| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Военные применения наноэлектроники
Научно-исследовательский ядерный университет
Московский инженерно-физический институт
Факультет «Автоматики и электроники»
Кафедра «Микро- и наноэлектроники»
Тема: «Военные применения наноэлектроники»
Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Подготовил студент А4-11
Брежнев В. П.
Введение
Прогресс не стоит на месте, и с каждым десятилетием общество получает новую волну технического прогресса. Главная на сегодняшний день тема прогресса, эта нанотехнологии. Они проявляются везде в медицине, в досуге (телевидение, информационные носители и т.д.), но я бы хочу рассказать вам о развитии нанотехнологии в военном деле. Уровню развития военного комплекса в нашей стране всегда уделялось огромное значение. Еще в годы СССР создавались огромные ракеты и танки, но сейчас «война» идет на другом фланге, сейчас главное не массивность конструкции, а ее легкость и практичность. Также особое внимание теперь уделяется экипировке солдат, т.е. бронежилеты и «костюмы будущего», именно об этого стороне нанотехнологий в военном деле будет рассказано в данной работе.
Нанотехнология
Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Рис. 1
Нанотехнология, нанонаука, это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника, принципиальное отличие коллоидных систем к которым относятся: облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том что поверхность таких частиц или огромных молекул в миллионы раз превосходит объем самих частицы, такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира как то стол, книга, песок. Поведение таких систем сильно отличается от поведения истинных растворов и расплавов и от объектов макромира благодаря высокоразвитой поверхности, как правило такие эффекты начинают играть значительную роль когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров, отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов о которых идет речь
Наноматериалы
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.
Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.
Нанокристаллы
Аэрогель
Наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.
Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса
Методы исследования
В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).
Графе́н (англ. graphene) - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один Рис. 2 атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×103 Вт•м−1•К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Основной из существующих в настоящее время способов получения графена, в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.
Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год
Новая экипировка
Американские ученые создали первый прототип костюма, который цитата «...будет носить не человек, а костюм будет носить солдата...». Так же этот костюм будет связан с огромной сетью армии США с помощью которых из Пентагона можно будет отправлять команды, следить на солдатом и в крайней ситуации найти его в любой точке планеты. Идея разработчиков состоит в том, чтобы создать интегрированный комплекс систем, так, чтобы не приходилось всякий раз решать, что из жизненно необходимого оборудования взять солдату с собой, а без чего можно обойтись.
При этом новая униформа, получившая название "костюм скорпиона", будет весить не более 22,5 кг, что намного удобнее сегодняшнего комплекта оборудования, весящего в совокупности 54 кг.
Рис. 2
Униформа подключит солдата к разрабатываемой в настоящее время "боевой системе будущего" (Future Combat System), на разработку которой Пентагон уже выделил 15 млрд долларов. Элементами этой системы станут легкие танки, мощные компьютерные сети, а также мощный флот, состоящий из дистанционно управляемых летательных аппаратов и роботов.
В настоящее время новая униформа видится разработчикам следующим образом. Нижнее белье будет оснащено датчиками, контролирующими частоту пульса, температуру тела и ритм дыхания. Сама униформа будет включать в состав медицинские жгуты, которые при необходимости могут дистанционно затягиваться или ослабляться. Броня будет интегрирована с емкостями для хранения воды, боеприпасов, источников питания и всего того, что обеспечит солдату подключение к сети. Для того чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным, исследователи хотят создать его на основе структуры паутины. «Изучив структуру паутины, – заявил Паола Хэммонд, руководитель команды по биологической и химической защите Института солдатских нанотехнологий, – мы создали нановолокна из полиуритана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче настоящей». Жесткость костюму будут обеспечивать наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой. Такая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность.
Одним из наиболее сложных элементов системы станет шлем со встроенными миниатюрными камерами, позволяющими следить за противником в темноте. Каждый солдат сможет получать изображение с помощью неохлаждаемых инфракрасных камер, которые даже в сегодняшней американской армии нашли пока только лишь ограниченное применение. Также шлем солдата оснащен сенсорами, детектирующими вибрации костей черепа и челюстей. Эта система успешно заменяет обычный микрофон, использовавшийся ранее. Весь обмен информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. Так у солдата появится ряд «операционных окон», которые будут информировать солдата о приказах, о противнике, заменят бинокль и приборы ночного видения, а также будут отображать состояние организма. Солдаты смогут обмениваться данными в реальном времени с транспортными средствами, вертолетами, танками, роботами поддержки и другой техникой. Возможно также дистанционное управление техникой солдатом. Потерявшие связь со своим подразделением солдаты - проблема иракской и других войн последнего времени - смогут благодаря современному шлему отобразить перед глазами цифровые карты местности и данные о собственном местонахождении. На них же могут выводиться изображения, получаемые беспилотными самолетами или, например, датчиками других бойцов подразделения. Шлем будет оснащен также лазерной системой опознавания "свой-чужой".
