НАНОТЕХНОЛОГИИНАНОТЕХНОЛОГИИСОСТОЯНИЕ, НАПРАВЛЕНИЯ И СОСТОЯНИЕ, НАПРАВЛЕНИЯ И

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

О ОНЭКСИМ группаО

СОДЕРЖАНИЕСОДЕРЖАНИЕ

I.I. Что такое нанотехнологииЧто такое нанотехнологии

II. II. Перспективы нанотехнологий в России: Перспективы нанотехнологий в России:

1. Проблемы Российской науки1. Проблемы Российской науки 2. Принципы развития и текущее состояние нано-2. Принципы развития и текущее состояние нано-технологийтехнологий 3. Основные направления исследований и разра-боток 3. Основные направления исследований и разра-боток в области нанотехнологийв области нанотехнологий

4. Основные направления исследований и разра-боток 4. Основные направления исследований и разра-боток в области нанотехнологийв области нанотехнологий

III. III. Приложение. Национальная нанотехнологи-Приложение. Национальная нанотехнологи-ческая инициатива СШАческая инициатива США

О ОНЭКСИМ группаО

Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых – порядка миллиардных долей метра (10-9м).

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, вследствие чего, обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

0,1 нм

1 нанометр (нм)

0,01 μм10 нм

0,01 мм 10 μм

1000 нанометр =1 микрометр

0,1 мм 100 μм

1 000 000 нанометров =

1 миллиметр (мм)

1 см 10 мм

0,1 μм100 нм

На

но

ми

р

Ми

кро

ми

рС

ВЧ

10-9 м

10-10 м

10-8 м

10-7 м

10-6 м

10-5 м

10-4 м

10-3 м

10-2 м

Булавочная головка1-2 мм

Микроэлектромеха-нический мир~10-100 μм

Размер наружного кольца ~35 нм

Пыльца

Красные кровяные клетки

Наноэлектрод

Железо Медь

Нанотран-зистор

Углеродная нанотрубка

НАНОМИР И НАНОСТРУКТУРЫ

Один нанометр – это магическая точка на шкале размеров

ИНСТРУМЕНТАРИЙ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

НАНОТЕХНОЛОГИИ СТАЛИ ВОСТРЕБОВАНЫ ПОСЛЕ ТОГО, КАК ПОЯВИЛИСЬ ИНСТРУМЕНТЫ, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ ВИДЕТЬ, ИЗМЕРЯТЬ И МАНИПУЛИРОВАТЬ ВЕЩЕСТВОМ НА НАНОСКОПИЧЕСКОМ УРОВНЕ.

ОПРЕДЕЛЯЮЩУЮ РОЛЬ ДЛЯ РАЗВИТИЯ И СТАНОВЛЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ СЫГРАЛИ ДВА СОБЫТИЯ:

•СОЗДАНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА (СТМ−1981г.) И АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА (АСМ1986г.). ОНИ ПОЗВОЛИЛИ ВПЕРВЫЕ ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ АТОМОВ И МАНИПУЛИРОВАТЬ АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ;

•ОТКРЫТИЕ НОВОЙ ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ – ФУЛЛЕРЕНОВ И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК (1990–1991гг.).

ШИРОКО РАСПРОСТРАНЕНЫ ТАКЖЕ КРЕМНИЕВЫЕ И ДРУГИЕ НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ, КОТОРЫЕ НАЗЫВАЮТ НАНОПРОВОДАМИ.

Молекула фуллерена -С60Углеродные нанотрубки

Принципиально новые углеродные соединения – фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах, были открыты в 1985 году.

В 1991 году были открыты углеродные нанотрубки – макромолекулы, представляющие собой полые цилиндрические структуры длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Были получены нанотрубки разной геометрии – как однослойные (одностенные), так и многослойные (многостенные).

В 2004 году появился еще один принципиально новый класс наноматериалов – сверхтонкие углеродные пленки – графены.

ФУЛЛЕРЕНЫ И УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Графен – слой атомов углерода, соединенных в шестигранную кристаллическую решетку и представляющих собой графеновую пленку толщиной всего в один атом углерода.

Однослойные углеродные нанотрубки – только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная будет базироваться на графене.

К настоящему времени установилась следующая классификация наноматериалов:нанопористые структуры (терморасширенный графит, наноструктурированный

углерод, цианиты);наночастицы (частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из 102-106 атомов);нанотрубки и нановолокна (цилиндрические образования углеродных атомов

диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной несколько мкм);нанодисперсии (коллоиды, взвесь частиц размером от 1 до 1000 нм в органических или

неорганических жидкостях);наноструктурированные поверхности и пленки (плоские наноструктуры толщиной в

один или несколько атомов);нанокристаллы и нанокластеры (частицы упорядоченной структуры размером от 1 до 5

нм, содержащие до 1000 атомов).

