Метрика

Развитие нанотехнологий

За нанотехнологиями будущее. Ведь под непонятным термином скрывается возможность воздействия на мир на молекулярном уровне. Развитие отрасли поможет отойти от грубых примитивных методов обработки и создания материалов и устройств. Это должно значительно улучшить качество жизни,  и поднять человечество на новую ступень цивилизации.

История развития нанотехнологии

Принято считать, что нанотехнологии – прерогатива последнего столетий. Это и верно и нет одновременно. Ведь первым, кто предположил существование атомного мира, был древнегреческий ученый Демократ, и случилось это около 2500 лет назад. Именно он ввел базовое для нанотехнологий понятие «атом», что означает неделимый.

Однако на этом развитие нанотехнологии надолго застопорилось. Новым этапом развития стал 1883 год, когда создатель известной компании «Kodak» изобрел фотоплёнку. Однако на тот момент у атомного мира е было даже своих единиц измерения. Они появились в 1903 году. Альберт Эйнштейн ввел в научный мир понятие «нанометр», обозначив так величину, на которой можно расположить 10 атомов.

Следующие 50 лет развития нанотехнологий оставались на созидательном уровне. Благодаря изобретению, сначала фазово-контрастного микроскопа, а затем и электронного, люди, наконец, смогли заглянуть в мир частиц. Именно в это время появляются теории о том, что нанотехнологии можно использовать в промышленных целях для создания «атомной» точности.

Днем рождения нанотехнологий, в привычном понимании, считается 1959 год. Он ознаменовался выступлением профессора из Калифорнийского технологического университета. На своем выступлении он говорил о возможности управления и контроля материалов на атомном уровне. Одно из первых подтверждений его словам появилось в 1985 году, когда с помощью использования электронного луча на кончике булавки была записана одна страница и з книги «История двух городов».

Теперь нанотехнологии прочно вошли в нашу жизнь, хотя и представляют собой еще не до конца изученную область. Они применяются там, где нужна сверх точность. Разберёмся, что же представляют нанотехнологии на сегодняшний день.

Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов

Для начала, необходимо уточнить какие объекты имеют право носить частицу «нано». Ими являются те объекты, которые хотя бы в одной плоскости имеют размер меньше 100 нм.

На данный момент наноматериалы на мировом рынке представлены в нескольких формах:

  • Порошки. Занимают до 90 процентов рынка;
  • Нановлокна и нанопроволки;
  • Нанопокрытия;
  • Объёмные наноматериалы.

Такая популярность нанотехнологических материалов обоснована тем, что такие материалы получает новые полезные свойства. Особое место среди материалов занимают объёмные объекты. Их особенность в том, что на первый взгляд это – обычный материал. Вот только его строение принципиально новое, и дает новые свойства.

Нанотехнологии — это процесс создания нанообъектов. При этом на сегодня есть два способа создания нанообъектов:

  1. Сверху вниз.
  1. Снизу вверх.

Первый подразумевает конструирование нанообъектов, путем обработки физических тел и приданию им микроскопического размера. Второй – подразумевает сборку материалов до уровня нанообъектов и еще более мелких частиц — атомов. Обычно происходит данный процесс по технологии самосборки, при помощи некоторых катализаторов.

Одним из главных и приоритетных направлений технологии в целом является манипулирование молекулами. Такая технология стала доступна, благодаря созданию сканирующего тоннельного микроскопа. Именно он позволяет проводить простейшие манипуляции на атомном уровне. В частности с помощью СТМ можно:

  • Удалять из молекулярной решетки примеси;
  • Дорабатывать решетку. Вставлять атомы на место прорех в решетке.

Принцип работы СТМ

Тоннельный микроскоп работает благодаря феномену «Тоннельного эффекта». Когда расстояние между золотым зондом и поверхностью достигает 1нм, образуется электрический ток. При этом напряжение этого тока зависит от расстояния от зонда до изучаемой поверхности. Таким образом, сравнивая полученное напряжение можно проводить сканирование поверхности.

