Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
щее зубчатое колесо заряжено таким образом, чтобы дипольный момент был ориентирован поперек оси трубки. Приложение переменного электрического поля может заставить эту
шестеренку вращаться. Электрическое поле будет поляризовать молекулу С60, в результате индуцируется большой дипольный момент (рис. 47 [1]).
Рис. 47. Схема перекатывания адсорбированной молекулы С60
(большие окружности) по поверхности ионного кристалла
Если взаимодействие между дипольным моментом и приложенным электрическим полем больше, чем взаимодействие
между молекулой и поверхностью материала, вращение вектора электрического поля вызовет перекатывание молекулы С60
по поверхности.
В Мюнхенском университете создана молекулярная машина, основанная на фотоизомеризации азобензольного полимера. При облучении светом полимер подвергается цис,трансизомеризации – это первый пример искусственной одномоле-
кулярной машины, преобразующей энергию света в физическую работу.
«Печатный станок» и экспресс-анализ ДНК. Как в свое
время печатный пресс положил начало эры книгопечатания,
так и в наше время разработанная исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) технология на-
нопечати −
«нанопринт» − позволит начать массовое произ-
водство наноустройств и биочипов на ДНК-основе [21].
Один из первых кандидатов на роль будущего массового
печатного продукта − ДНК-матрицы для экспресс-диагностики
различных заболеваний. Так, например, болезнь Альцгеймера
или СПИД в анализе пациента можно будет определить с помощью ДНК-биочипа за несколько минут. Эти экспресс-анализаторы могут вскоре появиться в больницах благодаря дешевому производству с помощью технологии «печатного пресса».
Необходимость в технологии дешевого массового производства наноустройств появилась с открытием первого ДНКанализатора на основе микрожидкостных систем. К сожалению, все без исключения методы их получения на сегодняшний день не могут гарантировать нужную точность изготовления при производстве в больших количествах, а если точность
соблюдается, то стоимость производства существенно возрастает.
Ученые из МIТ не стали выдумывать ничего нового, а
взяли за основу своего «печатного пресса» уже существующую
в природе технологию копирования ДНК и РНК. Как сказал
профессор Стеллаччи, руководитель исследований, «природа
придумала самый эффективный метод печатания наноструктур
на примере дубликации молекул ДНК». Новый метод исследователи назвали супрамолекулярным нанопечатанием. Он состоит в том, что цепи ДНК, нанесенные специальным образом
на подложку, формируют такую же матрицу из комплементарных им цепей на другой матрице. Процесс прост, и его можно
повторить неограниченное число раз, при этом полученная
структура имеет ту же геометрию, что и ДНК-оригинал.
Одно из таких устройств − ДНК-матрицы, уже используемые для анализа ДНК человека. На маленькой стеклянной
подложке расположены около 500000 «точек», содержащих
молекулы ДНК. Однако стоимость такой матрицы довольно
высока – около 500 долл., и для ее создания необходимо проделать 400 операций по нанесению точек. Естественно, что такая ДНК-анализируюшая система не пользуется спросом на
рынке медицинской экспресс-диагностики «на каждый день».
Поэтому заявления ученых из МIТ вселяют оптимизм:
они утверждают, что могут создавать такой же массив всего за
три производственных операции, и стоить готовый продукт
будет менее 50 долл.
ДНК-нанопроволока для будущей микроэлектроники.
Исследователи из Университета Пэрдью (США) сумели покрыть молекулу ДНК магнитными наночастицами и затем разрезали полученную «ДНК-проволоку» на несколько частей.
Как утверждают исследователи, подобный подход может привести к созданию дешевых электронных устройств (в том числе и компьютеров), которые можно будет получать методами
самосборки [21]. Молекула ДНК имеет большой отрицательный потенциал, что можно использовать в процессах самосборки для построения из нее различных структур. Если молекулу поместить в раствор, содержащий магнитные наночастицы с положительным зарядом, то они автоматически присоединятся к поверхности ДНК.
На рис. 48 (а) показано нанесение на молекулу ДНК магнитных наночастиц оксида железа и выравнивание полученной
металлизированной ДНК с помощью технологии, называемой
молекулярной гребенчатой фильтрацией. На рис. 48 (б) приведена фотография металлизированной молекулы ДНК, полученная с помощью атомно-силового микроскопа (рисунок
принадлежит Purdue University, Weldon School of Biomedical
ngineering).
E
«Ранее исследователи «металлизировали» молекулы
ДНК, покрывая их медью, золотом и платиной. Но после подобной «металлизации» им не удавалось разрезать полученную «проволоку» на маленькие фрагменты, используя фермент
рестриктазу», − говорит один из исследователей, Й. Кинселла.
Рис. 48. Нанесение на молекулу ДНК магнитных наночастиц
(а) и фотография металлизированной молекулы ДНК (б)
Fe
2O3
Магнитные компоненты важны в современных технологиях компьютерной памяти, поэтому это открытие позволит
«молекулярной электронике» и «ДНК-электронике» выйти на
первый план в устройствах хранения данных. А процесс самосборки значительно уменьшит время, затрачиваемое на производство электронных устройств.
Ранее исследователи из Университета Пэрдью разработали технологию, благодаря которой можно размещать цепи
ДНК на поверхности кремниевого чипа. Работа по металлизации ДНК является следующим шагом в построении наноэлектронных кремниевых устройств.
Наночастицы, которые использовал Кинселла в своей работе, представляют собой керамический оксид железа. Диаметр наночастиц − около 4 нм.
В своих будущих работах исследователи надеются изучить электрические характеристики полученной нанопроволоки.
10.6. Молекулярные и супрамолекулярные переключатели
Методы литографии, обычно используемые при изготовлении кремниевых микрочипов, приближаются к своим пределам уменьшения размеров. Наноразмерная архитектура становится более сложной и дорогой в изготовлении. Это мотивировало усилия по синтезу молекулярных переключателей, которые могли бы применяться в компьютерах, использующих
двоичную систему.
Существует множество различных видов молекулярных
переключателей, рассмотрим некоторые примеры.
Переходы между изомерами могут быть индуцированы
светом с круговой поляризацией (CPL), положение молекулярного переключателя считывается линейно поляризованным
светом (LPL), а стирание информации осуществляется неполяризованным светом (UPL) (рис. 49 [1]).
Рис. 49. Схема молекулярного переключателя
Конформация катенана меняется при приложении напряжения, которое вызывает окисление верхнего изомера в нижний и восстановление для обратного превращения (рис. 50 [1]).
Фотохимическое переключение спиропирана в мероцианин происходит под действием УФ облучения с энергией h
ν
1
,
красный свет (h
ν
) или тепло (∆) вызывает обратное конфор-
2
мационное изменение молекулы (рис. 51[1]):
В Аризонском университете создан электронный прибор,
состоящий из единственной органической молекулы [21]. По
мнению исследователей, их результат указывает на возможность привлечения биофизических исследований к проблемам
наноэлектроники. Анилиновые гептоолигомеры принадлежат к
таким соединениям, которые могут проводить электричество и
работать как электронные ключи. Цепочка из семи анилиновых
фрагментов ведет себя как резистор с отрицательным сопротивлением, т.е. в некотором диапазоне напряжений уменьшению силы тока отвечает рост разности потенциалов.
Рис. 50. Катенан, способный к переключению
Рис. 51. Схема фотохимического переключения спиропирана
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прорывные инновации, являющиеся движущей силой
развития и обновления технологий, происходят на границе познания, т.е. на передовых рубежах науки, причем чаще всего
они возникают в междисциплинарных, необычных и комплексных исследованиях, далеких от академического формализма.
По образному выражению С. Джарветсона [2] «особая
притягательность и очарование нанотехнологии связаны именно с человеческим фактором отношения к науке». Нанонаука
дает ученым возможность вновь объединить свои системы и
языки, предлагая им общие методы и объекты исследования.
Развитие нанотехнологии вызывает интересные и ценные
дискуссии в учебных заведениях и правительственных лабораториях, способствуя междисциплинарным исследованиям. Во
многих институтах открываются отдельные факультеты и
учебные центры, специализирующиеся в области нанонауки и
нанотехнологии. Более того, эту объединяющую и интегрирующую функцию она сохраняет и вне академической сферы,
неожиданно создавая новые и непривычные комбинации в
бизнесе и социальных отношениях. Например, нанотехнологические товары и изделия имеют самое разное назначение (солнечные батареи, компьютерные чипы, лекарственные препараты и т. п.), что привело к активизации и появлению новых связей между специалистами по маркетингу, распределению и
продаже в этих далеких отраслях. Расширение и обновление
таких связей практически всегда оказывает благотворное воздействие на участников, создавая возможности для обмена
знаниями и методами.
С. Джарветсон предлагает некоторые прогнозы развития
в области коммерциализации нанотехнологий.
В краткосрочной перспективе быстрое получение прибыли возможно в следующих областях:
▪ Изготовление инструментов и некоторых новых материалов
(порошки, композиты) на основе нанотехнологий. Некоторые
компании организовали такие производства и уже становятся
доходными.
▪ Производство одномерных химических и биологических датчиков, портативных медицинских и диагностических устройств.
▪ Начало производства микроэлектромеханических устройств.
Среднесрочная перспектива
▪ Начало производства двухмерных наноэлектронных устройств (запоминающие устройства, дисплеи, солнечные батареи).
▪ Появление иерархически структурированных наноматериалов и освоение самосборки биомолекул в нанотехнологических
процессах.
▪ Эффективное использование наноустройств для аккумулирования и преобразования энергии.
▪ Развитие методов пассивной доставки лекарств в организме и
диагностики. Производство имплантируемых медицинских нано устройств.
Далекая перспектива
▪ Развитие трехмерной наноэлектроники.
▪ Развитие наномедицины. Разработка искусственных хромосом.
▪ Использование квантовых компьютеров для расчета характеристик молекул и других нанообъектов.
▪ Начало массового производства нанотоваров.
Предсказания будущего трудны и становятся все труднее
по мере ускорения развития науки. Можно считать, что именно
нанотехнология является следующей великой «волной» в этом
процессе, подтверждающей общность и величие закона Мура.
Нанотехнологические инновационные разработки обещают
возникновение множества прорывных бизнес-проектов, которые могут «взорвать» социальное равновесие и одновременно
позволят нам «свести» вещество к какому-то коду, поддающемуся нашему воздействию и изменению. В близком будущем
человечеству придется, по-видимому, пережить период бурного, экспоненциального роста новых технологий, связанного со
слиянием целого ряда традиционных наук (особенно биологии,
информатики и т. д.) и их взаимным обогащением.
Анализ этических проблем, связанных с развитием нанотехнологий, дает В. Бейнбридж (подробнее см. [2], гл. 19).
Нанотехнологии рассматриваются обычно в качестве
следующего этапа развития науки и техники, вследствие чего
при их обсуждении речь идет чаще всего о повышения качества, надежности и возможности новых изделий. Однако в данном контексте нельзя не отметить, что некоторые особенности
нанотехнологий делают их опасными для здоровья человека и
состояния окружающей среды Опасности связаны с тем, что
очень часто химические, электрические и механические свойства наночастиц существенно отличаются от свойств веществ в
объемном состоянии. Перед внедрением наноматериалов в
массовое производство необходимо, прежде всего, разработать
методики тщательного описания и оценки их характеристик, а
также должна быть исследована потенциальная опасность возможного применения любых конкретных наноматериалов.
Проблема опасности внедрения любых новых технологий
осложняется тем, что их реальные последствия выявляются
лишь после завершения всего жизненного цикла производства,
т.е. после этапов научно- исследовательских и конструкторских работ, коммерциализации результатов и длительной эксплуатации продуктов, а также их обслуживания, хранения и
утилизации. Очень часто опасности и риски отдельных этапов
проявляются со значительным запаздыванием, что снижает
достоверность оценки.
Следует учитывать возникновение опасностей и рисков,
связанных с ошибочным или преступным использованием новых технологий. С другой стороны, следует помнить, что
опасность неправильного применения присуща практически
всем технологиям, и было бы несправедливо требовать, чтобы
нанотехнологии в этом отношении оказались более безопасными.
Кроме указанных и довольно понятных осложнений, появление нанотехнологий вновь напомнило о старой этической
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]