No Image

Обзор нанотехнологий

22 просмотров
04 декабря 2023

Нанотехнология — это междисциплинарная область, включающая физику, химию, биологию, материаловедение и весь спектр инженерных дисциплин. Слово «нанотехнология» широко используется как сокращение для обозначения как науки, так и технологии в этой развивающейся области. В узком смысле нанонаука — это базовое понимание физических, химических и биологических свойств в атомных и околоатомных масштабах. Нанотехнологии, в узком смысле, используют контролируемое манипулирование этими свойствами для создания материалов и функциональных систем с уникальными возможностями.

В отличие от недавних инженерных усилий, природа разрабатывала «нанотехнологии» миллиарды лет, используя ферменты и катализаторы для организации с изысканной точностью различных видов атомов и молекул в сложные микроскопические структуры, которые делают возможной жизнь. Эти природные продукты созданы с большой эффективностью и обладают впечатляющими возможностями, такими как способность собирать солнечную энергию, превращать минералы и воду в живые клетки, хранить и обрабатывать огромные объемы данных с помощью больших массивов нервных клеток и идеально воспроизводить миллиарды битов информации, хранящихся в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Существует две основные причины качественных различий в поведении материалов в наномасштабе (традиционно определяемом как менее 100 нанометров). Во-первых, при очень малых размерах вступают в действие квантово-механические эффекты, которые приводят к новым физическим и химическим открытиям. Во-вторых, определяющей особенностью наномасштаба является очень большое отношение поверхности к объему этих структур. Это означает, что ни один атом не находится очень далеко от поверхности или интерфейса, и поведение атомов в этих высокоэнергетических местах оказывает значительное влияние на свойства материала. Например, реакционная способность металлической частицы-катализатора обычно заметно возрастает по мере уменьшения ее размера: макроскопическое золото химически инертно, тогда как в наноразмерах золото становится чрезвычайно реакционноспособным и каталитически активным и даже плавится при более низкой температуре. Таким образом, при наноразмерах свойства материалов зависят от размера, состава и структуры и изменяются в зависимости от них.

С помощью процессов нанотехнологии базовое промышленное производство может резко отклониться от курса, которым следовали сталелитейные и химические заводы прошлого. Сырьем будут служить атомы распространенных элементов — углерода, водорода и кремния, которые будут манипулироваться в точных конфигурациях для создания наноструктурированных материалов, обладающих свойствами, точно подходящими для каждого конкретного применения. Например, атомы углерода могут быть соединены вместе в различных геометрических формах, чтобы создать волокно, трубку, молекулярное покрытие или проволоку, обладающие превосходным соотношением прочности и веса другого углеродного материала — алмаза. Кроме того, для обработки такого материала не нужны дымовые трубы, энергоемкое промышленное оборудование или интенсивный человеческий труд. Вместо этого можно либо «выращивать» новые структуры с помощью комбинации химических катализаторов и синтетических ферментов, либо создавать их с помощью новых технологий, основанных на структурировании и самосборке наноразмерных материалов в полезные заранее заданные конструкции. В конечном итоге нанотехнологии могут позволить людям создавать практически любые материалы и продукты, допустимые по законам физики и химии. Хотя такие возможности кажутся отдаленными, даже приближение к виртуозности природы в области энергоэффективного производства было бы революционным.

Еще более революционным будет создание наноразмерных машин и устройств для встраивания в микро- и макромасштабные системы. И снова природа стала лидером в создании линейных и вращательных молекулярных двигателей. Эти биологические машины выполняют такие задачи, как сокращение мышц (у самых разных организмов — от моллюсков до человека) и перемещение маленьких пакетов материала внутри клеток, питаясь при этом перерабатываемым и энергоэффективным топливом — аденозинтрифосфатом. Ученые только начинают разрабатывать инструменты для создания функционирующих систем в таких малых масштабах, и большинство достижений основано на электронных или магнитных системах обработки и хранения информации. Энергоэффективные, реконфигурируемые и самовосстанавливающиеся аспекты биологических систем только начинают изучаться.

Ожидается, что потенциальное влияние нанотехнологических процессов, машин и продуктов будет далеко идущим и затронет практически все мыслимые информационные технологии, источники энергии, сельскохозяйственную продукцию, медицинские приборы, фармацевтические препараты и материалы, используемые в производстве. Тем временем размеры электронных схем на полупроводниках продолжают уменьшаться, и минимальные размеры элементов уже достигли нанорельефа — менее 100 нанометров. Аналогичным образом, материалы магнитной памяти, составляющие основу жестких дисков, достигли значительно большей плотности памяти в результате наноразмерного структурирования для использования новых магнитных эффектов в наноразмерах. Эти две последние области представляют собой еще одну важную тенденцию — переход критических элементов микротехнологий в сферу нанотехнологий для повышения производительности. Это огромные рынки, обусловленные стремительным развитием информационных технологий.

Комментировать
22 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев
No Image Технологии
0 комментариев