Каково применение нанотехнологий при производстве оргтехники?

Сразу отметим, что в нанотехнологиях огромную практическую значимость имеют так называемые "наноматериалы". Наноматериалы - это материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

Чтобы оценить значение нанотехнологий при производстве оргтехники, опишем основные современные наноматериалы и их практическую значимость для производства офисного оборудования.

1. Углеродные нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Перечислим возможные применения нанотрубок при создании оргтехники будущего:

· Механические применения: сверхпрочные нити (ударостойкие корпуса оргтехники, механические части конструкций), композитные материалы, нановесы.

· Применения в микроэлектронике для производства сложной интеллектуальной оргтехники: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

· Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

· Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки, нанопринтеры и т.д.

· Оптические применения: дисплеи для оргтехники, светодиоды.

· Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

· Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских сканеров и плоских прозрачных громкоговорителей.

2. Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Фуллерен в основном используется в качестве материала для полупроводниковой техники. Так, молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т.п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика. Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С2, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы - использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике и оргтехнике следующего поколения. Оргтехника и другие устройства на основе фуллеренов обладают следующими уникальными свойствами:

· высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость);

· максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость.

Все это делает алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения.

3. Графен - это монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря считается, что графен - перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах для оргтехники.

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.

Ещё одна перспективная область применения графена для офисной оргтехники - его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока, например, для ноутбуков. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30?40 Вт·ч/кг).

В 2009 году был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC). Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

4. Нанокристалл (монокристалл) - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и дилектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния являются основой современной твердотельной электроники.

5. Аэрогели - класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т.д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. Аэрогели могут использоваться при производстве уникальных самоочищающихся губок для очистки оргтехники, для чистящих дорожек звукозаписывающей техники и т.д.

6. Наноаккумуляторы - в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов, которые могут использоваться везде - от ноутбуков и мобильных телефонов до автомобилей. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.

7. Также к перспективным нанотехнологиям относятся самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса. Эффект лотоса - эффект крайне низкой смачиваемости поверхности, который можно наблюдать на листьях и лепестках растений рода Лотос (Nelumbo), и других растений, как например настурция, тростник обыкновенный и водосбор. На основе этого эффекта могут быть созданы офисные устройства, которым не страшна пыль и воздействие воды, солнечных лучей и других вредоносных для техники факторов.

Далее опишем основные вехи практического внедрения нанотехнологий в офисной компьютерной технике в 2000-х годах.

Нанотехнологичные центральные процессоры - 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. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм.

Нанотехнологичные жёсткие диски - в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации.

Сканер-микроскоп - сканер высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер-Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. СЗМ может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение сканирующих зондовых микроскопов зависит от характеристик используемых зондов. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна-осциллятор - 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации.

Плазмоны - коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии - наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Nokia Morph - проект сотового телефона будущего, созданный совместно научно-исследовательским подразделением Nokia и Кембриджским университетом на основе использования нанотехнологических материалов.

В целом можно сказать, что нанотехнологии в помогают создавать оргтехнику с уникальными свойствами. Это понимают и правительства разных стран мира, и представители крупного бизнес-сообщества.

Так, в 2010 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2009 годом и достигли $100 млрд. На долю частных доноров - корпораций и фондов - пришлось примерно $60.6 млрд инвестиций, на долю государственных структур - около $30.3 млрд. Мировыми лидерами по общему объёму капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых нанотехнологий на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объём инвестиций составил $4 млрд.), США - на 122 % ($3.4 млрд.).

Отметим, что среди стран бывшего СССР Республика Беларусь начала развивать нанотехнологии одной из первых. Научно-производственные объединения страны работают по Государственной комплексной программе "Наноматериалы и нанотехнологии", годовой бюджет которой составляет более одного миллиона долларов (на 2010 год), плюс примерно столько же средств удается привлечь белорусским предприятиям по договорам.

Белорусская госпрограмма "Наноматериалы и нанотехнологии" состоит из шести разделов:

синтез и использование фуллеренов и нанотрубок;

получение композитов;

сверхтвердых материалов;

работы в области наноэлектроники;

магнитных материалов;

изучение физики и химии наноразмерных волокон.

Например, в Институте порошковой металлургии созданы технологии детонационного синтеза наноалмазов с использованием энергии взрыва и последующей их очисткой модифицированным жидким окислителем ракетного топлива "меланж", запасы которого в стране значительны, а утилизация представляет серьезные трудности. ЗАО "Синта", освоившее выпуск новой продукции, производит 2 тонны чистых наноалмазов в год, которые поставляются 30 предприятиям нашей страны, а также экспортируются в Россию, Украину, Тайвань, Индию, Германию, США, Чехию, Корею. В микродозах они используются в составе сверхтвердых покрытий режущего инструмента, увеличивая его долговечность. Применяются они также в узлах трения, которые получают защиту от износа на долгие годы, в радиоэлектронике и машиностроении, где упрочняют сверхтонкие пленки из драгоценных металлов.

нанотехнология оргтехника наноматериал коллоидный

Заключение