Nanomateriallar va nanotexnologiya. Asosiy tushunchalar va ta'riflar

Nanoelektromexanik qurilmalar va tizimlar
Terabit sig'imli nanoelektromexanik saqlash qurilmalari... Matritsali ko'p probli skanerlash moslamalari nanoelementlarning oddiy muhitlari bilan birgalikda yangi avlod axborotni qayta ishlash tizimlari uchun zarur bo'lgan 10 bit / sm 2 gacha zichlikdagi terabit saqlash moslamalarini yaratishga imkon beradi.
Mikro- va nano-optoelektromexanik tizimlar... Boshqariladigan mikromexanik oyna reflektorlari va diffraktsiya panjaralari simsiz ma'lumotlarni uzatishda, qurollarni boshqarish tizimlarida, mikrorobotlarda va hokazolarda kommutatsiya va signal tanlashni ta'minlaydi. 10 12 bit / s uzatish tezligi bilan.
Mikrorobotlar... Ma'lumotni ko'chirish, to'plash, saqlash va uzatish, berilgan dastur yoki buyruq bo'yicha muayyan harakatlarni amalga oshirishga qodir mikroqurilmalarni yaratish. Mikro motorlar, mikro nasoslar, mikro drayvlar ishlab chiqish.
Har xil jismoniy kattalikdagi nano va mikroelektromexanik sensorlar(tezlanish, bosim, harorat, namlik, o'lchamdagi o'zgarishlar, kimyoviy va fizik jarayonlarning tezligi).
Moslashuvchan tekis panelli displeylar va displey qurilmalari.
Qo'llashning eng muhim sohalari
Nano va mikroelektromexanik qurilmalar va tizimlarni qo'llash sohalari quyidagilar bo'lishi mumkin:
· axborot va kompyuter texnologiyalari;
· Mashinasozlik;
· biologiya va tibbiyot;
· xavfli sanoat uchun nanotizimlar, yadro energetikasi;
· qurol tizimlari va kosmik tizimlar uchun nanotizimlar.
Nanostruktura diagnostikasi
Elektron muhandislik elementlari topologiyasining submikron o'lchamidan nanometr geometriyasiga uzluksiz o'tishida namoyon bo'lgan qattiq jismli nanostrukturalar fizikasi va texnologiyasining zamonaviy rivojlanishi diagnostikaning yangi usullarini ishlab chiqish va mavjudlarini takomillashtirishni talab qildi. past o'lchamli tizimlarda, nanomateriallarda va sun'iy ravishda yaratilgan nanostrukturalarda xususiyatlar va jarayonlarni tahlil qilish uchun yangi uskunalar namunalari. Shu munosabat bilan nanostrukturalarning asosiy fizik, fizik-kimyoviy va geometrik parametrlari hamda ularda sodir bo‘ladigan jarayonlar haqida eng to‘liq ma’lumot beruvchi nanostrukturalarni amaliy diagnostika qilish va tavsiflashning bir-birini to‘ldiruvchi yuqori aniqlikdagi usullarini yaratish va qo‘llashga alohida e’tibor qaratilmoqda. ular.
Hozirgi vaqtda qattiq va molekulyar tuzilmalarning fizik va fizik-kimyoviy parametrlari va xususiyatlarini o'rganish uchun juda ko'p diagnostika usullari, undan ham ko'proq usullar mavjud. Shu bilan birga, zamonaviy elektronikada foydalanish uchun mo'ljallangan nanostrukturalar, past o'lchamli tizimlar va kerakli xususiyatlarga ega yangi nanostrukturali materiallarni ishlab chiqarish ham yangi diagnostika muammolarni keltirib chiqaradi. Nanostrukturalarni diagnostika qilishning zamonaviy muammolarini hal qilish uchun an'anaviy usullarni (uskunalar) ushbu muammolarga moslashtirish, shuningdek xususiyatlar va jarayonlarni tadqiq qilish va tahlil qilishning yangi, birinchi navbatda mahalliy (0,1 nm gacha) usullarini ishlab chiqish talab etiladi. nanometr geometriyasi ob'ektlari va kichraytirilgan o'lchamli tizimlarga xosdir.
