Нанонаука изучает объекты размером порядка одной миллиардной доли метра, а нанотехнологии позволяют применить эти знания.
Нанотехнологии рассматриваются во всем мире как одна из ключевых технологий 21 века.
Нанотехнологические продукты и процессы обладают огромным экономическим потенциалом для рынков будущего. Производство все более компактных, быстрых и эффективных изделий с приемлемым соотношением цены и производительности становится для многих отраслей промышленности все более важным фактором успеха в международной конкуренции.
Технологическая компетентность в области нанотехнологий становится обязательным условием успешной конкуренции с более совершенными процедурами и продуктами на рынках высоких технологий в будущем.
Благодаря своему междисциплинарному характеру нанонаука и нанотехнологии затрагивают широкие области применения в таких областях, как химия / материалы, медицина / науки о жизни, электроника/ информационные технологии, экологическая инженерия и энергетика, автомобилестроение, а также оптика/аналитика и точное машиностроение различными способами.
История и суть нанонауки и нанотехнологий
С тех пор как человек начал брать под контроль окружающую среду и формировать вещи в соответствии с человеческими потребностями, он стремился понять материю на ее фундаментальном уровне. Открытый принцип электронного микроскопа помог разобраться в наноструктурах.
С начала 21 века стало возможным изучать, проектировать и синтезировать структуры с точностью до одной миллиардной доли метра (нанометра).
Нанонаука – это изучение фундаментальных принципов материи в масштабе ~ 1-100 нм.
Нанотехнология — это применение таких знаний для создания материалов и устройств.
На сегодняшний день достигнут значительный прогресс в этой весьма междисциплинарной области исследований, ныне известной как нанонаука и нанотехнологии.
И не только в манипулировании и контроле вещей вплоть до нано- и даже атомного масштаба становится осуществимым, но новые наноразмерные устройства и инструменты для определения характеристик также произвели революцию в средствах изучения новой науки и разработки новых технологий в самых разнообразных областях исследований. В то время как неуклонный прогресс в направлении миниатюризации физических структур и инструменты были созданы, а коллективные усилия достигли новой вершины сильная междисциплинарная природа нанонауки и нанотехнологий все еще постоянно пересматривается и полна как волнений, так и неопределенностей.
Нанотехнология – это наука и технология создания небольших объектов размером менее 100 нм. Один нанометр имеет длину 10-9 метров или около 3 атомов. Для сравнения, ширина человеческого волоса составляет около 60-80 000 нанометров.
Ученые обнаружили, что материалы небольших размеров — мелкие частицы, тонкие пленки и т.д. — могут обладать существенно иными свойствами, чем те же материалы в большем масштабе. Таким образом, существуют бесконечные возможности для усовершенствования устройств, конструкций и материалов, если мы сможем понять эти различия и научиться управлять сборкой нанотехнологических конструкций.
Существует много различных точек зрения на то, что именно входит в состав нанотехнологий.
Однако в целом большинство сходится во мнении, что важны три вещи:
- Малый размер, измеряемый в сотнях нанометров или меньше.
- Уникальные свойства из-за небольшого размера.
- Контролируется структура и состав в масштабе нм, чтобы контролировать свойства.
За последнее десятилетие инновации в нашем понимании нанотехнологий позволили нам начать понимать эти структуры и свойства и управлять ими с целью создания новых функциональных материалов и устройств.
Мы вступили в эру инженерных наноматериалов и устройств.
Нано- и микролитография: “Нисходящая нанотехнология”
Областью нанотехнологий, которая развивалась в течение последних 40 лет, является техника микро- и нанолитографии и травления. Эти методы являются источником великой революции в микроэлектронике, которую иногда называют нанотехнологией “сверху вниз”. Здесь создаются небольшие элементы, начиная с более крупных материалов и
формируя узор или “вырезая” его, чтобы создать наноразмерные структуры с точными узорами. Могут быть изготовлены сложные структуры, такие как микропроцессоры, содержащие сотни миллионов точно расположенных наноструктур. Это наиболее хорошо зарекомендовавшая себя из всех форм нанотехнологий.
Производственные машины для этих технологий могут стоить миллионы долларов, а полномасштабный завод по производству микропроцессоров может стоить миллиард долларов или больше. В последние годы одни и те же методы нанообработки “сверху вниз” позволили использовать их во многих неэлектронных приложениях, включая микромеханические, микроптические и микрофлюидные устройства.
Молекулярно-химическая нанотехнология: “Самосборка”
Часто называемая молекулярной или химической нанотехнологией, эта принципиально иная область нанотехнологий начиная с атомного масштаба и заканчивая созданием материалов и структур, атом за атомом. По сути, это молекулярная инженерия. Это достигается путем использования сил природы для сборки наноструктур – часто используется термин “самосборка”. Здесь силы химии находятся под контролем, и мы имеем, по крайней мере на сегодняшний день меньшую гибкость при создании произвольных структур. Однако созданные таким образом наноматериалы привели к появлению целого ряда потребительских товаров. Чем больше мы исследуем и понимаем область химической нанотехнологии, тем больше продолжаются значительные успехи.
Кроме того, существует множество интересных приложений, которые сочетают в себе как восходящую, так и нисходящую обработку.
Примером этого могут служить одномолекулярные транзисторы, которые имеют большие (макроскопические) выводы, изготовленные сверху вниз, а также одномолекулярные (микроскопические) сборки, построенные снизу вверх.
Уникальные свойства наноматериалов
На наноуровне свойства материалов ведут себя по-разному, подчиняясь атомным и молекулярным законам.
Исследователи используют уникальные свойства материалов в таком небольшом масштабе для создания новых и захватывающих инструментов и продукция во всех областях науки и техники.
Нанонаука и нанотехнологии сочетают физику твердого тела, химию, электротехнику, химическую инженерию, биохимию, биофизику и материаловедение. Таким образом, это в высшей степени междисциплинарная область, объединяющая идеи и методы из широкого спектра традиционных дисциплин. Некоторые университеты начали выдавать ученые степени в области нанотехнологий; другие рассматривают их как часть существующих академических областей. В любом случае в ближайшие 30 лет потребуется много подготовленных ученых, инженеров и техников в этих областях.
Многие предсказывают, что нанотехнологии — это следующая техническая революция, и продукты, полученные в результате нее повлияют на все сферы нашей экономики и образа жизни.
