Сучасні наукомісткі технології, контент-платформа

СУЧАСНІ НАУКОЄМКІ ТЕХНОЛОГІЇ

Матеріал підготував доцент кафедри
фізичної електроніки

Енциклопедичний словник визначає технологію (від грец. «Techne» - «мистецтво», «майстерність», «вміння» + «logos» - «наука») як сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану (властивостей, форми) первинної сировини в процесі виробництва кінцевої продукції. До високих (наукомістких) технологіям зазвичай відносять самі наукомісткі галузі промисловості: мікро - і нанотехнології, обчислювальна техніка та інформаційні технології. робото
техніка, перспективні види енергетики, космічна техніка, біотехнології та ін.

Пропонований методичний матеріал присвячений обговоренню комплексу питань, що стосуються нанотехнологій, - виготовлення виробів, що мають розмір
1 - 100 нм хоча б в одному вимірі (рис. 1). Якщо говорити про нанотехнології в природі, то такий найважливіший об'єкт, як клітина, значно більше кордону нанотехнологій, але деталі, з яких вона складається, а також бактерії, віруси - це вже нанотехнології в природі. Ми ж говоримо про технології людини, т. Е. Про методи виготовлення надмалих виробів, хоча в принципі це можуть бути і відносно великі елементи, але, наприклад, дуже, дуже тонкі.

Мал. 1. Зіставлення об'єктів в різних розмірних діапазонах

В першу чергу пояснимо невипадковість кордону нанотехнологій. У цьому діапазоні проявляються властивості, яких немає в інших діапазонах, такі як тунельні струми, сили взаємодії між атомами речовини. Як приклади властивостей, які спостерігаються тільки в нанодіапазоні, можна привести: 1) квантовий ефект Холла, де для тонких кристалів при низьких температурах, коли електронний газ потрібно вважати двовимірним, змінюється залежність холлівських опору від магнітного поля - на звичайну лінійну залежність накладаються ділянки з незмінним опором (рис. 2), при цьому під холлівських опором розуміють відношення поперечного напруги до поздовжнього струму; 2) в нанодіапазоні змінюється уявлення про терті. Чи не в нанодіапазоні тертя - подолання нерівностей, залежне від сили тиску і незалежне від площі; в нанодіапазоні тертя залежить від відстані і від площі.

Мал. 2. Схема спостереження ефекту Холла
і залежність холлівських опору від магнітного поля

Ще приклад - міцність. Механічне навантаження або тиск - це відношення ваги деталі до площі основи. Зі зменшенням розміру це відношення зменшується - міцність зростає. Згорнутий в трубочку аркуш паперу важче зігнути, ніж звичайний лист. Приклад зростання міцності - використання нанотрубок
(Рис. 3). Нитка з нанотрубок товщиною в людський волос здатна утримувати вантажі в сотні кілограмів. Прямий шлях виготовлення нанотрубок - використання графена. Графен - це окремий вуглецевий шар графіту (рис. 4). Однак робити нанотрубки з графена ще не вміють. Але вже освоєна технологія самозборки. Вона відбувається на катоді при осадженні іонів вуглецю (випаровування з графітового анода) в плазмі дугового розряду.

Мал. 3. Види вуглецевих нанотрубок:
а) - одношарова пряма,
б) - двошаровий пряма,
в) - одношарова спіральна.
Довжина зв'язку - 1,41 # 506 ;, діаметр - 1 нм,
довжина -> 30 нм

Мал. 4. Шари графена в графіті

Всі обговорювані властивості спостерігаються в нанодіапазоні. Наступний приклад - алюміній не взаємодіє з водою, в той же час наночастинки алюмінію досить активно взаємодіють з водою з виділенням водню. Треба відзначити практичну важливість цього прикладу з точки зору розробки нових видів отримання енергії.

На прояві на нанорасстояніях сил взаємодії між окремими атомами заснований один із сучасних способів спостереження нанооб'єктів - скануюча атомно-силова мікроскопія (рис. 5). Про цих приладах піде мова в наступному методичному матеріалі. Тут же важливо відзначити, що невипадковість кордону нанотехнологій проявляється як у зміні способів спостереження нанооб'єктів, так і в зміні самих технологій. Оптичні способи спостережень внаслідок дифракційних ефектів не працюють, починаючи з відстаней в десяті частки мкм.

Мал. 5. Зовнішній вигляд вимірювальної головки мікроскопа NanoEducator

Дійсно, внаслідок ефекту дифракції будь-яке зображення в мікроскопі виявляється дещо розмитим, при цьому при відносно невеликих збільшеннях це розмиття практично не проявляється, проте виявляється принципово неможливим розглянути будь-які деталі розміром менше, ніж кілька десятих довжини хвилі, що відповідає порогу нанотехнологій. Тому для спостереження нанооб'єктів в основному використовують інші, неоптичні методи досліджень. Основними інструментами нанотехнологій є два методи - скануюча зондовая мікроскопія і скануюча електронна мікроскопія. Як приклад ще одного приладу нанотехнологій можна привести оптичний пінцет, в якому частка утримується у фокусі неоднорідним електричним полем (рис. 6).

Мал. 6. Схематичне зображення оптичного пінцета - промінь лазера
своїм неоднорідним електричним полем
утримує в точці фокусу кулясту наночастинку

Сьогодні нанотехнології - це передній край науки і промисловості. З використанням нанотехнології вже проводиться кілька тисяч товарів. Природно, в першу чергу треба говорити про застосування нанотехнології в електроніці. Тут цікаво сказати кілька слів про історію мікроелектроніки. Більше 40 років тому на зорі мікроелектроніки один з творців фірми Intel Гордон Мур сформулював закон, що носить його ім'я - за 1,5 року відбувається зміна основних параметрів елементів мікроелектроніки в 2 рази (обсяг продажів, швидкість, час перемикання, розмір, собівартість на біт, енергія на біт) (рис. 7). Цей закон уособлює історію електроніки - від дискретних елементів до сучасних мікросхем. Нанодіапазоні спочатку був далеко, але виявилося, що і зараз, коли межа вже пройдена, закон поки працює.

Мал. 7. Закон Мура

Тут доцільно коротко нагадати про роботу біполярного (рис. 8) і польового транзистора.

Мал. 8. Спрощена схема поперечного розрізу біполярного n-p-n транзистора

На кордоні нанодіапазоні, пройденого на кордоні 21 століття, змінилися принципи роботи приладів, в яких не можна не враховувати тунельні струми. Розглянемо роботу одного з сучасних приладів на тунельних токах (рис 9).

Мал. 13. Схема процесу статичної силової літографії (розмір скана 1,6 × 1,6 мкм) і динамічна силова літографія,
виконана на навчальному мікроскопі NanoEducator

Наведемо ще кілька прикладів проектів нанотехнологій в хімії, біології та медицині.

Мал. 14. Схематичне зображення дендримеру

2. Для виявлення ракової пухлини в кров можна ввести мікроскопічні силіконові кульки - наносфери діаметром кілька нм, вкриті найтоншим шаром золота (рис. 15). Ідея в тому, що стінки кровоносних судин в тканинах пухлини неповноцінні і проникні, і наносфери можуть з таких «протікають» судин потрапити в тканину пухлини. Далі важливо, щоб наносфери були невидимі для імунної системи, для цього вони покриваються захисним шаром поліетиленгліколю. Через 20 годин після введення наносфер проводиться оптична когерентна томографія і наносфери дозволяють візуалізувати пухлини. Потім пухлина опромінюється ІК-світлом, який розігріває золоту оболонку частинок, що призводить до загибелі пухлинних клітин.

Мал. 15. наносфер золота

3. У медицині проблема застосування нанотехнологій полягає в необхід
мости змінювати структуру клітини на молекулярному рівні, тобто здійснювати «молекулярну хірургію» за допомогою нанороботів (рис. 16). Очікується створення молекулярних роботів-лікарів, які можуть «жити» всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи виникненню таких. Маніпулюючи окремими атомами і молекулами, нанороботи зможуть здійснювати ремонт клітин. Нанороботи або молекулярні роботи можуть брати участь (як поряд з генною інженерією, так і замість неї) в перепроектування геному клітини, в зміні генів або додаванні нових для удосконалення функцій клітини. Важливим моментом є те, що такі трансформації в перспективі можна виробляти над клітками живого, вже існуючого організму, змінюючи геном окремих клітин, трансформувати сам організм! Прогнозований термін створення роботів-лікарів - перша половина XXI століття. Можливості наномедицини поки ще не реалізовані, існують лише окремі нанопроекти.

Мал. 16. Нанороботи за «роботою»