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

тов: транзисторов, резисторов и конденсаторов. Уменьшение разме

ров и уплотнение компонентов электронных схем сопровождается

увеличением их вычислительной мощности и эффективности. Борьба

за увеличение контролируемой части рынка, новые продукты и па

тенты ведется ожесточенно, постоянно и неустанно. В век инфор

мации каждая компания, работающая в сфере электроники, хочет

стать лидером и контролировать самые последние достижения науки

и техники.

Однако для решения поставленных сверхзадач требуется най

ти способы производства наноструктур, которые позволят избежать

избыточного рассеяния энергии в виде тепла, повысят надежность

и обеспечат устойчивое энергоснабжение крошечных электросхем.

Современные компьютеры выполняют вычисления в последова

тельном режиме (одно вычисление за другим), а квантовые компью

теры будущего способны выполнять одновременно несколько вы

числений в параллельном режиме (см. главу 10.) Например, чтобы

разложить на простые множители число из 400 цифр, обычному ком

пьютеру потребуются миллиарды лет, а квантовому компьютеру —

всего несколько минут.

Задача разложения числа на его простые множители, знакомая

нам еще из школьного курса математики, имеет огромное практиче

ское значение. Алгоритмы разложения на простые множители ис

пользуются в системах шифрования. А значит, если какому то зло

умышленнику удастся создать квантовый компьютер, то он сможет

быстро взломать многие системы шифрования, что может нанести

огромный ущерб коммерческой и национальной безопасности. По

этой причине агентство DAPRA и институт NIST в США ведут ин

тенсивные исследования квантовых вычислений.

Многие ведущие научно исследовательские организации, включая

Оксфордский университет (Великобритания), Университет Инсбру

ка (Австрия), Массачусетский технологический институт (США),

Калифорнийский технологический институт (США) и Стэнфорд

ский университет (США), имеют в своем штате научные группы,

которые занимаются изучением основ квантовых вычислений. Такие

коммерческие компании, как Microsoft и IBM, а также некоторые

правительственные организации, например Аргоннская националь

ная лаборатория США, прилагают усилия для изучения квантовых

вычислений.

Наноматериалы позволят преодолеть многие традиционные тех

нические барьеры и обеспечить условия для более высокой проч

303

ЧАСТЬ IV

Будущее

ности, чистоты, теплопроводности и долговечности компонентов на

ноэлектронных систем.

СВЯЗЬ

Наряду с миниатюризацией компьютеров и их компонентов

происходит

миниатюризация беспроводных коммуникационных

устройств. Размеры беспроводных средств связи уменьшаются, а

сами они постепенно становятся неотъемлемыми составными частя

ми других электронных схем и устройств. Однако антенны (на

пример в мобильных телефонах) и сенсоры все же имеют доволь

но большие размеры по сравнению с другими компонентами и яв

ляются ограничивающим фактором дальнейшей миниатюризации

электронных схем. С помощью наноматериалов и нанотехнологий

ученые и инженеры в скором времени смогут справиться и с этой

проблемой.

ОПТИКА

Обработка оптической информации на наномасштабном уров

не является сложнейшей проблемой в некоторых областях науки

и техники. Среди наиболее актуальных применений следует упо

мянуть оптические наноустройства, литографию с ультракороткой

длиной волны, визуализацию наноструктур, а также оптический

мониторинг нанопроцессов в биологических материалах на клеточ

ном и молекулярном уровне. В главах 5 и 6 уже упоминалось об

использовании оптических наноустройств в биологических и меди

цинских целях.

ДИСПЛЕИ

Разрешение телевизоров и дисплеев определяется размером пик

селей, из которых формируется изображение на экране: чем меньше

пиксель, тем больше разрешение.

Пиксель — это наименьший элемент двухмерного цифрового изображения. Он

представляет собой неделимый объект прямоугольной (обычно квадратной) фор-

мы, обладающий определенным цветом.

Для повышения разрешения дисплеев ученые и инженеры пыта

ются использовать новые наноматериалы на основе селенида цинка,

сульфида цинка, сульфида кадмия и теллурида свинца, получен

304

ные с помощью перехода золь гель. С их помощью предполагается

Плоскопанельные дисплеи составляют значительную часть рын

ка портативных компьютеров. Ведущие позиции в исследованиях и

производстве таких дисплеев занимают японские компании. За счет

использования наночастиц они стремятся улучшить разрешение дис

плеев и снизить производственные затраты. Кроме того, замечено,

что применение наноматериалов позволяет существенно повысить

яркость и контрастность плоскопанельных дисплеев.

Электрохромные устройства основаны на материалах, оптические

свойства которых меняются при прохождении электрического тока

или приложении электромагнитного поля.

Электрохромность — способность материала изменять оптические свойства под

напряжением. Такой способностью обладают оксиды вольфрама.

Обратимая электрохромность (то есть обратимое изменение опти

ческих свойств) достигается с помощью двойного инжектирования

заряженных частиц (ионов или электронов) в нанокристаллы оксида

вольфрама. Материалы, обладающие обратимой электрохромностью,

уже используются в качестве покрытия для оптических дисплеев ин

формационных табло.

Жидкокристаллический дисплей — это плоскопанельный монитор на основе жид-

ких кристаллов. Каждый пиксель такого дисплея состоит из слоя молекул между

двумя прозрачными электродами и двух поляризационных фильтров. В отсутствие

жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью

блокируется вторым. При отсутствии напряжения молекулы выстраиваются в вин-

товую структуру, и свет проходит без потерь, а при достаточной величине поля

молекулы становятся практически параллельно, что приводит к непрозрачности

структуры.

Электрохромные дисплеи внешне похожи на жидкокристалличе

ские, которые широко используются в настоящее время в компьюте

рах, калькуляторах и наручных часах.

Поскольку разрешение, яркость и контраст электрохромных дис

плеев в значительной степени зависит от размера наночастиц, на

ночастицы являются весьма перспективными материалами для этих

устройств.

305

Спекание (sintering) — это процесс получения твердых материалов и изделий из

порошкообразных или пылевых смесей при температуре, которая ниже температу-

ры плавления.

Нанокристаллические материалы можно сжимать и спекать в раз

нообразные формы при гораздо более низких температурах, чем

306

обычно требуется для сжимания и спекания сплошных аналогов.

ГЛАВА 14 Что дальше?

В настоящее время ученые и инженеры уже научились делать на

их основе множество изделий для медицинских целей. Например,

в Японии изготовляют зубные протезы, которые легче, комфортнее

и удобнее, чем протезы из других материалов.

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Уже упоминавшиеся нанокристаллические материалы имеют го

раздо бóльшую поверхность (сосредоточенную на границах зерен),

чем их сплошные аналоги. Благодаря этому нанокристаллические

материалы обладают повышенной химической и физической актив

ностью. Эти качества наноматериалов можно использовать для созда

ния эффективных катализаторов, которые могут реагировать с таки

ми токсичными газами, как оксиды азота и углерода, в автомобилях

и тепловых электростанциях. Таким образом, нанокристаллические

материалы могут оказать заметную помощь в охране окружающей

среды от загрязнения, вызванного сжиганием ископаемых видов то

плива.

БАТАРЕИ ВЫСОКОЙ ЕМКОСТИ

Обычные батареи и повторно заряжаемые аккумуляторы ши

роко используются в нашей жизни: в автомобилях, компьютерах,

мобильных телефонах, часах и игрушках. К сожалению, их емкость

(и долговечность) недостаточно велика, и их приходится часто за

ряжать.

Пористые нанокристаллические материалы способны хранить

электрическую энергию с гораздо большей плотностью, поэтому в

будущем батареи и аккумуляторы на их основе смогут работать без

подзарядки гораздо дольше.

СЕНСОРЫ

Чувствительность сенсоров электрического сопротивления, хими

ческой активности, магнитной проницаемости, тепла и других физи

ческих и химических свойств во многом зависит от микроскопиче

ской структуры (зернистости) материала. Например, в сенсоре окиси

углерода для обнаружения этого газа используется оксид циркония.

Реакция взаимодействия молекул оксида циркония с молекулами

окиси углерода вызывает изменение проводимости.

Поэтому для повышения чувствительности сенсоров ученые и ин

женеры стремятся использовать материалы с меньшим размером зер

на. Нанокристаллические сенсоры обладают повышенной чувстви

307

АВТОМОБИЛИ

Двигатели современных автомобилей сжигают огромное коли

чество топлива, и выхлопные газы являются одним из основных

источников загрязнения окружающей среды. Нанотехнологии спо

собны решить эти проблемы без ущерба для темпов развития ав

томобильной отрасли. Предполагается, что в 2015 г. доля исполь

зования нанотехнологий и наноматериалов в автомобилестроении

достигнет 60%.

Возможность манипулирования атомами и молекулами откры

вает большие перспективы в автомобилестроении. Например, нано

кристалльная свеча зажигания с наноэлектродами обладает большей

экономичностью (топливо сжигается эффективнее), прочностью,

износостойкостью и долговечностью, чем обычная свеча зажигания

с обычными электродами. Более совершенные свечи зажигания на

основе обычных материалов создают очень мощные искры, которые

способствуют более эффективному сжиганию топлива, но обладают

очень низкой коррозионной стойкостью. Установлено, что свечи за

жигания на основе наноматериалов могут работать гораздо дольше.

Кроме того, ученые и инженеры стремятся повысить эффектив

ность сжигания топлива в автомобилях с дизельными двигателями

за счет использования покрытий цилиндров на основе нанокристал

лической керамики. Композитные материалы на базе нанотрубок по

зволят снизить вес и повысить эффективность систем торможения.

