G. G. Yelenin
Kort information om författaren: Professor vid fakulteten för beräkningsmatematik och cybernetik, Lomonosov Moscow State University. M.V. Lomonosov, ledande forskare, Institutet för tillämpad matematik. M.V. Keldysh RAS.
Om en stålkub eller en saltkristall, sammansatt av identiska atomer, kan uppvisa intressanta egenskaper; om vatten - bara droppar, som inte kan skiljas från varandra och som täcker jordens yta i mil och mil - kan skapa vågor och skum, åskan från bränningen och konstiga mönster på vallens granit; om allt detta, all rikedom i vattnets liv, bara är en egenskap hos atomknippen, hur många fler möjligheter döljer sig då i dem? Om istället för att ordna atomerna i ordning, rad för rad, kolumn för kolumn, till och med istället för att bygga in dem i de invecklade molekylerna av lukten av viol, om istället för att ordna dem på ett nytt sätt varje gång, diversifiera sin mosaik utan att upprepa det, vad som redan har hänt - föreställ dig hur mycket ovanliga, oväntade saker kan uppstå i deras beteende.
R. P. Feynman
Ämne, mål och huvudinriktningar inom nanoteknik
Enligt Encyclopedic Dictionary är teknik en uppsättning metoder för bearbetning, tillverkning, förändring av tillstånd, egenskaper, form av råmaterial, material eller halvfabrikat som utförs i produktionsprocessen.
Nanoteknikens egenhet ligger i det faktum att de processer som övervägs och de åtgärder som utförs sker inom nanometerintervallet av rumsliga dimensioner 1 . "Råmaterial" är individuella atomer, molekyler, molekylära system, och inte mikron eller makroskopiska volymer av material som är vanliga inom traditionell teknik, som innehåller minst miljarder atomer och molekyler. Till skillnad från traditionell teknik kännetecknas nanotekniken av ett "individuellt" tillvägagångssätt, där extern kontroll når enskilda atomer och molekyler, vilket gör det möjligt att av dem skapa både "defektfria" material med i grunden nya fysikalisk-kemiska och biologiska egenskaper, och nya klasser av enheter med karakteristiska nanometerstorlekar. Begreppet "nanoteknik" har ännu inte lagt sig. Tydligen kan följande arbetsdefinition följas.
Nanoteknik är ett tvärvetenskapligt vetenskapsområde där regelbundenhet hos fysikaliska och kemiska processer i rumsliga regioner av nanometerstorlek studeras för att kontrollera enskilda atomer, molekyler, molekylära system när man skapar nya molekyler, nanostrukturer, nanoenheter och material med speciella fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper.
En analys av det nuvarande tillståndet i den snabbt växande regionen gör att vi kan identifiera ett antal viktiga områden i den.
Molekylär design. Framställning av befintliga molekyler och syntes av nya molekyler i mycket inhomogena elektromagnetiska fält.
Materialvetenskap. Skapande av "defektfria" höghållfasta material, material med hög ledningsförmåga.
Instrumentation. Skapande av skanningstunnelmikroskop, atomkraftmikroskop 2 , magnetiska kraftmikroskop, flerpunktssystem för molekylär design, superkänsliga miniatyrsensorer, nanorobotar.
Elektronik. Design av nanometerelementbas för nästa generations datorer, nanotrådar, transistorer, likriktare, displayer, akustiska system.
Optik. Skapande av nanolasrar. Syntes av flerpunktssystem med nanolasrar.
heterogen katalys. Utveckling av katalysatorer med nanostrukturer för klasser av reaktioner av selektiv katalys.
Medicin. Designa nanoverktyg för att förstöra virus, lokal "reparation" av organ, högprecisionsleverans av läkemedelsdoser till vissa platser i en levande organism.
Tribologi. Bestämning av sambandet mellan materials nanostruktur och friktionskrafter och användningen av denna kunskap för tillverkning av lovande friktionspar.
Kontrollerade kärnreaktioner. Nanoacceleratorer av partiklar, icke-statistiska kärnreaktioner.
Skannade tunnelmikroskopi
Minst två händelser spelade en betydande roll i den ostoppbara utforskningen av nanovärlden:
Skapande av ett sveptunnelmikroskop (G. Bennig, G. Rohrer, 1982) och ett svepande atomkraftmikroskop (G. Bennig, K. Kuatt, K. Gerber, 1986) (Nobelpriset 1992);
Upptäckten av en ny form av kolexistens i naturen - fullerener (N. Kroto, J. Health, S. O "Brien, R. Curl, R. Smalley, 1985) (Nobelpriset 1996).
Nya mikroskop gjorde det möjligt att observera den atomära-molekylära strukturen på ytan av enkristaller i nanometerstorleksintervallet. Den bästa rumsliga upplösningen för instrument är en hundradels nanometer längs normalen till ytan. Driften av ett avsökningstunnelmikroskop är baserad på tunnling av elektroner genom en vakuumbarriär. Den höga upplösningen beror på att tunnelströmmen ändras med tre storleksordningar när barriärens bredd ändras med atomens storlek. Teorin om kvanttunneleffekt grundades av G.A. Gamow 1928 i sitt arbete om ett förfall.
Med hjälp av olika skanningsmikroskop observeras för närvarande den atomära strukturen av ytorna på enkristaller av metaller, halvledare, högtemperatursupraledare, organiska molekyler och biologiska föremål. På fig. 1 visar den rekonstruerade ytan av den nedre terrassen av (100) ytan av en kiselenkristall. Grå cirklar är bilder av kiselatomer. Mörka områden är lokala nanometerdefekter. På fig. Figur 2 visar atomstrukturen av en ren yta av (110) ytan av silver (vänster ram) och samma yta täckt med syreatomer (höger ram). Det visade sig att syre inte adsorberas kaotiskt, utan snarare bildar ganska långa kedjor längs en viss kristallografisk riktning. Närvaron av dubbel- och enkelkedjor indikerar två former av syre.
Dessa former spelar en viktig roll i den selektiva oxidationen av kolväten såsom eten. På fig. 3 kan man se nanostrukturen hos högtemperatursupraledaren Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 2 . I den vänstra ramen i fig. 4, ringar av bensenmolekyler (C 6 H 6) är tydligt synliga. Den högra ramen visar CH 2-kedjorna av polyeten. Uppsatsen presenterar en sekvens av ramar av en laboratoriefilm om ett viruss penetration i en levande cell.
Nya mikroskop är användbara inte bara för att studera materiens atomära och molekylära struktur. De visade sig vara lämpliga för att designa nanostrukturer. Med hjälp av vissa rörelser med spetsen på mikroskopet är det möjligt att skapa atomära strukturer. Figur 5 visar stadierna för att skapa "IBM"-inskriptionen från individuella xenonatomer på (110) ytan av en enkristall av nickel. Spetsens rörelser under skapandet av nanostrukturer från individuella atomer liknar en hockeyspelares teknik när man för fram pucken med en pinne. Det är av intresse att skapa datoralgoritmer som etablerar en icke-trivial koppling mellan spetsens rörelser och rörelserna hos manipulerade atomer på basis av lämpliga matematiska modeller. Modeller och algoritmer är nödvändiga för utvecklingen av automatiska "assemblers" av nanostrukturer.