Первое в мире целевое перемещение атомов по этой технологии было совершено в 1989 году. Ученые из компании IBM, пользуясь вышеописанной технологией, выложили логотип своей компании 35 атомами ксенона на кристалле никеля. Спустя какое-то время атомы разлетелись, однако данный эксперимент все равно стал значительным прорывом в нанотехнологии.

Особые свойства наноматериалов

Такой шум вокруг нанотехнологий и наноматериалов, как ее производных, сложился не просто так. Сейчас, в эту отрасль вливаются огромные финансовые вложения. В 2007 года нанотехнологии были признаны приоритетным направлением развития всей науки и техники.

Так почему же наноматериалы привлекают столько внимания? Все дело в том, что наноразмер подразумевает изменение первоначальных свойств материала. Например, способность к растяжению нанокристалического никеля увеличивается в пять раз. Прочность увеличивается в разы.

Смесь обычного материала с наноматериалом меняет свойства. Например:

  • Нанокристаллический алюминий, добавленный в ракетное топливо, в несколько раз увеличивает скорость его сгорания;
  • Многослойные углеродные нанотрубки при добавлении в моторное масло увеличивают его теплопроводность.

При этом свойства нанообъектов теряются у кластеров молекул превышающих 1000 штук. Обоснование особых свойств нанообъектов, состоит в том, что у них увеличена доля атомов поверхностного слоя. Соответственно, количество атомов со свободными связями так же увеличено. Данный факт подтверждают исследования нанопорошков. Их результатом стал вывод – чем меньшее число атомов расположено в пылевом облаке, тем сильнее облако реагирует на воздействия, и тем сильнее силы образующегося взрыва.

Области науки связанные с нанотехнологиями

Ценность нанотехнологий в том, что она не является наукой в привычном понимании. Объект ее исследования позволяет открыть новые грани в любой естественной науки. Следовательно, нанотехнологии носят системообразующий характер.

Широкое применение нанотехнологий наблюдается в:

  • Физике;
  • Инженерии и т.д.
  • Нанобиология
  • Наномеханика
  • Нанооптика

Разберемся, каким образом это происходит, и как нанотехнологии проявляются в тех или иных областях.

Области применения нанотехнологии

Важным свойством нанотехнологий является их междисциплинарность. Они являются катализатором, который позволяет, объединить наработки в разных научных отраслях, и получить качественно новые знания.

Электроника

Одним из основных направлений нанотехнологий в электронике являются процессоры и устройства для хранения памяти. Уже сейчас, на одном квадратном сантиметре процессора располагается до миллиарда транзисторов.

То же самое происходит и с устройствами накопления информации. Плотность сжатия постепенно уменьшается, что ведет к постепенному увеличению объёмов жестких дисков, флешек и т.д. Однако, уже скоро направление зайдет а тупик, и дальше расти станет некуда. Потребуется очередной прорыв, кардинально новое понимание процессов, для того чтобы выйти на новый уровень развития.

Энергетика

Нанотехнологии в энергетике могут быть использованы для изготовления сверхточных приборов, а так же в иных прикладных целях. Однако, хотелось бы заострить внимание на новой разработке – элементы поглощающие инфракрасную часть солнечной энергии. Их принцип схож с действием солнечных батарей. Однако в отличии от солнечных панелей прошлого поколения, новое изобретение поглощает 80% солнечной энергии. Обычные солнечные панели – лишь 20%.

В энергетике нанотехнологии призваны решить две фундаментальные проблемы:

  • Помочь в создании приборов, с уменьшенным потреблением энергии;
  • Создать более емкие и жизнеспособные батареи.

Нанотехнологии значительно продвинулись во втором пункте. Идет создание экспериментальных образцов батарей, в которых используются нановолокна кремния. Однако, вместо стандартных ионов углерода, они насыщены ионами лития. Это делает батарею более долговечной, и позволяет ей гнуться,

Медицина

Прикладное использование нанотехнологий в медицине – все тот же тоннельный микроскоп, который позволяет рассмотреть болезни с другого ракурса и приблизиться к их лечению.

