Ультрадисперсные наноматериалы

Дисперсность - это степень раздробленности вещества на частицы.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.

Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или меди) размером от 30нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.

Сотни миллионов этих волосков позволяют цепляться за малейшие неровности поверхности. Даже совершенно гладкое, на наш взгляд, стекло дает гекконам достаточно возможностей зацепиться. Как, оказалось, здесь работают силы Ван-дер-Ваальса, или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодействия. Теория Ван-дер-Ваальса основывается на квантовой механике. Молекулы веществ на малых расстояниях отталкиваются, а на больших притягиваются (тот же принцип положен в основу работы АСМ).

Когда геккон опускает лапку на поверхность, лопаточки на концах нанощетинок столь плотно прилегают к ней, что лапка как бы прилипает к вертикальной стене или потолку. Но чуть геккон напряжет мышцы и потянет лапку - силы Ван дер Ваальса исчезают, и она легко отделяется от поверхности.

Силы Ван-дер-Ваальса очень малы, однако расположение волосков на пальчиках гекконов позволяет обеспечить достаточно большую поверхность взаимодействия, чтобы ящерица могла удержаться, например, на потолке при помощи всего одного пальца своей пятипалой лапы или кончика хвоста.

Все это побудило исследователей к попыткам использовать сделанное открытие. Сотрудники американской компании iRobot сконструировали робота, который может передвигаться вертикально по стенкам аквариума. В дальнейшем планируется снабдить его искусственными волосками и увеличить прижимающую силу. А если удастся прикрепить к роботу хвост геккона, он сможет бегать по острым граням.

Если эксперименты по созданию ящероподобных роботов будут успешными, эти механизмы можно будет использовать в самых разных областях - от мытья окон в высотных зданиях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.

Можно положить данный принцип в основу изготовления липкой ленты, подобной скотчу, которую можно использовать повторно и даже в вакууме (обычный скотч в космосе не работает).



Ведутся разработки нового поколения так называемых "сухих клеев" с широким диапазоном характеристик, которые будут обеспечивать высокую адгезию (липучесть) на основе электростатики.

Можно изготовить обувь и перчатки, прочно удерживающие человека на вертикальной стене. Они облегчили бы жизнь не только альпинистам, монтажникам-скалолазам, но и всем остальным людям.

Оборудование для нанотехнологий

Так, малые расстояния вплоть до миллиметрового (10-3 м) порядка легко измеряются с помощью обычной линейки. Оптический микроскоп, позволяет видеть мелкие детали, величиной до 0,25 мкм. Электронный микроскоп позволяет различать даже атомные решетки, но обнаружить в них дефекты он не может.

Поэтому когда все возможности данного устройства были исчерпаны, ученые принялись искать новые пути решения поставленной задачи. В начале ХХ века появилась оригинальная идея изучать вещество, не увеличивая визуально исследуемую площадь его поверхности, а прикасаясь к ней. На основе туннельного эффекта в 1981 году был создан первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

В 1981 году сотрудники компании IBM Г. Бининг и Г. Рорер на основе этого явления построили первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и в 1982 г., с его помощью впервые в истории получили изображение поверхности золота, а затем и кремния с атомарным разрешением (рис. 47.6).

Рис. 47.6. Изображение поверхности монокристаллического кремния в СТМ

За это открытие в 1985 году ученые были удостоены Нобелевской премии, а дальнейшее развитие сканирующей микроскопии привело к бурному развитию нанотехнологий. Огромные возможности СТМ были осознаны не сразу: некоторые научно-популярные издания не печатались.

Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла.



Информация об этом перемещении отслеживается компьютером, и программно визуализируется, чтобы исследователь мог увидеть на экране объект с нужным разрешением.

Существуют два варианта конструкции СТМ в зависимости от режима сканирования образцов.

В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется. Исходя из данных о величине тока туннелирования, измеренной в каждой точке поверхности, строится образ ее рельефа.

В режиме постоянного тока СТМ задействуется система обратной связи для поддержания постоянного тока туннелирования путем подстройки высоты сканирующего устройства над поверхностью в каждой ее точке.

Удивительным свойством такого материала является пьезоэффект. Суть его заключается в следующем: если из пьезоматериала вырезать прямоугольную балку, нанести на противоположные стороны металлические электроды и приложить к ним разность потенциалов, то под действием тока произойдет изменение геометрических размеров балки. И наоборот: при малейшей деформации (сжатии) балки, на ее противоположных концах возникнет разность потенциалов. Таким образом, управляя малыми изменениями тока, можно добиться перемещения зонда на очень малые расстояния, необходимые для работы сканирующего микроскопа.

В практических конструкциях обычно используют пьезокерамические манипуляторы, выполненные в виде тонкостенной трубки с несколькими раздельными электродами. Управляющее напряжение вызывает удлинение или изгиб таких манипуляторов и, соответственно, перемещение зонда по всем трем пространственным координатам X, Y и Z .

Но прогресс не стоит на месте, и в 1986 г в лаборатории цюрихского отделения IBM были созданы микроскопы следущего поколения - атомно-силовые (АСМ). АСМ тоже позволяет исследовать поверхности с атомной точностью, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Сегодня именно он представляет наибольший интерес для исследователей.

Принцип действия атомно-силового и туннельного микроскопов практически одинаковы, только в отличие от туннельного, атомно-силовой микроскоп основан на использовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1нм) между атомами двух тел действуют силы отталкивания, а на больших - силы притяжения.

В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная игла. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

Кроме определения различных параметров, современные СЗМ (сканирующий зондовый микроскоп) позволяют манипулировать нанообъектами, обеспечивать захват отдельных атомов и перенос их в новую позицию, производить атомарную сборку проводников шириной в один атом, придавая тем самым поверхностям различных предметов новые нужные качества.

Существуют два основных способа манипуляции атомами с помощью иглы СТМ - горизонтальный и вертикальный. После перемещения в необходимое место атом "сбрасывают", приближая острие к поверхности и переключая напряжение на игле.

Новейшие достижения

Новый процессор Intel. Компания Intel создала прототип процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 65 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Данный прототип использует комплементарные металл-оксидные полупроводники, но в дальнейшем компания намерена перейти на новые материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки.

Наноаккумулятор. Компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут.

Гибкие процессоры тоньше человеческого волоса. Межуниверситетский Центр Микроэлектроники (IMEC, Interuniversity Microectronics Center) и Департамент Информационных Технологий Гентского Университета (Department of Information Technology (INTEC) of the University of Ghent) сообщили о совместной разработке новой технологии упаковки ультратонких микропроцессоров, что позволяет создавать гибкие чипы, толщина которых не превышает 50 мкм.

Достижение исследователей позволит создавать на основе представленных гибких процессоров самые разнообразные устройства - гибкие дисплеи, гибкие электронные системы, используемые, в том числе, и в устройствах потребительской электроники.

Электронная бумага. Прежде всего, это электронная бумага на основе пластика. Она может заменить бумагу, на которой пишут, позволяя загружать в нее данные. Электронная бумага выглядит самым впечатляющим применением новой технологии.

Перспективы развития

Идеальная техническая система - это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается.

Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И, возможно, не последним: за областью нановеличин лежат области пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18) и т.д. величин, с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами.

В настоящее время производителям известны только скромные достижения нанотехнологии - такие как самоочищающиеся ткани и упаковки, позволяющие дольше сохранять свежими продукты питания.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности человеческим клеткам. Уже создаются, и будут создаваться устройства, основанные на новейших материалах с необычными свойствами.

Проблемы и опасности

Опасности в нанотехнологиях начали появляться с 1986 года, после выхода в свет "Машин созидания" Дрекслера, где он описал утопическую картину нанотехнологического будущего. Одну из проблем, которая представляется ему наиболее серьезной, он назвал "проблемой серой слизи" ("grey goo problem").

Опасность серой слизи в том, что нанометровые ассемблеры, вышедшие из-под контроля в результате случайной или намеренной порчи их систем управления, могут начать реплицировать сами себя до бесконечности, потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая леса, заводы, домашних животных и людей. Расчёт показывает, что теоретически такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы (расчет не включал учёт времени на перемещение по поверхности планеты).

Другие ученые опровергают опасность "серой слизью", говоря о принципиальной невозможности преодолеть все практические трудности в создании подобных механизмов.

Среди возможных проблем, особенно остро вставали вопросы следующего типа:

1. Способна ли образовательная система обучить достаточно нанотехнологических специалистов?

2. Может ли прогресс нанотехнологий подорвать традиционный бизнес и оставить тысячи людей без работы?

3. Может ли снижение стоимости продукции благодаря нанотехнологиям и молекулярной биологии сделать их легкодоступными для террористов для того, чтобы разработать опасные микроорганизмы?

4. Каким будет эффект от вдыхания некоторых веществ, которые в настоящее время формируются в молекулярном масштабе? Исследования показали, что та же нанотрубка, представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет структуру, похожую на асбест, а этот материал при вдыхании вызывает повреждение легких.

5. Что случится, если в окружающую среду будет выпущено большое количества наноматериала, начиная от компьютерных чипов и заканчивая краской для самолетов? Не будут ли наноматериалы вызывать аллергию?

6. Не приведет ли вторжение наночастиц в наши тела к непредсказуемым последствиям? Они могут быть меньше белков. Что случиться, если наночастицы вызовут пересворачивание белка? Проблемы со сворачиванием белка могут вызвать, например, болезнь Альцгеймера.


3052779322528180.html
3052848439360028.html
    PR.RU™