Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 122
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Наноинженерия (курсовые работы) » Наноинженерия (рефераты)

Курсовая работа по теме "Системное мышление наноинженера"

РУДН


Российский Университет Дружбы Народов)


Инженерная академия


Кафедра кибернетики и мехатроники



Курс «Введение в наноинженерию»


Реферат на тему


«Системное мышление наноинженера»



Студентка ИИб-201 (2 курс): Алексеева Т.П.


Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.



Москва 2016 г.



Аннотация:


В этой работе представлены примеры разработок в области нанотехнологий. Указаны сложности с которыми предстоит столкнуться наноинженеру. Объясняется определение системноинженерного мышление и с чем приходится работать системному инженеру .


В работе: рис.7,стр. 20, источников 9.


Ключевые слова: Системное мышление, наноинженерия, наноматериалы, умная пыль, нанорадио, углеродные наносистемы, микро-сосиски, компьютеры размером с вирус.



Глоссарий терминологии, сокращения и обозначения:


Наноинженерия (НИ) - научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных (наноструктурированных) объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.[8]


Наноматериалы (НМ) - материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100нм.[9]


Системноинженерное мышление - это использование системного подхода в инженерии. Чтобы понять, где и зачем используется системноинженерное мышление, нужно сначала разобраться с тем, что такое системная инженерия и зачем она нужна.[1]


Стейкхолдеры — это те, кто затрагивается системой, или кто затрагивает систему.



Содержание:


1 .Введение .....................................................................................................стр.2


2. Проблематика задач наноинженерии ........................................................стр.3


3. Основная часть. Системное мышление наноинженера ...........................стр.4


4. Развитие и совершенствование инженерии …………………………………...стр.6


4.1 Углеродные наносистемы………………………………………………….....стр.8


4.2 Сверхпроводниковые нанотехнологии для астрономии……………… стр.9


4.3 Микро-сосиски с нано-напылением…………………………………….......стр.11


4.4 Умная пыль……...………………………………………………………….......стр.13


4.5 Нанорадио…………………………………………………………………….....стр.14


4.6 Компьютеры размером с вирус……………………………………………..стр.16


5. Заключение……………………………………………………...……………………....стр.17


6. Литература ..................................................................................................стр.18


7. Контрольные вопросы ...............................................................................стр.19



«Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией»


Ralph Merkle (Xerox, Palo Alto)



Введение.



В 1959 г. Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман прочитал лекцию с аллегорическим названием ―Внизу полным- полно места‖ (There is plenty of rooms at the bottom. In minituarization). Р.Фейнман указал на фантастические перспективы, которые сулит изготовления материалов и устройств на атомном и молекулярном уровнях. Этот предсказание можно считать началом эры нанотехнологий.


Нанотехнологии — символ начала XXI века для многих направлений развития науки, техники, технологий. Трудно назвать сферу знаний, отрасль промышленности, сельского хозяйства, медицины, в которой бы внедрение достижений нанотехнологий не оказало бы значительного влияния на увеличение эффективности производства.


Для любого специалиста нанотехнологии — это создание систем, материалов, устройств, продуктов на наноразмерном уровне. Уже в ближайшие годы c применением достижений нанотехнологий следует ожидать существенных прорывов в науке, технике и технологии.


К ним, в первую очередь, следует отнести значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, индивидуальный подбор и адресную доставку лекарств, получение новых материалов с неизвестными до настоящего времени свойствами, новые методы передачи информации, создание сверхминиатюрных устройств на основе самосборки и многое другое.


В последние годы получены новые научные результаты в области исследований атомарного и молекулярного строения веществ, физики и химии поверхностных явлений, взаимодействия частиц разной природы и др. Все это составляет основу бурно развивающегося научного направления — нанонауки. В свою очередь, теоретические и экспериментальные достижения нанонауки становятся основой нанотехнологий, т.е. направленных, управляемых процессов создания новых продуктов, материалов, изделий с нанометровыми размерами и с заранее заданными свойствами. Однако переход от лабораторных к промышленным образцам достаточно сложен и до настоящего времени не изучен. Успехи нанотехнологий неизбежно приведут к необходимости постановки и решения задач разработки как производственных технологий, так и высокопроизводительных систем атомарной точности.


