Курсовая работа: Развитие нанотехнологий
Курсовая работа: Развитие нанотехнологий
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
Кафедра
"Физика и технология материалов и компонентов электронной
техники"
Курсовая работа на тему:
"Нанотехнологии"
по дисциплине "Физика твердого тела"
Руководитель
Водзинский В.Ю. _____________________
"_____" _______________
2009
Выполнил
Иванов А.С. __________________________
"_____" _______________
2009
Работа защищена с оценкой _____________
Нижний Новгород 2009
Содержание
Введение
1. Возникновение и развитие нанонауки
2. Виды искусственных наноструктур
3. Некоторые свойства наноструктур
4. Получение искусственных наноматериалов
5. Прикладная нанотехнология
6. Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы
Выводы
Литература
Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ
новой, третьей, научно-технической революции. Это "самые высокие" технологии,
на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды
долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же
революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в
манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при
разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии,
микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее
вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение
производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с
использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных
напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.
Нанотехнологии уже так или иначе затрагивают нашу жизнь. Нанопродукты
можно обнаружить в автомобилях и в краске на стенах домов. По прогнозам
отраслевой ассоциации NanoBusiness Alliance, к 2010 году мировой рынок
нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. долларов.
Одна из причин трудного "характера" нанотехнологии
заключается в том, что ее сфера - непостижимо малые по своим масштабам элементы.
Нанометр - единица измерения, которая дала название нанотехнологии, -
составляет одну миллиардную часть метра. Атом водорода, наименьший из
существующих в природе, имеет диаметр около 1/10 нм; диаметр человеческого
волоса - около 75 тыс. нм.
Еще одна причина ложных представлений о технологии
унаследована от ее чисто теоретического прошлого: ее объявляли ключом к победе
над болезнями и загрязнением окружающей среды, к созданию настольных фабрик,
где невидимые роботы будут производить невообразимые изделия, и даже к
фактическому бессмертию. Одновременно ее клеймили как потенциальную чуму,
которая приведет к появлению армий нанороботов, вытесняющих людей, или покроет
землю серой слизью побочных молекулярных продуктов. Неудивительно, что
действительность не имеет ничего общего ни с розовыми мечтами, ни с ужасами.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин,
поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения
с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно
слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и
взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.
В немалой степени определение нанотехнологии зависит от
специалиста, которому задан вопрос.
Теоретик Э. Дрекслер предложил слово "нанотехнология"
в 1980 году, описывая им теоретический (в то время) молекулярный производственный
процесс с использованием компонентов и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот
диапазон получил название наномасштаб - nanoscale).
В некоторых книгах можно встретить следующее определение: нанотехнология
- это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной
структурой путем манипулирования атомами и молекулами.
В связи с данным определением возникает естественный вопрос:
каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Попробуем
разобраться в этом, а так же раскрыть суть нанонауки, рассмотреть историю ее
развития, выделить объекты ее изучения, методы исследования, и, что самое
интересное, понять, как человек реализует огромный потенциал нанонауки в
повседневной жизни.
Нанонаука основана на изучении объектов, которые включают
компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате
получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и
насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в
нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году
теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен 1 нм.
Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть
в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский физик
сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание
электронного микроскопа.
Первые теоретические исследования, положившие начало
разработке инструментального обеспечения нанотехнологий, - это труды
российского физика Г.А. Гамова. в 20-е годы XX века он впервые произвел решения
уравнений Шредингера. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц,
заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия
ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон,
встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше
энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет
эту преграду. Открытое явление, названное "туннельным эффектом" (туннелированием),
позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы.
В 1939 году немецкие физики Э. Руска и М. Кноль создали
электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые
позволили заглянуть в мир нанообъектов.
Вообще мысль о том, что в будущем человечество сможет
создавать объекты, собирая их "атом за атомом", восходит к знаменитой
лекции "Там внизу много места" одного из крупнейших физиков XX века,
профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана. Опубликованные
в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников
как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись
манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что
угодно, т.е. использовать атомы как обыкновенный строительный материал.
В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной
схемы, Г. Мур, один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул
предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться
каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав
зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их
изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз
появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18-24 месяца). При
этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое.
В 1968 году сотрудники американского отделения исследования
полупроводников Дж. Артур и А. Чо разработали теоретические основы
нанообработки поверхностей.
В 1973 году советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн
сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена
и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения
прикладных задач в области нанотехнологий.
Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в
80-е годы XX века в результате исследований Э. Дрекслера, работавшего в
лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического
института.
Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных
роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том
числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось
как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало
грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто
со значительным опережением даже его прогнозов.
Многие ученые в мире в той или иной степени работали с
объектами наноуровня, но термин "нанотехнология" впервые (в 1974 году)
предложил японский физик Н. Танигучи из Токийского университета. Нанотехнология,
по Н. Танигучи, - это технология объектов, размеры которых составляют порядка
10-9 м, включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов
путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.
Накопленные знания в области нанотехнологий позволили
по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году
немецкие ботаники В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили и запатентовали явление
самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен
протекает в наноструктурированных поверхностных областях.
Исследования по совершенствованию инструментального
обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие
физики К. Бинниг и Э. Руска, а также швейцарец Г. Рорер из Цюрихской
лаборатории компании IBM испытали туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный
микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на
поверхностях проводящих материалов. С помощью такого микроскопа стало возможным
"захватить" атом с токопроводящей поверхности и поместить его в
нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно
собирать из них любое вещество.
В 1985 году коллектив ученых в составе английского
астрофизика, Г. Крото, американских химиков Р. Керла, Д. Хита и Ш. О'Брайена
под руководством Р. Смолли получил новый класс соединений - фуллерены - и
исследовал их свойства. В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и
исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60.
Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников
и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и
даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить
объект размером 1 нм.
В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой
микроскоп. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с
любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами.
Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили
американские исследователи Д. Эйглер и Э. Швейцер из Калифорнийского научного
центра компании IBM. С помощью 35 атомов ксенона на очищенной в сверхвысоком
вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили
название своей фирмы.
В 1991 году японский исследователь С. Ииджима из компании
NEC открыл углеродные нанотрубки.
В 1992 году Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи
практического применения молекулярных нанотехнологий в новом
научно-практическом направлении, которое следует назвать "практическая
нанотехнология".
Это дало мощный толчок к началу применения
нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться
первые коммерческие материалы на основе наночастиц - нанопорошки, нанопокрытия,
нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной
нанотехнологии.
В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые
получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.
Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и
потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.
Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических
ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50
нм возрастут квантовомеханические помехи, что равнозначно короткому замыканию. Выходом
могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные
соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые
интенсивные разработки в этом направлении.
Самым простым наноматериалом могут служить фрагменты
вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то
другим физическим или химическим способом. Хотя бы в одном измерении они должны
иметь протяженность не более 100 нм и проявлять качественно новые свойства (физико-химические,
функциональные, эксплуатационные и др.)
Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от
отдельных атомов (размером менее 0,1 нм) до органических молекул, содержащих
свыше 109 атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух
измерениях. Принципиально важно, что в них уже в значительной степени
проявляется дискретная атомно-молекулярная структура вещества и квантовые
эффекты.
Наноструктуры обладают сочетанием ряда параметров и
физических явлений, несвойственных традиционным состояниям материалов. Уменьшение
размера кристаллов может приводить к существенному изменению свойств материалов.
Установлено, что эти изменения проявляются, когда средний размер
кристаллических зерен не превышает 100 нм, а наиболее эффективны при размере
зерен менее 10 нм. При этом частицы могут иметь сферическую (равноразмерную) форму,
быть вытянутыми в виде нанопроволоки или нановолокна или представлять собой
наночешуйки (пластинки). Главное, чтобы одно из измерений не превышало 100 нм.
На рис.1 показаны сферические наноразмерные структуры
кремния. Здесь диаметр 84% частиц - 44 нм, а 16% - 14 нм.
На рис.2 представлены нановолокна политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Диаметр нановолокон - 40-60 нм при длине несколько микрометров.
Рис. 1. Наноразмерные частицы кремния диаметром 14-50 нм
Рис. 2. Нановолокна ПТФЭ диаметром 40-60 нм
Еще одной формой наночастиц могут быть слоистые наночешуйки
толщиной до 100 нм. На рис.3 представлены наночастицы монтмориллонита (глинистого
минерала подкласса слоистых силикатов), модифицированного фторуглеродными
соединениями со слоистым строением, которые применяются в качестве добавок к
жидким полимерным системам, например, для создания препаратов автохимии.
Рис. 3. Наноразмерные слоистые частицы монтмориллонита,
модифицированного фторуглеродными соединениями
Одним из главных химических элементов, которым интересуются
ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы. До
недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропных формы -
алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдеилит (впервые найден в
метеоритах, затем получен искусственно). При этом уже на этапе перехода
углерода от обыкновенного угля до графита отмечаются значительные изменения
свойств материала.
В 1985 году Р. Керл, Г. Крото и Р. Смоли совершенно
неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение - фуллерен
(многоатомные молекулы углерода Сn),
уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. Фуллерен имеет
каркасную структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из "заплаток"
пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого
многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен
С60 (молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной
симметрией, несвойственной неорганическим соединениям в природе, поэтому
признано, что молекула фуллерена является органической молекулой).
В молекуле С60, которая является наиболее
известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов,
число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с
шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с
шестиугольниками и три - с пятиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле С60
находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и
принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие
сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической
оболочки - 0,1 нм, радиус молекулы С60 - 0,357 нм. Структура
молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного "мячика"
образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести
атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной
транспортировки. По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены
их молекулы, содержащие различное число атомов углерода - от 36 до 540.
Рис. 4. Представители фуллеренов: С60, C70,
и C90
Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также
образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки,
открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием
физико-химических свойств. Идеальная углеродная нанотрубка - это молекула из
более миллиона атомов углерода, представляющая собой цилиндр, полученный при
сворачивании графеновой плоскости, диаметром около нанометра и длиной несколько
десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах
правильных шестиугольников.
Рис. 5. Структура нанотрубки
Графен как наноматериал представляет собой пленку из атомов
углерода, составляющих одну молекулу. Новый материал назван двухмерным
фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток.
В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько
слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что
большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев - либо вложенных
один в другой, либо навитых на общую ось. Такие многослойные структуры получили
названия "луковичные структуры" - онионы.
В настоящее время выяснились совершенно фантастические
свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к
алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика (небольшая нить
диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т). Под
действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут
себя довольно экстравагантно: они не "рвутся", не "ломаются",
а просто-напросто перестраиваются! Они являются прекрасными проводниками
электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей,
полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, они способны испускать
электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях.
Углерод - не единственный материал для нановолокон и
нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов
бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.
Благодаря постоянному развитию нанотехнологий будет
наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания самых разнообразных форм и
разновидностей объектов, которые вследствие указанных выше геометрических
характеристик будут отнесены к наноматериалам.
Первым и самым главным признаком наночастиц является их
геометрический размер - протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении.
Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств частиц
по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить
паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной
насекомых.
Страницы: 1, 2
|