Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Наноструктуры и наноматериалы

2. Инструменты нанотехнологий

3. Классификация наноструктур

4. История исследования наноструктур

5. Применение наноструктур

6. Наноструктуры как искусство

Заключение

Список литературы

Введение

Нанотехноломгия -- это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Если выражаться более просто, то это технологии манипулирования веществом на уровне отдельных атомов и молекул с целью получения продуктов с заданной структурой.

Нанотехнологии подразумевают работу с веществами, размеры которых находятся в диапазоне примерно от 0,1 до 100 нм. В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) - это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК - около 2 нм. Для сравнения: диаметр эритроцитов - 7000 нм, а толщина человеческого волоса - 80 000 нм. Также можно провести более грубое, но соизмеримое сравнение: Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли.

Основными объектами исследования нанотехнологий являются структуры, такие как, например:

- наночастицы, нанопорошки;

- нанотрубки, нановолокна;

- нанопленки.

Они характеризуются тем, что часть их размеров находится в диапазоне до 100 нм, а целесообразность их применения обусловлена тем, что при таких размерах объектов вещество обладает рядом ценных свойств, не наблюдаемых у макроколичеств того же вещества.

Также к объектам исследования нанотехнологий относятся макроскопические объекты, атомарная структура которых может контролироваться посредством манипуляций отдельными атомами.

1. Наноструктуры и наноматериалы

Одной из целей исследования нанотехнологий является создание наноструктур и наноматериалов.

Наноструктуры - это микроскопические объекты, построенные из отдельных атомов, или молекул, имеющие строго упорядоченную структуру (кристаллическую решетку особой формы). Благодаря этой особой структуре, которая не встречается в объектах естественного происхождения, такие объекты обладают уникальными характеристиками.

Выделяют следующие основные типы наноструктуры:

- нанопористые структуры;

- наночастицы;

- нанотрубки и нановолокна;

- нанодисперсии (коллоиды);

- наноструктурированные поверхности и пленки;

- нанокристаллы и нанокластеры

Особым классом наноструктур являются углеродные структуры. Углерод является уникальным строительным материалом, который лежит в основе всех органических веществ. Из чистого углерода состоят материалы с такими разными физическими свойствами, как графит и алмаз, разница между которыми обуславливается исключительно структурой кристаллической решетки. С помощью нанотехнологий оказалось возможным формировать собственные структуры из углерода, получая материалы с новыми уникальными свойствами.

2. Инструменты нанотехнологий

Для работы с объектами столь малых размеров необходимо специальное оборудование, позволяющее не только визуализировать их, но также избирательно воздействовать, в частности, перемещать атомы по поверхности.

К такого рода инструментам относятся:

- просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения;

- сканирующий электронный микроскоп;

- атомно-силовой микроскоп - он же сканирующий зондовый микроскоп;

- спектроскоп комбинационного рассеяния света;

- рентгеновская установка, способная создавать малое угловое рентгеновское рассеивание.

3. Классификация наноструктур

Н. классифицируют по их размерности, морфологии (т. е. по геометрич. форме), взаимному пространственному положению структурных элементов, из которых они состоят, и др. По размерности Н. подразделяют на нульмерные (0D) кластеры и наночастицы (нанокристаллы), одномерные (1D) волоконные, двумерные (2D) плёночные или многослойные, а также трёхмерные (3D) поликристаллич. Н., элементы которых во всех трёх направлениях имеют сравнимые размеры нанометрового масштаба.

По агрегатному состоянию Н. делятся на твердотельные, аморфные (soft Н.) и коллоидные; по фазовому составу - на одно- и многофазные; по химич. составу - на неорганические и органические, включая полимерные; по происхождению - на искусственные (синтетич.) и природные, включая биологические.

Рис. 1. Наноструктуры разной морфологии: а - наноструктура порошка карбида ванадия; б - квантовая гетероструктура GaAlAs с вертикальными поверхностями из смешанного оксида галлия и алюмини...