Nanodiagnostika usullari imkon qadar buzilmaydigan bo'lishi va nafaqat nanoob'ektlarning strukturaviy xususiyatlari, balki atom ruxsati bilan elektron xususiyatlari haqida ham ma'lumot berishi kerak. Nanotexnologiyani rivojlantirish uchun atom tebranishlari davriga teng yoki undan kamroq vaqtgacha (10-13 s gacha va undan kam) yuqori vaqtinchalik ruxsat bilan atom va elektron jarayonlarni in situ boshqarish ham juda muhimdir. Shuningdek, nanoob'ektlarning elektron, optik, magnit, mexanik va boshqa xususiyatlarini "nanoskopik" darajada diagnostika qilish kerak. Ushbu talablarni to'liq qondirishning mumkin emasligi nanoob'ektlar diagnostikasi uchun usullar majmuasidan foydalanishga olib keladi, ular orasida quyidagi asosiy usullar guruhlarini ajratib ko'rsatish kerak:
· yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopiya, bu tarixan atom o'lchamlari bilan ob'ektlarning tuzilishini vizualizatsiya qilishni ta'minlaydigan birinchi usul edi. Bu usul nanoob'ektlarning kimyoviy tahlilini ta'minlaydigan elektron mikroskopiyaning turli modifikatsiyalari, in situ tadqiqotlari, aks ettiruvchi elektron mikroskopiya, sekin elektron mikroskopiya va boshqalar kabi sirtga sezgir usullar bilan qo'llab-quvvatlanadi. Ko'pgina hollarda yuqori aniqlikdagi elektron mikroskopiya kvant quduqlari va kvant nuqtalari kabi nanoob'ektlar interfeyslarining ichki tuzilishi va tuzilishi haqida yagona ma'lumot manbai hisoblanadi;
· atom rezolyutsiyasiga juda yaqin bo'lgan elektron mikroskopiyani skanerlash usullari, nanoob'ektlarning kimyoviy tarkibi, ularning elektr (elektrik) haqida turli xil ma'lumotlarni olish bilan o'rganilayotgan ob'ektlarga sezilarli (buzg'unchi) ta'sir ko'rsatmasdan ma'lumot olish imkoniyatini saqlab qoladi. induksiyalangan oqim usuli), optik (katodolyuminesans) va boshqalar xossalari. Nanoob'ektlar hajmi haqida ma'lumot olish uchun elektron tomografiya usullari ishlab chiqilgan;
· qattiq jismlarning atom tuzilishini ko'rishning sirtga sezgir usuli bo'lgan skanerlash tunnel mikroskopiyasi; Atom ruxsati bilan spektroskopik tadqiqotlar olib borish, yuqori va past haroratlarda in situ tajribalari uchun imkoniyatlarni jalb qilish, prob mikroskopining boshqa usullaridan foydalanish va alohida atomlar darajasida manipulyatsiya qilish imkoniyati ushbu usullarni muhim vositaga aylantiradi. nanotexnologiya va nanodiagnostika;
· X-nurlarining diffraktsiya usullari, ayniqsa sinxrotron manbalarining yuqori yorqinligidan foydalangan holda, ular nanoob'ektlarning atom tuzilishi haqida ularni yo'q qilmasdan noyob ma'lumotlarni beradi;
· kimyoviy tahlil qilish uchun elektron spektroskopiya usullari, Auger elektron spektroskopiyasi, fotoelektron spektroskopiya usullari, Romanov va IQ spektroskopiyasi, fotolyuminessensiya usuli o'sib borayotgan rezolyutsiya bilan faol rivojlanmoqda, bu esa ushbu usullarni nanoob'ektlar diagnostikasida juda foydali qiladi.
Nanoob'ektlarning o'ziga xos xususiyatlarini va ularning xarakterli o'lchamlarini hisobga olgan holda barcha turdagi diagnostika usullarini (xususan, texnologiyaga kiritilgan diagnostika) yanada rivojlantirish yangi avlodning xususiyatlarini olish va tahlil qilish uchun yuqori texnologiyalarni ishlab chiqishning ajralmas qismidir. nanostrukturalar. Shu bilan birga, amaliy diagnostikaning murakkab usullarini shakllantirish nanostrukturalarni olishning texnologik muammolari va ular asosida elektron va optik qurilmalarning keyingi avlodini (tranzistorlar, lazerlar va boshqalar) yaratish, shuningdek, ularning o'ziga xos fizik, fizik-kimyoviy va topologik xususiyatlar, ular ko'pincha moddaning xususiyatlarining standart tushunchalari doirasiga to'g'ri kelmaydi.
