Microsoft Word doc

9.5. 
Применение
 
нанотехнологий
 
в
 
технике
 
Нанотехнология
обещает
большие
возможности
при
раз
-
работке
новых
материалов
, 
совершенствовании
связи
, 
развитии
биотехнологии
, 
микроэлектроники
, 
энергетики
и
вооружений
. 
Среди
наиболее
вероятных
научных
прорывов
эксперты
назы
-
вают
увеличение
производительности
компьютеров
, 
восстанов
-

---

232 
ление
человеческих
органов
с
использованием
вновь
созданной
ткани
, 
получение
новых
материалов
, 
созданных
напрямую
из
заданных
атомов
и
молекул
, 
и
появление
новых
открытий
в
хи
-
мии
и
физике
, 
способных
оказать
революционное
воздействие
на
развитие
цивилизации
. 
В
соответствии
с
существующей
классификацией
все
из
-
вестные
в
настоящее
время
достижения
практической
нанотех
-
нологии
подразделяются
на
три
группы
: 
инкрементные
, 
эволю
-
ционные
 
и
 
радикальные
. 
Рассмотрим
их
более
подробно
. 
Инкрементная
 
нанотехнология
 
подразумевает
промышлен
-
ное
применение
существующих
наноструктур
, 
а
также
специфи
-
ческих
эффектов
и
феноменов
, 
характерных
для
области
перехо
-
да
между
атомным
и
мезоуровнями
в
целях
значительного
усо
-
вершенствования
существующих
классических
материалов
. 
Наибольшее
развитие
инкрементные
нанотехнологии
по
-
лучили
в
области
получения
композиционных
конструкционных
материалов
с
различными
свойствами
, 
защитных
самоочищаю
-
щихся
покрытий
, 
препаратов
автохимии
и
некоторых
других
. 
В
качестве
примера
бытового
применения
нанотехнологий
можно
привести
полироль
, 
создающую
«
умную
» 
поверхность
с
многофункциональными
свойствами
. 
Она
представляет
собой
уникальную
комбинацию
бразильского
карнаубского
воска
, 
син
-
тетических
восков
, 
силиконов
и
неабразивных
наноалмазов
, 
обеспечивающую
эффективную
защиту
, 
восстановление
цвета
и
блеска
лакокрасочных
покрытий
. 
Наноразмерные
алмазы
по
-
зволяют
получить
совершенную
сотовую
структуру
пленки
по
-
лироли
с
повышенной
прочностью
, 
износостойкостью
, 
адгезией
к
поверхности
, 
фотохимической
и
химической
стойкостью
, 
до
-
полнительно
обеспечивает
эффект
самоочищения
поверхности
при
эксплуатации
. 
Полироль
эффективна
при
эксплуатации
авто
-
мобиля
в
сложных
погодных
и
климатических
условиях
, 
напри
-
мер
в
сырую
и
дождливую
погоду
, 
при
езде
по
грязной
дороге
, 
а
также
в
жаркую
солнечную
погоду
– 
для
защиты
лакокрасочно
-
го
покрытия
от
теплового
и
ультрафиолетового
излучения
. 

---

233 
Эволюционная
 
нанотехнология
 
связана
с
наномеханизма
-
ми
, 
работы
над
которыми
находятся
на
начальном
этапе
. 
Как
отмечено
выше
, 
по
идее
К
.
Э
. 
Дрекслера
, 
выдвинувше
-
го
концепцию
универсальных
молекулярных
роботов
, 
методами
самосборки
могут
быть
воссозданы
любые
объекты
(
в
том
числе
и
себе
подобные
) 
из
подручных
молекул
, 
фуллеренов
, 
нанотру
-
бок
и
других
аналогичных
структур
. 
Могут
быть
собраны
струк
-
туры
, 
имеющие
форму
разнообразных
нанодеталей
– 
зубчатых
колес
, 
штоков
, 
деталей
подшипников
и
других
узлов
, 
роторов
молекулярных
турбин
, 
подвижных
узлов
манипуляторов
и
т
.
д
. 
Изделия
нанотехнологии
, 
созданные
на
основе
оптималь
-
ной
сборки
атомов
и
молекул
, 
позволят
получить
их
предельно
высокие
характеристики
. 
На
рис
. 9.26–9.28 
приведены
примеры
механических
кон
-
струкций
от
простейших
до
довольно
сложных
, 
рассчитанных
методами
молекулярной
динамики
и
собранных
из
нанокомпо
-
нентов
. 
Рис
. 9.26.
Простейшие
шестеренчатые
передачи
Рис
. 9.27. 
Сборочные
единицы
наноподшипника

