Научная конференция Эпоха нанотехнологий – третья научно-техническая революция «технология» с греч. «techne» – искусство, мастерство, умение «logos» – наука Задача технологии – превратить знания человека о мире и природе в продукт, необходимый и полезный для человека Макроскопические («macro» – большой) - объекты, видимые невооруженным глазом (чашка, топор, автомобиль) Микроскопические («micro» – маленький) - объекты, размер которых лежит в диапазоне 1-100 мкм (Биологическая клетка, эритроцит крови ) Нанометровые - объекты размером от 1 до 100 нм (миллиардная доля метра) «Там внизу много места. Приглашение в новый мир физики» Ричард Фейнман: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами». «nanotechnolog»нанотехнология Наноматериалы – это материалы, обладающие структурой нанометрового размера (1-100 нм) виды наноматериалов: наночастицы нанокластеры фуллерены нанотрубки и нановолокна нанопористые структуры нанодисперсии наноструктурированные поверхности и пленки нанокристаллические материалы Образцы формы нанокластеров, похожих на объекты живой природы: а) наноструктура (элементы «цветка», в тысячи раз меньшего, чем диаметр человеческого волоса, выращены на кремниевой поверхности с участием мельчайших капелек жидкого галлия и потоков газа) в) наноцветы б) живое растение Н.Н. Леденцов : «Стало ясно, что не нужно пытаться бороться с природой, а надо эту природу изучать, радоваться ей и просто следовать тому, что она сама хочет сделать. А сама она как раз очень хочет сделать наноструктуры, правда, размеры, плотности, относительное расположение нанообъектов она хочет определять сама». Физические и химические свойства кластера можно целенаправленно изменять, вводя в него атомы других элементов. Подобные кластеры считаются перспективными для получения эффективных катализаторов, для использования в квантовых компьютерах Кластер из 12 атомов кремния и так называемого «гостя» – атома вольфрама Квантовые точки-основа технологии нового поколения полупроводниковых приборов, лазеров, диодов, ячеек солнечных батарей Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии Углерод - основа живой природы модификации углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерены, углеродные нанотрубки, графен модификации углерода: графены фуллерены Углеродные нанотрубки Выращенные монокристаллы различных веществ Технология получения наноматериалов технология «Сверху вниз» технология «Снизу вверх» Технология «Сверху вниз» - уменьшение размеров тел механической или иной обработкой до получения нанометровых объектов В основе технологии - литография Литография – создание наноструктур на поверхности твёрдого тела С греческого: «литос»- камень, «графо» - пишу Структура, полученная с помощью литографии Этапы литографии: 1.Фоторезист 2. Экспонирование 3. Травление процесс Фоторезист Суть процесса Что происходит Нанесение на поверхность образца светочувствительного вещества Экспонирование Облучение оптическим источником излучения (лампа или лазер) образца с нанесенным фоторезистом и наложенным сверху фотошаблоном Изменение структуры поверхности образца, вызванное действием фоторезиста Травление Часть поверхности, изменённая фоторезистом, удаляется вместе с ним Растворение химическими веществами поверхности, изменившую структуру под действием облучённого Технология «Снизу вверх» - получение наноразмерного объекта путём сборки из отдельных атомов и молекул В основе технологии Эпитаксия ЭпитаксияС греческого: «epi» - на, над; «taxis» расположение, порядок Эпитаксия кристаллов рутила на гематите: а) сам кристалл б) отдельная структура кристалла Последовательность эпитаксии: 1. Испарение отдельных атомов из макроскопического тела за счёт термического или лазерного подогрева 2. перевод испарённых атомов в область низких температур 3. Конденсация атомов в наночастицы 4. Наложение этих атомов на кристалл Применение эпитаксии получение: фуллеренов углеродных трубок нанокластеров наночастиц различного размера В основе технологий получения наноматериалов лежит самоорганизация и самосборка из отдельных атомов и молекул Пример самосборки в природе – это пчелиные соты пример самосборки в нанотехнологии ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛГИИ Полевая ионная микроскопия Электронная просвечивающая микроскопия Сканирующая зондовая микроскопия Сканирующая туннельная микроскопия Электронная сканирующая микроскопия Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия Зондовая нанотехнология (нанолитография) Атомно-силовая микроскопия Схема работы просвечивающего электронного микроскопа В 1932 г. немецкие учёные М. Кнолль и Э. Руска построили первый просвечивающий электронный микроскоп, использующий для построения изображения вместо световой волны поток электронов. Микрофотография наночастиц CeO2, полученная при помощи электронного микроскопа Titan с максимальным разрешением 0,05 нм РАСТРОВЫЙ (СКАНИРУЮЩИЙ) ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП Схема растрового электронного микроскопа была предложена М. Кноллем в 1935 г., а первая реальная установка была создана М. фон Арденне в 1936г. ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП Изображение поверхности вольфрамового острия радиусом 950 Å при увеличении в 106 раз в гелиевом ионном проекторе при температуре 22 К. Острие вольфрама СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП Данные, собранные при сканировании, обрабатываются компьютером. . СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП Рисунок поверхности, на котором видно расположение отдельных атомов Поатомное изображение поверхности монокристаллического кремния ЗОНДОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ (НАНОЛИТОГРАФИЯ) Метод использования сканирующей зондовой микроскопии – инструмент создания нанообъектов - нанолитография. При этом возникает возможность поатомной сборки любых молекул и наноструктур В 1985 году в США был получен патент, в котором описывалась возможность переноса атомов с острия зонда СТМ на образец. Так был получен портрет Жореса Алфёрова, Российского