Нанотехнологии

Нанотехноло́гии — область науки, занимающаяся разработкой и использованием крошечных материалов и устройств. Комплекс методов и приёмов, используемых при изучении, разработке, производстве и применении структур, устройств и систем. Эти методы включают в себя целенаправленное управление и изменение формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их элементов наномасштаба (от 1 до 100 нанометров) с целью создания объектов с новыми химическими, физическими и биологическими свойствами.

Наноструктура

На конференции 1974 года японский учёный Норио Танигути из Токийского научного университета впервые предложил название «нанотехнологии» для обозначения процессов в области полупроводников, таких как нанесение тонких слоёв и ионное фрезерование, демонстрирующих управление характеристиками на уровне нанометра.

Определение и взаимосвязь нанотехнологий

Термин «нанотехнология» впервые был использован японским учёным Норио Танигути в 1974 году при обсуждении проблем обработки хрупких материалов. Принципиальное значение малоразмерных объектов было подчеркнуто нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом еще в 1959 году.

В 1986 году выходит книга Ричарда Фейнмана «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии». Научные исследования нанообъектов начинаются в XIX век когда Майкл Фарадей (1856-1857) получает и исследует свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота и тонких плёнок на его основе. Отмеченное Майклом Фарадеем изменение цвета в зависимости от размера частиц — едва ли не первый пример исследования размерных эффектов в нанообъектах.

Возросший интерес к нанотехнологиям в последнее время объясняется тремя факторами:

• методы нанотехнологий позволяют создавать совершенно новые устройства и материалы с характеристиками, превосходящими существующий уровень, что важно для прогресса в различных областях: техника, биотехнология, медицина, экология, оборона и другие;
• нанотехнология стала широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов из различных областей:физика, химия, материаловедение, биология, медицина, технологии, науки о Земле, информационные технологии, экономика, социология и другие;
• решение проблем, связанных с нанотехнологиями, выявило множество недостатков, что привело к увеличению внимания научного и инженерного сообщества к этому направлению.

Объекты нанотехнологии

Объектами изучения нанотехнологии являются:

• нанотрубки, фуллерены;
• атомные и молекулярные кластеры;
• нанокомпозиты;
• пористые материалы;
• ультрадисперсные порошки;
• фотонные кристаллы;
• супрамолекулярные ансамбли и устройства;
• тонкие плёнки и поверхностные слои;
• мицеллярные системы и микроэмульсии;
• жидкие кристаллы;
• липосомы;

• биомембраны и другое.

Наночастицы — микроскопические структуры, созданные из атомов или молекул, которые организованы в определённом порядке. Эти частицы можно классифицировать на:

1) нанокластеры, которые включают в себя как упорядоченные нанокластеры с чётким расположением атомов или молекул и прочными химическими связями, так и неупорядоченные нанокластеры, отличающиеся беспорядком в структуре и более слабыми химическими связями;

2) нанокристаллы, или кристаллические наночастицы, отличающиеся строго упорядоченной структурой атомов или молекул и прочными химическими связями, что делает их похожими на крупномасштабные кристаллы (макрокристаллы).

3) фуллерены, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде сфероподобного каркаса;

4) нанотрубки, состоящие из атомов углерода (или других элементов), образующих структуру в виде цилиндрического каркаса, закрытого с торцов каркасными куполами;

5) супермолекулы, состоящие из «молекулы-хозяина» с пространственной структурой, в полости которого содержится «молекула-гость»;

6) биомолекулы, представляющие собой сложные молекулы биологической природы, характеризующиеся полимерным строением (ДНК, белки);

7) мицеллы, состоящие из молекул поверхностно-активных веществ, образующих сфероподобную структуру;

8) липосомы, состоящие из молекул особых органических соединений — фосфолипидов, образующих сфероподобную структуру.

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементовю.

Применение нанотехнологии в различных отраслях

В машиностроении широко применяются различные виды наноматериалов: конструкционные, инструментальные и триботехнические. Некоторые из них демонстрируют высокую эффективность в области ядерной и водородной энергетики. Химическая промышленность активно использует нанокатализаторы, нанофильтры и газовые нанодатчики. В сельском хозяйстве широко распространено генное модифицирование растений, животных и продуктов питания, а также применение наносредств для обработки почвы. В медицине нашли применение лекарственные нанопрепараты, медицинские наноматериалы, включая использование для имплантации, а также медицинский наноинструментарий. Для охраны окружающей среды используются наноанализаторы для газов и жидкостей, наноочистители воздуха и воды, а также наносредства для переработки отходов. Наноматериалы и наносистемы широко применяются в аэрокосмической промышленности, где требования к миниатюризации оборудования особенно высоки.

Различные совокупности наносистем формируют различные отрасли нанотехнологий, такие как наноэлектроника, нанооптика и наномеханика. Прогресс в развитии этих наносистем тесно связан друг с другом, что приводит к созданию более сложных и интегрированных систем, таких как нанооптоэлектронные, наноэлектромеханические, нанооптомеханические и нанооптоэлектромеханические устройства. Новые материалы с уникальными свойствами уже используются для производства солнечных батарей, устройств для преобразования энергии и экологически чистых продуктов. Возможно, производство доступных, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет ключевым результатом применения нанотехнологийю.

Перспективы развития

В среднесрочной перспективе эксперты выделяют три ключевые области, на которые окажут наибольшее воздействие нанотехнологии. Первой из них является энергетика, где возможно качественное улучшение компонентной базы устройств и технологий изготовления. Это приведет к повышению эффективности устройств, таких как топливные элементы, электрохимические источники тока, устройства для преобразования солнечной энергии и твердотельные источники света, делая их более доступными. Второй областью, где нанотехнологии окажут значительное воздействие, являются информационные технологии. Здесь внедрение и развитие нанотехнологий, включая усовершенствование современной полупроводниковой элементной базы и создание новых материалов, позволят уменьшить размеры электронных устройств, снизить энергопотребление, увеличить плотность хранения информации, а также увеличить пропускную способность и скорость передачи сигналов в волоконно-оптических сетях. Третья область, где нанотехнологии будут играть важную роль — это медицина. Здесь возможно применение нанотехнологий для создания новых материалов и технологий формирования электронных структур, которые могут улучшить эффективность электронно-оптических, оптоэлектронных и нелинейно-оптических преобразователей. В целом, нанотехнологии представляют огромную значимость для различных сфер человеческой деятельности и экономики.

Средства в разработке нанотехнологий

Власти США вкладывают средства в разработки нанотехнологий. Прогнозируется, что нанотехнологии окажут существенное воздействие на различные отрасли мировой экономики. Мощная экономика, опирающаяся на нанотехнологии, может способствовать появлению новых товаров, предприятий, рабочих мест и даже новых промышленных сфер в различных странах. В результате финансирование научных исследований в сфере нанотехнологий по всему миру стремительно увеличивается.

В 2001 году президент Клинтон предложил включить в федеральный бюджет на 2002 год новую крупную программу под названием «Национальная инициатива в области нанотехнологий» (NNI). Бюджет предусматривал увеличение государственных инвестиций на более чем 200 миллионов долларов на исследования и разработки в области нанотехнологий. В декабре 2003 года президент Буш подписал закон об исследованиях и разработках в области нанотехнологий, который утвердил финансирование научно-исследовательских работ в области нанотехнологий на протяжении 4 лет, начиная с финансового 2005 года. Этот закон закрепляет программы и мероприятия, поддерживаемые Национальной инициативой в области нанотехнологий.

В 2003 году законопроект выделил почти 3,7 миллиарда долларов на исследования и этические аспекты.