Что такое нанотехнологии, какова сфера их применения?

Наше восприятие окружающего мира быстро меняется в лучшую сторону. С появлением новых технологий, которые не только экологичны и экономически эффективны, но и обеспечивают гораздо более сложное понимание молекулярной природы вещей, мы находимся на пути к созданию революционных систем, которые работают с большой скоростью и откроют невиданные врата для прогресса человечества.

Имея неограниченное применение практически во всех сферах жизни, это технология сегодняшнего и завтрашнего дня!

Что такое нанотехнологии?

Проще говоря, нанотехнология относится к методу производства объектов, размер которых находится в нанометрах. Они могут достигать нескольких сотен нанометров. Один нанометр равен 10^-9 метрам, что составляет одну миллионную метра. Наноструктуры чрезвычайно сложны и находят широкое применение в различных областях.

Изобретение сканирующего туннельного микроскопа положило начало полномасштабному изучению структур на наноуровне. Многие непонятные крупномасштабные явления позволяют лучше понять их работу и происхождение, когда размер системы уменьшается в геометрической прогрессии.

Поэтому нанотехнологии помогают стереть различия в точности и достоверности между малыми и большими системами. Разворот свойств на 180 градусов, наблюдаемый при уменьшении размера системы, открывает новые возможности для новых и доселе неизвестных применений.

Методы нанотехнологий

Основное и наиболее тривиальное различие между различными методами нанопроизводства - это методы "сверху вниз" и "снизу вверх". Нанопроизводство "сверху вниз" предполагает извлечение мелких наноразмерных материалов из более крупного материала путем удаления из него остатков до получения желаемого размера и свойств. В этой категории используются печатные методы производства нанотехнологий.

Другой метод, то есть метод "снизу вверх", является полярной противоположностью сверху вниз. В этом методе объекты создаются на атомном или ядерном уровне и масштабируются до тех пор, пока не будет извлечен соответствующий продукт.

Методы сверху вниз

• Обычная литография - этот метод состоит из трех этапов: нанесения покрытия, экспонирования и проявки. Покрытие включает в себя нанесение на вещество, называемое подложкой, полимерного слоя, который называется резистом. Экспонирование включает в себя воздействие на резист электронными лучами. Проявка включает извлечение позитивного или негативного изображения из резиста с помощью химического вещества.
• Фотолитография - как ясно из названия, фотолитография использует ультрафиолетовые или рентгеновские лучи для экспонирования полимера через маску. Изображение, нанесенное на маску, воспроизводится путем наложения маски на резист.
• Сканирующая литография - этот метод использует высокоскоростные электроны и ионы для создания желаемых рисунков на резисте через маску. Достигаемое при этом разрешение больше, чем при фотолитографии.
• Мягкая литография - В этом методе используется форма, изготовленная из жидкого полимерного прекурсора. Этот метод в первую очередь помогает в создании крупного оборудования из наноструктур. Самым большим преимуществом этого метода является то, что форма обычно состоит из нетоксичных веществ и поэтому может быть использована из биологических наноматериалов.

Нанометоды сверху вниз

• Нанопечатная литография - литография наноотпечатков позволяет получить обратную 3D-структуру предварительно существующего наноматериала. Взятый объект называется мастером, и процесс осуществляется под очень высоким давлением, чтобы процесс репликации был точным. Этот метод можно представить как наномасштабное тиснение, поэтому он требует очень сложного оборудования.
• Наносферная литография - В наносферной литографии несколько наносфер размещаются вместе, что в конечном итоге создает упорядоченный рисунок на маске. Маска помещается в коллоид, который отличается для каждого материала поверхности объекта. Пустое пространство между выстроенными в ряд наносферами создает возможность для создания относительно плоских узоров на поверхности маски. Отверстия, оставшиеся на маске после процесса, могут быть использованы для создания чрезвычайно сложных 3D наноструктур и узоров.
• Коллоидная литография - в коллоидной литографии электростатические силы действуют на маску для создания очень сложных наноструктур и конструкций в виде небольших массивов. Это единственное отличие коллоидной литографии от наносферной. С помощью этого метода можно формировать различные типы наноструктур, такие, как отверстия, конусы и даже многослойные структуры.
• Сканирующая зондовая литография - для получения изображений используются самые маленькие вообразимые кончики, подобные структурам атомного масштаба. Этот метод оптимален для производства наноструктур высокого разрешения с очень сложными геометрическими рисунками.

Методы "снизу вверх"

Плазменная дуга - к электродам прикладывается рассчитанный потенциал, в котором возникает плазма. Газ ионизируется, и на двух электродах образуются пары. Этот метод в основном используется для сбора слоев на поверхностях.

Химическое осаждение из паровой фазы - вещество, которое необходимо осадить, переводится в газообразную форму, а затем ему дают возможность осадиться в твердом виде на поверхности другого объекта. Обычно для этого предпочтительна плоская поверхность.

Синтез золь-геля - этот процесс осуществляется в жидкой фазе. Жидкости затем дают возможность осесть на поверхности, и в конечном итоге она превращается в гелеобразное вещество.

Значение нанотехнологий

Медицина и повседневное использование

• Используется для защиты от бактерий, нержавеющей стали и без складок
• используется для изготовления тонких пленок без воды и осадка для компьютеров, ноутбуков, очков и камер
• используется в производстве "умных" тканей
• может помочь в процессе "облегчения" автомобильной промышленности
• играет большую роль в нано-биоинженерии для преобразования веществ в их сложные аналоги
• может помочь в создании мощных батарей и двигателей для автомобильной промышленности, которые также имеют температурный контроль
• наночастицы используются для создания специальных катализаторов, повышающих скорость и производительность химических реакций
• тестируются потенциальные методы лечения рака как в виде обнаружения, так и в виде лечения
• чистая вода может быть легко доступна практически без дополнительных затрат благодаря свойству наночастиц обнаруживать большое количество примесей.

Технологические применения

• Компьютеры с MRAM могут загружаться практически мгновенно
• С помощью нанотехнологий можно производить высокоскоростные и компактные транзисторы
• Можно производить телевизоры и компьютеры очень высокой четкости
• Новые ультрагибкие и складные устройства
• Возможность улучшенной диагностики
• технология помогла в создании более дешевых и эффективных молекулярных методов секвенирования генов
• экономическая эффективность и общие результаты использования солнечных батарей значительно улучшились

Нанотехнологии появились сравнительно недавно, но сфера их применения безгранична. Огромный спектр продуктов, которые можно создать или даже улучшить с помощью этой технологии, поражает воображение. Мы можем легко изменить свойства и основные характеристики любого вещества в соответствии с нашими потребностями. Вещи можно сделать дешевле, и в то же время более совершенными!