---

234 
Рис
. 9.28. 
Сборка
конструкций
наноманипуляторами
Наибольшего
прогресса
в
этом
направлении
достигли
японские
ученые
, 
создавшие
микроскопический
«
подшипник
», 
в
котором
потери
на
трение
близки
к
нулю
. 
Материалом
для
«
вечного
» 
миниподшипника
послужили
синтетические
молеку
-
лы
– 
фуллерены
. 
В
данном
случае
они
состоят
из
60 
атомов
угле
-
рода
, 
расположенных
в
виде
правильных
пяти
- 
и
шестиугольников
, 
которые
вместе
составляют
шар
. 
Эти
вращающиеся
«
шарики
» 
по
-
сле
сложного
технологического
процесса
поставили
в
ряд
между
двумя
удлиненными
пластинками
из
графита
. 
Реализован
принцип
безызносного
подшипника
, 
простейшая
схема
работы
которого
представлена
на
рис
. 9.29.
Это
достижение
Рис
. 9.29. 
Схема
антиизносного
механизма
фуллеренов

---

235 
нанотехнологий
, 
по
мнению
ученых
, 
планируется
использовать
в
производстве
миниатюрных
роботов
и
микромеханизмов
, 
детали
которых
практически
не
будут
изнашиваться
. 
Радикальная
 
нанотехнология
 –
 
нанороботы
(
предполагае
-
мые
конструкции
и
результаты
их
использования
в
настоящее
вре
-
мя
существуют
лишь
в
фантастических
рассказах
и
кинофильмах
). 
Они
могут
быть
способны
к
перемещению
в
окружающей
среде
и
снабжены
бортовой
системой
управления
. 
Нанороботы
смогут
быть
использованы
для
решения
широкого
круга
задач
, 
включая
диагностику
и
лечение
болезней
, 
в
том
числе
борьбу
со
старением
, 
для
перестройки
организма
человека
«
по
заказу
», 
изго
-
товления
сверхпрочных
конструкций
вплоть
до
лифтов
«
Земля
– 
орбита
» 
и
т
.
д
. 
Вопросы
 
для
 
самоконтроля
 
1. 
Классифицируйте
наноматериалы
по
геометрической
форме
и
размерности
структурных
элементов
. 
2. 
Что
такое
гидрофильные
и
гидрофобные
коллоидные
кластеры
? 
Какие
типы
мицелл
могут
образовываться
в
растворах
с
участием
ПАВ
? 
3. 
Каковы
различия
между
кристаллическими
модифика
-
циями
углерода
– 
графитом
, 
алмазом
и
фуллереном
? 
Какие
мо
-
лекулы
фуллерена
называются
фуллеритами
? 
4. 
Нанотрубки
, 
их
характеристики
и
области
применения
. 
5. 
Какие
технологии
получения
нанопленок
вам
известны
? 
6. 
В
чем
состоит
технология
получения
нанопленок
Ленг
-
мюра
–
Блоджетт
? 
7. 
Приведите
примеры
природных
нанокристаллов
и
практи
-
ческого
применения
искусственных
нанокристаллов
. 
8. 
Приведите
примеры
эффективного
применения
нанопо
-
верхности
. 
Почему
они
обладают
феноменом
самоочистки
? 
9. 
Что
такое
оптические
метаматериалы
? 
Каковы
области
их
практического
использования
? 
10. 
Какова
суть
отрицательной
рефракции
метаматериалов
? 

---

236 
11. 
Метод
молекулярно
-
лучевой
эпитаксии
пленок
, 
его
дос
-
тоинства
и
недостатки
. 
12. 
Методы
нанолитографии
получения
пленочных
структур
. 
13. 
Метод
сканирующей
туннельной
микроскопии
форми
-
рования
наноструктур
. 
14. 
Метод
атомно
-
силовой
микроскопии
формирования
наноструктур
. 
15. 
Приведите
примеры
применения
эволюционной
нано
-
технологии
в
технике
. 
10.
 
Л
АЗЕРЫ
 
Генерация
света
лазером
основана
на
эффекте
усиления
вынужденного
излучения
в
квантовой
системе
. 
Само
английское
слово
Laser 
представляет
собой
аббревиатуру
фразы
«Light Ampli-
fication by Stimulated Emission of Radiation», 
которая
дословно
пе
-
реводится
как
«
Усиление
света
за
счет
вынужденного
испускания
излучения
». 
Если
излучение
попадает
в
сверхвысокочастотный
(
микроволновый
) 
диапазон
, 
то
усилитель
такого
типа
называют
мазерным
. 
Соответствующий
акроним
(
англ
. maser) 
получен
из
предыдущего
заменой
слова
Light 
на
Microwave.
Согласно
смыс
-
лу
акронима
«
лазер
» 
его
следует
применять
только
по
отноше
-
нию
к
генераторам
видимого
излучения
. 
Однако
название
«
лазер
» 
используется
для
обозначения
устройства
, 
испускающего
любое
вынужденное
излучение
. 
Чтобы
уточнить
тип
излучения
, 
говорят
, 
соответственно
, 
о
лазерах
инфракрасного
, 
видимого
, 
ультрафио
-
летового
или
рентгеновского
диапазонов
. 
В
полном
виде
концепцию
лазера
разработали
Н
.
Г
. 
Басов
, 
А
.
М
. 
Прохоров
в
России
и
Ч
. 
Таунс
, 
А
. 
Шавлов
в
США
. 
Первый
лазер
на
кристалле
рубина
создал
в
1960 
году
американский
ис
-
следователь
Т
. 
Мейман
.
Лазер
(
оптический
квантовый
генератор
) 
представляет
со
-
бой
устройство
, 
преобразующее
различные
виды
энергии
(
элек
-
трическую
, 
световую
, 
химическую
, 
тепловую
и
др
.) 
в
энергию

---

237 
когерентного
электромагнитного
излучения
оптического
диапа
-
зона
. 
Любой
лазер
, 
работающий
как
генератор
когерентного
из
-
лучения
, 
должен
состоять
из
трех
элементов
: 
источника
энергии
(
системы
 
накачки
), 
активной
 
среды
, 
которая
поглощает
эту
энергию
и
переизлучает
ее
в
виде
когерентного
излучения
, 
и
оп
-
тического
 
резонатора
– 
устройства
, 
осуществляющего
обратную
связь
. 
В
простейшей
форме
оптический
резонатор
образован
дву
-
мя
зеркалами
(
резонатор
Фабри
-
Перо
), 
от
которых
отражается
излучаемая
волна
, 
вновь
возвращаясь
в
активную
среду
, 
вызывая
индуцированные
переходы
. 
Одно
из
зеркал
делается
полупро
-
зрачным
для
выхода
части
излучения
(
рис
. 10.1). 
Рис
. 10.1. 
Принципиальная
схема
лазера
:
1
– 
активная
среда
; 
2
– 
система
накачки
; 
3
– 
оптический
резонатор
; 
4
– 
генерируемое
излучение
Обратимся
теперь
к
вопросу
о
том
, 
как
и
при
каких
услови
-
ях
возможно
усиление
света
за
счет
вынужденного
излучения
.