Нобелевского лауреата по физике 2000г. Литография портрета учёного Наноэлектроника – область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем и устройств на их основе с размерами элементов менее 100 нм. Оптоэлектроника Оптоэлектроника – раздел физики и техники, занимающийся преобразованием оптического излучения в электрический ток и обратно. Преимущества света перед током: не возбуждаются дополнительные электрические и магнитные поля (помехи) возможность сгибать световод под любым углом, что позволяет уменьшать его объём более широкий диапазон частот, что позволяет увеличить поток информации в фотонных проводниках не выделяется тепло Фотонно-кристаллические световоды – перспективный элемент различных сенсоров. Оптические характеристики изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной. LASER (англ.) – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения В будущем нанотехнологии войдут во все сферы повседневной жизни Рисунок из брошюры Европейской комиссии «Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня» Успехи применения нанотехнологий связаны в основном с новыми материалами Теплоизолирующий материал (температура факела газовой горелки внизу – 1000ºС ) Нанотехнологии в медицине Наномедицина – это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне,используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас) Области применения нанотехнологий в медицине: •технологии диагностики •лекарственные аппараты •Протезирование и имплантаты Подходы в наномедицине Диагностика и лечение на уровнях клеточном субклеточном молекулярном Лекарственные аппараты • наночастицы, которые содержат лекарства и могут доставлять их в клетки; • микроконтейнеры – «умные таблетки»; • липосомы и клоттоциты- сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества Клоттоциты - искусственный аналог тромбоцитов. Красные кровяные тельца попадают в кровь и кровотечение останавливается. Расчеты показывают, что при ране длиной 1 см и глубиной 3 мм кровопотеря составит ~ 6 мм3, что составляет всего 1/10 одной кровяной капли. Протезирование и имплантаты. Применение чипов Профессор Типу Азиз, известный английский ученый и практик. Основоположник научных основ современных методов воздействия на структуры мозга Владеет всеми современными методами функциональной нейрохирургии. Протезирование (чипы) Биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка. Импланты Нейро - импланты позволят вернуть зрение многим слепым людям. Выключатель боли: электроды-имплантаты стимулируют мозг Электроды, внедрённые в мозг, помогают пациентам справиться с непрекращающейся болью. Наночастицы серебра В увеличении Сегодня серебро и золото широко используются в наномедицине: - выпущены повязки для обеззараживания ран, содержащие наночастицы серебра - ионы серебра вводятся в одежду и постельное белье, которые рекомендуют использовать при экземе и других нарушениях кожного покрова. Современное состояние и тенденции развития наномедицины Работают наножидкостные и наноэлектронные системы, в "лаборатории-на-чипе", проводящие экспресс-анализ ДНК, РНК, белка. • Производятся наноматериалы для искусственных протезов конечностей с хорошей совместимостью с живыми тканями. • Внедряются наноустройства, выполняющие определенные медицинские операции. • Разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в теле человека. Перспективы развития наномедицины Создание молекулярных роботов- врачей, которые могут “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая их возникновение Ремонт клеток нанороботами, которые манипулируют отдельными атомами и молекулами. нанопокрытия Нанопокрытие, состоящее из полимерных слоев и наночастиц кварца, позволяет сделать лобовые стекла машин устойчивыми к появлению царапин, при этом стекла остаются прозрачными. Нанопокрытие для автомобильного стекла (на левом рисунке обработана левая половина лобового стекла, на правом – 55 правая) Краска для внешней окраски домов, которая «отталкивает» грязь и влагу и надолго сохраняет свои качества Самоочищающиеся покрытия для тканей Водонепроницаемая бумага с защитным слоем из наночастиц Фирма Kodak представила многослойную (9 слоев) бумагу для струйных принтеров. В каждом слое – свой сорт наночастиц, обеспечивающий определенную функцию. 59 Нанотехнологии позволяют применять золото в нетрадиционных для него областях: катализатор в автомобилях, для предотвращения запахов, в керамических мембранах с нанопорами и других областях Наночастицы золота С применением нанотехнологий возможно создание «умной одежды» для опасных, экстремальных условий Использование нанотехнологий в создании «умной » одежды : терморегулирующая одежда: охлаждает тело в жару, а при понижении внешней температуры излучает тепло самый лёгкий материал из аэрогеля («абсолютный холод»), который на 99,8% состоит из воздуха. Одежда из него предназначена для работ при температуре до –80 костюмы, отгоняющие комаров и москитов, в жаркое время создающие охлаждающий эффект за счет выделения наночастиц ментола, носки, содержащие абсорбенты и благоухающие цветочным ароматом самоочищающиеся ткани: покрытие из наночастиц диоксида титана на свету расщепляет органические загрязнители. Косметика, улучшенная с помощью наночастиц, стала не только эффективнее, но и вошла в моду. Нанокапсулы легко проникают внутрь эпидермиса. В пищевой промышленности нанотехнология поможет с помощью различных сенсоров контролировать качество и безопасность пищи. Нанотехнологии в военном деле Одним из направлений применения нанотехнологий в военном деле является разработка «мягкой брони», которая может быть применена для изготовления экипировки солдата будущего. Костюм солдата будущего «Облако» микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Такое «облако» может использоваться и в интересах разведки. Оружие будущих войн Основные усилия военных нанотехнологов направлены на: поиск новых материалов улучшение систем боевой техникой создание самовосстанавливающихся систем обеспечение связи разработка защиты от бактериологического и химического оружия