НАНОМАТЕРИАЛЫ

20

40

60

80

100

0

120

20 40 60 80 100

Ск

орос

ть г

орен

ия

мм

/сек

Содержание, %

140

160

обычный алюминий

с добавлением нано-порошка алюминия с размером зерен

менее 100 нм

НАНО-АЛЮМИНИЙ В РАКЕТНОМ ТОПЛИВЕ

Порошок АI с размером зерен менее 100 нм

Важнейшим направлением в нанотехнологии является постоянное совершенствование методов нанопроизводства (Наноструктура, которую нельзя построить, не слишком полезна).

В нанотехнологиях применяются два принципиально разных подхода к обработке вещества и созданию наноизделий и наноструктур: технологии «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up).

Подход «сверху-вниз», т.е. обработка вещества с последовательным уменьшением размеров до требуемых (нанометровых) размеров. Наноструктура создается в объемном материале, как это принято в классических технологиях интегральных схем на основе кремния (планарная технология с использованием фотолитографии, рентгенолитографии и др.)

НАНОСБОРКА

Требуемое изделие

Обрабатываемое физическое тело

Последовательная миниатюризация

Процесс формирования наноструктур по принципу «сверху-вниз» предусматривает обработку макромасштабного объекта или структуры и постепенное уменьшение их размеров, вплоть до получения изделий с нанометровыми параметрами, методами литографии и нанолитографии.

Технология «снизу-вверх» заключается в том, что при создании наноструктур набирают и выстраивают отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход также осуществляется с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций с участием углеродных нанотрубок, электропроводящих полимеров, биологических клеток и белковых структур.

НАНОСБОРКА

Зонд СТМТребуемое

изделие

Отдельный атом

ПОДХОД «СНИЗУ-ВВЕРХ» - ПОЛУЧЕНИЕ НАНОМЕТРОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЛИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДАМИ СБОРКИ НА АТОМАРНОМ УРОВНЕ ОСНОВАН НА ПРИМЕНЕНИИ

СКАНИРУЮЩИХ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ (СТМ, АСМ)

КАЖДАЯ ИЗ УКАЗАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУР ИМЕЕТ СВОИ ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ, ПОЭТОМУ ВЕДЕТСЯ АКТИВНЫЙ ПОИСК КОМПРОМИССНЫХ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИИ ЭТИХ ТЕХНОЛОГИЙ.

ВСЕ ТЕХНОЛОГИИ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ МАНИПУЛЯЦИЮ ОТДЕЛЬНЫМИ АТОМАМИ, СЛИШКОМ МЕДЛЕННЫЕ И ГРОМОЗДКИЕ, ОСОБЕННО ЕСЛИ НУЖНО СОЗДАТЬ МАССИВНУЮ СТРУКТУРУ ИЛИ ДОСТАТОЧНОЕ КОЛИЧЕСТВО ИНКАПСУЛИРОВАННОГО ЛЕКАРСТВА.

САМОЙ ВАЖНОЙ ИЗ ВСЕХ ТЕХНОЛОГИЙ НАНОПРОИЗВОДСТВА ЯВЛЯЕТСЯ САМОСБОРКА ИЗ-ЗА ЕЕ УНИВЕРСАЛЬНОСТИ, СПОСОБНОСТИ ПРОИЗВОДИТЬ СТРУКТУРЫ НА РАЗЛИЧНЫХ МАСШТАБАХ ДЛИНЫ И НИЗКОЙ СТОИМОСТИ.

ПРОБЛЕМА БОЛЬШИНСТВА ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СБОРКЕ НАНОСТРУКТУР ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ТОМ, ЧТО ОНИ ОЧЕНЬ НАПОМИНАЮТ РУЧНУЮ РАБОТУ.

