nano_1_97_4_lec

Керувати складальниками будуть нанокомп'ютери, які запрограмовані будь-якою звичайною мовою керування промисловими роботами і які мають зв'язок із звичайним комп'ютером, керованим людиною.

Рисунок 12. — Макет асемблера

Асемблери можуть працювати у парі з дизасемблерами — наномашина-

ми, здатними розбирати об'єкт на атоми із записом його структури на молеку-

лярному рівні. Наприклад, для створення копії якогось об'єкту необхідно, щоб дизасемблер розібрав його атом за атомом і передав усю інформацію про тип атомів, їх розташуванні і таке інше асемблеру, який потім може створювати ко-

пії такого об'єкту будь-яку кількість разів. Теоретично така копія нічим не буде поступатися оригіналу — вона буде повторювати його аж до окремого атома.

Дизасемблери також допоможуть краще дослідити атомну будову речовини. Як було зазначено, асемблери будуть володіти здатністю до реплікації (розмно-

женню). Якщо ставити на меті еволюційний розвиток, то реплікатор — це об'єкт, який здатний сам себе скопіювати, включно з будь-якими змінами, які з ним проводили. Реплікується (розмножується шляхом створення своєї копії)

асемблер за командою макрокомп'ютера або залежно від оточення.

Таким чином, створивши один єдиний універсальний асемблер, здатний створювати власну копію, за декілька годин можна отримати задану кількість

таких пристроїв. Самою великою проблемою асемблерів є складність їх почат-

41

кового конструювання. Тим не менш, лабораторії усіх світових держав ведуть боротьбу за право бути першими у цьому революційному проекті.

Триботехніка Перспективи застосування пов'язані з тим, що металічні матеріали з нано-

структурою володіють підвищеною порівняно зі звичайним структурним ста-

ном твердістю та зносостійкістю (рис. 13).

Следует отметить, что присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полномерной пленки толщиной — 100 нм. Образованная пленка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400—500 ºС и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

Рисунок 13. — Наношестерні

Іншим напрямком у цій сфері є використання полінанокристалічних ал-

мазів та алмазоподібних покриттів, а також надтвердих речовин на базі фулере-

нів (наприклад сфероподібних молекул С60) і фулеритів (легованих фулеренів,

наприклад FexC60). Наноструктурні багатошарові плівки складного складу на основі кубічного BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N) володіють високою або ультрави-

сокою (до 70 ГПа) твердістю. Вони добре зарекомендували себе у разі тертя ко-

взання, у тому числі в умовах ударного зношування. Як самозмазувальні пок-

риття для космічної техніки запропоновані багатофазні наноструктурні покриття на основі TiB2-MoS2 з твердістю 20 ГПа та коефіцієнтом тертя ков-

42

зання по сталі 45 — 0,05. Металеві нанопорошки додають до моторних мастил для відновлення поверхонь тертя.

Захист матеріалів

У ряді випадків для надійного функціонування виробів необхідно забез-

печити високі водота масловідштовхувальні властивості їх поверхні. Прикла-

дами таких виробів можуть слугувати автомобільні скла, скління літаків і кора-

блів, захисні костюми, стінки резервуарів для зберігання рідин, будівельні конструкції тощо. З цією метою розроблене покриття на основі наночастинок оксиду титану з розмірами 20–50 нм та полімерної зв'язки. Таке покриття знач-

но знижує ступінь змочування поверхні водою, олією та спиртовими розчинами

(рис. 14).

а б

Рисунок 14. — Покриття на основі наночастинок оксиду титану: а – структура поверхні, б) змочування цементної плити спиртовим розчином, дистильованою водою та олією

Інструментальні матеріали Інструментальні сплави з нанозерном є як правило більш стійкими порів-

няно зі звичайним структурним станом. Нанопорошки металів з включеннями карбідів використовують як шліфувальний та полірувальний матеріал на кінце-

вих стадіях обробки напівпровідників і діелектриків.

43

Лекція 6

Сфери використання наноматеріалів. Електронна техніка та інформаційні тех-

нології.

