Большие маленькие нанотехнологии: хайп прошел, а что осталось?

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое — когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м — в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

1.2.2 Нанотехнологии в медицине

Особенности профессии

Нанотехнологи создают новые материалы с чётко заданной атомарной структурой. Контролируемые манипуляции отдельными молекулами и атомами для «сборки» таких материалов – это и есть нанотехнология.

Работа с мельчайшими элементами возможна, благодаря мощным электронным микроскопам высокого разрешения. Таким, как сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), растровый электронный микроскоп (РЭМ).

К нанотехнологиям относят также разработку и создание электронных схем, основанных на элементах  размером с молекулу или атом. Разработку роботов (наномашин, нанороботов) размером с молекулу. А также методы исследования таких объектов.

Таким образом, нанотехнология — междисциплинарная область, находящаяся на стыке науки (фундаментальной и прикладной) и техники.

Почему это направление стало таким актуальным в последнее время? Дело в том, что нанотехнология — это наиболее глубинное и направленное вмешательство в материю на сегодняшний день. Это качественно новый уровень точности.

Принцип создания наноматериалов (манипуляции отдельными атомами) позволяет получать такие свойства, которых невозможно добиться традиционным способом. Потому что традиционный способ (проведение химических реакций) — это работа с порциями вещества, состоящими из миллиардов атомов.

Словарь

Наноматериал — материал, состоящий из структурных элементов,  размеры которых (хотя бы в одном измерении) не превышают 100 нм.

Наносистемная техника — системы и устройства, созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий.

Наноиндустрия — производство на основе нанотехнологий.

Нанобактерии — органо-минеральные структуры (30—200 нм), способные к самостоятельному размножению.

История

Термин «нанотехнологии» первым начал использовать японский физик Норио Танигучи в 1974 году, обозначая им создание материалов с нанометровой точностью.

Однако отцом нанотехнологий считается американский учёный Ким Эрик Дрекслер, который начал свою работу в этой области в 1970-х годах (тогда он разрабатывал солнечные батареи на основе нанотехнологий). Он автор теории создания молекулярных нанороботов, нанотехнологического механосинтеза.

В 1992 году Дрекслер выступил перед комиссией Конгресса США с докладом, в котором описал, как именно нанотехнологии должны преобразить мир. По его мнению, они должны избавить мир от голода и болезней, а также уберечь от экологической катастрофы, т.к. всё, что нужно человечеству, можно сделать с помощью нанороботов из атомов и молекул почвы, воздуха и песка.

Но у нанотехнологий есть и тёмная сторона. Об этом говорит и сам Декслер. Ему принадлежит концепция конца света от «серой слизи», т.е. неуправляемых саморазмножающихся нанороботов, которые могут поглотить жизнь на Земле.

Перспективы профессии

Искусственный фагоцит сможет уничтожать чужеродные бактерии и вирусы.

В утверждении, что нанотехнологи избавят человечество от голода и болезней, почти нет преувеличения. Например, ученые уже разработали методики лечения злокачественных опухолей с помощью нанополимеров, которые доставляют  большие дозы лекарства напрямую в раковые клетки. У этого метода гораздо меньше побочных эффектов, чем у традиционной химиотерапии.

Разработали способы восстановления клеток организма (нанопластырь для восстановления миокарда, повреждённого инфарктом, и пр.). Таких примеров очень много. Попытки использовать нанотехнологи для лечения предпринимают и в России. Предприятие «Нанокор» в Томске в 2012 году начинает разрабатывать технологию использования биоактивных наночастиц для лечения атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах.

Миниатюрные технологии нужны не только в медицине. Например, американские военные планируют в 2015 году запустить в космос наноспутники, которые отправятся к отработавшим свой срок орбитальным аппаратам, встроятся в их системы управления и таким образом дадут списанным спутникам новую жизнь. Энергию они будут получать от солнечных батарей старых спутников.

Теперь уже очевидно, что нанотехнологии — это новые возможности для бизнеса и конкуренции. Сегодня отрасль развивается стремительно. По мнению европейских экспертов, в 2010—2015 гг. во всём мире (включая Европу, Японию, Китай, США и Россию) в ней будут работать  больше 2 000 000 специалистов.

В России за развитие нанотехнологий отвечает «Российская корпорация нанотехнологий» (РосНа-ноТех). Уже ближайшие годы профессия специалист по нанотехнологиям должна стать одной из самых востребованных профессий в России.

История Править

Кубок Ликурга,IVвек

Истинным же первооткрывателем понятия НТ и первое использование понятий НТ состоялось в докладе, который сделал физик Ричард Фейнман в американском Физическом Обществе, на встрече 29 декабря 1959 года. Фейнман описал процесс, который способен управлять индивидуальными атомами и молекулами, который мог быть развит, используя один из наборов точных инструментов для создания другого набора с меньшими размерами и так далее — для управления другими пропорционально меньшими частицами. В ходе доклада Фейнман отметил, что в оценке задачи появления эффекта изменения величин различных физических состояний существует опасность НТ в вопросах влияния поверхностной напряженности создаваемых веществ и др.