Ris. 4: a - C6H6; b - CH2-CH2
Ris. 5. Xe/Ni (110)
Nanomaterial
Fullerener, som en ny form av förekomsten av kol i naturen, tillsammans med den sedan länge kända diamanten och grafiten, upptäcktes 1985 när astrofysiker försökte förklara spektra av interstellärt stoft. Det visade sig att kolatomer kan bilda en mycket symmetrisk C 60-molekyl. En sådan molekyl består av 60 kolatomer placerade på en sfär med en diameter på ungefär en nanometer och påminner om en fotboll (Fig. 6). I enlighet med L. Eulers sats bildar kolatomer 12 reguljära pentagoner och 20 reguljära hexagoner. Molekylen är uppkallad efter arkitekten R. Fuller, som byggde ett hus av pentagoner och hexagoner. Inledningsvis erhölls C 60 i små mängder, och sedan, 1990, upptäcktes tekniken för deras storskaliga produktion.
Fulleriter. C 60-molekyler kan i sin tur bilda en fulleritkristall med ett ansiktscentrerat kubiskt gitter och ganska svaga intermolekylära bindningar. Denna kristall har oktaedriska och tetraedriska håligheter, som kan innehålla främmande atomer. Om de oktaedriska kaviteterna är fyllda med alkalimetalljoner (¦ = K (kalium), Rb (rubidium), Cs (cesium)), så omarrangeras strukturen av dessa ämnen vid temperaturer under rumstemperatur och ett nytt polymermaterial ¦1C60 är bildas. Om de tetraedriska hålrummen också fylls, bildas ett supraledande material ¦3С60 med en kritisk temperatur på 20–40 K. Max Planck i Stuttgart. Det finns fulleriter med andra tillsatser som ger materialet unika egenskaper. Till exempel har C60-eten ferromagnetiska egenskaper. Hög aktivitet inom det nya kemiområdet ledde till att det 1997 fanns mer än 9000 fullerenföreningar.
Kolnanorör. Molekyler med ett gigantiskt antal atomer kan erhållas från kol. En sådan molekyl, till exempel C=1000000, kan vara ett enskiktsrör med en diameter på cirka en nanometer och en längd av flera tiotals mikron (fig. 7). På ytan av röret är kolatomer belägna vid hörnen av vanliga hexagoner. Ändarna på röret är stängda med sex vanliga femhörningar. Det bör noteras rollen av antalet sidor av regelbundna polygoner i bildandet av tvådimensionella ytor som består av
Ris. 7. Icke-kirala nanorör: a - C(n", n) - metall;
b-c(n, 0): mod (n, 3) = 0 - halvmetall
mod(n, 3)!= 0 är en halvledare.
Ris. 8. Böjt rör
kolatomer, i tredimensionellt utrymme. Regelbundna hexagoner är en cell i ett platt grafitark som kan rullas till rör med olika kiralitet (m, n) 3 . Regelbundna pentagoner (heptagoner) är lokala defekter i ett grafitark, som gör det möjligt att få dess positiva (negativa) krökning. Således gör kombinationer av vanliga fem-, sex- och heptagoner det möjligt att erhålla olika former av kolytor i tredimensionellt utrymme (fig. 8). Geometrin hos dessa nanostrukturer bestämmer deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper och, följaktligen, möjligheten av existensen av fundamentalt nya material och teknologier för deras produktion. Förutsägelsen av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos nya kolmaterial utförs både med hjälp av kvantmodeller och beräkningar inom ramen för molekylär dynamik. Tillsammans med enskiktsrör är det också möjligt att skapa flerskiktsrör. Speciella katalysatorer används för att tillverka nanorör.
Vad är unikt med de nya materialen? Låt oss bara fokusera på tre viktiga funktioner.
Superstarka material. Bindningarna mellan kolatomer i en grafitskiva är de starkaste kända, så defektfria kolrör är två storleksordningar starkare än stål och ungefär fyra gånger lättare än stål! En av teknikens viktigaste uppgifter inom området för nya kolmaterial är att skapa nanorör av "oändlig" längd. Sådana rör kan användas för att producera lättviktskompositmaterial med yttersta styrka för behoven hos new age-teknologi. Dessa är kraftelement av broar och byggnader, bärande konstruktioner av kompaktflygplan, turbinelement, motorkraftblock med extremt låg specifik bränsleförbrukning, etc. I dagsläget har de lärt sig hur man gör rör som är tiotals mikrometer långa med en diameter i storleksordningen en nanometer.
mycket ledande material. Det är känt att i kristallin grafit är konduktiviteten längs skiktets plan högst bland kända material och tvärtom, i riktningen vinkelrät mot arket är låg. Därför förväntas elektriska kablar tillverkade av nanorör ha elektrisk ledningsförmåga två storleksordningar högre än kopparkablar vid rumstemperatur. Det är upp till tekniken att producera rör av tillräcklig längd och i tillräcklig mängd,
nanokluster
Uppsättningen av nanoobjekt inkluderar ultrasmå partiklar som består av tiotals, hundratals eller tusentals atomer. Egenskaperna hos kluster skiljer sig fundamentalt från egenskaperna hos makroskopiska volymer av material med samma sammansättning. Från nanokluster, som från stora byggstenar, är det möjligt att målmedvetet designa nya material med förutbestämda egenskaper och använda dem i katalytiska reaktioner, för att separera gasblandningar och lagra gaser. Ett exempel är Zn4O(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)4. Av stort intresse är magnetiska kluster som består av atomer av övergångsmetaller, lantinider och aktinider. Dessa kluster har sitt eget magnetiska moment, vilket gör det möjligt att kontrollera deras egenskaper med hjälp av ett externt magnetfält. Ett exempel är den organometalliska molekylen Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4 . Denna eleganta konstruktion består av fyra Mn 4+ joner med spin 3/2 placerade vid tetraederns hörn, åtta Mn 3+ joner med spin 2 som omger denna tetraeder. Interaktionen mellan manganjoner utförs av syrejoner. De antiferromagnetiska interaktionerna mellan Mn 4+- och Mn 3+-jonernas spinn leder till ett tillräckligt stort totalt spinn lika med 10. Acetatgrupper och vattenmolekyler separerar Mn 12-klustren från varandra i den molekylära kristallen. Interaktionen mellan kluster i en kristall är extremt liten. Nanomagneter är av intresse vid design av processorer för kvantdatorer. Dessutom, i studiet av detta kvantsystem, upptäcktes fenomenen bistabilitet och hysteres. Om vi tar hänsyn till att avståndet mellan molekylerna är cirka 10 nanometer, kan minnestätheten i ett sådant system vara i storleksordningen 10 gigabyte per kvadratcentimeter.
nanoenheter
Nanorör kan utgöra grunden för nya konstruktioner av platta akustiska system och platta displayer, det vill säga välbekanta makroskopiska enheter. Vissa nanoenheter kan skapas av nanomaterial, till exempel nanomotorer, nanomanipulatorer, molekylära pumpar, högdensitetsminne, delar av nanorobotmekanismer. Låt oss kort uppehålla oss vid modellerna av vissa nanoenheter.