Еще одной составной частью обмундирования станет заплечный рюкзак, благодаря которому модель экипировки «солдата будущего» получила название «F-16 на ногах». В этом рюкзаке разместится система позиционирования и навигации, которая позволит военнослужащему проделать все те операции по навигации, что и компьютеры самолета F-16. «Этот солдат может пересечь джунгли, ни разу не сбившись с пути», — говорит Де Гэй, один из исследователей создаваемой будущей экипировки. В новом костюме воин сосредоточится только на одном — на ведении боя.
Кроме того, униформа будет обладать открытой архитектурой, а также, возможно, автоматической "хамелеонообразной" системой камуфляжа. Винтовка у бойца будущего также будет новой. Через пять лет на смену М16 и М4 придет ХМ29 (производитель - немецкая компания Heckler & Koch). Она рассчитана на те же патроны, но также сможет стрелять программируемыми "гранатами воздушного взрыва". Сможет она стрелять также и "не смертельными" боеприпасами. Изучается возможность облегчения униформы за счет использования пористых материалов, которые могут закрываться, блокируя доступ химическим веществам, а также разработки волокон, которые могут "застывать" в определенном положении, превращаясь в шину для сломанной конечности. Исследуется также возможность контроля за попаданием токсичных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, в результате чего в организм автоматически будет введено необходимое лекарство. Со временем датчики смогут даже определять место ранения.
«Умная пыль»
Экипировку «солдата будущего» планируется создать к 2020 году. Однако к этому времени она может уже устареть, так как параллельно с ней разрабатываются боевые нанороботы, которые должны заменить солдат на поле боя. Американская армия уже объявила о своих планах массовой замены солдат роботами. Ожидается, что к 2015 году около трети военной техники США сможет работать в полуавтономном режиме. Боевые роботы будут действовать на земле и в воздухе. Беспилотные самолеты будут разбрасывать на поле боя тысячи сенсоров, которые будут прослушивать окружающую местность, различать звуки, издаваемые вражеской военной техникой, и передавать полученную информацию в штаб.
Рис. 3
В июле нынешнего года Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, заявил, что вместе с коллегами ему удалось создать математическую модель собирания кибернетических микроустройств в стаи. «Большинство частиц могут «разговаривать» только с ближайшими соседями, но когда их много, они могут «общаться» на куда больших расстояниях, – поясняет ученый. – В ходе моделирования мы добились объединения 50 устройств в единый рой – и сумели это сделать, несмотря на сильный ветер». По его словам, с помощью микроустройств радиусом в миллиметр можно будет в случае необходимости формировать рои и заставлять их двигаться в нужном направлении. В Пентагоне тут же среагировали на изобретение и придумали ему применение: облако нанороботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину противника и взрывается.
Может такое «облако» использоваться и в интересах разведки. Сценарий действий здесь может быть таким. Распыленное в окрестностях важного объекта «облако» незаметно перемещается в его сторону. Попутно выбираются оптимальные места для размещения «субоблачков». «Облако» видеонаблюдения, каждая пылинка которого представляет собой отдельный пиксель матрицы с интерфейсом связи с соседями, стремится занять лучшую позицию для большего обзора пространства. «Жучки» или, возможно, «мошки» устанавливают «контроль за звуками». Самая сложная часть — передача информации в штаб разведки — в ближайшее время вряд ли сможет обойтись без засылки агента с устройством. Кстати, в Афганистане американцы уже применяли нечто подобное, получившее название «Smart Dust» («умная пыль»). Микроскопические датчики размером всего несколько сантиметров разбрасывались с самолетов в определенном районе. Их сигналы поступали на командный пункт, где анализировались специалистами. Таким образом собирались данные о расположении отрядов «Талибана», передвижении техники и даже возможных засадах противника.
Заключение
Развитие нанотехнологии, широкое внедрение ее достижений в науку, технику, производство, обеспечение качества продукции немыслимы без опережающего развития методов и средств измерений. Если невозможно измерить, то нельзя сделать. Эта фраза характеризует развитие любой отрасли. Опережающее развитие метрологического обеспечения нанотехнологий и, в первую очередь, обеспечение единства линейных измерений в нано- и прилегающим к нему диапазонах — основа основ нанометрологии, один из основных факторов успешного развития нанотехнологии — главной составляющей экономического развития общества в целом
Список использованной литературы
1. Журнал "Наука и жизнь", №11, 2009 г.
2. Вести.ru – Американские солдаты станут похожи на киборгов, 03.06.2003 // http://www.vesti.ru/doc.html?id=26867
3. Марк Ратнер, Даниэль Ратнер Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи = Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 240. — ISBN 0-13-101400-5
4. Малинецкий Г. Г. Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше// Интеграл. 2007, № 5, с.4-5.
5. Журнал «Красная звезда» - Наносолдаты будущего, 06.09.2007, // http://www.redstar.ru/2007/09/05_09/3_02.html |
Категория: Конспекты (курсы КП и ПК) | Добавил: Luminor (24.05.2011)
| Автор: Брежнев В. П. 
|
| Просмотров: 2691
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
