Нанотехнологии 2008

Нанотехнологии 2008
Обзор 5-й международной конференции по
нано-, био- и чистым технологиям, Сан
Франциско 2008
Боярский М.Н.
Институт космических исследований РАН
Что такое нанотехнология?

Нанотехнология имеет дело с манипулированием
веществом в атомном или молекулярном масштабе,
измеряемом нанометрами (1 – 200 нм)

1 нанометр примерно в 100 000 раз меньше диаметра
человеческого волоса

Возможность проектирования и манипулирования
веществом на молекулярном уровне может радикально
изменить свойства вещества, способы производства и
применения материалов и объектов
Почему так важен масштаб?

На волновые свойства электрона внутри вещества
оказывают влияние неоднородности в нанометровом
диапазоне. Структурируя вещество в нанометровых
линейных масштабах можно менять
фундаментальные свойства вещества (температуру
плавления, магнетизм, тепло/электропроводность…)
без изменения химического состава

Систематическая организация вещества в
нанометровом линейном масштабе является
ключевой чертой биологических систем.
Нанотехнология обещает дать возможность
размещения искусственных компонентов и структур
внутри живой клетки и производить новые материалы
методами «самосборки», характерными для живой
природы.
Зачем нужна нанотехнология?
Необходимость понимания свойств материи на
молекулярном и атомарном уровнях для
проектирования, построения и манипулирования
веществом на макроуровнях
Имеются ограничения, накладываемые существующей
технологией (нашей способностью работать с
чрезвычайно малыми объектами), а не законами
физики
В наномасштабах многие вещества обладают
уникальными характеристиками
Влияние миниатюризации (перехода на
наномасштабы):







