纳米材料:关于科幻的边缘。

那遥远的时候,我们的祖先很聪明,足够用了简单生产的食品,已成为技术发展的大爆炸。起初,人们用“准备好了”乐器如木棍和石块。然后,他们学会了如何把它变成一些更适合使用。然后,他学会了如何冶炼青铜的,后来一点点,很明显,她是不完美的。他们开始用铁......此后,人类开辟了无数不同的材料与各种属性。今天材质重生:科学家正在开发自己的材料,按照所要求的特性。






纳米技术
大概都至少每周一次听到这个词。在一般公众,它一直与一些相关的先进科学,魔术和charlatanism之间,和科学家继续以获得可观的补助加上神奇的前缀“纳米”。让我们来了解什么是纳米技术以及他们可以为我们在近期和遥远的未来。




首先,一纳米(nm) - 是一米的十亿分之一。根据颜色20和150 000纳米之间 - 刷毛以每秒5nm的速率生长,DNA双螺旋的直径为约2纳米,人类头发的厚度:几个事实来检测刻度。在同一时间的氦原子的直径, - 0,1纳米。因此,纳米技术是通过创建和操纵的多元结构,其在至少一个维度的尺寸(长度,宽度或厚度)小于100纳米的意思。
该物质由这种粒子的性质是不同显著由相同的材料以更我们熟悉的(紧凑)形式的事实。当我们接近原子尺度大大增加表面积材料(总表面积除以质量)。量子力学效应发挥强有力的作用。他们往往决定了纳米材料的新的令人惊讶的和往往出人意料属性。
例如:在纳米级显著增加剂进入化学反应的能力。在日常生活中,铝 - 惰性金属箔,从中可以很容易地烘烤肉类在烤炉。但铝纳米颗粒添加作为催化剂的固体火箭燃料,这大大增加了热量输出和效率。
也显著改变物质的光学性质。例如,不显着的宏观半导体 - 硒化镉 - 在彩虹的纳米荧光颜色,颜色仅取决于粒径。荧光纳米粒子的这一特性(所谓的量子点)已长期用于在激光和生物学,而且还具有良好的机会找到应用在彩色显示器的制造和柔性的医疗诊断。




你不应该认为纳米技术 - 是一些人为的,由人发明的。事实上,很多想法来自大自然借来的。例如,最近,从科技的加州理工学院的带动下,格里尔教授科学家建造重型材料,它由“nanobalok”氮化钛。你如何需要连接的结构要素,研究人员聚集在海绵。所得nanolattices 85%由空气,但源材料的多次的强度。有了它,你一定会遇到:很早就被用作钢铁零件的耐热涂层以及...假牙和东正教教堂的彩色圆顶的制造,如在日常生活中如金。

荷叶等众多热带植物难以保持水分在其表面。模仿叶表面的结构的纳米材料,现在作为超疏水性(拒水)和superoleofobnogo(拒油)涂层出售。


知道初始原理,有可能开发一种涂料用完全相反的特性 - 超亲水。可用于制造膜滤波器,用于深净水此类材料。在我们的机构在包含在肾小管大量他们的作用的蛋白质水通道蛋白。
的纳米材料
生产 当然,无论是纳米材料的奇妙特性如何可能是其大规模实施的主要标准是低成本生产。通常情况下,实验室的科学家必须处理小样本。因此,在为1毫米的边缘立方体的形式获得上述纳米结构的氮化钛。这足以衡量其表现,但你会同意 - 谈工业生产还为时尚早
。 目前,科学家使用纳米材料的制备两种主要方法:对“自下而上”和“自上而下”的发展。正如你可能已经猜到,第一个涉及从单个原子的纳米材料的组装,第二,与此相反,基于总量较大的碎片。

这两种方法都各有弊端。如果在“自下而上”的发展的情况下,主要的问题是无序粒子获得的组织,“自上而下”的方法提供高精确度,但非常费力。因此,目前有大量的科学关注涉及控制自组织的纳米颗粒的研究。尤其是过高的期望与非平衡自组织原则的发展有关。但它没有像生物体的原则。必须承认,在创造纳米结构和纳米机器的性质仍然远远领先于我们。

下面是一些纳米材料可能,在短短几年内我们的世界会改变得面目全非的最新成果。




石墨烯
这种物质,其中被授予诺贝尔物理学奖于2010年发现,是真正在它发表的科学论文数量冠军。当之无愧:独特的性能和石墨烯的应用范围是惊人的。尽管这是事实,你可以得到的材料只是一块石墨和文具苏格兰威士忌!一些乐观现在认为,二十一世纪将是石墨烯的世纪。有什么特别之处呢?




