За нанотехнологиями будущее
Команда Нано-детки
Перспективы нанотехнологий
Президент России Владимир Владимирович Путин уверен, что в стране есть все условия для успешного развития нанотехнологий.
Нанотехнологии -. это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров. Упорядочение наноэлементов позволяет создаются необычные функциональные свойства материалов. На сегодня выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки и нановолокна, нанодисперсии (коллоиды), наноструктурированные поверхности и плёнки, нанокристаллы и нанокластеры. Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства , характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения , по созданных традиционным технологиям.
Области применения нанотехнологий
Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:
наноэлектроника
Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Возможность управлять отдельно взятыми электронами открывает новые возможности перед создателями электронных схем. В результате можно существенно понизить напряжение затвора. Устройства на базе одноэлектронных графеновых транзисторов будут отличаться высокой чувствительностью и отличными скоростными показателями. Конечно, на порядок уменьшатся и габариты. Так, дисплеи будут такими тонкими, что их можно будет скрутить в трубочку. А скорость считывания информации будет такой, что большой фильм можно будет скачать за секунды. Высокая скорость скольжения нанотрубок, вложенных в другие нанотрубки, обуславливает быстродействие нового типа памяти. И может применяться не только как флэш-память, а и в роли быстродействующего ОЗУ. В процессорах уже сегодня наблюдается постепенное замещение кремния и материалов на его основе более перспективными соединениями. В недалеком будущем, по прогнозам ученых, стремительное развитие наноэлектроники позволит создать даже электронный мозг, во много раз превосходящий возможности современных компьютеров. Также значительно вырастут и вычислительные возможности самих компьютеров.
нанофотоника
Нанофотоника - область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.
Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных направлений развития нанофотоники, представляющих большую практическую и научную ценность. Основная задача нанофотоники — выработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их базе фотонных функциональных устройств нового поколения.
О том, как в Intel используют фотонику в технологии высокоскоростного обмена данными Silicon Photonics Link, можно прочесть в статье "Скачать за секунду: достижения кремниевой фотоники".
Использование особенностей нанофотопроцессов при взаимодействии излучения с веществом распространяется,: от систем связи и преобразования информации до биосенсоров и биочипов.
нанолитография
Нанолитография - способ массового изготовления интегральных схем с использованием в литографическом оборудовании источника экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 13,5 нм и проекционной оптической системы на основе отражающих многослойных зеркал. Таким способом предполагается достижение размеров элементов интегральных схем 30 нанометров и меньше. Это одно из важнейших направлений в нанотехнологиях, один из основных технологических процессов в микроэлектронике. Речь идет о создании рисунка на поверхности полупроводниковой пластины, который воспроизводит конфигурацию интегральной схемы. Этот принцип был осуществлен при создании микросхем, потом БИС – больших интегральных схем, потом СБИС – сверхбольших интегральных схем. Посредством такой нанолитографии можно существенно уменьшить размеры тех элементарных «частиц», из которых создают СБИСы – прежде всего, это транзисторы. А уменьшение размеров автоматически влечет за собой не только компактность, но и надежность, быстродействие и производительность. Один из способов создания наноструктур на поверхности - это нанести их так же, как пишутся чернильные линии обычной авторучкой. Для того чтобы получить в наномасштабе такие линии, естественно, нужно иметь соответствующую наноручку. К счастью сканирующие зонды атомного микроскома являются идеальными наноручками.
Наномоторы
Наномотор — молекулярное устройство, способное преобразовывать энергию в движение. В типичном случае он может создавать силу порядка одного пиконьютона.
Предлагаемое направление исследований связано с интеграцией молекулярных моторов белков, обнаруженных в живых клетках, в молекулярные моторы, имплантированные в искусственные устройства. Такие двигательные белки способны перемещать «груз» в пределах этого устройства посредством белковой динамики, подобно тому, как кинезин передвигает различные молекулы по каналам микротрубочек внутри клеток.
Запуск и остановка таких моторов белков предполагает удержание АТФ в молекулярных структурах, чувствительных к ультрафиолетовому свету. Импульсы ультрафиолета тем самым обеспечивают импульсы движения. Наномоторы могут быть сделаны с использованием синтетических материалов и химических методов.
Наномотор состоит из трёх ключевых компонентов: нанопроволоки, наномагнита и микроскопических электродов. Размеры по всем трём осям не превышают одного микрометра. При этом изделие способно вращаться со скоростью до 18 000 оборотов в минуту, а время непрерывной работы достигает 15 часов. В перспективе подобные моторы могут использоваться в микроскопических роботах, предназначенных для доставки медикаментов к индивидуальным клеткам в организме человека.
Нанороботы
Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами[1][2]. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.
Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами. При должном исполнении нанороботы смогут лечить множество заболеваний и состояний человека. В то время как их размер означает, что они могут перенести лишь самую малую порцию медикаментов или оборудования, многие доктора и инженеры полагают, что точное применение этих инструментов будет более эффективным, нежели традиционных.
нанохимия
Зарождение наномедицины
Спустя время обнаружилась зависимость некоторых заболеваний со сбоем в функциях митохондрий и исследовательские колллективы медиков над темой целенаправленной доставки к ним лекарств, пользуясь открытием Вайссига. Исследуя квантовые точки из кадмия, профессор Чан из канадской столицы, понял, что они светятся, причем разного размера - разными цветами. Заинтересовавшись больше, ученый пришел к выводу, что найдено отличное средство диагностики болезни. Механизм их действия следующий. Прикрепленные к молекулам белка, они сообщают на языке цвета. Нано -частицы кадмия испускают лучи десятикратно более интенсивной яркости, чем другие материалы, многократно медленнее теряют цветность, то есть используются большее время. Надо сказать, работа с квантовыми точками по изучению их поведения в натуральных живых средах имеет место во многих серьёзных вузах.
Наша страна также разрабатывает эту тематику, основываясь на имеющихся зарубежных разработках. В долгосрочной перспективе, - заявили российские медики, Они смогут производить подобное лечение на коммерческой основе .
Не менее актуальна в медицине проблема диагностики Наработан опыт, когда визуализируюшие способы вышли на главенствующие позиции в диагностике большого спектра заболеваний. Ещё большие успехи, расширяющие горизонт сегодняшней диагностики, ожидаются от применения нано-технологий в ядерно-магнитной и компьютерной томографии.