Нанотехнологии для всех

1.

Министерство образования и науки Российской Федерации
МБОУ средняя общеобразовательная школа №90
Нанотехнологии для всех
Выполнил: Мельник Василий,
обучающийся МБОУ СОШ №90
10 класс
Руководитель:
Мельник А.В., инженер-программист
Воронеж
2022

2.

2

3.

Оглавление
Введение .................................................................................................................................................... 4
Актуальность работы ......................................................................................................................... 5
Гипотеза исследования ....................................................................................................................... 5
Цели проекта........................................................................................................................................ 5
Задачи проекта .................................................................................................................................... 6
Объект исследования.......................................................................................................................... 6
Предмет исследования........................................................................................................................ 6
Основная часть ........................................................................................................................................ 7
1.
История развития нанотехнологий ......................................................................................... 7
2.
Нанотехнологии в различных областях деятельности человека. ...................................... 9
• В медицине.............................................................................................................................. 9
• В строительстве. .................................................................................................................. 12
• В сельском хозяйстве .......................................................................................................... 13
• Компьютеры и микроэлектроника .................................................................................. 14
• Микросистемная техника .................................................................................................. 15
• Робототехника ...................................................................................................................... 16
3.
Исследование и изготовление макета нанообъекта............................................................ 20
• RRAM-память на основе диоксида кремния МДМ-структуры .................................. 21
• RRAM-память на основе HfxAl1-xOy МДМ-структуры .................................................. 22
• макет матрицы памяти на основе HfxAl1-xOy МДМ-структуры................................... 23
• макет модели, имитирующей принцип функционирования мемристора ................. 25
• Проведение эксперимента с макетом мемристора ........................................................ 28
Заключение ............................................................................................................................................ 29
Список литературы .................................................................................................................................. 30
Приложения ........................................................................................................................................... 31
Приложение №1. Таблица журнала измерений мемристора ............................................................. 31
3

4.

Введение
Я выбрал данную тему проекта, потому что нанотехнологии – новое
перспективное направление, возможности которого очень велики, благодаря
интересным и уникальным свойствам наноматериалов. В ходе проекта мы
изучим
возможности,
сферы
применения
и
перспективы
развития
нанотехнологий, а также рассмотрим использования нанотехнологии на
конкретном примере, так скажем модели нанотехнологии.
На самом деле я долгое время не задумывался над этим направлением:
регулярно слыша звучащие с экрана телевизора слова «нанотехнологии»,
«наночастицы», «наномир» я воспринимал, эти слова как слова из области
фантастики, и лишь в относительно недавнее время узнал, что многие вещи,
которые нас окружают, и которые мы считаем элементарными, изготовлены с
применением нанотехнологий – от мобильных телефонов до зубной пасты. Я
очень заинтересовался этой темой: а какие разработки на основе
нанотехнологий применяются уже сегодня?
Но что же такое, это таинственное «Нано»? Я уверен, вы тоже не раз
слышали эту приставку. На самом деле начало разгадок не такое сложное:
«нано» – это приставка, используемая в СИ1 и обозначающая десятичные доли
единиц. Единица, наименование которой образовано путём присоединения
приставки «нано» к наименованию исходной единицы, получается в
результате умножения исходной единицы на число 10−9 (она становится одной
миллиардной части данной единицы). Например: нанометр
— это
миллиардная часть метра (1 нм = 10–9 м). Именно с помощью этой приставки
люди обозначили новую эру в развитии технологий, называемых иногда
четвертой промышленной революцией, – эру нанотехнологий. Но, что такое
10-9? С чем это сравнимо? Честно, я долго думал, как сравнить столь малый
1
Международная система единиц, СИ (фр. Système international d’unités, SI) — система единиц физических
величин, современный вариант метрической системы
4

5.

объект и показать это на примере для нас более реалистичным. В итоге я
понял, что нанометр относится к метру, как относится длина среднего муравья
(примерно 7 мм = 0,000 000 7 км) к расстоянию от Москвы до СанктПетербурга2 (714 км).
Эта тема мне стала интересно, так как я считаю, что в будущем нам не
только придётся сталкиваться с нанотехнологиями, а жить и работать с этим
направлением, но к сожалению на сегодняшний день мало что известно об
этом. Я думаю, что это самая актуальная проблема, потому что она направлена
на наше с вами будущее.
Актуальность работы
Будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и
незаменимо. Уже в наши дни можно встретить учебное заведение,
направленное на изучение наномира. Эти вузы изучают нанотехнологии в
технике. Они расположены не только в Европе и Америке (Heriot-Watt
University в Великобритании и Heriot-Watt University в США), но и в России
(МАИ, КФУ). Поэтому давайте и мы поближе познакомимся с этой темой
будущего уже сегодня.
Гипотеза исследования
Нанотехнологии
используются
во
всех
сферах,
давая
новые
возможности и помогая решать самые сложные задачи.
Цели проекта
Познакомиться
с
современными
достижениями
нанотехнологий,
показать неограниченные возможности современной науки и техники в
развитии нанотехнологий.
2
Расстояние между городами Москва и Санкт-Петербург по автодороге
5

6.

Задачи проекта
1. Познакомится с историей развития нанотехнологий;
2. Изучить основные направления и методы исследований в области
нанотехнологий и с основными направлениями ее развития;
3. Изучить практическое значение разработок нанотехнологий в
области
медицины,
косметологии,
строительства,
информационных
технологий, робототехники
4. Создать макеты модели нанообъекта и показать, как они выглядят и
какие процессы протекают в них при их использовании
Объект исследования
Нанотехнологии.
Предмет исследования
Сферы применения, возможности и перспективы нанотехнологий
6

7.

Основная часть
1.
История развития нанотехнологий
Отцом нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита.
Так как он еще в 400 г. до н. э. впервые использовал слово "атом", что в
переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малой
частицы вещества3. Однако в течение долгого времени люди не могли
подтвердить сделанное Демократом заявление. И только лишь в 1803 году
английский химик и математик Джон Дальтон4 развил первую научную
теорию атома. Но точного объяснения что такое атом Дальтон не смог дать. И
лишь спустя почти 100 лет люди смогли приблизиться к пониманию атома,
благодаря Эрнесту Резерфорду5, который разработал модель атома. Однако
если мы скажем, подобно Демокриту, что атом – неделимая частица вещества,
то мы будем вводить в заблуждение нашего собеседника: в конце XIX —
начале XX века физиками были открыты субатомные частицы6 и составная
структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено
имя атома, в действительности не является неделимой.
Но кто же начал борьбу за покорение наномира? Стартовой точкой в
развитии этого направления считается лекция Ричарда Фейнмана7 в 1959 г.
Вот его фраза, произнесенная во время этой лекции: «Там внизу - много
места». Основной постулат этой лекции заключался в том, что с точки зрения
фундаментальных законов физики автор не видит никаких препятствий к
работе на молекулярном и атомном уровнях, манипулировании отдельными
атомами или молекулами. Фейнман говорил, что с помощью определенных
3
В наше время уже известно, что размер атома колеблется в диапазоне от 30 до 300 пикометрах (к слову в
одном нанометре 1000 пикометров). Размер водорода равен 120 пм. Размер атома водорода относится к
метру, как все тот же муравей относится к расстоянию от Санкт-Петербург до Иркутска (5900 км).
4
Английский физик и химик, метеоролог, естествоиспытатель и создатель химического атомизма. Жил в 1766–
1844 годах
5
Английский физик, живший в 1871–1937 года, создатель планетарной модели атома, основоположник
ядерной физики. Он был членом Лондонского Королевского общества, а с 1925 по 1930 год - и его
президентом. Этот человек - обладатель Нобелевской премии по химии, которую он получил в 1908 году.
6
До сих пор точно не известен размер субатомных частиц. Поэтому все, что меньше размера атома называют
субатомными частицами. Размер атома ≈ 1 Å = 100 пикометров
7
Американский учёный, жил в 1918—1988 годах. Основные достижения относятся к области теоретической
физики. Один из создателей квантовой электродинамики.
7

8.

устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою
очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до
атомного уровня, т. е. при наличии соответствующих технологий можно
манипулировать отдельными атомами. Сам термин «нанотехнологии»
предложил в 1974 году японский физик Норио Танигути. В своем названии он
подразумевал манипуляции с мельчайшими частицами — их размеры
составляют от одной десятой нанометра до ста нанометров. Дабы понять их
размер надо сказать, что диаметр волоса человека составляет 80 микрометров
или же 80 000 нанометров.
То, что мы сегодня называем нанообъектами, человек давно использовал
в своей жизни. Ведь еще до нашей эры египтяне, греки и римляне
использовали наночастицы для создания красителей. В исследованиях
проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев,
установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе
свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!
Еще один пример нанотехнологий – разноцветные стекла. Яркий пример
этого - созданный еще IV веке н. э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском
музее, который меняет цвет при разном освещении: если его осветить
снаружи, то он зеленый, если внутри, то принимает пурпурно-красный
оттенок. Этот эффект обусловлен тем, что в стекле находятся наноразмерные
частицы золота и серебра.
До появления микроскопа люди могли лишь изучать обычный мир.
Погрузиться внутрь атома, изучить его строение ученые смогли в конце XIX
века. Как я говорил раннее, первый человек, который увидел и разобрал
строение атома является Резерфорд. Благодаря альфа-частиц (ядер гелия,
имеющих размер порядка 10–13 м) он смог рассмотреть ядро атома золота. Он
создал модель атома, дающая наглядно увидеть образ огромности
«свободного» места в атоме, который можно сравнить с космической пустотой
солнечной системы.
8

9.

В наше время темп научно-технического прогресса зависит от
использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров. Но
можем ли мы увидеть нанообъект? Да сможем, но только если диаметр объекта
не меньше 10000 нанометров, так как объекты меньшего размера не видны
невооруженным глазом человека. Как вы думаете, будут ли изменяться
свойства материалов в наномаштабе? Да, как выяснилось, они будут
отличаться, ведь в наномаштабе площадь поверхности на единицу объема
чрезвычайно велика. Доля поверхностных атомов становится все больше по
мере уменьшения размеров частицы. Для наночастиц практически все атомы
«поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика [1]. Сейчас
к исследованиям в области нанотехнологий относят изучение и разработки на
атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от
одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур,
устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают
существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом
на атомной шкале расстояний [2].
2.
Нанотехнологии
в
различных
областях
деятельности
человека.
Мы
рассмотрим
применение
нанотехнологий
в
медицине,
в
строительстве, в сельском хозяйстве и новые отрасли нанотехнологий.
В медицине
Да, оказывается нанотехнологии уже давно используются человек в
медицине. Конечно, они пока еще не сражаются со многими страшными
болезнями, такими как рак или СПИД, но американские ученые уже давно
дают космонавтам умные лекарства, чтобы проверить их состояние и
регулировать температуру тела. Что из себя представляют умные лекарства?
Это капсула, несущая в себе датчики, состоящие из магния или меди, которые
совершенно безвредны для людей и их здоровья. Датчики проникают в
желудок и начинают функционировать, взаимодействуя с желудочной
кислотой. Чтобы принимать сигналы с датчиков на тело человека
9

10.

прикрепляется специальное устройство. Именно на него датчики передают
информацию о температуре тела, равномерности дыхания, скорости
сердечного ритма и др. Это ранее использование нанотехнологий [3].
Ранее я говорил, что нанотехнологии пока не борются против рака, но
это не совсем так, ведь многообещающий новый способ лечения рака, который
может однажды заменить радиацию и химиотерапию, приближается к
клиническим испытаниям на людях. С помощью микроскопических
наночастиц,
которые
присоединяются
к
раковым
клеткам
и
затем
«изжаривают» опухоли внутри тела с помощью радиоволн, которые нагревают
только наночастицы, а те близлежащие (раковые) клетки. Доказательство
возможности уничтожения раковых опухолей таким методом привели
исследователи из университета Райса под руководством профессора
Дженнифера Веста. Они продемонстрировали использование нанооболочек
диаметром 120 нм, покрытых золотом, для уничтожения раковых опухолей в
мышах. Наночастицы могут быть нацелены на связывание с раковыми
клетками при помощи соединения антител или пептидов с поверхностью
нанооболочки. С помощью облучения зоны опухоли инфракрасным лазером,
который проходит через плоть, не нагревая её, золото нагревается достаточно
для смерти раковых клеток.
Помимо этого, ученым из Америки и Италии в процессе совместного
труда удалось подняться на ступень выше в области регенерации тканей
позвоночника
после
повреждений.
Ученые
предложили
идею
по
выращиванию клеток спинного мозга при помощи опорных наноструктур
большого количества маленьких параллельных трубочек.
В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в
необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т. е.
осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.
Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI
века. Пока это мы можем наблюдать только лишь в фантастических фильмах
и сериалах, таких как за гранью возможного, но я уверен, что в будущем
10

11.

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной
инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении
генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки. Уже
сейчас люди пытаются создать и применять в медицине наноботов. Так в
Корее уже изобрели новую технологию по управлению медицинскими
нанороботами в человеческом организме. Двигаясь вместе с потоком крови,
микророботы смогли бы помочь человечеству, выполняя сложнейшую задачу
по доставке лекарственных препаратов, уничтожению онкологических
новообразований и бактерий, разрушению тромбов и прочих образований, до
которых врачам не удаётся добраться никакими средствами [4].
Говоря про нанотехнологии в медицине, нельзя стороной обойти
наносенсоры, ранее я упоминал о них, хоть и не называл. Наносенсор – объект,
содержащий
чувствительные
наноэлементы,
которые
воспринимают
параметры анализируемого объекта (например, состав воздуха или крови) и
передают их в виде пригодного для практического использования сигнала. Их
можно разделить на 3 класса:
1. физические наносенсоры — выявляют физические параметры
анализируемых объектов;
2. химические наносенсоры — выявляют химический состав объекта и
наличие тех или иных веществ в окружающей среде;
3. биологические
наносенсоры
(бионаносенсоры)
—
выявляют
физиологическое состояние анализируемых объектов, наличие биологических
веществ в окружающей среде.
Важнейшая цель диагностической медицины — выявление проблемы в
максимально короткий срок, чтобы позволить врачам лечить пациентов до
того, как произойдут необратимые или долгосрочные повреждения. В этом им
помогают наносенсоры. Наиболее яркий пример, когда понадобятся
наносенсоры – диагностика злокачественных новообразований, таких, как рак
поджелудочной железы, который часто не сопровождается симптомами на
ранней стадии.
11

12.

В основном наносенсоры создаются из углеродных нанотрубок
(углеродные пластинки, свернутые в крошечные трубки), которые позволяют
ускорить процесс диагностики. Они позволяют обнаружить заболевание на
начальных стадиях развития за счет того, что их малый размер дает
возможность точно регистрировать параметры объектов, локализованных в
очень малых объемах. К примеру, бионаносенсоры могут свободно
циркулировать в потоке крови и скапливаться около клеток-мишеней или
возле конкретных молекул, обнаруживая генетические дефекты в ДНК,
поврежденные клетки или токсические вещества. Разработаны биосенсоры и
для селективного определения фенолов, глутамина, молочной и аскорбиновой
кислот, глюкозы, аммония и других веществ.
В строительстве.
Нанотехнологии используются во многих сферах, облегчая жизнь
человека. Поэтому строительство они не могли обойти стороной. С помощью
нанотехнологий
люди
могут
создавать
строительные
материалы,
предусматривающие сборку или самосборку «снизу-вверх». Благодаря этого
удастся сделать материал, контролируемый и управляемый человеком на
процессе структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Сейчас
при добавлении наночастиц в бетон можно увеличить его прочность и срок
службы (до 500 лет). Благодаря данным материалам можно создавать
большепролетные мосты, небоскребы, защитные оболочки атомных реакторов
и др. Исследования ученых в области наномодификации металлов и сплавов
позволили получить высокопрочную сталь, не имеющую аналогов по
показателям прочности и вязкости. Материал подходит для возведения
дорожных и гидротехнических объектов. Композитные и полимерные
нанопокрытия стальных конструкций значительно повышают стойкость к
коррозии и продлевают срок службы даже в неблагоприятных средах [5].
Нам давно уже известны нано покрытия, защищающие металлы от
влаги. Для защиты зданий от огня нанотехнологии предлагают негорючие
материалы (например, изоляцию кабелей, содержащую наночастицы глины).
12

13.

Особого внимания заслуживают конструкционные композиты - материалы с
полимерной,
металлической
или
керамической
матрицей.
Примером
композитов являются углепластики - композиты с полимерной матрицей и
углеволокнами.
Особое внимание заслуживает актуальное направление использования
наноматериалов в строительстве – энергосбережение. В Шанхайском центре
науки и нанотехнологий уже созданы полупрозрачные нанопокрытия,
способные накапливать солнечную энергию. Эти нанопокрытия наносят на
окна и стены здания, которые работают как солнечные батареи, снижая
расходы на электроэнергию
Россия так же участвует в развитии данной сферы: один из успешных
проектов России в данной сфере является создание нанокомпозитных труб для
инженерных систем. Они отличаются невысокой ценой и превосходят аналоги
по эксплуатационным характеристикам.
Результаты разработок в области нанотехнологий - новые виды сталей,
бетонов, инновационные покрытия для светопрозрачных конструкций и
самоочищающиеся покрытия - успешно применяются в современной
строительной отрасли. Междисциплинарный характер нанотехнологий и
динамичность развития дают основания надеяться, что Россия сможет
преодолеть отставание в области применения нанотехнологий.
В сельском хозяйстве
Наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во
всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве,
птицеводстве,
рыбоводстве,
ветеринарии,
перерабатывающей
промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.
Так, в растениеводстве применение нано препаратов, в качестве
микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным
погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти
всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и
технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более
13

14.

активному проникновению микроэлементов в растение за счет нано размера
частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса. Помимо
этого, ученые уверены, что нано магний влияет на ускорение фотосинтеза у
растений. Нанотехнологии и наноматериалы находят широкое применение
для дезинфекции сельхоз помещений и инструментов, при упаковке и
хранении пищевых продуктов.
В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в
приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности
животных, а также способствует повышению их сопротивляемости к
инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых
добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить
более полное и эффективное усвоение животными.
В
Компьютеры и микроэлектроника
наше
время
ученые
начали
исследовать
новые
отрасли
нанотехнологий, в число которых входит нанотехнологии и микросистемная
техника — это новое направление в науке и технике, рожденное на стыке
нескольких традиционных направлений: электроники и микроэлектроники,
механики и микромеханики. Основа микроэлектроники – кристаллы
полупроводниковых
интегральных
микросхем.
В
процессе
развития
микроэлектроники номенклатура интегральных схем непрерывно растет.
Основной тип интегральных схем в настоящее время — полупроводниковые
интегральные схемы на базе кремневых пластин представляющих собой
тонкую (250–1000 мкм) пластину диаметром от 1 до 18 дюймов (25,4–450 мм),
на поверхности которой с помощью операций планарной технологии
формируется
интегральных
массив
схем.
дискретных
После
полупроводниковых
создания
массива
приборов
или
необходимых
полупроводниковых структур пластину после надсечки по линиям разлома
алмазным инструментом разламывают на отдельные кристаллы (чипы).
Промышленный выпуск полупроводниковых пластин имеет существенное
14

15.

значение для производства интегральных микросхем и полупроводниковых
приборов. [6]
Наиболее
сложными
вычислительные
процессоры
интегральными
компьютерных
схемами
систем.
К
являются
современным
компьютерным системам относятся не только огромные ЭВМ8 и ПК9, но и
смартфоны, наручные часы, кардиостимуляторы и всевозможные датчики,
детекторы на основе DSP10 обрабатывающие множества входных параметров
и передающие их интегральное значение. 15 октября 2007 года компания Intel
заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего наименьший
структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания
намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Основной
конкурент Intel, компания AMD, также давно использует для производства
своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно
с компанией IBM. К них существуют рабочие образцы процессоров с
транзисторами размером 14 нм и опытные образцы на 10 нм. [7]
Микросистемная техника
Микросистемная техника – это научно-техническое направление, целью
которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его
поверхности
микросистем,
представляющих
собой
упорядоченные
композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией.
Примерами подобных систем являются сенсоры подушек безопасности в
автомобилях, микроскопические управляемые зеркала, нашедшие применение
в мощных DLP-проекторах, в том числе для домашних кинотеатров. Также это
всевозможные датчики различных физических величин: ускорения, изменения
угла поворота (гироскопы), температуры, микрофоны. Уже сейчас очень
многие люди пользуются датчиками, разработанными специалистами
8
ЭВМ – электронная вычислительная машина, первая ЭВМ Эниак весила 30 тонн, потребляла мощность в 174
кВт, с минимальным гарантированным временем безотказной работы 20 часов.
9
ПК – персональный компьютер – это ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и
универсальные функциональные возможности, может быть стационарным (настольным или крепится на
монитор) или портативным (ноутбук, планшет).
10
DSP – Digital Signal Processing (цифровой сигнальный процессор), способ обработки сигналов на основе
численных методов использования цифровой вычислительной техники.
15

16.

микросистемной техники (MEMS-устройства), хотя большинство об этом
даже не догадывается. В современные сотовые телефоны встраивают MEMSгироскопы и акселерометры, с помощью которых, например, можно
определить траекторию перемещения обладателя такого телефона или при
транспортировке ответственных грузов определить - подвергался ли груз
критическим механическим воздействиям, где и в каком месте [8].
Робототехника
Согласитесь, нашу жизнь трудно представить без современных благ
цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Ученые считают, что
следующим шагом в развитии нанотехнологий станет создание нано роботов,
которые будут способны выполнять команды людей (робот в переводе с
латинского - «принудительный труд»)
Робототехника
-
прикладная наука, занимающаяся разработкой
автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на такие
дисциплины как электроника, механика, программирование. Уже сейчас люди
пытаются создать робота посредством симбиоза электроники и биотехники;
примером этого может служить исследовательский проект Flora Robotica [9].
Цель данного проекта – создание взаимовыгодных симбиотических
отношений между живыми растениями и робототехническими системами,
работа ведется над получением гибридов растений и роботов, которые будут
сочетать в себе способность растений к естественному росту с прочностью и
мобильностью техники. Развитие микроэлектроники, а также повсеместное
внедрение современных высокоскоростных систем связи 4G позволяющие
эффективно внедрять в нашу повседневную жизнь искусственный интеллект,
которому в силах управлять не только светофорами в городе [10], но и
роботами [11]. Все эти технологии требуют включить для исследования и
создания робототехники такие дисциплины, как химия, органика, биология и
психология.
16

17.

Роботов можно классифицировать на следующие группы:
1. Боевые роботы;
2. Бытовые роботы;
3. Промышленные роботы;
4. Персональные роботы.
Боевые роботы – устройства автоматики, заменяющие человека в
боевых ситуациях для сохранения человеческой жизни или для работы в
условиях, несовместимых с возможностями человека, в военных целях:
разведка, боевые действия, разминирование и тому подобное. Так же следует
понимать, что боевой робот, это не только автоматические устройства с
антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют
человека, но и действующие в воздушной и водной среде. В настоящее время
большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и
лишь очень немногие модели имеют возможность выполнять некоторые
задачи автономно, без вмешательства оператора [12]. Пример данного типа
роботов – Gladiator TUGV это американский радиоуправляемый боевой робот.
Оснащён прибором ночного видения и тепловизором, благодаря чему
способен действовать в любое время суток. Находится на вооружении корпуса
морской пехоты США.
Бытовые роботы – роботы, предназначенные для помощи человеку в
повседневной жизни. Сейчас распространение бытовых роботов невелико,
однако футурологи предполагают широкое их распространение в обозримом
будущем.
Одним
из
рывком
в
развитии
роботизации
стал
язык
программирования Java, который был создан в 1995 году и предназначался для
программирования бытовых электронных устройств. В настоящее время Java
не является основным языком программирования робототехники, его место
занял RCML (Robot Control Meta Language), который позволяет создавать
условия для совместной работы нескольких роботов. В 2007 году Билл Гейтс
опубликовал статью «Робот в каждом доме» о значительном потенциале
роботов (включая домашних или бытовых роботов) для социума.
17

18.

Промышленные
роботы
–
предназначены
для
выполнения
двигательных и управляющих функций в производственном процессе
манипуляционные роботы, т. е. автоматические устройства, состоящие из
манипулятора и перепрограммируемого устройства управления, которое
формирует управляющие воздействия, задающие требуемые движения
исполнительных органов манипулятора. Применяется для перемещения
предметов производства и выполнения различных технологических операций.
На данный момент широко востребованы в различных отраслях производства
продукций машиностроения и фармакологии, в мире построены некоторые
заводы и фабрики, в которых на определенных этапах производства
промышленные
роботы
выполняют
100%
операций,
а
операторы
присутствуют исключительно для осуществления контроля управления таким
производством.
Персональные роботы – тип роботов, которые в отличие от
промышленных
роботов
будут
компактны,
недороги
и
просты
в
использовании. Прямая аналогия с понятием персональный компьютер.
Обычно такой робот подключается к сети интернет, как для пользования
информационными ресурсами сети, так и для расширения возможностей за
счет использования облачной поддержки. Как преимущество выделяют
способность такого робота работать без подключения к интернету. Также
различаются тем, что могут быть стационарными (переносными) или
мобильными, способными следовать за владельцем по комнатам. Примерами
персональных роботов может служить: Deroni11, Gita12, и т.д.
Нанороботы – на сегодняшний день уже существует несколько
прототипов нанороботов. Это устройства размером в десятки нанометров,
которые могут самостоятельно манипулировать частицами атомных и
11
Сделан в Австралии, управляется помимо пульта голосовыми командами. Искусственный интеллект
данного робота позволяет роботу распознавать его местоположение в доме, находить пути передвижения,
"общаться" с пользователями.
12
Итальянский робот-чемодан с поддержкой функциональности уличного робота-курьера. Предназначен для
автоматического сопровождения владельца и перевозки его вещей и других необходимых грузов весом до
18 кг.
18

19.

молекулярных размеров. Так называемые «Молекулярные машины» дали
возможность
в
развитии
нового
направления,
погружение
в
эру
нанотехнологии. Начало этого события можно связать с 1986 годом, когда
Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра
нанотехнологии», а уже в 1992 году была выпущена монографию
«Наносистемы», где были изложены научные основания построения
нанороботов — наномашин для ремонта клеток.
Что же могут предоставить нам нано роботы? И могут ли они нести в
себе угрозу для человечества? За счёт внедрения в организм молекулярных
роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и
«облагораживающих» ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия
человека. Станет возможным уничтожение опасной болезни на ранней стадии
развития, что дает возможность оживления и излечения безнадежно больных
и людей, которые были заморожены методами крионики.
В
промышленности
произойдёт
замена
традиционных
методов
производства СВЕРХУ ВНИЗ сборкой молекулярными роботами СНИЗУ
ВВЕРХ предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть
до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих
изготовить любой предмет.
Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных
роботов придут на смену «естественным машинам» для производства пищи
(растений и животных) их искусственными аналогами. Они будут
воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом
организме, однако более коротким и эффективным путем.
Люди смогут не только «воссоздать утерянные виды животных и
растений», но и смогут создать новые виды. Благодаря этому станет
возможным создание биороботов. Возможно, создав нано роботов, человеку
удастся не только полностью исследовать нашу планету (Мировой океан), но
и подготовить к возможности безопасного проживания на другой планете:
огромная
армия
роботов-молекул
будет
19
выпущена
в
космическое

20.

пространство, с целью добычи и преобразованию полезных ископаемых.
Первым шагом для достижения этой цели станет Луна, а затем ближайшие к
Земле планеты. Нанороботы должны помочь в этой трудной задаче.
Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин.
Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах.
Появится
молекулах,
долговременная
ёмкость
быстродействующая
которой
будет
измеряться
память
на
белковых
терабайтами.
Станет
возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Это все
может произойти уже в ближайшие 100 лет. [13]
Однако нано технологии несут в себе и опасность: представьте, что
будет, если в нано роботе произойдет сбой, в устройстве, предназначенном для
разборки промышленных отходов до атомов, случится ошибка, и оно начнет
уничтожать полезные вещества биосферы. По мимо этого нанотехнологии
могут стать причиной новых болезней, от которых не спасут даже новые
"нанолекарства". [14]
3.
Исследование и изготовление макета нанообъекта
Делая этот проект меня очень заинтересовала тема нанотехнологий,
поэтому чтобы лучше понять эту тему, мною принято решение изготовить
макет нанообъекта, увеличенного во много раз. Но что выбрать для моего
макета? Может нанотрубку? Или наномеханический гироскоп, позволяющий
роботу понимать, где он находится? В итоге я остановился на изготовлении
наноэлемента резистивной памяти – мемристор. Выбрал именно этот
нанообъект, потому что уверен – будущие за нанороботами, которые должны
состоять из нанообъектов, а для их создания понадобятся не только наномоторы — руки робота, сенсоры и защита — это кожа и рецепторы, но и самое
главное нано-процессор и нано-память – это мозг робота. Во-первых, как
показывают последние достижения в информационных технологиях, в
будущем процессор и память будут объединены в одну конструкцию по
аналогии c мозгом живых существ. А во-вторых, помимо робототехники такая
память
будет
востребована
и
в
других
20
технологиях
развивающие

21.

искусственный
интеллект
и
суперкомпьютеры.
Сам
изобретатель
мемристоров Леон Чуа заявил, что их функционирование сходно с
биологическим мозгом. «Наши мозги созданы из мемристоров. Теперь у нас
есть элементы для создания искусственного мозга», - сказал Чуа после того,
как совершил открытие в 1971 году.
RRAM-память на основе диоксида кремния МДМ-структуры
В научных исследования ученые разных стран мира пришли к выводу об
эффективном использовании нанообъектов для создания электронной памяти
на базе так называемых резистивных ячейках памяти. Хранение данных в
ячейках резистивной памяти осуществляется за счет изменения сопротивления
материала, а не электрического заряда, это позволяет сохранять информацию
без затрат энергии. Второй момент так как нет надобности поддерживать заряд
сигнала, как в памяти на конденсаторах, общая схема матрицы упрощается,
что позволяет использовать максимальную плотность ячеек памяти, при этом
достигается максимальное быстродействие. В состав структуры RRAMячейки13 входят два электрода, между которыми зажат слой особого
диэлектрического материала, который меняет свое сопротивление в
зависимости от полярности или значения электрического потенциала,
приложенного к двум электродам. Главная проблема, с которой сталкиваются
ученые при создании RRAM-памяти – поиск подходящего диэлектрического
материала,
свойства
которого
полностью
удовлетворяют
множеству
критериев. В наше время в качестве основного диэлектрического материала
исследователи
используют
диоксид
кремния
(SiO2)
как
наиболее
технологичный материал.
13
Resistive Random-Access Memory, RRAM (Резистивная память с произвольным доступом или мемристор).
Впервые эффект мемристивности был экспериментально продемонстрирован в 2008 г. В ходе которого
показано, что мемристивный эффект возникает в наноразмерных структурах металл-диэлектрик-металл за
счет перемещения зарядов в сверхтонком диэлектрическом слое при приложении электрического поля,
например, при движении вакансий кислорода в слое диоксида титана.
21

22.

Рисунок 1 – ВАХ14 полного цикла резистивного
переключения с формовкой
Активным элементом RRAM-памяти является мемристор – элемент
Вольт-Амперная характеристика которого меняется в зависимости от
полярности приложенного к нему напряжению, смотрите рисунок 1. К
сожалению, создать в домашних условиях мемристор у меня нет возможности,
и я создам функциональную модель мемристора имитирующую процессы в
структуре мемристора, которые он изменяет за счет активного слоя
восстановления/окисления диоксид кремния, используемого в качестве
диэлектрика МДМ-структуры мемристора. К слову, надо сказать, что в 2015
году американец с форума EEVBlog смог в домашних условиях изготовить
мемристор из гильзы используя в качестве слоя диэлектрика оксид серы, к
сожалению, полученный элемент не может сохранять свойства мемристора
долгое время, и по мере эксплуатации он превращается в обычный резистор
[15].
RRAM-память на основе HfxAl1-xOy МДМ-структуры
За основу моего макета был взят мемристор, состоящий из подложки и
6 слоев: Кремневая пластина, используемая в качестве подложки, не активный
слой Хрома используемый в качестве промежуточного слоя повышающий
адгезию
Кремния
к
Платине,
нижний
платиновый
электрод
(Pt),
диэлектрическая пленка (HfxAl1-xOy), верхний электрод (TiN), слой серебра
(Ag) и слой алюминия (Al) увеличивающие толщину электродов для
14
ВАХ – Вольт-амперная характеристика, зависимость тока, протекающего через мемристор, от напряжения
приложенного к мемристору.
22

23.

надежного подключения зондов. Схема полученной МДМ-структура ячейки
памяти на мемристоре представлена на Рисунке 2. При выращивании
диэлектрической пленки используется различную концентрацию атмосферы
реактора с целью получения переменной концентрации Al по глубине пленки
при атомно-слоевое осаждение. Остальные слоя наносятся при помощи
напыление требуемой толщины и осуществляется через теневую маску
(ориентированной перпендикулярно для нижнего и верхнего электрода) с
диаметром отверстий ø50-750 мкм методом магнетронного распыления
(установка BOC Edwards) требуемого Активного вещества в необходимой
атмосфере при необходимой, для достижения результата, температуре и
давлении [16].
Рисунок 2 – Схема структуры мемристора
макет матрицы памяти на основе HfxAl1-xOy МДМ-структуры
Первый макет представляет собой увеличенную копию матрицы памяти
размерностью 4 на 4 ячейки резистивной памяти. Макет демонстрирует
многослойную архитектуру матрицы памяти и выполнен в масштабе 10000:1
от изображения матрицы в атомно-силовом микроскопе Рисунок 3. При этом
масштабе толщина слоя в 10 нм соответствует толщине листа офисной бумаги
100 мкм, а толщина контактной площадки электродов в 100 нм будет
соответствовать толщине 10 листам офисной бумаги.
23

24.

Рисунок 3 – Изображение матрицы в атомно-силовом микроскопе
Макет представляет собой увеличенную копию чипа резистивной
памяти. Макет дает нам наглядное представление о том, как выглядит
резистивная память «изнутри». При изготовлении макета, кремневой
пластиной будет отполированная доска размером 20x20 мм толщиной 4 мм,
слоя мемристора будут имитировать цветная бумага, я использовал
сложенные в соответствующее количество склеенных слоев бумаги, для слоя
серебра ~ 100 нм. я использовал 4 слоя картона серебристого цвета толщиной
250 мкм. Получилась следующая последовательность слоев:
слой Хрома в 10 нм, бумага зеленого цвета в один слой;
слой Платина 50 нм. фиолетовая бумага в 5 слоев;
слой диэлектрика 10 нм, желтая бумага в один слой;
слой Титана 50 нм, синяя бумага в 5 слоев;
слой Алюминия 100 нм, красная бумага в 10 слоев
слой Серебра 100 нм, 4 слоя картона серебристого цвета.
Для имитации нанесения слоя при помощи теневой маски я использовал
последовательное
наклеивания
полосок
требуемой
ширины
на
всю
длину/ширину «кристалла». Результат изготовленного макета представлен на
Рисунке 4.
24

25.

Рисунок 4 – Фотография макета чипа резистивной памяти
макет модели, имитирующей принцип функционирования
мемристора
Для того чтобы показать, как работает ячейка памяти на мемристоре и
какие процессы возникают в нем, я создал 2-й макет – модель, имитирующую
принцип функционирования мемристора, выполненная с применением мотора
из Lego конструктора, который, в зависимости от полярности приложенного
напряжения, будет изменять внутреннее сопротивление макета при помощи
переключателя который будет коммутировать в зависимости от положения
резисторы разного номинала сопротивления.
По разработанной принципиальной схеме был создан макет модели
имитирующую принцип функционирования мемристора рисунок 5, все детали
закрепляются при помощи блоков конструктора Lego подключение мотора к
источнику питания прямое, без использования контроллера Lego, в качестве
источника напряжения использовался аккумулятор от детской модели
автомобиля напряжением 9,7 Вольт. Принципиальная схема построена таким
образом чтобы переключатель S3 использовался как концевой выключатель,
при срабатывании переключателя движение мотора прекращается, это
достигается за счет использования диодов VD1 и VD2 которые ограничивают
25

26.

работу мотора при «не верном» подключении полярности входного
напряжения, для движения мотора в обратном направлении необходимо при
помощи переключателя S1 изменить полярность источника питания. Мотор
осуществляет переключение переключателя S3 в одно положение прямым
напряжением,
а
в
обратное
положение
обратным
напряжением.
Дополнительно переключать S3 коммутирует балластные резисторы R1 и R2
которые параллельно с сопротивлением электромотора M1 определяют
сопротивление мемристора, причем R1 определяет состояние HRS, а R2
состояние LRS. Построить полноценную ВАХ в домашних условиях сложно,
а с учетом того, что макет является функциональным аналогом в этом даже
нет смысла, она будет отличаться, поэтому в качестве проверки созданного
макета мемристора будет прикладывать аккумулятор к макету модели
мемристора разной полярности чтобы переключать состояние мемристора, с
измерением сопротивления до прикладывания напряжения и после,
результаты испытания работы макета модели мемристора необходимо
записать в таблицу. В качестве устройства измерения сопротивления будем
использовать бытовой мультиметр китайского производства с точностью
измерения ± 10%. Фотография изготовленного макета представлена на
Рисунке 6.
R1, R2 – Резисторы 5,6 и 14 кОм
S1 – Переключатель полярности Батареи питания
S2 – Кнопка цикла записи состояния мемристора
S3 – переключатель сопротивления мемристора
B1 – Батарея питания мотора
M1 – Мотор переключения сопротивления
V1 – Мультиметр для измерения напр. и сопр.
Рисунок 5 – Схемы макета модели ячейки памяти на мемристоре
26

27.

Режим изменения состояния мемристора: положительный импульс
амплитудой 6–9,6 В, длительностью ~1 секунда, переводить мемристор в
режим LRS (сопротивление цепи ~ 14 КОм), отрицательный импульс
амплитудой 6–9,6 В длительностью ~1 секунда переводит мемристор в режим
HRS (сопротивление цепи ~ 5,6 КОм). Режим программирования мемристора
задается
переключателем
S1,
длительность
импульса
регулируется
длительность нажатия кнопки S2, состояние сопротивления мемристора
определяется положением ротора мотора и при нажатом состоянии кнопки S3
мемристор переводится в состояние LRS (сопротивление цепи 5,6 КОм), в
отжатом состоянии кнопки S3 мемристор переводится в состояние HRS
(сопротивление цепи 14 КОм). Измерение сопротивления цепи необходимо
выполнять при отжатом состоянии кнопки S2.
Контроль
Состояние
Вход для подачи
напряжения
изменения
состояния
Изменить
состояние
Рисунок 6 – Фотография макета модели мемристора
В результате воздействия импульсов управления в МДМ структуре
мемристора происходят обратимые изменения проводимости посредством
добавления или разрыва каналов проводимости за счет миграции кислородные
вакансии между слоями МДМ структуры. Схематически этот процесс
представлен на Рисунке 7. По аналогии перенос «кислородных вакансий»
27

28.

между слоями – в нашем случае осуществляет мотор, изменяющий положение
выключателя S3 который изменяет сопротивление макета модели мемристора.
Рисунок 7 – процессов резистивного переключения
в МДМ структуре мемристора
Проведение эксперимента с макетом мемристора
1) Для проверки макета модели мемристора необходимо перевести
переключатель S1, в верхнее положение, подключить источник напряжения в
прямой полярности, и нажать на кнопку S2 в течение 1-2 секунды. Затем
проверить мультиметром входное сопротивление мемристора. Результат
записать в таблицу журнала (Приложение №1) в колонки Сопротивление;
2) Перевести переключатель S1 в нижнее положение, подключить
источник напряжения в обратной полярности, и нажать на кнопку S2 в течение
1-2 секунды. Затем проверить мультиметром входное сопротивление
мемристора. Результат записать в таблицу журнала в колонки Сопротивление;
3) Повторить цикл шаг 1 и шаг 2 5 раз, результат измерений записывать
в таблицу журнала.
28

29.

Заключение
В заключении моего проекта хочется сказать, что в ближайшее время
нанотехнологии перевернут и изменят наш мир, как это сделали
информационные технологии. Именно нанотехнологии станут фундаментом
четвертой промышленной революции. С помощью нано технологий человек
сможет оцифровать материальную сферу и улучшить качество жизни:
возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы, начиная от
микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая
автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, но, как
и все революции, большие перспективы чаще всего несут с собой и опасности.
Примером этого может служить достижения в области атомной энергии и
чудовищная трагедия Хиросимы, и Нагасаки или катастрофические
последствия Чернобыльской аварии. Ученые всего мира сегодня должны
четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыт или халатность в
будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование
всего человечества и планеты в целом. Но я уверен, что несмотря на эти
угрозы, люди смогут не только исследовать трудный и очень интересный мир,
но и покорят его. [17]
29

30.

Список литературы
[1] И. Разумовская, НАНОТЕХНОЛОГИЯ – ОСНОВА ТРЕТЬЕЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ.
[2] Б. В. Иванович, Нанотехнологии. Наука будущего, Москва: Эксмо, 2009.
[3] В. Ф. Баллюзек и С. А. Куркаев, Нанотехнологии для медицины, Санкт-Петербург: СанктПетербург, 2008.
[4] А. Киреева, ««Врачи-нанороботы» — миф или реальность?,» Биомолекула, 14 10 2016. [В
Интернете]. Available: https://biomolecula.ru/articles/vrachi-nanoroboty-mif-ili-realnost.
[5] «Нанотехнологии в строительстве,» Вира АРТстрой, [В Интернете]. Available:
https://www.eremont.ru/enc/build/other1/nanotekhnologii_v_stroitelstve.html.
[6] «Полупроводниковая пластина,» 22 02 2022. [В Интернете]. Available:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Полупроводниковая_пластина.
[7] «Компьютеры и микроэлектроника,» 13 04 2022. [В Интернете]. Available:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология#Компьютеры_и_микроэлектроника.
[8] Ч. Пул и Ф. Оуэне, Нанотехнологии, Москва: Техносфера, 2005.
[9] «Flora Robotica: симбиоз растений и роботов,» UTMAG, 26 11 2016. [В Интернете]. Available:
https://utmagazine.ru/posts/19861-flora-robotica-simbioz-rasteniy-i-robotov.
[10] К. Павел, «Немецкие учёные создали ИИ для управления светофорами,» 02 02 2022. [В
Интернете]. Available: http://3dnews.ru/1059283/nemetskie-uchyonie-predlogili-poruchitiskusstvennomu-intellektu-upravlenie-svetoforami.
[11] Г. Макаренко, «Заставь машину думать: как развивают искусственный интеллект у роботов,»
rbc.ru, 01 04 2020. [В Интернете]. Available:
https://trends.rbc.ru/trends/innovation/5d6520ea9a79474acef15b63.
[12] Альтман Ю.Р., Военные нанотехнологии, Москва: Техносфера, 2006.
[13] А.Н.Заболотная и А.П.Багаева, Достижения и перспективы развития Нанотехнологий в
информационной сфере, Москва: Техносфера, 2011.
[14] М. Рыбалкина, НАНОТЕХНОЛОГИИ для всех, Москва: Nanotechnology News Network, 2005.
[15] «Американец превратил гильзу в мемристор,» nplus1.ru, 15 07 2015. [В Интернете]. Available:
https://nplus1.ru/news/2015/07/15/memristor.
[16] «Мемристор. Изготовление структуры и исследование ее свойств,» МФТИ, 2013. [В Интернете].
Available:
https://mipt.ru/dpqe/for_students/materials/f_26r1tt/memristor/Memristor._Making_and_research.
pdf.
[17] Ю. Т. (. ред.), Нанотехнологии. Азбука для всех, Москва: ФИЗМАТЛИТ.
30

31.

Приложения
Приложение №1.
Таблица журнала измерений мемристора
Номер
измерения
0
1
2
3
4
5
Сопротивление
Напряжение смены
режима мемристора
+ 6 вольт
– 6 вольт
+ 6 вольт
– 6 вольт
+ 6 вольт
– 6 вольт
31
До подачи
напряжения
После подачи
напряжения
5,6 кОм
5,6 кОм
14 кОм
5,6 кОм
14 кОм
5,6 кОм
5,6 кОм
14 кОм
5,6 кОм
14 кОм
5,6 кОм
14 кОм