Nanomateriales: al borde de la ciencia ficción. Bashny.Net

Ese tiempo lejano, cuando nuestros antepasados ​​fueron suficientes para utilizar la simple producción de alimentos inteligentes, se ha convertido en una gran explosión en el desarrollo de tecnologías. Al principio, la gente utiliza instrumentos "listos" como palos y piedras. Luego aprendieron a convertirlos en algo más adecuado para su uso. Luego aprendió a fundir bronce, y un poco más tarde, se hizo evidente que ella no es perfecta. Ellos comenzaron a utilizar el hierro ... Desde entonces, la humanidad se ha abierto un sinnúmero de materiales diferentes, con una amplia variedad de propiedades. Hoy Materiales renacen: los científicos están desarrollando sus propios materiales de acuerdo con las características deseadas.






Nanotecnología Probablemente todos al menos una vez a la semana para escuchar la palabra. En la población en general, desde hace tiempo se ha asociado con algo entre la ciencia avanzada, la magia y la charlatanería, y los científicos seguir añadiendo mágica prefijo "nano" para obtener subvención sustancial. Vamos a entender lo que las nanotecnologías son y lo que nos puede ofrecer en un futuro próximo y lejano.



En primer lugar, un nanómetro (nm) - es la milmillonésima parte de un metro. Varios hechos al sentido escala: cerdas que crecen a un ritmo de 5 nm por segundo, el diámetro de la doble hélice de ADN es de alrededor de 2 nm, y el espesor de un cabello humano - entre 20 y 150 nm 000 dependiendo del color. Al mismo tiempo el diámetro del átomo de helio, - 0, 1 nm. Por lo tanto, la nanotecnología se entiende por la creación y manipulación de estructuras polivalentes cuyas dimensiones en al menos una dimensión (largo, ancho o espesor) son menos de 100 nm.
El hecho de que las propiedades de la materia que constan de tales partículas son significativamente diferentes del mismo material de una manera más familiar para nosotros forma (compacto). A medida que nos acercamos a la escala atómica es mucho mayor de materiales de área superficial (superficie total dividida por la masa). Fuerte papel de los efectos de la mecánica cuántica. A menudo determinan nuevas propiedades sorprendentes ya menudo inesperadas de materiales nanoestructurados.
Por ejemplo: en la nanoescala aumenta significativamente la capacidad de los agentes para entrar en las reacciones químicas. En la vida cotidiana, de aluminio - metal inerte en papel a partir del cual se puede hornear fácilmente la carne en el horno. Sin embargo, las nanopartículas de aluminio se añaden como catalizador para el combustible de cohete sólido, que aumenta en gran medida la producción de calor y la eficiencia.
También cambiar significativamente las propiedades ópticas de sustancias. Por ejemplo, poco notable en el semiconductor macrocosmos - seleniuro de cadmio - en los colores de fluorescencia nanoescala del arco iris, el color depende sólo el diámetro de partícula. Esta propiedad de las nanopartículas fluorescentes (los llamados puntos cuánticos) de largo se han utilizado en los láseres y la biología, pero también tiene una buena oportunidad de encontrar aplicación en la fabricación de pantallas de color y flexible en el diagnóstico médico.



Usted no debe asumir que la nanotecnología - es algo artificial, inventado por el hombre. De hecho, muchas de las ideas tomadas de la naturaleza. Por ejemplo, hace poco, los científicos del Instituto de Tecnología de California, dirigido por el profesor Greer construidos de material de alta resistencia, que consiste en "nanobalok" nitruro de titanio. ¿Cómo hay que conectar los elementos estructurales, los investigadores reunieron en esponjas marinas. El nanolattices resultantes 85% se compone de aire, pero muchas veces la resistencia del material de origen. Y con ella seguramente cumplido: que ha sido utilizado como un recubrimiento resistente al calor de piezas de acero, así como ... para la fabricación de prótesis dentales y cúpulas de color de iglesias ortodoxas, como en la vida cotidiana es como el oro.

Hojas de loto y muchas otras plantas tropicales apenas a retener el agua en su superficie. Los nanomateriales que imitan la estructura de la superficie de la hoja, ahora se venden como un superhidrofóbica (repelente al agua) y superoleofobnogo (aceite repelente) de recubrimiento.


Conocer el principio inicial, es posible desarrollar un revestimiento con una propiedades totalmente opuestas - superhidrófilo. Tales materiales pueden ser utilizados para la fabricación de un filtro de membrana para la purificación de aguas profundas. En nuestros cuerpos desempeñar su papel proteínas acuaporinas en grandes cantidades contenidas en los túbulos renales.
La producción de nanomateriales
Naturalmente, no importa cuán maravillosas propiedades de los nanomateriales pueden ser el criterio principal de su aplicación masiva es la producción de bajo costo. Por lo general, los científicos de laboratorio tienen que lidiar con muestras pequeñas. Por lo tanto, el nitruro de titanio nanoestructurado descrito anteriormente se obtuvo en forma de un cubo con el borde de 1 mm. Eso es suficiente para medir su desempeño, pero usted estará de acuerdo - para hablar de la producción industrial es todavía demasiado pronto
. Actualmente, los científicos utilizan dos enfoques principales para la preparación de materiales nanoestructurados: el desarrollo de "abajo hacia arriba" y "arriba hacia abajo". Como puede imaginar, la primera consiste en el montaje de los nanomateriales de átomos individuales, y la segunda, por el contrario, a partir de la fragmentación de los agregados más grandes.

Ambos enfoques tienen sus inconvenientes. Si en el caso del desarrollo de "abajo hacia arriba" el problema principal es la organización de las partículas desordenadas obtenido, el enfoque de "arriba hacia abajo" proporciona alta precisión, pero muy laborioso. Por lo tanto, en la actualidad un gran número de atención científica está dirigido al estudio de la auto-organización controlada de nanopartículas. Particularmente altas expectativas asociadas con el desarrollo de los principios de auto-organización sin fines de equilibrio. Pero no es nada como el principio de los organismos vivos. Hay que reconocer que en la creación de nanoestructuras y nanomáquinas naturaleza es todavía muy por delante de nosotros.

Éstos son algunos de los últimos logros de los nanomateriales que puede, en pocos años nuestro mundo va a cambiar más allá del reconocimiento.




Grafeno Esta sustancia, por el descubrimiento de que se le dio el Premio Nobel de Física en 2010, es un verdadero campeón en el número de artículos científicos publicados al respecto. Y con razón: gama de propiedades únicas y aplicaciones del grafeno es increíble. Esto a pesar del hecho de que usted puede conseguir el material con sólo un pedazo de grafito y scotch efectos de escritorio! Algunos optimistas creen ahora que el siglo XXI será el siglo de grafeno. ¿Qué tiene de especial?



En primer lugar, a diferencia de todas las cosas que nos rodean, el grafeno - Material dimensional. Esencialmente este plano, que consiste en átomos de carbono que forman los hexágonos en células de abejas. Por lo tanto, el gráfico tiene una muy alta superficie específica -. Ella misma es sólo la superficie



Al igual que su progenitor de una de tres dimensiones (grafito), grafito - un buen conductor. En este bidimensional debido a su resistividad a temperatura ambiente es inferior a la de la plata, y la conductividad térmica es 10 veces mayor que el cobre. Huelga decir que los transistores basados ​​en el grafeno es mucho más rápido que el silicio? Y todo esto a pesar del hecho de que el material es transparente y flexible.
El grafeno también tiene unas propiedades mecánicas únicas: es más firme y más fuerte que un diamante, pero se puede extender más de un cuarto de su longitud. Así, de acuerdo a los ganadores del Premio Nobel en 2010, zona de hamacas grafeno en metros cuadrados capaces de soportar el peso de 4 libras gato, y mientras él pesaría menos de un miligramo - como bigotes de gato.



La orejuela todas las propiedades únicas de grafeno pueden ser también controlados, por ejemplo mediante el uso de un campo magnético de diferentes sustratos o mediante la creación de materiales compuestos. Y si lo haces agujeros nanómetros, el grafeno se puede hacer filtros eficaces para la desalinización!

A diferencia de muchos otros nanomateriales producción en masa de grafeno es relativamente barato y ha desarrollado activamente por los principales fabricantes de productos electrónicos.



Aislantes topológicos
Este material es un aislante en el interior, pero con los átomos en la superficie, en la que los electrones pueden estar cerca de la banda de conducción. Por lo tanto, el movimiento de los electrones en un aislantes topológicos sólo puede estar en la superficie. Como consecuencia, existe una resistencia a un mínimo, y el electrón puede acelerar fácilmente a cerca de la velocidad de la luz sin retrodispersión y el calentamiento de la capa conductora.
La posibilidad teórica de su existencia fue predicha en 2007, y pronto se obtuvieron materiales con propiedades deseadas de teluro de bismuto y seleniuro.
Debido a sus propiedades de aislantes topológicos pueden en el futuro cercano convertido en un sustituto de los semiconductores. Una ventaja adicional sobre sus semiconductores es baja sensibilidad a las impurezas. Por otra parte, en el hecho de que ambos son conductores y aislantes poseen.
Otra característica notable de estos materiales es que el giro (momento magnético) de los electrones en la capa superficial de un quantum-mecánicamente conectado a su pulso. Hasta ahora, a nivel atómico de la física podrían manipular únicos campos eléctricos (no magnéticos). La creación de aislantes topológicos nos permite esperar que en breve esta brecha tecnológica será eliminado y se abrirá el camino a una nueva clase de dispositivos basados ​​en "espintrónica" (por analogía con la electrónica). Y este es un camino directo a la creación de ordenadores cuánticos que pueden realizar los cálculos para los que las supercomputadoras modernas tomarían una cantidad astronómica de tiempo.



Los memristores
Hace más de 40 años, el físico chino Leon Chua, teóricamente, predijo la existencia de los "desaparecidos" cuarto elemento básico del circuito eléctrico que conecta la carga eléctrica y flujo magnético. Además de las resistencias bien conocidos (tensión y corriente), condensadores de conexión (tensión y de carga) y una inductancia (flujo de corriente y magnético), que describió las propiedades de elemento hipotético - el memristor.



En 2008, un grupo de científicos de Hewlett-Packard informó en la revista Nature en el primer dispositivo real de este tipo. Consistía en nanopelículas (50 nm) de óxido de titanio intercalado entre titanio y platino electrodos (cada 5 nm de espesor). Una característica única del dispositivo es su capacidad de cambiar su propia resistencia y por lo tanto almacenar información, y el tamaño (2010 ingenieros de HP los han traído a la 3 × 3 nm) y la velocidad (1 GHz) dejar en claro su enorme potencial.
A finales de 2013 la empresa planea comenzar la producción en serie de los primeros dispositivos de memoria basados ​​en memristor, que pronto serán reemplazados son llamados "voluminosos» flash, SSD y así sucesivamente. D.

En cuanto al valor científico del memristor, su descubrimiento tiene el potencial de hacer una revolución en la neurociencia. El hecho de que los dispositivos de circuito lo suficientemente simples recogidas comportan como neuronas humanas. Los primeros experimentos han demostrado que tales circuitos son capaces de "recordar" y la información "olvidar", el aprendizaje se lleva a cabo en el mismo principio en el que las células que trabajan en nuestro cerebro. El valor de esta propiedad para el desarrollo de la inteligencia artificial es evidente.



Los metamateriales
Para crear algo nuevo - en la naturaleza humana. Si hay algo que no existe por sí mismo, entonces ¿por qué no hacerlo. Los metamateriales - Es completamente dispositivos artificiales, tiene propiedades que son de naturaleza simplemente no lo hace. Consisten en nanoelementos ordenados tales como circuitos nanoelectrónicos. Organización estricta mejora las propiedades de los componentes individuales y permite a los metamateriales para mostrarlos en el macrocosmos.



Como resultado, los metamateriales exhiben algunas únicas electromagnética, óptica, acústica, mecánica y otras propiedades. Por lo tanto, la primera "cap de la invisibilidad" 10 micrómetros dimensiones se ha creado con precisión utilizando nanokolets basados ​​en metamateriales oro y PMMA (plexiglass). Nanoelementos "cap" dispuestos de modo que la luz incidente sobre su superficie que rodea el contorno del material y las salidas desde el lado opuesto sin distorsión. Por lo tanto, el observador y el "tope" y el tema de invisible. Un principio similar se puede aplicar para proteger los edificios contra los terremotos - por las ondas sísmicas traza alrededor del objeto bajo protección.



Otras aplicaciones de los metamateriales - los llamados superlente. Se componen de un material sintético que tiene un índice de refracción negativo. Superlente permiten enfocar la luz en un sitio más pequeño que la longitud de onda, lo que abre nuevos horizontes en la microscopía óptica: van a observar directamente las macromoléculas biológicas (ADN y proteínas), y crear una aún más pequeña chips de computadora. Análogos superlente acústicos en el futuro mejorar la calidad del diagnóstico de ultrasonido.



Lista de los logros de la nanotecnología pueden ser largas, así como un sueño en nuestra nanobuduschego. Pero debemos entender claramente lo que la nanotecnología es - no es magia y no es una panacea. La revolución tecnológica - es un proceso continuo, desde la Edad de Piedra hasta nuestros días. Está sucediendo aquí y ahora, pasando las manos las personas curiosas y para el pueblo.
Fuente: Vyacheslav Bernat. Foto: Berkeley Laboratory, Instituto de Tecnología de California, IBM, Intech Ciencia Abierta, Inverstor Intel, Instituto de Tecnología de Massachusetts, Naturaleza, Comité Nobel, Wikipedia

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