Molekylära kugghjul och pumpar. Modeller av nanoenheter föreslogs av K.E. Drexler och R. Merkle från IMM (Institute for Molecular Manufacturing, Palo Alto). Kugghjulens axlar i växellådan är kolnanorör, och tänderna är bensenmolekyler. De karakteristiska rotationsfrekvenserna för kugghjulen är flera tiotals gigahertz. Enheterna "arbetar" antingen i högvakuum eller i en inert atmosfär vid rumstemperatur. Inerta gaser används för att "kyla" enheten.
Diamantminne för datorer. Högdensitetsminnesmodellen utvecklades av Ch. Bauschlicher och R. Merkle från NASA. Systemet för enheten är enkelt och består av en sond och en diamantyta. Sonden är ett (9, O) eller (5, 5) kolnanorör som slutar i en C 60-hemisfär, till vilken en C 5 H 5 N-molekyl är fäst. Diamantytan är täckt med ett monolager av väteatomer. Vissa väteatomer ersätts av fluoratomer. När sonden skannas längs en diamantyta täckt med ett adsorbatmonoskikt, kan C 5 H 5 N-molekylen, enligt kvantmodeller, skilja en adsorberad fluoratom från en adsorberad väteatom. Eftersom cirka 1015 atomer passar på en kvadratcentimeter av ytan kan inspelningstätheten nå 100 terabyte per kvadratcentimeter.
Ovanstående exempel på laboratorieexperimentresultat och nanoenhetsmodeller är en ny utmaning för teori, beräkningsfysik, kemi och matematik. Förståelse för "sett" och "mottaget" krävs. Det kräver utveckling av intuition för att arbeta i nanometerstorlekar. Återigen hörs Fausts kommentar till Wagner:
"Vad innebär det att förstå?
Det, min vän, är frågan.
I detta avseende är vi inte okej."
Nya grenar av beräkningsfysik och beräkningskemi
För mer än femtio år sedan väckte de atomära och termonukleära problemen, problemen med att skapa nya flygplan och utforskandet av rymden nära jorden återigen den faustiska frågan om en ny nivå av förståelse för fysikaliska och kemiska fenomen. Framgångsrikt arbete med dessa problem ledde till uppkomsten och utvecklingen
1) beräkningsfysik, i synnerhet dess områden som t.ex
magnetisk och strålningshydro- och aerodynamik,
rymdskepps flygmekanik,
teori om plasma och kontrollerad termonukleär fusion;
2) beräkningskemi med avsnitt som t.ex
teorin om ekvationen av materiens tillstånd,
molekylär dynamik,
teori om kemiska processer och apparater;
3) beräkningsmatematik och datavetenskap med sådana områden som
numeriska metoder för matematisk fysik,
automatteori,
optimal kontroll,
mönsterigenkänning,
expert system,
automatisk design.
Laboratorieexperimentets moderna möjligheter för observation och studie av fenomen i nanometerskala av rumsliga dimensioner och frestande möjligheter att skapa unika material och nanoenheter ger upphov till nya teoretiska problem.
Jag skulle vilja förstå vad som faktiskt "observeras" i scanning tunnelmikroskopi?
Vilka nya saker kan potentiellt observeras och vilka nya saker kan potentiellt erhållas i nanosystem? Och under vilka förutsättningar?
Hur hanterar man enskilda atomer och grupper av atomer och molekyler för att uppnå vissa mål? Vilka är gränserna för denna kontroll?
Hur organiserar man självmontering av nanoenheter och unika "defektfria" material?
I vilken utsträckning "inskränker" makromiljön nanosystemets kvanttillstånd?
Behovet av en konstruktiv lösning av dessa problem leder till intensiv forskning som bildar nya grenar inom beräkningsfysik och beräkningskemi. Vi pekar ut sådana avsnitt inom metrologi, mekanik, elektrodynamik, optik och teorin om självorganisering. I vart och ett av dessa avsnitt skisserar vi flera problem.
Metrologi
1. Skapande av datormodeller av "instrument-nanoobjekt"-system och deras kalibrering.
2. Automatisering av nanometermätningar och skapande av databanker.
Mekanik
1. Studie av mekaniska spänningar och töjningar i nanomaterial och nanoobjekt, friktionsanalys.
2. Simulering av sondrörelser under riktad manipulation av ett nanoobjekt.
3. Modellering av rörelser i nanomekanismer för nanoenheter, beräkning av nanomanipulatorer.
4. Utveckling av styrsystem för nanorobotar.
Elektrodynamik
1. Simulering av dynamiken hos atomer och molekyler i extremt inhomogena elektromagnetiska fält skapade av flerpunktssystem.
2. Beräkning av elektriska och magnetiska egenskaper hos nanomaterial.
1. Modellering av mekanismerna för emission, utbredning och absorption av ljus i nanoobjekt.
2. Beräkning av nanolasrar och hybridsystem "prober + nanolaser".
Teori om självorganisering
1. Formulering av de grundläggande principerna för självmontering av nanostrukturer.
2. Skapande av datorsjälvmonteringsalgoritmer.
3. Utveckling av beräkningsalgoritmer för kvalitativ analys av självmonterande modeller.
4. Simulering av fenomenen spatio-temporal självorganisering i skapandet av nanomaterial.
Molekylär strålepitaxi och nanolitografi
1. Skapande av tunna metallfilmer som fungerar som grund för högkvalitativa magnetiska material.
2. Designa de grundläggande delarna av nanoelektronik.
3. Skapande av katalysatorer för selektiv katalys.
Jag skulle återigen vilja betona behovet av att upprätthålla en strikt balans mellan laboratorieexperiment, teori och matematisk modellering. Ibland kan man höra påståenden om att ett precisionsexperiment för närvarande är mycket dyrt och kan ersättas av billigare matematisk modellering. Det finns också en motsatt position, där rollen av matematiska forskningsmetoder förringas. De enklaste exemplen på icke-triviala fenomen i nanometerintervallet av rumsliga dimensioner visar det fullständiga misslyckandet med radikala positioner.
