Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области "Ростовский-на-Дону колледж радиоэлектроники, информационных и промышленных технологий"

Наноматериалы и нанотехнологии в машиностроение

Маркина В.В.

Пашко С.А. (руководитель)

г. Ростов-на-Дону, Россия

Содержание

• Введение
• 1. История развития нанотехнологии
• 2. Новая элементная база микроэлектроники и приборы на основе нанотехнологий и наноматериалов
• 3. Развитие наноматериалов и нанотехнологий в России
• Заключение
• Список литературы

Введение

За последние несколько лет короткое слово с большим потенциалом - "нано" быстро вошло в мировое сознание. Существует множество слухов и ошибочных мнений относительно нанотехнологии. "Нано" - это не только крошечные роботы, которые могут (или не могут) завоевать мир. По сути, это огромный шаг в науке.

Наноматериалы - вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии - совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

1. История развития нанотехнологии

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать - изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого "нано" - карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4 … 5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов

2. Новая элементная база микроэлектроники и приборы на основе нанотехнологий и наноматериалов

Перспектива развития базовых комплементарных логик на транзисторах металл-оксид-полупроводник (КМОП) субмикронных технологий, в основном, базируется на системе бухгалтерской и складской отчетности (СБИС) долговременного оперативно запоминающего устройства (ДОЗУ) потому, что ДОЗУ имеет наиболее простую структуру СБИС и реально отражает уровень технологии, в случае СБИС микропроцессоров в качестве ограничивающего фактора может выступить сложность самой структуры СБИС и факторы, связанные с "передачей" быстродействия от исполнительных элементов на внешние выводы. СБИС ДОЗУ служат своеобразным "оселком", на котором "оттачивается" технология нового уровня и оцениваются ее технико-экономические показатели.

В последнее время появились новые структуры полупроводниковых приборов, среди которых следует отметить:

• одноэлектронные туннельные приборы (SET - Singe electron tunnelling);

• резонансные туннельные диоды (RTD - Resonant tunnelling diodes);

• квантовые приборы быстрого единичного разряда (RSFQ - Rapid Single Flux Qllantum).

Перспективная структура элементной базы СБИС проигрывает по комплексным показателям применимости уже существующей стандартной КМОП-структуре. Принимая во внимание необходимость развития нового мощного технологического базиса для организации массового производства СБИС, в будущем в случае перехода на новую элементную базу и учитывая те колоссальные средства, которые человечество вложило в субмикронные технологии (по действующим оценкам эта сумма превышает 3 трлн. долл.), можно сделать самый главный вывод перспектив технологического развития - человечество в ХХI веке и далее будет развивать электронику в рамках технологий КМОП-структур с увеличением функциональной сложности выпускаемых приборов и все более узкой специализацией разрабатываемых СБИС.

RSFQ-технология - единственная из известных, сочетающая высокое быстродействие при рассеиваемой мощности менее 1 мкВт/затвор. Однако стоимость и размеры систем охлаждения ограничивают разработку и широкое использование таких приборов.

Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Теоретические оценки показывают, что устройства молекулярной электроники будут превосходить ожидаемые кремниевые аналоги по плотности элементов и рассеиваемой мощности, но уступать им по быстродействию. К сожалению, сегодня имеется слишком мало экспериментальных результатов для серьезных оценок. наноматериал микроэлектроника авиастроение

Хотя одноэлектронные транзисторы давно привлекают внимание исследователей, они не могут составить конкуренцию КМОП-приборам в схемах большой интеграции из-за недопустимого разброса параметров, необходимости низких (< 77 К) температур, специальной архитектуры. В то же время эти приборы уже находят свою нишу как превосходные сенсоры.

Резонансно-туннельные и гетероструктурные приборы уже прочно завоевали нишу сверхбыстрых переключателей, смесителей, цифровых сигнальных процессоров, АЦП и ЦАП, т.е. области, где соотношение стоимость/функция не является определяющим. Но для использования резонансно-туннельных диодов в схемах большой интеграции (по мнению большинства специалистов) требуются еще значительные усилия.

В последние несколько лет все большее внимание уделяется вакуумной наноэлектронике, использующей автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок. Вначале усилия были направлены на их применение в плоских экранах, однако теперь появились сообщения об их использовании в наноприборах - аналогах вакуумных ламп. При этом разработана планарная конструкция, позволяющая реализовать большую степень интеграции. Оценки показывают, что при нормах проектирования 20 нм плотность элементов в ЗУ может достигать 10¹⁰ … 10¹¹ см^-2. Большое быстродействие (до десятков гигагерц), широкий диапазон температур (> 300°С) и ожидаемая высокая стойкость к спецвоздействиям открывают широкую дорогу этим приборам для двойного применения.

Резкое повышение чувствительности сенсоров связывается с использованием квантовых (резонансных) явлений в нанообъектах, высокой поверхностной чувствительностью наноструктурированных материалов. При этом предполагается уменьшение габаритов датчиков и увеличение степени их интеллектуализации.

Серьезные усилия будут направлены на создание плоских и гибких экранов повышенной яркости любых размеров и конфигураций - проекционных экранов, табло, дисплеев, очков-экранов. При этом предполагается существенное снижение потребляемой мощности. Наиболее перспективные направления - лазерные и светодиодные матрицы для проекционных экранов и автоэмиссионные катоды на основе углеродных нанотрубок для плоских экранов любой сложности.

Наиболее впечатляющих результатов в последнее время добилась фирма Motorola, которой удалось создать плоский дисплей с использованием нанотрубок в качестве электродов. Для отображения цвета использованы привычные телевизионные люминофоры, что обеспечивает достаточную яркость и насыщенность цвета. По скорости отклика, углу обзора, сроку службы, диапазону рабочих температур, геометрическим характеристикам прототип (5-дюймовый фрагмент с разрешением 1280х 720 элементов изображения толщиной ~ 3 мм) не уступает дисплеям на базе ЭЛТ.

Новая технология получила название Nano Emissive Display (NED) - наноэмиттирующий дисплей. Предполагается, что стоимость 40-дюймовой NЕD-панели не превысит 400 долл.

Развитие автономных, электромеханических систем связано с проблемой энергопотребления, поэтому необходима разработка новых принципов источников питания, в частности химических.

Особо следует подчеркнуть, что наблюдаемая широкая волна открытий все новых эффектов в наноструктурах вызывает эйфорию не только у ученых, но даже у военных, которые готовы видеть в наноэлектронике и микромеханике техническое будущее человечества и соответственно создание на их основе сверхсистем военного и информационного обеспечения.

Надо помнить, что действующие на атомарном и молекулярном уровнях (наноуровень) природные биологические структуры защищены от внешнего воздействия макросистемами организма, осуществляющих контроль и восстановление повреждений, обеспечивающих энергетическую подпитку функционирования.

Можно ожидать, что в ближайшем будущем (2020 … 2030 гг.) появятся гибридные системы микроэлектроники, нанотехнологии и микромеханики, способные к выполнению определенных экстремальных функций, но вопрос их надежного функционирования при определенных видах внешнего воздействия остается открытым.

В качестве такого комплексного использования биологии, электроники и микромеханики можно привести разработку (Калифорнийский университет, Лос-Анджелес) первого в мире робота, который в качестве "двигателя" использует живую сердечную мышцу. Кибернетический организм, если его, конечно, можно так назвать, по толщине вдвое тоньше человеческого волоса, его диаметр составляет всего-навсего 50 микронов. Тем не менее, робот способен самостоятельно передвигаться, развивая при этом скорость до сорока микронов в секунду.

Фактически наноробот представляет собой кремниевую дугу, соединенную с пульсирующей сердечной мышцей. Сокращаясь и расслабляясь, мышца заставляет сгибаться и разгибаться концы кремниевой пластины, за счет чего и обеспечивается поступательное перемещение. Со стороны "походка" робота напоминает движения гусеницы, хотя рассмотреть творение американских исследователей можно только лишь под микроскопом. Следует также заметить, что сам мускул черпает энергию из питательного раствора на основе глюкозы, которая теоретически может собираться с любой биологической поверхности, по которой ползет кремниевый "организм".

Предполагается, что в будущем миниатюрные роботы на основе сердечной мышцы будут использоваться для создания крошечных стимуляторов нервов.

Такие стимуляторы могли бы помочь парализованным людям, не способным дышать самостоятельно. Специалисты NASA рассчитывают использовать подобные роботы для "латания" трещин, оставленных микрометеоритами на обшивке шаттлов.

С точки зрения военного ведомства национальной безопасности США нанотехнология будет играть определяющую роль в военном доминировании государств, в первую очередь за счет снижения стоимости и трудоемкости производства средств ведения войны, при одновременном уменьшении вероятности потерь личного состава. С точки зрения военных применений нанотехнология должна обеспечить повышенное быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств и снижение времени считывания, снижение массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации. Это должно обеспечить почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию, улучшенные виртуальные тренажерные средства для личного состава. Наносенсоры обеспечат индивидуальную защиту личного состава войск за счет раннего и точного обнаружения химических и биологических средств поражения, а также значительно улучшат характеристики средств обнаружения и наведения.

Вооружение (военные платформы) будут обеспечены новыми качествами за счет использования наноматериалов, которые характеризуются более низкой себестоимостью, отношением массы к прочности и предельно низкой обнаруживаемостью в мультиспектральном диапазоне.

Ярким примером тенденции замены традиционных материалов на нанокомпозиты может служить замена традиционного алюминия в боевой авиации НАТО на титановые и углеродные материалы (нанокомпозиты). Так, в конструкции истребителя F-22 содержание углеродных композитов достигает 19%, а в разрабатываемом V-22 их содержание в общей массе составит не менее 33%.

Существенная роль в авиакосмической отрасли отводится использованию новых керамических материалов, созданных на основе нанопорошков. В первую очередь - это высокотемпературные детали газотурбинных двигателей, обладающие повышенной прочностью и не подверженные коррозии, что как минимум удваивает жизненный цикл двигателей.

Добавки наноалюминия в ракетное твердое топливо позволяет увеличить скорость его горения в 15 раз по сравнению со стандартными алюминиевыми добавками, что обеспечивает увеличение мощности двигателя и стабилизирует процесс горения.

В качестве реального примера применения нанотехнологий в металлургии можно привести данные по созданию нанокристаллического никеля и его сплавов для формирования защитного покрытия внутренней поверхности труб парогенераторов атомных электростанций в условиях высоких тепловых и потоковых нагрузок.

Особые перспективы в практическом использовании нанотехнологий связывают с использованием углеродных нанотрубок, прочностные, поверхностные и электрофизические свойства которых не имеют аналогов.

Основная технологическая проблема применения нанотрубок состоит в возможности получения их неограниченной длины. Нанотрубка представляет собой свернутую в трубку однослойную полоску из углеродных атомов, образующих шестигранную сетку ковалентных связей. При наличии дефектов (поворот одной ковалентной связи на 90°) образуются два пятиугольника и два семиугольника, что ослабляет структуру и снижает прочность. Конечно, прочностные характеристики углеродных нанотрубок (считается, что прочность трубок в десятки раз превосходит все известные материалы) являются чрезвычайно привлекательной характеристикой с момента их открытия в 1991 году.

Основные надежды применения нанотрубок в изделиях массового потребления исследователи связывают с возможностью создания сверхвысокопрочных и сверхлегких волокон и тканей.

3. Развитие наноматериалов и нанотехнологий в России

Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30 марта 2002 г. Президентом Российской Федерации "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

В основе такого подхода лежат:

• использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;

• ряд выдающихся открытий последних лет в области физики низкоразмерных систем и структур (целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла, квазичастицы с дробным зарядом и др.);

• разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства на основе эффекта гигантского магнитосопротивления);

• появление и развитие новых технологических приемов (приемы и методы, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

• методы, основанные на зондовой микроскопии и технике сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения; фемтосекундные методы);

• создание новых материалов с необычными свойствами (фуллерены, нанотрубки, нанокерамика) и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками.

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

Заключение

Разработка и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.

Список литературы

1. Слепцов В.В. Наноматериалы и нанотехнологии. Курс лекций

2. works.doklad.ru (дата обращения 11.12.17)

3. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии (А.И. Гусев)

Размещено на Allbest.ru