Електронна техніка та інформаційні технології Комп'ютерна техніка та електроніка одними з перших отримають реальну

можливість використання нанотехнологій на практиці. Унаслідок цього відбу-

деться багатократне зростання продуктивності систем передачі, опрацювання та зберігання інформації.

Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки і інформаційних технологій. У 1965 році можна було вмістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У 1971 році — 2 тис. Нині один чип містить близько 40

млн. транзисторів завбільшки 130—180 нанометрів, і з'явилися повідомлення,

що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступною для більшості спожива-

чів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн. транзисторів.

У 1965 році Гордон Мур, фахівець у галузі фізичної хімії, зробив знаме-

ните передбачення, яке було названо «Закон Мура» він проголосив, що кіль-

кість транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декі-

лькох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: для підтве-

рдження справедливості «Закону Мура», потрібно, щоб транзистор був не бі-

льшим за 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровід-

никових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

44

Наноситеми володіють ще однією важливою властивістю — разом зі зме-

ншенням розмірів зменшується і характерний час перебігу різноманітних про-

цесів у системі, тобто зростає потенціальна швидкодія. У теперішній час у комп'ютерів серійного виробництва досягнута швидкодія 1 нс, і в окремих на-

ноструктурах її можна зменшити до на декілька порядків. Проте існуючі масові технології виробництва практично досягли границі своїх теоретичних можли-

востей і потребують кардинального оновлення. За оцінками спеціалістів у галу-

зі стратегічного планування ситуація, що зараз склалася, за багатьма ознаками аналогічна до тієї, яка передувала тотальній комп'ютерній революції. Водночас очікується, що наслідки нанотехнологічної революції будуть ще більш всеохо-

плюючими та глибокими. Підтвердженням цьому є те, що вже за декілька останніх років розроблені сотні наноструктурованих продуктів функціонально-

го призначення і реалізовані десятки способів їх отримання та серійного вироб-

ництва (рис. 14).

Комплекс магнітних характеристик декотрих наноматеріалів (армко-

залізо в поєднанні з шарами халькогенідів робить перспективним їх викорис-

тання для записувальних пристроїв. Плівкові наноматеріали з плоскою поверх-

нею або поверхнею складної форми з магнітом'яких сплавів використовують для відеоголівок магнітофонів, де вони суттєво переважають за службовими властивостями традиційні матеріали. Розроблені наноструктурна нікелева фо-

льга і магнітом'який наносплав «Файнмет».

Висока коерцитивна сила ряду наноматеріалів робить перспективним їх використання як постійних магнітів. Вуглецеві нанотрубки, напилені залізом, а

також інтерметалідами самарію з кобальтом типу SmxCoy застосовують у магні-

тних чорнилах і тонерах.

Вуглецеві нанотрубки, заповнені карбідами тугоплавких металів (TaC, NbC, MoC) можна використовувати як надпровідники. Додавання нанопорош-

ків до складу ряду надпровідників може покращувати такі показники, як темпе-

ратура переходу у надпровідний стан и критична густина струму за рахунок утворення додаткових центрів пінінгу.

45

Рисунок 15. — Колаж засобів та застосувань нанотехнологій в електронній техніці

Плівки Ti-C-B з розміром зерна приблизно 2 нм володіли оптимальними електрофізичними властивостями як резистори з високою термічною стабільні-

стю порівняно з об'ємними виробами. Упорядковані структури у вигляді «ки-

лимів» з нанодротів можуть бути використані як сенсори або елементи екранів високої роздільності. З'єднання вуглецевих нанотрубок з різною хіральністю

(тобто скрученістю кристалічної ґратки відносно осі трубки) утворюють нано-

діод, а трубка, яка лежить на поверхні окисненої кремнієвої пластини — канал польового транзистора (рис. 15).