Fenomen av rum-tid självorganisering på ytan av enkristaller av metaller
Tänk vid första anblicken det enklaste, men, som det visar sig, icke-triviala problemet. Anta att vi skulle vilja odla en högkvalitativ, enhetlig metallfilm, till exempel en platinafilm. För att göra detta bör man ta en tätt packad och rumsligt enhetlig yta av en enkristall som ett substrat och avsätta ett lager av atomer på den från en Knudsen-cell under högvakuumförhållanden. Atomer flyger ut ur cellen, adsorberas på en homogen yta, migrerar längs den och bildar ett nytt lager. När det första lagret har bildats, bildas nästa lager ovanpå det, och så vidare. Processen bestäms av endast två externa kontrollmakroparametrar - yttemperaturen och flödet av atomer till ytan. Det är bara nödvändigt att välja temperaturen och tillförselhastigheten för atomer på ett sådant sätt att, under den karakteristiska tiden för tillförsel av en ny atom, en atom som migrerar över ytan hinner integreras i det växande lagret. Det verkar som att det inte finns något lättare än att simulera filmtillväxt inom ramen för klassiska matematiska fysikmodeller. Endast en process behöver beskrivas: ytdiffusionen av inkommande partiklar. För att göra detta kan man använda diffusionsekvationen med en konstant källa i en tvådimensionell rumslig domän, komplettera den med ett lämpligt randvillkor, till exempel ett homogent randvillkor av det andra slaget, och utföra beräkningar. Uppenbarligen, med en tillräckligt snabb migrering, oberoende av de initiala förhållandena, kommer en rumsligt homogen lösning att erhållas med en tillräckligt hög noggrannhet, monotont ökande med tiden. Sådan modellering beskriver dock inte alls tillväxten av ett nytt lager och dess rumsliga struktur.
Ett experiment utfört med ett skanningstunnelmikroskop med ett Pt/Pt(111)5-homosystem visar (fig. 9) att adsorberade platinaatomer migrerar över ytan av (111)-ytan av en platinaenkristall, utan att följa Ficks lag. De bildar öar av ett nytt lager med olika rumsliga strukturer beroende på värdena på yttemperaturen och atomernas tillförselhastighet. Dessa kan vara lösa öar av fraktal struktur med fraktal
Fig. 9. Pt/Pt (111)
Ris. 10. Co/Re (0001): a - CoRe; b - Co2Re; c - Co 3 Re
dimension 1,78 (fig. 9a), eller kompakta öar med platoniska former i form av regelbundna trianglar (fig. 9b, 9d) och hexagoner (fig. 9c), dessutom lika orienterade i förhållande till de kristallografiska axlarna. Således, vid en temperatur av 400 K, ser trianglarnas hörn "nedåt" (fig. 9b). Vid en temperatur av 455 K tar de växande öarna formen av regelbundna hexagoner (fig. 9c). Vid högre temperatur bildas återigen den regelbundna triangulära formen på öarna, men den här gången tittar deras toppar "upp" (fig. 9d). Formen och orienteringen på de triangulära öarna är stabila. Ytterligare tillförsel av atomer leder till en tredimensionell tillväxtregim, som ett resultat av vilket det växande lagret alltid är inhomogent och har en pyramidformad tredimensionell struktur.
I samband med tillväxtens egenheter uppstår åtminstone två grundläggande frågor.
Hur ska man teoretiskt beskriva det enklaste systemets icke-triviala dynamiska beteende?
Vilka är sätten att kontrollera systemet för att säkerställa skiktad tillväxt och erhålla ett högkvalitativt rumsligt enhetligt skikt?
Liknande frågor uppstår också i heterosystem, när en film av en annan metall odlas på ytan av en metall. Så när det gäller att odla en silverfilm på platina kan man observera öar med fraktala och dendritiska strukturer, öar i form av en trestrålad stjärna från Mercedes-företaget och andra spatiotemporala självorganiseringsfenomen som åtföljer de ojämna tre -dimensionell tillväxt av en tunn metallfilm. I fallet med koboltfilmtillväxt på en homogen (0001) yta av en rheniumenkristall bildas ytlegeringar med olika stökiometri och följaktligen rumslig struktur: CoRe (Fig. 10a), Co 2 Re (Fig. 10b), Co 3 Re (Fig. 10c) och icke-trivial ytstruktur. I illustrationerna i fig. 10, kan man se att stora cirklar (rheniumatomer) är omgivna av ett annat antal små cirklar (koboltatomer). Dessa legeringar har intressanta magnetiska egenskaper.
Det är omöjligt att inte uppehålla sig vid ett mer paradoxalt fenomen - den anomalt höga rörligheten hos stora kompakta kluster. Efter författarna till ett anmärkningsvärt experimentellt arbete, låt oss överväga ett kompakt kluster med regelbunden form, bestående av det "magiska" antalet iridiumatomer N = 1 + Зn(n - 1), n = 2, 3, .. N = 19, på ytan av en tätt packad yta (111) iridium. Det verkar som om rörligheten för ett kluster som innehåller två dussin atomer, som helhet, borde vara många storleksordningar mindre än rörligheten för en enskild atom, eftersom migrationen av atomer verkar vara en slumpmässig process. Experimentet fann att migrationshastigheten för "korrekta" kluster är jämförbar med migrationshastigheten för en enskild atom! Denna konsekvens av den kollektiva rörelsen av klusteratomer kräver en detaljerad teoretisk beskrivning och matematisk modellering. Resultaten av en sådan analys är av stort intresse för att beräkna de pre-exponentiella och effektiva aktiveringsenergierna för migration för den dynamiska Monte Carlo-metoden och för de kinetiska ekvationerna för ett icke-idealt lager. Genom att känna till de faktiska migrationshastigheterna kan man korrekt uppskatta livslängden för strukturer i nanoskala.
Det finns ingen anledning att övertyga läsaren om att de listade resultaten av laboratorieexperimentet visar behovet av utveckling av klassiska modeller för matematisk fysik. I studien av nanoobjekt, där det krävs, bör man överge idén om ett kontinuerligt medium, som ligger till grund för de allra flesta modeller av matematisk fysik. Modellering genom tröghet, utan att ta hänsyn till resultaten av ett laboratorieexperiment, leder till helt felaktiga resultat. Behovet av en ny modern kurs i matematisk fysik, som tar hänsyn till nanoobjektens egenskaper, är också uppenbart. I denna kurs bör man särskilt uppmärksamma
Ris. 11. (CO + O 2)/Pt(210)
metoder för diskret matematik, enumerativ kombinatorik, gruppteori.
Mer komplexa exempel på icke-trivialt dynamiskt beteende hos öppna icke-ideala system ges av modellreaktioner av heterogen katalys på vissa ytor av ädelmetallenkristaller (Pt(111), Pt(100), Pt(110), Pt(210), Pd( 111), Pd(110)) vid låga partialtryck i gasfasen. Dessa är oxidationsreaktionerna av kolmonoxid (CO) med syre (O 2), samt reduktionen av kvävemonoxid (NO) med väte (H 2), ammoniak (NH 3) och kolmonoxid. Dessa reaktioner spelar en betydande roll i miljöproblemet med efterförbränning av giftiga utsläpp (NO, CO, etc.) från förbränningsmotorer och värmekraftverk. Forskning utförd under de senaste åren har avslöjat den fascinerande nano- och mesodynamiken hos dessa system. Fasövergångar av typen ordningsstörning, åtföljda av bildningen av överbyggnader i adsorbatmonoskiktet, fasövergångar av typen av separation i faser, spontan och adsorbatinducerad rekonstruktion av ytan på enkristallytorna och korrosion av katalysator hittades. Processerna för spatiotemporal självorganisering som sker i nanometerskalan är nära besläktade med liknande fenomen som observerats med hjälp av emissionsfotoelektronmikroskopi i mikrometerområdet. Sådana fenomen inkluderar mikrometerspiral, stående och triggervågor, dubbel metastabilitet och kemisk turbulens. Figur 11 visar resultaten av en studie av spatiotemporal självorganisering i reaktionen av kolmonoxidoxidation på ytan av en Pt(210) enkristall med metoden för emissionsfotoelektronmikroskopi. Varje ram (380 x 380 mm) visar den rumsliga fördelningen av adsorberade CO-molekyler (ljusa områden) och syreatomer (mörka områden) på katalysatorytan för olika CO- och syrepartialtryck i gasfasen vid en konstant yttemperatur. Spiralvågor och autovågor av en fasövergång såsom separation i faser, fenomen med dubbel metastabilitet etc. är tydligt synliga.
1 Storleken på en atom är några tiondelar av en nanometer.
2 Beskrivning av enheter och principer för deras funktion finns i.
3 Ett par naturliga tal (m, n) bestämmer kiralitetsvektorn i grafitplanet. Nanorörsaxeln är vinkelrät mot kiralitetsvektorn. Således, för (n, n) ((n, 0)) är rörets axel parallell (vinkelrät) mot sidan av en regelbunden hexagon.
4 Förkortningen BDC står för bensendikarboxyl och DMF står för dimetylformamid.
5 Siffrorna inom parentes anger Miller-indexen för ytan av enkristallsubstratet.
Nyckelteknologier och material har alltid spelat en viktig roll i civilisationens historia, och utför inte bara snäva produktionsfunktioner utan också sociala. Det räcker med att påminna om hur mycket sten- och bronsåldern, åldern för ånga och elektricitet, atomenergi och datorer skilde sig mycket åt. Enligt många experter kommer det 21:a århundradet att bli nanovetenskapens och nanoteknikens århundrade, vilket kommer att avgöra dess ansikte.
Nanovetenskap kan definieras som en mängd kunskap om materias beteende i nanometerskala, och nanoteknik som konsten att skapa och driva objekt med storlekar från bråkdelar till hundratals nanometer (åtminstone i en eller två av de tre dimensionerna) .
Huvudkomponenterna för nanoteknik visas i fig. 2.1. Dess grundläggande grund är fysik, kemi och molekylärbiologi för artificiella och naturliga volymer, bestående av ett räknebart antal atomer, d.v.s. sådana objekt, i vilka ett starkt beroende av alla egenskaper på deras storlek (storlekseffekter), en diskret atom-molekylstruktur hos ett ämne och/eller kvantlagar för dess beteende manifesteras redan i stor utsträckning.
En annan viktig komponent i nanoteknik är förmågan att målmedvetet skapa eller hitta i naturen nanostrukturerade material och föremål med förutbestämda egenskaper. Nästa komponent i nanoteknik
Skapande av färdiga produkter, flerkomponentsprodukter med nya konsumentkvaliteter och syfte (superkapacitetsminne, ultrasnabba processorer, intelligenta nanorobotar, etc.). Slutligen är metoderna för kontroll, certifiering och forskning av nanoprodukter och nanostrukturerade material i alla stadier av tillverkning och användning också en nödvändig komponent i nanotekniken.
Dussintals stora program implementeras redan inom området nanovetenskap och nanoteknik i alla utvecklade länder i världen. Nanoteknik används inom så viktiga områden för samhället som sjukvård och medicin, bioteknik och miljöskydd, försvar och flyg, elektronik och datorer, kemisk och petrokemisk produktion, energi och transporter. Tillväxttakten för investeringar och införandet av nanoteknik i de industrialiserade länderna i världen är nu mycket hög, och under de kommande 10-20 åren kommer det att avgöra nivån på ekonomisk utveckling och i stor utsträckning sociala framsteg i samhället .
En sådan utsikt ställer nya utmaningar för hela utbildningssystemet, i första hand yrkesutbildningen. Eftersom nanoteknik innebär integration av grundläggande kunskap och högteknologiska metoder för framställning av nanostrukturerade material och färdiga produkter, har det funnits en tendens vid västerländska universitet att minska utbildningsvolymen av både "rena" fysiker, matematiker, kemister, biologer, och traditionella ingenjörer: metallurger, mekaniker, kraftingenjörer, teknologer, och öka andelen "syntetiska" specialiteter inom området fysisk materialvetenskap och nanoteknik.
Under de senaste åren har omkring 10 tusen artiklar om nanoproblem publicerats i världstidskrifter och ett dussin månatliga specialiserade tidskrifter har publicerats inom vissa områden av nanovetenskap.
Så, vad förstås nu med nanoteknik? Själva decimalprefixet "nano" betyder en miljarddel av något. Rent formellt faller alltså föremål med karakteristiska dimensioner R (åtminstone längs en koordinat) mätt i nanometer (1 nm = 10-9 m = 10E) inom ramen för denna aktivitet.
I verkligheten är utbudet av föremål och fenomen som övervägs mycket bredare - från enskilda atomer (R< 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, со- держащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях (рис.2.2). В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие - время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нc (10-9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков величины в ряде наноструктур.
Det skulle vara naivt att tro att före tillkomsten av nanoteknikens era stötte en person inte på och använde inte objekt och processer på nanonivå. Så biokemiska reaktioner mellan makromolekyler som utgör allt levande, erhållande av fotografiska bilder, katalys i kemisk produktion, jäsningsprocesser vid tillverkning av vin, ost, bröd och andra sker på nanonivå. Men "intuitiv nanoteknik", som till en början utvecklades spontant, utan en ordentlig förståelse för de objekt och processer som används, kan inte vara en tillförlitlig grund i framtiden. Därför är grundforskning som syftar till att skapa fundamentalt nya tekniska processer och produkter av största vikt. Det är möjligt att nanoteknik kommer att kunna ersätta en del av de föråldrade och ineffektiva teknikerna, men ändå är dess främsta plats i nya områden där det i princip är omöjligt att uppnå de resultat som krävs med traditionella metoder.
