Приставка «нано» («нанос» по-гречески – карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра (10 -9 м).
Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора – даже при том, что некоторые, как обычно, пожадничают).
Уменьшим слона до размера микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалось бы нам тогда равной… 170 километрам.
Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше.
НАНО МАРЬЯНА РАСКРЫЛА ДАННЫЕ ПАСПОРТА #shortvideo #likee #maryana #a4 #nano
Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм.
Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи.
«Нано» + «технологии»
Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. А другие виды нанопродукции уже продаются в магазинах.
НАНО вчера (в сокращенном варианте)
Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, сделал один из крупнейших физиков современности Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой лекции «Там внизу много места». Он предложил приз в 1000 долларов тому, кто первым сделает работающий электрический мотор размером меньше 1/64 дюйма (0,4 мм) и еще столько же тому, кто уменьшит страницу текста в 25000 раз. Говорил он и о потенциальной возможности перемещать отдельные атомы и собирать их в конструкции при помощи манипулятора соответствующих размеров. Сам же термин «нанотехнологии» в 1974 году ввёл японский физик Норио Танигути.
В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий». В ней автор изложил идею молекулярных машин, способных к воспроизводству. Он утверждал, что эти машины – нанороботы, — выйдя из-под контроля, смогут настолько быстро размножаться, что из «машин созидания» превратятся в «машины уничтожения» и поглотят всю биомассу Земли. (Такая субстанция из обезумевших наномашин получила название «серая слизь»). Эта книга и последовавшая за ней дискуссия, в которой приняли участие крупнейшие ученые, буквально ошеломила общество. Благодаря этому нанотехнологии оказались в центре всеобщего внимания.
Что такое НАНО-ПК?
Прогнозы Дрекслера сегодня считают фантастикой. Но задачи, о которых он писал – самосборка наноструктур, производство на молекулярном уровне, медицинские манипуляции на наномасштабах – остаются на переднем крае исследований. И кто знает, может быть реалистичные нанотехнологии сегодняшнего дня приведут к еще более фантастическим достижениям, чем те, которые могли предвидеть визионеры в прошлом веке.
НАНО завтра
По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы в коммерческих продуктах.
Аккумуляторы смогут не только накапливать электрическую энергию, но и преобразовывать в нее свет и тепло. Солнечные батареи будут совмещаться с конструкционными материалами – в идеале дом обеспечат теплом его стены и крыша. В ближайшие десять лет нанотехнологии готовят революцию в солнечной энергетике – резкое снижение цены при резком росте эффективности.
Главный кандидат в фотовольтаики (преобразователи света в электроэнергию) следующего поколения – квантовые точки. Квантовая точка – полупроводниковый кристалл размером в несколько нанометров. Когда в квантовую точку попадает фотон, он освобождает до семи электронов (в кремнии, применяемом сегодня – только один).
Многослойные фотовольтаики на квантовых точках могут в принципе достичь эффективности в 86%, хотя более осторожные теоретики предсказывают 40-45%, что тоже очень неплохо (сегодня этот показатель всего лишь 16% в массовом секторе). Тонкие пленки, насыщенные квантовыми точками, будут гораздо дешевле и удобнее в использовании, чем нынешние солнечные батареи.
Электроника тоже не будет стоять на месте. Очень вероятно, что вместо кремния в компьютерах будут применяться иные материалы – например, графен, углеродный слой из атомов, объединенных в шестиугольные ячейки. Но не исключено, что процессорный чип будет похож на лес из нанотрубок-транзисторов, а «выращивать» такие леса будут при помощи молекул ДНК.
«Читалки» для электронных книг в виде тонкого пластикового листа формата А4 должны поступить в продажу в следующем году. Такие устройства должны будут просто печататься на пластике, вместе с процессором и дисплеем. Ну, а наномасштабов элементы пластиковой логики могут достичь лет через 10. Тогда и мощный компьютер можно будет наклеить на стену в виде плаката или даже стикера.
В медицине будет развиваться ранняя и точная диагностика на основе наносенсоров. Точечная доставка лекарств в форме нанокапсул прямо в пораженные клетки поможет справиться с множеством заболеваний. Исследования в области наноструктурированных материалов и биоактивных покрытий могут привести к революции в протезировании – созданию полноценных искусственных конечностей. Быстрый анализ индивидуальной ДНК поможет вовремя предотвращать тяжелые заболевания и настраивать лекарства на особенности пациента.
Строительные конструкции будут насыщены наносенсорами, следящими за их прочностью и целостностью. Подобно использованию видеокамер для наружного наблюдения, сенсорные технологии начнут включаться в процессы наблюдения и передачи данных для обнаружения любых угроз, от пожара до атаки террористов.
Промышленного уровня достигнут технологии молекулярной сборки. Вряд ли автомобили, чайники, стулья будут делаться прямо из молекул. Однако нанофабрикация по принципу «снизу вверх» (в сочетании с обычными методами), скорее всего, уже лет через 10-15 будет широко применяться в некоторых отраслях (прежде всего в электронике). Во всех отраслях машиностроения будут работать всевозможные нанопокрытия и нанодобавки, использоваться умные наноматериалы – снижая трение, защищая машины от грязи и повреждений, экономя энергию.
Однако самое интересное и важное – как повлияет развитие нанотехнологий на частную жизнь человека и жизнь общества в целом. Сейчас ясно одно: эти технологии сильно изменят мир. Но предвидеть эти изменения в деталях нам почти наверняка не удастся.
Источник: www.ntsr.info
Погружение в наномир: нанообъекты и их возможности
Покорение природы человеком еще не закончилось. Во всяком случае, пока мы еще не захватили наномир и не установили в нем свои правила. Посмотрим, что это такое и какие возможности нам дает мир объектов, измеряемых нанометрами.
Что такое «нано»?
Когда-то на слуху были достижения микроэлектроники. Сейчас мы перешли к новой эре нанотехнологий. Так что такое это «нано», которое то тут то там стали добавлять к привычным словам, придавая им новое современное звучание: нанороботы, наномашины, нанорадио и так далее? Приставка «нано-» применяется в Международной системе единиц (СИ).
Ее используют для образования обозначений десятичных дольных единиц. Это одна миллиардная часть исходной единицы. В данном случае мы говорим об объектах, чьи размеры определяются в нанометрах. Значит, один нанометр – это одна миллиардная часть метра. Для сравнения, микрон (он же микрометр, давший название микроэлектронике, а кроме того, микробиологии, микрохирургии и т. д.) – это одна миллионная часть метра.
Если взять для примера миллиметры (приставка «милли-» – одна тысячная), то в миллиметре 1 000 000 нанометров (нм) и, соответственно, 1 000 микрометров (мкм). Человеческий волос имеет толщину в среднем 0,05–0,07 мм, то есть 50 000–70 000 нм. Хотя диаметр волоса и можно записать в нанометрах, это еще далеко не наномир. Углубимся и посмотрим, что там есть уже сейчас.
Размеры бактерий составляют в среднем 0,5–5 мкм (500–5000 нм). Вирусы, одни из главных врагов бактерий, еще меньше. Средний диаметр большинства изученных вирусов составляет 20–300 нм (0,02–0,3 мкм). А вот спираль ДНК имеет диаметр уже 1,8–2,3 нм. Считается, что самый маленький атом – это атом гелия, его радиус 32 пм (0,032 нм), а самый большой – цезия 225 пм (0,255 нм).
В целом, нанообъектом будет считаться такой объект, размер которого хотя бы в одном измерении находится в нанодиапазоне (1–100 нм).
Можно ли увидеть наномир?
Конечно, все, о чем говорится, хочется увидеть своими глазами. Ну хотя бы в окуляр оптического микроскопа. Можно ли заглянуть в наномир? Обычным способом, как мы наблюдаем, например, микробов, нельзя. Почему? Потому что свет с некоторой долей условности можно назвать нановолнами.
Длина волны фиолетового цвета, с которого начинается видимый диапазон, – 380–440 нм. Длина волны красного цвета – 620–740 нм. Длины волн видимого излучения составляют сотни нанометров. При этом разрешение обычных оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом Аббе примерно на уровне половины длины волны. Большинство интересующих нас объектов еще меньше.
Поэтому первым шагом на пути проникновения в наномир стало изобретение просвечивающего электронного микроскопа. Причем первый такой микроскоп был создан Максом Кноллем и Эрнстом Руска еще в 1931 году. В 1986 году за его изобретение была вручена Нобелевская премия по физике. Принцип работы такой же, как и у обычного оптического микроскопа.
Только вместо света на интересующий объект направляется поток электронов, который фокусируется магнитными линзами. Если оптический микроскоп давал увеличение примерно в тысячу раз, то электронный уже в миллионы раз. Но у него есть и свои недостатки. Во-первых, это необходимость получить для работы достаточно тонкие образцы материалов.
Они должны быть прозрачны в электронном пучке, поэтому их толщина варьируется в пределах 20–200 нм. Во-вторых, это то, что образец под воздействием пучков электронов может разлагаться и приходить в негодность.
Другим вариантом микроскопа, использующего поток электронов, является сканирующий электронный микроскоп. Он не просвечивает образец, как предыдущий, а сканирует его пучком электронов. Это позволяет изучать более «толстые» образцы.
Обработка анализируемого образца электронным пучком порождает вторичные и обратноотраженные электроны, видимое (катодолюминесценция) и рентгеновское излучения, которые улавливаются специальными детекторами. На основании полученных данных и формируется представление об объекте. Первые сканирующие электронные микроскопы появились в начале 1960-х годов.
Сканирующие зондовые микроскопы – относительно новый класс микроскопов, появившихся уже в 80-е годы. Уже упомянутая Нобелевская премия по физике 1986 года была разделена между изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Эрнстом Руска и создателями сканирующего туннельного микроскопа Гердом Биннигом и Генрихом Рорером.
Сканирующие микроскопы позволяют скорее не рассмотреть, а «ощупать» рельеф поверхности образца. Полученные данные затем преобразуются в изображение. В отличие от сканирующего электронного микроскопа, зондовые используют для работы острую сканирующую иглу.
Игла, острие которой имеет толщину всего несколько атомов, выступает в роли зонда, который подводится на минимальное расстояние к образцу – 0,1 нм. В ходе сканирования игла перемещается над поверхностью образца. Между иглой и поверхностью образца возникает туннельный ток, и его величина зависит от расстояния между ними. Изменения фиксируются, что позволяет на их основании построить карту высот – графическое изображение поверхности объекта.
Похожий принцип работы использует и другой микроскоп из класса сканирующих зондовых микроскопов – атомно-силовой. Здесь есть и игла-зонд, и аналогичный результат – графическое изображение рельефа поверхности. Но измеряется не величина тока, а силовое взаимодействие между поверхностью и зондом.
В первую очередь подразумеваются силы Ван-дер-Ваальса, но также и упругие силы, капиллярные силы, силы адгезии и другие. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, который может применяться только для исследования металлов и полупроводников, атомно-силовой позволяет изучить и диэлектрики. Но это не единственное его преимущество. Он позволяет не только заглянуть в наномир, но и манипулировать атомами.
Источник: dzen.ru
Что такое нанотехнологии и где они используются
