632
Наноматеріал: граніти фантастичні.
На сьогоднішній день, коли наші предки вийшли з ідеї використання простих об'єктів для їжі, був Великий Bang в розробці технології. В першу чергу використовуються інструменти «робот-роботи» як палички і камені. Далі навчилися перетворювати їх в щось більш корисно. Тоді вони навчилися гасити бронзу, а трохи пізніше було зрозуміло, що це не ідеально. Вони почали використовувати залізо ... З тих пір манкінд відкрив незрівнянну кількість різних матеріалів з різними властивостями. Сьогодні наука матеріалів переживає ребірт: науковці проектування власних матеріалів відповідно до бажаних характеристик.
Нанотехнології
Кожна людина чує це слово принаймні раз на тиждень. Узагальнений публіцист, який пов'язаний з чимось між передовими науками, магією та коактеріями, а вчені продовжують додавати чарівний префікс «нано» для того, щоб отримати твердий грант. Давайте подивимося на те, що нанотехнології і що це може запропонувати нам найближчим часом.
499.00 Р
Перш за все, нанометр (нм) один мільярд метра. Кілька фактів, щоб відчути масштаб: блішки ростуть за швидкістю 5 нм на секунду, діаметр подвійного спіралі ДНК становить близько 2 нм, а товщина волосся людини становить від 20 до 150 тис. нм залежно від кольору. При цьому діаметр атома гелію 0,1 нм. Таким чином, нанотехнологія має на увазі створення і маніпуляції багатоатомічних структур, розміри яких не менше одного виміру (довжина, ширина або товщина) не перевищують 100 нм.
Справа в тому, що властивості речовини, що складається з таких частинок, істотно відрізняються від тієї ж речовини в більш звичній (компактній) формі. При підході до атомної шкали специфічна поверхня матеріалів (Загальна площа поверхні, розділена масою) значно збільшується. Роль квантових механічних ефектів значно підвищується. Вони часто визначають нові і часто несподівані властивості наноструктурованих матеріалів.
Наприклад, в нанорозмірі значно підвищується здатність речовин, що надходять в хімічні реакції. У повсякденному житті алюміній є інертним металом, в фользі від якого можна сміливо запекти м'ясо в духовці. Але алюмінієві наночастинки додаються як каталізатор на тверде ракетне паливо, що значно підвищує його теплогенерацію і ефективність.
Значно змінюють оптичні властивості речовин. Наприклад, нерозмітний напівпровідник в макрокосмі - кадмій селенід - флуорикси у всіх тонах веселки на нанорозмірі, а колір залежить тільки від діаметра частинок. Ця властивість флуоресцентних наночастинок (званих квантових точок) давно використовується в лазерах і біології, має хороший шанс пошуку додатків у виробництві гнучких кольорових дисплеїв і в медичній діагностиці.
Не варто припускати, що нанотехнології щось штучне, придумане людиною. Насправді багато ідей запозичені з природи. Наприклад, нещодавно вчені з Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом професора Греера розробили надміцний матеріал, який складається з «нанобем» нітриду титану. Як поєднувати структурні елементи, вчені дивляться на морські губки. Отримане нанолатичне повітря 85%, але багато разів сильніше оригінального матеріалу. І ви, ймовірно, познайомитеся з ним: він довго був використаний як термостійке покриття для сталевих деталей, так і ... для виготовлення зубних протезів і фарбування купе православних церков, так як в повсякденному житті він виглядає як золото.
Листя лотоса і багато інших тропічних рослин практично не зберігають воду на їх поверхні. Наноматеріали, які скопіюють структуру поверхні листа, вже продаються як надгідрофобні (водні репеленти) і надолеофобні (масляні репелентні) покриття.
Знаючи оригінальний принцип, можна розробити покриття з абсолютно протилежними властивостями - надгідрофільним. Для отримання мембранних фільтрів для глибокого очищення води можна використовувати такі матеріали. У нашому тілі їхня роль відіграють білки аквапоріну, у великих кількостях, що містяться в ниркових тамбулях.
Виробництво наноматеріалів
Природно, незалежно від того, наскільки чудові властивості наноматеріалів, основним критерієм їх масової реалізації є дешевість виробництва. Як правило, в лабораторії, вчені займаються невеликими зразками. Таким чином, наноструктурований нітрид титану, описаний вище, був отриманий у вигляді куба з краю 1 мм. Це досить виміряти його характеристики, але занадто рано говорити про промислове виробництво.
Вчені в даний час використовують два основних підходи до виробництва наноструктурованих речовин: нижню дозу та розвиток верхньої частини. Як можна вгадати, що перша передбачає збір наноматеріалів з індивідуальних атомів, а другий, навпаки, базується на дробленні більших агрегатів.
Обидва підходи мають свої недоліки. Якщо в разі розвитку нижньої частини основною проблемою буде порушена організація отриманих частинок, то верхній підхід забезпечує високу точність, але це дуже трудомісткий. Тому, на сьогоднішній день, увага великої кількості вчених спрямована на вивчення керованої самоорганізації наночастинок. Особливо високі надії пов'язані з розвитком принципів самоорганізації нерівноважного. І це нічого, крім принципу структури живих організмів. Ми повинні визнати, що при створенні наноструктур і наномеханізмів природа все ще попереду нас.
Нижче наведено деякі останні досягнення в наноматеріалах науки, які можуть протягом декількох років змінити наш світ за винятком визнання.
Графен.
Ця речовина, для відкриття якої нагороджена Нобелівською премією з фізики у 2010 році, є дійсно чемпіоном з кількості наукових статей, опублікованих про неї. І заслужено: спектр унікальних властивостей і додатків графена дивовижна. І це незважаючи на те, що ви можете отримати матеріал лише за допомогою графітової та канцелярської стрічки! Деякі оптимісти вже вірять, що XXI століття буде століттям графена. Що це так особливий про нього?
4142097
На відміну від всіх об'єктів навколо нас, графен є двовимірним матеріалом. По суті, це площина, що складається з вуглецевих атомів, що утворюють гексагони, як і в парі гребінці. Таким чином, графен має найвищу специфічну поверхню - це тільки поверхня сама.
Як і його тривимірний датчик (графіт), графен є хорошим провідником. У той же час завдяки двовимірності, її опірність при кімнатній температурі нижче, ніж срібло, а теплопровідність в 10 разів вище міді. Неважко сказати, що графідні перетворювачі набагато швидше, ніж кремній? Все це незважаючи на те, що матеріал прозорий і гнучкий.
Графен також має унікальні механічні властивості: він твердий і міцний, ніж діамант, але може бути розтягований квартал його довжини. Отже, за даними 2010 р. Nobel, графеновий гамак з площею кв.м здатний витримати вагу 4-кутної кішки і одночасно зважати менше, ніж міліграма - як вуса кота.
4598099 р.
Крім всіх унікальних властивостей графена, їх також можна регулювати, наприклад, за допомогою магнітного поля, різних підкладок або створення композиційних матеріалів. І якщо ви робите нанометрові отвори в ньому, то графен може бути виготовлений з ефективних фільтрів для десалації води!
На відміну від багатьох інших наноматеріалів, масове виробництво графена порівняно дешево і вже активно освоює провідні виробники електроніки.
доб.
Топологічні ізолятори
Це матеріали, які діелектрики всередині, але мають атоми на поверхні, в яких електрони можуть бути близькі до зони проведення. Тому рух електронів у топологічних ізоляторах можливий тільки на поверхні. В результаті отримана стійкість мінімальна, а електрона легко прискорюється практично до швидкості світла без застібки і нагрівання провідного шару.
У 2007 році було запропоновано фундаментальну можливість їх існування, а скоро отримані матеріали з необхідними властивостями: селен і бісмут.
У зв'язку з їх властивостями, топологічні ізолятори можуть стати заміною для напівпровідників найближчим часом. Додаткова перевага над напівпровідниками є їх низькою чутливістю до домішок. По суті, вони обидва провідники і ізолятори.