Стекла и крылья на основе углеродных нанотрубок будут гораздо

прочнее без увеличения массы.

В целом в автомобилестроении будут заметны преимущества вне

дрения нанотехнологий, поскольку многие компоненты автомобиля

станут гораздо легче, прочнее, долговечнее и эффективнее, а затраты

на их производство снизятся. По некоторым оценкам, в следующем

десятилетии конкурентоспособность в автомобильной промышлен

ности будет во многом зависеть от использования нанотехнологий

и наноматериалов.

ОРУЖИЕ

В современном огнестрельном и ракетном оружии используется

химическая энергия сжигания химических веществ. Благодаря этому

308

скорость пуль, снарядов и ракет достигает примерно 2 км/с. Пер

ГЛАВА 14 Что дальше?

спективные электромагнитные системы, в которых снаряды ускоря

ются электромагнитным полем, способны разогнать снаряд до ско

рости 10 км/с. Понятно, что снаряд с большей скоростью обладает

большей кинетической энергией и разрушительной способностью. По

этой причине конструкторы оружия уделяют огромное внимание та

ким электромагнитным пушкам.

Электромагнитные пушки должны обладать достаточно хорошей

прочностью и износостойкостью, а рельсы для разгона снарядов —

хорошей электропроводностью. Медь является отличным проводни

ком, но обладает слабой износостойкостью и коррозионной стойко

стью.

Для решения этой проблемы ученые и инженеры пытаются приме

нить новые наноматериалы. В настоящее время ведутся интенсивные

исследования композитных наноматериалов на основе вольфрама,

меди и диборида титана. Такие композиты обладают необходимой

прочностью, твердостью, электропроводностью, износостойкостью

и коррозионной стойкостью. Предполагается, что использование

подобных композитов позволит повысить эффективность и темп

стрельбы, а также сэкономить деньги налогоплательщиков. Одновре

менно с этим изучается возможность использования наноматериалов

на основе углеродных нанотрубок, которые обладают еще большей

электропроводностью и износостойкостью.

ПЕНЕТРАТОРЫ С ВЫСОКОЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Для борьбы с бронированной техникой противника в Министер

стве обороны США планируется использовать специальные снаряды

и пули, так называемые пенетраторы с высокой кинетической энер

гией на основе урана. Они являются непревзойденными средствами

проникновения сквозь любую броню, но характеризуются повышен

ной радиоактивностью. Однако снаряды на основе нанокристалли

ческих сплавов вольфрама могут вскоре заменить урановые пенетра

торы и исключить риск, связанный с радиоактивностью и токсично

стью урановых снарядов и пуль.

МОЩНЫЕ МАГНИТЫ

Эффективность магнитов связана с размером зерна и суммар

ной поверхности материала, из которого сделан магнит. Нанокри

сталлические магниты из иттрия/самария/кобальта обладают по

вышенными магнитными свойствами ввиду их большой суммарной

поверхности. На основе таких магнитов можно будет создавать более

309

Продукт

Компания

1

iPod Nano c чипом памяти NAND 4 Гб

Apple Computer

2

Canola Active — повышает абсорбцию фитохи

NutraLease/Shemen

микатов и снижает уровень холестерина

3

Жевательная резинка Choco’la

O’Lala Foods

4

Антиоксидантный крем Fullerene C 60

Zelen

5

Бейсбольная бита Easton Stealth на основе

Easton Sports & Zyvex

310

углеродных нанотрубок

Продукт

Компания

6

Водоотталкивающая и грязеустойчивая ткань

Nanotex

на основе нановолокон

7

Антибактериальные носки Arctic Shield

ARC Outdoor

8

Водоотталкивающая и прочная краска Nano

Behr Paints

GuardPaint

9

Самоочищающееся покрытие Activ Glass

Pilkington

10

Очиститель воздуха NanoBreeze Air Purifier

NanoTwin Technologies

родные нанотрубки.

311

МУЗЫКАЛЬНЫЕ ЦЕНТРЫ

Углеродные нанотрубки могут использоваться и для качественно

го прослушивания музыки. Повышенная пористость и проводимость

углеродных нанотрубок может обеспечить улучшенные качества аку

стических колонок. Некоторые исследователи пытаются найти спо

собы их применения в специальных гитарах и виолончелях, чтобы

повысить качество звучания и прочность инструмента и снизить вес.

Кто знает, может быть, скоро мы станем свидетелями появления со

вершенно новых музыкальных инструментов!

КОСМЕТИКА

О применении нанотехнологий и наноматериалов в косметике уже

говорилось выше. Следует отметить и некоторые другие продукты,

например кремы для кожи. В одном из таких кремов используют

ся полимерные нанокапсулы размером около 200 нм. Они способны

впитывать, как губка, полезные вещества, например витамин А, и от

давать их, растворяясь под кожей.

Компания L’Oréal, как и многие другие косметические компа

312

нии (например, Dior, Estée Lauder, Johnson & Johnson), использует