенных в форме сферы.
1986 г. – немецкий физик Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой
зондовый микроскоп – визуализация и манипулирование атомами любых материалов.
1986 г. – американский ученый Ким Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории
искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, издает книгу
«Машины созидания» («Engines of Creation»), где предлагает идею нано «ассемблера»,
молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в
том числе и себе подобных) из подручных молекул.
1987 г. – наблюдают квантовую проводимость на точечных контактах. Т.А. Фултон и Г.Дж.
Долан создают первый одноэлектронный транзистор.
История создания основ нанотехнологий
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"История создания основ нанотехнологий
9
1987–1988 гг. – В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича запущена первая
российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц
с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. – Дональд Эйглер, сотрудник IBM выкладывает логотип атомами ксенона.
1990 г. – В США Эли Яблоновичем создан первый фотонный кристалл.
1991 г. – японский профессор Сумио Лиджима (компания NEC), использует фуллерены для
создания углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время
выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.
1991 г. – В США заработана первая нанотехнологическая программа Национального
научного фонда. В Японии – реализация государственной программы по развитию техники
манипулирования атомами и молекулами (проект "Атомная Технология").
1998 г. – голландский профессор Сиз Деккер (Дельфтский технологический университет)
создает транзистор на основе нанотрубок. Технологии создания нанотруб длиной 300 нм.
1999 г. – американские ученые –профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и
профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) –разрабатывают единые принципы
манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой. 2002 г. Сиз Деккер соединил
углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2000 г. – принятие в США Национальной Нанотехнологической Инициативы
2000 г. – Япония – создание Комитета по нанотехнологиям
2003 г. – профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла,
с помощью АСМ строит образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
2004 г. – Андрей Гейм (1958) и Константин Новосёлов (1974) (Нобелевские лауреаты
2010г.) работы по графену. Двумерные кристаллы BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox
10. Отступление…
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Отступление…
Нобелевский лауреат Р. Хоффман в ответе на вопрос, что такое нанотехнология,
остроумно заметил, что рад тому, что для химии люди нашли новое название
10
11. Тенденции
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Тенденции
Средства, потраченные из бюджета различных стран на
нанотехнологии в 1997-2005 г.
11
12. Тенденции
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Тенденции
Публикации по тематике нанотехнологий и наноматериалов и по
высокотемпературной проводимости
12
13. Секторы рынка
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Секторы рынка
13
14. Размерный фактор
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Размерный фактор
14
15. Эффекты наноструктур
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Эффекты наноструктур
15
1. ФАКТОР РАЗМЕРА.
Наноматериалы и наноустройства состоящие из наноразмерных частей
обеспечивают суперминиатюризацию – расширение функциональных
возможностей электронных систем при уменьшении их размера, существенное
повышение
плотности
магнитной
записи
информации.
Снижение
энергопотребления. Возможность проникать внутрь биологических систем
человеческого тела.
2. ПЛОЩАДЬ/ОБЪЕМ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
Наноматериалы обладают большой удельной площадью поверхности.
Использование в катализе обеспечивает ускорение реакций в тысячи и
миллионы раз. Нанофильтры отделяют бактерии, эффективно поглощают
примеси или токсины. Перенос наночастицами лекарств их активное усвоение.
Эффективные сорбенты. Наноструктурные эффекты в материалах –
качественное повышение характеристик.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ.
Наноразмерные эффекты – качественные изменения характеристик материалов в
связи с проявлением квантовомеханических эффектов за счет вклада
поверхности раздела. Критический размер элемента – соизмерим с так
называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления
(длина свободного пробега электронов, фононов, длина когерентности в
сверхпроводнике, размеры магнитного домена и т.д.).
16. Факторы, определяющие свойства
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Факторы, определяющие свойства
16
17. Междисциплинарность
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"Междисциплинарность
ИСТОКИ И БАЗИС НАНО-:
1. ФИЗИКА
2. ХИМИЯ
3. МАТЕМАТИКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ.
4.ТЕХНОЛОГИЯ
5. ОБОРУДОВАНИЕ
17
18. НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
XII International Conference
of Nanostructured Materials
Lomonosov Moscow State University
13-18 July, 2014
11 секций,
975 докладов и презентаций!
18
19. НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"НАНО-2014, МОСКВА, МГУ
19
РАЗДЕЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ:
Section 01. Formation, Shaping and Self-assembly of Inorganic Nanoparticles; Carbon Nanomaterials.
Формирование, структурирование и самоорганизация неорганических
наночастиц; углеродные наноматериалы.
Section 02. Thin Films and Heterostructures, 2D and 3D Nanofabrication. Тонкие пленки и
гетероструктуры, 2D и 3D нанотехнология.
Section 03. Nanoceramics. Нанокерамики.
Section 04. Bulk Metallic Nanomaterials. Объемные металлические наноматериалы.
Section 05. Nanocomposites and Hybrid Nanomaterials. Нанокомпозиты и гибридные
наноматериалы.
Section 06. Polymer, Organic and Other Soft Matter Materials. Полимерные, органические и
другие мягкие материалы.
Section 07. Nanomaterials for Energy. Наноматериалы для энергетики.
Section 08. Biological and Biomedical Nanomaterials. Биологические и биомедицинские
наноматериалы.
Section 09. Nanomaterials: Mechanics and Applications in Mechanical Engineering. Наноматериалы
для машиностроения.
Section 10. Nanomaterials for Information Technologies, Nanoelectronics and Nanophotonics.
Наноматериалы для информационных технологий, наноэлектроники и
нанофотоники.
Section 11. Nanomaterials and Catalysis. Наноматериалы для катализа.
