Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Наука не является и никогда не будет

являться законченной книгой.

Альберт Эйнштейн.

Введение.

            В последнее время можно часто услышать слово «нанотехноло­гии». Многие ученые возлагают на них большие надежды, ведь именно нанотехнологии могут существенно преобразить жизнь человека.

            Что же такое «нанотехнологии»? Какие существуют наномате­риалы? И какими будут предметы, сделанные из данных материалов? Именно эти вопросы задают главную проблематику текста.

            Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов – «нано» (грече­ское слово, означающее одну миллиардную часть чего-нибудь, напри­мер, метра) и «технологии» (создание из доступных материалов того, что необходимо человеку), а сам термин «нанотехнологии» означает созда­ние того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов.

            Рассмотрим два способа получения наночастиц:

Первый, более простой, метод – «сверху вниз». Исходный материал из­мельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной.

Рис. 1. Первый способ получения наночастиц – измельчение

Второй – получение наночастиц путем объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это наиболее сложный способ но именно за ним ученые видят будущее нанотехнологий [1].

Рис. 2. Второй способ получения наночастиц – объединение атомов

Нанохимия и наноматериалы

Фуллерены и нанотрубки

Фуллерены - это молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоорди­нированных атомов углерода

Углеродные нанотрубки — это протяженнные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких санти¬метров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины ), состоящие из одной или нескольких свёр¬нутых в трубку графеновых нанотрубок делают новые элементы для компьютеров.Способы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок.

Существует множество способов подучения фуллеренов и углеродных нанотрубок, автор рассматривает два способа, а главное, отмечает, что общая черта всех способов получения: фуллерены и нанотрубки обра­зуются из графита при очень высоких температурах.

Первый способ. «Электродуговое распыление»

Именно этим способом впервые были получены нанотрубки в 1991 году.

В закрытой камере между двумя графитовыми стержнями пропускают электрический заряд. Температура пламени между стержнями подни­мается до более чем 4000 градусов Цельсия, стенуи камеры охлаждают водой. Графит оседает в охлажденных участках камеры, но кроме гра­фита и сажи в осадке содержатся нанотрубки и фуллерены.

Второй способ. «Лазерное испарение графита».

Берут длинную кварцевую трубку, в которой помещают графитовую мишень, за ней размщают охлаждаемую площадку. Трубку размещают в печке, которую нагревают  до 1000 градусов Цельсия. Графитовую ми­шень облучают лазерным лучом. Среди наночастиц графита, которые оказались на площадке, обнаруживаются нанотрубки и фуррелены.

Третий способ – метод химического осаждения из пара.

Газовую смесь, содержащую углерод, пропускают через кварцевую трубку, помещенную в печь. В трубке находится специальный керамиче­ский сосуд с металлическим порошком, газ с которым вступает в хими­ческую реакцию. В результате неё на поверхности металлического по­рошка образуются фуллерены и нанотрубки.

Кластеры

Кластер – это упорядоченное объединение атомов, которое можно пред­ставить как самостоятельную нанчастицу с определенными свойствами.

Автор объясняет происхождение слова «кластер»: «По-английски cluster обозначает «рой», «скопление». Объединяясь в кластер, атомы выстраи­ваются в многогранники. Существуют «магические» кластеры- это кла­стеры, состоящие из «магического» числа атомов, а именно, из такого числа атомов, при котором частица не распадается(число атомов в виде правильного 12-вершинного многогранника равно 13, 55, 147, 309, 561 и т.д.)

Так, например, фуррелены, состоящие из атомов углерода, можно на­звать кластерами углерода с четным количеством атомов.

Самый огромный кластер, состоящий из 561 атома палладия, был впер­вые получен российскими учеными.

Также автор упоминает о существовании сверхкластеров – кластеров, составной единицей которых являются уже не молекулы, а небольшие кластеры.

Наночастицы серебра

Всем известно, что серебро обладает обеззараживающим эффектом. Не­давно ученые установили, что наночастицы серебра борются с различ­ными вирусами и микробами много лучше, чем более крупные частицы серебра.

Где же можно использовать эти наночастицы серебра?

Во-первых, это ткань, которая сама себя дезинфицирует, а следовательно болезнетворные бактерии и вирусы не смогут долго на ней задержи­ваться. Во-вторых, ученые предложили добавлять наносеребро в краску для стен в общественных местах. Доказано, что воздух в таких помеще­ниях, намного чище, а следовательно, возможность заразиться болез­нями, передаваемыми воздушно-капельным путем намного ниже.