Xulosa
Xulosa o‘rnida yana bir bor ta’kidlash zarurki, nanostrukturalar va birinchi navbatda kvant nanostrukturalari (nanofizika) va nanotexnologiyalar fanining rivojlanishi sifat jihatidan yangi xossalarga ega bo‘lgan nanomateriallarni olish imkonini beradi. Nanoelektronika va nanomexanikaning rivojlanishi eng yangi axborot texnologiyalari, aloqa vositalarini rivojlantirish, sifat jihatidan yangi turmush darajasi muammolarini hal etish va hokazolarni sifat jihatidan yangi bosqichga ko‘tarish uchun asos bo‘lib xizmat qiladi. aslida ikkita asosiy muammoni hal qilish yo'li bilan aniqlangan: zarur xususiyatlarga ega nanomateriallar va nanoob'ektlarni yaratishning ishonchli usullarini ishlab chiqish, shu jumladan atomlarni yig'ish usullari va o'z-o'zini tashkil etish effektlarini qo'llash; atom rezolyutsiyasi bilan nanodiagnostikaning yangi va mavjud usullarini ishlab chiqish. Nanotexnologiyalar sohasidagi zamonaviy taraqqiyot yaqin kelajakda ko'plab muammolar hal etilishiga umid qilish imkonini beradi.
Asosiy texnologiyalar va materiallar tsivilizatsiya tarixida doimo muhim rol o'ynab, nafaqat tor ishlab chiqarish funktsiyalarini, balki ijtimoiy funktsiyalarni ham bajaradi. Tosh va bronza davri, bug‘ va elektr energiyasi, atom energiyasi va kompyuterlar asri qanchalik farq qilganini eslash kifoya. Ko‘pchilik ekspertlarning fikricha, XXI asr uning qiyofasini belgilab beradigan nanofan va nanotexnologiyalar asri bo‘ladi.
Nanotexnologiyani nanometr miqyosdagi moddaning xatti-harakati haqidagi bilimlar majmuasi, nanotexnologiyani esa o'lchamlari kasrlardan yuzlab nanometrlargacha bo'lgan ob'ektlarni yaratish va ishlatish san'ati sifatida ta'riflanishi mumkin (kamida uchtadan bir yoki ikkitasida). o'lchamlari).
Nanotexnologiyaning asosiy tarkibiy qismlari rasmda ko'rsatilgan. 2.1. Uning asosiy asosi sanoqli atomlardan tashkil topgan sun'iy va tabiiy hajmlarning fizikasi, kimyosi va molekulyar biologiyasi, ya'ni. barcha xossalarning ularning o'lchamlariga (o'lcham effektlari), materiyaning diskret atom-molekulyar tuzilishiga va / yoki uning xatti-harakatlarining kvant qonunlariga kuchli bog'liqligi allaqachon katta darajada namoyon bo'lgan bunday ob'ektlar.
Nanotexnologiyaning yana bir muhim komponenti tabiatda nanostrukturali materiallar va ob'ektlarni oldindan belgilangan xususiyatlarga ega maqsadli yaratish yoki topish qobiliyatidir. Nanotexnologiyaning navbatdagi komponenti
Tayyor mahsulotlar, yangi iste'molchi sifatlari va maqsadlariga ega bo'lgan ko'p komponentli mahsulotlarni yaratish (super xotira, o'ta yuqori tezlikdagi protsessorlar, aqlli nanorobotlar va boshqalar). Va nihoyat, ishlab chiqarish va foydalanishning barcha bosqichlarida nano-mahsulotlar va nano-strukturali materiallarni nazorat qilish, sertifikatlash va tadqiq qilish vositalari ham nanotexnologiyaning zarur tarkibiy qismidir.
Hozirda dunyoning barcha rivojlangan mamlakatlarida nanofan va nanotexnologiyalar sohasida o‘nlab yirik dasturlar amalga oshirilmoqda. Nanotexnologiyalar sog'liqni saqlash va tibbiyot, biotexnologiya va atrof-muhitni muhofaza qilish, mudofaa va astronavtika, elektronika va kompyuterlar, kimyo va neft-kimyo ishlab chiqarishi, energetika va transport kabi jamiyat uchun muhim sohalarda qo'llaniladi. Dunyoning sanoati rivojlangan mamlakatlarida investitsiyalar va nanotexnologiyalarni joriy etishning o'sish sur'atlari hozirda juda yuqori bo'lib, yaqin 10-20 yil ichida iqtisodiy rivojlanish darajasini va ko'p jihatdan jamiyatdagi ijtimoiy taraqqiyotni belgilaydi. .