Проблемы создания таких технологий и систем призвана решать наноинженерия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов разработки, производства и применения интегрированных систем, основанных на принципах нанотехнологий и микросистемной техники. В этом определении сконцентрирован как опыт существования инженерии на протяжении нескольких веков, так и то новое, что вносят в инженерию нанотехнологии.


Успехи нанонауки, нанотехнологий, наноинженерии приведут к массовому производству наноматериалов, наноэлементов, наноизделий различного назначения и к появлению наносистем — особо сложных электрических и механических устройств, связывающих воедино различные устройства, узлы и элементы атомарных и молекулярных размеров. Создание таких систем потребует совершенно нового системного подхода к их проектированию, изготовлению, эксплуатации, утилизации, т.е. ко всем этапам их жизненного цикла.



Проблематика задач наноинженерии.


Проблематика задач наноинженерии предполагает использование ряда передовых рубежей знаний по физике твердого тела, физической химии, синергетике, теории информации. В то же время следует отметить недостаточную теоретическую подготовку инженерных кадров и специалистов химического и биологического профиля в части:


• использования традиционных методов анализа характерных параметров атомных (молекулярных) структур наноразмерного масштаба, основанных на квантово-механических моделях и представлениях;


• методов определения необходимой, с точки зрения достижения приемлемого функционального качества, меры упорядоченности физических сред, используемых при создании устройств наноразмерного масштаба;


• понимания физической специфики разнообразных размерных эффектов, имеющих место в микро и наноразмерных системах.


Таким образом, люди занимающиеся наноинженерией, должны подробно изучать наномир и учитывать специфику размерных эффектов.



Системное мышление наноинженера


Для начала хотелось бы поговорить о системном мышлении инженера, а т.к. два этих понятия связаны между собой, мы плавно перейдем к наномиру.


Системноинженерное мышление — это использование системного подхода в инженерии. Чтобы понять, где и зачем используется системноинженерное мышление, нужно сначала разобраться с тем, что такое системная инженерия и зачем она нужна.


Системная инженерия — это междисциплинарный подход и способы обеспечения воплощения успешной системы.


В этом определении можно подчеркнуть:


● Успешные системы — это то, чем занимается системная инженерия. Слово “успешные” тут крайне важно и означает, что система должна удовлетворить нужды заказчиков, пользователей и других стейкхолдеров . Успех — это когда системой все довольны.


● Слово “системы” используется в очень специальном значении: это “системы” из системного подхода. Для системной инженерии слово “система” примерно то же, что “физическое тело” для ньютоновской механики — если вы сказали про компьютер “физическое тело”, то это автоматически влечёт за собой разговор про массу, потенциальную энергию, модуль упругости, температуру и т.д. Если вы сказали “система” про компьютер, то это автоматически влечёт за собой разговор про стейкхолдеров и их интересы, требования и архитектуру, жизненный цикл и т.д.


● Междисциплинарный подход — системная инженерия претендует на то, что она работает со всеми остальными инженерными специальностями (впрочем, не только инженерными). “Подход” обычно означает какие-то наработки в одной предметной области, которые можно перенести на другие предметные области. Междисциплинарность — это очень сильное заявление, оно означает, что системная инженерия может в одну упряжку впрячь коня и трепетную лань (например, инженеров-механиков, баллистиков, криогенщиков, психологов, медиков, астрономов, программистов и т.д. в проектах пилотируемой космонавтики).


● Слово “воплощение” (realization, “перевод в реальность”) означает буквально это: создание материальной (из вещества и полей) успешной системы.


После освоения материала по системноинженерному мышлению продолжать образование системного инженера можно в двух противоположных направлениях:


● “дьявол в деталях”: конкретизировать отдельные инженерные дисциплины, изучать практики моделеориентированной системной инженерии. Это традиционное обучение инженерии в её связи с реальной жизнью.


