Определение нанотехнологий, основные направления развития нанотехнологий

Пячин Сергей Анатольевич НАНОТЕХНОЛОГИИ Определение нанотехнологий, основные направления развития нанотехнологий Лекция 1 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ Нано (от греч. “nannos” – “карлик”) приставка, которая означает одну миллиардную (10-9) долю какой-либо единицы (в нашем случае метра). + Технология (от греч. “techne” - “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos” – “наука”) - совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции. = Нанотехнология - это совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния объектов с характерными размерами в диапазоне от 1 нм до 100 нм (хотя бы в одном из трех измерений). 3 ОБЪЕКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ РАЗЛИЧНОЙ РАЗМЕРНОСТИ Трехмерные (объемные) Одномерные (нанопроволоки) Двумерные (тонкие пленки) Нуль-мерные (квантовые точки) 4 МЕСТО НАНООБЪЕКТОВ В ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ В природе В технике 5 ПРИЧИНЫ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ • Позволяют радикально изменять свойства материалов, не меняя их химического состава; традиционных • Создают принципиально новые материалы; • Используют квантовые эффекты; • Уменьшают размеры изделий вплоть до атомарных с новыми функциональными свойствами; • Эффективно используют синтетические или существующие в природе наноструктуры; • Решают задачи, которые невозможно решить в рамках традиционных технологий; • Снижают материало-, энерго- и трудоемкость, а также стоимость продукции; • Уменьшают загрязнение окружающей среды отходами производства. 6 ОСОБЕННОСТИ НАНООБЪЕКТОВ С ФИЗИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ • Большая доля приповерхностных атомов или границ зерен по отношению к объемным; • Большое влияние сил поверхностного натяжения; • Низкие координационные числа атомов (число ближайших соседних атомов) на поверхности, в углах ступенек, уступов; • Рассеяние, отражения излучений на границах; • Размер наночастицы сопоставим или меньше размера критического зародыша новой фазы, домена, дислокационной петли; • Реконструкция (искажение) свободной поверхности; • Изменение электронного состояния на поверхности по сравнению с объемным. Обусловленное дефектами структуры; • Проявление квантовых эффектов в низкоразмерных системах. 7 ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Дата Исследователь Страна Событие 400 лет до н.э. Демокрит Греция Впервые использовано слово “атом” для описания самой малой частицы вещества 1905 Альберт Эйнштейн Швейцария Опубликована работа, в которой доказано, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр 1931 Макс Кнолл и Эрнст Руска Германия 1959 Ричард Фейнман США Прочитана лекция “Там внизу – много места” в Калифорнийском Технологическом Институте, в которой доказано, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов 1968 Альфред Чо и Джон Артур США Разработаны теоретические нанообработки поверхностей Создан электронный микроскоп основы 8 ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Дата Исследователь Страна Событие 1974 Норио Танигучи Япония Введено в научный оборот слово “нанотехника” для механизмов размером менее 1 микрона 1981 Герд Бинниг и Генрих Рорер Германия Создан сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий осуществлять воздействие на проводники на атомарном уровне 1986 Герд Бинниг, Кельвин Куэйт, Кристофер Гербер США Создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими 1989 Дональд Эйглер США Сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона (см. следующий слайд) 1998 Сеез Деккер Голландия 2000 США Создан нанотранзистор Администрация США объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Из федерального бюджета США было выделено 500 млн. $ 9 ПЕРВЫЙ ОПЫТ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЗОНДОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАНООБЪЕКТОВ Логотип фирмы IBM, выложенный из 35 атомов ксенона на поверхности никеля [Eigler D.M., Schweizer E.K. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope. Nature. 1990. V. 344. P. 524 – 526] 10 РАЗМЕРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ 11 ЗАДАЧИ, СТОЯЩИЕ ПЕРЕД НАНОТЕХНОЛОГИЯМИ - Исследование механизмов роста, особенностей структуры и свойств нано- и микрообъектов, например, декаэдрических и икосаэдрических металлических малых частиц; - Разработка технологии выращивания методом электроосаждения металла нитевидных кристаллов, усов, микротрубок, специфических нанообъектов, обладающих осями симметрии пятого порядка, необычной структурой и уникальными физикохимическими характеристиками; - Получение из частиц и кристаллов микроизделий: микротрубопроводов, композиционной микропроволоки, кантилеверов, игольчатых кристаллов, частиц с развитой поверхностью, микроконтейнеров, компонентов микроэлектроники и сенсоров; 12 ЗАДАЧИ, СТОЯЩИЕ ПЕРЕД НАНОТЕХНОЛОГИЯМИ - Cоздание образцов инновационной продукции: нанокатализаторов технического и экологического назначения, адсорбентов, нанопористых функциональных материалов, нанофильтров, адсорбционно-каталитических фильтров, систем очистки газов и жидкостей от механических, органических, токсических и бактериологических примесей; - Разработка физико-химических основ технологий получений из нанои микрообъектов принципиально новых функциональных материалов в виде: пленок, слоев, покрытий, порошков кристаллов и микрочастиц с развитой поверхностью. 13 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов Создание наномашин - механизмов и роботов размером с молекулу Непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из различных объектов Синтез материалов свойствами с уникальными 14 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Химическая промышленность Инструментальная промышленность Автомобильная промышленность Медицина Авиация и космонавтика Сельское хозяйство Электроника Оборонная промышленность Информационные технологии Металлургия 15 НАНОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Как отмечает Madhan Nur Agista (University of Stavanger, Норвегия), в последнее десятилетие активно велись исследования по применению нанотехнологий в нефтегазовой отрасли. На рис. 1 зеленым цветом показан график зависимости числа напечатанных страниц экспериментальных научных статей в данной сфере от года [4]. Синим представлена динамика среднегодовой цены нефти основной российской экспортной марки Urals (Источник за 2011-2018 гг. – Reuters, прогноз - Институт «Центр развития» НИУ «Высшая Школа Экономики» [5]). Рисунок 1 – Исследования по применению нанотехнологий и цена на нефть 16 НАНОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 17 НАИБОЛЕЕ ПРИОРИТЕТНЫЕ ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Оценки по технологическим, экономическим и экологическим критериям давались в несколько этапов: сначала авторами по изученным научным статьям, далее группой специалистов в области нанотехнологий, химического машиностроения, и нефтегазовой промышленности. По итогам исследования была составлена диаграмма относительного приоритета для всех направлений.