nano_1_97_4_lec

встановлення атомів потрібних речовин на місце. Роботи з формування елект-

родів нового транзистора проводили в ізольованій камері, в якій був створений надзвичайно глибокий вакуум. Для встановлення в структуру транзистор клю-

чового атома фосфору був використаний процес літографії, а функціонував транзистор в захисній атмосфері з чистого водню.

У світі вже було зроблено декілька спроб створення транзисторів на ос-

нові одного єдиного атома, але переважна більшість цих спроб закінчилися не-

вдало. Транзистори, створені в ході завершених спроб, не забезпечували при-

йнятних електричних характеристик і частотних властивостей. Тому вважають,

що успіх австралійських дослідників є першим вдалим випадком створення транзистора на базі одного атома речовини.

Нанокристали

Нанокристали (рис. 73) отримують методами випаровування та конден-

сації металів. Отримані нанокристали з розмірами у декілька нанометрів у діа-

метрі мають унікальні характеристики. Вони можуть бути утричі жорсткіші,

ніж їх макроскопічні аналоги. Окремі нанокристали є квантовими точками — за допомогою масивів з таких кристалів завбільшки 7 нм можна досягти густини запису інформації до 10 трлн. біт на квадратний дюйм. За такої густини запису інформації носій розміром з невелику монету може створити ємність до 5 Тб,

якої достатньо для запису інформації, що містить велика бібліотека. Також під час виготовлення масивів наноточок використовують ефект самовільного ство-

рення атомарних кластерів, що дозволило досягти майже однакових їх розмірів.

Прикладів застосування квантових точок багато — це і майбутня програмована матерія, і вже виготовлені окуляри нічного бачення.

141

Рисунок 73 — Нанокристали

Пластикова наноплівка

Пластикова наноплівка. Будь-який мобільний пристрій зможе відтворю-

вати тривимірні зображення завдяки новій пластиковій плівці Створення три-

вимірних зображень на мобільних пристроях, перегляд яких не вимагає викори-

стання спеціальних окулярів, є досить старою технологією. Ще в 2010 році компанія Nintendo представила ігрову консоль 3DS, яка відтворювала тривимі-

рне зображення, а в 2011 році компанією Global Wave була розроблена плівка

Pic3D, нанесення якої на екран мобільного пристрою перетворювало його в тривимірний дисплей.

Останнім досягненням в області тривимірних зображень є пластикова плівка, подібна до плівки Pic3D, поверхня якої являє собою масив опуклих мік-

ролінз. Нову плівку виготовляють за сучасною технологією нанодруку, за до-

помогою якої на поверхню гладкої полімерної плівки наносять двоопуклі лінзи з матеріалу, що має хороші оптичні властивості. Водночас, така плівка залиша-

ється достатньо гнучкою для того, щоб її легко можна було нанести на поверх-

ню звичайних екранів мобільних пристроїв, після чого ці пристрої стають здат-

ними відтворювати тривимірні зображення.

Технологію виробництва нової плівки розробили фахівці сінгапурських інститутів Temasek Polytechnic (TP) та A*STAR Institute of Materials Research and Engineering's (IMRE). Сінгапурські дослідники мають наміри піти набагато далі,

ніж це вдалося зробити компанії Global Wave. На додаток до виробництва три-

вимірної плівки-покриття для екранів мобільних пристроїв фахівці компанії ро-

зробили кілька додатків для Apple i OS та Android, які будуть працювати над конвертацією зображень із звичайного двомірного в тривимірний формат (у то-

му числі і в режимі реального часу). Також буде запропоновано програмне за-

безпечення, яке допоможе розробникам ігор допоміжних пристроїв без особли-

вих зусиль перетворити їх в тривимірний формат (рис. 74).

142

Рисунок 74. — Пластикова наноплівка для створення тривимірних зображень

Ракетне паливо

Ракетне нанопаливо — американські дослідники розробили новий вид ракетного палива на основі замороженої суміші льоду та порошку алюмінію.

Такий вид палива не тільки більш екологічно чистий за той, що нині викорис-

товують, але й може бути вироблений на будь-якій планеті, де є вода. Під час випробувань, проведених НАСА та Університетом Пенсільванії, триметрова ракета злетіла на висоту 400 метрів і пролетіла 16 км.

Інженери з Прінстона (США) розробили присадку до палива, яка містить нанокаталізатори його загоряння. Каталізаторами є часточки графену з розмі-

рами від 200 до 500 нм, які викликають загоряння палива за значно нижчих те-

мператур та значно інтенсифікують процес. Це дозволить реактивним літакам літати на гіперзвукових швидкостях і збільшить ефективність двигунів внутрі-

шнього згоряння.

Нанопил

Нанопил — у майбутньому на озброєнні армій може з'явитися нанопил,

який являє собою дуже дрібні часточки, які здатні викликати великі руйнування на надзвичайно великі віддалі від епіцентру вибуху. Американські вчені вста-

новили, що промислові відходи обробки різних наноматеріалів, має високу пі-

рофорність і здатність вибухати. Для детонації потрібно лише невелика іскра

(рис. 72).

143

Рисунок 72. — Мистецьке представлення дії нанопилу

Матеріали з водовідштовхувальною наноповерхнею

Матеріали з водовідштовхувальною наноповерхнею — ефекти кипіння рідин без утворення бульбашок вже були реалізовані вченими за допомогою рі-

зних фізичних прийомів, але новий варіант кипіння без утворення бульбашок дозволяє воді виступати в ролі високоефективного охолоджувача для об'єктів,

температура яких значно перевищує точку кипіння води.

Це явище описує так званий ефект Лейденфроста. Він полягає у тому, що висока температура випаровує достатньо води для створення парової сорочки між нагрітою поверхнею та водою. Коли температура поверхні знижується,

крапля води знову входить з нею в зіткнення і відбувається мікровибух, викли-

каний моментальним випаровуванням певної кількості води (рис. 76, а).

Прояв ефекту Лейденфроста створює великі проблеми на металургійних,

хімічних підприємствах і в ядерних реакторах — скрізь, де вода може увійти у зіткнення з перегрітими металевими поверхнями. В окремих випадках це може призвести до вибуху. Проте, якщо змусити воду весь час триматися на певній відстані від поверхні, то верхній шар матеріалу швидко охолоне до температу-

ри кипіння води і ризику вибуху можна повністю уникнути.

Для протидії вибуху пари вчені покрили поверхню металевих куль надгі-

дрофобним покриттям на основі наночастинок. Кулі були нагріті до 400 °C і пі-

сля цього скинуті у воду. Замість того, щоб створити невеликий паровий вибух навколо сильно нагрітого металу, вода, яка не входила в контакт з поверхнею,

інтенсивно нагрілася без активного утворення бульбашки, а температура пове-

рхні кулі швидко знизилася до 100 °C (рис. 76, б).

144

Рисунок 76. — Інтенсивне кипіння води (а) та пригнічення ефекту Лейденфроста (б)

Таку технологію упередження вибухового утворення пари можна викори-

стовувати в окремих галузях промисловості, у тепловій і атомній енергетиці,

роблячи технологічні процеси більш безпечними.

Наноферомагнітні рідини

Наноферомагнітні рідини — це рідина — нафта, органічний розчинник або просто вода, заповнена крихітними наночастинками, до 10 нанометрів діа-

метром. Для того, що б ці частинки не збивалися в щільні утворення їх поверх-

ня покрита спеціальним складом, сурфактантом. Зовні така рідина нагадує зви-

чайну в'язку рідину, але варто на неї вплинути за допомогою зовнішнього магнітного поля, вона тут же перетворюється, стаючи рухомою, текучою, і на-

буває дивовижні форми. Застосовуючи кероване змінне магнітне поле складної конфігурації, можна змусити цю рідину текти в потрібному напрямку і набува-

ти зовсім вже екзотичні форми.

Феромагнітні рідини відомі вже досить давно, їх застосовують в різних пристроях і механізмах. Основною сферою застосування таких рідин є їх вико-

ристання як бар'єрів, що оберігають вузли складних і точних механізмів від проникання пилу та інших забруднювальних речовин. Так само феромагнітні рідини свого часу використовували в потужних високоякісних акустичних сис-

145

темах, де з їх допомогою вдавалося отримати більш високу вихідну потужність,

уникаючи перегріву голівок динаміків.

В сьогоднішній час окремі вчені і групи дослідників знову звернули свою увагу на феромагнітні рідини, але вже на іншому, мікро- і нанорівні (рис. 80). В

лабораторії електромагнітних та електронних систем (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems) Массачусетського технологічного інсти-

туту проводять дослідження феромагнітних рідин з метою застосування їх для створення керованих мікроелектромеханічних і наноелектромеханічних систем.

Рисунок 80. — Феромагнітна рідина на поверхні графену

146

Лекція 18

Новітні досягнення у наноматеріалознавства: силіцен; композиції штучних та природних наночастинок; нанорідинні системи; аерогелі; аерографіт; нанобе-

тон; нанокаталізатори; нанодисперсія. Наноявища.

Силіцен

Силіцен — матеріал у вигляді одноатомної плівки, але на цей раз з Силі-

цію (рис.81) найближчим часом може стати конкурентом графену, найбільшій знаменитості в галузі наноматеріалів. Технологію його отримання розробили в Інституті науки і технологій в Ішікаві, Японія. Листи силіцену вирощували на поверхні керамічної підкладки з дібориду цирконію (рис. 82). Рентгенографічні дослідження показали, що новий матеріал має таку ж шестигранну стільникову структуру, як і графен.

Опубліковані літературні дані вказують на те, що крім схожої структури,

графен і силіцен володіють й іншими подібними властивостями, у тому числі й електричними. графену. Проте навіть якщо новий матеріал, силіцен, і буде мати властивості, подібні до властивостей графену, то він навряд чи зможе стати йо-

му гідним конкурентом. Це буде залежати від складності і вартості процесу йо-

го виробництва порівняно з цими показниками у випадку графену.