● “ангел в абстракциях” (“знание принципов освобождает от знания фактов”): обобщить предлагаемое системноинженерное мышление с целью достижения мультидисциплинарности и распространения его на самые разные виды систем. Обучать методологии инженерии во взаимосвязи с достижениями науки.


Один из лозунгов системной инженерии: “С первого раза правильно!”


Системная инженерия является той дисциплиной, которая ответственна за обеспечение целостности в инженерном проекте.


Системная инженерия решает задачу преодоления инженерной сложности (которая определяется главным образом как число различных элементов, которые должны провзаимодействовать друг с другом, чтобы получить целевую систему — и сложные системы не помещаются ни в какую самую умную голову, требуется специальная дисциплина, чтобы собирать результаты деятельности самых разных инженеров в одно работоспособное целое).


Кто ответственен за правильность проекта, правильность выбранного решения, соблюдение всех сложнейших практик, дающих на выходе “правильно с первого раза”? Системные инженеры: именно они должны придумать такие технические решения, чтобы не было неприятных (впрочем, и приятных тоже) неожиданностей при изготовлении, эксплуатации и последующем выводе из эксплуатации систем, создаваемых во всех этих сложнейших проектах. И эти системные инженеры справляются — каждый год сверхсложные проекты прошлых лет становятся просто сложными, а сложные проекты — типовыми. Это не значит, что такие проекты, как полёт на луну или создание атомной станции становятся более простыми. Нет, не становятся: наоборот. Сложность этих проектов год от года растёт за счёт опережающего роста требований, прежде всего требований безопасности.


По-английски “системная инженерия” — systems engineering, хотя более ранние написания были как system engineering. Правильная интерпретация (и правильный перевод) — именно “системная” (подразумевающая использование системного подхода) инженерия, а не “инженерия систем” (engineering of systems) — когда любой “объект” обзывается “системой”, но не используется системный подход во всей его полноте.



Дискуссия о значении термина в переводе "с английского на английский" тоже существует, поэтому есть чёткие сформулированные ответы на эту тему. В этой дискуссии про "systems engineering vs. engineering of systems" сами системные инженеры (в отличие от разных других инженеров — механиков, электриков, программистов и т.д.) заняли чёткую и согласованную коллективную позицию.


Грубо говоря, под "инженерией систем" (например, control systems engineering, manufacturing systems engineering) понимается что ни попадя: легко выкинуть слово "система", которое лишь обозначает некий "научный лоск".



Инженеры легко любой объект называют "системой", не задумываясь об осознанном использовании при этом системного мышления, не используя системный подход, “инженерия управляющей системы” это просто “инженерия управляющего объекта”. Никакого специального мышления при этом не предусматривается, слова “система” и “объект” взаимозаменяемы. В самом лучшем случае про систему скажут, что “она состоит из взаимодействующих частей” — на этом обычно разговор про “систему” и “системность” заканчивается, он не длится больше двадцати секунд.



А вот из системной инженерии квалификатор "системный" без изменения смысла понятия выкинуть нельзя — системная инженерия это инженерия с системным мышлением в голове (а не любая инженерия, занимающаяся объектами, торжественно поименованными системами просто для "добавления сложности и научности").



Но почему системную инженерию назвали именно системной, а не какой-то другой инженерией? Потому как на сегодняшний день единственным способом удержать сверхсложное целое в междисциплинарных проектах является использование системного подхода, в котором термин “система” используется в специальном смысле, и который подразумевает специальное устройство мышления для применяющих системный подход людей.



Системное наноинженерия заключается практически в той же работе , но наноинженеры обязаны учитывать поведение частиц и различные явления в наномире.[1]


Развитие и совершенствование инженерии





Первое поколение — это алхинженерия (”алхимическая” инженерия), по аналогии с алхимией по сравнению с химией. Помните алхимические неформальные описания химических реакций в те времена, когда не было ещё развитой химической нотации и понимания различий между химическими элементами и сложными веществами?


