Меню

Урок 6
Нанотехнологии

Технологии в области электроники
§39. Нанотехнологии

Нанотехнология — область науки и техники, занимающаяся исследованиями, производством и применением объектов с заданной атомной структурой, получаемых путём манипулирования атомами и молекулами. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям. Наиболее перспективным является использование нанотехнологий в электронике, которая идёт по пути уменьшения размеров электронных устройств.

Современные исследования учёных показали, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют наночастицами. Нано (от греч. nemos — карлик) — одна миллиардная часть какой-либо единицы измерения, например 1 нанометр (нм) = 10^-9 метров. Оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют особые химические, физические, механические и другие свойства.

Нанообъекты делят на три основных класса:
— трёхмерные — объёмные объекты;
— двумерные — плёнки;
— одномерные — объекты в виде группы объединённых вместе молекул.

Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

В настоящее время известны следующие наноматериалы.

Графен — тонкая пластина из атомов углерода (рис. 122, а), обладающая большой механической жёсткостью и теплопроводностью, а также высокой подвижностью электронов, что позволяет успешно использовать её вместо кремния в микроэлектронике.

Углеродные нанотрубки — цилиндрические объекты диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной в несколько сантиметров, получаемые скручиванием в трубку графеновых плоскостей (рис. 122, б). Существуют технологии, позволяющие сплетать нанотрубки в нити, обладающие высокой электропроводностью и имеющие прочность выше, чем у сталей. Путём введения парафина в скрученную нить из нанотрубок удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой.

Рис. 122. Наноматериалы: а — графен; б — углеродная нанотрубка; в — фуллерен C₆₀ (из 60 атомов углерода); г — монокристалл сульфата алюминия-калия

Фуллерены — выпуклые многогранники, составленные из чётного числа атомов углерода (рис. 122, в). Учёные показали, что фуллерены могут быть успешно применены в полупроводниковой микроэлектронике в качестве диодов, транзисторов, фотоэлементов и др., а также при получении искусственных алмазов. При легировании фуллерена нарами щелочного металла он превращается в сверхпроводник (материал с пулевым электрическим сопротивлением). Фуллерено-полимерная плёнка толщиной 100 нм, нанесённая на поверхности трущихся друг о друга деталей, снижает трение между ними в три раза. Фуллерены являются мощными антиоксидантами (антиоксиданты — вещества, защищающие клетки живых организмов от разрушения и замедляющие старение), поэтому могут быть использованы при создании новых лекарств.

Монокристаллы — искусственные кристаллы небольших размеров, выращенные с помощью специальных технологий (рис. 122, г). Кристаллы кремния и искусственных сплавов применяют в электронике.

Аэрогель — материал, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Аэрогели представляют собой древовидную полупрозрачную сеть из наночастиц в виде лёгкой, но твёрдой пены. Несмотря на низкую плотность, эти материалы обладают высокой твёрдостью, прозрачностью, жаропрочностью, низкой теплопроводностью (рис. 123, а). Аэрогели применяют в качестве материала для ловушек космической пыли, фильтров для жидкостей и газов и др.

Рис. 123. Аэрогель (а) и аэрографит (б)

Аэрографит — материал (синтетическая пена) чёрного цвета, состоящий из трубчатых волокон углерода (рис. 123, б). Несмотря на очень низкую плотность (0,18 кг∕м³), материал выдерживает значительную упругую деформацию, а при сжатии его электрическая проводимость возрастает. Материал уже прошёл опытную проверку в электронике в качестве электродов для ионисторов (ионистор — гибрид конденсатора и химического источника тока).

Наноаккумуляторы — накопители энергии с электродами из нанотехнологического материала. Обладают очень коротким временем зарядки, испытаны в качестве аккумуляторов для электромобилей.

Области применения наноматериалов:
— компьютерные процессоры, содержащие структурные элементы размером 45 нм;
— запись на жёстких дисках с атомарной плотностью информации;
— сканирующие зондовые микроскопы, позволяющие увидеть нанообъекты;
— микроантенна размером 1 микрометр (мкм) (единица длины, равная одной миллионной части метра) содержит всего 5000 атомов, но создаёт колебания частотой 1,49 гигагерц (ГГц), что позволяет передавать огромные объёмы информации;
— наноразмерные двигатели, в которых при приложении определённого количества энергии молекулы генерируют крутящий момент;
— наноустройства, разлагающие отходы человеческой деятельности на атомы для защиты окружающей среды;
— нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ; в настоящее время находятся в научно-исследовательской стадии создания.

Практическая работа № 28

Сборка электрических цепей с герконом и реостатом

1. C помощью учебного электротехнического конструктора соберите электрическую цепь, показанную на рисунке 124.

Рис. 124. Схемы электрических цепей (для практической работы № 28):
а — принципиальная; б — монтажная

2. Замкните выключатель, поднесите магнит к геркону и передвиньте двигатель реостата влево — лампа загорится; передвиньте движок реостата право — лампа погаснет, а электродвигатель начнёт вращаться.

3. Выполнив модификацию схемы (см. рис. 124), соберите с помощью конструктора электрическую цепь, в которой геркон будет регулировать включение только лампы или только электродвигателя.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Выясните, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, какие ещё наноматериалы, кроме рассмотренных в параграфе, можно получить с помощью нанотехнологий. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Проверяем свои знания

1. Что такое нанотехнология?

2. Где применяют углеродные нанотрубки?

3. Что такое аэрогель?