Рисунок 81. — Структура силіцену

147

Рисунок 82. — Наносмужки силіцену на підкладці дібориду цирконію

Композиції штучних та природних наночастинок Об'єднання наночастинок штучного та природного походження дозволяє

створити метаматеріали з унікальними властивостями. Вчені з університету Аальто у Фінляндії саме з таких наночастинок створили нові кристалічні струк-

тури. Як наночастинки природного походження використали частини вірусів певного типу та декотрі інші білкові молекули, а роль неорганічних частинок відігравали наночастинки золота та оксиду заліза. В результаті у вчених вийш-

ли прозорі кристалоподібні шаруваті структури, що отримали назву суперґрат-

ки (superlattices) — метаматеріали, що володіють цілим набором унікальних магнітних, хімічних і оптичних властивостей.

Створюючи біогібридні тривимірні суперґратки (рис. 84), що складаються з наночастинок і білків, що чергуються в певному порядку, отримали кінцевий метаматеріал, властивості якого є комбінацією заздалегідь відомих властивос-

тей його компонентів. За такого підходу є перспектива в майбутньому проекту-

вати і створювати матеріали, що володіють цілим набором неймовірних і уніка-

льних властивостей.

Учені продемонстрували, що фрагменти вірусу або молекули білка фери-

тину можуть використовуватися для складання суперґраток з молекул РНК і

148

наночастинок з оксиду заліза, які набувають унікальних магнітних властивос-

тей завдяки взаємодії з золотими наночастинками, несучими електростатичний електричний заряд. Наночастинки золота і фрагменти вірусів формують уніка-

льний вигляд кристалічної ґратки, у якої немає аналогів серед відомих атомар-

них або молекулярних кристалічних структур.

Рисунок 84. — Тривимірні моделі будови біогібридних ґраток

Проводячи свої дослідження, вчені прагнуть створити ієрархічно струк-

туровані "листкові" наноматеріали, що мають заздалегідь розраховані оптичні,

магнітні, електронні, каталітичні та інші властивості. Подібні матеріали, у разі успішного їх створення, займатимуть широкий ряд застосувань в оптиці, елект-

роніці, медицині та для створення всіляких високочутливих давачів, здатних реагувати на зміни фізичних і хімічних параметрів.

Нанорідинні системи

Нанорідинні системи мають канали у декілька десятків та сотень наноме-

трів. Вони можуть працювати у складі лабораторій-на-чипі, які виконують екс-

прес-аналізи ДНК, білків та інших біомолекул.

Біочипи являють собою матрицю — квадратну пластинку зі стороною 5– 10 міліметрів, на яку можна нанести до декількох тисяч різних мікротестів, — її ще називають «платформою». Частіше за все використовують скляні або плас-

тикові платформи, на які наносять біологічні макромолекули (ДНК, білки, фер-

менти), здатні вибірково зв'язувати речовини, що містяться в аналізованому ро-

зчині. Такий пристрій здатний за короткий час визначати декілька тисяч різних

149

біологічно активних речовин і навіть генетичних дефектів. Технологія білкових біотипів, які замінюють цілі імунологічні лабораторії, надає можливість у тися-

чі та десятки тисяч разів збільшити продуктивність більшості діагностичних методів і значно зменшити собівартість аналізів. Залежно від виду використо-

вуваних макромолекул розрізняють різні види біочипів, серед яких основну ча-

стку складають ДНК-чипи (94 %), тобто матриці, які несуть молекули ДНК.

Решта складають білкові чипи.

ДНК-біочип, ДНК-мікрочип (англ. DNA microarray, DNA chip або gene chip) — це узагальнена назва технології, яка передбачає використання невели-

кого за розмірами твердого носія для ідентифікації молекул ДНК та РНК, про-

ведення одночасно множинного кількісного аналізу експресії генів. ДНК-

біочипи також інколи називають мікроареями. Ідея створення біочипів виникла на основі застосування Саузерн-блоту, де специфічна послідовність ДНК, яка є ковалентно закріпленою до субстрату (матриці), гібридизується із досліджува-

ною, привнесеною послідовністю ДНК. Вперше застосування ДНК-біочипу бу-

ло описано в статті U. Maskos та E.M. Southern. Біочіп не містить традиційних для мікросхем напівпровідників, має вигляд скляного чи полімерного слайду із вибірково закріпленими молекулами ДНК. Матеріал, з якого зроблений носій,

технологія нанесення біологічних молекул, їх вид, а також способи їх виявлен-

ня можуть бути сильно змінюваними. Але спільним залишається принцип мік-

роскопічного щільного нанесення і одночасного тестування цих молекул. ДНК-

мікрочипи зазвичай використовують для одночасного аналізу рівнів експресії тисяч генів одночасно або для порівняльної гібридизації геномів. Окрім аналізу ДНК, біочипи можуть бути застосовані для тестування різноманітних біомоле-

кул, наприклад білків.

Експресія генів — процес, за якого спадкову інформацію генів, наприклад нуклеотид-

ну послідовність, використовують для синтезу функціонального генетичного продукту, на-

приклад, білка або РНК.

150