Это общий стиль мышления, речь тут не идёт только об алхимии. С любым знанием сначала так: хорошо ещё, что эти неформальные рассуждения вообще можно записать. Искусство создания более сложных объектов (например, каравеллы) было ровно что искусством: передавалась какая-то традиция, чертежей как таковых не было — обходились эскизами и макетами, пространными текстовыми описаниями, передававшимися зачастую даже не в книгах, а в рассказах — от мастера-инженера ученикам.


Классическая системная инженерия использует диаграммную технику — это уже не вольные поэтические метафоры, как в алхинженерии, но много более строгие определения системы: чертежи, диаграммы, таблицы и т.д. Но это не полностью формальное описание: его нельзя как-то формально проверить, оно предназначено для чтения и интерпретации только людьми. Если уподобить описание системы компьютерной программе по изготовлению системы, то это такая “программа”, которую может выполнить только человек, но не станок-компьютер. Можно назвать это “псевдокодом”: непосвящённый человек легко спутает псеводокод с компьютерной программой, но программист понимает, что псевдокод пишется для других людей, а не для компьютера. От псевдокода до реальной программы, реального формального текста на каком-то языке программирования примерно столько же работы, как от общего неформального понимания ситуации человеком до написания программы на псевдокоде.


Поэтому появляется третье поколение системной инженерии, моделеориентированная системная инженерия. Она предусматривает использование логических (структурных) и физических (числовых) формальных моделей, которые могут непосредственно быть обработаны (проверены, оптимизированы) компьютером. Это позволяет достигать принципиально другой сложности целевых систем: компьютеры проверяют модели на отсутствие разного рода ошибок в разы более производительно и точно, чем это может сделать человек. Основной особенностью моделеориентированной системной инженерии является то, что используются не только численные физические модели, но и “логические” модели, использующие аппарат дискретной математики, плюс алгоритмические модели на языках программирования.


Четвёртое поколение связано с тем, что моделируется уже не только целевая система, но и сами системные инженеры — их творческие практики. Проводятся гибридные (статистические и логические одновременно) вычисления, характерные для программ искусственного интеллекта, а не нынешних программ физического и логического моделирования, при этом эти все вычисления-моделирования- оптимизации увязаны друг с другом. Особенность четвёртого поколения в том, что не только люди создают модели, а компьютер только проводит вычисления по этим созданным моделям, но и компьютерные программы создают модели: компьютер выполняет творческие функции, которые сегодня выполняет системный инженер. Человек работает в партнёрстве с компьютером, а не программирует компьютер.[3]



Пример №1. Углеродные наносети.


Случайные сети крошечных углеродных трубок могут стать основой для создания новых устройств, например «электронной бумаги» или легких и гибких солнечных элементов.


В научно-фантастических рассказах часто описывается внеземная жизнь, основанная на кремнии — веществе, без которого невозможно представить современную электронную аппаратуру. Ученые мужи вели дискуссии о возможности создания кремниевых форм жизни. Но время внесло свои коррективы. Сегодня в центре внимания углерод, который в недалеком будущем, возможно, будет играть ведущую роль в создании недорогих электронных устройств, обладающих широким диапазоном новых возможностей.


Тех, кто из школьного курса физики помнит, что алмаз и графит (наиболее известные модификации углерода) плохо проводят электричество, такое заявление может удивить. Однако за последние 15 лет были обнаружены новые формы этого элемента: микроскопические структуры, содержащие от нескольких сотен до 1 тыс. атомов, через которые электроны проходят с легкостью. Наиболее интересными свойствами обладают углеродные нанотрубки — молекулы, представляющие собой «лист» атомов углерода, напоминающий скатанную проволочную сетку. Размер этой «сетки» в 100 млн раз меньше ячейки сетки-рабицы.


Исследователи выяснили, что случайные сети из углеродных нанотрубок (наносети), могут выполнять разнообразные элементарные функции, лежащие в основе электронных цепей. Используя последние открытия химии, специалисты могут создавать такие сети, обладающие проводящими свойствами металлов, или характеристиками полупроводников. Возможно, недалек тот день, когда в электронных устройствах будет использоваться один-единственный материал с широким спектром функций.


Устройства на основе углерода достаточно просты в изготовлении. Растворяя нанотрубки в жидкости и напыляя полученный раствор, инженеры могут формировать тонкие слои, скажем, на гибких листах пластмассы или же накладывать и печатать данные материалы поверх других слоев, имеющих иные электронные функции, например на вещества, которые при приложении напряжения испускают свет...


Этот пример дает нам понять о том, что некоторые вещества нужно рассматривать при очень большом увеличении и только тогда мы сможем обнаружить совершенно специфические для этого вещества свойства.[4]



Пример №2.Сверхпроводниковые нанотехнологии для астрономии.


Далекая инфракрасная область спектра космического излучения (длины волн 0.1 ¸ 1 мм) представляет для астрономии особый интерес, поскольку содержит информацию о наиболее удаленных от нас (и наиболее “старых”) объектах. Исследование именно этого диапазона позволяет больше узнать о формировании галактик, звезд и планетарных систем. Однако инфракрасное излучение сильно поглощается атмосферой Земли, и поэтому телескопы нужно размещать за ее пределами – на искусственных спутниках, что довольно накладно. Но и в этом случае сигналы от далеких участков Вселенной оказываются очень слабыми.


На помощь астрономам пришли нанотехнологии. Используя последние достижения нанолитографии, ученые изготовили сверхчувствительный болометр, позволяющий регистрировать даже единичные инфракрасные фотоны. Принцип его действия проиллюстрирован на рисунке (рис.2).





Температура сверхпроводящего элемента болометра ( нанопровода Ti) соответствует примерно середине перехода (то есть его сопротивление R отлично от нуля, но меньше сопротивления Rn в нормальном состоянии), то поглощение даже одного фотона приводит к поддающемуся измерению увеличению R вследствие нагрева электронной подсистемы. При большой интенсивности излучения величина R быстро входит на константу (Rn). Если же “частота прибытия” фотонов достаточно низкая, то на зависимости Rn от времени наблюдаются последовательные пики, каждый из которых соответствует поглощению единичного фотона. С целью термической изоляции нанопровода контакты к нему изготавливались из ниобия. Сверхпроводниковые болометры использовались для регистрации единичных фотонов и раньше, но только в видимом диапазоне. Лишь уменьшение размеров сверхпроводниковых элементов до нанометрового масштаба позволило авторам освоить и дальний ИК-диапазон. Вот так интересно устроена жизнь: “нано” помогает нам лучше понять «макро».[3]


Этот пример говорит о том, что уменьшение размера самих элементов до нанометрового масштаба помогает освоить гораздо больше, чем те же элементы в больших размерах.



Пример №3. Микро-сосиски с нано-напылением.


Анжела Белчер , профессор Массачусетского технологического университета (г. Кембридж, США).


Вот какая история произошла с Анжелой году примерно в двухтысячном: шла она как-то по парку, никого не трогала, кушала сосиску в тесте, вдруг -ветерок подул! солнышко посветило! – и от неожиданности такой сосиска выпала на землю. Анжела подняла сосиску (она обвалялась в песке и мелких камешках) и долго раздумывала над нею. Она смотрела на сосиску, обвалявшуюся в песке, не просто так – она думала, что можно попробовать точно так же обвалять вирус в наночастицах. Вирус даже лучше! Сосиска собирает на своей поверхности любой песок, а на поверхность вируса можно поставить (путем генной инженерии) такие белки, чтобы они слипались только со строго определенными частицами.


В качестве рабочей лошадки Анжела выбрала бактериофаг М13 (рис.3) (вирус, паразитирующий на кишечной палочке Escherichia coli). Микробиологи любят его за то, что в его ДНК есть «неважный» участок – если вставить в него какой-нибудь совершенно левый ген, то жизнедеятельность вируса из-за этого не нарушится. Кроме того, при определенных условиях М13 начинает строить белковые трубки очень большой длины. Стало быть,в состав капсида (белковой оболочки) вируса М13 можно включить те белки, которые нужны экспериментатору;


• капсид можно сделать аномально длинным;


• а затем полученную микро-сосиску можно обвалять в необходимых нано-частицах.





Сказано – сделано. Вот, например, работа 2003 года: за счет генной инженерии на поверхность капсида М13 были помещены белки, которые могут слипаться с наночастицами из различных хитрых материалов: ZnS, или CdS, или CoPt, или FePt – на выбор. По окончании слипания Анжела «поджаривала» вирусы, при температуре 400-500°С органические вещества (ДНК и белки вируса) сгорали, и получался минеральный нанопроводник. (К сожалению для Анжелы, нано-инженеры к тому времени придумали гораздо более простые и дешевые способы получения нано-проводников.)





Следующая её работа (2006 год) – получение ребристого металлического покрытия (рис.4). В главной роли – все тот же М13, его поверхность все так же притягивает к себе наночастицы кобальта. Если теперь положить много-много таких кобальтированных вирусов в ряд, то получится, как и заказывали, металлическое покрытие, и не гладкое, а высоко-ребристое, т.е. с очень большой поверхностью. Если теперь поместить всё это добро в раствор электролита, то у нас получится готовый анод для батарейки! А поскольку его поверхность очень большая, то мощность такой гипотетической батареи будет очень даже высокой.


В 2009 году Анжела сумела сделать для своей батарейки и катод. Проблема здесь только одна, очень маленькая и всё та же самая: для механизмов настоящего существуют гораздо более простые и эффективные батарейки Анжела пишет, что «получение (вирусной) батареи обходится значительно дешевле, и, в отличие от обычных аккумуляторов, не требует использования токсичных химических веществ – все процессы идут в водной среде при комнатной температуре».


В этом примере мы видим как с помощью бактерий и нано-частиц можно получить, например, зарядку. [2]



Пример №4. Умная пыль.


Предполагается, что базовые элементы «умной пыли» — моты ( mote — пылинка), в итоге будут размером c частицу песка или даже пыли. Каждый мот имеет собственные сенсоры, вычислительный узел, коммуникацию и питание. Группируясь вместе, моты автоматически создают очень гибкие сети с малым потреблением питания. Области их применения могут варьироваться от систем управления климатом до устройств для развлечения, взаимодействующих с другими информационными устройствами.


Понятие умной пыли было введено Кристофером Пистером (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) в 2001 году , хотя ранее те же самые идеи были предложены в научной фантастике.


Некоторые полагают, что концепцией, на которой основана умная пыль, является проект в PARC под названием «Умная материя».


Устройства умной пыли будут основаны на низковольтной и глубоко низковольтной наноэлектронике и включать микроисточники энергии вместе с твердотельными импульсными суперконденсаторами (наноионные суперконденсаторы). Недавние разработки в области нанорадио могут использоваться как технологическая база для воплощения умной пыли на практике.


Этот пример показывает, что для создания «умной пыли» не обойтись без наноэлектроники и наноионных конденсаторов.[6]



Пример №5. Нанорадио.


В это трудно поверить, но миниатюрное устройство полностью повторяет функции своего «большого собрата», т.е. включает в себя антенну, полосовой фильтр, усилитель и демодулятор. При этом радио ловит как FM так и AM волны частотой от 40 до 400 МГц. Фактически это нормальные «рабочие» частоты радиотрансляций.


В процессе испытаний устройства ученые «поймали» и прослушали музыку группы «Beach Boys», причем качество трансляции было достаточно хорошим.


Правда, на сегодняшний день Алекс и его коллеги не могут с легкостью «перестраивать» радио для того, чтобы прослушать что-то на другой волне, однако Зеттл и его коллеги уверены, что благодаря своей простоте и функциональности, а, главное – малым размерам, нано-радио займет свою нишу среди коммерческих продуктов.


