X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     











АРХИВ "Студенческий научный форум"

НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИЕ
Маркина В.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

За последние несколько лет короткое слово с большим потенциалом - «нано» быстро вошло в мировое сознание. Существует множество слухов и ошибочных мнений относительно нанотехнологии. «Нано» - это не только крошечные роботы, которые могут (или не могут) завоевать мир. По сути, это огромный шаг в науке.

Наноматериалы - вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии - совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуре- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

История развития нанотехнологии

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать - изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого «нано» - карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4 … 5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов

Новая элементная база микроэлектроники и приборы на основе нанотехнологий и наноматериалов

Перспектива развития базовых комплементарных логик на транзисторах металл-оксид-полупроводник (КМОП) субмикронных техно­логий, в ос­новном, базируется на системе бухгалтерской и складской отчетности (СБИС) долговременного оперативно запоминающего устройства (ДОЗУ) потому, что ДОЗУ имеет наиболее простую структуру СБИС и реально отражает уровень технологии, в случае СБИС микропроцессоров в ка­честве ограничивающего фактора может выступить сложность самой структуры СБИС и факторы, связанные с «передачей» быстродействия от исполнительных элементов на внешние выводы. СБИС ДОЗУ служат своеобразным «оселком», на ко­тором «оттачивается» технология нового уровня и оценива­ются ее технико-экономические показатели.

В последнее время появились новые структуры полупровод­никовых приборов, среди которых следует отметить:

• одноэлектронные туннельные приборы (SET - Singe electron tunnelling);

• резонансные туннельные диоды (RTD - Resonant tunnelling diodes);

• квантовые приборы быстрого единичного разряда (RSFQ - ­Rapid Single Flux Qllantum).

Перспективная структура элементной базы СБИС проигры­вает по комплексным показателям применимости уже суще­ствующей стандартной КМОП-структуре. Принимая во вни­мание необходимость развития нового мощного технологи­ческого базиса для организации массового производства СБИС, в будущем в случае перехода на новую элементную базу и учитывая те колоссальные средства, которые человече­ство вложило в субмикронные технологии (по действующи­м оценкам эта сумма превышает 3 трлн. долл.), можно сделать самый главный вывод перспектив технологического разви­тия - человечество в ХХI веке и далее будет развивать элек­тронику в рамках технологий КМОП-структур с увеличени­ем функциональной сложности выпускаемых приборов и все более узкой специализацией разрабатываемых СБИС.

RSFQ-технология - единственная из известных, сочетающая высокое быстродействие при рассеиваемой мощности менее 1 мкВт/затвор. Однако стоимость и размеры систем охлажде­ния ограничивают разработку и широкое использование та­ких приборов.

Основу приборов молекулярной наноэлектроники составля­ют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Теоре­тические оценки показывают, что устройства молекулярной электроники будут превосходить ожидаемые кремниевые ана­логи по плотности элементов и рассеиваемой мощности, но уступать им по быстродействию. К сожалению, сегодня име­ется слишком мало экспериментальных результатов для се­рьезных оценок.

Хотя одноэлектронные транзисторы давно привлекают вни­мание исследователей, они не могут составить конкуренцию КМОП-приборам в схемах большой интеграции из-за недопу­стимого разброса параметров, необходимости низких (< 77 К) температур, специальной архитектуры. В то же время эти при­боры уже находят свою нишу как превосходные сенсоры.

Резонансно-туннельные и гетероструктурные приборы уже прочно завоевали нишу сверхбыстрых переключателей, сме­сителей, цифровых сигнальных процессоров, АЦП и ЦАП, т.е. области, где соотношение стоимость/функция не является оп­ределяющим. Но для использования резонансно-туннельных диодов в схемах большой интеграции (по мнению большин­ства специалистов) требуются еще значительные усилия.

В последние несколько лет все большее внимание уделяется вакуумной наноэлектронике, использующей автоэмиссионные свойства углеродных нанотрубок. Вначале усилия были на­правлены на их применение в плоских экранах, однако теперь появились сообщения об их использовании в наноприборах - аналогах вакуумных ламп. При этом разработана планарная конструкция, позволяющая реализовать большую степень ин­теграции. Оценки показывают, что при нормах проектирова­ния 20 нм плотность элементов в ЗУ может достигать 1010 … ­1011 см-2. Большое быстродействие (до десятков гигагерц), широкий диапазон температур (> 300°С) и ожидаемая высо­кая стойкость к спецвоздействиям открывают широкую до­рогу этим приборам для двойного применения.

Резкое повышение чувствительности сенсоров связывается с использованием квантовых (резонансных) явлений в нано­объектах, высокой поверхностной чувствительностью нано­структурированных материалов. При этом предполагается уменьшение габаритов датчиков и увеличение степени их интеллектуализации.

Серьезные усилия будут направлены на создание плоских и гибких экранов повышенной яркости любых размеров и кон­фигураций - проекционных экранов, табло, дисплеев, очков­-экранов. При этом предполагается существенное снижение потребляемой мощности. Наиболее перспективные направ­ления - лазерные и светодиодные матрицы для проекцион­ных экранов и автоэмиссионные катоды на основе углерод­ных нанотрубок для плоских экранов любой сложности.

Наиболее впечатляющих результатов в последнее время до­билась фирма Motorola, которой удалось создать плоский дисплей с использованием нанотрубок в качестве электродов. Для ото­бражения цвета использованы привычные телевизионные люминофоры, что обеспечивает достаточную яркость и насы­щенность цвета. По скорости отклика, углу обзора, сроку службы, диапазону рабочих температур, геометрическим характерис­тикам прототип (5-дюймовый фрагмент с разрешением 1280х720 элементов изображения толщиной ~ 3 мм) не усту­пает дисплеям на базе ЭЛТ.

Новая технология получила название Nano Emissive Display (NED) - наноэмиттирующий дисплей. Предполагается, что стоимость 40-дюймовой NЕD-панели не превысит 400 долл.

Развитие автономных, электромеханических систем связано с проблемой энергопотребления, поэтому необходима разработ­ка новых принципов источников питания, в частности хими­ческих.

Особо следует подчеркнуть, что наблюдаемая широкая волна открытий все новых эффектов в наноструктурах вызывает эйфорию не только у ученых, но даже у военных, которые готовы видеть в наноэлектронике и микромеханике техни­ческое будущее человечества и соответственно создание на их основе сверхсистем военного и информационного обеспечения.

Надо помнить, что действующие на атомарном и молекуляр­ном уровнях (наноуровень) природные биологические струк­туры защищены от внешнего воздействия макросистемами организма, осуществляющих контроль и восстановление по­вреждений, обеспечивающих энергетическую подпитку фун­кционирования.

Можно ожидать, что в ближайшем будущем (2020 … 2030 гг.) появятся гибридные системы микроэлектроники, нанотехно­логии и микромеханики, способные к выполнению опреде­ленных экстремальных функций, но вопрос их надежного фун­кционирования при определенных видах внешнего воздействия остается открытым.

В качестве такого комплексного использования биологии, элек­троники и микромеханики можно привести разработку (Ка­лифорнийский университет, Лос-Анджелес) первого в мире робота, который в качестве «двигателя» использует живую сер­дечную мышцу. Кибернетический организм, если его, конечно, можно так назвать, по толщине вдвое тоньше человеческого волоса, его диаметр составляет всего-навсего 50 микронов. Тем не менее, робот способен самостоятельно передвигаться, раз­вивая при этом скорость до сорока микронов в секунду.

Фактически наноробот представляет собой кремниевую дугу, соединенную с пульсирующей сердечной мышцей. Сокраща­ясь и расслабляясь, мышца заставляет сгибаться и разгибать­ся концы кремниевой пластины, за счет чего и обеспечивает­ся поступательное перемещение. Со стороны «походка» ро­бота напоминает движения гусеницы, хотя рассмотреть тво­рение американских исследователей можно только лишь под микроскопом. Следует также заметить, что сам мускул черпа­ет энергию из питательного раствора на основе глюкозы, ко­торая теоретически может собираться с любой биологичес­кой поверхности, по которой ползет кремниевый «организм».

Предполагается, что в будущем миниатюрные роботы на ос­нове сердечной мышцы будут использоваться для создания крошечных стимуляторов нервов. Такие стимуляторы могли бы помочь парализованным людям, не способным дышать самостоятельно. Специалисты NASA рассчитывают исполь­зовать подобные роботы для «латания» трещин, оставленных микрометеоритами на обшивке шаттлов.

С точки зрения военного ведомства национальной безопас­ности США нанотехнология будет играть определяющую роль в военном доминировании государств, в первую очередь за счет снижения стоимости и трудоемкости производства средств ведения войны, при одновременном уменьшении вероятности потерь личного состава. С точки зрения военных применений нанотехнология должна обеспечить повышен­ное быстродействие процессорных систем обработки инфор­мации, увеличение емкости запоминающих устройств и сни­жение времени считывания, снижение массогабаритных ха­рактеристик устройств отображения информации, расшире­ние диапазона частот передачи информации. Это должно обес­печить почти мгновенную телекоммуникационную связь, ус­коренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию, улучшенные виртуальные тренажерные средства для личного состава. Наносенсоры обес­печат индивидуальную защиту личного состава войск за счет раннего и точного обнаружения химических и биологических средств поражения, а также значительно улучшат характерис­тики средств обнаружения и наведения.

Вооружение (военные платформы) будут обеспечены новы­ми качествами за счет использования наноматериалов, кото­рые характеризуются более низкой себестоимостью, отноше­нием массы к прочности и предельно низкой обнаруживае­мостью в мультиспектральном диапазоне.

Ярким примером тенденции замены традиционных материа­лов на нанокомпозиты может служить замена традиционного алюминия в боевой авиации НАТО на титановые и углерод­ные материалы (нанокомпозиты). Так, в конструкции истре­бителя F-22 содержание углеродных композитов достигает 19%, а в разрабатываемом V-22 их содержание в общей массе составит не менее 33%.

Существенная роль в авиакосмической отрасли отводится использованию новых керамических материалов, созданных на основе нанопорошков. В первую очередь - это высокотемпе­ратурные детали газотурбинных двигателей, обладающие по­вышенной прочностью и не подверженные коррозии, что как минимум удваивает жизненный цикл двигателей.

Добавки наноалюминия в ракетное твердое топливо позво­ляет увеличить скорость его горения в 15 раз по сравнению со стандартными алюминиевыми добавками, что обеспечивает увеличение мощности двигателя и стабилизирует процесс горения.

В качестве реального примера применения нанотехнологий в металлургии можно привести данные по созданию нанокри­сталлического никеля и его сплавов для формирования за­щитного покрытия внутренней поверхности труб парогене­раторов атомных электростанций в условиях высоких тепло­вых и потоковых нагрузок.

Особые перспективы в практическом использовании нано­технологий связывают с использованием углеродных нано­трубок, прочностные, поверхностные и электрофизические свойства которых не имеют аналогов.

Основная технологическая проблема применения нанотру­бок состоит в возможности получения их неограниченной длины. Нанотрубка представляет собой свернутую в трубку однослойную полоску из углеродных атомов, образующих шестигранную сетку ковалентных связей. При наличии дефектов (поворот одной ковалентной связи на 90°) образуются два пятиугольника и два семиугольника, что ослабляет структуру и снижает прочность. Конечно, прочностные характеристики углеродных нанотрубок (считается, что прочность трубок в десятки раз превосходит все известные материалы) являются чрезвычайно привлекательной характеристикой с момента их открытия в 1991 году.

Основные надежды применения нанотрубок в изделиях мас­сового потребления исследователи связывают с возможнос­тью создания сверхвысокопрочных и сверхлегких волокон и тканей.

Развитие наноматериалов и нанотехнологий в России

Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30 марта 2002 г. Президентом Российской Федерации "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

В основе такого подхода лежат:

 использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;

 ряд выдающихся открытий последних лет в области физики низкоразмерных систем и структур (целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла, квазичастицы с дробным зарядом и др.);

 разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства на основе эффекта гигантского магнитосопротивления);

 появление и развитие новых технологических приемов (приемы и методы, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

 методы, основанные на зондовой микроскопии и технике сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения; фемтосекундные методы);

 создание новых материалов с необычными свойствами (фуллерены, нанотрубки, нанокерамика) и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками.

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

Заключение

Разработка и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.

Список литературы

  1. Слепцов В.В. Наноматериалы и нанотехнологии. Курс лекций
  2. works.doklad.ru (дата обращения 11.12.17 )

  3. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии (А. И. Гусев)

  4. revolution.allbest.ru (дата обращения 11.12.17 )

  5. microsystems.ru (дата обращения 23.12.17 )