Морфология Н. зависит от их состава, кристаллич. структуры и способа получения. Существующие методы синтеза позволяют получать Н. с элементами сферич., стержневой, трубчатой, игольчатой и др. форм. Так, напр., Н. порошка карбида ванадия являются совокупностью поликристаллов в форме искривлённых лепестков - дисков диаметром 400-500 нм и толщиной 15-20 нм (рис. 1, а); в квантовой гетероструктуре GaAlAsGaAlAs смешанный оксид галлия и алюминия представляет собой вертикальные поверхности выс. 15-16 нм (рис. 1, б); нановискеры оксида ванадия V3O7V3O7 имеют диаметр 70-80 нм (рис. 1, в); нитридное плёночное покрытие образовано наностержнями TiN-ZrNTiN-ZrN диаметром ок. 100 нм (рис. 1, г); аэрогель из оксида алюминия состоит из волокон диаметром 5-20 нм с расстоянием между волокнами от 10 до 400 нм (рис. 1, д); медная щётка образована нанопроволоками диаметром 100-200 нм на медной подложке (рис. 1, е).

Рис. 2. Наноструктура в виде сетки из двойных спиралей ДНК: а - первичный элемент наноструктуры, состоящий из четырёх ветвей; б - двумерная ДНК-наносетка, образующаяся в результате самосбо...

Морфология Н., построенных на основе органич. молекул, практически безгранична. Так, используя в качестве элементов самособирающиеся двойные спирали ДНК, можно создавать трёхмерные Н. (рис. 2).

Рис. 3. Типы полупроводниковых наноструктур: а - квантовая точка селенида кадмия CdSe; б - квантовые проволоки из окисленных медных волокон толщиной 2-4 нм на поверхности молибдена; ...

Полупроводниковые нульмерные, одномерные и двумерные Н. называют квантовыми точками, квантовыми проволоками и квантовыми ямами(стенками) соответственно (рис. 3). Определение «квантовые» означает, что в этих Н. вследствие эффектов размерного квантования (см. Размерные эффекты) электронный энергетич. спектр расщепляется и меняется от непрерывного к дискретному, позволяя управлять фундам. параметрами полупроводников (шириной запрещённой зоны, эффективной массой и подвижностью носителей заряда). Предельный случай размерного квантования достигается в квантовой точке - частице вещества (материала) с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно 1-10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за её пределами, благодаря чему движение электрона ограничено во всех трёх измерениях.

В состав полупроводниковых гетеронаноструктур (см. Гетероструктура) входят химич. элементы II-VI групп (Zn,Cd,Hg,Al,Ga,In,Si,Ge,P,As,Sb,S,Se,TeZn,Cd,Hg,Al,Ga,In,Si,Ge,P,As,Sb,S,Se,Te), соединения AIIIBVAIIIBV и их твёрдые растворы, а также соединения AIIBVIAIIBVI. Из соединений AIIIBVAIIIBVнаиболее часто используются GaAsGaAs и GaNGaN, из твёрдых растворов - AlxGa1-xAsAlxGa1-xAs. Использование твёрдых растворов позволяет создавать гетеронаноструктуры с непрерывным изменением состава и, соответственно, с непрерывным изменением ширины запрещённой зоны.

Рис. 4. Спонтанно упорядоченные наноструктуры с периодом D: a - структуры с периодической модуляцией состава твёрдого раствора A1-xBxC от x1 до x2; б - периодически фасетированные поверхно...

Среди твердотельных (особенно полупроводниковых) Н. наибольший интерес представляют спонтанно упорядоченные Н., которые самопроизвольно возникают на поверхности твёрдых тел и в эпитаксиальных плёнках. Они делятся на 4 группы: структуры с периодич. модуляцией состава в эпитаксиальных плёнках твёрдых растворов (рис. 4, а); периодически фасетированные поверхности (рис. 4, б); периодич. структуры плоских доменов, напр. островков монослойной высоты (рис. 4, в); упорядоченные массивы трёхмерных когерентно напряжённых островков в гетероэпитаксиальных системах (рис. 4, г).

Рис. 5. Углеродные наноструктуры: а - кристаллический фуллерен C60 (фуллерит); б - молекула фуллерена C60 диаметром 0,75 нм; в - многослойные углеродные нанотрубки с наибольшим диаме...

