| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Азбука умной наноэлектроники. Часть 2: от Н-Я
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
Инженерная Академия
Кафедра «Кибернетики и мехатроники»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему
«Азбука умной наноэлектроники»
Часть 2: от Н-Я
222900 Нанотехнологии и микросистемная техника
Выполнила
Студентка группы ИФМ-101
Студенческий билет № 1032163616
_________________Ефименко Е.В.
«__»_____________________2017 г.
Руководитель
к.м.-н.э., доцент
______________Лапшинский В. А.
Москва
2017
Аннотация
Наноэлектроника относительно новая ветвь электроники, пришедшая на смену передовым для 60-х годов технологий полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона. Области изучения настолько велики, что появилась необходимость систематизировать полученные знания в этой науке. Решение нашлось в написании азбуки – книге, для изучения основ наноэлектроники.
В своей азбуке я хотела уделить особое внимание «умной» наноэлектронике – ветвь наноэлектроники, направленная на осуществлении связи между человеческим мозгом и электроникой. И поставила перед собой задачу:
• Познакомить читателей с некоторыми достижениями наноэлектроники.
• Обратить особое внимание на успехи ученых в области «умной» наноэлектроники.
• Раскрыть значение словосочетания «умная» наноэлектроника.
В работе: рисунков 31, страниц 28, источников 46.
Наносенсоры
Сенсоры, или датчики - технические элементы, чувствительные к внешним воздействиям (от англ.“sense”– “чувствовать”).
Сенсоры, при изготовлении которых используются наноматериалы, наноэлектромеханические системы и нанотехнологии микросхем, с электрическим выходным сигналом называются наносенсоры.
Диапазон, используемых наноматериалов в сенсорах, достаточно широк. Анализ публикаций последних лет позволяет выявить различные по структуре наноматериалы, нашедшие применение в наносенсорах. К ним можно отнести следующие группы: наночастицы, нанокластеры, нанокристаллы и квантовые точки, используемые в основном в оптических, в том числе и в биохимических сенсорах — иммуносенсорах, реже в электрохимических сенсорах.
При создании наносенсоров используют такие нанотехнологии, как изготовление массивов наночастиц или квантовых точек, электродов на основе нанотрубок, стержней, лент, различных композиционных наноматериалов, полиионную сборку, получение наноразмерных пленок методом Ленгмюра—Блоджетт.
Перспективная область применения наносенсоров - диагностика опухолевых заболеваний, основанная на обнаружении онкобелков. Устройства, которые позволяют детектировать комплексы белков, характерные для определенного вида опухолей, могут быть использованы для диагностики и оценки эффективности лечения.
Также широкое применение наносенсоры найдут в производстве космических спутников, авиастроении, в «умных» гаджетах, а также в качестве устройств для регистрации токсических веществ при промышленных авариях.
Литература
1. Статья С. Н. Штыков, Т. Ю. Русанова «Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения»
2. Нанобиология, 13-я лекция, «Достижения в области нанотехнологий: сенсоры и наносенсоры. Научные проекты».
3. Статья В. Грибачев «Наносенсоры», 2009 г
Нейронные сети
( иначе Коннекционистские сети)
- Одно из приоритетных направлений исследований в области искусственного интеллекта, основано на попытках воспроизвести примитивные биологические модели нервных систем. В дальнейшем такие модели могут позволить смоделировать работу человеческого мозга с помощью компьютерных алгоритмов.
Искусственные нейронные сети представляют собой систему взаимодействующих и соединенных между собой искусственных нейронов (простые процессоры). Каждый процессор имеет дело с сигналами, посылая и передавая их другим процессорам. Образуя большую сеть с управляемым взаимодействием, данные процессоры способны выполнять весьма сложные задачи.
Как же работает искусственная нейронная сеть? На входы нейрона поступают сигналы (х1..хn), это могут быть исходные данные, либо выходные сигналы других нейронов через несколько входных каналов. Каждый входной сигнал проходит через соединение, которое имеет определенный вес (w1…wn), соответствующий синаптической активности биологического нейрона. С каждым нейроном связано определенное пороговое значение. Вычисляется взвешенная сумма входов, из нее вычитается пороговое значение и в результате получается величина активации нейрона. Далее сигнал активации преобразуется благодаря передаточной функции и на выходе получаем выходной сигнал нейрона.
Отличительная особенность, а также и преимущество нейронных сетей - возможность обучения, которое происходит посредством интерактивного процесса корректировки синаптических порогов и весов. Общая модель процесса обучения происходит следующим образом:
В нейронную сеть поступают сигналы из внешней среды, за счет этого изменяются свободные параметры данной сети. Далее происходит модификация внутренней структуры, после чего нейронная сеть отвечает на возбуждения уже другим образом.
Применение нейронных сетей:
Распознавание образов и классификация.
Принятие решений и управление. На вход нейронной сети поступают различные критерия описания состояний управляемой системы (входной сигнал), на выходе мы получаем решение, которое сеть приняла.
Кластеризация. Разделение различных входных сигналов на кластеры (классы), после обучения нейронная сеть определяет, к какому кластеру относится входной сигнал. Также сеть может выявлять неизвестные ранее классы сигналов.
Прогнозирование. Сеть способна к обобщению и выделению неявных зависимостей между входными и выходными данными. После обучения она может предсказать будущее значение некой последовательности, основываясь на нескольких предыдущих значений.
Аппроксимация. Нейронные сети могут аппроксимировать непрерывные функции.
Сжатие данных. Нейронная сеть способна к выявлению взаимосвязей между различными параметрами и с последующим выводом данных в более компактном виде.
Удивительно, но свойства искусственных нейронов близки к свойствам мозга. Например, они обобщают предыдущие случаи на новые, обучение базируется на опыте, могут извлечь свойства из поступающей информации что содержит лишние данные. Однако, не смотря на столь функциональное сходство, трудно предположить, как скоро нейронные сети будут повторять функции мозга. Но хочется верить, что глубокое проникновение в человеческий интеллект станет доступным в ближайшее время.
Литература
1. http://neuronus.com/nn.html
2. http://www.neuroproject.ru/neuro.php
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Искусственная_нейронная_сеть
4. http://www.aiportal.ru/articles/neural-networks/learning-neunet.html
5. Хокинс Д., Блейксли С «Об интеллекте», «И.Д. Вильямс», 2007г., стр.32
Нейрочип
Микросхема, которая предназначена для взаимодействия с нейронными клетками называется нейрочип.
Нейрочипы сделаны из кремния, легированного особым методом, благодаря которому в них содержится EOSFET (электролит-оксид-полупроводник МОП), позволяющий улавливать электрическую активность нейронов. в вышеупомянутом физиологическом растворе электролита. Подобные микросхемы также содержат конденсаторы для электрической стимуляции нейронов. Группа учёных факультета медицины университета Калгари, возглавляемые пакистанцем уроженцем Канады Навидом Саедом, который доказал возможность выращивания и создания сети клеток мозга на кремниевой микросхеме, так называемый, мозг на микрочипе; создал новую технологию, позволяющую наблюдать за активностью клеток мозга с особой тщательностью, невиданной ранее.
Совместно с Национальным Исследовательским Советом Канады (NRC) разработаны новые кремниевые чипы, которые просты в использовании. Данные чипы помогут понять, как работают клетки мозга. И в дальнейшем повлиять на открытие лекарственных препаратов для различных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.
В 2011 году корпорация IBM впервые представила прототипы чипов SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics), имитирующие устройство мозга, а также способные эмулировать его нейроны, синапсы и аксоны. Это был довольно серьёзный шаг в области построения так называемых «когнитивных компьютеров». Но уже в 2014 году компания представила новый чип IBM SyNAPSE, использующий не-фон-Неймановскую компьютерную архитектуру, а произведен по нормам 28-нм технологического процесса Samsung, представляющий собой однокристальную систему, которая состоит из 4096 нейросинаптических ядер. Данный чип способен выполнять 46 миллиардов синаптических операций в секунду.
Подобные разработки впечатляют и вызывают еще больше интереса в создании искусственного интеллекта, который предоставит устройствам возможность одновременно обрабатывать различные типы сенсорной информации, путем слияния памяти и вычислительной мощности.
Литература
1. Статья «Нейрочипы позволят считывать информацию c клеток мозга», 2017 г
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Neurochip
3. http://itc.ua/news/novyiy-chip-ibm-synapse-dlya-sozdaniya-neyrosetey-postroen-na-printsipah-pozaimstvovannyih-u-chelovecheskogo-mozga/
Оптический пинцет
(лазерный пинцет; оптическая ловушка, с англ. optical tweezers или optical trap)
Неограниченные возможности для развития «умных» производств открывает разработка оптического инструмента, позволяющего манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света.
Принцип работы лазерного пинцета: оптически прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны падающего света одновременно отражают и преломляют свет лазера, согласно второму закону Ньютона, это приводит к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно.
Это фантастическое открытие было сделано Артуром Эшкином в 1970 г. В дальнейшем оптический пинцет дал толчок развитию целого направления оптической манипуляции микрообъектами, а также разработку новых видов оптических ловушек. В современных оптических пинцетах используется один или несколько лазеров и акустооптические преобразователи, позволяющие создавать подвижные и стационарные ловушки, работать с несколькими объектами сразу. Благодаря таким приборам появилась возможность измерить силу, развиваемую одиночными молекулами молекулярных моторов, а также элементарные шаги, которые делают эти молекулы при двигательном акте.
В настоящее время оптическая ловушка стала важнейшим инструментом в атомной оптике, статистической физике, молекулярной биологии, биохимии и биофизике.
Литература
1. https://nanolab.phys.msu.ru/ru/projects/fotonno-silovaya-mikroskopiya
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптический_пинцет
3. Журнал «Наука и Жизнь», Голубев А. «Оптический пинцет», №5, 2006г
Одноэлектронный транзистор
(англ. single electron transistor)
Наноэлектронное устройство, которое имеет область проводимости, соединенное с истоковыми и стоковыми электродами (туннельными барьерами), имеющие ёмкостную связь с затвором.
Данное устройство основано на эффекте «кулоновской блокады» — скачкообразном изменении потенциальной энергии достаточно малой системы при туннелировании одного электрона и блокировании движения всех остальных.
Одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом с малой ёмкостью, называемые «островом». Остров представляет собой наночастицу, изолированную от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. Если приложить напряжение между истоком и стоком, то ток протекать не будет, так как электроны заблокированы на наночастице. При дальнейшем же увеличении напряжения выше порогового значения блокада электрона прорывается, и в цепи между стоком и истоком происходит перескок электрона — течет туннельный ток. Таким образом, управляя потенциалом затвора, можно пропускать по цепи единичные электроны.
Благодаря этому появилась возможность создать устройства (с использованием одноэлектронного транзистора), манипулирующие одиночными электронами. А значит, велика вероятность построения на их основе принципиально новых элементов ЭВМ с одиночными электронами в качестве носителя информации. Кроме того, одноэлектронные транзисторы имеют очень высокое быстродействие (до нескольких сотен терагерц) при весьма малой потребляемой мощности. В настоящее время одноэлектроника - одна из самых перспективных и быстро развивающихся областей наноэлектроники.
Литература
1. Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. – М. В. Арсланов. 2009 г
2. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/одноэлектронный_транзистор
3. http://studopedia.su/10_19705_odnoelektronniy-tranzistor.html
Память мемристорная
Мемристор (сокращение от memory resistor – резистор с памятью) - пассивный элемент электрической цепи, который также является одним из основных радиоэлектронных приборов. Свое название он получил из-за того, что после отключения напряжения в цепи мемристор "запоминает" последнее значение сопротивления. Еще в 1971 году американский исследователь Чуа предсказал его существование.
В 2008 году инженеры из компании Hewlett-Packard обнаружили удивительное сходство свойств мемристоров и синаптических связей. Далеко не секрет, задачи связанные с искусственным интеллектом давно интересуют ученных, и один из подходов к созданию искусственного интеллекта являются коннекционистские сети. Важное преимущество мемристорных сетей по сравнению с нейронными сетями является их относительная простота и, следовательно, доступное понимание происходящих в них процессов. Так как вычислительные сети мемристоров, имеют немного другую архитектуру: если в коннекционистских сетях есть электронные нейроны и синапсы, то в сетях мемристоров - только синапсы без нейронов.
В 2016 году ученные из Массачусетского университета собрали электронную схему на базе мемристора. И на сегодняшний день данная схема больше других соответствует синапсу, чем любая другая аналогичная схема.
В этом же году группа российских ученных разработали новый нейрочип. Принципы работы нового нейрочипа похожи на принципы работы головного мозга. Стоит отметить, что основой нейрочипа в первые в истории стали полимерные работоспособные мемристоры.
Время реакции новых полимерных мемристоров порядка сотые доли секунды, но как утверждают ученные - в будущем размеры полимерных мемристоров могут быть уменьшены до уровня десятков нанометров, а быстродействие - увеличено. Также, использование полианилина в качестве основного материала позволит создавать многослойные структуры из слоев мемристоров, (один слой слой располагается поверх другого), что позволит уменьшить размеры кристаллов нейрочипов.
Литература
1. Статья R Colin Johnson «Мемристоры имитируют человеческий мозг», 2013
2. http://www.dailytechinfo.org/infotech/8543
Пленки Ленгмюра-Блоджетта
Особый интерес среди наноматериалов представляют молекулярные пленки, основы современных представлений о которых были заложены в работах А. Покельс и Рэлея. Наибольший вклад в изучение молекулярных пленок внес Ирвинг Ленгмюр. Он был первым, кто занялся систематическим изучением плавающих монослоев на поверхности жидкости. Ленгмюр показал, что многие нерастворимые в воде амфифильные вещества, представляющие собой полярные молекулы органических веществ, содержащих гидрофильную часть – “голову” и гидрофобную часть – “хвост”, способны, растекаясь по водной поверхности мономолекулярным слоем, снижать ее поверхностное натяжение.
Мономолекулярные пленки нерастворимых амфифильных веществ на поверхности жидкости получили название пленок Ленгмюра. Впоследствии ученица Легмюра Катарина Блоджетт осуществила перенос 7 мономолекулярных слоев нерастворимых жирных кислот на поверхность твердой подложки, получив таким образом мультислойные пленки.
Подход Блоджетт, основанный на методике Ленгмюра, получил название метода Ленгмюра-Блоджетт, а полученные таким способом пленки – пленки Ленгмюра-Блоджетт.
Основная идея метода заключается в формировании на водной поверхности мономолекулярного слоя амфифильного вещества и последующем его переносе на твёрдую подложку. В водной фазе молекулы амфифильного вещества располагаются на поверхности раздела «воздух-вода». Для формирования поверхностного мономолекулярного слоя используют сжатие поверхностного слоя с помощью специальных поршней.
С использованием метода Ленгмюра-Блоджетта связано решение самых разнообразных задач, имеющих большое теоретическое и практическое значение. Пленки Ленгмюра-Блоджетт находят разнообразное практическое применение в различных областях науки и техники:
• в микроэлектронике (проводящие и изолирующие ультратонкие пленки, сегнетоэлектрические и ферроэлектрические пленки, защитные покрытия, химические и биологические сенсоры на основе упорядоченных молекулярных структур со встроенными активными молекулами или молекулярными комплексами, матрицы, содержащие полупроводниковые наночастицы, антрифрикционные покрытия);
• в оптике (активные слои для записи информации оптическим способом и атомно-зондовым методом, дифракционные решетки, интерференционные и поляризационные светофильтры, плоские моно- и полимодовые световоды),
• в биотехнологии и на других направлениях научно- технического прогресса.
Использование пленок Ленгмюра-Блоджетт позволяет на совершенно новой основе поставить вопрос о направленных электро- и фотохимических реакциях, таких, как фотосинтез, преобразование солнечной энергии или фоторазложение воды. Также технология ленгмюровских пленок является основой для одной из передовых областей науки – молекулярной электроники.
Литература
1. Электротехника. Наноэлектроника / Осаждение пленок Ленгмюра-Блоджетт
2. Д.А. Фридрихсберг «Курс коллоидной химии», стр. 90
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Технология_Ленгмюра-Блоджетт
Разумные машины
Первые упоминания о разумных машинах появились в середине XX века и носили теоретический характер. Благодаря прорыву в нейробиологии и созданию электронных вычислительных машин, разработка машин с искусственным интеллектом стала определяющей задачей на ближайшие десятилетия.
В настоящее время появились роботы узкой специализации, например, самоуправляемые пылесосы, «умные» автомобили. Но когда появятся роботы с искусственным интеллектом?
Безусловно, физические воплощение разумной машины может быть чрезвычайно разнообразным. Не обязательно, они должны выглядеть, чувствовать и вести себя как человек. Но для того, чтобы подобные машины могли проявлять понимание по отношению к человеку, у неё должна быть природа, очень близка к природе человека.
Также разумная машина может «существовать» в своем мире. Создав модель своего мира, она сможет прогнозировать события в будущем (основываясь на прошлом опыте), предлагать решение новых задач и делиться своим опытом с нами. Стоит отметить, что машинный интеллект, созданный на основе моделировании только лишь одной логической функции мозга, не будет способен к творчеству. Так как отсутствуют такие функций, как: удовлетворение потребностей, проявление эмоций и амбиций. И на этом требования по созданию данных роботов не исчерпаны.
Возвращаясь к поставленному вопросу о том, как скоро появятся роботы с искусственным интеллектом – я надеюсь, что застану этот переломный момент для всего человечества.
Литература
1. Хокинс Д., Блейксли С «Об интеллекте», «И.Д. Вильямс», 2007г
2. Статья Гришин Е.А., «Об интеллекте: просто о сложном», 2008г
Самособирающиеся монослои
(Self-Assembled Monolayers)
Самособирающиеся монослои (сокр. SAM) - монослои амфифильных молекул, образовавшиеся на поверхности субстрата путем самосборки. Субстратами могут служить разнообразные материалы — кремний, металлы, оксиды. Поверхность субстрата может быть, как плоской, так и искривленной, если субстрат находится в виде наночастиц.
Самособирающиеся монослои представляют собой простейшую форму органического тонкопленочного материала в нанометровом маштабе, толщиной приблизительно 1-3 нм. Данные слои обладают рядом уникальных и полезных свойств. Например, состав молекулярных компонентов SAM определяется атомным составом самособирающихся монослоев, перпендикулярным к поверхности; это свойство позволяет использовать органический синтез для «сшивания» органических и металлоорганических структур на поверхности с точностью около 1нм. Данные монослои могут быть получены с использованием специальных форм (10-100нм размера) в плоскости поверхности с помощью микроконтактной печати (μCP), сканирующего зонда и пучков фотонов, электронов или атомов.
Формирование монослоя начинается с взаимодействия полярной части («головы») отдельных молекул с поверхностью субстрата. Последующее упорядочение молекул в плоскости слоя — самосборка слоя — происходит за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий между гидрофобными частями молекул («хвостами»).
На сегодняшний день SAM активно используют для получения самоочищающихся и водоотталкивающих покрытий, а также использоваться в качестве моделей для изучения мембранных свойств клеток и органоидов, прикрепление клеток к поверхностям. Однако, наибольшие перспективы их применения открываются в разработке проводящих цепей и устройств молекулярной электроники.
Литература
1. «Успехи наноинженерии: электроника, материалы, структуры», Техносфера,2007 г., стр. 138-139
2. Статья J. Christopher Love, Lara A. Estroff, Jennah K. Kriebel «Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology»
3. Статья С. Н. Штыков, Т. Ю. Русанова «Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения»
Тест Тьюринга
С тех пор, как появились первые вычислительные машины, ученые задались вопросом - «Способна ли машина мыслить?» Интересное решение предложил английский математик Алан Тьюринг в 1950 году, получившее название теста Тьюринга. Вместо того, чтобы разрабатывать многочисленный список требований, который необходим для создания искусственного интеллекта, знаменитый британский ученый предложил определять наличие интеллекта у машин. Данный тест основан на том, что поведение некого объекта, который обладает искусственным интеллектом, нельзя будет отличить от поведения человека.
Тест проходит следующим образом: человек (судья) взаимодействует с человеком и компьютером. Получая ответы на свои вопросы, судья делает вывод – с кем он общается: с компьютером или человеком. Если судья сомневается кто из собеседников является человеком, то считается, что машина прошла тест. Для того, чтобы оценить именно интеллект машины, беседа ведется в режиме «только текст», например, с помощью клавиатуры и экрана (компьютера-посредника) и через определенные промежутки времени.
Тест Тьюринга достаточно прост и имеет важное достоинство - широкий диапазон обсуждаемых тем. В разговор также можно включить видео, аудио приложения и т.д. Несмотря на все преимущества и большую популярность, тест подвергают сомнениям на нескольких основаниях: например, тест не способен оценить интеллект машины, так как порой поведение человека не поддается разумному толкованию. Как и некоторое разумное поведение не свойственно человеку.
В настоящее время пока ни одна машина не может даже близко подойти к тому, что пройти тест Тьюринга. В 1991 году Хью Лёбнер основал конкурс на прохождение теста Тьюринга среди компьютерных программ. Главный приз до сих пор не вручен, победителями каждый год объявляются программы, которые показали относительный лучший результат.
Литература
1. Статья С. Добрынин «Программа поиска мысли», журнал «Вокруг света», 2012
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тест_Тьюринга
3. http://elementy.ru/trefil/21223/Test_Tyuringa
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 графеновых плоскостей называются углеродные нанотрубки.
Наиболее распространенный метод получения углеродных нанотрубок - метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода.
Разнообразие форм углеродные нанотрубок впечатляет: они могут быть большими и маленькими, однослойными и многослойными, прямыми и спиральными. Также, несмотря на кажущуюся хрупкость нанотрубки на редкость являются прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются. Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками.
Не менее удивляет разнообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок:
Высокие значения модуля упругости углеродных нанотрубок позволяют создать композиционные материалы, обеспечивающие высокую прочность при сверхвысоких упругих деформациях. Из такого материала можно будет сделать сверхлегкие и сверхпрочные ткани для одежды пожарных и космонавтов.
Необычные электрические свойства нанотрубок делают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков
Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов
В 2009 г., Yao Zhang продемонстрировал мемристор на основе однослойных горизонтально ориентированных углеродных нанотрубках расположенных на диэлектрической подложке. Проявление мемристорного эффекта в представленной структуре было обусловлено взаимодействием УНТ с диэлектрической подложкой и захватом носителей заряда на границе раздела УНТ/SiO2.
Литература
1. Лозовик Ю.Е., Попов А.М. Свойства и нанотехнологические применения нанотрубок // УФН. — 2007. — Т. 177. — стр 798
2. Золотухин И. В. «Углеродные нанотрубки», 1999, ФИЗИКА
«Умная» одежда
В последнее время мы часто слышим словосочетания «умный» текстиль, «умная» одежда. Но какой смысл вкладывают разработчики в термин «умный» (по отношению к текстилю, одежде)? Большинство исследователей определяют его как одежду, которая чувствуют и реагируют на изменения внешних условий, а также разной природы (магнитные, механические, электрические, химические и других). Существует классификация по возможностям интеллекта:
• пассивный «умный» материал – только чувствует;
• активный «умный» материал – чувствует и реагирует;
• очень «умный» материал – чувствует, реагирует и адаптируется в соответствии внешними изменениями.
Пассивный и активный материал широко используются в медицинской, армейской, спортивной, одеждах. Над реализацией очень «умного материала работают в развитых странах, в том числе в Китае и Индии.
Условно можно выделить основные направления такой одежды:
1) Более комфортная, адаптированная к различным ситуациям одежда (встроенный подогрев).
2) Smart-одежда для занятий спортом и фитнесом (отслеживание работу разных групп мышц и анализирующая ход тренировки).
3) «Медицинская» одежда, часто не предназначена для широкого круга покупателей. Ее цель – следить за здоровьем владельца или помогать людям с ограниченными физическими возможностями.
4) Интерактивная мода. Одежда со встроенной электроникой предоставляет дизайнерам массу возможностей. Зачастую подобные вещи выпускаются в единственном экземпляре, но день, когда подобные вещи начнут выпускаться массово, уже не за горами.
Многообразие и перспективы данной одежды впечатляют; можно не сомневаться в светлом будущем «умной» одежды, со временем она получит какие-то дополнительные функции, эволюционирует, «поумнеет», но очень трудно предсказать как такая одежда будет выглядеть лет примерно через сто.
Литература
1. Статья В. Ларионов «ОДЕЖДА БУДУЩЕГО», 2017
2. Статья Г. Кричевский «Многофункциональный текстиль и умная одежда», 2016
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Умная_одежда
4. Статья Д. Михайлов «Что такое «умная одежда» и как ее использовать», 2016
«Умная» пыль
Умная пыль — большое количество нанороботов, которые, взаимодействуя друг с другом, способны сообща выполнять какие-либо действия, организовываться в различные формы, переходить из рассеянного состояния в монолитную структуру.
Нанороботы подобны частицам пыли, песка при этом каждый имеет сенсоры, обеспечивающие восприятие окружающего мира, систему связи с головным компьютером и друг с другом, вычислительный центр, блок питания, систему подзарядки, систему сцепления друг с другом, систему передвижения и т.д. Впрочем, зачастую под нанороботом понимается сенсор, передающий информацию в сеть.
Сама концепция «Умной пыли» была разработана компанией Dust Networks, которая подразумевает распределение сетей сверхмалых устройств, поддерживающих беспроводной обмен данными.
Также, одной из самых плодотворных разработок в этом направлении стал совместный проект Калифорнийского университета в Беркли и корпорации Intel, в рамках которого созданы умные сенсоры Motes (в переводе с англ. – “пылинки”), представляющие собой чувствительные приборы размером с таблетку аспирина, способные автономно работать в любых условиях и с помощью радиоволн объединяться в локальные сети для передачи собранной информации центральному компьютеру.
Так как объем памяти “пылинки” составляет несколько килобайт, то для их совместной работы разработали специфическую “крошечную” операционную систему TinyOS, оперирующую файлами размером порядка 200 байт, и соответствующую систему баз данных TinyDB, проводящую внутрисетевую обработку данных.
Что же касается принципов самоорганизации сети, то в ее основу положена логическая система простых “локальных правил”. Когда на местности развернуты тысячи сенсоров и шлюзов-маршрутизаторов, то для каждого сенсора гласит правило: “Установить связь с ближайшим шлюзом”. Таким образом, все сенсоры автоматически группируются вокруг ближайших шлюзов.
Благодаря таким качествам, как миниатюрность, беспроводность, автономность, множественность и относительно низкая стоимость, “умная пыль” уже стремительно находит применение в повседневной человеческой жизни. Помимо военных и полицейских приложений, самоорганизующиеся сенсорные сети могут использоваться и в мирных целях — от наблюдения за окружающей средой до присмотра за пожилыми людьми.
Хотя беспроводные сенсорные системы переживают ранний этап своего развития, "умная пыль" уже с успехом используется многими компаниями. Технологию Dust Networks взяли на вооружение такие гиганты бизнеса, как Shell Oil, British Petroleum, PPG Industries, K-V Pharmaceutical, пивная корпорация Anheuser-Busch.
Литература
1. Нанобиология, 13-я лекция, «Достижения в области нанотехнологий: сенсоры и наносенсоры. Научные проекты».
2. Игнатов. А. «Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития: учебное пособие», стр 115-116
Фуллерены
Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Фуллерены получают преимущественно электродуговым, а также электроннолучевым или лазерным распылением графита в атмосфере гелия. Образующаяся сажа конденсируется на холодной поверхности реактора, собирается и обрабатывается в кипящем ксилоле, толуоле, бензоле, или других органических растворителях. После выпаривания раствора образуется черный конденсат, который примерно на 10–15% состоит из смеси фуллеренов C60 и C70, а также небольших количеств высших фуллеренов. В зависимости от параметров синтеза, соотношение между C60 и C70 может варьироваться, но обычно C60 преобладает над C70 в несколько раз.
Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается.
Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.
Перспективы использования фуллеренов обусловлены спецификой их физико-химических характеристик, и прибавление небольшого их количества способна существенно изменить свойства модифицированного материала. Например, присоединение к С60 радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы. С60.
В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста,алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.
Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.
Литература
1. Л.Уильямс, У. Адамс "Нанотехнология без тайн", стр. 28-29
2. Статья «ФУЛЛЕРЕНЫ – НОВАЯ АЛЛОТРОПНАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА»
3. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/фуллерен
Хиральность
Хиральность ( от др.-греч. χειρ — «рука») - отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны. Также можно определить, как геометрическое свойство пространственной структуры. Которая не совмещена со своим зеркальным отображением в идеальном плоском зеркале.