Проектирование и изготовление материалов и изделий
Хранение и обработка информации
Хранение и транспортировка энергии
Мультидисциплинарная природа
нанотехнологии
Нанонаука: объединяющая наука
Химия
Физика
Социальные
науки
Нанотехнология
Computer
science
Биология
Инженерия
Гонка патентов
(Source: Base data from the USPTO database; compilation and graphic:
Nanowerk)
Волны новых технологий
Норман Пуаро: в среднем 28 лет на принятие новой
технологии, 56 лет - быстрый рост, через 112 лет насыщение
Source: Norman Poire, Merrill Lynch
Очень короткая история
 1959: Ричард Фейнман - лекция"Там, внизу, ещё много
места" считается сегодня стартовой точкой в развитии
нанотехнологий. Предложена возможность прямого
манипулирования отдельными атомами как более
мощного способа синтеза новых веществ.
«Проглотить доктора»: хирургический наноробот.
 1974: Норио Танигучи впервые определил термин
«нанотехнология» как «обработка, разделение,
объединение и деформирование материалов с
помолекулярной и поатомной точностью».
 1981: электронный сканирующий микроскоп
 1985: открытие фуллерена (С60)
 1986: атомно-силовой микроскоп
 2000: Президент Клинтон объявляет «US
National Nanotechnology initiative»
«Молекулярное совершенство»:
Фуллерены/
нанотрубки:
• Электро- и
теплопроводность
• Механическая и
термостойскость
• Вариативность
свойств
Области применения нанотрубок
• Механические применения: сверхпрочные нити,
композитные материалы, нановесы
• Применения в микроэлектронике: транзисторы,
нанопровода, прозрачные проводящие поверхности,
топливные элементы
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул,
хранение металлов и газов, нанопипетки
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды
• СТМ/АСМ микроскопы
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших
сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками
для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах
с ультравысокой чувствительностью
Применение углеродных нанотрубок для
химических датчиков
•
Каждый атом в одностенной
нанотрубке (SWNT) находится
на поверхности открыт для
внешней среды, в т.ч для
обмена электронами
•
Малейшие изменения зарядов
в НТ может вызвать
сильнейшие изменения в ее
электрических свойствах
•
Чувствительные микродатчики
для мониторинга окружающей
среды, в военных,
медицинских и
биотехнологических
применениях
Биодатчики на основе массивов кантилеверов
• Кантилевер микромеханический зонд
размерами 500μm х 100μm х
0.5μm. Зонды объединены в
массив с шагом 250 μm
• Покрытия, притягивающие
различные молекулы
• Детектирование отклонения
отраженного света (10-20 нм)
• Чувствительность – аттограмм
(10-18 г)
• Применения: диагностика
заболеваний, обнаруженире
бактерий и вирусов
• «Искусственный нос»
Квантовые точки (Quantum Dots)
•
кристаллы полупроводников
нанометрового размера, которые имеют
уникальные свойства, в т.ч. способность
настраиваемой интенсивной
люминесценции в узкой полосе от ИК до
УФ в ответ на облучение с определённой
частотой
применение: раннее выявление
заболеваний, в т.ч. опухолей
Нанокристалл селенида кадмия
диаметром в пятнадцать атомов
•
•
•
Скопление разных квантовых точек,
облучаемых лазером
Квантовые точки могут быть химически
связаны с биологическими молекулами типа
пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы
могут быть спроектированы так, чтобы
обнаруживать другие молекулы, типичные для
поверхности раковых клеток
Возможно выявление 10 – 100 раковых клеток
Биомедицина: Инженерия тканей
• Живой организм основан на
многочисленных наноструктурах
(белки)
• клетки тела приспособлены к
взаимодействию с поверхностями,
обладающими неровностями
нанометровых масштабов
• костные импланты с
нанонеровными Ti/ZnO
покрытиями
•
•
ускоряют регенерацию тканей кости в
5-8 раз
подавляют воспалительные процессы
на поверхности импланта
Биомедицина: лекарства
• Наномембраны для безинъекционного, постепенного
(4-24 часа) введения лекарственных средств. Лечение
диабета (homecare)
• Наночастицы как эмульсификаторы для введения
гидрофобных/водонерастворимых лекарственных
средств
•
Паклитаксел – цистостатический препарат. Растворимость в
воде – 0.03 мг/Л. Текущее прменение: инъекции раствора в
Cremophor EL, обладающем серьезными побочными
действиями
Решение: эмульсия наночастиц, образованных выпариванием
раствора действующего вещества в TPGS, локально
доставляемая баллонным катетером
• Применение наночастиц для направленной доставки
лечащих агентов (управление теплом, магнитным
полем и т.д.)
Нанотехнологии и «чистая энергия» для 1010
населения Земли
10 нанотехнологических прорывов в производстве и
хранении энергии:
1. Нано-тонкопленочные фотоэлементы –
революционное уменьшение стоимости в 10-100 раз
2. Хранение Н2 - революция в сверхлегких материалах
для водородных баков и /или новых реверсивных
водородно-хемосорбционных систем (адсорбция Н2
углеродными нанотрубками)
3. Топливные элементы – уменьшение стоимости в 10100 раз
4. Аккумуляторы и суперконденсаторы – увеличение
удельной емкости в 10-100 раз (электромобили,
распределенная генерация электроэнергии)
5. Фотокаталитическое разложение CO2 для
производства жидкого топлива (метанол и др.)
Нанотехнологии и «чистая энергия» для 1010
населения Земли
10 нанотехнологических прорывов в производстве и
хранении энергии (продолжение):
6. Использование наноматериалов для прямого
преобразования фотон + вода для производства
водорода
7. Наноэлектроника для компьютеров, датчиков и
других устройств
8. Высокотемпературные сверхпроводники для замены
традиционных металлических
9. Нанопокрытия для буров – резкое снижение
стоимости бурения геотермальных скважин
10. Светодиоды для замены традиционных источников
освещения
Применение нанотехнологий в солнечных
элементах
Три технологических поколения фотоэлементов:
1. Кремниевые пластины
2. Тонкопленочные фотоэлементы
3. Нанополимерные системы
Применение нанотехнологий в солнечных
элементах
1) Кремниевые фотоэлементы:
• На данный момент кремниевые фотоэлементы
наиболее распространены, обладают наибольшей
эффективностью преобразования и наиболее
долговечны; но они и самые дорогие
• Отражение света от поверхности фотоэлемента
ограничивает эффективность
•
Нанопокрытия кремниевых батарей уменьшают
отражения в критических областях спектра
Применение нанотехнологий в солнечных
элементах
2) Тонкопленочные фотоэлементы:
•
•
•
•
•
дешевле
удобнее в производстве и применении
возможно применение как тонированных
оконных покрытий
Менее эффективны, менее долговечны и
восприимчивы к воздействию
окружающей среды
Нанопокрытия тонкопленочных
фотоэлементов:
•
•
защищают батареи (гидрофобные
нанопокрытия)
перспективны как прозрачные
электропроводящие пленки взамен дорогого и
дефицитного индия
Применение нанотехнологий в солнечных
элементах
3) Нано-фотоэлементы: повышение эффективности
Некоторые итоги и перспективы
•
•
•
•
•
Нанотехнология является объединяющей силой для
разработки передовых решений важнейших
технологических вызовов
Нанотехнология имеет широкий спектр приложений
оказывающих существенное влияние на
промышленность, бизнес и общество в целом
Наноматериалы и наноэлектроника предложат
инновационные материалы и устройства в ближайшие 35 лет
Наномедицина обещает прорывы в лечении таких
болезней, как рак и болезнь Альцгеймера в следующие 57 лет
Нанотехнология может обеспечить развитие «чистой
энергии» как решения энергетических проблем, стоящих
перед человечеством