Особое место среди твердотельных Н. принадлежит углеродным Н. - графену, углеродным нанотрубкам и фуллеренам. Их строение связано со слоистой структурой графита, в плоских сетках которого атомы углерода объединены прочными ковалентными связями в правильные шестиугольники, а соседние углеродные плоскости связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами (см. Межмолекулярные взаимодействия). Первая экспериментально обнаруженная в 1985 углеродная Н. - фуллерен C60C60 - сферическая аллотропная форма углерода; кристаллич. формой фуллеренов является фуллерит (рис. 5, а, б). Углеродная нанотрубка - полая квазиодномерная структура диаметром от 5 до 100 нм и длиной до нескольких мкм (рис. 5, в), образованная атомами углерода, обнаружена и описана в 1991 япон. учёным С. Ииджимой как побочный продукт синтеза фуллерена C60C60. Графен (двумерная аллотропная модификация углерода) - слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых посредством sp2sp2-связей в гексагональную двумерную кристаллич. решётку (рис. 5, г). Графен можно представить как одну плоскость графита, отделённую от кристалла, а углеродную нанотрубку - как свёрнутую в цилиндр графеновую плоскость.

Существуют магнитные Н. - многослойные плёнки из чередующихся тонких слоёв ферромагнитного и немагнитного металлов или гранулированные плёнки с металлич. наночастицами в неметаллич. изолирующей матрице. Напр., в магнитной Н. Co-Ni-Cu/CuCo-Ni-Cu/Cu чередуются ферромагнитный слой Co-Ni-CuCo-Ni-Cu и немагнитный слой CuCu. Слои имеют толщину порядка длины свободного пробега электрона (неск. нанометров или десятков нанометров). Наличие дополнит. степени свободы (магнитного момента) обусловливает разнообразие свойств магнитных Н. и позволяет управлять их состоянием с помощью внешнего магнитного поля.

4. История исследования наноструктур

Исследования Н. начались независимо в 1970-80-х гг. в материаловедении и в физике тонкослойных полупроводниковых гетероструктур. Впервые концепцию Н. твёрдого тела в 1982-84 предложил, а затем сформулировал нем. материаловед Г. Гляйтер.

Квантовые точки в виде микрокристаллов CuClCuCl, диспергированных в силикатном стекле, открыты в 1982 рос. учёными А. И. Екимовым и А.А. Онущенко; объяснение наблюдаемых в них эффектов размерного квантования дано рос. учёными Ал. Л. и А. Л. Эфросами. Независимо квантовые точки в коллоидных растворах сульфида свинца обнаружил амер. химик Л. Ю. Брюс в 1984-85. Термин «quantum dot» («квантовая точка») впервые предложил амер. физик М. Рид с соавторами в 1988.

С 1992 разл. методами получают неуглеродные нанотрубки на основе сульфидов, оксидов, нитридов и др. неорганич. соединений. В 1996 Х. Крото, Р. Кёрлу и Р. Смолли за открытие фуллеренов присуждена Нобелевская пр. по химии; в 2010 за передовые опыты с графеном А. К. Гейму и К. С. Новосёлову присуждена Нобелевская пр. по физике.

Малые атомные агрегации (кластеры, изолированные наночастицы) - промежуточное звено между изолированными атомами и молекулами, с одной стороны, и массивным (объёмным) твёрдым телом - с другой. Переход от свойств изолированных наночастиц к свойствам объёмных (массивных) кристаллич. веществ в течение мн. десятилетий оставался неизученным, т. к. отсутствовало промежуточное звено - компактное твёрдое тело с зёрнами (кристаллитами) нанометрового размера. Лишь в 1980-х гг., когда появились методы получения компактных Н., началось интенсивное исследование этой проблемы. Однако вопрос о том, как быстро нарастает и на каком этапе объединения атомов завершается формирование того или иного свойства массивного кристалла, до сих пор не решён. Не вполне ясно, каковы и как могут быть разделены вклады поверхностных (связанных с границами раздела) и объёмных (связанных с размером частиц) эффектов в свойства наноструктуриров. материалов.