Одно из видимых применений «радио» на основе нанотрубки – в современной медицине для мониторинга процессов, проходящих в кровеносной системе, и, в будущем – в медицинской наноробототехнике.


«Полностью функциональное радио может работать внутри живой клетки», – говорит Зеттл. «Представьте себе процесс передачи сигнала и информации напрямую в клетки мозга или мышц, либо радиоуправляемое устройство, работающее в потоке крови внутри сердца или сосудов».


По словам ученых не исключена возможность создания различных имплантов, позволяющих, к примеру, помочь людям со слуховыми проблемами.


Также нано-радио будет исключительно полезным в различных системах беспроводных коммуникаций. Это включает в себя дальнейшее развитие беспроводных технологий связи, говорит Алекс.





Нано-радио состоит из электрода, к которому прикреплена нанотрубка. На электрод от внешнего источника питания или от каскада солнечных батарей поступает постоянное напряжение, благодаря которому на конце нанотрубки создается отрицательный заряд. Нанотрубка вместе с электродом располагаются в колбе с вакуумом, поэтому антенна-нанотрубка легко осциллирует в присутствии электрических полей.


Все наноустройство ученые исследовали с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.


Ученые сперва думали создать сверхчувствительный сенсор, так как нанотрубка реагирует даже на воздействие нескольких аттоньютонов, однако в процессе работы выяснилось, что резонансная частота вибраций нанотрубки изменяется, если вблизи работает мобильный телефон или GPS-навигатор!


Так ученые узнали о том, что нанотрубку можно использовать в роли сверхчувствительной антенны. Но из-за существенных отличий в конструкции нано-радио принцип его работы не такой, как у «больших» аналогов.


Радиоволны, принимаемые нано-антенной, заставляют ее вибрировать, но это происходит только тогда, когда частота радиоволны совпадает с резонансной частотой изгибания нанотрубки-антенны. Таким образом, нанотрубка выступает еще и в роли тюнера, принимая радиоволны строго определенного набора частот.





Свойства усиления и демодуляции происходят от специфической геометрии нанотрубки. Тонкий, как игла, конец нанотрубки при подаче на электрод постоянного напряжения генерирует электрическое поле, вызывающее ток эмиссии, а он достаточно чувствителен к механическим вибрациям нанотрубки. Так как поле генерируется внешним источником энергии, то возможно с его помощью усиление радиосигнала.


Демодуляция же возможна благодаря нелинейности процесса эмиссии поля, поэтому одна нанотрубка может и принимать, и усиливать и даже демодулировать AM/FM радиосигнал.[5]



Пример №6. Компьютеры размером с вирус.


Известный американский физик, Ричард Фейнман (Richard Feynman) в 1959 г. говорил о будущем, в котором микроскопические машины смогут выполнять важные функции. Сегодня, 57 лет спустя, ученые вплотную приблизились к реализации его нанотехнологических прогнозов.


Инженеры из Калифорнийского университета в Санта-Барбара (UCS cool разработали конструкцию функционального нанокомпьютера (рис.7), использующую сверхплотные трёхмерные схемы и новый тип логики (material implication logic) на базе мемристоров. Он позволяет одновременно и локально выполнять обработку данных и операции с памятью, что существенно уменьшает требования к количеству компонентов и занимаемому ими объему.


Теоретически это устройство, — 8-разрядный сумматор — можно уместить в кубическом блоке, со стороной не более 50 нм. Это является одним из необходимых условия для получения Большой Премии Фейнмана (Feynman Grand Prize) — 250 тыс. долл. Статья об этом достижении, «Optimized stateful material implication logic for three dimensional data manipulation», вышла в журнале Nano Research.


«Наш вклад заключается в том, что мы улучшили специфические аспекты этой логики и спроектировали ее так, что она может быть построена в трехмерном виде»,- сообщил профессор UCSB Дмитрий Струков. В комбинации с результатами, ранее полученными другими группами, эта технологии, по его мнению, позволит легко выиграть Феймановскую премию.


