Нанотехнология

Краткая история развития

После появления мощных электронных микроскопов ученые смогли визуально определить параметры микромира. Однако сам термин «нанотехнологии» в современном контексте был введен в 1974 году японским физиком Норио Танигучи.

Длительное время вопросы, связанные с нанотехнологиями, рассматривались исключительно в теоретической плоскости, однако в 1998 году им нашлось практическое применение. Именно тогда ученый из Нидерландов Сиз Деккер создал первый транзистор, состоящий из нанотрубок. С этого времени началось активное применение нанотехнологий в различных отраслях науки и техники.

Долгая извилистая дорога

Несмотря на такие привлекательные стороны, есть множество факторов, которые препятствуют широкому распространению нанотехнологии. Нехватка стандартов, по мнению Харриса из FEI, — главный из них. «Из-за отсутствия стандартов для промышленности затруднительно наладить производство, создать эффективную методику контроля качества или верно оценить риски» — утверждает он. Наночастицы уже нашли свое применение в топливных присадках, в красках, в косметике, шинах, мячах для гольфа, бейсбольных битах и во многом другом. Есть ли какие-то опасности, связанные с изделиями, изготовленными по нанотехнологии? Конечно, они есть. Так утверждает Гош из ARC. «Предположим, вы создали нано-серебро или нано-углерод, свойства которых полностью отличаются от свойств обычного углерода или серебра. Как оно повлияет на кожу? Что произойдет, если кто-то его проглотит? Мы не знаем, как это подействует. Работа над стандартами идет полным ходом, но в данный момент это все еще достаточно расплывчатая тема»,- добавляет он. Рауль Найер, аналитик по проблемам техники из Frost & Sullivan, согласен с тем, что стандарты необходимы

Он обращает внимание на то, что на самом деле никому до конца не известно, на что способны наночастицы. Было показано, что углеродные нанотрубки при определенных условиях вызывают поражение тканей легких у крыс

В других случаях была обнаружена токсичность. Эта отрасль промышленности требует какого-то регулирования, считает он, но в то же время следует быть осторожным, чтобы слишком большое количество правил не стало препятствием для дальнейшего развития. Он предупреждает: «Следует соблюдать баланс между мерами безопасности и требованиями дальнейшего развития». По мнению Харриса из FEI, для выработки этих решений необходимо сотрудничество промышленности и правительства. Он видит стандарты de facto, появляющиеся в настоящее время. «Углеродные нанотрубки — одно из самых ранних приложений нанотехнологии — используются во всех видах промышленных применений от полупроводников до красок и различных покрытий. Производители углеродных нанотрубок установят стандарты для этих изделий, как только будут разработаны официальные стандарты», — утверждает он. Еще одно серьезное препятствие на пути развития нанотехнологии — отсутствие инструментов для малозатратного производства в больших объемах. «Нам необходимы капиталовложения и усилия по развитию технологий нанопроизводства, которые позволят создать воспроизводимые, недорогие компоненты для изготовления устройств или продуктов, — замечает Роджер Грейс. — Для того, чтобы можно было поставить что-нибудь полезное и практичное, нам необходимы способы соединения наномира с микромиром и макромиром». Другими словами, нанотехнологию следует поставить на поток. «Нанотех-нология, по общему признанию, очень привлекательна, — замечает Грейс, — но она должна стать практичной. Настоящий вызов заключается в производстве. Для создания жизнеспособных решений, пригодных для практического применения, мы должны иметь возможность обрабатывать наночастицы и наноматери-алы в масштабах крупного производства. Если решения слишком дороги и/или их слишком трудно соединить с внешним миром, они будут неосуществимы».

И дальше — в одномерие

У графена в 2D есть ширина и длина. Как же сделать из него 1D и что получится в итоге? Один из методов — порезать его на тонкие ленточки. Если их ширину уменьшать до предельно возможной, то это уже будут не просто ленточки, а еще один уникальный нанообъект — . Его открыли советские ученые (химики Ю.П. Кудрявцев, А.М. Сладков, В.И. Касаточкин и В.В. Коршак. — Прим. T&P) в 1960-е годы.

Второй способ сделать одномерный объект — свернуть графен в трубочку, как ковер. Толщина этой трубочки будет намного меньше, чем ее длина. Если бумагу свернуть в трубочку или нарезать на полосочки, она останется бумагой. Если графен свернуть в трубку, он перейдет в новую форму углерода — , которая обладает рядом уникальных свойств.

Оплата труда

Знания и навыки

Нанотехнология находится на стыке химии, биологии, физики, математики, информатики. Для успешной работы нужны знания по математике, физике, химии, биологи, информатике. А также специальные знания, которые зависят от конкретной специализации. Для общения с иностранными коллегами и чтения литературы требуется знание английского языка.

Вузы

Для работы в сфере нанотехнологий необходимо получить в вузе одну из специальностей: «нанотехнологии», «нанотехнологии в электронике», «наноматериалы».

Вузы, в которых можно получить профессию нанотехнолога (неполный список)

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Факультет нано-, био-, информационных и когнитивных технологий (ФНБИК).

Научно-техническая база – в Курчатовском институте.

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана.

Научно-техническая база – договор с РОСНАНО.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Институт новых материалов и нанотехнологий.

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА).

Факультет электроники. 

Московский государственный институт электроники и математики (МИЭМ).

Факультет электроники.

Московский государственный институт электронной техники (технический университет) МИЭТ.

Факультет электроники и компьютерных технологий.

Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ).

Факультет автоматизации и информационных технологий.

Промышленность: инновации и нанотехнологии

Для дальнейшего развития НИОКР
в области нанопроизводства, NNI сотрудничает
с почти 100 исследовательскими центрами
и пользовательскими объектами по всей
стране, чтобы предоставить исследователям
оборудование, специализированное оборудование
и обученный персонал, необходимый для
разработки приложений в области нанотехнологий
и связанных с ними производственных
процессов. На 2017 год правительство США предоставляет
NNI 1,4 миллиарда долларов, включая 37 миллионов
долларов на нанопроизводство.

Различные производители используют нанотехнологии в производстве продуктов с улучшенными возможностями или для снижения стоимости их производства. На этой странице приведены примеры того, как нанотехнологии помогают производителям сегодня.

• Исследователи из Университета «Прудью» продемонстрировали технологию, называемую импринтинг с помощью лазерного удара, который формирует наноразмерные металлические формы, такие как зубчатые колеса.
• Исследователи из Северо-Западного университета разработали настольный инструмент нанофабрикации. Настольный инструмент использует литографическую решетку с лучевой ручкой для создания наноразмерных структур.
• Исследователи из Университета Пенсильвании разработали методику изготовления наконечников AFM из алмаза.
• Исследователи из Университета Райса продемонстрировали, что атомно-тонкие листы нитрида бора можно использовать в качестве покрытия для предотвращения окисления. Они считают, что это покрытие можно использовать для покрытия деталей, которые должны быть легкими, но работать в жестких условиях, например, в реактивных двигателях.
• Компания ArcelorMital производит сталь, которая содержит наночастицы. Этот материал позволяет им делать более тонкие колеи, более легкие балки и пластины. Эти стальные балки и пластины примерно такого же веса, что и алюминий, но могут быть изготовлены с меньшими затратами. ArcelorMital продает эту легкую сталь производителям автомобилей.
• Исследователи изготовили пряжу из углеродных нанотрубок, покрытых алмазом. Они считают, что этот материал можно использовать в тонких пильных полотнах, которые уменьшают отходы, образующиеся при резке дорогостоящего материала, например, при распиливании кремниевых слитков в пластины для полупроводниковой или солнечной промышленности.
• IMEC и Nantero разрабатывают чип памяти, который использует углеродные нанотрубки. Эта память помечена NRAM для энергонезависимой оперативной памяти на основе нанотрубок и предназначена для использования вместо микросхем флэш-памяти высокой плотности.
• Nanosolar строит солнечные элементы с использованием полупроводниковых наночастиц, применяемых в процессе низкотемпературной печати. Этот процесс приводит к более низкой стоимости солнечных элементов, чем традиционные высокотемпературные производственные процессы.
• Hewett Packard работает с Hynix Semiconductor над созданием запоминающего устройства, называемого мемристором. Мемристор использует нанопроволоки, покрытые диоксидом титана, и, по прогнозам, имеет лучшую плотность памяти, чем флэш-память.

Также исследователи работают
над разработкой метода, называемого
молекулярным производством, который
поможет создать в будущем репликатор
Star Trek. Гаджет, который изобретают эти люди,
называется молекулярным производителем;
это устройство будет использовать крошечные
манипуляторы для позиционирования атомов
и молекул, чтобы построить такой же сложный
объект, как настольный компьютер. Как
показано в этом видео, исследователи
считают, что с помощью этого метода сырье
можно использовать для воспроизведения
практически любого неодушевленного
предмета.

Создавая объект, атом за атомом
или молекулу за молекулой, молекулярное
производство, также называемое молекулярной
нанотехнологией, может производить новые
материалы с улучшенными характеристиками
по сравнению с существующими.

Например, стойка самолета должна
быть не только очень прочной, но и легкой.
Молекулярный производитель может строить
атом за атомом распорки из углерода, в
результате получается легкий материал,
который является более твердым, чем алмаз.

Помните, что алмаз – это просто решетка
из атомов углерода, скрепленных связями.
Размещая атомы углерода, один за другим,
в форме распорки, такой производитель
может создать алмазоподобный материал,
который будет легче и прочнее любого
металла.

Наука и производство

Прорыв в нанотехнологиях предоставляет новые, постоянно расширяющиеся возможности для синтеза и коммерциализации новых материалов в наноразмерном масштабе. Эти материалы имеют решающее значение для продвижения передового производства, повышения производительности продукта и создания новых, инновационных продуктов, которые улучшают производство. Например нанотехнологии в производстве создают:

• Покрытия. Системы нанесения наночастиц создают очень однородные, конформные покрытия из наноразмерных частиц. Например, в 2015 году Modumetal изобрел процесс нанопокрытия, который увеличивает прочность стали в 10 раз, делая ее более устойчивой к коррозии.
• Наноинженерные полимеры. Тысячи наноинженерных полимеров и гибридных полимерных смесей доступны для производителей. Наночастицы внедряются в полимеры в очень специфических концентрациях и ориентациях, обычно для увеличения прочности, температуры и коррозионной стойкости.
• Смазочные покрытия. Наночастицы также могут быть сконструированы для обеспечения смазывающей способности и износостойкости. Они обычно наносятся в виде покрытия на твердые поверхности или распространяются в смазочных жидкостях, таких как масло.
• ДНК-структуры. ДНК человека может быть использована для формирования каркасов, на которых могут быть построены механические структуры и устройства. Например, «молекулы ДНК могут служить точно управляемыми и программируемыми каркасами для организации функциональных наноматериалов при разработке, изготовлении и характеристике электронных устройств и датчиков нанометрового масштаба», – пишет Nanowork , ведущий портал по нанотехнологиям.
• Наномашины. Исследователи успешно разработали рабочие наномоторы, нанороботы и наномашины из химических и биологических молекул. Эти молекулы самостоятельно собираются в функциональные, программируемые наноразмерные функциональные машины. Поскольку они достаточно малы, чтобы путешествовать по сосудистой системе, они обладают огромным потенциалом в области медицины – например, они могут быть микроскопическими роботами, которые обнаруживают и уничтожают раковые опухоли, проникая в опухоль и опорожняя в них крошечные капсулы лекарств.

Потенциал будущего

Нанотехнологии в производстве, как и нанотехнологии в медицине, произвели революцию во многих производственных секторах, включая информационные технологии, оборону, медицину, транспорт, энергетику, науку об окружающей среде, телекоммуникации и электронику.

В России новое предприятие по производству тканей запустил «БТК Холдинг». По словам экспертов, это единственный крупный проект в этой сфере, который был реализован в стране в последние годы. Площадка находится в городе Шахты Ростовской области. Компания вложила в инфраструктуру и оборудование более 6 млрд руб. Предприятие будет использовать нанотехнологии в производстве тканей и выпускать высокотехнологичный текстиль из синтетических волокон. Он применяется, в частности, при изготовлении спецодежды, в том числе, для вооруженных сил, и спортивной одежды.

Нанотехнологии уже и в области экологии.

Экологические  службы многих
стран разрабатывают уникальные проекты
по охране экологии

Китайский ученый
 Чжан Вейсян, проводивший  эксперименты
по изучению наночастиц железа  в одном
из американских университетов сделал
важное открытие. Он работал с наночастицами
железного порошка

Учитывая, что количество
Fe –самое большое на планете,  в сравнении
с другими металлами,  – удачные опыты исследователя
 позволят эффективно  и бережно очистить
почву и   сэкономят немыслимые деньги.

«Гибкая электроника была разработана
с использованием полупроводниковых
наномембран для приложений на экранах
смартфонов и электронных книг», – говорит
NNI. «Создание плоской, гибкой, легкой, не
хрупкой и высокоэффективной электроники
открывает двери для бесчисленных интеллектуальных
продуктов».

Интеллектуальность, однако, зависит
от данных – устройство может быть таким
же умным, как и вход, который он получает
от датчиков. Наноразмерные датчики и
устройства будут продолжать улучшать
мониторинг оборудования и машин, чтобы
максимизировать эффективность и производительность.

Из трехмерия — в двумерие

Самый распространенный материал в нашем мире — углерод. Он может образовать две абсолютно разные субстанции — алмаз, самый прочный материал на Земле, и графит, причем графит может стать алмазом просто посредством высокого давления. Если даже в нашем мире один элемент может создать кардинально разные материалы с противоположными свойствами, то что же будет в наномире?

Графит известен в первую очередь как карандашный грифель. Размер кончика карандаша — около одного миллиметра, то есть 10-3 метра. Как выглядит грифель в нано? Это просто набор слоев из атомов углерода, образующих слоистую структуру. Похож на стопку бумаги.

Когда мы пишем карандашом, на бумаге остается след. Если проводить аналогию со стопкой бумаги, это как если бы мы вытаскивали из нее по одному листочку. Тонкий слой графита, который остается на бумаге, — это 2D, его толщина составляет всего один атом. Чтобы объект мог считаться двумерным, его толщина должна быть во много (как минимум в десять) раз меньше, чем ширина и длина.

Но есть загвоздка. В 1930-х годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что двумерные кристаллы нестабильны и разрушаются из-за термических флуктуаций (случайных отклонений физических величин от их средних значений из-за хаотического теплового движения частиц. — Прим. T&P). Получается, что двумерный плоский материал не может существовать из термодинамических соображений. То есть вроде бы мы не можем создать нано в 2D. Однако нет! Константин Новоселов и Андрей Гейм синтезировали . Графен в нано не плоский, а немножко волнистый и поэтому стабильный.

Если в нашем трехмерном мире вытащить из стопки бумаги один лист, то бумага останется бумагой, ее свойства не изменятся. Если же в наномире убрать один слой графита, то получившийся графен будет обладать уникальными свойствами, ничем не похожими на те, что имеет его «прародитель» графит. Графен прозрачный, легкий, в 100 раз прочнее стали, отличный термоэлектрик и электропроводник. Он широко исследуется и уже становится основой для транзисторов.

Сегодня, когда все понимают, что двумерные материалы в принципе могут существовать, появляются теории о том, что новые сущности можно получить из кремния, бора, молибдена, вольфрама и др.

доцент к.т.н. М.В. Обрезкова

Бийск 2013

Образование

В 2006 году сформирован Факультет нано-, био-, информационных и когнитивных технологий МФТИ.

1 марта 2007 года образован Физико-технический институт ИрГТУ, готовящий специалистов по направлению подготовки «Нанотехнологии».

С 2007 года проводится Всероссийская интернет-олимпиада по нанотехнологиям «Нанотехнологии — прорыв в Будущее!».

С сентября 2017 в Новосибирском государственном университете открыта кафедра нанокомпозитных материалов. Студенты кафедры получили доступ к практике на крупнейшем мировом производстве одностенных углеродных нанотрубок – заводе OCSiAl.

«Функциональная» еда – это натуральные мясные протеины и пептиды, которые, по сути, являются самым характерным примером высокотехнологичной еды нового поколения.

Наноеда — это набор передовых научных
идей, построенных на базе нанотехнологий
и применяемых в производстве пищевых продуктов.

Основные надежды, которые ученые возлагают
на использование нанотехнологий в производстве
продуктов питания, связаны, прежде всего,
с улучшением их питательных свойств, вкуса
и полезности, а также со снижением производственных
издержек. Эти новые идеи должны на глобальном
уровне повлиять на пищевую промышленность.

Сейчас крупные пищевые корпорации активно
приветствуют нанодостижения. Их привлекает
гипотетическая возможность производить
такие продукты, которые будут храниться
годами. Например, мясные и молочные продукты,
которые сейчас относят к классу скоропортящихся,
смогут оставаться свежими на протяжении
пяти — семи лет.

Также планируется покрывать овощи и фрукты
защитной нанопленкой, отталкивающей
грязь.

Такая пленка будет невидимой и неощутимой
на вкус. Она будет разлагаться в желудке
без всякого вреда для него и выводиться
естественным путем. Поэтому те продукты,
в которых нанотехнологии используются
лишь в составе упаковки, тоже относят
к наноеде.

Нанотехнологии предоставляют пищевикам
и уникальные возможности для всестороннего
наблюдения за качеством и безопасностью
продуктов непосредственно в процессе
производства.

Речь идёт о диагностических машинах
с применением наносенсоров или так называемых
квантовых точек, способных быстро и надёжно
выявлять в продуктах мельчайшие химические
загрязнения или опасные биологические
агенты.

Впрочем, замыслы ученых относительно
применения этих технологий в производстве
пищи носят куда более масштабный и амбициозный
характер. Они надеются, что их применение
в фермерских хозяйствах (при выращивании
зерна, овощей, растений и животных) и на
пищевых производствах (при переработке
и упаковке) приведет к рождению совершенно
нового класса продуктов, которые со временем
вытеснят с рынка генномодифицированную
еду.

Или еще один интересный пример — интерактивный
напиток, принцип «работы» которого представили
в компании «Kraft foods». Идея заключается
в том, что человек может приобрести этот
напиток и, по своему желанию, управлять
наночастицами так, что на его глазах будут
меняться вкус, цвет, аромат и концентрация
напитка.

Ученые — оптимисты уверены, что нанотехнологии
сотрут грани между научными дисциплинами.
Они прогнозируют, что при помощи наноцепочек,
«прикрепленных» к еде, можно будет улучшать
состояние тканей организма и устраивать
профилактику внутренним органам. По сути,
это одно из направлений наномедицины,
которая занимается подобными, связанными
с адресной доставкой медикаментов, исследованиями.

В этой связи серьезно рассматриваются
такие интересные и одновременно забавные
идеи, как бифштексы, при употреблении
которых сжигается холестерин, и которые
способствуют наращиванию мышечной массы.
Или же сладкие торты без сахара — мечта
тех, кто не любит диет. Это направление,
пожалуй, будет наиболее востребованным,
поскольку несет практическую пользу
для человека. Симбиоз наномедицины и пищевой
промышленности кажется более интересным,
чем зеленое мясо или груша, светящаяся
в темноте.

Такое перспективное направление, как
наноеда, появилось на стыке нанотехнологий
и пищевой промышленности. В областях, связанных
с жизнью и здоровьем человека, к таким нововведениям
следует относиться серьезно — тем более,
в промышленных масштабах. Нанотехнологии
применяют сейчас в составе натуральных
соков для равномерного распределения
густоты по всему объему упаковки — но
такой способ использования нанотехнологий
нельзя назвать наноедой. Пока наноеда
применяется, главным образом, в сельском
хозяйстве для обеззараживания кормов
животных, а также для введения в них питательных
веществ, стимулирующих рост скота .

Трехмерие, двумерие, одномерие

Что такое трехмерие, двумерие и одномерие и как они влияют на материалы и их свойства в нанотехнологиях? Все мы знаем, что 3D — это трехмерие. Есть обычный фильм, а есть кино в 3D, где на нас с экрана вылетают всякие акулы. В математическом смысле 3D выглядит так: , где зависит от трех измерений — длины, ширины и высоты. Знакомый всем Марио в трехмерии довольно высокий, широкий и толстенький.

При переходе в двумерие исчезнет одна ось: . Здесь все намного проще: Марио такой же высокий и широкий, но не толстый, потому что в двумерии никто не может быть полным или худым.

Если мы продолжим уменьшаться, то в одномерии все станет совсем просто, останется всего одна ось: . Марио в 1D просто длинный — мы его не узнаем, но это все еще он.