Sålunda, i det stora och fortfarande dåligt bemästrade gapet mellan makronivån, där välutvecklade kontinuumteorier om kontinuerliga medier och tekniska metoder för beräkning och design fungerar, och atomnivån, som lyder under kvantmekanikens lagar, finns det en omfattande meso-hierarkisk nivå av materiens struktur (texos - medium, mellanliggande med grekiska). På denna nivå sker vitala biokemiska processer mellan makromolekylerna DNA, RNA, proteiner, enzymer, subcellulära strukturer, vilket kräver en djupare förståelse. Samtidigt kan tidigare osynliga produkter och teknologier skapas här på konstgjord väg som radikalt kan förändra livet för hela den mänskliga gemenskapen. Samtidigt kommer det inte att kräva stora utgifter för råvaror och energi, liksom medel för deras transport, mängden avfall och miljöföroreningar kommer att minska, arbetskraften kommer att bli mer intelligent och hälsosam.
Föreläsning #19
Nanoteknik har de senaste åren blivit ett av de viktigaste och mest spännande kunskapsområdena i framkanten av fysik, kemi, biologi och ingenjörsvetenskap. Det ger stora förhoppningar om tidiga genombrott och nya riktningar inom den tekniska utvecklingen inom många verksamhetsområden. För att underlätta och påskynda den breda användningen av detta nya tillvägagångssätt är det viktigt att ha allmänna idéer och viss specifik kunskap, som å ena sidan skulle vara tillräckligt detaljerad och djup för att täcka ämnet i detalj, och på samtidigt, tillgänglig och komplett nog att vara användbar för ett brett spektrum av specialister som vill lära sig mer om kärnan i frågan och framtidsutsikterna inom detta område.
Det nuvarande utbredda intresset för nanoteknik går tillbaka till 1996 - 1998, då en regeringskommission, med hjälp av World Technology Evaluation Center (WTEC), finansierat av US National Science Foundation och andra federala myndigheter, genomförde en studie av världserfarenhet av forskning och utveckling inom området nanoteknik för att bedöma deras potential för teknisk innovation. Nanoteknik bygger på förståelsen att partiklar mindre än 100 nanometer (en nanometer är en miljarddels meter) ger nya egenskaper och beteende till material som tillverkas av dem. Detta beror på att föremål som är mindre än den karakteristiska längden (vilket beror på det speciella fenomenets natur) ofta uppvisar annan fysik och kemi, vilket leder till så kallade storlekseffekter, ett nytt beteende beroende på partikelstorlek. Så till exempel observerades förändringar i den elektroniska strukturen, ledningsförmåga, reaktivitet, smälttemperatur och mekaniska egenskaper vid mindre kritiska partikelstorlekar. Beteendets beroende av partikelstorlekar gör att man kan designa material med nya egenskaper från samma initiala atomer.
Enligt WTEC har denna teknologi stor potential för användning inom ett extremt stort och mångsidigt utbud av praktiska områden - från produktion av starkare och lättare strukturmaterial till att minska leveranstiden av nanostrukturerade läkemedel till cirkulationssystemet, vilket ökar kapaciteten hos magnetiska medier och skapa triggers för snabba datorer. De rekommendationer som denna och efterföljande kommittéer gett har lett till att mycket stora medel har avsatts för utveckling av nanovetenskap och nanoteknik de senaste åren. Tvärvetenskaplig forskning har täckt ett brett spektrum av ämnen - från kemin för katalys av nanopartiklar till fysiken hos kvantpunktslasrar. Som ett resultat, för att uppskatta de mest allmänna perspektiven och implikationerna av utvecklingen av nanoteknik och för att ge ett bidrag till detta nya spännande verksamhetsområde, insåg man att forskare med jämna mellanrum behöver gå utanför sitt smala yrkesområde kunskap. Tekniska chefer, experter och de som fattar ekonomiska beslut måste förstå ett mycket brett spektrum av discipliner.
Nanoteknik har kommit att ses inte bara som en av de mest lovande grenarna av högteknologi, utan också som en systembildande faktor i 2000-talets ekonomi - en ekonomi baserad på kunskap snarare än användningen av naturresurser eller deras bearbetning. Förutom det faktum att nanoteknik stimulerar utvecklingen av ett nytt paradigm för all produktionsverksamhet ("bottom-up" - från enskilda atomer - till produkten, och inte "top-down", som i traditionell teknik, där produkten erhålls genom att skära bort överflödigt material från en mer massiv ämnen), är det i sig en källa till nya tillvägagångssätt för att höja levnadsstandarden och lösa många sociala problem i ett postindustriellt samhälle. Enligt de flesta experter inom området vetenskap och teknikpolitik och investeringar kommer den nanotekniska revolutionen som har börjat att täcka alla vitala områden av mänsklig aktivitet (från rymdutforskning till medicin, från nationell säkerhet till ekologi och jordbruk), och dess konsekvenser kommer att bli bredare och djupare än datorrevolutionerna under den sista tredjedelen av 1900-talet. Allt detta väcker uppgifter och frågor inte bara på det vetenskapliga och tekniska området, utan även inför administratörer på olika nivåer, potentiella investerare, utbildningssektorn och statliga organ. ledning etc.
Under de senaste åren har det funnits ett tillräckligt antal publikationer som ägnas åt teori, egenskaper och praktisk tillämpning av nanomaterial och nanoteknik. I synnerhet presenteras detta ämne brett i boken av Ch. Pool och Jr.F. Owens, Nanotechnology, trans. från engelska, 2:a, reviderade upplagan, utg. "Technosphere", M., 2006, 335s. Författarna noterar att även om den här boken ursprungligen var planerad som en introduktion till nanoteknik, på grund av denna vetenskaps natur, har den blivit en introduktion till vissa områden av nanoteknik, som uppenbarligen är dess typiska representanter. På grund av den höga utvecklingshastigheten och den tvärvetenskapliga karaktären är det omöjligt att ge en verkligt heltäckande presentation av ämnet. Ämnen som presenterades valdes ut baserat på uppnådd djup av förståelse för frågan, volymen av deras potential eller befintliga tillämpningar inom teknik. Många kapitel diskuterar nuvarande och framtida möjligheter. För dem som vill lära sig mer om de specifika områden där denna teknik utvecklas, finns referenser till litteraturen.
Författarna har försökt ge en introduktion till ämnet nanoteknik, skriven på en sådan nivå att forskare inom olika områden kan uppskatta utvecklingen av området utanför sina yrkesintressen, och tekniska ledare och chefer kan få en överblick över ämnet. Kanske kan den här boken användas som grund för en universitetskurs i nanoteknik. Många kapitel ger introduktioner till de fysikaliska och kemiska principerna som ligger till grund för de diskuterade områdena. Många kapitel är alltså självförsörjande och kan studeras oberoende av varandra. Således inleds kapitel 2 med en kort översikt över bulkmaterialens egenskaper, vilket är nödvändigt för att förstå hur och varför materialens egenskaper förändras när storleken på deras strukturella enheter närmar sig nanometern. En viktig stimulans för en så snabb utveckling av nanoteknik var skapandet av nya verktyg (som scanning tunnelmikroskopet), som gjorde det möjligt att se nanometerstora egenskaper på materialytan. Därför beskriver kapitel 3 de viktigaste instrumentsystemen och ger illustrationer av mätningar i nanomaterial. Resten av kapitlen behandlar andra aspekter av problemet. Boken täcker ett mycket brett spektrum av problem och ämnen: effekter förknippade med storleken och dimensionen av nanovetenskapliga och tekniska objekt, magnetiska, elektriska och optiska egenskaper hos nanostrukturerade material, metoder för deras framställning och studier, självmontering och katalys i nanostrukturer, nanobioteknik, integrerade nanoelektromekaniska enheter, fulleriter, nanorör och mycket mer. Ett antal moderna metoder för forskning och certifiering av nanostrukturer och nanoobjekt beskrivs: elektron- och jonfältsmikroskopi, optisk, röntgen- och magnetisk spektroskopi.
