Нанотехнологии

( 1 Голос )

Впервые идеи о создании принципиально новых материалов и устройств на атомном или молекулярном уровне были высказаны в 1959 г. нобелевским лауреатом по физике Р. Фейнманом, который также указал на необходимость разработки нового класса аппаратуры, позволяющей работать со столь малыми, наноразмерными объектами.

Эти идеи начали воплощаться в жизнь лишь в 1980-х гг., когда появились сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы и другие приборы, необходимые для создания и изучения свойств таких объектов, размеры которых лежат ниже критического уровня в 100 нм. В это же время был достигнут значительный прогресс в компьютерной технике, что позволило моделировать свойства материалов в наномасштабе. Все это привело к разработке новых технологических принципов формирования различных наносистем на основе субмикронной «сборки».

Под термином «нанотехнологии» понимается создание и использование материалов и устройств, структура которых регулируется в нано-метровом масштабе, т. е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Нанотехнологии подразумевают умение не только работать с наноструктурами, но и создавать из них более крупные структуры.

Нанотехнологии картинка

Наноструктуры характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим помимо понятия нанотехнологии, призванной создавать наноструктуры, возникли понятия нанонауки, занимающейся фундаментальными исследованиями свойств наноструктур, и наноинженерии, нацеленной на поиск эффективных методов их использования.

Исследования последних лет выявили важную роль наноструктур в различных областях науки и техники. Например, было обнаружено, что углеродные нанотрубки на порядок прочнее стали (при этом они имеют в 6 раз меньший удельный вес), наночастицы способны избирательно проникать в раковые клетки и поражать их, некоторые наноструктуры могут в миллионы раз повысить быстродействие компьютеров и т. д.

Благодаря своим уникальным возможностям нанотехнологии превращаются в стратегическое направление научно-технологического развития, что требует фундаментальной перестройки существующих технологий производства промышленных изделий, лекарственных препаратов, систем вооружения и т. д., а также приводит к глубоким преобразованиям в организации систем энергоснабжения, охраны окружающей среды, транспорта, связи, вычислительной техники и образования.

К концу 1990-х гг. исследования в области нанотехнологии получили особенно значительное развитие в США, Западной Европе и Японии. В США с целью достижения мирового лидерства в этой области принята национальная программа, предусматривающая значительное увеличение федерального финансирования развития нанотехнологии, а также обеспечения взаимодействия между правительственными, университетскими и частными организациями. Вместе с тем, поскольку обеспечить абсолютное лидерство по всем направлениям обширной области нанотехнологии практически невозможно, США должны наладить взаимовыгодное сотрудничество с другими странами по обмену информацией, проведению совместных исследований и обучению молодых специалистов за рубежом.

Нанотехнологии способны, в принципе, заменить многие существующие технологии, составить основу для создания новых отраслей промышленности и преобразования фундаментальных научных моделей в энергетике, экологии, средствах связи, вычислительной технике, медицине, космических исследованиях, национальной обороне. Следует, однако, отметить, что уровень научных представлений об основных явлениях в наномасштабе и методик их исследования пока невысок. Поэтому для реализации возможностей нанотехнологии требуются гораздо более глубокие фундаментальные знания.

К перспективным областям развития и применения нанотехнологии относятся:

- электроника, компьютерная и коммуникационная техника — на-нопроцессоры, наносенсоры для обработки больших массивов информации при низком энергопотреблении; наносредства связи с высокими частотами прохождения сигналов и эффективным использованием оптического спектра частот; запоминающие наноустройства с мультитерабит-ным объемом памяти (1 терабит = 10^12 бит);

- машиностроение — изделия с высокопрочными наноструктурны-ми поверхностными слоями или наноразмерными покрытиями на основе металлов или керамики (детали машин, режущие инструменты); изделия из высокопрочных наноструктурных металлов или керамики с точными размерами, т. е. не требующие дополнительной обработки; облегченные изделия из высокопрочных наноструктурных полимеров; мик-ро/наносистемная техника;

- аэрокосмическая техника — стойкие к радиации наноэлектронные системы с низким энергопотреблением для космических станций и спутников; теплозащитные и износостойкие наноструктурные покрытия; солнечные батареи, альтернативные энергосистемы на основе наноструктур;

- энергетика, химическая промышленность, биотехнологии и окружающая среда — наноструктурные адсорбенты водорода для водородных топливных элементов; наноструктурные солнечные батареи; наноструктурные катализаторы; нанопористые фильтры; бионаносистемы для производства химических, пищевых, фармацевтических продуктов; наноси-стемы для подкормки растений, защиты от насекомых, генетического усовершенствования видов сельскохозяйственных животных и сортов растений; наносистемы для окисления органических загрязнителей и связывания тяжелых металлов при переработке отходов;

- медицина — наиоустройства для быстрой и точной расшифровки генетических кодов; сверхминиатюрные датчики и дистанционные устройства на основе наноструктур, работающих внутри организма; новые рецептуры и средства введения лекарств в организм, что расширяет их терапевтический потенциал, в том числе лекарственные наносуспензии и наночастицы как носители лекарств; искусственные ткани и органы на основе наноструктур с повышенной биоустойчивостью и биосовместимостью; слуховые и зрительные аппараты на основе бионаносистем; наносенсоры для раннего выявления заболеваний, что может переориентировать стратегию медицины с лечения заболеваний на их раннюю диагностику и предупреждение;

- наука и образование — научная наноаппаратура; новые междисциплинарные научные направления и комплексные учебные программы для подготовки специалистов в области нанотехнологии;

- государственная безопасность — информационные технологии военного назначения, включая системы «виртуальной реальности», на основе наноэлектроники; военная наноаппаратура, обеспечивающая снижение риска персонала и повышение эффективности военной техники; высокопрочные и легкие наноструктурные материалы для военной техники; нанодатчики химического, биологического и ядерного оружия; наноаэрозоли для защиты от биологического оружия (уничтожение опасных микроорганизмов распыленными в воздухе наночастицами);

- другие применения — наночастицы для высококачественной цветной печати; суперточные металлографические формы для выпуска труд-ноподделываемых ценных бумаг; наносистемы для криминалистики.

Нанотехнологии картинка

Организационные структуры, призванные заниматься исследованиями в области нанотехнологии, как правило, находятся в стадии формирования и в настоящее время явно не соответствуют насущным потребностям.

В США многие университеты активно изменяют учебные и научные программы, однако развитию междисциплинарных исследований (что характерно для нанотехнологий) мешает ряд обстоятельств: административная автономия факультетов в университетах, соперничество между факультетами за субсидии, трудности оценки значимости вкладов отдельных факультетов и авторов при выполнении междисциплинарных исследований большими коллективами.

Исследования в области нанотехнологий интенсивно ведут государственные лаборатории США, которым оказывают поддержку промышленные компании. Многочисленные научные коллективы занимаются изготовлением наноэлектронных устройств. В частности, для проведения разработок особых типов таких устройств с использованием квантовых клеточных автоматов исследователи США, Японии и Европы создали совместную организацию, которая выполняет проекты, получающие значительную государственную финансовую поддержку.

В ведущих компаниях США, производящих полупроводниковые приборы, сформировали небольшие группы (по 5—10 человек), которые осуществляют сбор информации по основным достижениям в области наноэлектроники. Такие группы проводят также научные исследования (например, в фирме «Хьюлетт-Паккард») и технологические разработки (например, в фирме «Техас Инструменте»). Ряд организаций при Министерстве обороны США в последнее время работал над программой по созданию следующего поколения высокоскоростных и миниатюрных вычислительных наноустройств. Многие работы в области нанотехнологий финансируются Национальным научным фондом США.

В Японии разработки в области наноструктур осуществляются в основном при финансовой поддержке Министерства внешней торговли и промышленности. Значительная часть исследований проводится промышленными компаниями («Сони», «Тошиба», «Мицубиси», «НТТ», «Хитати», «Моторола-Джапан»). Среди университетских лабораторий, связанных с нанотехнологиями, выделяются лаборатории в университетах Токио, Осаки и др. Ведущей координирующей организацией в этой области является Ассоциация исследователей и разработчиков перспективных электронных устройств. Обычно конкретные исследования по созданию перспективных наноустройств проводятся в университетах на основе субконтрактов, заключаемых университетами и промышленными компаниями, а инженерно-конструкторские работы выполняются национальными исследовательскими институтами Японии.

В Западной Европе в рамках «Программы перспективных исследований по микроэлектронике» разработан план развития наноэлектроники, включающий разработку оптоэлектронных соединений для интегральных схем, а также создание наноразмерных интегральных схем.

Одним из эффективных путей организации исследований в области нанотехнологий является создание инновационных «инкубаторов» при университетских или государственных лабораториях. Так, в Центре по исследованию наноматериалов при Университете Ратгерса с целью увязки фундаментальной науки с промышленным производством была создана организация под названием «Технологии стратегических материалов», которая учредила ряд специализированных малых фирм, связанных с производством наноматериалов.

Кроме того, значительный эффект дает формирование общегосударственной системы пользователей аппаратуры и оборудования, обеспечивающей доступ к современным средствам и методикам исследований в физике, химии, биологии. Создаваемые в ее рамках лаборатории должны иметь гибкую структуру и высококвалифицированный персонал. Они должны обеспечивать удобство работы и низкую стоимость обслуживания для всех потребителей (университетов, государственных и промышленных лабораторий).

К числу наиболее известных организаций США, специализирующихся в области нанотехнологий, относятся:

Центр исследований квантовых электронных структур — организован Национальным научным фондом при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре; проводит исследования, связанные с получением и изучением квантовых структур с особыми электрическими, оптическими и магнитными свойствами;

Распределенный центр моделирования новых электронных устройств — состоит из научных групп при нескольких высших учебных заведениях (Аризонский университет, Университет Пардью, Стэнфордский университет, Иллинойский университет); занимается проблемами наноэлектроники при поддержке Национального научного фонда; сотрудничает со многими научными организациями (Национальный союз вычислительной техники по проблемам повышения быстродействия компьютеров, Лаборатория реактивного движения в Пасадене, Исследовательский центр Эймса НАСА);

Национальная лаборатория Сандия — многоцелевое научно-исследовательское учреждение, относящееся к Министерству энергетики США; основная задача — разработка и обслуживание систем ядерного оружия; активно сотрудничает с правительственными учреждениями, частными фирмами и университетами;

Центр по нанонауке и технологии в Университете Нотр-Дам — организационное ядре образовано группой ведущих преподавателей университета; координирует работы в области исследования различных типов молекулярных наноструктур;

Корпорация нанофазных технологий (КНТ) — образована из исследовательской группы по нанофазным материалам в составе Отделения материаловедения Аргоннской национальной лаборатории; сотрудничает с крупными фирмами-заказчиками; создает материалы с широким спектром применения — от прозрачных защитных экранов для электроннолучевых трубок до высокотехнологичных материалов, используемых в химическом катализе;

Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли — многопрофильная научная организация, относящаяся к Министерству энергетики; проводит исследования по материаловедению, химии, геологии, медицине, охране окружающей среды, энергетике и ядерной физике; в исследованиях активно участвуют сотрудники Калифорнийского университета, на территории которого расположена лаборатория.

В США до недавнего времени нанотехнологические исследования развивались обычным путем, конкурируя с исследованиями в других областях науки, и в силу своего междисциплинарного характера относились к различным научным дисциплинам. В последние годы эти исследования были выделены в единое направление, в результате чего началась работа по их координации в государственном масштабе. С учетом особого значения этих исследований для развития экономики государство оказывает им существенную финансовую поддержку, о чем свидетельствует динамика бюджетных ассигнований на нанотехнологии (в млн долларов): 1997 г. - 116, 2000 г. - 270, 2001 г. - 422, 2002 г. - 604,4.

Ведущие финансирующие ведомства США (с учетом основных направлений финансирования):

Министерство торговли — развитие измерительной техники и стандартов для коммерциализации нанотехнологии; разработка нано-устройств для измерений и калибровки на квантовом уровне; изучение методов магнитных измерений и стандартов; определение характеристик материалов (измерительные системы, подходы, алгоритмы); экономические оценки;

Министерство обороны — развитие биоинженерных методов химической и биологической защиты; полевое медицинское оборудование; высокоэффективные мониторы управления;

Министерство энергетики — исследования по проблемам энергетики, включая вопросы эффективности преобразования энергии, обороны, охраны окружающей среды и контроля над нераспространением атомного оружия;

Министерство транспорта — разработка наноструктурных покрытий на металлических поверхностях для получения повышенной прочности, снижения трения и защиты от коррозии; создание датчиков, а также получение «умных», самовосстанавливающихся материалов для транспортной инфраструктуры; разработка оборудования для борьбы с разливами топлива и другими техническими авариями;

НАСА — изготовление более легких и эффективных летательных аппаратов; биологические и медицинские датчики и устройства; разработка мощных миниатюрных компьютеров с низким энергопотреблением;

Разработка радиационно-стойкого электронного оборудования; изучение тонкопленочных материалов для так называемых «солнечных» парусов; фундаментальные исследования в области космонавтики, нацеленные на решение следующих задач: разработка методов получения однослойных нанотрубок для упрочнения материалов, электронных, магнитных, смазывающих и оптических устройств, химических и биологических датчиков; разработка автономных устройств, способных воспринимать и передавать информацию в различных системах; развитие робототехники на основе наноэлектроники, биологических датчиков и искусственных нейронных цепей (эти исследования проводятся в трех крупнейших лабораториях НАСА: Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Исследовательском центре им. Эймса и Центре им. Джонсона в Хьюстоне);

Национальный институт здоровья — разработка биоматериалов (например, для поверхностей раздела органических и неорганических сред, биосовместимых материалов и т. д.); создание новых устройств (например, биосенсоров, датчиков для клинической диагностики); получение новых лечебных препаратов (лекарств, генетически модифицированных материалов), а также наночастиц и наносфер, используемых для переноса лекарственных и генетических материалов внутри организма;

Национальный научный фонд — фундаментальные исследования новых явлений, методов синтеза, обработки и сборки наноматериалов; конструирование новых материалов; изучение биоструктур и систем с биологическими свойствами; развитие архитектуры наноразмерных систем; развитие методов исследования и моделирования; повышение скорости синтеза наноструктур и масштаба их производства; вопросы инфраструктуры и образования; развитие связей между наукой и промышленностью.

Кроме того, к некоторым разработкам в области нанотехнологии проявляют интерес Министерство юстиции (исследования, связанные с судебной медициной, совершенствованием вычислительной техники, обработкой баз данных), Национальное агентство по охране окружающей среды (исследования по регистрации и выделению наночастиц из воздуха, воды и почвы), Государственное казначейство (исследования специальных коллоидных систем для Бюро гравирования и печати).

Развитие нанотехнологии обеспечивается многими научными направлениями и обещает грандиозные социально-экономические преобразования в XXI в. В свою очередь, достижения нанотехнологии создают базу для интенсивного развития новых технологических направлений.

Одним из таких направлений является водородная энергетика. Дальнейшее развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному энергетическому и экологическому кризису. Сокращение запасов ископаемого топлива принуждает индустриально развитые страны осуществлять поиск альтернативных возобновляемых экологически чистых источников энергии. Надежды на «мирный атом» пока не оправдываются, перспектива овладения термоядерной энергией и ее использования в ближайшем будущем довольно туманна. Поэтому в последние годы все больший интерес ученых и практиков привлекает водород, являющийся практически неиссякаемым возобновляемым источником энергии.

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений научно-технологического развития в 1980-е гг. В настоящее время ведется активный поиск путей перевода энергоемких отраслей промышленности, включая транспорт, на водородное топливо. С прогрессом в области разработки энергоустановок на основе водородного топлива связываются надежды на решение проблемы обеспечения человечества возобновляемыми экологически чистыми энергоресурсами, а также на возможность изменения и совершенствования системы энергоснабжения различных объектов — от сотовых телефонов и автомобилей до жилых домов, крупных промышленных предприятий и целых городов. В таких энергоустановках топливные элементы представляют собой электрохимические источники тока, в которых химические реакции происходят на специально изготовленных пористых электродах, где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Для создания эффективных топливных элементов необходимо наличие материалов с высокой аккумулирующей способностью по отношению к водороду. В качестве таких материалов перспективно применять углеродные нанотрубки.

Сегодня технология коммерческих энергоустановок на основе водородного топлива еще слишком молода, чтобы конкурировать с традиционными технологиями производства электроэнергии. Многие фирмы только создают демонстрационные образцы и первые пробные партии таких энергоустановок. В США активные работы в этом направлении проводятся Министерством энергетики.

Эта статья из раздела-современные приоритеты научно-технологического развития, которая посвящена теме-нанотехнологии. Надеюсь вы по достоинству оцените ее!

Интересное видео про иновации

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Как можно со мной связаться - spawnsanya@gmail.com
Copyright © 2011 Innovacii-Investicii.Ru
All Rights Reserved.