Нанотехнологии — что это простыми словами
Нанотехнологии — это наука и инженерия малых вещей, в частности вещей, размер которых составляет менее 100 нанометров (в одном направлении). Нано — это префикс СИ и происходит от греческого слова, означающего «карлик» — nanos. Один нанометр — это 10 в минус девятой степени метров или около 3 атомов в длину.
Поначалу может быть трудно понять, что такое наномасштаб, потому что он намного меньше, чем все, что мы видим каждый день своей жизни. Хотя мы интуитивно знаем, что десятицентовая монета меньше баскетбольного мяча и даже что эритроцит (который можно наблюдать в световой микроскоп) меньше мрамора, у нас нет опыта общения с объектами, длина которых составляет миллиардные доли (10-9) метра (1 нанометр или нм). Когда вы в последний раз обхватывали руками нить ДНК (2,5 нм) или измеряли диаметр вируса гриппа (100 нм)? Вот несколько сравнений, которые помогут понять, насколько мал нанометр:
- Средний человеческий волос имеет ширину около 60 000 — 100 000 нанометров.
- Ваш ноготь растет нанометр каждую секунду
- Толщина листа бумаги составляет около 100 000 нанометров
- В одном дюйме 25 400 000 нанометров.
Нанотехнологии часто делят на две части. Нанонаука — в ней исследователи изучают химические и физические свойства материалов на наноуровне. Материалы размером 1-100 нм называются наноструктурами. Это самые маленькие вещи, которые можно создать. Нанотехнологии — разработка и применение материалов такого масштаба для создания новых продуктов или методов, т. е. превращение наноструктур в пригодные для использования инструменты и приложения.
Почему наномасштаб представляет такой большой интерес? Ученые обнаружили, что материалы столь малых размеров могут обладать существенно иными свойствами, чем те же материалы в более крупных масштабах. Вот несколько примеров:
- Золото в наномасштабе по-другому взаимодействует со светом, в результате чего его цвет значительно отличается от блестящего золотого цвета объемного материала. Средневековые витражисты не знали, что работают с наноразмерными материалами, когда использовали эти свойства для создания своих шедевров.
- Объемный алюминий — это стабильный материал, который мы используем для изготовления банок для прохладительных напитков, велосипедных рам, деталей автомобилей и т. д. Но в наномасштабе он взрывоопасен. Медь на наноуровне прозрачна. Эти уникальные свойства открывают перед нами безграничные возможности для совершенствования устройств, структур и материалов, если мы сможем понять эти различия и научиться управлять сборкой небольших структур.
Существует множество различных точек зрения на то, что именно входит в понятие «нанотехнология». В целом, однако, большинство сходится на том, что важны три вещи:
- Материалы должны иметь малый размер, измеряемый в сотых долях нанометра или меньше, в одном измерении.
- Материалы или продукты, изготовленные из них, должны обладать уникальными свойствами из-за малого размера.
- Ученые и инженеры должны иметь возможность контролировать и манипулировать структурой и составом в нанометровом масштабе, чтобы управлять свойствами.
Наноструктуры — объекты с нанометровыми характеристиками — не новы и не человек их впервые создал. В природе существует множество примеров наноструктур, таких как гидрофобные листья, переливающиеся крылья бабочек и лапки геккона. Благодаря биомимикрии ученые и инженеры создают новые продукты, используя эти наноинспирированные особенности. Аналогично, существует множество природных наноразмерных материалов, таких как катализаторы, пористые материалы, некоторые минералы и частицы сажи, которые обладают уникальными свойствами, в частности, благодаря наноразмерным свойствам. Новое в нанотехнологиях заключается в том, что мы теперь понимаем и контролируем некоторые из этих структур и свойств для создания новых материалов и устройств. Мы вступили в эру инженерных наноматериалов и устройств, и многие коммерческие продукты уже доступны.
Другая принципиально иная область нанофабрик — это создание материалов и структур на атомном уровне, атом за атомом. По сути, это молекулярная инженерия, которую часто называют молекулярной или химической нанотехнологией. Здесь силы природы используются для сборки наноструктур снизу вверх, что называется самосборкой. Существует множество интересных приложений, сочетающих в себе обработку снизу вверх и сверху вниз, например, одномолекулярные транзисторы с большими (макроскопическими) выводами, изготовленные сверху вниз и собранные снизу вверх. Одна из областей нанотехнологий развивается уже более 40 лет и является источником великой революции в микроэлектронике — техника микро- и нано-литографии и травления. Эту технологию часто называют производством сверху вниз. В этом случае мелкие элементы создаются, начиная с более крупных материалов, а затем с помощью узора и вырезания вниз, чтобы создать наноразмерную структуру в точных узорах. Можно изготавливать сложные структуры, включая микропроцессоры, содержащие сотни миллионов точно расположенных наноструктур. Из всех видов нанотехнологий эта является наиболее развитой. Производственные машины для этих технологий могут стоить миллионы долларов, а полномасштабная фабрика по производству микропроцессоров — более миллиарда долларов. В последние годы те же методы нанообработки «сверху вниз» позволили создать множество неэлектронных приложений, включая микромеханические, микроптические и микрофлюидические устройства.
Нанотехнология объединяет физику, химию, биологию, инженерное дело, биохимию, биофизику, науки о Земле и окружающей среде, а также материаловедение. Это очень междисциплинарная область, то есть она включает в себя идеи, интегрированные из многих традиционных дисциплин. Некоторые университеты начали выдавать дипломы по нанотехнологиям, другие рассматривают их как часть существующих академических областей. В любом случае, перед подготовленными учеными, инженерами и техниками открывается множество вариантов карьеры, и спрос на этих квалифицированных работников продолжает расти.
26.02.2024, 73 просмотра.
