WWW.OS.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Научные публикации
 

«Нанотехника – cовременное состояние и перспективы развития В.И. Светцов НАНОТЕХНИКА – современное состояние и ...»

Нанотехника – cовременное состояние и

перспективы развития

В.И. Светцов

НАНОТЕХНИКА – современное

состояние и перспективы

развития

В.И. Светцов

Третья научно-техническая

революция

Наноиндустрия базируется на

l

технологическом, машиностроительном,

производственном и научном обеспечении

процессов, связанных с манипуляциями

атомами и молекулами. Квантовый

характер нанотехнологических процессов

делает их в высшей степени наукоёмкими и

стимулирует развитие таких направлений,

как атомно-молекулярный дизайн, вычислительные разделы химии, физики, биологии, электроники, многоуровневое математическое моделирование.

Третья научно-техническая революция Наноразмеры - не самое главное в l нанотехнике. Принципиальным является квантовый характер нанообъектов и нанопроцессов и уникальная возможность целенаправленной сборки веществ на атомно-молекулярном уровне. Наномир бросает вызов большинству привычных представлений о характере физикохимических превращений вещества, об их свойствах и возможностях использования.

Нанонаука и нанотехнология История развития нанотехники В 1959 г. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман написал фразу, l воспринимаемую сейчас как пророчество: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами»..



В 1974 году японский профессор Норио Танигучи впервые применил термин l «Нанотехнология» в своем докладе «Основные принципы нанотехнологий».

1982 – 1985 годы. Немецкий профессор Г. Гляйтер предложил концепцию l наноструктуры твердого тела.

В 1985 г. Х. Крото, Р. Кёрл и Р. Смоли открыли фулерены и предопределили l стремительный взлёт техники так называемых нанотрубок, которые были получены экспериментально в 1991 году.

В 1982 г. Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный l микроскоп (СТМ).

В 1985 г. вышла книга Эрика Дрекслера "Машины созидания", в которой l давался прогноз пути развития нанотехники на многие десятилетия вперед.

В 1986 г. появился сканирующий атомно -силовой микроскоп. В 1987 – 1988 l гг. в отечественном НИИ «Дельта» П. Н. Лускинович продемонстрировал в действии первую нанотехнологическую установку, где осуществлялась направленная термическая десорбция частиц с острия зонда.

В 1990 с помощью СТМ из 35 атомов ксенона на грани кристалла никеля l были составлены буквы IBM Размерные эффекты l Свойствананочастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений.

Специфическое поведение вещества на субмикронном уровне Квантовые эффекты l Квантовоеограничение l Интерференционные эффекты l Туннелирование k=2/n=n/L (n=1,2,3,... L=a или b) Квантовое ограничение Волна, соответствующая свободному электрону в l твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой L, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны. На рисунке такая ситуация проиллюстрирована на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры сечения a и b. В этих направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры.

Туннелирование Квантовое ограничение, проявляясь в l наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Кулоновская блокада Перенос заряда в структуре металл – l диэлектрик - металл осуществляется порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Туннелирование Объемные наноструктурированные материалы В последние десятилетия интерес к l сверхмелкозернистым объемным и дисперсным материалам резко возрос, так как обнаружилось, что уменьшение размеров структурных элементов приводит к заметному изменению свойств материалов. Такие эффекты проявляются при размерах зерен менее 100 нм, а наиболее существенны они при размерах зерен порядка 10 нм.

Методы получения порошковых материалов l Осаждение из коллоидных растворов.

l Газофазный синтез l Плазмохимический синтез l Термическое разложение метоллорганических соединений l Механический и механохимический синтез Методы получения компактных наноматериалов l Порошковая технология l Динамическое прессование l Ультразвуковое прессование l Кристаллизация аморфных сплавов l Интенсивная пластическая деформация Углеродные наноструктуры и материалы Молекулы C60 названы "букминстерфуллеренами" l в честь архитектора – авангардиста, философа и поэта Букминстера Фуллера (R. Buckminster Fuller).

Их шарообразное строение напоминает футбольный мяч.

Молекулы C60 могут образовывать кристаллы так l называемых фуллеритов с гранецентрированной кубической решёткой и достаточно слабыми межмолякулярными связями. Межатомные полости фуллеритов могут заполняться посторонними атомами (щёлочных металлов, этиленом и др.).





Сверхпроводящие переходы в фуллеритах Нанотрубки, нановолокна Одностенная углеродная нанотрубка l представляет собой свёрнутую в виде цилиндра ленту с упаковкой атомов по типу графита. Как оказалось, на базе нанотрубок получаются наноматериалы с существенно различными, зачастую уникальными свойствами.

Углерод является не единственным l материалом для нановолокон и нанотрубок.

Уже получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния.