5. Применение наноструктур

Наиболее широко Н. используются в электронной технике и в катализе на малых частицах. Применение полупроводниковых гетеронаноструктур обеспечивает миниатюризацию электронных устройств с выходом на наноразмерные элементы для создания процессоров нового поколения. Размер существующих транзисторов достиг предельной миним. величины, доступной для совр. техники, и дальнейшее уменьшение может быть достигнуто только при использовании Н. и нанотехнологий. Квантовые ямы и точки успешно применяются для создания лазеров. Разветвлённые углеродные нанотрубки могут работать в электронике как транзисторы и их элементы. Графен в перспективе может заменить кремний в интегральных микросхемах; благодаря высокой подвижности носителей заряда он может использоваться в электронике как проводящий материал, применяться в произ-ве сенсорных экранов и жидкокристаллич. дисплеев. Магнитные Н. могут использоваться как детекторы магнитного поля.

6. Наноструктуры как искусство

Наноструктуры предлагают возможность инженерам творить технические чудеса, а также создавать потрясающие произведения искусства. Музеи всего мира обладают экземплярами, относящимися именно к этому жанру. С помощью сканирующего электронного микроскопа и фотографий, художник Кристиан Орфеску (Christian Orfescu) создает абстрактные пейзажи. Он называет свою работу "наноискусством" и занимается организацией ежегодных конкурсов для других художников, работающих с наноструктурами.

"Наноискусство" также используется для преодоления границ между наукой и искусством. В Кембриджском университете наноструктурные фотографии демонстрируют "комплекс кристаллических и аморфных материалов", что, в свою очередь, может привести к созданию нового вида материала. Этот новый объект в будущем можно будет использовать при создании приложений к электронным и фотоническим устройствам.

Заключение

Появление нанотехнологий породило множество серьезных проблем и в первую очередь проблем безопасности их применения. В случае наномедицины это применение нанопрепаратов, требующих уникальных методов оценки риска, учитывая новизну и разнообразие продуктов, высокую подвижность и реакционную способность проектируемых наночастиц.

Кроме очевидных потенциальных рисков для пациентов, есть другие токсикологические риски, связанные с наномедициной. Существуют проблемы по утилизации наноотходов и загрязнению окружающей среды в результате производства наномедицинских препаратов и материалов. Все это также может негативным образом сказаться на здоровье человека. Пока существуют единичные исследования токсичности нанопродукции, доказывающих крайне негативное влияние некоторых из них на живые организмы. Так при исследовании токсичности фуллеренов на «водяных блохах» - дафниях, при определенной концентрации была зафиксирована их высокая смертность. А при проведении этого исследования на окунях было обнаружено серьёзное повреждение мембран нейронов. В случае испытания их на клетках человека «выращиваемых» в лабораторных условиях также были отмечены повреждения клеточных мембран. Конечно же, не все наноматериалы обладают такими же вредными для живых существ свойствами. Их "поведение" зависит и от размера, и от формы.

Также возникает ряд этических проблем. Вопрос информированного согласия участников клинических испытаний. «Согласие, возможно, не слишком трудно получить, но когда пациент сможет получить полную информацию? И когда это будет независимо?» Ведь согласие на основе полной информации требует, чтобы информация была понята. Как возможно дать информацию о последствиях в быстро развивающейся области исследований и сделать реалистическую оценку риска ввиду множества неизвестных факторов и сложности их оценки?

В случае с проверкой ДНК на наличие генов-носителей тяжелых врожденных заболеваний, которая станет намного легче, быстрее, точнее и доступнее, создается проблема аборта дефектных зародышей перед большим количеством людей. На данный момент все эти вопросы являются очень актуальными и дескутабельными и будут таковыми еще очень долгое время.

нанотехнология наноструктура инструменты

Список литературы

1. www.antiparazit.ru

2. www.Gazeta.ru

3. www.pxty.ru

4. www.Nanotechweb.ru

5. www.Nanowerk.ru

6. http://www.nanometer.ru

7. http://www.inauka.ru/science/article60958.html

8. http://www.mikroskopia.ru/info/26.html

9. http://www.nanoware.ru/mednews/p2_articleid/84

10. http://www.nanojournal.ru/events.aspx?cat_id=227&d_no=450

Размещено на Allbest.ru