Вопросы для повторения материала по главе 13

1.Дайте определение материалам, относящимся к классу «композиционные материалы».

2.Назовите виды композиционных материалов по происхождению.

3.Назовите основные виды композиционных материалов по составу и строению.

4.Назовите основные виды армирования композиционных материалов.

5.Назовите известные вам слоистые композиционные материалы. Состав, структура, применение.

6.Дайте краткое описание известным вам вариантам изготовления слоистых стеклопластиков.

7.Дайте краткое описание технологии получения стеклопластиков методов напыления, горячего отверждения, вакуумного насасывания, контактного формования.

8.Дайте определение армированным пластикам. Назовите основные свойства,области применения, основные методы технологии изготовления.

9.Назовите основные методы намотки волокон в армированных композиционных оболочках.

10.Назовите известные вам древесные композиционные материалы.

11.Назовите основные виды газонаполненных композиционных

материалов.

12.Назовите основные виды, свойства и области применения асбопластиков.

13.Изложите кратко историю создания и развития автомобильных шин с применением композиционных материалов.

14. Поясните конструкцию, состав и технологию изготовления автомобильных шин.

15.Изложите основные тенденции в развитии шинной индустрии.

389

ГЛАВА 14. НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

14.1 Сущность и основные понятия

Нанотехнология — ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологий — создание наносистем, наноматериалов, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне атома и молекулы) явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

Человек использовал объекты и процессы на наноуровне с давних пор. Так, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотографических изображений, бродильные процессы при изготовлении вина, сыра, хлеба и другие происходят на наноуровне. В состав противозагарного крема, выпущенного ещё в 80-х годах 20 века входили рассеивающие ультрафиолетовое излучение солнца наночастицы ТiO2. Рассеяние излучения происходило потому, что их размеры не превышали 400 нм, то есть длины волн этих лучей.

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (109 м).

Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа. В 1939 году немецкие физики Эрнст Август Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 году, и Макс Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов. В том же году компания Siemens, в которой работал Э. А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм (1/10 диаметра самого наименьшего атома — атома водорода), по горизонтали — около 0,2 нм.

Зонд атомарно-силового микроскопа (АСМ) можно использовать в качестве «пера», на кончике которого вместо чернил находятся атомы или молекулы. Нанолитография с помощью такой «ручки» позволяет строить на поверхности сложные структуры. Нанолитография с помощью зондов сканирующих микроскопов, когда нанообъекты (в том числе атомы и моллекулы) подталкивают или перемещают, поднимая на зонд, эффективна для создания новых и сложных

390

структур в малых объёмах, но она пока достаточно дорога и медлительна (рисунок

14.1).

а– «пляшущий человечек», выложенный молекулами монооксида углерода;

б– иероглифы, выложенные атомами железа на поверхности меди; в – поатомная сборка «квантового загона» для электрона из 48 атомов железа на поверхности кремния методом атомарного дизайна в SPM; г – в собранном «загоне» видны стоячие волны электронной

плотности захваченного ловушкой электрона

Рисунок 14.1 – Атомарный дизайн, выполненный в сканирующем микроскопе:

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Кима Эрика Дрекслера ( Kim Eric Drexler), работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (США). Сам термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера

Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology («Машины творения:

наступающая эра нанотехнологий») и последующей дискуссии. Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «молекулярная нанотехнология».

Приставка «нано» означает одну миллиардную. Один миллиметр (минимальная величина, используя которую люди привыкли оценивать размеры окружающих их предметов) в миллион раз больше нанометра. Наименьшие элементы, которые способен разглядеть невооружённый человеческий глаз, составляют 10 000 нм. Толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нм. Один нанометр – это ряд из всего десяти атомов водорода и многие вирусы имеют размер 10 нм. Размер многих белковых молекул примерно 1 нм. Всё что меньше нанометра – это просто свободный атом или небольшая молекула.

На уровне наноразмеров протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, белков, ферментов, субклеточных структур. Вместе с тем здесь могут быть искусственно созданы невиданные

391

ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества.

Наноструктуры не просто меньше всего, что человек делал раньше, а они являются наименьшими твердыми материалами, которые можно сделать. В наномире материалы имеют свойства, отличающиеся от общеизвестных. Например, являющийся основой современной электроники, закон Ома связывает силу тока, напряжение и сопротивление, но он действителен, если электроны «текут» по проводу, как вода по реке, чего электроны не смогут сделать, если провод имеет ширину всего один атом, и электроны должны проходить его по одному.

Физические причины специфики наночастиц и наноматериалов.

1.В нанообъектах количество приповерхностных или зернограничных атомов становится сравнимым с количеством атомов. Находящихся в объеме.

2.Атомы, располагающиеся на поверхности, также в узлах уступов и ступенях имеют малое число завершенных связей. В отличие от атомов, находящихся в объеме твердого тела. Это приводит к разному увеличению химической, каталитической активности нанообъектов и моноструктурированых материалов.

4.В нанообъектах большое значение приобретают размерные эффекты, обусловленные рассеянием, рекомбинацией и отражением на границах объектов. В любом явлении переноса (электрический ток, теплопроводность, пластичесая, дефорамция и т.д.) носителям можно приписать некую эффективную длину свободного пробега, когда размер объекта значительно больше длины свободного пробега носителя процесс рассеяния и гибели носителей слабо зависит от геометрии объекта. Если же размер объекта сравним с длиной свободного пробега носителя, то эти процессы протекают более интенсивней и они сильно зависят от геометрии образца.

5.Размер наночастиц сопоставим или меньше размера зародыша новой фазы, домена, дислокационная петля, и т.д. Это приводит к радикальному уменьшению магнитных свойств, (наночастица Fe не обладает магнитными свойствами), диэлектрических свойств, прочностных свойств нанообъектов и наноматериалов по сравнению с макрообъектами.

6.Для малого числа атомов вещества характерна реконструкция поверхности, самоорганизация и самосборка. т.е. при объединении атома в кластер происходит образование геометрических структур, которые в дальнейшем могут быть использованы для решения технических задач

7.В нанообъектах проявляется квантовые закономерности поведения различных элементарных частиц (электронов). С позиции квантовой механики электрон может быть представлен волной, описывающей соответствующие волновые функции.

8.По мере понижения размерности нанообъекта степень дискретизации энергетического спектра электронов нарастает. Для квантовой точки (объекта,

392

состоящего, буквально, из нескольких атомов) электроны приобретают спектр разрешенных энергий, практически, аналогичный отдельному атому.

14.2 Классификация наноматериалов

Наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на наночастицы и наноструктурные материалы (рисунок 14.2). Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул.

Рисунок 14.2 – Классификация наноматериалов по структурным признакам

Кнаночастицам относятся:

нанокластеры, среди которых различают упорядоченные нанокластеры, характеризующиеся наличием определенного порядка в расположении атомов или молекул и сильными химическими связями, и неупорядоченные

393

нанокластеры, характеризующиеся, соответственно, отсутствием порядка в расположении атомов или молекул и слабыми химическими связями;

нанокристаллы (кристаллические наночастицы), характеризующиеся упорядоченным расположением атомов или молекул и сильными химическими связями – подобно массивным кристаллам (макрокристаллам);

фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса;

нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;

супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);

мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений – фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц.

Втаких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Наноструктурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наночастиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом.

Кконсолидированным наноматериалам относятся:

нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;

фуллериты, состоящие из фуллеренов;

фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны;

слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины.

матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы, в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);

нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;

наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины, разделяющие поры.

Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой.

Кнанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также:

394

нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наночастиц;

наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;

наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости;

наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно распределенных в объеме газообразной среды.

Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу.

14.3 Получение наноматериалов

Вся техника, включающая манипуляцию отдельными атомами, очевидно, слишком медленная и громоздкая, особенно если нужно создать большую массу материала. Проблема большинства технологий при сборке наноструктур в настоящее время заключается в том, что они очень напоминают ручную работу.

Существующую сейчас технологическую парадигму (парадигма – теория, воплощённая в системе понятий, выражающих существенные черты действительности) в обработке вещества условно можно называть технологиями «сверху–вниз». Подход «сверху–вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой для получения деталей или других объектов. Таким же образом сегодня получают и объекты с ультрамикроскопическими, нанометровыми параметрами. В качестве простого примера можно указать некоторые полупроводниковые устройства, структура которых создается фотолитографической обработкой. При фотолитографии полупроводниковая заготовка подвергается обработке лазерным лучом, что позволяет получить в ней заранее спланированную конфигурацию схемы. Разрешающая способность (т.е. минимальный размер элементов изготавливаемой схемы) определяется при этом длиной волны лазерного излучения. В настоящее время самые короткие длины такого излучения позволяют осуществлять микрообработку с точностью до 100 нм, однако необходимо отметить, что эта технология является сложной и требует дорогого оборудования, вследствие чего она малопригодна для организации эффективного крупномасштабного производства.

Идея технологии «снизу–вверх» заключается в том, что сборка создаваемой «конструкции» осуществляется непосредственно из элементов «низшего порядка» (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т. п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать «обратным» по отношению к привычному методу миниатюризации «сверху–вниз», когда мы просто уменьшаем размеры деталей.

Типичным примером подхода «снизу–вверх» может служить поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности при помощи сканирующего

395

туннельного микроскопа или других устройств этого типа (рисунки 14.1 и 14.3). Метод позволяет наносить друг на друга не только отдельные атомы, но и слои атомов. Конечно, в настоящее время описываемый подход очень похож на ручную сборку и характеризуется очень низкой эффективностью и производительностью, однако ему принадлежит будущее.

Рисунок 14.3 – Две технологические парадигмы

14.3.1 Принцип самосборки

Из известных технологий получения наноструктур наиболее предпочтительна – самосборка. Такая технология позволяет производить значительное количество наноструктурированного материала за короткое время. Принцип самосборки состоит в том, что молекулы всегда стремятся перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Множество молекул с одинаковым нижним уровнем энергии собравшись вместе естественно организуют себя. Силы, задействованные в самосборке, обычно слабее связывающих сил задействованных вместе. Они соответствуют более слабым аспектам кулоновского взаимодействия и применяются в природе повсеместно. Например, слабые взаимодействия, называемые водородной связью, связывают атом водорода в одной молекуле жидкой воды с атомом кислорода другой и не дают молекулам стать водяным паром при комнатной температуре. Водородные связи также помогают удержать белки в определенной трехмерной структуре, что необходимо для выполнения их

396

биологических функций. При самосборке наноструктор вводят определённые атомы или молекулы на поверхность или на ранее собранную наноструктуру. Затем молекулы выравнивают себя в определённых положениях, иногда формируя слабые связи, а иногда – сильные ковалентные связи, минимизируя общую энергию. Самосборка почти наверняка станет предпочтительным методом создания больших наноструктурных массивов (рисунок 14.4). Ещё одной разновидностью самосборки является наноскопическое выращивание кристаллов. Длинная палочка собирается из небольших молекулярных компонентов, а затем самосборкой формируется каркас.

Полимеризация является широко используемой схемой для получения наноразмерных материалов. Эта технология используется для получения структур ДНК, белков (например, инсулина) и др.

Рисунок 14.4 – Самособирающийся молекулярный шаблон искусственной кости

Исходным сырьем для наноматериалов являются в первую очередь металлы и их оксиды (например, порошки оксида титана, оксида кобальта и др.), природные и синтетические полимеры. Наносистемы на основе природных полимеров могут служить исключительно эффективными носителями биологически активных веществ, сорбентов и других материалов, Которые активно используются в медицине, фармацевтике, при решении экологических проблем, связанных с утилизацией токсичных компонентов почвы, воды, атмосферы, в агропромышленном комплексе. В таблице 14.1 представлены наиболее распространенные способы получения наноматериалов.

397

Таблица 14.1 – Основные способы получения наноматериалов

14.4 Углеродные наноматериалы

Одним из главных химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы.

Углерод существует в твердой фазе в нескольких модификациях, свойства которых резко отличаются: графит, алмаз, карбин, лонсдейлит (последние два были получены искусственно, но лонсдейлит впоследствии был обнаружен и в метеоритах). Важная особенность углерода – способность образовывать цепочки –С–С–С– используется природой для создания биополимеров, а

оказались C60 и С70. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй – регбийного мяча (рисунок 14.5). Впоследствии их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений.

Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Сфера образуется шестиугольными структурными формированиями атомов углерода. Все ковалентные связи в этих молекулах насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно привить другие атомы и молекулы (рисунок 14.6) и таким образом придать ей гидрофильные или гидрофобные свойства. Можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы как в суперпрочный контейнер.

Рисунок 14.6 – Схема химического строения водорастворимого фуллерена

Раскрыв внутренние связи высоким давлением, интенсивным освещением и т.п., можно соединить две фуллереновые молекулы в димер или полимеризовать исходную структуру мономеров. Кроме того, поместив в водорастворимый фуллерен молекулу газа или другого вещества, можно получить растворы из нерастворимых веществ.

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки (рисунок 14.7 и 14.8). Углеродные нанотрубки открыл в 1991 году японский исследователь Сумио Ииджима из компании NEC (сокращение от англ. Nippon Electric Corporation). В поисках фуллеренов он изучал на полярном ионном микроскопе осадок (сажу), который образуется на катоде, когда при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия распыляется графит. Его заинтересовал неприглядный серый «обрубок» диаметром 0,8 нм, вырастающий на катоде. Он оказался странным графитовым наноцилиндриком с угольно-черной сердцевиной (подобной карандашу), или как бы закрытым мини-туннелем, построенным из особых видов сажи. Электронная микроскопия осадка показала наличие протяженных полых объектов диаметром несколько десятков нанометров. Их цилиндрические стенки представляли собой сверхустойчивую структуру из шестигранных колец углерода, закрытых по

399

краям полусферическими крышечками из семиили восьмигранников. Так были открыты нанотрубки и наноконусы.

Рисунок 14.7 – Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок:

а – «русская матрешка»; б – свисток; в – атомарная структура закрытой с торца однослойной нанотрубки

Рисунок 14.8 – Электронные фотографии нанотрубок

Они представляют часть сетки с шестиугольной, как у фуллеронов, ячейкой свёрнутой в трубку. Крайне важно, что свойствами нанотрубок можно управлять, изменяя их хиральность, т.е. скрученность решетки относительно продольной оси. Электрические свойства нанотрубок поразительны: было установлено, что электроны могут проносится по нанотрубке, как по проводнику; кроме того было обнаружено, что нанотрубки могут проводить электричество без сопротивления, т.е. являться сверхпроводником; вводя другие элементы, кроме углерода, можно придать нанотрубке свойства полупроводника. При этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с заданной запрещенной зоной. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, – канал полевого транзистора. Такие устройства уже созданы и показали свою работоспособность.

Нанотрубки с регулируемым внутренним диаметром представляют собой основу идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов и т.п. Например, для значительного повышения эффективности углеводородного топлива необходимо добиться способности углерода аккумулировать около 6,5 % (масс.) водорода. Исследования показали, что

400

углеродные нанотрубки обладают высокой аккумулирующей способностью по отношению к газообразному водороду. На их базе можно создать эффективные топливные элементы для транспортных средств или изолированных источников энергии небольших размеров.

Нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки для сканирующих зондовых инструментов, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения и т.д.

Кроме электрических свойств нанотрубки демонстрируют и другие удивительные свойства: лабораторные исследования показали, что предел прочности при растяжении может в 60 раз превышать предел прочности качественной стали, некоторые учёные считают что даже отдельную нанотрубку можно растянуть от земли до стратосферы и она выдержит собственный вес.

Нанотрубки уже становятся материалом востребованном в различных областях, но пока даже крупные производители нанотрубок за неделю производят их в количествах измеряемых в граммах.

Свойства наноструктур зависят от размера и при переходе к макромасштабу и укрупнению наночастиц их уникальные свойства меняются. Поэтому разработчики новых наноматериалов используют различные способы изоляции нанообъёмов в материале – это матричная изоляция, использование пористости и другие приёмы. Классификация строения мезоструктуры наноконструрированных материалов приведена на рисунке 14.9.

Рисунок 14.9 – Классификация по Глейтеру нанокристаллических материалов, учитывающая состав, распределение и форму структурных составляющих

401

Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные конструкционные и функциональные материалы: магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), негорючие нанокомпозитные материалы на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые материалы для трансплантации, лекарственные препараты.

Наиболее крупнотоннажным является производство конструкционных материалов (после строительных), главным образом, металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделия в значительной мере зависит от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др.

Конструкционные материалы, созданные на основе наноструктур, известных ранее, обладают уникальными свойствами. У наноструктурированных металлических материалов модуль упругости на 30 % ниже, твёрдость в 2 – 7 раз выше, а предел упругости в 1,5 – 8 раз выше, чем у мелкокристаллических аналогов. Нанокристаллические порошки имеют огромную удельную поверхность: от 20 – 40 м2/г при диаметре частиц 100 нм и до 110 – 120 м2/г при диаметре 10 нм. Это открывает большие перспективы в использовании нанопорошков и материалов из них в качестве катализаторов и адсорбирующих веществ.

14.5 Перспективы использования нанотехнологий и наноматериалов

Большие перспективы имеют нанокомпозиты на полимерной основе. В полимерные матрицы можно вводить наночастицы металлов, сплавов, оксидов, карбидов и других веществ в концентрациях до 50 % (масс.). В результате они приобретают уникальные электрофизические и магнитные свойства, становятся негорючими и т.д.

Легирование ферромагнитными наночастицами (Fe, Co, Sm и др.) с размерами 2 – 5 нм позволяет создавать среду – носитель информации с потенциальной плотностью записи в сотни раз выше, чем в лучших существующих магнитных носителях.

Отдельный класс наноструктурированных материалов представляют собой матрицы с нанопорами и каналами, размеры и геометрия которых могут регулироваться средствами нанотехнологии в широких пределах. Такие нанопористые материалы имеют перспективы широкого использования в качестве катализаторов, фильтров, поглотителей, сепараторов, контейнеров для хранения газообразных продуктов, топлива, лекарств и т.п.

Говоря о наноматериалах, часто употребляют термин «интеллектуальные». «Интеллектуальные» материалы выполняют статическую или динамическую работу, т.е. или ведут себя одинаково во всех условиях, или активно реагируют на внешние раздражители, меняя свои свойства. Если стёкла очков изготовить таким образом, что они изменяют степень прозрачности в зависимости от интенсивности

402

света – это пример динамического интеллекта. Интеллектуальные материалы могут обладать свойствами самовосстановления, избирательного разделения, распознания, каталитическими свойствами и др.

Сейчас известны десятки (если не сотни) методов создания тонкопленочных структур со средней толщиной от долей моноатомной до многих микрометров. При этом обычно их объединяют в два больших класса: способы физического и химического осаждения.

Теперь, уже ставшие традиционными, планарные полупроводниковые технологии дают возможность создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий из нитридов, боридов и карбидов различных металлов толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только монокристаллическому алмазу. Подобные покрытия резко увеличивают износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионную стойкость изделий, сделанных из сравнительно дешевого основного материала.

По пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые наноструктуры, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Они могут использоваться как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и в других приложениях (рисунок 14.10).

Рисунок 14.10 – Пучок нанопроволок диаметром в несколько нм, из SiO2, выращенных на кремневой подложке

Появление полупроводниковой электроники является важнейшим технологическим достижением во второй половине двадцатого века. Развитие полупроводниковых технологий, с помощью которых был создан микрочип, а также его применение в средствах связи, вычислительной технике, бытовой электронике и медицине дали возможность произвести поистине революционные изменения в этих областях. Как ожидается и прогнозируется большинством специалистов, развитие компьютерных и телекоммуникационных технологий в XXI в. будет связано с использованием последних достижений физики квантовых низкоразмерных структур и

403

нанотехнологий их изготовления, контроля и использования. Наиболее перспективными из них представляются электронная литография, электроннолучевое выращивание кристаллов, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия. Разработка принципиально новых концепций и подходов, явным образом учитывающих атомарную структуру вещества и квантовые закономерности его поведения на таком уровне, становится неизбежной.

Молекулярная электроника также рассматривается многими специалистами как реальная альтернатива «кремниевой» в недалеком будущем. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные и т.д. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов кремния, легирующих элементов и т.п., при наличии готовых строительных «блоков»? В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания представителей практически всех классов структур, необходимых для информационных технологий, но уже созданы и используются недорогие чипы на органических транзисторах, которые можно использовать как метки для идентификации продуктов, партий товара и почты.

Нанотехнологии позволяют создать элементы используемые при создании микроэлектромеханических систем (MEMS). Существуют впечатляющие примеры лабораторных разработок, создающих реальные перспективы практического их применения в микроробототехнике. Представляет большой интерес создание молекулярных механизмов простейших типов (молекулярные подшипники, шестерёнки, валы и зубчатые передачи (рисунок 14.11). В лабораториях созданы все необходимые компоненты для производства микророботов различного назначения.. Существуют проекты создания специальных микророботов-докторов, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга. Перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другим системам человека, они будут заботиться о его самочувствии и здоровье. Уже созданы прототипы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм.

Рисунок 14.11 – Зубчатая передача из углеродных нанотрубок с зубцами из молекул бензина С6Н4 .

404

Огромные перспективы ожидают нанотехнологии в области биологии. Это касается как непосредственно человека, так и всего окружающего биологического мира. Это генная инженерия, белковая инженерия, разработка лекарств с адресной доставкой в организме и ещё несчётное количество открывающихся перспектив.

Уже сейчас в области нанонауки и нанотехнологии реализуются десятки крупных программ во всех развитых странах мира. Нанотехнологии используются в таких значимых для общества сферах как здравоохранение и медицина, биотехнологии и охрана окружающей среды, оборона и космонавтика, электроника и вычислительная техника, химическое и нефтехимическое производство, энергетика и транспорт (рисунок 14.12).

Государство, претендующее на достойное место в современном мире должно предвидеть и подготовиться к новым условиям, новым принципам производства, правильно оценить социальные, экономические и политические последствия, вовремя сориентироваться и найти свое место в быстро меняющемся мире. Нанотехнологии уже входят в нашу жизнь и включены в категорию приоритетных направлений научно-технической политики всех развитых стран.

Рисунок 14.12 – Перспективы нанотехнологической революции

Многие исследователи считают, что использование нанотехнологии приведет к значительным переменам в жизни общества:

потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными и компактными, а вместе с тем и более дешевыми.

405