О каких-либо реальных приложениях новой системы говорить ещё слишком рано, считает Джина Адам (Gina Adam), соавтор публикации. Предстоит много работы для того, чтобы улучшить её надежность и время эксплуатации, а также, чтобы освоить изготовление крупномасштабных трехмерных мемристорных схем, содержащих десятки или сотни слоёв.[7]






Заключение


Нанотехнологии - основа всего. Наноинженер может работать с плоскими экранами и техникой, конструировать нанороботов и электронные схемы на молекулярном уровне, а еще следить за окружающей средой, заниматься геномикой и биомеханикой и создавать искусственные органы.


Основное, что должен уметь делать системный инженер- это создавать материальные объекты, а не анализировать их. Системные инженеры предлагают уделять внимание работе в проектах, а не заниматься чтением учебников.


Таким образом, работа системного инженера (наноинженера) не так легка, как казалось бы. Абсолютно все инженеры сталкиваются с определенным рядом проблем и сложностей.


Главная проблема наноинжеров заключается в том, что они должны учитывать размерность объектов. Из-за слишком малых размеров меняются свойства вещества, его термоустойчивость , чуствительность, прочность и многое другое.


Лозунг: “С первого раза правильно!” является в какой-то степени мотивацией для инженеров, т.к. очень часто нет права на ошибку.


Наноинженер должен для начала ознакомиться со свойствами всех наноматериалов, определить их взаимодествие друг другом и только потом приступать к работе.



Литература


1.Левенчук А.В. Системноинженерное мышление. – М.: МФТИ, 2015. – 305 с.


2. http://www.bio-faq.ru/news/10_05_01.html. - Поздняков Д.В. Микро-сосиски с нано-напылением, 2016 ;


3. http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/sverkhprovodnikovye-nanotekhnologii-dlya-astronomii. - Л.А.Опенов Сверхпроводниковые нанотехнологии для астрономии, 2008. ;


4. http://nano-e.ucoz.ru/forum/10-11-1. - Гранер Д. Углеродные наносети: новые возможности электроники. В мире науки,
2007 (11).;


5. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/nano-radio-iz-odnoi-nanotrubki-proryv-v-nems-ustroistvakh - Свидиненко Ю. Г. Нано-радио из одной нанотрубки – прорыв в НЭМС-устройствах, 2007.;


6. http://cyberleninka.ru/article/n/nanonauka-nanotehnologii-nanoinzheneriya-nanosistemy-chto-dalshe - Шахнов В. А. Нанонаука, нанотехнологии, наноинженерия, наносистемы. Что дальше? Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение», 2010 (Спецвыпуск);


7. http://www.nanonewsnet.ru/news/2016/sproektirovan-kompyuter-razmerom-s-virus - Спроектирован компьютер размером с вирус, 2016.


8. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B8%D0%BD%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F - Наноинженерия. (Википедия);


9. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB – Наноматериалы (Википедия).;



Контрольные вопросы


1. Какое количество поколений существует на данный момент в развитии инженерии:


Ответы:


1. 4


2. 7


3. 2


4. 15


5. 9


2. Понятие умной пыли было введено в ___


1. 2007


2. 1995


3. 2001


4. 1736


5. 2009


3. Какой из перечисленных бактериофагов используется для создания «Микро-сосиски»?


Ответы:


1. Т4


2. МS2


3. ДНК


4. М13


5. Т2


4. Лозунг системной инженерии:


Ответы:


1. «Будущее понимает тебя»


2. «Вместе возможно все»


3. «Жизнь упрощается»


4. « Будущее начинается»


5. «С первого раза правильно»


5. Размер стороны компьютера размером с вирус:


Ответы:


1. 25 нм


2. 10 нм


3. 50 нм


4. 500 нм


5.100 нм

Категория: Наноинженерия (рефераты) | Добавил: 18478303 (12.12.2016) | Автор: Алексеева Татьяна (Группа ИИб-201)
Просмотров: 911 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта