Объемные наноструктурированные материалы (3d)
- Возникают металлы и сплавы с ультрамикрозернистой структурой. Они обладают сверхпрочностью, твердостью и одновременно сверхпластичностью.
- Минеральные и углеродные материалы с 3D порами – фильтры, элементы охлаждающих систем, волокнистые структуры, например.
- Нанокерамика – используется в стоматологии.
Наноструктурированные планарные материалы (2d)
11-нанометровый чип, которые сделали в компании Canon в 2015 году.
- Плёнки и покрытия
- Нанопечатная литография – современный способ печати, где нет ограничений оптических правил. Образец не подвергается воздействию электронов высоких энергий, долговечность, высокая производительность. Развитием таких технологий занимается кампания Саnon. Трафарет используют для выпуска полупроводников с любыми формами производства без оглядки на длину волны.
- Самособирающиеся монослои из определенного вещества
Наноструктурированные 1d материалы.
В эти цилиндры можно закладывать водород, это может сыграть ключевое значение в водородном топливе.
- Нанотрубки – например, углеродные, которые структурированы из углеродных структур, но собраны в трубку. Каждая трубка имеет стенку толщиной 1 нм углерода. Атомы образуют гексагональную решетку. В цилиндры можно закладывать и хранить водород, важно для водородного топлива, если мы захотим улететь с планеты. Углеродные нанотрубки очень ценное вещество. Двигатель или новые батареи.
- Нановолокна
- Нанопроволоки
Нанодисперсные материалы (0D)
Нанокомпозитные материалы
Наночастица в определенной матрице, состоящей из керамики, метала, полимера, углерода. Что это дает? Дает размещение квантовых точек.
Нанодисперсные материалы (0D): квантовая точка
Квантовая точка (выше на слайде) – искусственно созданная область
вещества, в которой можно «хранить» отдельные атомы. Новое понятие, с ним стали работать только с 1990 года.
Поведение людей, находящихся в цирке, можно сравнить с поведением электронов квантовой точки.
Цирковые артисты во время выступления находятся на манеже, они не поднимаются на места зрители, а сами зрители не спускаются на арену; арена – это заполненные нижние уровни квантовой точки, зрительские ряды – определенные уровни электронной проводимости, так как электроны всегда занимают только место на орбите – определенные ряды в цирке.
Зритель может сесть в любой ряд, если у него есть билет. Но зритель может сесть на другое место, если оно свободно; но, если кто-то еще придет на это место, у него есть свое гарантированное билетом место.
Электрон находится на определенной орбите, но если меняется энергетический уровень, например, меняется возбуждение, то он так же может перейти на другую орбиту, и откуда он ушел – там остается дырка, но с этой дыркой он остается связанным, как зритель с прежним своим местом. Эту пару электрон-дырка называют экситоном. Электрон может мигрировать между новым и прежним своим местом. Поведение электрона приводит к нехарактерному для нанообъектов дискретному энергетическому спектру, из- за которых квантовые точки иногда называют искусственными атомами. Напоминаю, что электроны строго определенные орбиты занимают. Энергия связи дырки-электрона определяют радиус экситона, который является характерной величиной для каждого вещества. Если размер квантовой точки меньше радиуса экситона, то он ограничен в пространстве размерами и соответственно иные связи меняется очень сильно с объемным веществом, а если энергия меняется, то меняется энергия излучаемой системы, когда электрон переходит от одного места на другое. Механизм действия большинства полупроводниковых устройств основан на движении потоков электронов.
Идет поток, когда мы включаем или выключаем гаджеты. Квантовая точка позволяет фиксировать положение «вкл», «выкл» движением одного электрона, то есть квантовая точка позволяет создать миниатюрнейшие полупроводниковые устройства, снизить их электропотребление.
На основе квантовых точек разрабатываются новые приборы и устройства. Квантовые точки могут образовываться в результате самосборки. Например, если на кристаллическую поверхность кремния нанести немного атомов другого вещества, можно наблюдать, как чужеродные атомы собираются в определенные структуры, островки, размеров в несколько 10 нм. Структуры такого типа тоже называют Квантовые точки. Преимущества огромны – энергопотребление очень экономно.
В 1998 году было создано устройство, которое потребляло энергии в разы меньше, чем существующие. Сейчас этот прогресс достиг еще больших успехов.
Свойства наноматериалов.
Наноматериалы характеризуются несколькими основными свойствами, которые дают преимущества нанотехнологиям по сравнению с другими технологиями:
— суперминиатюризация;
— большая удельная площадь поверхности, ускоряющая взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены;
—нахождение вещества в наноматериала в особом «наноразмерном» состоянии влияет на цвет, растворимость, жесткость материала, электрическую проводимость, намагничиваемость, подвижность в различных средах, химическую и биологическую активность.