С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана “Там внизу много места”, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предложил, 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.
Впервые термин “нанотехнология” употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах “Машины создания: грядет эра нанотехнологии” и “Nanosystems: Molekular Machinery, Manufacturing, and Computation”. Центральное место в его исследованиях играли математические расчеты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.
Фактически американцы ввели в обиход термин - нанотехнологии, обобщивший уже ведущиеся в то время широким фронтом научные исследования, вызванные появлением соответствующего инструментария, в частности, сканирующих зондовых микроскопов.
Невольно новый термин оказался и удачным пиаровским ходом, ибо он не формулирует конкретной задачи, а предлагает с применением единого инструментария решения широкого спектра задач в самых разных областях человеческой деятельности.
Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология - новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идет по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких производств.
Как показывает обзор литературы, нанотехнологии рассматриваются сегодня и как область исследований, и как направление технологического развития. С одной стороны, это отражает современные тенденции взаимосвязи науки и технологии, а с другой - порождает серьезную терминологическую путаницу. Противоречия начинаются уже в попытках обозначить область исследований в целом и дать определение понятия «нанотехнологии». Так, некоторые авторы выделяют «нанонауку» (nanoscience), занимающуюся познанием свойств наноразмерных объектов и анализом их влияния на свойства материалов, и «нанотехнологию» (nanotechnology), имеющую своей целью развитие этих свойств для производства структур, устройств и систем с характеристиками, заданными на молекулярном уровне. Иногда такое разделение имеет под собой сугубо методическую основу, когда речь идет об анализе научных публикаций (и тогда говорится о «нанонауке») либо патентов (в этом случае используется понятие «нанотехнологии»). На практике же провести различие между нанонаукой и нанотехнологией оказывается практически невозможным, поэтому во избежание путаницы отдельные исследователи предлагают ограничиться только одним термином - «нанотехнологии», объединив в нем обе составляющие. Принимая такой подход, важно предложить согласованное определение нанотехнологий, которое, в частности, призвано обозначить общие границы рассматриваемой области, исключив из нее лишнее.
Заметим, что, несмотря на наличие различных определений нанотехнологий, единого согласованного варианта, причем такого, который образовывал бы основания для построения соответствующих классификаций, пока не существует.
На международном уровне из всего многообразия подходов, встречающихся в научных публикациях, аналитических обзорах и политических документах разных стран, выделяются пять определений, пользующихся наибольшим влиянием (табл. 1).
Таблица 1 - Общие определения нанотехнологий
|
Определение |
|
|
VII Рамочная программа ЕС (2007-2013) |
Получение новых знаний о феноменах, свойства которых зависят от интерфейса и размера; управление свойствами материалов на наноуровне для получения новых возможностей их практического применения; интеграция технологий на наноуровне; способность к самосборке; наномоторы; машины и системы; методы и инструменты для описания и манипулирования на наноуровне; химические технологии нанометровой точности для производства базовых материалов и компонентов; эффект в отношении безопасности человека, здравоохранения и охраны окружающей среды; метрология, мониторинг и считывание, номенклатура и стандарты; исследование новых концепций и подходов для практического применения в различных отраслях, включая интеграцию и конвергенцию с новыми технологиями. |
|
Рабочий план Международной организации по стандартизации (ISO) от 23/04/2007 |
1) Понимание механизмов управления материей и процессами на наношкале (как правило, но не исключительно, менее 100 нанометров по одному или нескольким измерениям), где феномены, связанные со столь малыми размерами, обычно открывают новые возможности практического применения. 2) Использование свойств материалов, проявляющихся на наношкале и отличных от свойств отдельных атомов, молекул и объемных веществ, для создания улучшенных материалов, устройств и систем, основанных на этих новых свойствах. |
|
Европейское патентное ведомство (EPO) |
Термин «нанотехнология» покрывает объекты, контролируемый геометрический размер хотя бы одного из функциональных компонентов которых в одном или нескольких измерениях не превышает 100 нанометров, сохраняя присущие им на этом уровне физические, химические, биологические эффекты. Он покрывает также оборудование и методы контролируемого анализа, манипуляции, обработки, производства или измерения с точностью менее 100 нанометров. |
|
США: Национальная нанотехнологическая инициатива (2001- н.в.) |
Нанотехнология - это понимание и управление материей на уровне примерно от 1 до 100 нанометров, когда уникальные явления создают возможности для необычного применения. Нанотехнология охватывает естественные, технические науки и технологию нанометровой шкалы, включая получение изображений, измерение, моделирование и манипулирование материей на этом уровне. |
|
Япония: Второй общий план по науке и технологиям (2001-2005) |
Нанотехнология - междисциплинарная область науки и техники, включающая информационные технологии, науки об окружающей среде, о жизни, материалах и др. Она служит для управления и использования атомов и молекул размером порядка нанометра (1/1.000.000.000), что дает возможность обнаруживать новые функции благодаря уникальным свойствам материалов, проявляющимся на наноуровне. В результате появляется возможность создания технологических инноваций в различных областях. |
Все эти определения были идентифицированы Рабочей группой по нанотехнологиям (РГН) Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в качестве базы для создания унифицированной методологической рамки, необходимой для организации гармонизированной в международном масштабе системы сбора и анализа статистической информации о сфере нанотехнологий. Отметим, что предлагаемые теми или иными международными либо национальными организациями определения носят характер рабочих, отражая специфику тех конкретных программ и проектов, применительно к которым они и сформулированы, и различаются в зависимости от сферы их применения, решаемых задач и уровня полномочий этих организаций. К примеру, в определении нанотехнологий в VII Рамочной программе ЕС подчеркивается их научно-технологическая составляющая; подходы, принятые Европейским и Японским патентными ведомствами, нацелены на работу в сфере охраны интеллектуальной собственности, а формулировка из Национальной нанотехнологической инициативы США охватывает естественные, технические науки и технологии. Тем не менее не следует забывать, что состав приведенного набора определений продиктован, прежде всего, их политической операциональностью (ориентацией на принятие политических решений) и принадлежностью к странам (регионам) с максимальными объемами государственного финансирования научно-технологической сферы (ЕС, США, Япония). Список дополняют так называемое «рамочное» определение ISO, составляющее основу документов РГН, и определение Европейского патентного ведомства (EPO) - пока еще единственного источника международно-сопоставимой информации о нанотехнологиях. Указанные определения объединяет ряд общих черт, относительно которых следует сделать несколько дополнительных замечаний.
Во-первых, каждое из приведенных определений обращает внимание на масштаб рассматриваемого явления. Как правило, указывается диапазон от 1 до 100 нм, внутри которого могут быть зафиксированы уникальные молекулярные процессы.
Во-вторых, подчеркивается принципиальная возможность управления процессами, происходящими, как правило, в границах обозначенного диапазона. Это позволяет отличить нанотехнологии от природных явлений подобного рода («случайных» нанотехнологий), а также обеспечить возможность придания создаваемым материалам и устройствам уникальных характеристик и функциональных возможностей, достижение которых в рамках предшествующей технологической волны было невозможно. В свою очередь это означает, что в средне- и долгосрочной перспективе нанотехнологии могут не только содействовать развитию существующих рынков, но и способствовать возникновению новых рынков (продуктов или услуг), способов организации производства, видов экономических и социальных отношений.
В-третьих, характерной особенностью определений является их экономико-статистическая операциональность. Нанотехнологии представлены как явление, поддающееся количественной оценке, - это техники, инструменты, материалы, устройства, системы. Это делает их важным элементом цепочек создания стоимости, однако вопросы оценки вклада нанотехнологий в стоимость конечного продукта и пределов диверсификации существующих секторов производства при их применении требуют дополнительного рассмотрения.
В то же время обращают на себя внимание некоторые различия в указанных определениях. Прежде всего они касаются степени конвергентности и целевого назначения нанотехнологий. Так, в европейском варианте отмечается как интеграция различных технологий в границах наношкалы, так и их конвергенция с другими технологиями; выделяются отдельные сферы их применения. Японская версия подчеркивает инновационную природу нанотехнологии. К тому же европейское и японское определения со всей очевидностью отражают распространенное убеждение, что использование схожих «строительных элементов» (например, атомов и молекул) и инструментов анализа (микроскопы, компьютеры высокой мощности и др.) в различных научных дисциплинах может привести в будущем к синтезу информационных, био- и нанотехнологий.
Интересно также, что среди приведенных определений встречаются не только общие (базовые), но и так называемые «списочные», в том числе принятое в VII Рамочной программе ЕС. Обычно они формируются путем перечисления научно-технологических областей (направлений), которые относятся к соответствующей сфере. Как показывает случай с биотехнологиями, использование общего и списочного определений способствует эффективному решению различных задач в области статистики, анализа, научно-технической и инновационной политики. Так, базовые определения хорошо подходят для научных дискуссий, достижения консенсуса по общим вопросам, принятия рамочных политических решений. Списочные определения позволяют наладить коммуникацию с технологическими и производственными областями, где новые технологии могут иметь прикладное значение (например, для исследования рынков и компаний), а также обеспечить создание более строгой системы отбора и экспертизы проектов. В конечном итоге это позволяет повысить точность и достоверность получаемой информации.
В официальной российской практике вплоть до последнего времени действовали два различных базовых определения нанотехнологий, которые представлены, соответственно, в «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» и «Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года» (табл. 2).
Таблица 2 - Российские определения нанотехнологий
|
Документ |
Определение |
|
Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года |
Нанотехнологии - это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов. |
|
Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года |
Нанотехнологии - технологии, направленные на создание и эффективное практическое использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками. |
Первая из этих двух версий фокусируется на изучении и создании объектов определенного (наноразмерного) масштаба, вторая - предлагает рассматривать процессы создания и использования нанотехнологий. В обоих случаях отсутствуют указания на особенности, связанные с уникальностью явлений и происходящие в пределах наношкалы. Кроме того, определение, представленное в Программе развития наноиндустрии, не несет новой информации о характеризуемом явлении и формулируется исходя из свойств и признаков одного порядка. Это делает его максимально абстрактным и лишает какого бы то ни было уровня операциональности.
С целью преодоления отмеченных выше проблем и выработки такого определения нанотехнологий, которое позволило бы отразить их специфический характер и могло бы быть использовано в сфере статистического наблюдения, а также научно-технологической и инновационной политики, нами была предпринята попытка синтеза эффективных элементов различных существующих подходов. Результатом соответствующих методических усилий стала новая версия базового определения нанотехнологий, которая прошла обсуждение в целом ряде представительных аудиторий, включая специализированные экспертные совещания и фокус-группы, рабочую группу Научно-координационного совета ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по направлению «Индустрия наносистем и материалов», редколлегию журнала «Российские нанотехнологии», первый и второй Международные форумы по нанотехнологиям и т.п. Финальный вариант предлагаемого определения выглядит следующим образом…
Под нанотехнологиями предлагается понимать совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1-100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.
Данное определение учитывает комплексный научно-технологический характер рассматриваемого явления, указывает на специфическую размерность и управляемость основных процессов, подчеркивает их определяющее влияние на свойства создаваемых продуктов и отношение к рыночной новизне. Оно может быть использовано для целей проведения научно-технической экспертизы, формулирования критериев отбора и оценки отдельных проектов, связанных с нанотехнологиями, организации статистического наблюдения в этой сфере.
Предложенное определение было рассмотрено правлением Государственной корпорации «Роснанотех» в сентябре 2009 г. и принято в качестве рабочего.
Как уже было отмечено выше, междисциплинарный характер нанотехнологий обусловливает целесообразность дополнения базового их определения списочным, которое охватывало бы научно-технологические направления, объединенные общим понятием «нанотехнологии». В ходе работы были выделены семь таких крупных направлений, которые составляют списочное определение и образуют основу проекта классификации направлений нанотехнологий.
Курс «Фундаментальные основы нанотехнологий» / 26.02.2009
Источник: НОЦ по нанотехнологиям МГУ
Лекции по курсу «Фундаментальные основы нанотехнологий» будут проходить в весеннем семестре 2009 года по вторникам и пятницам с 17-00 в аудитории 02 Главного Здания МГУ.
Курс лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» открыт для посещения всеми желающими. Если Вы не являетесь студентом, аспирантом или сотрудником МГУ, то попасть на лекцию Вы сможете, только предварительно записавшись на нее.
Материалы лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» выкладываются по мере чтения лекций.
Подбор и компоновка материалов являются предметом авторского права лекторов, однако часть иллюстративного материала может иметь отношение к другим субъектам авторского права.
Лекция 1 (PDF, 3.2Мб), академик РАН, профессор Ю.Д. Третьяков.
Тематика лекции: основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность.
Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.
Лекция 2 (PDF, 3.8Мб), профессор А.Н. Образцов.
Тематика лекции: особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов. Механика нанообъектов.Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения. Кулоновское взаимодействие. Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различия в распространение света в однородных и наноструктурированных средах. Магнетизм нанообъектов.
Лекция 3 (PDF, 1.7Мб), профессор В.Ю. Тимошенко.
Тематика лекции: квантовая механика наносистем. Квантоворазмерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле и в наноструктурированных материалах. Квантовые точки. Нитевидный кристаллы, волокна, нанотрубки, тонкие пленки и гетероструктуры. Квантовые эффекты в наноструктурах в магнитном поле. Электропроводимость нанообъектов. Понятие баллистической проводимости. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Оптические свойства квантовых точек. Спинтроника нанообъектов.
Лекция 4 (PDF, 4.7Мб), член-корреспондент РАН, профессор Е.А. Гудилин.
Тематика лекции: методы получения наночастиц
Лекция 5 (PDF, 2.5Мб), академик РАН, профессор А.Р. Хохлов.
Тематика лекции: нанотехнологии и "мягкая" материя.
Программа курса
Основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.
(Академик РАН, профессор Ю.Д. Третьяков)
Особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов. Механика нанообъектов. Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения. Кулоновское взаимодействие. Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различия в распространении света в однородных и наноструктурированных средах. Магнетизм нанообъектов.
(Профессор А.Н. Образцов)
Квантовая механика наносистем. Квантоворазмерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле и в наноструктурированных материалах. Квантовые точки. Нитевидные кристаллы, волокна, нанотрубки, тонкие пленки и гетероструктуры. Квантовые эффекты в наноструктурах в магнитном поле. Электропроводимость нанообъектов. Понятие баллистической проводимости. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Оптические свойства квантовых точек. Спинтроника нанообъектов.
(Профессор В.Ю. Тимошенко)
Основные принципы формирования наносистем. Физические и химические методы. Процессы получения нанообъектов «сверху — вниз». Классическая, «мягкая», микросферная, ионно-пучковая (FIB), АСМ — литография и наноиндентирование. Механоактивация и механосинтез нанообъектов. Процессы получения нанообъектов «снизу — вверх». Процессы зародышеобразования в газовых и конденсированных средах. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверкритическая сушка). Классификация наночастиц и нанообъектов. Приемы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах.
Статистическая физика наносистем. Особенности фазовых переходов в малых системах. Типы внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Гидрофобность и гидрофильность. Самосборка и самоорганизация. Мицеллообразование. Самособирающиеся монослои. Пленки Лэнгмюра — Блоджетт. Супрамолеклярная организация молекул. Молекулярное распознавание. Полимерные макромолекулы, методы их получения. Самоорганизация в полимерных системах. Микрофазное расслоение блок-сополимеров. Дендримеры, полимерные щетки. Послойная самосборка полиэлектролитов. Супрамолекулярные полимеры.
(Академик РАН, профессор А.Р. Хохлов)
Компьютерное моделирование наноструктур и наносистем. Микроскопические и мезоскопические методы моделирования (Монте-Карло и молекулярная динамика, диссипативная динамика частиц, теоретико-полевые методы, методы конечных элементов и перидинамика). Сопряжение различных пространственных и временных масштабов. Молекулярное конструирование. Компьютерная визуализация нанообъектов. Возможности численного эксперимента. Примеры молекулярного моделирования наноструктур, молекулярных переключателей, белков, биомембран, ионных каналов, молекулярных машин.
(Профессор П.Г. Халатур)
Методы исследования и диагностика нанообъектов и наносистем. Электронная растровая и просвечивающая микроскопия. Электронная томография. Электронная спектроскопия. Дифракционные методы исследования. Оптические и нелинейно-оптические методы диагностики. Особенности конфокальной микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия: Силовая микроскопия. Спектроскопия атомных силовых взаимодействий. Туннельная микроскопия и спектроскопия. Оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля. Применение сканирующей зондовой микроскопии в нанотехнологиях.
(Профессор В.И. Панов)
Вещество, фаза, материал. Иерархическое строение материалов. Наноматериалы и их классификация. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо- неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и их синергетические свойства. Конструкционные наноматериалы.
(Член-корреспондент РАН, профессор Е.А. Гудилин)
Капиллярность и смачивание в наносистемах. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Капли на твёрдой и жидкой поверхности. Полное и неполное смачивание. Поверхностные (электростатические и молекулярные) и капиллярные силы. Гистерезис угла смачивания: роль химической неоднородности и шероховатости. Супергидрофобные поверхности. Фрактальные и упорядоченные текстуры. Эластокапиллярность. Динамика смачивания и растекания. Проблемы течения, перемешивания и сепарации в малых каналах и устройствах для микро- и нанофлюидики. Цифровая микрофлюидика, электрокинетика, анизотропные и супергидрофобные текстуры, как примеры решения проблем микро- и нанофлюидики. Приложения: самоочистка и водозащита, струйная печать, «lab-on-a-chip», ДНК-чипы, биомедицина, топливные элементы.
(Профессор О.И. Виноградова)
Лекция 10.
Катализ и нанотехнологии. Основные принципы и представления в гетерогенном катализе. Влияние условий приготовления и активации на формирование активной поверхности гетерогенных катализаторов. Структурно-чувствительные и структурно-нечувствительные реакции. Специфика термодинамических и кинетических свойств наночастиц. Электрокатализ. Катализ на цеолитах и молекулярных ситах.Мембранный катализ.
(Академик РАН, профессор В.В. Лунин)
Лекция 11.
Физика наноустройств. Методы создания наноустройств. Механические и электромеханические микро и наноустройства. Сенсорные элементы микро- и нано-системной техники. Сенсоры температуры на основе термопар. Сенсоры угловых скоростей. Сенсоры магнитного поля. Микро- и нано-насосы. Интегральные микрозеркала. Интегральные микромеханические ключи. Интегральные микро- и нано-двигатели. Физические принципы работы основных элементов микро- и наноэлектроники. Закон Мура. Одноэлектронные приборы. Одноэлектронный транзистор. Одноэлектронные элементы цифровых схем.
(Профессор А.Н. Образцов)
Лекция 12.
Физика наноустройств. Устройства оптоэлектроники и наноэлектроники. Светодиоды и лазеры на двойных гетероструктурах. Фотоприемники на квантовых ямах. Лавинные фотодиоды на системе квантовых ям. Устройства и приборы нанофотоники. Фотонные кристаллы. Искусственные опалы. Волоконная оптика. Оптические переключатели и фильтры. Перспективы создания фотонных интегральных схем, устройств хранения и обработки информации. Магнитные наноустройства для записи и хранения информации. Наносенсоры: полупроводниковые, пьезоэлектрические, пироэлектрические, на поверхностных акустических волнах, фотоакустические.
(Профессор В.Ю. Тимошенко)
Лекция 13.
Молекулярные основы живых систем. Представление о живой клетке; строение и функции органелл, принцип самоорганизации живого. Применимость термодинамических и кинетических подходов к процессам, протекающим в живой материи. Бактерии, эукариоты, многоклеточные организмы. Нуклеиновые кислоты: классификация, строение, свойства. Природные наносистемы в хранении, воспроизведении и реализации генетической информации клетки. Системы контроля клеточного деления на уровне организма. Рак как сбой генетической программы клетки.
(Член-корреспондент РАН, профессор О.А. Донцова)
Лекция 14.
Структура и функции белков. Функции, выполняемые белками, разнообразие аминокислот, входящих в состав белка. Уровни белковой организации, методы исследования различных уровней организации белковой молекулы. Первичная структура белка, посттрансляционные модификации. Вторичная и третичная структуры белка, проблемы правильного сворачивания белков, болезни, обусловленные неправильной упаковкой белка. Создание искусственных белков с «улучшенной» структурой — важная нанотехнологическая задача. Представление о четвертичной структуре и использование четвертичной структуры для расширения возможностей регуляции и для выполнения механических функций. Белки соединительных тканей (коллаген), механизмы регуляции механической прочности. Белки, формирующие цитоскелет (актин, тубулин, белки промужеточных филаментов), регуляция сборки и разборки элементов цитосклета. Использование белков цитоскелета в качестве «рельсов» для белков-моторов. Миозины, кинезины и динеины как примеры высоко специализированных белков-наномоторов, обеспечивающих внутриклеточный транспорт и биологическую подвижность. Возможности использования белков-моторов для решения некоторых задач нанотехнологии.
(Профессор Н.Б. Гусев)
Лекция 15.
Углеводы. Моно-, олиго- и полисахариды. Особенности структуры, способы представления. Возможность использования полисахаридов в качестве нанобиоматериалов. Липиды. Классификация и особенности структуры. Наноструктуры, образуемые липидами. Монослои, мицеллы, липосомы. Перспективность для целей нанотехнологии. Биомембраны. Особенности строения и основные функции.
(Профессор А.К. Гладилин)
Лекция 16.
Ферменты — белки с особой функцией катализа. Основные принципы структуры ферментов и особенности ферментативного катализа. Активный центр фермента — самоорганизующаяся и высокоорганизованная функционализированная наночастица и наномашина. Витамины и коферменты, их участие в катализе. Молекулярный дизайн и изменение специфичности ферментов — нанотехнологические задачи и перспективы. Размерные эффекты в нанодиапазоне в белковом катализе. Ферменты в мембранах и мембрано-подобных наноструктурах: регуляция каталитических свойств и олигомерного состава размером матрицы. Биомолекулярные наночастицы; фермент в «рубашке» (оболочка из неорганических и органических молекул) — новый стабильный катализатор. Полиферментные комплексы: реализация принципа «узнавания» в природе и матрицах наноразмеров.
(Профессор Н.Л. Клячко)
Лекция 17.
Структурный и функциональный аспекты бионанотехнологии. Разнообразие надмолекулярных структур, образуемых биомолекулами. Принцип самосборки. Использование биоструктур с уникальной геометрией в качестве темплатов для получения наноматериалов и наноструктур (получение нанопроводов, нанотрубок и наностержней из металлов, проводящих полимеров, полупроводников, оксидов и магнитных материалов с использованием ДНК, вирусных частиц и белковых филаментов). Создание двумерных нанопаттернов и трехмерных сверхструктур с использованием ДНК, S-слоев, вирусных частиц и липосом. Искусственные методы самоорганизации в нанодиапазоне. Биофункционализация наноматериалов. Общие методы конъюгации нанообъектов с биомолекулами. Специфическое сродство некоторых биомолекул к нанообъектам.
(Профессор И.Н. Курочкин)
Лекция 18.
Нанобиоаналитические системы. История развития современных биоаналитических систем. Биосенсоры. Основные понятия, области применения. «Узнающие» элементы биосенсоров: ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела и рецепторы, клеточные органеллы, клетки, органы и ткани. «Детектирующие элементы» биосенсоров. Физические основы регистрации сигнала. Типы биосенсоров: электрохимические, полупроводниковые, микрогравиметрические, оптоволоконные, поверхностные плазмоны, дифракционные решетки, интерферометрические, микро- и наномеханические. Нанобиоаналитические системы на основе наноразмерных полупроводниковых и металлических структур (квантовые точки, молекулярные «пружины», гигантские нелинейные оптические эффекты на поверхности наночастиц металлов — SERS, методы ферментативной и автометаллографии и др.). Применение для целей экологического мониторинга и медико-биологических исследований. Нанобиоаналитические системы на основе сканирующей зондовой микроскопии.
(Профессор И.Н. Курочкин)
Нанотехнология по своей специфике является междисциплинарной научной областью прикладной техники, занимающейся изучением и созданием новаторских и инновационных методов получения новейших материалов с определенными свойствами, которые в дальнейшем применяются в самых разнообразных отраслях жизнедеятельности современного человека.
Вообще нанотехнология работает со структурами, которые обладают значениями 100 нм и даже меньше, и при этом использует устройства, а также материалы, имеющие вышеуказанные размеры. На сегодняшний день нанотехнология чрезвычайно разнообразна и используется в самых различных исследованиях, начиная от создания новых технических устройств до новейших исследований связанных с изучением молекулярно-атомного уровня.
Фундаментальные основы нанотехнологий.
Метод атомно-силовой микроскопии.
Следует сказать, что одним из основных инструментов, которые используются для работы с микрочастицами, являются микроскопы, ведь без данного прибора нет возможности не только работать с микрочастицами, но и изучать микромир. Увеличение разрешающих особенностей современных микроскопов и получение всё новых и новых знаний об элементарных частицах на сегодняшний день взаимосвязаны друг с другом. На данный момент при помощи такого оборудования как атомно-силовые микроскопы или АСМ и сканирующие электронные микроскопы современные учёные получают возможность не только наблюдать за отдельными атомами, но даже находить способы воздействия на них, например, переметывая атомы по поверхности. При этом современным учёным уже удалось создать так называемые двухмерные наноструктуры на поверхностях при помощи вышеприведённого метода воздействия. Так, например, в исследовательских центрах всем известной компании IBM учёные путём последовательного перемешивания атомов ксенона на поверхности нанокристалов никеля смогли создать логотип компании, состоящий из 35 атомов вещества.
Выполняя указанные действия, связанные со смешиванием веществ, а также по их разъединению и соединению, ученые столкнулись с некоторыми техническими трудностями. Для преодоления которых необходимо создавать условия сверхзвукового вакуума (10?11 тор), для этого необходимо охладить подножку и микроскоп до сверхнизкой температуры равной от 4 до 10 К, при этом поверхность данной подложки должна быть гладкой и чистой на уровне атомов. Для этого используются специализированные технологии по механико-химической обработке изделий, причём целью данной обработки является создание уменьшения поверхностных диффузий осаждаемых атомов, при помощи чего и производится охлаждение основания.
Наночастицы.
Главной отличительной особенностью новых материалов, которые получаются в процессе использования нанотехнологий , является непредсказуемое получение физикотехнических характеристик приобретаемых данными материалами. Благодаря этому современные учёные получают возможность получать новые квантовые физико-механические характеристики у веществ, в которых видоизменяются электронные структуры, что автоматически меняет и форму проявления данных соединений. Так, например, возможность уменьшить размер частиц далеко не во всех случаях поддаётся определению или проведению замеров с помощью макро или микро измерений. Однако проведение измерений может стать возможным в том случае, если размер частиц находится в диапазоне миллимикронов. Также следует отметить, что определённые физико-механические свойства изменяются в случае изменения размера элементов. На данный момент наличие у наноматериалов необычных механических свойств является предметом исследования у ученых, работающих в области наномеханники. При этом отдельное место в современных нанотехнологиях занимает получение новых веществ при помощи использования различных катализаторов, которые влияют на поведение наноматериалов при взаимодействии их с различными биоматериалами.
Как мы уже говорили ранее, частицы обладающие размерами от 1 до 100 нанометров называются наночастицами, при этом как показали исследования, наночастицы многих материалов обладают высокими абсорционными и каталическими свойствами. Другие материалы позволяют получить уникальные оптические свойства. Так, например, исследователям удалось получить керамические прозрачные материалы, основой для которых стали нанопорошки размером 2-28нм, обладающие более лучшими свойствами, чем, например, крон. Также учёные смогли получить взаимодействие искусственно полученных наночастиц с природными объектами обладающими наноразмером, например с белками, нуклеиновыми кислотами и др. Кроме того очищенные наночастицы благодаря своим уникальным свойствам имеют возможность встраиваться в различные структуры. Такие структуры, содержащие в себе наночастицы, получают ранее небывалые у них свойства и характеристики.
На сегодняшний день все нанообъекты делят на три класса:
К первому классу относятся трёхмерные частицы, которые получаются при взрыве проводников, путём плазменного синтеза или при помощи восстановления тонких плёнок.
Ко второму классу относятся так называемые двумерные объекты, являющиеся плёнками и получаемые при помощи методом молекулярного наслаивания, ALD, CVD и методами ионного наслаивания.
К третьему классу относятся вискеры или одномерные объекты, получаемые методами молекулярного наслаивания или введением различных веществ в цилиндрический микропорт.
Кроме того существуют ещё и нанокомпозиты, которые получаются путём введения наночастиц в специализированные матрицы. На сегодняшний день большое использование получил пока только метод микролитографии, который даёт возможность получать на поверхности матрицы островковые плоские объекты, имеющие размер от 50 нм, и используемые в современной электронике. Также необходимо отметить и методы молекулярного и ионного наслаивания, так как при помощи данных методов возможно получать реальные плёночные покрытия в виде монослоя.
Самоорганизация наночастиц.
Одной из важнейших задач, которая стоит перед нанотехнологией, является то, как заставить атомы и молекулы проводить группировку определённым образом, что позволило бы им саморемонтироваться и саморазвиваться, что в конечном итоге приводило бы к получению новых материалов или устройств. Решением данных задач занимаются учёные химики, работающие в области супрамолекулярной химии. При этом они проводят изучения не отдельных молекул, а взаимодействие между ними, а также то, как они организовываются при том или ином воздействии и имеют ли возможность образовывать новые вещества. Многие учёные считают, что природа по-настоящему обладает подобными системами и в ней протекают такие процессы. Так, например, уже известны биополимеры, которые могут организовываться в особые структуры. Также в качестве подобных примеров приводятся белки, которые благодаря своим свойствам не только могут сворачиваться и получать глобулярную форму, но и образовывать целые комплексы и структуры, которые содержат в себе сразу несколько молекул протеина. Уже сегодня учёные смогли создать метод синтеза, используемый специфические свойства, которыми обладают молекулы ДНК.
4 Нанообъектами принято называть объекты, состоящие из атомов, ионов или молекул и имеющие размер менее 100 нм хотя бы по одному из направлений. 1) объемные трехмерные (3D) структуры – наночастицы, нанокластеры; 2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки; 3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити, 4) нульмерные (0D) объекты – наноточки, квантовые точки. Наноматериалы – макроскопические материалы, построенные на основе нанообъектов
5
6 Характерные размеры в нанометрах Молекулы ДНК 10 нм Вирусы 100 нм Бактерии нм Амёбы нм Пыльца растений нм Нематоды нм Насекомые нм Мелкие млекопитающие нм Крупные млекопитающие нм Простые молекулы 1 нм НАНООБЪЕКТЫ
8
9 Нанотехнологии – совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов. Согласовано с ГК «Роснанотех» г. Определение нанотехнологий (современная Российская версия) Журнал Российские Нанотехнологии, 2010 г., т.5, 7-8, с.8-16.
10
12 Еще в 500 г. художники делали стеклянные витражи очень ярких цветов, которые невозможно получить с помощь красок. Яркость и долговечность обеспечивали, добавляя в стекло наночастицы благородных металлов. Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
Из письма Бенжамина Франклина (7 ноября 1773 г.)...being at Clapham, where there is…a large Pond... I fetched out a Cruet of Oil, and dropt a little of it on the Water. I saw it spread itself with surprising Swiftness upon the Surface... the Oil tho" not more than a Tea Spoonful... which spread amazingly, and extended itself gradually … making all that Quarter of the Pond, perhaps half an Acre, as smooth as a Looking Glass.... Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий 31
The Oil tho" not more than a Tea Spoonful perhaps half an Acre Какова была толщина пленки масла? Объем = (Площадь)х(Толщина) Численная оценка показывает, что толщина 1 нм – одиночный слой молекул Такие пленки называют монослойными (лэнгмюровскими) ~1 нм 32 ….не более чайной ложки масла…. ….примерно, половину акра (0,2 гектара)…
18 Наночастицы не оседают из жидкой среды. Все цвета радуги можно получить при рассеянии света нанколлоидами с различными размерами частиц. Эти эффекты обнаружил Майкл Фарадей (Michael Faraday) в 1857 году. Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий НАНОКОЛЛОИДЫ
© H. Schroeder Loughborough University 1998Lecture 1.21 «Типичный гений» Эксцентричный Ричард Фейнман (Richard Feynman)
22 Детство / Обучение В 15 лет освоил дифференциальное и интегральное исчисления –В средней школе имел индекс IQ равный 123 В выпускном классе стал победителем «Чемпионата по математике» Университета Нью Йорка Поступил в Массачусетский Институт Технологий (MIT), прослушал все курсы по физике При поступлении в Принстонский Университет впервые в истории получил на экзаменах высшие оценки и по физике, и по математике –Защитил диссертацию (PhD) в 1942 году
23 Проект «Манхэттен» После атомной бомбардировки, надолго впал в депрессию –Считал, что бессмысленно работать на будущее, так как мир в конце концов будет разрушен Работал в Лос Аламосе Руководил группой «людей- компьютеров» В свободное время занимался взламыванием замков, играл на барабанах
24 Преподавание Несмотря на иные многочисленные предложения. Фейнман выбрал должность профессора в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) –Получил прозвище The Great Explainer (Великий Объяснитель) –Старался сделать изложение любой научной темы доступным для первокурсников Награжден медалью Эрстеда за выдающиеся успехи в преподавании
25 Лекции Фейнмана, записанные вначале на магнитофон, а затем «переведенные» на «письменный английский» профессорами М.Сэндсом и Р.Лейтоном, не похожи ни на один известный курс. Они отличаются оригинальным методом изложения, в котором отразилась яркая научная индивидуальность автора, его точка зрения на пути обучения студентов физике, его умение заразить читателей интересом к науке.
26 Создание квантовой электродинамики За разработку этой теории в 1965 году награжден Нобелевской премией по физике (совместно с двумя другими учеными) «Диаграммы Фейнмана» используют для расчета взаимодействий элементарных частиц Имеют большое значение для современной теории «струн»
27 «Дедушка нанотехнологий» Лекция Theres Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics (Там, внизу еще много места: приглашение в новый мир физики) Прочитана перед Американским Физическим Обществом в 1959 году Опубликована в журнале Engineering and Science, в 1960 году
28 … Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений. Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу (т. е. «внизу или внутри пространства», если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира … Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.
29 «Дедушка нанотехнологий» В декабре 1959 г. Р. Фейнман из своих личных средств учредил две премии по $1000 за практическое осуществление двух задач «управления строением вещества в интервале очень малых размеров», которые казались ему осуществимыми только в отдаленном будущем: 1) Сделать работающий электромотор, размещающийся в кубе со стороной 1/64 дюйма (0.4 mm) 2) «Разместить Британскую Энциклопедию на булавочной головке», то есть, записать текст шрифтом, уменьшенным в раз.
30 «Дедушка нанотехнологий» Уже менее чем через год, первую премию Фейнмана получил физик МакЛеллан (McLellan) из Университета Калифорнии. Работая во время обеденных перерывов, и используя обычный микроскоп, инструменты часовщика и зубочистки, за 2,5 месяца он собрал электромотор из 13 частей, массой 250 микрограмм и со скоростью вращения 2000 об/мин. Крыло комара
31 «Дедушка нанотехнологий» Я немного огорчен, что для создания мотора не потребовалось никаких новых технологий. Я был уверен, что придумал его достаточно малым, чтобы просто собрать его, однако Вам это удалось. Поздравляю! Не начинайте работать над мелким шрифтом. Мне не хотелось бы расстаться со второй премией. Со времени написания моей статьи, я успел жениться и купил дом! Искренне Ваш Ричард Фейнман
32 «Дедушка нанотехнологий» В 1985 году вторую премию получил Томас Ньюман (Thomas Newman) из Университета Стэнфорда за требовавшееся уменьшение размеров печатного шрифта. Первая страница романа Ч. Диккенса «Повесть о двух городах» (A Tale of Two Cities) (запись электронным пучком)
33 «И наконец, рискну предложить еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира!» – Фейнман, 1959 D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, (1990). «Дедушка нанотехнологий» 5 нм Атомы Xe
35 Норио Танигучи (Norio Taniguchi) Ввел термин в статье 1974 года: "On the Basic Concept of Nanotechnology" («Об основных принципах нанотехнологий») Свой термин Танигучи относил прежде всего к допускам обработки макроскопических объектов и материалов. По сути, в его трактовке нанотехнологии сводились к доведению до молекулярного совершенства существующих принципов механической обработки материалов.
Год - Эрик Дрекслер – основатель и председатель американского Института Предвидения и Формирования Будущего (Foresight Institute) «Отец нанотехнологий»
46 National Science and Technology Council (NSTC) Committee on Technology The Interagency Working Group on NanoScience, Engineering and Technology (IWGN) Администрация Президента США Государственный Совет по Науке и Технологиям Комитет по Нанонауке, Нанотехнике и Нанотехнологии
49 «Надо, чтобы бизнес понял, что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии, то пропустит все на свете и будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине, которой будут управлять наши друзья и партнеры». России нужна долгосрочная стратегия развития инноваций, иначе «когда завершится раздел энергетического рынка в мире, можно остаться ни с чем». 15 декабря.2005 г. На заседании правительства РФ премьер Михаил Фрадков предпочел нанотехнологии телогрейкам
© H. Schroeder Loughborough University 1998Lecture 1.54 Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше… Профессор Малинецкий Г.Г. Институт прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН Тел: Совещание по вопросам развития и применения отечественных достижений в области нанотехнологий НАЧАЛО ПРЕЗЕНТАЦИИ «НАНОПАРТИЙНОСТЬ»
55 Общий вывод Руководство партии «Единая Россия» приняло правильное и смелое решение о форсированном развитии сферы нанотехнологий. Успешная реализация этого решения позволит ответить на вызовы в сфере национальной безопасности и поднимет науку России на качественно новый уровень.
56 Опасности проекта нанотехнологий для «Единой России» Нанотехнологии – не нефть. Чтобы использовать достижения, их нужно иметь. Не очерчена область и не выделены приоритеты. Опасность распыления средств и утраты цели. Отсутствие комплексной координации работ по проекту. Проблемы с экспертизой. Отсутствие междисциплинарности и кооперации со специалистами - опасность изобретения велосипеда. Острый кадровый голод. Специалистов пока единицы. КОНЕЦ ПРЕЗЕНТАЦИИ
