В этой статье мы шаг за шагом рассмотрим концепцию нанотехнологий, их компоненты, методы производства, области применения и перспективы на будущее.
Когда зародилась нанотехнология?
Нанотехнологии имеют долгую историю. Чаша Ликурга из Римской империи (около IV века), витражи готических соборов средневековой Европы и артефакты, украшенные синей краской майя, производимой на юге Мексики около VIII века, известны как показательные примеры использования нанотехнологий. Эти артефакты сохранили свои яркие цвета даже спустя столько столетий. Поскольку в то время не существовало понятия нанотехнологий или письменных свидетельств о них, невозможно подтвердить, понимали ли люди той эпохи нанотехнологии с научной точки зрения. Однако эти примеры важны, поскольку они демонстрируют, что технологии, использующие наноструктуры, применяются уже очень давно.
Хотя нанотехнологии исторически используются уже давно, их научное обоснование появилось гораздо позже. Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1959 года, в своей лекции под названием «Внизу предостаточно места» представил безграничные возможности мира, где атомы и молекулы находятся под прямым контролем. С тех пор его идеи послужили отправной точкой для современных исследований в области нанотехнологий, и страны по всему миру постоянно продвигают исследования, чтобы раскрыть потенциал наномира. Так что же такое нанотехнологии, которые в настоящее время развиваются так стремительно?
Что такое нанотехнология?
Для начала рассмотрим определение нанотехнологий. «Нано» означает чрезвычайно малый размер; математически это означает одну миллиардную (10⁻⁹). Однако эта цифра настолько мала, что её трудно понять интуитивно. Нанометр примерно в сто тысяч раз меньше толщины человеческого волоса и намного меньше эритроцита. Другими словами, «нано» обозначает чрезвычайно малый мир, близкий к атомному и молекулярному уровням.
Однако простое определение нанотехнологии как «технологии в очень малом масштабе» не в полной мере отражает её смысл. На самом деле, нанотехнология имеет настолько широкую область применения, что её трудно определить одним предложением. Ричард Фейнман предложил концепцию нанотехнологии как технологии, которая располагает атомы в желаемые формы для создания материалов с новыми свойствами. Кроме того, японский учёный Норио Танигучи определил нанотехнологию как технологию обработки, разделения, интеграции и модификации материалов в нанометровом масштабе. Объединив эти определения, нанотехнологию можно описать как технологию, которая точно контролирует расположение атомов и молекул для реализации новых свойств и функций, которых ранее не существовало.
В какие области входит нанотехнология?
Нанотехнологии условно делятся на четыре области: наноматериалы, наноустройства, нанобиотехнологии и нанообработка.
Технология наноматериалов включает в себя разработку материалов, размер которых, как правило, составляет 100 нанометров или меньше, и анализ уникальных физических и химических свойств этих материалов для их применения в различных отраслях промышленности.
Технология наноустройств использует характеристики наноматериалов или структур для разработки электронных устройств и различных функциональных устройств, обладающих превосходными характеристиками по сравнению с их традиционными аналогами.
Нанобиотехнология — это область, объединяющая биологические науки и нанотехнологии; она включает анализ и контроль биомолекул и клеток на наномасштабе для применения в медицине, диагностике и биотехнологической промышленности.
Наконец, нанопроизводство относится к основным технологиям, используемым для создания наноматериалов и наноустройств. Эта область включает в себя процессы синтеза, осаждения и формирования наноструктур, а также разработку необходимого оборудования и измерительных технологий.
Как создаются нанотехнологии?
В нанотехнологиях существуют два основных подхода к производству: нисходящий и восходящий методы.
Метод «сверху вниз» предполагает вырезание или обработку материалов, значительно превышающих наноразмер, для создания желаемых наноструктур. В отличие от этого, подход «снизу вверх» предполагает сборку атомов или молекул по одному для построения более крупных структур и материалов. Благодаря этим двум методам производства можно значительно улучшить свойства существующих материалов или разработать материалы с новыми характеристиками.
Итак, какие новые характеристики можно получить с помощью этих методов производства?
Каковы характеристики подхода «сверху вниз»?
Для начала рассмотрим подход «сверху вниз». Когда такие металлы, как медь, алюминий и золото, обрабатываются до наноразмерного уровня, они могут проявлять свойства, отличные от свойств их объемной формы. Например, по мере уменьшения размера частиц золота до нанометрового уровня его температура плавления снижается, а цвет также может меняться в зависимости от размера частиц. Аналогично, когда медь превращается в наночастицы, она проявляет оптические свойства, отличные от свойств ее объемной формы, что позволяет использовать ее прозрачность в определенных условиях.
