Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

ГЛАВА 8 Материалы

АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ОТРАСЛЬ

Покрытия играют огромную роль в авиационной и космической промышленности:

повышают долговечность, надежность и эффективность разных

компонентов;

препятствуют эрозии и износу;

повышают качество поверхностей;

препятствуют коррозии, отслаиванию, окислению и перегреву.

В аэрокосмической промышленности разрабатывается несколько

многофункциональных нанопокрытий, которые должны обеспечить коррозийную защиту с помощью специальных материалов. Предпо лагается, что они будут способны обнаруживать коррозию и механи

ческое повреждение и препятствовать им, реагировать на химическое

и физическое воздействие, улучшать адгезию и повышать долговеч ность металлических конструкций. Одновременно разрабатываются легкие, прочные и термостойкие наноматериалы для авиационных двигателей.

ВОЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Для постоянной борьбы с коррозией требуется много ресурсов. Общая стоимость таких работ в Вооруженных силах США оценива

ется в 10 млрд долларов в год, из них 2 млрд долларов уходит на

обычные операции соскабливания старой краски и нанесения новой. Ученые разрабатывают умные покрытия, которые в случае корро зионного повреждения или появления обычной царапины могли бы самостоятельно залечиваться. Кроме того, разрабатываются нанопо крытия для танков и другой военной техники, которые меняли бы

цвет для создания маскировки в разных условиях.

Нанооболочки

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

широко используются на практике. Например, красные коллоидные растворы золота применяются в тестах на беременность.

Как уже известно, оптические свойства золотых нанооболочек зависят от размера ядра и толщины его золотого покрытия. Как и у

квантовых точек и наноколец, эти свойства можно изменять, управ ляя размерами нанооболочек. Таким образом, поменяется не только

их цвет во всем видимом диапазоне, но и соотношение поглощенного и отраженного света.

Нанооболочки были впервые получены профессором Наоми Халас (Naomi Halas) из Университета Райс (США). Для их создания потре

бовалось применить знания и технологии из разных областей науки:

химии, физики, оптики и электротехники. В 2001 г. Наоми Халас вместе с коллегой Дженнифер Уэст (Jennifer West) основала компа нию Nanospectra Biosciences, Inc., которая занимается созданием на нооболочек в медицинских целях. На рисунке 8.6 показана типичная

золотая нанооболочка, окруженная полиакриламидом и антителами,

которые могут прилипать к особым местам раковой опухоли.

ГЛАВА 8 Материалы

фототермическая аблация («поджаривание») раковых опухо лей и мест дегенерации желтого пятна (заболевание светочув

ствительных клеток глаза);

доставка медикаментов внутри организма;

оптически контролируемая микроструйная техника;

биологические сенсоры.

Кроме того, предполагается применять нанооболочки в качестве

ингибитора в фотоокислительных процессах полимерных пленок.

Катализаторы

Уже многие годы нанотехнологии с подачи авторов научно

фантастических произведений представляются как способы создания

крошечных искусственных молекулярных роботов, которые способ ны манипулировать отдельными атомами. Однако люди давно ис пользуют естественные молекулярные «монтажники», которые на зываются катализаторами.

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но при этом не расходуются и не изменяются химически.

Натуральные катализаторы, энзимы, предоставляют альтерна

тивный способ протекания реакции с более низкой энергией ее акти вации. Промышленные катализаторы не обладают такими высокими характеристиками, как естественные. Катализаторы имеют, как пра вило, большое отношение площади поверхности к объему и распре

деляются на инертном носителе.

Еще с 1920 х гг. в промышленности используются катализаторы в виде металлических частиц со случайным распределением по раз

мерам.

Ученые обнаружили, что размеры частиц и расстояния между

ними имеют огромное значение для эффективности катализаторов. В экспериментах было показано, что упорядочение нанокристаллов платины высотой 15–20 нм на расстоянии 100 нм на пластинке ок

сида кремния площадью всего 0,5 см2 позволяет увеличить каталити ческую способность в 20 раз по сравнению с таким же количеством

сплошной платины. Это и другие открытия вскоре позволят ученым создать сверхэффективные катализаторы.

Нанотехнологии обладают огромным потенциалом для создания

новых катализаторов для химической, нефтеперерабатывающей,

автомобильной, фармацевтической и пищевой промышленностей. 185

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

Специализированные нанокатализаторы, которые способны взаимо действовать с биологическими структурами, могут служить важным

связующим звеном между традиционными искусственными катали заторами и энзимами.

Микрокапсулы

Исследование микрокапсул является одним из приоритетов для

специалистов в области наномасштабного материаловедения. Многие компании стремятся создать полые контейнеры для доставки медика ментов, визуализации внутренних процессов, защиты от солнечного излучения, косметики и парфюмерии. Способность микрокапсулы

сохранять и переносить молекулы другого вещества имеет огромное

значение для современной медицины и промышленности. Микрокапсулы могут образовываться с помощью самосборки при

комнатной температуре в результате реакции между наночастицами кварца в водном растворе полимеров и солей.

Микрокапсулы легко переносят энзимы — сложные биологиче

ские молекулы, которые способны инициировать многие клеточные процессы и управлять ими. Профессор Майкл Вонг из Университета Райс (США) продемонстрировал в своих экспериментах, как энзимы могут сохраняться в микрокапсулах без утечки сквозь стенки, но с

проникновением других более мелких молекул внутрь микрокапсул.

На рисунке 8.7 показано, как выглядят микрокапсулы.

ГЛАВА 8 Материалы

Именно это свойство можно, по мнению Вонга, использовать для катализа химических реакций с другими молекулами. Такие микро

биореакторы хорошо применять в производственных процессах хи мической и фармацевтической промышленности.

Уникальные свойства подобных наноматериалов и наномасштаб ных структур вызвали лавинообразное увеличение интереса к ним

среди материаловедов. В некоторых промышленных продуктах (на пример, в наполнителях, покрытиях и электросхемах) уже исполь зуются уникальные свойства наноматериалов. Нанотехнологии ждет великое будущее, но уже сейчас они демонстрируют свои преимуще

ства, которые ведут к значительным изменениям в производственных

процессах, ассортиментах продукции и общественном сознании.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Мерой количественного соотношения между волновыми и корпу скулярными свойствами частиц является:

(а)протяженность;

(б) миллилитр;

(в) световой год;

(г) волна де Бройля.

2.Оптические свойства золотых нанооболочек зависят от:

(а)количества тепла, поглощенного во время их создания;

(б) рыночной цены золота;

(в) размера ядра и толщины его золотого покрытия;

(г) времени суток.

3.Материалы, которые создаются на основе внедрения наночастиц силикатной глины в пластмассы или керамику, называются:

(а)нанокомпозитами;

(б)нанокольцами;

(в) нанотрубками;

(г) нанопенопластом.

4.Катализаторы — это вещества, которые:

(а) вызывают землетрясения;

(б)ускоряют химические реакции, но при этом не расходуются и не изменяются химически;

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

5.Микрокапсулы могут сохранять внутри себя и переносить:

(а)солнечный свет;

(б) перепелиные яйца;

(в) электрическую энергию;

(г) энзимы.

6.Применение композитного наноматериала для гоночного автомо биля Ford Thunderbird позволило снизить температуру перегрева почти на:

(а)10 °C;

(б)20 °C;

(в) 30 °C;

(г) 40 °C.

7.Оптические и электромагнитные свойства нанокольца можно на

страивать:

(а) за счет изменения радиуса и толщины;

(б)с помощью руки, на которой оно носится;

(в) увеличивая его диаметр до 3 мм;

(г)регулируя давление при его изготовлении.

8.Для создания нанооболочек нужно применять знания и техноло

гии из химии, физики:

(а) и антропологии;

(б) музыки;

(в) оптики;

(г)экологии.

9.Сферы, которые могут образовываться с помощью самосборки при

комнатной температуре в результате реакции между наночастица

ми кварца в водном растворе полимеров и солей, называются:

(а) тапиокой;

(б) фуллеренами;

(в) микрокапсулами;

(г)бильярдом.

10.Вещество, которое после добавления в жидкость увеличивает ее

проникающую способность за счет уменьшения поверхностного

натяжения, называется:

(а) идеальным газом;

(б) поверхностно активным веществом;

(в) энзимом;

(г)муссом.

Глава 9

Электроника и сенсоры

Техасцы считают, что чем больше корова, шляпа или личный автомобиль, тем лучше. Но когда дело касается электроники, все наоборот: они любят все маленькое, быстрое и дешевое. Чтобы но

винки электроники всегда соответствовали требованиям потребите

лей, технологии должны предусматривать весь потенциал инноваци онных решений.

Закон Мура

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

Рис. 9.1. Закон Мура, согласно которому растет плотность компонентов электронных схем

190

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения

ства изменяются не непрерывно, как на макроскопическом уровне, а дискретно, то есть неделимыми порциями, или квантами.

Законы механики Ньютона прекрасно объясняют движение пла

нет и траекторию полета баскетбольного мяча, а законы квантовой механики описывают поведение молекул, атомов и других объектов наномира. Механика Ньютона не может удовлетворительно объяс

нить стабильность атомов, а также такие явления, как сверхпрово

димость и сверхтекучесть.

Предсказания квантовой механики вот уже более века подтвержда ются экспериментами. В отличие от классической механики, квантовая механика способна объяснить некоторые поистине удивительные явле

ния. Прежде всего, это корпускулярно волновой дуализм (наличие у

нанообъектов свойств, присущих волнам и частицам) и квантовое за путывание (влияние измерения одной системы на другие системы).

Квантовая механика лежит в основе современной и будущей электроники. Применение ее законов для создания новых нанотех