Второе направление, пока что только планируемое – создание нанороботов. Такие устройства смогут обеспечить организму стопроцентный иммунитет и вылечить любую болезнь. Ведь их применение будет направленным, без необходимости вовлекать в процесс лечения весь организм.

Менее технологичное, но зато более реальное применение нанотехнологий – специальные мироустройства с набором сенсоров и препаратов. Вживленные в организм они смогут проводить лечение самостоятельно.

К сожалению, из-за недостаточной изученности явлений наномира, некоторые изобретения выглядят как наработки фантастов. Чтобы развеять это ощущение, ниже будут рассмотрены конкретные примеры применения нанотехнологий.

Методы получения нанопорошков

Нанопорошки используется в самых разных отраслях чаще всего как строительный материал. Для создания более крупных нанообъектов. Обязательное условие, при котором порошок приобретает приставку нано – размер частиц меньше 100 нм.

Существует два метода создания нанопорошков:

  • Химический;
  • Физического воздействия.

Создание порошков на химическом уровне представляет собой совокупность таких методов, как:

  1. Плазмохимический.
  1. Лазерный.
  1. Электрофизический.

В свою очередь, физические методы:

  1. Конденсационный;
  1. Электрический взрыв проволок.

Каждый метод имеет свои плюсы. Например, при использовании физических методов легче контролировать процесс, в то время как химические более универсальны.

Получение объемных наноструктурных материалов

На данный момент есть несколько вариантов получить такой материал. Причем появление нового способа – не редкость, ввиду того, что технологии постоянно развиваются. Вариантами являются:

  • Процесс компактирования порошков;
  • Контролируемый процесс кристаллизации аморфных сплавов;
  • Выращивание на имеющейся подложке.

Получение нанопленок и нанопокрытий

Плёнки и покрытия – это область нанотехнологий, которая широко используется в коммерческом плане. Методов получения, как и у порошков, всего два:

  1. Химический. Плазмосопровождаемые процессы и осаждение из растворов.
  1. Физический. Лазерная обработка и электро-лучевой нагрев.

Применение наноматериалов

Наноматериалы позволяют расширить границы производств. Ведь нагрузки, которые являются обычными для наноматериала, обычными материалами не переносятся. Разберемся подробнее в сфере применения.

Высокопрочный бетон

Может применяться для стройки любого вида. Обладает такими особенностями, как:

  • Повышенная твердость;
  • Быстрая схватываемость.

Помимо прочих компонентов такой бетон получают при добавлении силикатной и кремнеземной пыли. Иными словами — нанопорошков.

Высокопрочная сталь

Высокопрочная сталь – один из примеров объёмных наноструктурных материалов. Имеет очень мелкую кристаллическую решетку и большую плотность. Совместное использование с нанопленками и покрытиями делает такой материал «вечным».

Конструкционные композиты

Современный легкий и прочный материал. Он широко известен общественностью под «углепластиком». Представляет собой углеволокно, соединённое с полимерной матрицей.

Нанопокрытия

Помимо защиты от внешних факторов нанопокрытия обладают одним уникальным свойством. Они умеют накапливать солнечную энергию. Этим обусловлено их применение в строительстве. Их добавление в строительные материалы позволит снизить траты на электроэнергию.

Инновационная пленка

Нашли свое применение у производителей окон. Их уникальное свойство – умение задерживать инфракрасное излучение, до 80 %. Наносится на стекло при помощи технологии ламинации, и может покрывать даже геометрически сложные конструкции.

Нанокомпозитные трубы

Они превосходят свои аналоги по всем показателям:

  • Сроку службы;
  • Износостойкости;
  • Цене

При этом могут применять практически в любой сфере.

Стеклопластиковая композитная арматура

Это замена классической железной арматуре. При этом она:

  • Не подвержена коррозии;
  • Долговечнее;
  • Легче более чем в 4 раз.

За нанотехнологиями будущее. Уже сейчас около 20 процентов строительных компаний в мире активно используют, материалы, созданные благодаря нанотехнологиям. При этом они все сильнее входят и в остальные сферы жизнедеятельности людей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector