Наноматериалы


Рубрики Все статьи,Материалы и вещества,Физика, автор Админ - Янв 8, 2012

В 1965 году, инженер Гордон Мур предсказал, что число транзисторов на интегральных микросхемах будет удваиваться примерно раз в два года. В наши дни мы называем эти слова законом Мура. Это было практически пророчеством развития компьютерной индустрии.

Чтобы разместить больше транзисторов на одной микросхеме, сами транзисторы должны быть меньше в размерах. Первый чип имел лишь 2200 транзисторов на своей поверхности. Современные микросхемы содержат миллионы компонентов. Несмотря на это, компании намерены доказывать закон Мура. Сейчас уже существуют процессоры, содержащие компоненты, размеры которых измеряются в нанометрах (1 нанометр = 1 миллиардной части метра).

Еще одним достижением последних лет, стало получение нановолокна. Этот тонкий материал имеет удивительные габариты. Ширина нановолокна может быть толщиной всего лишь 1нм, хотя сегодня ученые работают в основном с волокнами 30-60 нм. Ученые надеются, что в скором времени можно будет производить еще более тонкие волокна, однако, для достижения этого необходимо преодолеть очень сложные преграды.

В зависимости от того из чего сделано нановолокно, оно может обладать  свойствами проводника, полупроводника или изолятора. Изоляторы не проводят электрический ток, в то время как металлы могут пропускать электрический заряд через себя очень даже хорошо. Полупроводники обладают проводимостью средней между проводниками и изоляторами. Организовав полупроводниковое волокно определенным образом, можно создать транзисторы, которые в свою очередь будут частью какого либо элемента микросхемы (усилителя, преобразователя частоты, фильтра).

Некоторые любопытные свойства присущи нановолокнам из-за их небольшого размера. Когда Вы работаете с объектами на наноуровне вступают в действие законы квантовой механики. Ее законы сильно отличаются от привычных нам физических законов, царящих в нашем макромире.

Например, изоляторы не могут пропускать электричество через себя. Однако, если изолятор очень тонкий, то электроны могут переместиться с одной стороны проводника на другую. При этом в этом процессе он не проходит через структуру проводника, а туннелируется сквозь него. Это явление можно сравнить с телепортацией. Это загадочное явление может быть легко преодолено с помощью увеличения толщины объекта. Тогда сопротивление изолятора примет привычные значения.

Еще одно замечательное свойство на наноуровне приобретают проводники. Когда по ним течет электричество, электроны сталкиваются с материалами вещества, из которого сделан проводник. Это приводит к выделению (потере) энергии в виде тепла. В нано проводниках электроны могут перемещаться без столкновений и выделения тепла, то есть максимально эффективно.

Кроме того, некоторые вещества в нано количествах могут проявлять отличные от своего привычного состояния свойствах. Например, золото в обычном состоянии имеет температуру плавления 1000 градусов. С уменьшением объема золота до нано частиц температура плавления уменьшается. Также золото с уменьшением масштаба становится полупроводником, хотя на макроуровне золото – проводник.

Однако некоторые элементы, например, кремний не изменяют своих свойств с уменьшением размеров. Это свойство, а также низкая стоимость сделало его наиболее удачным материалом для изготовления транзисторов.

Сейчас существует два основных способа производства наноматериалов. Первый из них от большего к меньшему. Это означает, что нановещество получается путем расщепления большого объема этого же материала. Другой подход от меньшего к большему заключается в сборке наноматериалов из структурных элементов.

Нановолокна могут быть изготовлены с использованием любого из этих подходов, хотя к настоящему времени никто не нашел способа сделать этот процесс массовым. Для изготовления одной микросхемы потребуются многие часы работы целой группы инженеров.

Примером изготовления нано волокно по методу от большего к меньшему является производство нано оптоволокна. Все начинается с обычного оптоволоконного кабеля. Он пропускается через небольшую печку и вытягивается в нановолокно.

Химическое осаждение из газовой фазы – это пример изготовления нано вещества методом от меньшего к большему. Другими словами твердое вещество, получается из газа этого же вещества. Например, берется подложка нужной формы и размеров и помещается в газовую среду необходимо вещества (золота или кремния). Далее остается только ждать, пока газообразное вещество осядет на подложке.

Наиболее очевидное применение наноматериалов в электронике. Микросхемы, построенные на нано материалах наиболее эффективно используют подводимую электроэнергию, практически не выделяя тепла. Это сейчас одна из главных проблем, так современные микросхемы из-за своих небольших размеров сложно охлаждать. Благодаря нано волокнам можно строить миниатюрные сверх высокопроизводительные чипы для различного назначения.

Еще одной большой областью использования наноматериалов является медицина. Одним из самых амбициозных  проектов является строительство нано роботов, которые способны выполнять операции внутри организма без надреза и наркоза. После операции они сами будут бесследно растворяться в организме.

Еще одним замечательным свойством некоторых наноматериалов является пьезоэффект, который может быть использован в микросхемах для выработки электричества из внешней кинетической энергии. Этот же эффект используется в Благодаря ему, например, можно изготовлять самозаряжающиеся сотовые телефоны или ноутбуки.

Янв
1

Написать комментарий

Вы должны войти чтобы комментировать.