首先,与所有我们周围,石墨烯的事情 - 维材料。本质上这架飞机,由碳原子形成蜂细胞的六边形。因此,该图形具有非常高的比表面积。 - 它本身只是表面



像一个三维(石墨),石墨,其祖 - 良导体。在此二维由于其在室温下电阻率比银的低,且热导率比铜高10倍。不用说,基于石墨烯的晶体管比硅快得多?而这一切,尽管事实上该材料是透明的,柔性的。
石墨烯还具有独特的机械性能:它比钻石更坚定和强大,但可以延长超过四分之一的长度。因此,根据诺贝尔奖得主在2010年,石墨烯吊床面积平方米能承受4磅重的猫的重量,而他会比一毫克重量更轻 - 像猫的胡须。



石墨烯的附属物所有的独特性质也可以控制,例如通过使用不同的基质中形成的磁场,或通过创建复合材料。如果你做的纳米孔,石墨烯可以制成有效的过滤器,海水淡化!

与许多其他纳米材料的大规模生产石墨烯的价格相对便宜,并积极开发领先的电子产品制造商。



拓扑绝缘体
这种材料是一种绝缘体内,但与表面上的原子,其中电子可以接近导带。因此,电子在拓扑绝缘体的运动只能在表面上。其结果是,有阻力降至最低,并且电子可以很容易地加速到接近光速的速度而不背散射的导电层和加温。
他们存在的理论上的可能性进行了预测,2007年,并很快被衍生材料有碲化铋​​和硒化所需的性能。
由于拓扑绝缘体的其属性可能在不远的将来成为一种替代半导体。在他们的半导体的另一个优点是低灵敏度的杂质。此外,其实他们都是导体和绝缘体自己。
这些材料的另一个显着特征是,电子在表面层中的自旋(磁矩)量子机械地连接到它的脉冲。到现在为止,在物理原子水平可以操纵只能电器(无磁性)领域。拓扑绝缘体的建立使我们可以希望很快这一技术差距将被淘汰,将打开通往一个全新的基于“自旋电子学”(类比电子)的设备。这是一个直接的路径建立量子计算机能够进行计算所涉及的现代超级计算机将花费的时间天文数字。



忆阻器
40余年前,中国物理学家利昂蔡理论上预言了“失踪”的第四个基本的连接电荷和磁通量电路的元件的存在。除了公知的电阻(连接电压和电流),电容器(电压和充电)和电感(电流和磁通量),他描述假想元素的属性 - 忆阻器。



2008年,一群来自惠普的科学家报告了这类型的第一个真正的设备上的Nature杂志上。它包括钛氧化物的钛和铂电极之间的纳米膜(50毫微米)的(每5纳米厚)。该器件的独特之处在于它能够改变自身的抵抗能力,因此存储信息,而且规模(2010年惠普的工程师们带来了他们的3×3纳米)和速度(1千兆赫)明确其巨大的潜力。
到2013年年底,该公司计划开始批量生产基于忆阻器的第一个存储设备,将尽快更换被称为“笨重»闪存,固态硬盘等等。D.

至于忆阻器的科学价值,他们的发现有做一个革命的神经科学的潜力。所收集足够简单的电路设备的行为类似于人类的神经元的事实。早期的实验表明,这种电路能够“记忆”和“遗忘”的信息,在学习上的相同的原理进行其上工作的细胞在我们的大脑。这个属性的人工智能发展的价值是显而易见的。



超材料
为了创造新的东西 - 人性。如果事情本身并不存在,那么何乐而不为呢。超材料 - 这是完全人造的设备,具有在性质上根本没有的特性。它们包括订购nanoelements如纳米电子电路。严密的组织增强了各个组分的性质和使超材料将它们显示在宏观。



其结果是超材料表现出一些独特的电磁,光学,声学,机械和其它性质。因此,正是利用超材料为基础的nanokolets黄金和聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)创建的第一个10微米的三维“隐形的帽子”。 Nanoelements“帽”设置为使得光入射在其表面上,围绕从相对侧的材料和出口的轮廓不失真。因此,观察者和“帽”和不可见的主题。类似的原理可以应用到保护建筑物防震 - 通过跟踪地震波围绕对象下的保护。



超材料的其他应用 - 即所谓的超透镜。它们由具有负折射率的合成材料制成。超透镜使光线聚焦在网站上小于波长,从而开辟了新的视野光学显微镜:它们会直接观察到生物大分子(DNA和蛋白质),并创建一个更微小的计算机芯片。在未来的声学超透镜类似物提高超声诊断的质量。



列出纳米技术的成就可能会很长,以及对我们的nanobuduschego一个梦想。但是,我们必须清醒地认识到纳米技​​术是什么 - 这不是魔术也不是万能的。技术革命 - 是一个持续的过程,从石器时代到目前的一天。这是怎么回事,现在,马上就要动手好奇的人,并为人民。
资料来源:维亚切斯拉夫·伯纳特。图文:伯克利实验室,加州理工学院,IBM,英智开放科学,Inverstor英特尔,美国麻省理工学院,自然,诺贝尔委员会,维基百科

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