Нанотехнологии и наноматериалы - основные понятия, формулы и определение с примерами

Содержание:

Нанотехнологии и наноматериалы:

Достижения в разработке и изготовлении наноматериалов с наперед заданными свойствами различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размера. На основе уже открытых явлений создаются совершенно новые квантовые устройства и системы с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи. В настоящее время перспективы развития в области наноматериалов и нанотехнологий включают в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук. По многим прогнозам именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия.

Основные достижения нанотехнологии, проблемы и перспективы развития наноматериалов

Нанотехнологии – это совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.

Задача нанотехнологии: получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами; применение наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств; исследование структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.

Основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.

Наноматериалы и физические свойства наноматериалов

Наноматериалы – это материалы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм хотя бы в одном измерении, обладающие качественно новыми свойствами вследствие наномасштабных размеров.

Различают одномерные (1D) и двумерные (2D) наноматериалы. Одномерными наноматериалами называют углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода. Одномерные объекты – это цилиндры длиной в несколько микрон с диаметром, равным нескольким нанометрам. Двумерные – это покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности подложки. Толщина двумерного материала должна иметь нанометровые размеры.

У наноматериалов при переходе от больших размеров к малым, наномасштабным меняются механические, тепловые и химические свойства. Эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными, процессы происходят за меньший промежуток времени, меняется цвет, электропроводность, теплопроводность вещества.

Интересно знать! Выпускники МФТИ А. Гейм и К. Новоселов получили Нобелевскую премию «за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена» в 2010 г. В настоящее время Андрей Гейм занимает пост директора нанотехнологического центра, Константин Новоселов является профессором британского университета Манчестера (рис. 261).

Один из самых перспективных наноматериалов – графен, полученный и исследованный фи­зиками Манчестерского университета А. Геймом и К. Новоселовым. Графен представляет собой сверхтонкий слой из атомов углерода, толщиной в один атом. Атомы образуют гексагональную структуру, состоящую из шестиугольников с общими сторонами (рис. 262). Графен обладает высокой электропроводностью, превышающую электропроводность меди. По сравнению со сталью графен прочнее в сто раз, обладает прочностью на разрыв 42 Н/м. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Он имел бы массу 0,77 мг. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Если бумажная салфетка рвется в руках, то с графеном такого не случится. Практически светопрозрачный материал, он поглощает не более 2 % видимого спектра. Плотность его такова, что даже легкие газы, такие как гелий и водород, не проходят сквозь слой графена.

Способы получения наноматериалов

Существует два основных подхода в производстве наноматериалов: измельчение материала, имеющего большие размеры до наноразмеров или путем выращивания их из атомов и молекул. Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. В основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава. К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

При изготовлении двумерного графена К. Новоселов и А. Гейм использовали метод отслаивания или «отшелушивания» на подложке окисленного кремния Так им удалось решить проблему стабилизации двумерной пленки. Метод отслаивания позволяет работать со слоистыми материалами. Открытие графена привело к созданию целого класса принципиально новых двумерных материалов с уникальными свойствами: двумерные кристаллы

Сферы применения нанотехнологии

Нанотехнологии приобретают все большее значение и могут использоваться во всех промышленных отраслях, в частности в электронике, энергетике, медицине, строительстве и автомобилестроении.

Электроника

Развитие нанотехнологического процесса при изготовлении транзисторов для микро-процессоров в компьютерной технике позволило уменьшить их размеры от 90 до 14 нм. При таких размерах на одном сантиметре кремния можно разместить миллиард транзисторов. Благодаря развитию наноэлектроники происходит уменьшение элементарной ячейки запоминающих устройств. Использование наноматериалов позволяет создавать устройства с уникальными гибкими, влаго- и ударопрочными свойствами, которые имеют высокий коэффициент полезного действия и длительный срок службы. Ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника (рис. 264). Графен обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые делают его незаменимым в самых разных сферах, на его базе можно создавать сенсорные экраны, гибкие электронные приборы (рис. 265). Графен – будущее микроэлектроники, на базе графена будут создавать элементы электронных схем, увеличится объем обрабатываемой информации в компьютерах от гигагерц до терагерц.

Энергетика

На основе нанотехнологий разработаны солнечные элементы, поглощающие энергию в инфракрасной части спектра. Металлические наноантенны в виде крошечных квадратных спиралек наносятся на пластмассовую подложку. КПД такой конструкции достигает 80 %, КПД стандартных солнечных батарей только 20 %. Часть солнечной энергии, поглощенной Землей, интенсивно излучается в течение нескольких часов после захода Солнца; наноантенны чувствительны к инфракрасному излучению и действуют дольше, чем обычные солнечные батареи. Изготовлены солнечные батареи из графена, они более эффективны в сравнении с кремниевыми батареями, имеют толщину бумажного листа (рис. 266).

Появились большие перспективы в изготовлении накопителей энергии. На несколько порядков увеличились емкости зарядных устройств, изготовленных на основе нановолокон кремния, а также графена. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд. Ионная проводимость нанокомпозитов позволяет создавать миниатюрные гибкие батареи. Вновь привлекли внимание ионисторы – суперконденсаторы, благодаря нанотехнологиям ими можно заменить аккумуляторы (рис. 267). Суперконденсаторы обладают преимуществом: для зарядки нужны считанные секунды, емкость конденсатора значительно превышает емкость аккумулятора.

Медицина

Сочетание биологических и медицинских знаний вместе с достижениями электроники позволяют, используя нанотехнологии и наноматериалы, создавать микроэлектронные устройства (чипы) для контроля здоровья человека или животного.

В перспективе наночастицы будут использовать как средство доставки лекарств в пораженный участок организма. В перспективе графен будет широко применяться в таких отраслях, как медицина – суперпрочные имплантаты.

Интересно знать! Компании Sunvault Energy удалось создать крупнейший в  мире графеновый суперконденсатор емкостью 10 тысяч фарад. Графеновые суперконденсаторы  – это революционный прорыв в  области накопления энергии. В сочетании с недорогими солнечными панелями графеновые конденсаторы дадут миллионам людей шанс обрести энергетическую независимость от сетей электроснабжения.

Строительство

Покрасочные материалы для фасадов зданий на основе порошка известняка и графена, способны длительное время защищать стены от атмосферных воздействий и перепадов температур. При эксплуатации в экстремальных условиях износ строений будет минимальным. Уникальные по прочности конструкции, тросы, кабеля и балочные элементы зданий в сочетании с классическими строительными материалами позволят создавать сооружения, поражающие воображение.

Интересно знать! В компании Sunvault графен получили с помощью обычного СD-диска, на который налили порцию взвеси графита. Затем диск был вставлен в DVD привод. Диск прожгли лазером по специальной программе (рис. 268). Фирма работает над тем, чтобы графеновые накопители энергии можно было изготавливать обычной печатью на 3D-принтере.

Физика в нашей жизни

Графеновый фильтр для очистки и опреснения воды Ряд ученых для изготовления фильтров, быстро очищающих воду, предполагают использовать графен. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что ее толщина будет порядка 0,3 нм, что позволит ускорить процесс очистки воды. Кроме того, она позволит опреснить морскую воду. Таким образом, графеновый фильтр – незаменимый атрибут в походных условиях и в морских путешествиях.

Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие – тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Инженерами Массачусетского технологического института был найден способ восстанавливать разрывы, заполняя их полимерами в результате химического осаждения, но этот метод пока эффективен в лабораторных условиях при постоянном контроле за процессом очистки и состоянием мембраны.

Инженеры из Университета Вашингтона в Сент-Луисе разработали биопленку, состоящую из целлюлозы и оксида графена. Покрыв грязные или соленые водоемы, пленка впитывает в себя воду, как губка, и затем испаряется в верхнем слое под воздействием солнечных лучей, оставляя соли и примеси в фильтре – нижнем слое пленки. Для уничтожения бактерий в биопленку инженеры решили включить кроме графена другие наноструктурные материалы. Продолжается работа над улучшением качества пленки для производства безопасной питьевой воды из любого загрязненного источника (рис. 269).

Интересно знать!

1974 г. Японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.

1981 г. Немецкими физиками Гердом Биннигом и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне.

1985 г. Открыт новый класс соединений – фуллерены, за что американский химик Роберт Керл, британский химик Харольд Крото и американский физик Ричард Смолли получили Нобелевскую премию в 1986 г. 1

986 г. Сканирующий атомно-силовоймикроскоп (АСМ) расширил типы исследуемыхматериалов. 1988 г. Французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления, после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи.

1991 г. Японский исследователь Сумио Иидзима открыл углеродные нанотрубки.

1998 г. Голландский физик Сиз Деккер создал первый транзистор на основе нанотрубок.

2004 г. Сиз Деккер соединил углеродную нанотрубку с ДНК, заложил основу для начала развития бионанотехнологии.

2004 г. Российские физики: подданный Нидерландов А.К. Гейм и  британский подданный К.С. Новоселов открыли новый материал графен, за исследования свойств которого получили Нобелевскую премию в 2010 г.

Глоссарий:

• Графен – сверхтонкий слой из атомов углерода, толщиной в один атом.
• Нанотехнологии (НТ) – совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.
• Наноматериалы – материалы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм хотя бы в одном измерении, обладающие качественно новыми свойствами вследствие наномасштабных размеров.