Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Комбинируя пересекающиеся решетки из нанопроволочных светоизлучающих диодов и передатчиков, можно создавать новые устройства с высокими коэффициентами усиления и другими ценными характеристиками, а затем даже формировать из них более сложные схемы. Таким сложным устройствам можно будет придавать новые функциональные способности, включая осуществление логических операций, что может привести к созданию мощных компьютеров нового типа.
Для создания вычислительных устройств необходимо, в первую очередь иметь два основных структурных элемента (транзисторы и диоды), причем транзисторы обеспечивают усиление по напряжению, а диоды – ряд важных операций. Малые размеры наноустройств делают их очень удобными для монтажа, а комбинирование нанодиодов и полевых транзисторов позволяет создавать логические вентили разных типов (AND, OR, NOR), являющиеся основой аппаратного обеспечения современной вычислительной техники (рис. 13.9).
Рис. 13.9. Логическая схема, построенная на основе решетки (1 х 3) пересекающихся нанопроволок с переходами. Врезка на рисунке схематически соответствует изображению на сканирующем электронном микроскопе, а также подключению к символической электрической схеме
13.4.2. Наноструктуры с полярными поверхностями
В качестве материала для коммерческих приложений одним из самых перспективных выглядит упомянутый выше оксид цинка ZnO, обладающий тремя достоинствами. Во-первых, он относится к классу полупроводников с прямыми оптическими переходами и широкой запрещенной зоной, а также способен излучать в ближней (длинноволновой) ультрафиолетовой области и оставаться фотопрозрачным при температурах выше комнатной. Благодаря нецентральной симметрии этот кристалл относится к пьезоэлектрическим, что позволяет создавать на его основе разнообразные электромеханические датчики и устройства связи, тем более что пьезоэлектрический коэффициент поляризованной наноленты ZnO примерно втрое выше, чем у объемного образца. Кроме того, материалам из ZnO можно легко придать биологическую безопасность и совместимость с тканями живых организмов без нанесения специальных покрытий. Биологическая совместимость придает этим материалам исключительную ценность при изготовлении различных биомедицинских устройств или датчиков как для исследовательских, так и для коммерческих целей. Наконец, стоит отметить и то, что этот материал легко подается обработке и на его основе создано множество изделий, о которых кратко рассказывается ниже.
Одним из распространенных методов промышленного изготовления наноструктур является их синтез или формирование из паров при термической сублимации (возгонке) твердых исходных материалов, обычно засыпаемых в виде порошка в центральную часть так называемых трубчатых печей. По мере повышения температуры исходные материалы сублимируются, а затем их ионы осаждаются в зонах печи с более низкой температурой, формируя различные наноструктуры. Процесс может регулироваться (и в эксперименте, и в производственных условиях) сразу по нескольким параметрам, включая кинетику роста, локальную температуру, химический состав исходных веществ и т. д. К настоящему времени разработано множество самых разнообразных процессов, позволяющих получать из ZnO нанообъекты с полярными поверхностями, причем большинство процессов легко воспроизводятся и обеспечивают высокую производительность. В зависимости от условий процесса исследователям иногда удается выращивать удивительные по форме объекты, которым трудно подобрать определения и их приходится условно называть пропеллерами, клетками и т. п. (рис. 13.10).
Рис. 13.10. Разнообразные нанообразования из ZnO с индуцированной или постоянной поляризацией поверхности. Изделия получают термической сублимацией исходных порошков (или другими, указанными ниже способами) и последующим осаждением их паров при контролируемых условиях роста и формообразования. (а) Сотовые структуры, формирующиеся при асимметричном росте на поверхности Zn-(0001); (б) растущие на каталитически активных поверхностях Zn-(0001)стрyктyры с «ножками»; (в) получаемые химическим синтезом из раствора гексагональные диски или кольца; (г) образующиеся при быстром росте частицы в виде «пропеллеров»; (д) образующиеся в результате самосборки спирали без деформаций; (е) спирали из нанолент с постепенно возрастающей толщиной; (ж) пружины; (з) бесшовные монокристаллические нанокольца, образуемые намоткой поляризованных нанолент; (и) сложное «архитектурное» образование из стержней, дуг и колец. На микрофотографиях указаны цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температуройВ настоящее время оксид цинка ZnO можно считать одним из наиболее перспективных материалов нанотехнологии, который может использоваться в катализе, производстве датчиков, приводов и пьезоэлектрических преобразователей разнообразного применения, а также в создании новых видов акустической и лазерной техники. Интерес к новым материалам и изделиям проявляют также коммерческие производители оптоэлектроники и биомедицинского оборудования. Поляризация поверхности описанных выше структур требуется для некоторых сфер применения и придает наноматериалам дополнительные свойства. Неполярные нанообъекты из ZnO также обладают большим разнообразием и найдут много областей практического применения, причем в их производстве могут быть использованы дополнительные механизмы регулирования процессов роста и формообразования (рис. 13.11).
Рис. 13.11. Различные типы нанообъектов, синтезируемые из ZnO с неполяризованной поверхностью. Изделия получают при термической сублимации исходных порошков и последующим осаждением паров при контролируемых условиях роста и формообразования. В число регулируемых параметров процесса входят материалы, температура выращивания, температурные градиенты при осаждении, типы подложек. (а) Ленты; (б) упорядоченные массивы проволок; (в) трубки; (г) «пропеллеры»; (д) мезопористые трубки; (е) «клетки» и ядра; (ж) иерархическая структура из клеток и пропеллеров. На микрофотографиях приводятся цифры, характеризующие степень чистоты (в %) соответствующих объектов, каждый из которых формируется в зонах с определенной локальной температурой
13.5. Мягкая нанотехнология
Фиона КейсФиона Кейс более 15 лет занимается разработкой и внедрением в промышленное производство новых разновидностей полимеров и поверхностно-активных веществ. Еще в конце 80-х годов она приступила к работе в исследовательском отделе английской фирмы Courtaulds Research, где участвовала в разработках по химической модификации и приданию новых свойств целлюлозным волокнам, делающим их более безопасными для окружающей среды и удобными для переработки. Затем она перешла к изучению микроструктуры углеродных и полимерных волокон методами компьютерного моделирования. Это привело к сотрудничеству с американской фирмой Biosym/Molecular Simulations Inc., являющейся одной из ведущих организаций в этой области. Фиона Кейс переехала в США, где проработала 9 лет в Biosym, а затем стала по контрактам выполнять исследовательские работы для крупнейших американских и европейских фирм, связанных с производством и использованием полимеров. Возглавляемая ею группа подготовила и провела в разных странах десятки семинаров и курсов по моделированию поведения полимерных и волоконных систем. Кроме того, она активно занимается организацией производства и маркетингом новых товаров.
С 1999 года Фиона Кейс возглавляла исследовательскую группу в фирме Colgate Palmotive, занимающуюся изучением структуры и свойств самых разнообразных косметических и пищевых продуктов (зубные пасты, детергенты, лаки, покрытия и т. п.), а также разработкой технологии их производства, упаковки и т. д. В 2003 году Ф. Кейс (совместно с мужем Мартином Кейсом) основала собственную компанию Case Scientific ( www.casescientific.com ), занимающуюся научными консультациями и заказными исследованиями в области так называемой «мягкой» нанотехнологии, моделирования поведения разнообразных материалов, полимерной химии, поверхностно-активных веществ и т. п. Фиона Кейс является членом Королевского химического общества Англии, американского Химического общества, а также Национальной ассоциации писателей, популяризирующих достижения науки.Многие жидкие или мягкие потребительские товары и изделия (к ним относятся продукты питания, краски, моющие средства, предметы личной гигиены, косметика и т. п.) содержат микро– или наноструктуры, которые образуются обычно методами естественной самоорганизации многих натуральных или синтетических поверхностно-активных веществ и блок-сополимеров. Для получения разнообразных структур и материалов разработана сложная технология получения нужных смесей из поверхностно-активных веществ (ПВА) и полимерных материалов. Эта область наноматериалов и методик их обработки получила название мягкой нанотехнологии.
На рис. 13.12 показана схема действия очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества, а на рис. 13.13 приведены некоторые механизмы образования более сложных структур в растворах ПАВ и блок-сополимеров. Образующиеся при этом конкретные структуры определяются множеством условий, среди которых важнейшими являются относительные размеры гиброфильной «головки» и гидрофобного «хвоста» химической молекулы (эта терминология является привычной для специалистов по полимерам и коллоидной химии). Например, ионогенные ПАВ (характеризующиеся наличием заряженных головных групп) в показанных на рисунках механизмах легко образуют сферические мицеллы, неионогенные ПАВ-структуры в виде стержней или нитей, а молекулы ПАВ с несколькими концевыми группами – ячеистые структуры или ламеллы со слоистой, иногда почти плоской структурой. Естественно, в мягкой нанотехнологии форма структур может легко изменяться за счет введения в растворы небольшого количества различных дополнительных веществ, регулирующих параметры жидкой среды и условия роста.
