Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
легкие, потому что размер частиц позволяет им достигать их
наиболее чувствительных тканей.
Дж.Т. Джеймс из NASA Johnson Space Center в Хьюстоне
и его коллеги впрыскивали наночастицы в дыхательные пути
мышей и исследовали их через неделю, а затем через три месяца. Несмотря на то что фуллерены не вызывали повреждений,
равное по массе количество углеродных нанотрубок причиняло значительное повреждение легким и даже вызвало смерть
нескольких животных. При воздействии наночастиц и нанотрубок на ткани животного (рис. 44 [21]) клетки иммунной системы, называемые макрофагами, захватывают нанотрубки, но
затем погибают, воспаление постепенно переходит в рубцевание ткани легких (так называемая гранулема легких).
Рис. 44. Развитие воспаления тканей легких от воздействия на
них раствора фуллеренов и нанотрубок
Исследователи во главе с П. Симеоновой (National Institute of Occupational Safety and Health, Morgantown, USA) также
наблюдали насыщенные наночастицами гранулемы в тканях
подопытных мышей, получивших схожие дозы углеродных
нанотрубок. Также оценивалось повреждение митохондриальной ДНК в тканях сердца и аорты, которое предвещает начало
атеросклероза. Опыты на мышах, подвергшихся воздействию
нанотрубок, продемонстрировали значительное повреждение
ДНК, которое продолжалось по меньшей мере шесть месяцев.
Симеонова заявила, что произошло существенное повреждение
тканей − а это еще один фактор риска для атеросклероза − в
сердце, аорте и легких животных.
На собрании А. Шимада из Tottori University (Япония)
представил первую серию снимков, изображающих наночастицы, попадающие из легких в кровь. Углеродные наночастицы начинают поступать через межклеточное пространство в
капилляр, там отрицательно заряженные наночастицы улавливаются красными кровяными клетками, которые имеют положительный заряд. Если это присоединение вызовет смену знака заряда на поверхности клетки крови, предполагает Шимада,
это может стимулировать скопление и образование тромба.
Многие исследователи, допускающие потенциальную
опасность наночастиц, указывали, что на производствах часто
используются многочисленные токсины и опасные вещества.
Было отмечено, что эти исследования очень важны, и было бы
замечательно, если бы промышленность сохранила предельно
допустимую концентрацию таких веществ низкой.
.3.3. Проблемы лицензирования наноматериалов
9
Американская администрация пищевых продуктов и лекарств (FDA) занимается лицензированием широчайшего
спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства,
аппаратура и ветеринария), а теперь занялась и наноматериалами.
FDA определила нанотехнологии как отрасль разработок
и исследований, регулируемую по следующим причинам [21]:
▪ существующие ‚материалы имеют атомный, молекулярный и
макромолекулярный уровни, которые размером и функцией
лекарств/устройств укладываются в шкалу от 1 до 100 нм;
▪ изобретения и используемые устройства, аппараты и системы
обладают новыми свойствами ввиду их малых размеров;
▪ наносистемы и наноматериалы имеют способность контролировать материю и манипулировать ею на атомарном уровне.
С помощью нанотехнологии станет возможной, например, доставка лекарственных средств к отдельным клеткам организма, что приведет к улучшению их терапевтических
свойств. В этой ситуации ответственность за надзором над такими продуктами берет на себя Office of Combination Products.
Содействовать регуляции продуктов нанотехнологии будет
агентство, сформированное из NanoTechnology Interest Group.
Ежеквартальные конференции станут эффективным средством
общения между центрами.
Большинство центров также имеют рабочие группы, которые укрепляют связи между различными подразделениями.
Они расширяют круг продукции, связанной с нанотехнологиями, которые регулируют федеральные агентства. Широту
спектра данной продукции, которую собирается регулировать
FDA, покажет будущее.
ГЛАВА 10.
НАНОМАШИНЫ И НАНОПРИБОРЫ
Мы рассмотрели некоторые возможные применения нанотехнологий. Обратимся к исследованиям, направленным на
разработку более сложных продуктов: очень маленьких машин, устройств записи/считывания информации, электромеханических ключей, сенсоров и других компонентов компьютеров, роботов, приборов следующих поколений, сконструированных из отдельных молекул или элементов нанометровых
размеров.
10.1. Построение наноструктур методом «сверху-вниз»
О создании структур методом «сверху-вниз» говорил
знаменитый физик Ричард Фейнман, предложивший задуматься о последовательном процессе миниатюризации инструментов и соответственно изделий вплоть до наномасштабов.
Именно по этому пути уже пошли некоторые компании, которые начали с создания микроэлектромеханических систем
(МЭМС) и постепенно перешли к разработкам наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Проектирование микроэлектромеханических систем уже
привело к появлению заметных коммерческих продуктов, среди которых стоит отметить газонаполненные нанодатчики (используемые в автомобильной промышленности), насадки или
сопла в современных струйных принтерах, некоторые новейшие медицинские устройства, фотонные переключатели в
коммуникационных системах и мобильных телефонах [2].
Прогресс в этой области сейчас сдерживается главным образом
возможностями существующей полупроводниковой промышленности, а также длительностью и сложностью монтажа новых производственных линий.
Характеристики очень многих нанотехнологических изделий, уже широко используемых в различных отраслях (энергетика, полупроводниковая техника, молекулярная электрони-
ка), могут быть значительно улучшены в близком будущем. В
настоящее время происходит интенсивное развитие новых
технологических приемов и оборудования, специально создаваемого для нужд нанотехнологии. Из наиболее важных направлений развития в этой области необходимо выделить три.
Нанолитография. В Техасском университете (г. Остин)
разрабатывается уникальный метод наноимпринтной литографии, который в настоящее время внедряется в серийное производство фирмой Molecular Imprint. Новая технология основана
на использовании отвердеваемых под действием света жидких
сред и кварцевых пластин, подвергаемых травлению, что позволяет существенно снизить стоимость изделий, получаемых
нанолитографией. Она имеет особую ценность в нанотехнологии, производстве МЭМС, микрогидродинамике, оптике, а
также молекулярной электронике.
Оптические ловушки. Фирма Arryx разработала прорывную технологию в обработке наноматериалов, в которой
используются известные в лазерной технике оптические ловушки. Новая технология основана на использовании одного
лазерного источника, излучение которого проходит через
адаптивную голограмму. Она позволяет генерировать одним
лазером сотни так называемых «лазерных пинцетов», каждый
из которых может иметь собственную систему управления, в
результате чего установка дает возможность манипуляции молекулярными объектами в трехмерном пространстве (включая
перемещение, вращение, разрезание и установку в заданном
месте). Такая технология обладает широчайшими возможностями: от работы с клетками и «монтажа» структур из нанотрубок до непрерывной обработки материалов, напоминающей
механическую.
Метрология. В настоящее время атомные зондовые микроскопы производства фирмы IMAGO LEAP, позволяющие
получать трехмерные изображения химических соединений и
атомарную структуру объектов, уже применяются в производстве чипов и дисководов. В отличие от традиционных микроскопов, дающих просто изображение микроскопического объ-
екта, наноскопы IMAGO позволяют анализировать структуру,
так как их «сигналы» соответствуют положению атомов в данный момент времени. Они позволяют «сжимать» наблюдаемую
картину и в оцифрованном виде получать изображение изучаемого объекта со скоростью около миллиона атомов в минуту. Такой подход открывает совершенно фантастические перспективы в получении визуальных изображений и исследовании атомарных структур вообще.
Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля.
Основные закономерности развития нанотехнологии «сверхувниз» можно свести к двум следующим основополагающим
положениям:
▪ Подход «сверху-вниз» создает множество преимуществ
и удобств из- за своего очевидного родства (или преемственности) с полупроводниковой техникой и промышленностью.
Прогресс в этом случае часто выступает в виде преодоления
недостатков планарной технологии, что значительно облегчает
коммерциализацию и проблемы рынка, поскольку позволяет
пользоваться установившимися стандартами и условиями.
▪ Иерархия масштабов и взаимодействий определяется и
устанавливается в направлении «сверху-вниз».
0.2. Построение наноструктур методом «снизу-вверх»
1
Подход «снизу-вверх» характеризуется следующим набором особенностей:
▪ Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.
▪ Основные ограничения взаимодействий обусловлены
контактом с неорганическим окружением.
▪ Возможности теоретического исследования процессов
ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.
▪ Все рассматриваемые в технологиях «снизу-вверх»
процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы
цифровым генетическим кодом.
Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все
процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого
организма, происходят за счет иерархически выстроенных
процессов передачи информации.
0.3. Микроэлектромеханические системы
1
Для создания микроэлектромеханических систем используются литографические методы, процессы физического и
химического осаждения металлов. В основе их действия лежит
механический отклик на электрическое воздействие или электрический отклик на механическую деформацию, хотя, несомненно, возможности гораздо шире.
Преимущества МЭМС устройств заключаются в их миниатюрности, простоте изготовления и размещения в большом
количестве на одном чипе, возможности интеграции в микроэлектронику.
Например, разработаны датчики нанометрового диапазона для активации воздушных подушек безопасности в автомобилях. Ранее электромеханическое устройство было размером
с банку газированной воды и весом несколько фунтов (стоимость около $15). Размер используемых сейчас датчиков на
основе МЭМС − десятицентовая монета, стоят они несколько
долларов. На рис. 45 [1] показан принцип действия такого
МЭМС устройства: в момент столкновения горизонтальная балочка продолжает двигаться по инерции вправо и изменяет зазор между пластинами конденсатора, инициируя импульс
электрического тока, который приводит в действие механизм
подушки безопасности.
Рис. 45. Схема МЭМС устройства
Отличия механического поведения машин в макро- и наномире состоят в следующем: в нанокомпонентах чисто поверхностные эффекты становятся очень значительными; в
микро- и наномире на механическое поведение можно влиять,
изменяя тонкий поверхностный слой; молекулярные силы притяжения между нанообъектами могут превышать силы отталкивания, т.е. нужно избегать прилипания; в микромашинах
электромагнитные силы малы, а электростатические силы существенны.
0.4. Наноэлектромеханические системы
1
Создание наноэлектромеханических систем находится на
ранних стадиях разработки. В настоящее время активно разра-
батываются концепции их действия, предложены многочисленные компьютерные модели самих наномашин и возможных
принципов их работы.
Природа в этой области находится далеко впереди человека, нанодвигатели давно существуют в биологических системах. Например, жгутиковый двигатель бактерий приводится
в действие химической трансформацией богатых энергией молекул аденозинтрифосфата.
Известные методы литографии имеют свои недостатки.
Недавно была разработана методика, называемая нанолитографией, которая может стать основой дешевой, высокопроизводительной производственной технологии. Рисунок формируется на резисте путем его механического деформирования с
помощью трафарета, несущего изображение наноструктуры, а
не модификацией поверхности излучением, как в традиционной литографии (рис. 46 [1]). В качестве резиста используется
термопластичный полимер, трафарета – металл, диэлектрик
или полупроводник. Можно создавать изображения на поверхности с разрешением 100 нм, низкой стоимости и с высокой
скоростью, поскольку не требуется сложного облучающего
оборудования.
Рис. 46. Схема процесса литографической нанопечати
С помощью туннельного сканирующего микроскопа
можно манипулировать отдельными атомами и молекулами на
поверхности какого-либо материала. Адсорбированные атомы
можно перегруппировать и поатомно конструировать различные наноструктуры. Такие манипуляции для сохранения чистоты поверхности осуществляют в условиях сверхвысокого
вакуума. К недостаткам СТМ-манипуляции относятся низкая
производительность, сложность построения трехмерных
структур, необходимость охлаждения подложки жидким гелием и поддержания высокого вакуума. Это не крупномасштабное производство, однако, демонстрируется возможность поатомного конструирования сложных объектов.
10.5. Наноустройства
Производство наномашин в сколько-нибудь значительных количествах не организовано, что связано с определенными трудностями: первая проблема – связь с наноустройством и
определение его положения, вторая – скудность имеющихся
сведений о механическом поведении объектов, у которых до
десяти процентов атомов находится на или около поверхности.
Существуют и преимущества, например, малая эффективная
масса нанометровой балки делает ее резонансную частоту
чрезвычайно чувствительной к незначительным изменениям
массы, это свойство позволило создать множество высокочувствительных датчиков. Наноразмерные кантилеверы обладают
низким уровнем термомеханических шумов и потребляют
очень мало энергии.
Для оценки потенциала различных вариантов наномашин
часто используется компьютерное моделирование.
Ключевая часть любой наномашины – способ приведения
ведущей шестеренки в движение.
Рассмотрим некоторые примеры наноустройств.
Шестеренки из нанотрубок. Предложен метод изготовления шестеренок, зубьями которой могут быть молекулы бензола, присоединенные с внешней стороны нанотрубок. Веду-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]