Рисунок 15. — Схема польового транзистора на основі вуглецевої нанотрубки діаметром 1,6 нм

Для пристроїв запису даних надвисокої густини, у тому числі для так зва-

них квантових магнітних дисків, розроблені отримувані електролітичним оса-

дженням на пористу підкладку з оксиду алюмінію нанодроту з сплаву Fe0,3Co0,7

46

діаметром 50 нм (рис. 16). Фулерени і наноматеріали на їх основі є перспектив-

ними матеріалами для створення виробів напівпровідникової, оптичної та фо-

тоелектричної техніки. Композитні фулереноосновні плівки С60-CdTe з вмістом 15–20 мас.% CdTe є основою для отримання регулярних на-

ноструктур із заданими оптичними властивостями (рис. 17).

а б

Рисунок 16. — Нанодроти з сплаву Fe0,3Co0,7 діаметром 50 нм: а — вид згори на підкладку з нанодротами (РЕМ), б — вид дротів (ПЕМ)

Рисунок 17. — Нанорозмірна сітчаста структура з періодом 780 нм і вмістом CdTe 15 мас. %

Нанотехнології на основі методу іонно-атомного осадження дозволяють отримувати для електронних і оптичних виробів нанокомпозиції «покриття – перехідний шар – підкладка» з термодинамічно незмішуваних елементів, які вирізняє висока адгезія та стійкість до зовнішніх термічних і механічних впли-

вів, наприклад, плівки золота на кремнієвих підкладках зі структурою поверхні у вигляді набору атомно-гладких сфероїдальних сегментів (рис. 18).

47

Рисунок 18 — Тривимірне зображення ділянки поверхні покриття золота на кремнієвій підкладці завбільшки 360×360 нм, отриманої методом іонно-

атомного осадження

Як перспективні напівпроводникові матеріали розглядають епітаксійні шари GaN,у тому числі на сапфіровій підкладці, самоорганізація топографічної наноструктури поверхні яких пов'язана з величиною рухливості електронів,

особливостями мозаїчної структури та хімічним складом (рис.19).

Рисунок 19. — Зображення топографічної наноструктури поверхні епітаксіального шару GaN

Засоби відтворення інформації вже поповнилися прозорими та гнучкими дисплеями на основі нанотрубок або квантових точок (рис. 20).

48

Рисунок 20. — Гнучкий дисплей.

49

Лекція 7

Сфери використання наноматеріалів. Енергетика. Ядерна енергетика. Медици-

на і біотехнології. Сільське господарство. Військова справа. Екологія. Космона-

втика.

Енергетика

Завдяки нанотехнологіям вченим зможуть досягти все кращого погли-

нання сонячної енергії. Однією із прогресивних компаній, що здійснює дослі-

дження у цій галузі, є Sandia National Laboratories. Їх фотопоглинальним плів-

кам властивий на 20 % кращий фотоелектричний ефект, ніж сучасним сонячним елементам на основі кремнію.

На основі нанотехнологій американська компанія Engelhard створила щось на кшталт «молекулярних воріт», крізь які проходять молекули двоокису вуглецю, а більші молекули (метанові) залишаються в речовині. Практичне за-

стосування це знаходить під час фільтрації двоокису вуглецю з природного га-

зу, а також при створенні автомобільних каталізаторів.

Hydrocarbon Technologies, дочірня компанія відомої американської ком-

панії Headwaters, розробила методику обробки вугілля за допомогою нанотех-

нологій на молекулярному рівні у такий спосіб, щоб створити з нього екологіч-

но чисте рідке пальне. Саме потреба в заміні нафти сприяла тому, що китайська компанія Shenua Group ще у 2002 році стала партнером американців, і почала застосовувати отримане штучне пальне замість мазуту. Нанометод, створений на іншій дочірній компанії Nanokinetix, дозволяє наповнювачам автомобільних каталізаторів вловлювати леткі органічні залишки вихлопних газів. А компанія

Nanoforce зробила ставку на використання нанокаталізаторів для очищення на-

фти та на технологію збирання врожаю за допомогою натометоду Poly-Web —

мікроскопічних водоростей, що використовуються для виробництва біоетанолу.

Світлові діоди належать до зовсім іншої області застосування нанотехно-

логій. Японська компанія Nichia є на сьогодні провідним виробником техніки освітлення на основі нанотехнологій. Їхні світлові діоди значно ефективніші за

50