НАНОСБОРКА

НАНОТЕХНОЛОГИИ ОХВАТЫВАЮТ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ШИРОКИЙ КЛАСС НАУК И ИМЕЮТ МНОГО АСПЕКТОВ РАЗВИТИЯ. ИХ МОЖНО КЛАССИФИЦИРОВАТЬ ПО НЕСКОЛЬКИМ ОЧЕНЬ РАЗНЫМ ПРИЗНАКАМ И ОСОБЕННОСТЯМ:

•ПО СТЕПЕНИ СЛОЖНОСТИ СОЗДАВАЕМЫХ СТРУКТУР;

•ПО ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К РАЗЛИЧНЫМ НАУКАМ;

•ПО МЕТОДАМ ПРОИЗВОДСТВА;

•ПО ПРЕДПОЛАГАЕМЫМ ПРИМЕНЕНИЯМ;

•ПО ВРЕМЕННОЙ ШКАЛЕ ПРОГНОЗИРУЕМОГО ВНЕДРЕНИЯ.

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПО СТЕПЕНИ СЛОЖНОСТИ НАНООБЪЕКТОВ

Класс объектов Конкретные примеры

Нанопорошки, наночастицы в растворе Краски, косметические кремы

Нанотрубки, нанопроволоки Углеродные нанотрубки

Простые слои и покрытия нанометрической толщины Алмазные пленки на разнообразных поверхностях, многослойные покрытия в молекулярной электронике, защитные покрытия, солнечные батареи

Трехмерные слоистые структуры Магнитные запоминающие устройства

Трехмерные периодические и случайные образования Кристаллизованные белки, трехмерные устройства молекулярной записи информации

Линейные цепочки Информационные молекулы ДНК и др.

Поверхностные структуры с незначительной глубиной Новейшие микроэлектронные устройства, наномеханические устройства

Многослойные покрытия, получаемые различными методиками

Поверхностные лазеры с вертикальным резонатором (VSCEL)

Развитые трехмерные структуры, не обладающие способностью к самовоспроизведению или саморепликации

Манипуляции с ДНК, биомолекулярные компьютеры, наномашины

Развитые трехмерные структуры, обладающие способностью к самовоспроизведению

Самовоспроизводящиеся нанороботы

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПО ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К РАЗЛИЧНЫМ НАУКАМ

Физика

Аналитические и механические приборы и устройства

Сканирующие зондовые микроскопы

Оптические микроскопы ближнего поля; оптические «щипцы»

Электронные, магнитные, оптические свойства наноструктур

Наномеханика

Самоорганизация структур и объектов

Химия/Материаловедение

Частицы, покрытия, пористые материалы, дендримерные молекулы, нановолокнистые композиты, структуры на основе ДНК

Электроника

Литография с использованием оптических, электронных и ионных пучков

Многослойные магнитные датчики

Запись информации с помощью механических микрозондов

Использование нанотрубок в качестве переключателей, проводников и т.п.

БиологияАнализ биомолекул и клеточных процессов. Биоминерализация. Биологические моторы и биокомпьютеры

Медицина

Получение наночастиц с нанесенными на их поверхность антигенами/антителами/участками ДНК

Использование наночастиц для оптической сигнализации о состоянии органов и тканей

Применение магнитных наночастиц для выделения и нагрева отдельных участков тканей

Преодоление иммунного барьера организма за счет переноса препаратов на наночастицах

Создание и использование ДНК-чипов

Создание биосовместимых материалов и веществ

Использование имплантантов для контроля состояния организма и дозированного ввода препаратов

Создание и применение электродов, обеспечивающих контакт с мозгом и нервной системой

ОСНОВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Оптическая литография, литография с применением электронных, ионных и атомарных пучков

Штамповка, молекулярное «впечатывание», нанолитография

Самосборка

Создание структур на поверхности при манипуляциях отдельными атомами и молекулами с использованием сканирующих зондовых микроскопов

Механосинтез (молекулярные нанотехнологии)

Получение частиц из газовой фазы (пламя, плазма)

Получение нанокомпозитов методами золь-гель

Внедрение нанотехнологий в экономику не может быть основано просто на использовании достижений фундаментальной науки. Оно должно быть связано с активным и плодотворным сотрудничеством между бизнесом, промышленностью, наукой и государством.

С целью получения максимального экономического эффекта от результатов исследований и разработок в области нанотехнологий, очень важно обеспечить своевременный их перевод в инновационную продукцию.

Среди разнообразных научно-технических достижений и перспективных идей в области нанотехнологий необходимо уже на начальной стадии исследований и разработок тщательно отобрать те, которые можно достаточно быстро внедрить в промышленное производство и продвинуть на рынок. Сделать их приоритетными и поддержать серьезными фундаментальными исследованиями.

Задача заключается не в том, чтобы построить бизнес, подходящий для нанотехнологий, а в том, чтобы создать нанотехнологии, подходящие для бизнеса.

ФОРМИРОВАНИЕ РЫНКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