Хиральный объект не имеет элементов симметрии 2-го рода, если хотя бы один из этих элементов симметрии присутствует, объект является ахиральным. Хиральными бывают молекулы, кристаллы, наноструктуры (например, нанотрубки).
Также хиральность задает ряд характеристик материала, например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности), нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества.
В начале 2017 года ученые из Японии, США и Израиля наблюдали эффект хиральности при сверхпроводимости. Обнаружено, что ток обладает сверхпроводимостью в хиральной нанотрубке, двигаясь только в одном направлении. До этого, сверхпроводимость была характерна только ахиральным структурам из нанотрубок, в которых ток способен двигаться в обоих направлениях.
В настоящее время ученые пытаются найти причину такому поведению электричества, а также найти зависимость между структурой вещества и его свойствами. Если им удастся разобраться с этим, то возможно создание сверхпроводящих диодов или транзисторов для электроники нового поколения.
Литература
1. Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов, стр 469.
2. Статья Д. Ревадзе «Впервые ученые наблюдали хиральную сверхпроводимость», 2017 г.
3. Статья «Химики создали двуликие частицы», журнал «Наука и техника», 2009 г.
Частицы-Янусы
Частицы Янусы были названы в честь древнего бога Януса, имеющего два лица. Я́нус (в римской мифологии) - двуликий бог входов, выходов, различных проходов, а также всяческих начинаний и начал во времени. Более продвинутые и сложные частицы-Янусы называются пятнистыми, в их составе может быть несколько компонентов.
Бифункциональные композитные наночастицы такого типа характеризуются не только постоянством состава, возможностью сочетать физико-химические свойства в одной частице, но и возможностью их самосборки в достаточно сложные иерархические структуры непосредственно в растворе и на гетерофазных границах раздела.
Для частиц - Янусов существует возможность дальнейшей химической модификации их отдельных частей, что резко расширяет область их практического использования, в том числе, в биологии и медицине – для доставки лекарств, медицинской визуализации пораженных органов, фотодинамической и магнитотермической терапии онкологических заболеваний и пр.
В 2009 году ученые оптимизировали технологию создания частиц - Янусов. Для достижения асимметрии частиц, авторы данной работы проводили модификацию их поверхности поэтапно. В качестве основы для будущих частиц Януса ученые взяли стеклянные сферы диаметром приблизительно пяти микрометров. Сферы были закреплены на кремниевой подложке и равномерно покрыты слоем полимерных молекул. Далее исследователи вытравили полимеры с верхней части сфер, открыв исходную поверхность. После химической модификации "обнаженного" участка частиц, химики удалили пластик с остальной поверхности и присоединили к ней другие химические группы, чем к уже обработанной части.
Новая технология позволяет создавать частицы-Янусы различных размеров. Помимо этого, ученые могут контролировать, какая часть полимерных молекул будет вытравлена с поверхности частиц на первом шаге. Таким образом, они могут задавать требуемые размеры обоих "лиц". Частицы - Янусы могут быть востребованы в самых различных отраслях. Например, по-разному обработанные части поверхности могут маркировать разные части клетки. Такой метод окраски пригодится как молекулярным биологам, так и медикам.
Литература
1. http://www.nanometer.ru/2009/09/23/technology_157030.html
2. Статья F. Qin, W. Shi «Superconductivity in a chiral nanotube», 2017
Заключение
В настоящее время многочисленные публикации в области наноэлектроники растут с каждым днем, что отражает актуальность данного направления науки. А особой популярностью пользуется «умная» наноэлектроника. Ведь создание «голубого гиганта» мечта чуть ли не каждого ученного.
И на мой взгляд, регулярное представление подобных курсовых работ многое даст для ликбеза в области наноэлектроники. А усвоение относительно небольших «квантов» интересной и познавательной информации станет более эффективным. |
Категория: Наноматериалы и нанотехнологии (курсовые работы магистров РУДН) | Добавил: lizenok1994 (30.05.2017)
| Автор: Ефименко Елизавета 
|
| Просмотров: 635
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