Модель нанотрубки Органические и биологические наноматериалы l Наночастицы можно получить из больших органических молекул различных типов, а так же из полимеров.

l Некоторые образцы наноструктур, созданных из сополимеров:

волосатые наносферы, звездообразные полимеры и полимерные щетки.

Наноструктуры из сополимеров Органические молекулы l Созданы молекулярные и супрамолекулярные переключатели, которые могут быть использованы в устройствах хранения информации и логических элементах.

l Молекула может находиться в двух различных состояниях и переходить из одного в другое внешними воздействиями.

Микро и нано электромеханические системы Особенность микросистемной техники заключается l в структурном и технологическом объединении электронной микросистемы с ее механическими, оптическими, акустическими составляющими Микромеханика базируется на перенесении l технологических достижений электроники в сферу производства:

Сенсоров l Компонентов, основанных на новых принципах l Преобразователей для воздействия на l окружающую среду Датчик подушек безопасности Наноэлектроника и нанокомпьютеры

- Квантовые нити как суперпроводящие устройства с поперечным квантованием и как генераторы l субмиллиметрового диапазона волн.

- Нанотранзисторы.

l

- Запоминающие энергонезависимые наноэлектронные устройства на снове квантовых точек для l терабитной памяти.

- Нейроструктуры для нанокомпьютеров.

l

- Изделия наноэлектронной техники на основе новых материалов (карбида вольфрама, борида l вольфрама, карбида бора,нитрида бора) для работы при температуре 2000 - 3000 град.С и в условиях ядерного взрыва.

- Высокотемпературные усилители, генераторы и логические устройства для съёма информации с l первичных датчиков с частотным диапазоном до нескольких тераГерц.

- Моделирование технологии и архитектуры нанокомпьютеров.

l Нанооптические электрически перестраиваемые генераторы когерентного лазерного излучения для l применений:

- в приборах для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ ("СуперНос"), l

- в плоских экранах на основе карбидов, l

- в устройствах дисплейной техники, l

- в наноиндустрии при производстве новых материалов методами селективного катализа l (проведением управляемых химических реакций).

Высокоэффективные источники когерентного лазерного излучения для использования в l нанопроизводствах и антенных решетках нового поколения.

- Новые нанооптические материалы для летательных аппаратов с автоматически изменяемой l окраской поверхности.

- Лазерные наногироскопы.

l Квантовые точки Квантовые точки Транзисторы на квантовых эффектах l Транзисторы на резонансном туннелировании l Транзистор на эффекте квантовой блокады l Квантовые интерференционные транзисторы l Приборы на эффекте Джозефсона Одноэлектродный транзистор с нанокристаллом CdSe Нанотехнологии снизу вверх l Сканирующая туннельная микроскопия l Атомно-силовая микроскопия l Литография l Эпитаксиальное выращивание тонких пленок и структур l Молекулярное наслаивание Сканирующие зондовые методы исследования нанообъектов Изображения объектов, полученных методами сканирующей зондовой микроскопии атомно-силовой - рельеф CD-ROM (а), поверхности графита с атомным разрешением (б), структура нанокристаллического палладия (в), изображение квантовой точки, (германиевая пирамида - г).

Молекулярно-лучевая эпитаксия Экономические и социальные последствия развития нанотехники l Изделия на основе нанотехнологии, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, позволят реализовать предельно возможные характеристики, по сравнению с которыми остальные изделия будут неконкурентноспособными Электроника и информационные технологии l Устройства на углеродных нанотрубках l Одноэлектроника, спинтроника Джозефсоновская электроника, в том числе квантовые компьютеры l Молекулярная электроника, в частности с использованием фрагментов ДНК l Сканирующие зондовые методы Динамика развития микроэлектроники на примере схем оперативной памяти Достижения в электронике l Наиболее революционные достижения приближаются к квантовым пределам l Быстродействие порядка терагерц l Плотность записи информации до тысячи терабит на кв. см.

Конструкционные материалы l Сверхпрочные материалы на основе нанотрубок и наноструктурных композитов l Температуростойкие материалы и покрытия l Коррозионностойкие материалы и покрытия Зависимость прочности от плотности атомарных дефектов в материале Химическая промышленность и окружающая среда Катализаторы l Нанопористые материалы для отделения l мелкодисперсных загрязняющих агентов Армированные наночастицами полимерные l материалы для замены металлических конструкций Использование наночастиц вместо сажи l при изготовлении шин Переработка отходов промышленности и l ядерной энергетики Энергетика l Водородная энергетика l Топливные элементы l Новые солнечные элементы на основе гетероструктур Сельское хозяйство l Вовлечение в оборот ранее непригодных для сельского хозяйства земель l Повышение эффективности землепользования l Генная модификация продуктов питания l Синтез продуктов питания Авиация и космонавтика Разработка высококачественной и стойкой к l воздействию радиации вычислительной техники Создание наноаппаратуры для l миниатюрных космических аппаратов Разработка нанодатчиков и l наноэлектронных устройств для космической техники Создание термоизоляционных и l износостойких покрытий на основе наноматериалов Медицина и биология Расшифровка генетического кода приведет к l революции в диагностике и лечении болезней Разработка новых методов доставки лекарств к l больным органам и существенное повышение степени их лечебного действия Разработка стойких и не отторгаемых организмом l искусственных тканей и органов Разработка сенсорных систем, применение l которых позволило бы врачам заниматься диагностикой и предупреждением заболеваний Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на 2015 г.

Образование и подготовка научных кадров l Образование должно быть непрерывным l Общедоступным l Ориентированным не столько на конкретные знания, сколько на технологию получения знаний E-learning lВ США рынок образования составляет 48 млрд долларов, 35% от мирового l Великобритания 18% l Германия 14% l Франция 12% l Япония 2% l Прочие кап. страны 19% l Россия и страны СНГ почти 0% Нужны новые качества Непрерывность образования l Ориентация на «критические» технологии l Системность l Интеграция научных и педагогических l коллективов Междисциплинарность l Наличие «точек роста» - научноl образовательных наноцентров Использование современных, в том числе l Internet технологий Прогнозы По мнению многих экспертов, XXI в. будет l веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо.

Воздействие нанотехнологий на жизнь l обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений.

С помощью нанотехнологий мы сможем l экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Прогнозы Наноэнергетика сделает мир более чистым за счет l разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств Сформируется новая экономика, основанная на l нанотехнологиях и нанопродуктах Быстрое развитие наноиндустрии потребует l коренной перестройки системы образования на всех уровнях Потребительские и промышленные товары станут l более долговечными, качественными и дешевыми Медицинское обслуживание будет более дешевым l и эффективным Прогнозы Появятся новые лекарственные препараты и l диагностические средства Нанобиотехнология сделает жизнь людей более l здоровой и продолжительной Будет образована глобальная система связи, l которая объединит всех, везде и всегда Мир окружающих вещей станет более l интеллектуальным за счет встраивания чипов в предметы быта и производства Общество будет более свободным и l интеллектуальным Нанотехнологии в США В 2000 году по решению правительства l работы по нанотехнологии получили высший приоритет Создана программа Американской l нанотехнологической инициативы Федеральное правительство признало l нанотехнологию делом национальной безопасности Общий объем федерального l финансирования нанопрограмм в 2006годах составит 3,8 млрд. долларов Направления работ в США Создание мультитерабитных запоминающих l устройств Создание материалов и изделий методом сборки l из атомов Создание материалов в 10 раз более прочных, l легких и экономичных Увеличение в миллион раз быстродействия l компьютеров Использование генной инженерии для l определения канцерогенных клеток и лечения Улучшение очистки воды и воздуха l Увеличение эффективности солнечных батарей не l менее, чем в 2 раза Нанотехнологии в Японии l Программа работ по нанотехнологии получила высший приоритет «Огато»

l Финансирование проекта осуществляется государством и более 60 частных фирм Нанотехнологии в Европе l Работы ведутся более чем по 40 государственным и международным (НАТО) программам l Программы работ по нанотехнологии имеют статус государственных даже в сравнительно небольших странах (Голландия, Финляндия) Нанотехнологии в России Создана Концепция развития работ в области l нанотехнологий на период до 2010 года Создан межведомственный научно-технический l совет по проблеме нанотехнологий и наноматериалов Федеральное агентство по промышленности l выделило наноиндустрию в качестве одного из приоритетных направлений работы Реализуются программы «Физика наноструктур»

l (Ж.И. Алферов) и «Перспективные технологии и устройства в микро и нано электронике» (К.А.

Валиев) Сделано в Институте проблем технологии микроэлектроники Карта мира и особо чистых веществ РАН (г. Черноголовка) методом разложения пленки AlF3 электронным пучком Наноцентр ИГХТУ Определение структуры центра в виде l тематических лабораторий Формирование блока материалов заявочного l характера Организация постоянно действующего семинара l по нанотехнологиям Создание страницы наноцентра на сайте l университета Подготовка программ по дисциплине «Физикоl химические основы нанотехнологий»

Введение вопросов нанотехнологий в программы l дисциплин учебного плана



 


Похожие работы:

«БОРЬБА ЗА ЭНЕРГОРЕСУРСЫ: ОТ ПРОТИВОСТОЯНИЯ К ПРОТИВОБОРСТВУ Валентин Литвин Когда много миллиардов лет назад произошл Великий Взрыв и образовалась наша планета, или после семи дней Творения, огромные запасы нефти и газа и главные их потребители оказались на разных континентах. Те, кто их имеет, и те, кто в них нуждается, стали участниками сложной геополитической игры. Ведь энергоресурсы – это кровеносная система производственного организма. Происходит война трубопроводов. Холодная война за...»

«1 АРХИТЕКТУРА ОБЪЕКТОВ СОЦИАЛЬНОГО СЕЛЬСКОГО ЖИЛЬЯ ИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В.М. Шувалов Московский архитектурно-строительный институт, Москва, Россия И.В. Зубарев Государственный университет по землеустройству, Москва, Россия Аннотация Статья посвящена обзору существующих возобновляемых строительных экологических материалов, их влиянию на архитектурное формообразование зданий. Рассмотрены также критерии выбора материала для строительства. Ключевые слова: архитектурное...»

«ООО ПИ ПЕТРОХИМ-ТЕХНОЛОГИЯ Заказчик: ОАО «Ямал СПГ» Арх. № 77482-3 Взамен арх.№77482-2 ОСВОЕНИЕ ЮЖНО-ТАМБЕЙСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВО ОБЪЕКТОВ МОРСКОГО ПОРТА В РАЙОНЕ ПОС. САБЕТТА НА ПОЛУОСТРОВЕ ЯМАЛ, ВКЛЮЧАЯ СОЗДАНИЕ СУДОХОДНОГО ПОДХОДНОГО КАНАЛА В ОБСКОЙ ГУБЕ ПРОЕКТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ РАЗДЕЛ 8 ПЕРЕЧЕНЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ЧАСТЬ 3 ОБЪЕКТЫ ТЕРРИТОРИИ И АКВАТОРИИ ПОРТА КНИГА 1 ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ТЕКСТОВАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ...»

«ООО ЭКО-ЭКСПРЕСС-СЕРВИС Заказчик: ОАО «ЯМАЛ СПГ» Арх. № 79514 ОСВОЕНИЕ ЮЖНО-ТАМБЕЙСКОГО ГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВО ОБЪЕКТОВ МОРСКОГО ПОРТА В РАЙОНЕ ПОС. САБЕТТА НА ПОЛУОСТРОВЕ ЯМАЛ, ВКЛЮЧАЯ СОЗДАНИЕ СУДОХОДНОГО ПОДХОДНОГО КАНАЛА В ОБСКОЙ ГУБЕ ВНЕСЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ И ДОПОЛНЕНИЙ В ПРОЕКТНУЮ ДОКУМЕНТАЦИЮ (2) ПРОЕКТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ РАЗДЕЛ 8 ПЕРЕЧЕНЬ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ЧАСТЬ 1 ОБЪЕКТЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ПЕРИОДА 2030-4583-13-ООС.СУБ-8.1 ТОМ 8.1 ООО...»

«1 ПРИЁМЫ ОБЪЁМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЫСОТНЫХ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭНЕРГИЮ ВЕТРА В.М. Клюзко Публичное акционерное общество «Украинский зональный научно-исследовательский и проектный институт по гражданскому строительству, ПАО «КиевЗНИИЭП», Киев, Украина Аннотация В статье проанализированы возведённые энергоэффективные высотные здания, использующие энергию ветра с целью самообеспечения, а также рассмотрены концептуальные разработки, связанные...»

«Современные проблемы и тенденции развития экономики и управления в XXI веке СЕКЦИЯ 3. Инновационный менеджмент К вопросу о необходимости применения инноваций в строительном производстве Соколова С.А., кандидат экономических наук, доцент, доцент кафедры экономики и управления проектами в строительстве Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, Волгоград, Россия Аннотация. В статье обосновывается актуальность применения инноваций в строительном комплексе. Проводится...»

«Некоммерческое партнёрство саморегулируемая организация в строительстве «Региональное объединение организаций строительного комплекса Строители Воронежской области 394030, г. Воронеж, ул. Кольцовская, 58а, тел/факс 261-19-35, 261-19-36, 261-19-37 e-mail: srosvrn@icmail.ru ВЫПИСКА ИЗ ПРОТОКОЛА № 13 Внеочередного Общего собрания членов НП СРОС «Строители Воронежской области» (Далее – общее собрание) г. Воронеж «30» мая 2012г. Концертный зал Воронежской областной организации профсоюзов 11:00 ул....»

«САО «ГЕФЕСТ» ЛЮДИ ИСТОРИЯ БИЗНЕС МОСКВА Содержание: Как появился в России новый рынок, новая услуга, новая профессия – страхование строительных рисков? Как из зарубежной экзотики оно стало повседневной реальностью для руководителей органов власти, Глава 1. 1993–1998 гг. Рождение компании. Становление рынка частных инвесторов, а главное – тысяч строительных организаций по всей стране? В 90-е годы в возможность и необходимость этого верили несколько десятков специалистов, таких как основатели...»





 
2016 www.os.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.