Наночастицы оксида цинка

Автор утверждает, что «наночастицы такого химического вещества, как цинк, обладают уникальной способностью поглощать многие вредные дл здоровья виды излучения, например, ультрафиолетовое».

Напыление наночатиц серебра на стекла очков могло бы защитить глаза человека от воздействия ультрафиолетового излучение, а на одежде это напыление могло способствовать «незаметности» в приборах ночного видения, так как они реагируют на инфракрасное излучение, которое блокирует напыление цинка.

Наночастицы диоксида кремния

Наночастицыдиоксида кремния обладают удивительным свойством – если и нанести на какой угодно материал, то они присоединяются к мо­лекулам, из которых он состоит. К материалу с наночастицами не при­стает грязь, а вода скатывается с его поверхности, унося с собой любые загрязнения. Такой материал называется самоочищающимся.

«Потеющий» металл

Ученые создали материал способный противостоять воздействию высо­ких температур, который был назван «потеющим», так как напоминает человеческую кожу, а именно систему потоотделения.

«Потеющий» металл представляет собой сплав пористой стали и части­чек меди.

Данная разработка уже используется в настоящее время при создании ракетных двигателей.

МЭМС, наносенсоры и наноэлектроника

Микро- и наноэлектромеханические системы

Чтобы уменьшить размеры вычислительных машин до нынешних ноут­буков  и планшетов, ученым нужно было вместо огромных электронных ламп и других составляющих создать нечто более емкое. Решение этой задачи привело к созданию микросхем, или по-другому, «чипов». Чип создается на поверхности кремниевой пластины путем литографии(с греческого означает «писать на камне»), то есть создается рельеф на пла­стине из кремния. На таких же пластинах можно создавать микрома­шины, которые получили назание МЭМС – микроэлектромеханические системы.

МЭМС прекращают механическую энергию в электрические или свето­вые сигналы и наоборот. Также микроэлектромеханические устройства могут работать как микророботы. На рис. 3 показан пример наноэлек­тронной схемы.

Рис. 3. Пример наноэлектронных схем

Наносенсоры

Сенсор – датчик, который фиксирует изменения внешней среды и сооб­щает о них.

Примеры сенсоров:

1. Сейсмодатчики – датчики, которые реагируют на малейшие коле­бания земной коры и заранее предупреждают о надвигающихся землетрясениях.


2. Ультразвуковые датчики – сенсоры, реагирующие на невидимое для человеческго глаза ультразвуковое излучение


3. Инфракрасные датчики – сенсоры, реагирующие на инфракрас­ное излучение, чувствуют тепло. Эти сенсоры называют прибо­рами ночного видения.


4. Газовые сенсоры – датчики, которые определяют утечку газа из трубы и наличие в воздухе других опасных для здоровья чело­века газообразных веществ.

«Электронный нос» - датчик, способный определять пахучее вещество по одной молекуле, также определять, что за вещество, то есть опреде­лять молекулы разных веществ.

«Электронный язык» - датчик, который состоит из четырех химических сенсоров, каждый из которых реагирует на тот или иной базовый вкус: кислый, горький, солёный и сладкий. Молекулы разного вкуса отлича­ются друг от друга по размерам.

«Умная пыль» - множество крохотных устройств, способных выполнять полезные функции, например, изучать рельеф или следить за движе­ниями человека.

Наноэлектроника

Наноэлектроника – это новая область техники, которая занимается соз­данием интегральных схем с размерами элементов менее ста нанометров. Основной элемент микросхем – транзистор, уменьшение размеров кото­рого не изменяет его свойств, пока размер его не будет соизмерим с раз­мером молекулы.

Нанобиотехнологии

В нанобиотехнологиях соединяются сразу несколько наук: биология, хи­мия, физика и материаловедение. Нанобиотехнологии работают над тем, чтобы  совместить живое с неживым – живые клетки  и созданные чело­веком наноструктуры [6].

Биокомпьютеры

Создание биокомпьютеров стало новым направлением исследований, находящимся на пересечении биологии и науки о компьютерах. Биоком­пьютер состоит из живых клеток. У каждой клетки есть свой генетиче­ский код. Изменяя этот код, ученые придают ей свойства, нужные чело­веку.

Уже созданы биокомпьютеры на основе РНК – рибонуклеиновой ки­слоты, которая участвует в производстве белков в живой клетке. Живая клетка, состав которой был изменен, стала работать как простейший биокомпьютер, снабженный сенсорами, реагирующими на определенные вещества.

Нанобиореакторы

Нанобиотехнологи придумали нанобиореактор для выращивания нано­частиц разных веществ.  Под словом «нанобиоректор» скрываются бак­терии – одноклеточные организмы, в которых ученые научились выра­щивать наночастицы с разнообразными свойствами. В бактериях можно выращивать и наночастицы металлов.

Нанокапсулы

Когда был изобретен электронный микроскоп, ученые обнаружили в жи­вых клетках крошечные нанокапсулы, в которых находились частицы жира и другие инородные частицы.

Ученые тут же приступили к созданию нанолекарств, которые можно поместить в нанокапсулу и доставить именно в ту часть организма чело­века, которая в этом нуждается [1].

Заключение

Конспекст по данной книге всего лишь знакомит читателя с общими на­правлениями развития нанотехнологий.

Нанотехнологии преобразуют наш мир, хоть и начали развиваться не­давно [2-4].

Список литературы

1. Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии – М.: Парк-ме­диа: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 96 с.


2. Верстка. Требования к оформлению книг / Уч. пособие для студен­тов по специальностям «Издательское дело», «Дизайн», «Реклама» / Сост. Минаева О.Е. – М.: ФГОУ СПО «МИПК им. И. Фёдорова», 2011. – 60 с.


3. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showforum=29 – форум «Лю­бимый Word», посвященный ДЗ №1 в курсе «Компьютерный практикум».


4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%8F – статья Википе­дии, посвященная нанохимии.


5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86%D0%B0 – статья Википедии, посвященная наночастице.


6.  http://repetitora.com/nanobiotehnologii - статья, посвященная изуче­нию нанобиотехнологий.

Приложение

Тест по теме «Нанотехнологии»

1. Что означает слово «нано»?
   
   
   
   1. одну девятую часть
   
   
   2. одну сотую часть
   
   
   3. одну миллиардную часть
   
   
   
   


2. Что такое способ получения наночастиц «сверху вниз»?
   
   
   
   1. Исходный материал бросают сверху вниз и он распада­ется на наночастицы
   
   
   2. На исходный материал сверху бросают что-то тяжелое и он распадается на наночастицы
   
   
   3. Исходный материал измельчают до тех пор, пока его час­тицы не стану наноразмерными
   
   
   
   


3. Что такое способ получения наночастиц «снизу вверх»
   
   
   
   1. Исходный материал подбрасывают вверх и он распада­ется на наночастицы
   
   
   2. Исходный материал сверлят снизу до получения наноча­стиц
   
   
   3. Наночастицы получают, объединяя отдельные атомы
   
   
   
   


4. Фуллерен состоит из атомов:
   
   
   
   1. Кислорода
   
   
   2. Водорода
   
   
   3. Углерода
   
   
   
   


5. Кластер с числом атомов 13, 55, 147, 309, 561 и т.д. называется:
   
   
   
   1. Волшебным
   
   
   2. Чудесным
   
   
   3. Магическим
   
   
   
   


6. Фуллерены и углеродные трубки получают из:
   
   
   
   1. Графита
   
   
   2. Алмаза
   
   
   3. Бумаги
   
   
   
   


7. Наночастицы какого металла эффективно борются с бактериями и вирусами?
   
   
   
   1. Железа
   
   
   2. Серебра
   
   
   3. Аллюминия
   
   
   
   


8. Как называется металл, который сам себя защищает от высокой температуры?
   
   
   
   1. Потеющий металл
   
   
   2. Мерзнущий металл
   
   
   3. Защищенный металл
   
   
   
   


9. Микросхемы создают, формируя рельеф:
   
   
   
   1. На золотой пластине
   
   
   2. На кремниевой пластине
   
   
   3. На деревянной пластине
   
   
   
   


10. Сенсоры:
    
    
    
    1. Реагируют на изменения окружающей среды, имитируя ор­ганы чувств человека и животных
    
    
    2. Изменяют окружающую среду
    
    
    3. Предотвращают изменения окружающей среды
    
    
    
    

За каждый правильный ответ начисляется 1балл.

Правильные ответы приведены в Таблице 1, а соответствите сум­марного балла и итоговой оценки можно увидеть в Таблице 2

Таблица1.Правильные ответы на тест «нанотехнологии»

Таблица 2. Система оценивания.