Как показано здесь, физические и химические свойства материалов могут значительно изменяться на наномасштабе. Кроме того, формирование наноструктур на поверхности стекла может создать сверхгидрофобную поверхность с водоотталкивающими свойствами, значительно превосходящими свойства обычных поверхностей. Используя этот принцип, в настоящее время применяются технологии, в которых на поверхности стекла наносятся наноматериалы, такие как диоксид титана, для повышения самоочищающихся и противозагрязняющих свойств.
Каковы характеристики подхода «снизу вверх»?
Между тем, подход «снизу вверх» — это технология производства, при которой атомы и молекулы собираются по одному для создания желаемой структуры. В частности, используя явление самосборки, можно проектировать различные структуры, которые спонтанно формируются в наномасштабе.
Например, в химии и биологических науках молекулы подвергаются процессу самосборки, образуя структуры, выполняющие определенные функции. Кроме того, технология «снизу вверх» используется для производства новых полимеров, включая белки, и для разработки различных функциональных материалов; она также играет решающую роль в разработке новых лекарств и исследованиях биоматериалов.
Кроме того, для изготовления тонких пленок с желаемыми свойствами могут использоваться различные процессы «снизу вверх», такие как химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и золь-гель процесс. В полупроводниковой промышленности, в частности, эти процессы осаждения используются для формирования чрезвычайно тонких пленок, а точное управление структурами на наномасштабе позволяет улучшить электрические свойства и характеристики.
Где применяются нанотехнологии?
Нанотехнологии уже широко используются в различных отраслях промышленности и в повседневной жизни. Во-первых, если рассматривать продукты, тесно связанные с повседневной жизнью, нанотехнологии активно применяются в косметике. Например, в солнцезащитных кремах используются наночастицы диоксида титана и оксида цинка. Эти наночастицы эффективно блокируют УФ-лучи, а благодаря своему малому размеру оставляют минимальный белый налет на коже и обеспечивают превосходный пользовательский опыт. Благодаря этим характеристикам нанотехнологии вносят значительный вклад в улучшение качества косметики.
Нанотехнологии также используются в зубных пастах. Наночастицы гидроксиапатита применяются в качестве функционального материала, способствующего реминерализации поврежденных поверхностей зубов, и, делая поверхность зубов более гладкой, они помогают поддерживать здоровье полости рта.
Нанотехнологии также играют очень важную роль в электронной промышленности. Различные полупроводниковые технологии, такие как нанотранзисторы и нанодиоды, постоянно совершенствуются, и нанотехнологии широко применяются в передовых технологиях отображения, включая органические светодиоды (OLED). Сегодня в дисплеях телевизоров, смартфонов, планшетов и мониторов используются наноматериалы, такие как OLED и квантовые точки, для достижения превосходного качества изображения, более широкого цветового охвата и высокой энергоэффективности.
Кроме того, нанотехнологии оказывают значительное влияние на энергетическую отрасль. В литий-ионных батареях, твердотельных батареях и солнечных элементах следующего поколения наноматериалы используются для увеличения емкости и эффективности хранения энергии, и активно ведутся исследования по улучшению скорости и стабильности зарядки.
Как нанотехнологии повлияют на экономическое развитие?
Нанотехнологии вносят значительный вклад в национальное экономическое развитие, поскольку позволяют создавать новые отрасли промышленности. Использование нанотехнологий открывает возможности для разработки разнообразных высокоэффективных продуктов, производство которых ранее было затруднительным, что закладывает основу для создания новых отраслей и рынков.
По мере развития новых отраслей создаются разнообразные рабочие места, и занятость в смежных областях может увеличиться. Кроме того, развитие высокотехнологичных отраслей может положительно повлиять на доходы и потребительские привычки граждан и, весьма вероятно, станет движущей силой национального экономического роста.
Кроме того, нанотехнологии играют важную роль в повышении конкурентоспособности существующих отраслей. Например, в высокотехнологичной индустрии дисплеев технологии OLED и следующего поколения быстро трансформировали рынок, ранее доминировавший ЖК-дисплеями, и создали новые конкурентные преимущества. Таким образом, нанотехнологии стимулируют инновации во всех отраслях и зарекомендовали себя как одна из ключевых технологий, позволяющих не только южнокорейским компаниям, но и компаниям по всему миру обеспечить себе конкурентное преимущество.