Samtidigt är luckor i strukturen och innehållet i enskilda avsnitt också uppenbara. Information om nanoelektronik, spintronik, nya idéer gällande kvantberäkning och datorer saknas alltså nästan helt. De flesta av dem nämns inte ens. Absolut otillräcklig uppmärksamhet har ägnats åt de extremt kraftfulla och utbredda probskanningsmetoderna för forskning, certifiering, litografi och atomär och molekylär design. Ett litet stycke som ägnas åt dessa frågor är helt oproportionerligt med sondnanoteknikens roll och plats. En mycket blygsam plats ges till svag supraledning och mycket lovande enheter baserade på den. Filmer och heterostrukturer som spelar en viktig roll i modern plan elektronik, superhårda och slitstarka beläggningar etc. presenteras sparsamt. ing, nano-scraping, etc.).
Vi noterar också att ingen systematisering av objekt och processer inom nanoteknik ges någonstans, vilket gör att det förblir oklart för en oerfaren läsare vilken del av ämnet han kommer att kunna bekanta sig med efter att ha läst den här boken.
Trots de brister som noterats ovan kan boken i allmänhet anses vara användbar för ett brett spektrum av läsare, inklusive studenter inom fysikaliska, kemiska och materialvetenskapliga specialiteter. Det senare är desto mer relevant eftersom utbildningslitteratur om nanoteknik på ryska nästan helt saknas, och behovet av det är stort på grund av utbildningen av specialister inom nanomaterial och nanoelektronik som började 2003 vid 12 ryska universitet.
Alla idéer och tolkningar av författarna kan inte enas villkorslöst. Men för att inte belamra texten med ett stort antal kommentarer, tillägg och kritik har endast uppenbara fel, inkonsekvenser och stavfel eliminerats vid översättning och redigering.
Under författandet av boken och dess omtryck på ryska har många användbara böcker publicerats, av vilka några listas nedan. Enligt dem kan den intresserade läsaren bekanta sig mer med de enskilda avsnitten och panoramat av nanoteknik som helhet.
Nanomaterial inkluderar konventionellt dispergerade och massiva material som innehåller strukturella element (korn, kristalliter, block, kluster och andra), vars geometriska dimensioner inte överstiger 100 nm i minst en dimension, och som har kvalitativt nya funktionella och operativa egenskaper. Nanoteknik inkluderar teknologier som ger möjlighet att skapa och modifiera nanomaterial på ett kontrollerat sätt, samt att integrera dem i fullt fungerande storskaliga system. Bland huvudkomponenterna i vetenskapen om nanomaterial och nanoteknik kan följande särskiljas:
grundläggande studier av materialegenskaper på nanoskalanivå;
utveckling av nanoteknik för målmedvetet skapande av nanomaterial, såväl som sökandet efter och användning av naturliga föremål med nanostrukturella element, skapandet av färdiga produkter med användning av nanomaterial och integrationen av nanomaterial och nanoteknik i olika industrier och vetenskaper;
utveckling av verktyg och metoder för att studera nanomaterials struktur och egenskaper, samt metoder för övervakning och certifiering av produkter och halvfabrikat för nanoteknik.
2000-talet präglades av en revolutionerande start i utvecklingen av nanoteknik och nanomaterial. De används redan i alla utvecklade länder i världen inom de viktigaste områdena för mänsklig aktivitet (industri, försvar, informationssfär, radioelektronik, energi, transport, bioteknik, medicin). En analys av tillväxten i investeringar, antalet publikationer om detta ämne och implementeringstakten av grundläggande utveckling och sökutveckling gör att vi kan dra slutsatsen att användningen av nanoteknik och nanomaterial kommer att vara en av de avgörande faktorerna under de kommande 20 åren. staters vetenskapliga, ekonomiska och försvarsmässiga utveckling. För närvarande ökar ständigt intresset för en ny klass av material inom både grundvetenskap och tillämpad vetenskap samt industri och näringsliv. Detta beror på följande skäl:
strävar efter miniatyrisering av produkter,
unika egenskaper hos material i nanostrukturerat tillstånd,
behovet av att utveckla och implementera material med kvalitativt och kvantitativt nya egenskaper,
utveckling av nya tekniska metoder och metoder baserade på principerna om självmontering och självorganisering,
praktisk implementering av moderna instrument för forskning, diagnostik och modifiering av nanomaterial (scanning probe mikroskopi),
utveckling och implementering av ny teknik, som är en sekvens av litografiprocesser, tekniker för att erhålla nanopulver.
Riktningen för nanostrukturforskning har nästan helt skiftat från att erhålla och studera nanokristallina ämnen och material till området nanoteknologi, det vill säga skapandet av produkter, enheter och system med nanostora element. De huvudsakliga tillämpningsområdena för element i nanoskala är elektronik, medicin, kemiska läkemedel och biologi.
Rysslands president Dmitrij Medvedev är övertygad om att landet har alla förutsättningar för en framgångsrik utveckling av nanoteknik.
Nanoteknik är ett nytt område inom vetenskap och teknik som har utvecklats aktivt under de senaste decennierna. Nanoteknik inkluderar skapandet och användningen av material, enheter och tekniska system, vars funktion bestäms av nanostrukturen, det vill säga dess ordnade fragment som sträcker sig i storlek från 1 till 100 nanometer.
Prefixet "nano", som kom från det grekiska språket ("nanos" på grekiska - dvärg), betyder en miljarddels del. En nanometer (nm) är en miljarddels meter.
Termen "nanoteknik" (nanoteknik) myntades 1974 av professor-materialforskare från University of Tokyo Norio Taniguchi (Norio Taniguchi), som definierade det som "tillverkningsteknik som gör det möjligt att uppnå ultrahög precision och ultrasmå dimensioner. .. i storleksordningen 1 nm ..." .
Nanovetenskap skiljer sig tydligt från nanoteknik i världslitteraturen. Termen vetenskap i nanoskala används också för nanovetenskap.
På ryska och i praktiken av rysk lagstiftning och förordningar kombinerar termen "nanoteknik" "nanovetenskap", "nanoteknik" och ibland även "nanoindustri" (affärs- och produktionsområden där nanoteknik används).
Den viktigaste komponenten i nanoteknik är nanomaterial, det vill säga material vars ovanliga funktionella egenskaper bestäms av den ordnade strukturen hos deras nanofragment som sträcker sig i storlek från 1 till 100 nm.
- nanoporösa strukturer;
- nanopartiklar;
- nanorör och nanofibrer
- nanodispersioner (kolloider);
- nanostrukturerade ytor och filmer;
- nanokristaller och nanokluster.
Nanosystemteknik- helt eller delvis skapade på grundval av nanomaterial och nanoteknik, funktionellt kompletta system och anordningar, vars egenskaper skiljer sig väsentligt från egenskaperna hos system och anordningar med liknande syfte, skapade med traditionell teknik.
Tillämpningar av nanoteknik
Det är nästan omöjligt att lista alla områden där denna globala teknik kan påverka tekniska framsteg avsevärt. Vi kan bara nämna några av dem:
- element av nanoelektronik och nanofotonik (halvledartransistorer och lasrar;
- fotodetektorer; Solceller; olika sensorer)
- anordningar för ultratät inspelning av information;
- Telekommunikations-, informations- och datorteknik. superdatorer;
- videoutrustning - platta skärmar, monitorer, videoprojektorer;
- Molekylära elektroniska anordningar, inklusive omkopplare och elektroniska kretsar på molekylär nivå.
- nanolitografi och nanoimprinting;
- Bränsleceller och energilagringsanordningar.
- anordningar för mikro- och nanomekanik, inklusive molekylära motorer och nanomotorer, nanorobotar;
- Nanokemi och katalys, inklusive förbränningskontroll, beläggning, elektrokemi och läkemedel.
- Flyg-, rymd- och försvarstillämpningar.
- anordningar för övervakning av miljöns tillstånd;
- Riktad leverans av läkemedel och proteiner, biopolymerer och läkning av biologiska vävnader, klinisk och medicinsk diagnostik, skapande av konstgjorda muskler, ben, implantation av levande organ;
- biomekanik; genomik; bioinformatik; bioinstrumentering;
- Registrering och identifiering av cancerframkallande vävnader, patogener och biologiskt skadliga ämnen.
- Säkerhet inom jordbruk och livsmedelsproduktion.
Datorer och mikroelektronik
Nanodator- en datorenhet baserad på elektronisk (mekanisk, biokemisk, kvant)teknologi med storleken på logiska element i storleksordningen flera nanometer. Själva datorn, utvecklad på basis av nanoteknik, har också mikroskopiska dimensioner.
DNA dator- ett datorsystem som använder beräkningskapaciteten hos DNA-molekyler. Biomolecular computing är ett samlingsnamn för olika tekniker relaterade till DNA eller RNA på ett eller annat sätt. Inom DNA-beräkning representeras data inte i form av nollor och ettor, utan i form av en molekylstruktur byggd på DNA-helixen. Rollen av programvara för att läsa, kopiera och hantera data utförs av speciella enzymer.
Atomkraftsmikroskop- Högupplöst scanningsprobmikroskop, baserat på interaktionen av den fribärande nålen (sonden) med ytan på provet som studeras. Till skillnad från ett scanning tunneling microscope (STM) kan det undersöka både ledande och icke-ledande ytor även genom ett vätskeskikt, vilket gör det möjligt att arbeta med organiska molekyler (DNA). Den rumsliga upplösningen av ett atomkraftmikroskop beror på storleken på konsolen och krökningen på dess spets. Upplösningen når atomär horisontellt och överstiger den avsevärt vertikalt.
Antennoscillator– Den 9 februari 2005 togs en oscillatorantenn med en storlek på cirka 1 mikron emot i laboratoriet vid Boston University. Den här enheten har 5 000 miljoner atomer och kan oscillera med en frekvens på 1,49 gigahertz, vilket gör att du kan överföra enorma mängder information med den.
Nanomedicin och läkemedelsindustrin
En riktning inom modern medicin baserad på användningen av de unika egenskaperna hos nanomaterial och nanoobjekt för att spåra, designa och förändra mänskliga biologiska system på nanomolekylär nivå.
DNA nanoteknik- använda de specifika baserna av DNA-molekyler och nukleinsyror för att skapa tydligt definierade strukturer på grundval av dessa.
Industriell syntes av molekyler av läkemedel och farmakologiska preparat av väldefinierad form (bis-peptider).
I början av 2000, tack vare de snabba framstegen inom tekniken för tillverkning av partiklar i nanostorlek, gavs en impuls till utvecklingen av ett nytt nanoteknikområde - nanoplasmonik. Det visade sig vara möjligt att överföra elektromagnetisk strålning längs en kedja av metallnanopartiklar genom excitation av plasmonoscillationer.
Robotik
Nanobots- Robotar skapade av nanomaterial och jämförbara i storlek med en molekyl, med funktionerna rörelse, bearbetning och överföring av information, exekvering av program. Nanorobotar som kan skapa kopior av sig själva, d.v.s. självreproducerande kallas replikatorer.
För närvarande har elektromekaniska nanoenheter med begränsad rörlighet redan skapats, som kan betraktas som prototyper av nanorobotar.
Molekylära rotorer- Syntetiska nanomotorer som kan generera vridmoment när tillräckligt mycket energi appliceras på dem.
Rysslands plats bland de länder som utvecklar och producerar nanoteknik
De världsledande när det gäller totala investeringar inom nanoteknikområdet är EU-länderna, Japan och USA. Nyligen har Ryssland, Kina, Brasilien och Indien ökat investeringarna i denna bransch avsevärt. I Ryssland kommer finansieringsbeloppet inom ramen för programmet "Utveckling av nanoindustrins infrastruktur i Ryska federationen för 2008-2010" att uppgå till 27,7 miljarder rubel.
Den senaste (2008) rapporten från det Londonbaserade forskningsföretaget Cientifica, kallad "Nanotechnology Outlook Report", säger ordagrant följande om ryska investeringar: "Även om EU fortfarande rankas först när det gäller investeringar, har Kina och Ryssland redan gått om Förenta staterna."
Det finns sådana områden inom nanoteknik där ryska forskare blev de första i världen efter att ha fått resultat som lade grunden för utvecklingen av nya vetenskapliga trender.
Bland dem är produktionen av ultrafina nanomaterial, designen av enelektronanordningar, samt arbete inom området atomkraft och skanningssondsmikroskopi. Endast vid en specialutställning som hölls inom ramen för XII St. Petersburg Economic Forum (2008), presenterades 80 specifika utvecklingar på en gång.
Ryssland producerar redan ett antal nanoprodukter som efterfrågas på marknaden: nanomembran, nanopulver, nanorör. Men enligt experter ligger Ryssland tio år efter USA och andra utvecklade länder i kommersialiseringen av nanoteknologisk utveckling.
Materialet har utarbetats utifrån information från öppna källor
