Наноматериалы и отдельные нанобъекты

Самый обширный класс - наноматериалы и отдельные нанобъекты,

следующий - наноизделия, состоящие из многих элементов или требующие специальной обработки материалов.

Более сложными в устройстве и производстве являются гибридные системы, где сочетаются, например, микро-/наномеханические узлы и электроника (микро-/наноэлектромеханические системы - МЭМС/НЭМС); микрогидравлика, микромеханика и электроника (микрохимические лаборатории на одном чипе); оптика, микромеханика и электроника; биоэлектроника и биомеханика и т.п. Однако и для таких случаев разрабатываются нанотехнологии, позволяющие получать готовый продукт без промежуточных переходов (показано пунктирной стрелкой).

На вершине структурной пирамиды стоят интеллектуальные комплексы, многокомпонентные системы, имеющие в своем составе сенсорные узлы, процессорную часть, исполнительные органы, движители и т.п.

С технико-экономической позиции основные побудительные мотивы развития нанотехнологии состоят в том, что с их помощью можно:

• радикально изменять свойства традиционных материалов, не меняя их химического состава;

• создавать принципиально новые классы материалов;

• использовать квантовые эффекты;

• уменьшать размеры изделий вплоть до атомарных с сохранением заданных или придания совершенно новых функций (одноэлектроника, спинтрони-ка);

• эффективно использовать синтетические или существующие в природе наноструктуры (главным образом биологические);

• ставить и решать задачи, совершенно невозможные в рамках традиционных технологий;

• снижать материале-, энерго- и трудоемкость, а также стоимость продукции, одновременно резко уменьшая загрязнение окружающей среды отходами производства.

Две технологические парадигмы

До середины прошлого века все технологии, в результате которых происходило образование объектов материальной цивилизации находились в рамках одной технологической парадигмы: в упрощенном варианте ее можно назвать как технологии «сверху-вниз»………………….

Однако, такое производство техногенной продукции очень неэффективно в сравнении с природными процессами как по доле полезно используемой массы первичного сырья, так и по затратам энергии. В конечный потребительский продукт превращается ~ 1,5 % массы добываемого сырья, а доля полезно используемой энергии (если принимать во внимание минимально теоретически необходимую энергию для химических, структурных превращений, формоизменения и реально затрачиваемую на добычу, переработку сырья, металлургическую, химическую, машинную обработку) и того меньше. Природа при построении куда более сложных биологических систем действует неизмеримо экономнее. Она широко использует безотходную сборку и самосборку очень сложных систем из простых молекул, селективный катализ определенных процессов при низких температурах, замыкает "производственные" потоки и цепи, в которых отходы одного цикла становятся исходным сырьем для другого, и т.д.

В последнее десятилетие появилась возможность реально идти по этому пути и создавать промышленные нанотехнологии. В пределе это выливается в новый подход ко всему, что делает современная промышленность: вместо обработки "сверху вниз" (т.е. получения деталей или готовых изделий из более крупных заготовок путем отделения ненужных частей) сборка или самосборка (self- assembly) "снизу вверх", т.е. безотходный молекулярный дизайн изделий из элементарных "кирпичиков" природы - атомов и молекул.

На самом деле, нанообъекты и наноструктуры могут быть получены не только технологиями "снизу вверх", но и доведенными до совершенства технологиями "сверху вниз" (примером является современная микроэлектроника…..). Однако возможность использовать такие технологии возникает только в рамках нанотехнологий.

Таким образом одной из основных и отличительных особенностей нанотехнологии является использование технологий "снизу вверх".

Второй характерной и важнейшей особенностью нанотехнологий, особенностью которая определяет значимость и важность НанТех является то, что с помощью них получают объекты с совершенно новыми свойствами и характеристиками, объекты в которых в полной мере реализуется размерный эффект.

В самом общем случае размерный эффект заключается в изменении свойств материала, когда его размеры, хотя бы вдоль одного измерения (направления) оказываются меньше характерной длины (корреляционного радиуса) какого-либо физического явления.

Очевидно, что многие характерные размеры (длины) больше, чем размеры нанообъектов

Важнейшими причинами этих особенностей являются следующие:

- проявление квантовых закономерностей и атомно-молекулярной дискрет­ности в наноразмерных частицах, состоящих из счетного числа атомов;

- высокая доля приповерхностных атомов, которые обладают физико-химическими свойствами, отличающимися от объемных, по отношению к пол­ному их числу в частице или зерне;

Квантовый размерный эффект – в малых наночастицах энергии которыми могут обладать электроны формируют не непрерывную зону, как в объемных металлах или п/п-ах, а набор дискретных уровней. Значение энергии этих уровней в наночастицах во многом определяется не элементным составом, а ее размерами, следовательно можно конструировать энергетические уровни искусственно, зависимость энергий уровней от размера наночастиц проявляется когда диаметр частицы меньше длинны волны электрона.