Введение в нанотехнологии

1. ВВЕДЕНИЕ в НАНОТЕХНОЛОГИИ

1

2.

предисловие
Нанотехнологии – ворота для
будущего человечества на Земле
и за ее пределами
Куда вас способно завести ваше воображение?
4

3.

Появление
Наномашина из одной молекулы (би-ротаксан)
“…в его арсенале есть
нанотрансжектор…Он
может управлять другими
машинами….Э
Герой Арнольда Шварцнеггера упоминает
нанотехнологии в «Терминатор 3»
5

4.

Язык нанотехнологий
Yow!
•Нанобио
•Наностержни
•Нанотрубки
•Нанопровода
•Наноэлектроника
•Нано(ро)боты
•Наноматериалы
•Нанохондрия
6

5. Определение

«Нанотехнология это направленное управление материей на
масштабе от 1 до 100 нм, на котором уникальные явления
позволяют реализовать новые приложения»
“Ведомая наукой о наноразмерном состоянии вещества,
нанотехнология включает в себя визуализацию, измерение,
моделирование и манипуляции материей на данном масштабе.”
National Nanotechnology Initiative, 2007
7

6. Что такое “нано”?

Нано- это одна миллиардная метра (109 m)
Обычный человек может пройти
примерно 32 км в день. Если уменьшить
человека до 1 нм, сколько времени ему
бы понадобилось, чтобы пройти всю
длину сторублевой купюры?
24 года

7.

Шкала объектов—Нанометры
8

8. Что такое нанотехнологии?

Манипуляция атомами и молекулами для создания
новых материалов и устройств.
Междисциплинарная область – сочетание науки и
инженерии
Операционный диапазон 1-100 нм
Один нанометр - 10-9 метра или примерно 3 атома
в ряд. Толщина человеческого волоса 60-80,000
нм

9. Две составные части

Нанотехнологию часто подразделяют на две части:
Нанонаука (Nanoscience ) – область изучения химических и
физических свойств материалов на масштабе 1- 100 нм.
Материалы с элементами такого размера называют
наноструктурами. Это наименьший размер объекта, который
можно синтезировать.
Нанотехнология – область разработки и применения новых
материалов, продуктов и методов на таком масштабе; т.е.
«тюнинг» наноструктур для получения практически
применимых материалов и способов их использования.

10. Уникальные свойства материалов и нанотехнология

Нанотехнология обеспечивает производство и применение
инструментов и материалов, обладающих уникальными
свойствами из-за малого размера.
На наномасштабе свойства материалов меняются. Они
подчиняются законам поведения отдельных атомов и молекул,
а не объемных веществ (фаз).
Ученые используют эти уникальные свойства, чтобы создавать
принципиально новые приборы и продукты во всех областях
науки и инженерии

11.

Nanomaterials: new physics and chemistry
revolutionizes materials performance
Single molecule
sensing
New phenomena associated with:
• Small size (e.g. quantized effects)
• Preponderance of surfaces
and interfaces
Lead to:
• New modes of electronic transport
• New chemical reactivities
• New mechanical properties
GPa strength from Ni
Al+O-im pl. Ni
5
Yield Strength
• Radical changes in collective
phenomena
6
4
3
2-nm Al2O3
particles
Type 440C
bearing steel
2
1
Ni
0
Practicing “alchemy” through structure

12.

Carbon Nanotubes: example of extreme properties
The scale of nanostructures
Top down
armchair
(~200 nm)
zig-zag
Bottom up
(~1 nm)
Nanotubes for Electronics,
Scientific American, Dec. 2000

13. Плазмоны

Волны электронов распространяются вдоль
поверхности металла
Они имеют ту же частоту и электромагнитное
поле, что и свет.
Их суб-волна требует меньше пространства
С использованием плазмонов информация
может передаваться через чип с огромной
скоростью

14.

15. Молекулярная нанотехнология

Термин нанотехнология часто
используется взаимозаменяемо с
молекулярной нанотехнологией (MNT)
MNT включает в себя концепцию
механосинтеза
MNT это технология, основанная на
позиционно-контролируемом
механосинтезе, управляемом системами
молекулярных машин

16. Нанотехнологии не новы!

Золотые наночастицы в стекле создают красный оттенок
Древние стеклодувы знали, что если они добавят мелко измельченное
золото или серебро к стеклу, то они получат красивый оттенок. Они
использовали наноразмерные частицы золота и серебра. Оптические
свойства материала меняются на этом масштабе.

17. История

Окрашенные стекла производят по такой технологии и сегодня
Витражные окна из цветного стекла
Изображение золотой наночастицы
10

18. История

Ричард Фейнман
1959, ‘There's Plenty of Room at the Bottom’
Прямые манипуляции атомами и молекулами
Машины размером в 1/10 от единицы масштаба
помогают производить следующее поколение
машин размером в 1/100 и т.д..
По мере того, как объекты становятся
меньше, гравитация становится все менее
важным, а поверхностное натяжение и
молекулярное притяжение – все более
значимым!

19. История

• “Why cannot we write the entire 24
volumes of the Encyclopedia
Britannica on the head of a pin?”
Ричард Фейнман 1918-1988.
12

20. История

• “The problems of chemistry and
biology can be greatly helped if our
ability to see what we are doing, and
to do things on an atomic level, is
ultimately developed – a
development which I think cannot be
avoided.”
Surely You’re
Joking
Mr. Feynman!
Adventures of a Curious
Character
By Richard Feynman
Сборник воспоминаний Фейнмана
13

21. История

Атомный масштаб
• Компьютерное изображение
двойной спирали нанольда
•Атомы кислорода показаны
синим во внутренней части
спирали, лиловые – во
внешней. Атомы водорода –
белые.
Самосборка – основа нанотехнологии
14

22. История

Токийский университет, профессор Норио
Танигучи
1974 ультрапрецизионная обработка материалов
с точностью до нанометра. «Отец» термина.
Kим Эрик Дрекслер
1980 «ре»-изобретатель термина
1986 книга Машины создания: грядущая эра
нанотехнологий
Расширил термин до «наносистем» - Nanosystems:
Molecular Machinery, Manufacturing, and
Computation

23. Еще немного истории

Eric Drexler
• Изобрел термин “Grey Goo” (серая
слизь)…потенциальная проблема
саморепликации и автономности
наномашин
Engines of Creation
The Coming Era
of Nanotechnology
By K. Eric Drexler
Поврежденная ДНК
15

24. Еще немного истории

Эрик Дрекслер
“Используя молекулу за
молекулой, машина-репаратор
будет способна починить всю
клетку. Работая клетка за
клеткой и слой за слоем,
они…будут способны
восстановить целый
орган…они будут возвращать
здоровье.” - Дрекслер, 1986
X
Стилизованный пример
направленного восстановления
клетки
16

25. Развитие измерений

Метрология
• Измерительное оборудование – краеугольный камень
нанотехнологий!
Сканирующий туннельный микроскоп
(Nanoscience Instruments).
Изображение со сканирующего
туннельного микроскопа.
17

26. Микроскопия

Сканирующая микроскопия
Атомно-силовая микроскопия
Сканирующая туннельная
микроскопия
Сканируя участок поверхности и
измеряя ток (изменение тока), можно
реконструировать строение
поверхности материала

27. Еще немного истории

Бакиболлы
• Три джентельмена – сэр Гарольд Крото
из университета Сассекса, Робер Керл и
Ричард Смолли из университета Райса —
получили Нобелевскую премию по химии
за открытие новой формы углерода С-60.
1996 год
С-60 бакибол (форма футбольного
мяча )
Пример нобелевского диплома
18

28. И еще немного…

Фуллерены
• C-60 был назван в честь Ричарда Бакминстера Фуллера по
прозвищу «Баки»
Бакибол
Собор биосферы в Монреале
19

29. Наносборка

Метод
«сверху-вниз»– приводит
макроматериал/объект к
наномасштабу
Метод «снизу-вверх»– собирает
наноструктуру из индивидуальных
атомов и молекул

30. Нанотехнологии в электронике

Миниатюризация
Плотность
заполнения

31.

Еще немного истории
Сборка методом «сверху-вниз»
•Подход «сверху-вниз» применяется для производства
микрочипов.
Закон Мура
Фотолитография
20

32. Cleanroom Layout

Organic Suites
Bio/Chemical
Prep
E-Beam
Lithography
Future
Cleanroom
Standard
Semiconductor
Cleanroom
Support
Live Cleanroom at MiRC: http://grover.mirc.gatech.edu/cameras
Or Cleanroom Tour: www./mcrel.org/nanoleap/remoteaccess/cleanroom.asp

33. Самосборка: подражание природе

Photosynthesis centers
Living Cell Walls
• optical receptor molecules are precisely
aligned via spontaneous organization
• alignment promotes collection, storage, and
utilization of light energy
• “fluid” molecular arrays rearrange in
response to chemical stimuli
• changes in membrane structure
influence intercellular diffusion
3D molecular arrangements
promote resonant coupling.
Dynamic restructuring of molecular
arrays provides adaptive response.

34. И еще немного….

Сборка методом «снизу-вверх»
•Самоборка «снизу-вверх» аналогична способу сборки
биологических систем
Молекулярная самосборка с помощью водородных связей
21

35.

Nanoscience Biomimicry
Ways scientists are attempting to mimic the wonders of
nanoscience in nature:
•sticky “feet”
•strong spider silk
•self-cleaning light reflecting butterfly wings
•optical nanoscience
•water collecting beetle backs
•tough and light toucan beaks
•and the list could go on and on.
Taken from WebQuest Nanoscience in Nature by Jeanne Nye

36. How to build things at the nanoscale?

Conventional Machines
Build and assemble
Microelectronics
Top down - build in place
(m - mm)
Nanotechnology
Bottom up self assembled
(10 - 0.1 µm)
(1- 100 nm)

37.

Ключевые проблемы
нанотехнологий
Сборка наноматериалов
Самосборка, «снизу-вверх» vs «сверху-вниз»
Характеризация наноструктур
Изображение и измерение объектов малого размера
Понимание свойств
“Нано-остров” лежит между макромиром и одиночными
атомами и молекулами
Интеграция и функционирование наносистем
- как собрать и соединить наноструктуры с большими системами?
(самая большая проблема)

38. Современные нанотехнологии

Университет Стенфорда
Экстремально маленькие транзисторы
Шириной 2 нм, регулирующие электрический ток через зазор
всего от одного до трех нанометров шириной
Ультра-малая мощность

39.

Intel
Процессоры на элементах 65 нм
Слой оксидного затвора – меньше чем 3
атомных слоя толщины
20-нм tтранзистор
Атомная
структура

40.

Why are nanomaterials attractive?
Information technology
Quantum electronics (logic, memory), magnetic memory, spintronics
Energy
Large scale, low cost nanoparticle-based solar energy collection
High efficiency solid state lighting
Health
In situ drug delivery
Diagnostics, active monitoring, performance enhancement
Environment
Low cost, nanosensor arrays for health, safety
Nanoparticle based waste destruction
Nanomanufacturing
Large area, bottom up assembly for low waste, energy efficient
manufacturing

41.

42.

43.

44. Зачем коллоидному химику интересоваться нанотехнологиями?

NSF оценивает рост мировой
потребности в человеческом
ресурсе для нанонауки и
нанотехнологий к 2019 году в 7
миллионов человек.
Дополнительно 15
миллионов человек будут
заняты в смежных
поддерживающих областях.
К 2020 году, ожидается, что
нанотехнология будет объединять
в себе различные области
индустрии объемом $10
триллионов

45. «Нано»-карьера

Дизайн
Разработки
Нацбезопасность
Техподдержка
Исследования
Менеджмент
Упаковка
Энергетика
Производство
одежды
Микроэлектроника
Патенты
Экология
наноиндустрии
Продажи
Тестирование
И многое другое….

46.

Нанотехнологии и общество
• Могут ли появиться катастрофические последствия нанотехнологий?
• Есть ли области нанотехнологий, где общество должно «держать руку на
пульсе»?
• Какова роль правительства?
• Какова ответственность ученых и инженеров?

47.

Огромные инвестиции в нанотехнологии имеют экономические и
социальные
1. Дизайн материалов «под заказчика» на наномасштабе
2. Производство и модификация (ремонт) устройств на масштабе нанометров
3. Химические, биологические, радиологические загрязнения и взрывчатые
вещества (определение и….производство)
4. Метрология на наномасштабе
5. Наноэлектроника, нанофотоника, наномагнетика
6. Медицина и диагностика
7. Эффективное производство и хранение энергии
8. Микрокрафты и роботика
9. Экологический мониторинг и охрана окружающей среды

48.

National Nanotechnology Bill
S189 signed Dec. 3, 2003
An authorization bill
Follows the NNI program directions
Emphasizes program:
- management
- coordination
- review/oversight
- and ethical, legal, environmental and societal concerns!

49.

Наночастицы-потенциальный
физиологический
риск
• Свойства изменяются вместе с размером.
− Могут ли некоторые комбинации размер+состав иметь негативные
эффекты для здоровья?
− Дополнения к принятым экологическим и медицинским стандартам
Один состав, разные формы: напр., сажа, алмаз, бакибол, нанотрубки
Один состав, разный размер: TiO2, квантовые точки (CdS, CdSe)
• Могут ли наночастицы пересекать биологический барьер?
• Какова ответственность и меры предосторожности?
−В лаборатории?
− на заводе и в окружающей среде?
− в готовой продукции?

50. Категории наноматериалов

Натуральные “ультрадисперсные частицы”
вирус – 10 - 60 nm
бактерия – 30 - 10 µm
Пыль - ~ 100 nm
Вулканическая пыль, дым лесного пожара
“ультрадисперсные частицы” в индустрии и
побочных продуктах
Продукты сжигания– 10 - 80 nm
Пигменты красок – 80 - 100 nm
Дым сварки – 10 - 50 nm
Продукты сгорания в двигателях – 7 - 40 nm
Пигмент тонера ксерокса – 10 -400 nm
“Наноматериалы”
Фуллерены-бакибол– 1 nm: нанотрубки – 1 to 5 nm x 10 µm
Квантовые точки для медицинской диагностики– 5 to 20 nm
Полупроводниковые провода для сенсоров– 10 to 100 nm diam. x 1
µm
NNI Clayton Teague presentation, 4/2/04

51.

Медицинские исследования наночастиц
Lam et al. (2004) – 3 типа наночастиц введены в легкие мышам, все
вызвали гранулому
Дюпон – введение нанотрубок в легкие крыс ; 15% умерло (наиболее
высокая смертность в таких исследованиях)
SMU – бакиболы вызвали обширные поражения мозга у рыб
Rice University – наночастицы накапливаются в биологических тканях

52.

Нанотехнологии и общество
Вездесущие наносенсоры – право на частную жизнь
• Что, если стены будут иметь глаза и уши?
• Сенсор может быть прикреплен совершенно незаметно?
• Являются ли мое здоровье и генетика конфиденциальной информацией?

53.

Нанотехнологии и общество
“Боты” – самовоспроизводящиеся машины
• Это возможно?
• Как наш предшествующий опыт сможет помочь?
• Должны ли мы повысить ответственность в этом отношении?

54.

Нанотехнологии и общество
“НаноАссисторы” – интерфейсы машиначеловек
• Должны ли мы поддерживать такие технологии для социальной
интеграции инвалидов?
• Можно ли использовать нанотехнологии для «улучшения» человека?
− военные?
− атлеты?
− мои дети?
• Кто решает?

55.

Practical applications are at an early stage
The Top Ten Nanotech Products Of 2003
Robert Paull, The Forbes/Wolfe Nanotech Report, 12/29/03
1) High-Performance Ski Wax
2) Breathable Waterproof Ski Jacket
3) Wrinkle-Resistant, Stain-Repellent Threads
4) Deep-Penetrating Skin Cream
5) World's First OLED Digital Camera
6) Nanotech DVD and Book Collection
7) Performance Sunglasses
8) Nanocrystalline Sunscreen
9 & 10) High-Tech Tennis Rackets And Balls
It has been estimated that nanostructured
materials and processes can be expected to
have a market impact of over $340 billion
within a decade (Hitachi Research
Institute, 2001).