Многие свойства материи меняются, если мы меняем наномасштабы. Хочу обратить внимание на отсутствие структурных дефектов, это делает макровещества идеальными объектами лазерных, излучающих установок. Например, углеродные трубки, где можно хранить углерод как топливо для ракет, высокопрочный материал. В чем инновация? – в технологии (внизу на слайде).
Два главных принципа технологической обработки.
В технологии обычно выделяют 2 подхода. Один из них называют подход «сверху-вниз» , второй «снизу-вверх».
Первый подход основан на механическом уменьшении физических размеров тел с помощью обработки, например механической. Но такая обработка дорогостоящая. Обработку можно осуществить до размеров 100 нм. Но это очень дорого, потому непригодно для промышленных масштабов.
Нанотехнологии – это идеи подхода «снизу-вверх» – когда происходит самосборка отдельных атомов в молекулы, и дальше образуются макроскопические объекты. Можно не только наносить друг на друга слои вещества, можно оперировать отдельными атомами. Дело не в том, какие атомы, а в их структуре. Нужно следовать за природой: как природа собирала человеческие клетки в тело, нужно также собирать наноразмерные состояния вещества.
Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Нанотехнология в медицине
Можно создать эффективные механизмы контроля. Квантовые точки можно нанести на серёжку и фиксировать различную информацию, например, уровень сахара в крови, других веществ. Это путь к тотальному мониторированию, к тотальному контролю. Разрушается граница между клиникой и квартирой, возникает множество социогуманитарных проблем. Но это может помогать производить искусственные органы и ткани без отторжения, предотвращению заболеваний.
Новые парадигмы в медицине: создание долгосрочных и эффективных систем контроля здоровья, непрерывный контроль за состоянием организма. Реализация идей восстанавливающей медицины. Возникновение медицины «малого» вмешательства.
Измерение содержания различных веществ в организме, лечебные операции при необходимости.
Реализация идей «индивидуальной» медицины.
Разработка лекарственных препаратов с новым механизмом действия.
Производство искусственных тканей и органов, не вызывающих реакцию отторжения
Модель: кривая зрелости технологии
Культурные и социальные последствия любой технологии. Нанотехнологии начали развиваться недавно. Но уже сейчас идут серьезные дебаты относительно безопасности и необходимости для человечества развивать эту сферу между нанофилами и нанофобами.
Сошлемся на двойственный эффект шарообразных молекул фулерен.
Фулерены – имеют структуру, похожую на футбольный мяч. Это третья форма углерода, обнаруженная в 1985 году. Это огромные молекулы углерода, они могут вызывать различные болезни, вредить окружающей среде, но на их основе можно лечить раковые опухоли и создать эффективные антибактериальные препараты. То есть последствия могут быть различные. Как оценить перспективы, если использование нанотехнологий чревато как использованием, так и возникновением проблем.
На графике вверху – стадии, которые проходит технология после ее запуска.
Это отношение общества к технологиям. Кривая предложена в 1995 году для того, чтобы графически стадии представить технологического новшевства с точки зрения отношения к нему людей. Запуск технологии – прорыв, обещают достичь желанных целей, после подогрева интереса достигается пик завышенных ожиданий, общественный ажиотаж приводит к чрезмерному энтузиазму, нереалистичному ожиданию. Когда приходит понимание, что неудач больше, чем успехов, кривая общественного интереса падает до нижней точки разочарования. Когда кривая оценивается как бесперспективная, начинают появляться различные положительные причины, которые препятствуют проектам в этой области, дальше небольшой подъем, так как после спада начинаются встречи, совещания, СМИ задействую, чтобы объяснить важность. Постепенно отношение к технологиям выходит на плато производительности. Понятно, где технология работает и стабильна, эволюционирует. Окончательная высота плато зависит от того, насколько широко эта технология будет применяться. Смотрим на аналитику 2019 года. Кривая инвестиций постоянно обновляется.
Hype Cycle for Emerging Technologies, август 2019
Перспективы развития нанотехнологий
По нанотехнологиям лидирует 3D-печать. Тренд – искуственный интеллект. 3D печать в наноразмерных состояниях.
Аналитики считают, что перспективы связаны с улучшением человека, когда технологии становятся частью человеческих тел. Например, экзоскелеты с электрическим приводом, протезы конечностей. Нанотехнология позволяет разместить средства мониторирования внутри людей. Перспективы определяются многими факторами, включая культурные.
Нанотехнологии – культурный проект, предсказать взаимодействие факторов крайне сложно. Научная основа нанотехнологий – междисциплинарность. Успех возможен только при приложении усилий разных специалистов.
Минусы: у нас недостаточно специалистов в этой сфере, даже нет такого направления подготовки. Границы между различными областями знаний, науками, предметными областями исчезают. Все знания нанонауки – не содержат новые знания, это все естественнонаучные знания.