Ще одна нездатна особливість таких матеріалів полягає в тому, що хребт (магнітний момент) електронів в поверхневому шарі квантово-механічно підключений до його імпульсу. До теперішнього часу на атомному рівні фізики змогли маніпулювати тільки електричними (не магнітними) полями. Створення топологічних ізоляторів дозволяє нам сподіватися, що найближчим часом цей технологічний проміжок буде ліквідований, а дорога відкриється на принципово новий клас приладів на основі «спінтроніки» (символ електроніки). І це прямий спосіб створення квантових комп’ютерів, здатних виконувати розрахунки, для яких сучасні суперкомп’ютери візьмуть астрономічну кількість часу.
Комори
Більш ніж 40 років тому китайська фізика Leon Chua теоретично прогнозувала наявність четвертого базового елемента електричного контуру, зв'язуючи електричний заряд і магнітний потік. На додаток до відомих резисторів (включення струму), конденсаторів (напруга і заряд), а також індуктивних котушк (поточна і магнітна флюс), він описав властивості гіпотетичного елемента, мемістора.
У 2008 році група вчених від Hewlett-Packard повідомила в журналі Nature про перший реальний пристрій цього типу. Складається з нанофільтрму (50 нм) титанового оксиду, сендвічованого між титановими і платиновими електродами (в середньому товщиною 5 нм). Унікальною особливістю пристрою є її можливість змінити свою власну стійкість і таким чином зберігати інформацію, а також розмір (на 2010 році інженери HP принесли їх до 3 × 3 нм) і швидкості роботи (1 ГГц) роблять їх величезний потенціал очевидним.
Наприкінці 2013 року компанія планує розпочати серійне виробництво перших пристроїв пам'яті на основі мемисторів, які незабаром будуть розроблені для заміни «великих» флеш-накопичувачів, SSD тощо.
Що стосується наукової цінності мемисторів, їх відкриття має потенціал перетворювати нейронауку. Справа в тому, що пристрої, зібрані в досить простому ланцюжку, такі як нейрони людини. Перші експерименти вже показали, що такі схеми здатні «збільшити» і «захоплювати» інформацію, і навчання відбувається за таким же принципом, як клітини в нашому мозку. Очевидно значення цього майна для розвитку штучного інтелекту.
Метаматеріали
Щоб створити щось нове в природі людини. Якщо щось не існує, чому це не так? Метаматеріали абсолютно штучні пристрої, які мають властивості, які просто не існують в природі. Вони складаються з замовлених наноелементів, таких як наноелектричні схеми. Складна організація посилює властивості окремих елементів і дозволяє метаматеріали проявляти їх в макрокосмі.
В результаті метаматеріали експонують ряд унікальних електромагнітних, оптичних, акустичних, механічних та інших властивостей. Отже, перший 10-мікрометровий двовимірний «невидимий ковпачок» був створений за допомогою метаматеріалу на основі нанопроводів золота та поліметилметакрилат (склаптовий). Наноелементи «капсу» розташовуються таким чином, що світло падає на його поверхні конвертує матеріал по контуру і виходи з протилежної сторони без спотворення. Таким чином, як «капс» і об’єкт в ньому невидимий спостерігачу. Аналогічний принцип може застосовуватися для захисту будівель від землетрусів шляхом копіювання сейсмічних коливань навколо захищеного об'єкта.
Ще одне використання метаматеріалів так звані суперлени. Вони складаються з штучного матеріалу, що має негативний індекс рефракції. Superlenses дозволяє легко зосередитися на області меншої довжини хвилі, відкриваючи нові горизонти в оптичній мікроскопії: вони безпосередньо дотримуються біологічних макромолекул (DNA і білків) і створюють навіть менші комп'ютерні чіпси. Акустичні аналоги суперленз в майбутньому покращать якість ультразвукової діагностики.
Список досягнень нанотехнологій протягом тривалого часу, а також fantasize про наше нанофунт. Але слід розуміти, що нанотехнології не магія або панацея. Технологічна революція – безперервний процес, від кам’яного віку до теперішнього дня. Тут буває і зараз, створений руками цікавих людей і для людей.
Джерело: В'ячеслав Бернат. Фото: Берклі Лабораторія, Каліфорнія технологічний інститут, IBM, Intech Open Science, Inverstor Intel, Massachusetts Institute of Technology, Природа, Nobel Комітет, Вікіпедія
Джерело:
Нанотехнології
Кожна людина чує це слово принаймні раз на тиждень. Узагальнений публіцист, який пов'язаний з чимось між передовими науками, магією та коактеріями, а вчені продовжують додавати чарівний префікс «нано» для того, щоб отримати твердий грант. Давайте подивимося на те, що нанотехнології і що це може запропонувати нам найближчим часом.
499.00 Р
Перш за все, нанометр (нм) один мільярд метра. Кілька фактів, щоб відчути масштаб: блішки ростуть за швидкістю 5 нм на секунду, діаметр подвійного спіралі ДНК становить близько 2 нм, а товщина волосся людини становить від 20 до 150 тис. нм залежно від кольору. При цьому діаметр атома гелію 0,1 нм. Таким чином, нанотехнологія має на увазі створення і маніпуляції багатоатомічних структур, розміри яких не менше одного виміру (довжина, ширина або товщина) не перевищують 100 нм.
Справа в тому, що властивості речовини, що складається з таких частинок, істотно відрізняються від тієї ж речовини в більш звичній (компактній) формі. При підході до атомної шкали специфічна поверхня матеріалів (Загальна площа поверхні, розділена масою) значно збільшується. Роль квантових механічних ефектів значно підвищується. Вони часто визначають нові і часто несподівані властивості наноструктурованих матеріалів.
Наприклад, в нанорозмірі значно підвищується здатність речовин, що надходять в хімічні реакції. У повсякденному житті алюміній є інертним металом, в фользі від якого можна сміливо запекти м'ясо в духовці. Але алюмінієві наночастинки додаються як каталізатор на тверде ракетне паливо, що значно підвищує його теплогенерацію і ефективність.
Значно змінюють оптичні властивості речовин. Наприклад, нерозмітний напівпровідник в макрокосмі - кадмій селенід - флуорикси у всіх тонах веселки на нанорозмірі, а колір залежить тільки від діаметра частинок. Ця властивість флуоресцентних наночастинок (званих квантових точок) давно використовується в лазерах і біології, має хороший шанс пошуку додатків у виробництві гнучких кольорових дисплеїв і в медичній діагностиці.
Не варто припускати, що нанотехнології щось штучне, придумане людиною. Насправді багато ідей запозичені з природи. Наприклад, нещодавно вчені з Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом професора Греера розробили надміцний матеріал, який складається з «нанобем» нітриду титану. Як поєднувати структурні елементи, вчені дивляться на морські губки. Отримане нанолатичне повітря 85%, але багато разів сильніше оригінального матеріалу. І ви, ймовірно, познайомитеся з ним: він довго був використаний як термостійке покриття для сталевих деталей, так і ... для виготовлення зубних протезів і фарбування купе православних церков, так як в повсякденному житті він виглядає як золото.
Листя лотоса і багато інших тропічних рослин практично не зберігають воду на їх поверхні. Наноматеріали, які скопіюють структуру поверхні листа, вже продаються як надгідрофобні (водні репеленти) і надолеофобні (масляні репелентні) покриття.
Знаючи оригінальний принцип, можна розробити покриття з абсолютно протилежними властивостями - надгідрофільним. Для отримання мембранних фільтрів для глибокого очищення води можна використовувати такі матеріали. У нашому тілі їхня роль відіграють білки аквапоріну, у великих кількостях, що містяться в ниркових тамбулях.
Виробництво наноматеріалів
Природно, незалежно від того, наскільки чудові властивості наноматеріалів, основним критерієм їх масової реалізації є дешевість виробництва. Як правило, в лабораторії, вчені займаються невеликими зразками. Таким чином, наноструктурований нітрид титану, описаний вище, був отриманий у вигляді куба з краю 1 мм. Це досить виміряти його характеристики, але занадто рано говорити про промислове виробництво.
Вчені в даний час використовують два основних підходи до виробництва наноструктурованих речовин: нижню дозу та розвиток верхньої частини. Як можна вгадати, що перша передбачає збір наноматеріалів з індивідуальних атомів, а другий, навпаки, базується на дробленні більших агрегатів.
Обидва підходи мають свої недоліки. Якщо в разі розвитку нижньої частини основною проблемою буде порушена організація отриманих частинок, то верхній підхід забезпечує високу точність, але це дуже трудомісткий. Тому, на сьогоднішній день, увага великої кількості вчених спрямована на вивчення керованої самоорганізації наночастинок. Особливо високі надії пов'язані з розвитком принципів самоорганізації нерівноважного. І це нічого, крім принципу структури живих організмів. Ми повинні визнати, що при створенні наноструктур і наномеханізмів природа все ще попереду нас.
Нижче наведено деякі останні досягнення в наноматеріалах науки, які можуть протягом декількох років змінити наш світ за винятком визнання.
Графен.
Ця речовина, для відкриття якої нагороджена Нобелівською премією з фізики у 2010 році, є дійсно чемпіоном з кількості наукових статей, опублікованих про неї. І заслужено: спектр унікальних властивостей і додатків графена дивовижна. І це незважаючи на те, що ви можете отримати матеріал лише за допомогою графітової та канцелярської стрічки! Деякі оптимісти вже вірять, що XXI століття буде століттям графена. Що це так особливий про нього?
4142097
На відміну від всіх об'єктів навколо нас, графен є двовимірним матеріалом. По суті, це площина, що складається з вуглецевих атомів, що утворюють гексагони, як і в парі гребінці. Таким чином, графен має найвищу специфічну поверхню - це тільки поверхня сама.
Як і його тривимірний датчик (графіт), графен є хорошим провідником. У той же час завдяки двовимірності, її опірність при кімнатній температурі нижче, ніж срібло, а теплопровідність в 10 разів вище міді. Неважко сказати, що графідні перетворювачі набагато швидше, ніж кремній? Все це незважаючи на те, що матеріал прозорий і гнучкий.
Графен також має унікальні механічні властивості: він твердий і міцний, ніж діамант, але може бути розтягований квартал його довжини. Отже, за даними 2010 р. Nobel, графеновий гамак з площею кв.м здатний витримати вагу 4-кутної кішки і одночасно зважати менше, ніж міліграма - як вуса кота.
4598099 р.
Крім всіх унікальних властивостей графена, їх також можна регулювати, наприклад, за допомогою магнітного поля, різних підкладок або створення композиційних матеріалів. І якщо ви робите нанометрові отвори в ньому, то графен може бути виготовлений з ефективних фільтрів для десалації води!
На відміну від багатьох інших наноматеріалів, масове виробництво графена порівняно дешево і вже активно освоює провідні виробники електроніки.
доб.Топологічні ізолятори
Це матеріали, які діелектрики всередині, але мають атоми на поверхні, в яких електрони можуть бути близькі до зони проведення. Тому рух електронів у топологічних ізоляторах можливий тільки на поверхні. В результаті отримана стійкість мінімальна, а електрона легко прискорюється практично до швидкості світла без застібки і нагрівання провідного шару.
У 2007 році було запропоновано фундаментальну можливість їх існування, а скоро отримані матеріали з необхідними властивостями: селен і бісмут.
У зв'язку з їх властивостями, топологічні ізолятори можуть стати заміною для напівпровідників найближчим часом. Додаткова перевага над напівпровідниками є їх низькою чутливістю до домішок. По суті, вони обидва провідники і ізолятори.
Ще одна нездатна особливість таких матеріалів полягає в тому, що хребт (магнітний момент) електронів в поверхневому шарі квантово-механічно підключений до його імпульсу. До теперішнього часу на атомному рівні фізики змогли маніпулювати тільки електричними (не магнітними) полями. Створення топологічних ізоляторів дозволяє нам сподіватися, що найближчим часом цей технологічний проміжок буде ліквідований, а дорога відкриється на принципово новий клас приладів на основі «спінтроніки» (символ електроніки). І це прямий спосіб створення квантових комп’ютерів, здатних виконувати розрахунки, для яких сучасні суперкомп’ютери візьмуть астрономічну кількість часу.