Bunday istiqbol butun ta’lim tizimi, birinchi navbatda, kasbiy ta’lim tizimi oldiga yangi vazifalarni qo‘yadi. Nanotexnologiya nanostrukturali materiallar va tayyor mahsulotlarni ishlab chiqarish uchun fundamental bilimlar va yuqori texnologiyali usullarning integratsiyasini nazarda tutganligi sababli, G'arb universitetlarida ham "sof" fiziklar, matematiklar, kimyogarlar, biologlar va boshqalarni tayyorlash hajmini qisqartirish tendentsiyasi mavjud. va an'anaviy yo'nalishdagi muhandislar: metallurglar, mexaniklar, energetiklar, texnologlar va fizik materialshunoslik va nanotexnologiyada "sintetik" mutaxassisliklar ulushini oshirish.
Oxirgi bir necha yil ichida jahon davriy nashrlarida nanomuammolarga oid 10 mingga yaqin maqolalar chop etildi, nanofanning ayrim yo‘nalishlari bo‘yicha har oyda o‘nga yaqin ixtisoslashgan jurnallar nashr etila boshlandi.
Xo'sh, endi nanotexnologiya nimani tushunadi? O'nlik "nano" prefiksi o'zi biror narsaning milliarddan birini anglatadi. Shunday qilib, sof rasmiy ravishda, nanometrlarda (1 nm = 10-9 m = 10E) o'lchangan R (hech bo'lmaganda bitta koordinata bo'ylab) xarakterli o'lchamli ob'ektlar ushbu faoliyat doirasiga kiradi.
Aslida, ko'rib chiqilayotgan ob'ektlar va hodisalar doirasi ancha kengroq - alohida atomlardan (R)< 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, со- держащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях (рис.2.2). В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие - время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нc (10-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины в ряде наноструктур.


Nanotexnologiyalar davridan oldin odam nano o'lchamdagi ob'ektlar va jarayonlarga duch kelmagan va foydalanmagan deb o'ylash sodda bo'lar edi. Shunday qilib, barcha tirik mavjudotlarni tashkil etuvchi makromolekulalar orasidagi biokimyoviy reaksiyalar, fotografik tasvirlarni olish, kimyoviy ishlab chiqarishda kataliz, vino, pishloq, non va boshqalarni ishlab chiqarishda fermentatsiya jarayonlari nano darajada sodir bo'ladi. Biroq, dastlab o'z-o'zidan, foydalanilayotgan ob'ektlar va jarayonlarning mohiyatini to'g'ri tushunmasdan rivojlangan "intuitiv nanotexnologiya" kelajakda ishonchli asos bo'la olmaydi. Shu sababli, fundamental yangi texnologik jarayonlar va mahsulotlar yaratishga qaratilgan fundamental tadqiqotlar muhim ahamiyat kasb etadi. Ehtimol, nanotexnologiya eskirgan va samarasiz texnologiyalarning bir qismini almashtira oladi, ammo shunga qaramay, uning asosiy o'rni yangi sohalarda bo'lib, unda an'anaviy usullar yordamida talab qilinadigan natijalarga erishish printsipial jihatdan imkonsizdir.
Shunday qilib, uzluksiz muhitning yaxshi ishlab chiqilgan uzluksiz nazariyalari va hisoblash va loyihalashning muhandislik usullari ishlaydigan makrodaraja bilan kvant mexanikasi qonunlariga bo'ysunadigan atom o'rtasidagi ulkan va hali ham yomon o'zlashtirilgan bo'shliqda keng mezo-daraja mavjud. materiya tuzilishining ierarxik darajasi (techs - yunoncha o'rtacha, oraliq). Bu darajada DNK, RNK, oqsillar, fermentlar, hujayra osti tuzilmalarining makromolekulalari o'rtasida chuqurroq tushunishni talab qiladigan hayotiy muhim biokimyoviy jarayonlar sodir bo'ladi. Shu bilan birga, bu yerda butun insoniyat jamiyati hayotini tubdan o‘zgartira oladigan misli ko‘rilmagan mahsulotlar va texnologiyalar sun’iy ravishda yaratilishi mumkin. Shu bilan birga, katta hajmdagi xom ashyo va energiya, shuningdek ularni tashish uchun vositalar talab qilinmaydi, chiqindilar miqdori va atrof-muhitning ifloslanishi kamayadi, mehnat yanada intellektual va sog'lom bo'ladi.
SIZGA MAQOLA YOQDIMI