— Нанотехнология главным образом состоит из обработки, разделения, консолидации и деформации материалов одним атомом или одной молекулой.

В 1980-ых годах основная идея этого определения исследовалась с намного большей глубиною доктором К. Эриком Дрекслером, который развил технологическое значение явлений нано-масштаба и устройств в своих устных выступлениях и в книгах: «Прибывающая Эра Нанотехнологии и Наносистем», «Молекулярные Машины», «Производство, и Вычисление».
К этому времени уже появились новые материалы, микроскопическая структура которых определяла их существенно новые технологические свойства (керметы, ситаллы, композиционные материалы и композиционные покрытия, и др.). Однако началом эры нанотехнологии и нанонауки можно считать следующие события начала 1980-ых годов:

• рождение науки о нанопорошках;

Появлению понятия «нанотехнология» предшествало много сценариев в области литературы, в мире фантастики и всевозможных СМИ. В последнее время параллеллно этому развивается мощная индустрия применения нанопроцессов в получении новых материалов. Различного рода гипотезы из мира фантастики становятся реальностью

Важно своевременно выйти из состояния мистики и переключиться на реальные действия. Как говорится, «пора перейти от простого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике»

Получаемые первые выдающиеся результаты опровергают высказывания многих скептиков и фантазёров. Не случайно на развитие научно-технической базы нанотехнологий ведущие страны мирового сообщества выделяют огромные средства.

В году мировые инвестиции в сферу разработки НТ почти удвоились по сравнению с годом и достигли $10 млрд. На долю частных доноров — корпораций и фондов — пришлось примерно $6.6 млрд инвестиций, на долю государственных структур — около $3.3 млрд. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых НТ на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объем инвестиций составил $4 млрд.), США — на 122 % ($3.4 млрд.).
В настоящее время (2008 год) финансирование России на развитие нанотехнологий значительно увеличено, но по сравнению с уровнем США оно намного меньшее.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Управляемое затвердевание пленки материала А выращенного на субстрате созданном из материала В производит острова А, т. к . разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP. Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитоксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А.

Формы этих точек сильно разнятся. Они появляются в виде пирамид, но накрапление изменяет форму и состав. Обычно может получиться только маленькое число размеров. Спектроскопические и транспортные изменения этих точек раскрыли мультиэкситонные переходы (несколько электронов и несколько дырок распадаются вместе). Также были обнаружены эффекты Кулоновской блокады, где загрузка точки электронами вызывает Кулоновское отталкивание электронов от других электронов так электронное сложение требует повышенного входного напряжения. Вертикальное выравнивание самособирающихся точек в настоящее время обещает заманчивые перспективы для создания сетки точек и приложения устройств.

Российская корпорация нанотехнологий

Основная статья: Российская корпорация нанотехнологий

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» учреждена в июле 2007 года специальным Федеральным законом от 19 июля 2007 года № 139-ФЗ. В 2007 году правительство Российской Федерации внесло имущественный взнос в размере 130 млрд рублей для обеспечения деятельности корпорации. Официально зарегистрирована 19 сентября 2007 года.

Органами управления корпорации являются наблюдательный совет, правление и генеральный директор. Органом внутреннего финансового контроля является ревизионная комиссия. В корпорации формируется консультативный орган — научно-технический совет.

Генеральный директор — Анатолий Борисович Чубайс (до сентября 2008 года — Леонид Борисович Меламед). Председатель наблюдательного совета: Андрей Александрович Фурсенко — министр образования и науки Российской Федерации.

На 1 сентября 2010 года наблюдательный совет Роснано одобрил к софинансированию 93 проекта (82 инвестиционных проекта, 7 фондов и 4 наноцентра) с общим бюджетом 302,1 млрд рублей, включая долю Корпорации в объеме 123,1 млрд рублей. В корпорацию к этой дате поступило 1758 заявок на софинансирование проектов в сфере нанотехнологий, из которых 1037 были отклонены, 308 находились на стадии внутренней научно-технической и инвестиционной экспертизы, а 320 проходили стадию рассмотрения в научно-техническом совете и в инвестиционном комитете..

Одобренные к финансированию проекты Роснано разделены на шесть кластеров:

• солнечная энергетика и энергосбережение;
• наноструктурированные материалы;
• медицина и биотехнологии;
• машиностроение и металлообработка;
• оптоэлектроника и наноэлектроника;
• инфраструктурные проекты.

Оплата труда

Знания и навыки

Нанотехнология находится на стыке химии, биологии, физики, математики, информатики. Для успешной работы нужны знания по математике, физике, химии, биологи, информатике. А также специальные знания, которые зависят от конкретной специализации. Для общения с иностранными коллегами и чтения литературы требуется знание английского языка.

Вузы

Для работы в сфере нанотехнологий необходимо получить в вузе одну из специальностей: «нанотехнологии», «нанотехнологии в электронике», «наноматериалы».

Вузы, в которых можно получить профессию нанотехнолога (неполный список)

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Факультет нано-, био-, информационных и когнитивных технологий (ФНБИК).

Научно-техническая база – в Курчатовском институте.

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана.

Научно-техническая база – договор с РОСНАНО.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Институт новых материалов и нанотехнологий.

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).

Факультет электроники. 

Московский государственный институт электроники и математики (МИЭМ).

Факультет электроники.

Московский государственный институт электронной техники (технический университет) МИЭТ.

Факультет электроники и компьютерных технологий.

Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ).

Факультет автоматизации и информационных технологий.

История

В 2000 году Правительство России разработало и приняло программу «Военная наноэлектроника Вооружённых Сил Российской Федерации на период до 2010 года».

21 августа 2001 года принята Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002—2006 годы». 14 ноября 2002 года постановлением Правительства России в эту программу были добавлены разделы, связанные с нанотехнологиями и нанонаукой.

6 июля 2006 года принята Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы», после чего финансирование по направлениям нанотехнологий и нанонауки возросло.

26 апреля 2007 года В. В. Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники». По мнению Путина, для большинства россиян нанотехнологии сегодня — «некая абстракция вроде атомной энергии в 30-е годы».

4 мая 2008 года Правительство России приняло «Программу развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года», согласно которой объём производства продукции наноиндустрии в России должен составить к 2015 году более 900 млрд руб.

8 октября 2008 года создано «Нанотехнологическое общество России», в задачи которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны»

6 октября 2009 года президент России Д. А. Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призываю». Д. А. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадрах для нанотехнологий.

26 апреля 2010 года в городе Рыбинске открылся завод по производству монолитного твёрдосплавного инструмента с многослойным наноструктурированным покрытием. Это первое нанотехнологическое производство в России. Роснано потратила на финансирование этого проекта около 500 млн рублей. Глава российского научного центра «Курчатовский институт» М. В. Ковальчук заявил: «Роснано в Рыбинском проекте сыграла очень важную роль в цепочке между научной организацией, финансирующим органом и конечным производством. Мы за бюджетные деньги создали интеллектуальную собственность, а затем с помощью Роснано коммерциализовали её и легально продали производственникам лицензию на её использование. Таким образом, благодаря этой госкорпорации наша технология была превращена в коммерческий продукт».

НАНОПРОИЗВОДСТВО

Нанопроизводство квантовых точек идеально для изучения транспортных свойств таких как наблюдение перехода электронов поодиночке в точки. Это раскрывает красивую последовательность переходов перекомпановывая атомную физику в ее правиле отбора, но на энергетическом масштабе миллиэлектронвольт (вместо приблизительно 10эВ). Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях (например, «частица в ящике») на максимальном пределе нулевого измерения (т.е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Таким образом эта область интересна теоретикам квантовой физики, экспериментаторам в области электроскопии, передачи информации и, вероятно, специалистам в области оптоэлектроники. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках.

Определения и терминология Править

Часто применяемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как сам объект, так и отличие современных нанотехнологий от традиционных и научных дисциплин.

Объектом нанотехнологий на микроуровне являются:

Наночастицы, нанопорошки — объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Нанотрубки, нановолокна — объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Наноплёнки — объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм.

С другой стороны, объектом НТ могут быть и макроскопические объекты, атомарная или молекулярная структура которых создаётся благодаря контролируемому запрограммированному распределению микрочастиц на уровне отдельных атомов или молекул.

НТ качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку в таких масштабах привычные (макроскопические) технологии при работе с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые в обычных масштабах, становятся намного более значительными и непредсказуемыми: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул (или агрегатов молекул), квантовые эффекты принимают совершенно новый характер.

На практике НТ — это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров.   Однако сейчас нанотехнология находится в стадии интенсивного развития, и основные открытия, предсказываемые в этой области, ужé претворяются в жизнь. Проводимые исследования ужé дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Особые свойства наноматериалов

В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. Температура плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.

Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.

Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).

Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная энергия воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва P_max возрастает при переходе в  нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.

Размерная зависимость поверхностной энергии нанокристаллов приводит соответствующую зависимость температуры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное изменение тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колебаний атомов. В ферромагнитных наночастицах при уменьшении размера ниже некоторого критического значения для системы становится энергетически невыгодным состояние разбиение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидоменных в однодоменных, при этом получая особые магнитные свойства.