Комори
Більш ніж 40 років тому китайська фізика Leon Chua теоретично прогнозувала наявність четвертого базового елемента електричного контуру, зв'язуючи електричний заряд і магнітний потік. На додаток до відомих резисторів (включення струму), конденсаторів (напруга і заряд), а також індуктивних котушк (поточна і магнітна флюс), він описав властивості гіпотетичного елемента, мемістора.
У 2008 році група вчених від Hewlett-Packard повідомила в журналі Nature про перший реальний пристрій цього типу. Складається з нанофільтрму (50 нм) титанового оксиду, сендвічованого між титановими і платиновими електродами (в середньому товщиною 5 нм). Унікальною особливістю пристрою є її можливість змінити свою власну стійкість і таким чином зберігати інформацію, а також розмір (на 2010 році інженери HP принесли їх до 3 × 3 нм) і швидкості роботи (1 ГГц) роблять їх величезний потенціал очевидним.
Наприкінці 2013 року компанія планує розпочати серійне виробництво перших пристроїв пам'яті на основі мемисторів, які незабаром будуть розроблені для заміни «великих» флеш-накопичувачів, SSD тощо.
Що стосується наукової цінності мемисторів, їх відкриття має потенціал перетворювати нейронауку. Справа в тому, що пристрої, зібрані в досить простому ланцюжку, такі як нейрони людини. Перші експерименти вже показали, що такі схеми здатні «збільшити» і «захоплювати» інформацію, і навчання відбувається за таким же принципом, як клітини в нашому мозку. Очевидно значення цього майна для розвитку штучного інтелекту.
Метаматеріали
Щоб створити щось нове в природі людини. Якщо щось не існує, чому це не так? Метаматеріали абсолютно штучні пристрої, які мають властивості, які просто не існують в природі. Вони складаються з замовлених наноелементів, таких як наноелектричні схеми. Складна організація посилює властивості окремих елементів і дозволяє метаматеріали проявляти їх в макрокосмі.
В результаті метаматеріали експонують ряд унікальних електромагнітних, оптичних, акустичних, механічних та інших властивостей. Отже, перший 10-мікрометровий двовимірний «невидимий ковпачок» був створений за допомогою метаматеріалу на основі нанопроводів золота та поліметилметакрилат (склаптовий). Наноелементи «капсу» розташовуються таким чином, що світло падає на його поверхні конвертує матеріал по контуру і виходи з протилежної сторони без спотворення. Таким чином, як «капс» і об’єкт в ньому невидимий спостерігачу. Аналогічний принцип може застосовуватися для захисту будівель від землетрусів шляхом копіювання сейсмічних коливань навколо захищеного об'єкта.
Ще одне використання метаматеріалів так звані суперлени. Вони складаються з штучного матеріалу, що має негативний індекс рефракції. Superlenses дозволяє легко зосередитися на області меншої довжини хвилі, відкриваючи нові горизонти в оптичній мікроскопії: вони безпосередньо дотримуються біологічних макромолекул (DNA і білків) і створюють навіть менші комп'ютерні чіпси. Акустичні аналоги суперленз в майбутньому покращать якість ультразвукової діагностики.
Список досягнень нанотехнологій протягом тривалого часу, а також fantasize про наше нанофунт. Але слід розуміти, що нанотехнології не магія або панацея. Технологічна революція – безперервний процес, від кам’яного віку до теперішнього дня. Тут буває і зараз, створений руками цікавих людей і для людей.
Джерело: В'ячеслав Бернат. Фото: Берклі Лабораторія, Каліфорнія технологічний інститут, IBM, Intech Open Science, Inverstor Intel, Massachusetts Institute of Technology, Природа, Nobel Комітет, Вікіпедія
Джерело:
