Виплавка чавуну

Виплавка чавуну здійснюється в доменнах – спеціальних печах, діаметр яких 6 -8 м, висота 25- 31 м і більше. Доменна піч працює безперервно на протязі кількох років. Вона виробляє 1, 5- 3 тисячі т чавуну на добу. Температура плавлення чавуну 1135 до 1050 ⁰С. Надпотужні доменні печі дають 1 млн т чавуну на рік.

На кожну 1000 т чавуну, що виплавляється при повітряному піддуванні витрачається 1750 т залізної руди, 875 т коксу, 345 т вапняку та 3800 т повітря.. При цьому отримують 400 т шлаку та 5400 т доменного газ (близько 30 % СО).

При цьому отримується чавун, який містить 93-95 % заліза. Шлак використовується для виробництва цементу, бетону та скла.

Виплавка сталі здійснюється в конверторах, мартенівських печах та електропечах. Найбільш продуктивний спосіб виплавки сталі – виплавка в конверторах.

В конвертор завантажується розплавлений чавун, металолом, вапняк і продувається розплав знизу повітрям або киснем. При цьому вуглець, що міститься в чавуні окислюється і виходить з конвертора. Після доведення складу вуглецю до необхідної величини (< 2, 14 %) сталь розливають у спеціальні форми, де сталь кристалізуючись, остиває до температури повітря і в подальшому піддається прокатуванню. В Україні виробляється до 50 млн т сталі на рік.

5. Переробки промислових відходів на товари.

Виробництва сірчаної та азотної кислот.

Відходами металургії є шлак та гази доменного та коксового виробництва. Шлак переробляється на цемент, мінеральні добрива, будівельні вироби, викідні газ переробляються на сірчану та азотну кислоти.

5.1.Значення кислот та їх солей для промислового виробництва.

Широке застосування для виробництва різних товарів має сірчана

кислота.

Найбільше застосування у промисловості сірчана кислота має при виробництві мінеральних добрив, вибухових речовин, для очистки нафтопродуктів, жирів та масел, у виробництві фарбників, лаків, лікарських речовин та виробництві інших кислот (НРО, НС, СНСООН).

За допомогою сірчаної кислоти виготовляють етиловий та інші спирти, деякі синтетичні миючі засоби, ряд отрутохімікатів для боротьби із шкідниками сільського господарства та бур’янами.

Сірчана кислота застосовується у виробництві кольорових і рідких металів (гідрометалургія), у металообробній промисловості для травлення виробів із сталі перед їх цинкуванням, нікелюванням, хромуванням. фарбуванням.

Розведена сірчана кислота та її солі використовують у виробництві штучного шовку, в текстильній промисловості для обробки волокна чи тканин перед їх фарбуванням.

У харчовій промисловості сірчана кислота застосовується для одержання крохмалю, патоки та ряду інших продуктів. На транспортних засобах використовуються свинцеві сірчано-кислотні акумулятори. Сірчана кислота використовується для осушення газів та при концентруванні кислот.

Широке застосування знайшли солі сірчаної (сульфатної) кислоти:

- сульфат натрію NaSO використовується у виробництві скла і паперу;

- мідний купорос CuSOxHO – для протравлення насіння перед сівбою, а також при електролітичному покритті міддю інших металів та сплавів;

- погашений гіпс або алебастр CaSOx0, 5HO – у будівельній справі як в’яжучий матеріал, а також для виготовлення відливних форм;

- алюмокалієвий галун K[AI(SO)]x12HO – у фарбувальній справі та в шкіряній промисловості для дублення шкір.

Солі сірчистої (сульфітної) кислоти використовують:

- у текстильній промисловості використовують тіосульфіт натрію NaSO як ’’антихлор’’ після відбілювання тканин, а також у фотографії;

- у виробництві целюлози з деревини використовують гідросульфіт кальцію Са(HSO);

- для видалення залишків хлору після відбілювання тканин використовують гідросульфіт натрію NaHSO.

 

5.2. Сировина для виробництва сірчаної кислоти.

Дані про різні види сировини для виробництва сірчаної кислоти наведено в таблиці 1.

 

Таблиця 1.

Питома вага різних видів сировини для виробництва сірчаної кислоти.

 

Сировина	% вирбництва
Колчедан	42, 2
Сірка	19, 5
Відхідні гази металургії
Сірководинь	10, 3

 

Елементну сірку виготовляють більш ніж в 50 країнах світу. Світові обсяги виробництва сірки коливається в межах 39-42 млн. т на рік. Добування сірки в усіх видах становить у середньому 80-90 млн.т. на рік. Головними виробниками сірки є США, Канада, Польoа, Росія, Мексика, Франція, Італія, Україна.

В Україні запаси сірки зосереджені в основному у Львівській та Івано-Франківській областях. Головними виробниками сірки в Україні є Роздольське та Яворівське державні гірничо-хімічні підприємства ’’Сірка’’.

Виробництво сірки на Роздольському підприємстві здійснюється кар’єрно-комбінованим методом, а на Яворівському ще і методом підземної виплаки. Потужність Роздольського підприємства у 1975 році становила біля 1315 тис. т сірки. Сировинною базою цього підприємства є Подорожнянське, Гримнівське, Любенське та Журавненське родовища.

 

5.3. Технологія виробництва сірчаної кислоти.

Процес виробництва сірчаної кислоти складається з послідовних

етапів, температурні, а також гідродинамічні умови яких різні:

1. Відпал колчедану при температурі більше 700⁰ С в печах киплячого шару.

2. Очищення відпальних газів при температурі біля 30⁰ С в

електрофільтрах.

3. Окислення SO₂ до SO₃ при температурі 440⁰ - 600⁰ С в

контактних апаратах.

4. Абсорбція SO₂ водою при температурі 50⁰ С в насадкових колонах.

 

4. Техніко-економічні показники виробництва кислоти.

Світова ціна на сірчану кислоту в 1970 році становила 26 доларів за 1 т.

Собівартість сірчаної кислоти становить 14 – 16 грн за 1 т. Вартість колчедану становить в середньому майже 50% від усієї вартості кислоти.

Рівень механізації виробництва сірчаної кислоти такий, що зарплата основних робітників складає лише біля 5% собівартості кислоти.

Витрати при виробництві сірчаної кислоти становлять приблизно:

- 0, 82 т умовного колчедану;

- 82 кВт год електроенергії;

- 50 м³ води.

 

Технологія переробки відходів доменного виробництва, теплових електростанцій та коксового виробництва.

На металургійних заводах при обпалюванні сульфідних руд, а також при спалюванні вугілля на теплових електростанціях утворюються гази з високою концентрацією діоксиду сірки (SO₂). Гранично допустима концентрація діоксиду сірки в повітрі становить 0.01 мг/м³. При перевищенні в повітрі ГДК діоксид сірки спричиняє втрату свідомості, гострий бронхіт, набряк легенів, отруєння. У деяких промислових містах на Україні (Донецьк, Запоріжжя, Кривий Ріг т ін.), де вміст діоксиду сірки в повітрі складає 0, 03 мг/м³ у людей розвивається малокрів’я, карієс, порушується функція печінки, знижується імунітет до інфекцій.

Схема конверсії діоксиду сірки у товарну концентровану сірчану кислоту без будь – яких вторинних відходів приведена на рис. 2.

Відпрацьоване технологічне нагріте повітря або топочний газ теплової електростанції із вмістом будь – якої концентрації, повітродувкою 1 подається через теплообмінники 2 і 3 у реактор 4, де на каталізаторах з благородних металів і пентаоксиду диванадію V₂O₅ відбувається екзотермічна реакція:

& Схема конверсії діоксиду сірки у товарну концентровану сірчану кислоту без будь-яких вторинних шкідливих відходів наведена на рис.

 

 

Рис. 2. Технологічна схема виробництва сірчаної кислоти без шкідливих

відходів.

1 – повітродувка; 2 і 3 – теплообмінники; 4 – реактор каталітичного перетворення на ; 5 – башта конденсації сірчаної кислоти.

 

5. Виробництво азотної кислоти

За масштабами виробництва серед мінеральних кислот азотна кислота посідає друге місце після сірчаної. Виробництво азотної кислоти безперервно збільшується.

В даний час азотну кислоту отримують з аміаку, який одержують при коксуванні вугілля. Це найбільш економічно вигідний метод.

Процес синтезу азотної кислоти складається із трьох стадій:

1) окислення NН₃ до NО киснем повітря в присутеості каталізатора – платини або оксиду заліза з домішками оксиду вісмуту при температурі 800⁰С:

 

NН₃ + 5О₂ = 4NО + 6Н₂О;

 

2) окислення оксиду азоту киснем повітря:

 

2NО + О₂ = 2NО₂;

 

3) поглинання двоокису азоту водою:

 

2NО₂ + Н₂О = НNО₃ + НNО₂,

 

при цьому азотиста кислота розпадається за реакцією

 

3НNО₂ = НNО₃ +2NО + Н₂О

 

Монооксид азоту NО, що утворюється, знову повертається в процес окислення киснем повітря і погинання двооксиду азоту водою.

Цим методом одержують азотну кислоту 50-60%-ої концентрації.

Концентровану азотну кислоту отримують двома методами:

1) в спеціальних автоклавах під тиском 40-60 атм. 50-60%-ну кислоту змішують з рідким чотириокисом азоту. Останній реагує з водою, що міститься в кислоті, даючи 95-98%-ну азотну кислоту;

2) азотна кислота при 95-135⁰С переганяється в присутності концентрованої сірчаної кислоти, яка утримує воду. Пари конденсуються в холодильнику, утворюючи 90-97%-ну азотну кислоту.

В промисловості використовують другий спосіб, як більш економічний. Витрата кисню становить 3-4т на 1 т азотної кислоти.

Залізо добре розчиняється в розведеній азотній кислоті. Концентрована азотна кислота утворює на поверхні заліза тонкий нерозчинний в концентрованій кислоті шар оксиду, який захищає метал від подальшого роз’їдання. Ця властивість кислоти пасивування використовується для захисту заліза і його сплавів від корозії.

 

 

Лекція 11. Технологія мікроелектроніки.

План

1. Загальна характеристика галузі.

2. Класифікація інтегральних мікросхем.

3. Технологія виробництва інтегральних мікросхем.

3.1. Вирощування монокристалів кремнію.

3.2. Очищення кремнію.

3.3. Утворення елементів мікросхем.

3.4. Контроль і монтування чіпів у корпус.

Література 4, 5, 6

 

1.Загальна характеристика галузі.

Виробництво компонентів мікроелектроніки призначено забезпечити всі сфери виробництва та побут людей високоефективними засобами зв’язку, комп’ютерною технікою, комплексну автоматизацію всіх галузей економіки, впровадження гнучких технологічних систем, систем автоматизованого управління та проектуання, сучасні методи дослідження, медицину, всі види транспорту, військову техніку і технологію - практично всі види діяльності людини.

В даний період продукція галузі відзначається мінімальною матеріаломісткістю та максимальною науковомісткістю. Тут сконцентровані сучасні знання по матеріалознавству та електроніці.

Підприємства, науково-дослідні, проектно-конструкторські та інші організації цієї галузі розміщені в містах високої технічної культури. Найбільшими центрами виробництва мікроелектронної техніки є Київ, Харків, Лбвів, Дніпропетровськ, Сімферополь, Донецьк, Запоріжжя, Одеса, Сіверськодонецьке науково-виробниче об’єднання обчислювальної техніки “Імпульс” та ін.

Швидкий розвиток мікроелетроніки та її використання в найрізноманітніших галузях промисловості та людської діяльності обумовлений такими факторами:

- висока надійність в експлуатації, що забезпечує безвідмовність, захищеність від зовнішніх факторів впливу (механічні удари, вібрації, волога, радіація);

- можливість значного зменшення габаритів і маси різних виробів без втрати якості роботи;

- реальні перспективи подальшого розвитку названих та інших факторів.

Нанотехнології дозволяють створювати надвеликі мікропроцесори з надвеликим ступенем інтеграції та функцій, а значить дуже малими розмірами та енергоспоживанням. Мова йде про габарити, які будуть вимірюватись не міліметрами, а нанометрами.

Нано це приставка для дольних одиниць рівних одній міліардній частці вихідних одиниць, наприклад, метра: 1 нм = 10 ^-9 м.

Наноелектронні технології в найближчі десятиліття будуть спроможні поставити досягнення науки на ефективне використання природних ресурсів, покращення комфорту життя та навколишнього середовища.

В даний час суспільство має вражаючі результати успіхів технології мікроелектроніки.Наприклад, маса ЕОМ виготовлена в 1940 році становила 30 т. Вона споживала таку кількість електричної енергії, як одночасно включені 180 прожекторів, а виконувала розрахунки, які виконує сучасний кишеньковий калькулятор. Починаючи з 40-х років ХХ ст зусилля творців електронної апаратури були спрямовані на мініатюризацію електронних виробів та зменшення розмірів електронної апаратури.

В грудні 1947 р. американські винахідники Джон Бардін і Уолтер Браттейн створили транзистор, який спричинив переворот у електроніці. У 1959 р. Джон Кілбі і Р. Нойс незалежно один від одного заявили про винаходи, які полягали у тому, що на одному кристалі кремнію побудована ціла електронна схема. Такі схеми стали називати інтегральними.

Інтегральною мікросхемою (ІМС) еазивають електричну схему, яка складається з певної кількості активних і пасивних елементів, виготовлених і електрично пов’язаних між собою у приповерхневому шарі напівпровідникового монокристалу або на діелектричній підкладці.

Активні елементи мікросхеми підсилюють сигнали або перетворюють їх. Це діоди, транзистори тощо.

Пасивні елементи передають сигнали. До них належать резистори, конденсатори, котушки індуктивності тощо.

Інгегральні мікросхеми є найбільшим і найважливішим науково-технічним досягненням сучасності і мають значні перспективи подальшого свого розвитку.

Електронне устатквання, яке виготовляється з використанням інтегральних мікросхем застосовуються в:

- системах обробки і передачі інформації;

- автоматичних системах управління виробництвом і руху;

- компютерах, телебаченні, радіо, засобах зв'язку;

- медичній апаратурі;

- обладнанні для наукових досліджень в космосі та під землею;

- електронних годинниках і багато інших сферах

2. Класифікація інтегральних мікросхем.

 

Інтегральні мікросхеми поділяють на окремі класи за такими ознаками: технологією виготовлення, ступенем інтеграції, функціональним призначенням.

1. За технологією виготовлення усі інтегральні мікросхеми поділяють на напівпровідникові, плівкові та гібридні.

1.1.Напівпровідникові ІМС виготовляють у приповерхневому

шарі монокристалів (кремнію, арсеніду галію) високої систоти. На поверхні малих розмірів монокристалу його структуру перетворюють так, що ці місця стають елементами складної системи, якою є ІМС. Тобто частина мрнокристалу розміром біля 1мм перетворюється в складний електронний прилад, який замінює блок з десятків і сотень звичайних радіотехнічних деталей. У напівпровідникових ІМС з’

єднання і елементи виготовлені в монокристалі та на його поверхні. Аналогією ІМС є наш мозок.

2. Плівкові ІМС виготовляють нанесенням різних речовин у вигляді плівок на поверхню підкладки, виготовленої із скла або кераміки.

Плівкові ІМС поділяють на тонкоплівкові (товщина плівкових елементів < 1мкм та товствоплівкові (товщина > 1мкм).

Тонкоплівкові ІМС отримують осадженням різних речовин на нагріту до певної температури поліровану поверхню. для отримання плівок використовують алюміній, титан, оксид олова та ін.

У товстоплівкових ІМС елементи формують протискуванням спеціальних паст через трафарети із подальшим спіканням при високих температурах. Такі структури один шар містить резистори, другий – конденсатори, інші шари виконують роль провідників та інших елементів. Усі елементи з’єднані між собою і утворюють певний електронний пристрій.

3. Гібридні ІМС складаються із плвкових і напівпровідникових елементів. Такі мікросхеми створюють на скляній або керамічній підкладці. При цьому пасивні елементи виготовляють із металевих та діелектричних плівок, а активні “навішують” на утворену плівкову схему. Гібридні ІМС називають великими, їх застосовують, наприклад, в регуляторах електричних двигунів.

В даний час найширше використовують напівпровідникові та гібридні ІМС.

Складність інтегральної мікросхеми характеризується показником, який називається ступенем інтеграції.

За ступенем інтеграції ІМС поділяють на малі (МІМС), середні (СІМС), великі (ВІМС) і надвеликі (НІМС) (табл. 1).

За функціональним призначенням мікросхеми поділяють на аналогові та цифрові.

Аналогові мікросхеми служать для перетворення і оброблення сигналів, які змінюються за законом безперервної функції.

Таблиця 1

Час створення та кількість елементів у мікросхемі

 

Назва та позначення мікросхеми	Час створення мікро- схеми	Кількість елементів у мікросхемі
Малі (МІМС) Середні (СІМС)   Великі (ВІМС) Надвеликі (НІМС) Надвеликі (мікропроцесори)	Початок 60 –х років Кінець 60-х – кінець 70-х років Кінець 70-х років Початок 80-х років   90-ті роки	10 -102 102-103   ! 03 -10 4 104-105 105-106

 

Цифрові ІМС призначені для перетворення і оброблення сигналів, які змінюються за законом дискретної функції.

 

3. Технологія виробництва інтегральних мікросхем.

Технологічні процеси виготовлення напівпровідникових ІМС поділяють на заготівельні, оброблювальні та складальні.

До заготівельних процесів належать вирощування монокристалів, виготовлення з них пластин (розрізування кристалів на пластини, шліфування, полірування, контроль якості, пакування пластин), виготовлення фотошаблонів (трафаретів), корпусів для мікросхем.

Для виробництва ІМС використовують монокристали кремнію у вигляді круглих пластин діаметром 100 – 120 мм і товщиною 0, 2 – 0, 4мм. Кремній має високу температуру плавлення (1415 ⁰С), стійкий до хімічних впливів, має високу механічну міцність, не піддається корозії, відносно легко очищується від домішок, має досконалу кристалічну гратку.

Оброблювальні процес пов’язані з формуванням ІМС у приповерхневому шарі монокристалевої напівпровідникової пластини.

Складальні процеси містять операції, повязані з монтуванням, вирізаних з пластин кристалів, на яких сформована ІМС, у корпусах, приварюванням виводів, перевіркою параметрів, герметизацією корпусів.

Для виробництва надвеликих ІМС необхідно виконати до 400 операцій. Час оброблювальних процесів, пов’язаних з формуванням ІМС на поверхні напівпровідникової пластини складає 3-4 тижні. Дефекти, які появились у процесі виконання окремих операцій, не можна виправити. Тому в процесі виготовленя напівпровідникових ІМС необхідно точно дотримуватись параметрів кожної технологічної операції.

1. Вирощування монокристалів кремнію

Для вирощування монокристалів кремнію використовують спосіб Чохральського (рис.2).

Кремній плавлять у тиглі 6, який встановлено у кварцеву трубку 1, яка знаходиться в індукторі 4. У розплав 5 вводять затравку 2 (монокристал кремнію певної кристалографічної орієнтації). Затравка обертається навколо осі і піднімається вверх. Внаслідок цих рухів виростає монокристал кремнію 3 довжиною 500 – 2000мм.

Очищення кремнію. Виплавлений з кварцевого піску кремній містить домішки, які негативно впливають на якість роботи мікросхеми. Кінцевим методом очищення кремнію є безтигельне зонне переплавлення, яке ще називають зонним очищенням.

Після багаторазових переходів стрижня кремнію через зону дії індуктора домішки збираються на кінцях стрижня, які після закінчення переплавлення відрізають, а із очищеного кремнію вирощують монокристали.

Отримані монокристали ріжуть на пластини, одну з поверхонь шліфують, полірують, висушують і відправляють для виготовлення ІМС.

Технологія виготовлення елементів напівпровідникової ІМС.

Виготовлення ІМС забезпечує спеціальна планарно-епітаксіальна технологія, яка складається з таких послідовних технологічних операцій: епітаксія, окислення поверхневого шару монокристалу, фотолітографії, дифузії, напилення тонких металевих плівок.

Епітаксія. Епітаксією називають нарощування кремнієм приповерхневого шару монокристалу кремнію для відновлення його кристалічної структури, яка порушилась в процесі шліфування і полірування. Епітаксію проводять в газовій атмосфері, в рідині та іншим способом. Найчастіше використовують пару сілану (SH). При температурі 950 – 1050 ⁰С сілан розпадається з утворенням кремнію і водню:

SiH₄ = Si +2H₂

Водень очищує поверхню пластин від домішок, а кремній осідає на неї та відтворює порушену кристалічну структуру.

Окислення поверхневого шару кремнію. Для проведення локальної дифузії у визначених місцях та ізоляції елементів ІМС епітаксійний шар кремнію окислюють. Під шаром окислу кремній стає чистішим та набуваєдосконалішої кристалічної структури, ніж мав до окислення.

Поверхню кремнієвих пластин найчастіше окисліють термічним способом, при якому нагріті кремнієві пластини витримують спочатку в атмосфері сухого кисню протягом 15 хв., потім у вологому 1 год. 45 хв. і знову в сухому кисні протягом 1 год.:

Si + O₂ = SiO₂

 

Si + 2H₂O = SiO₂ + 2H₂

З підвищенням тиску кисню до 20-50 МПа температура окислення знижується з 1000 ⁰С до 400-700 ⁰С. За цих мов швидкість росту шару діоксиду кремнію становить 1-2 мкм/год.

Окислені пластини кремнію відправляють на фотолітографію.

Фотолітографія. Фотолітографією називають сукупність фотохімічних процесів, які грунтуються на використанні плівок із полімерів (фоторезистів), які змінюють свої властивості під дією ультрафіолетового та рентгенівського проміння, а також потоку електронів.

Фотолітографію проводять з метою створення у світлочутливій плівці ”вікон” певних розмірів і форми, в яких після руйнування оксиду кремнію утворюють майбутні елементи мікросхем. Фотолітографія являється найважливішим процесом у технології виготовлення ІМС. Від неї залежать густина розміщення елементів мікросхем і техніко-економічні показники технології виробництва ІМС.

Існують позитивні і негативні фоторезисти. Позитивні фоторезисти стійкі до дії травників і розчинників, а під дією ультрафіолетового проміння руйнуються й легко змиваються із засвічених ділянок.

Негативні фоторезисти, навпаки, у звичайному стані легко розчиняються, а під дією випромінювання стають нерозчинними та стійкими до дії травників.

Фоторезисти наносять на поверхню оксидної плівки розпиленням, центрифугуванням, поливанням. Найчастіше застосовують спосіб нанесення фоторезиста центрифугуванням. Згідно з цим способом фоторезист ллють у центр кремнієвої пластини, яка обертається з великою швидкістю. Залежно від в’язкості фоторезиста та швидкості обертання кремнієвої пластини (8, 3-133 с^-1) за 20-30 секунд формується шар фоторезиста товщиною 0, 5-20 мкм.

Для випарювання розчинника композицію кремнієва пластинка-фоторезист висушують при температурі 80-100 ⁰С. Тривалість висушування залежить від типу печі й триває від 20 хв. до кількох секунд.

 

 

Лекція 12. Нанотехнології і матеріали.

 

1. Загальні поняття.

2. Фізична суть проблеми.

3. Властивості ізольованих наночастинок і нанокристалічних поршків.

Література 1

Термін “нано” походить від грецького слова “нанос” (карлик) і відповідає одній міліардній частці одиниці довжини (10^-9м). Науки про наноструктури і нанотехнології мають справу з об’єктами конденсованої речовини розміром від 1 до 100 нм.

Для того, щоб уявити собі місце наноматеріалів у навколишньому світі, доцільно порівняти Вселенну, Сонце і наночастинку. Розмір Вселенної оцінюється 10 – 20 міліардів _{світлових} років або 1 – 2 х 10 м, діаметр Сонця – 1, 4х10 м. Порівняння показує, що наночастинка у стільки ж разів менше Сонця, у скільки разів Сонце менше Вселенної.

Нанотехнологія – це технологія, яка оперує величинами порядку розмірів атома (10), тобто технологія маніпуляції на атомному рівні. Тому перехід від “макротехнології” до “нанотехнології” – це уже якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. Нанотехнологія – це границя технологічних можливостей і вона уже досягнута в мікроелектроніці (літографії).

Термін “нанотехнологія” вперше був використаний професором Норіо Танігучі в його доповіді “Основні принципи нанотехнології” на міжнародній конференції в Токіо в 1974 році.

Спочатку слово “нанотехнологія” використовувалось у вузькому розумінні і означало комплекс процесів, які забезпечували високоточну обробку поверхні з використанням зверх точного травлення, нанесення плівок та використання високо енергетичних пучків. В даний час термін “нанотехнологія” використовується в широкому розумінні, охоплюючи технологічні процеси і системи машин і механізмів, здатні виконувати зверх точні операції в масштабі кількох нанометрів.

Коли мова йде про нанотехнології, мається на увазі три основні напрямки:

- виготовлення електронних схем з активними елементами, розміри яких зрівнянні з розмірами молекул і атомів;

- безпосередня маніпуляція атомами і молекулами і конструювання з них нових матеріалів, конструкцій, пристроїв;

- розробка і виготовлення наномашин, тобто механізмів і роботів розміром з молекулу.

Відміна властивостей частинок малих розмірів від властивостей масивного матеріалу відомо давно і використовується в різних областях техніки і технологіях. Прикладом може слугувати широке застосування аерозолів, красящі пігменти, отримання кольорового скла завдяки закрашуванню їх калоїдними частинками металу.

Суспензії металевих наночастинок (залізо або його сплави) розміром від 30 нм до 1 -2 мкм використовуються як присадки до моторних масел для відновлення спрацьованих деталей автомобільних та інших двигунів безпосередньо в процесі роботи.

В авіації застосовують радіопоглинаючі керамічні матеріали, в матриці яких безладно розподілені тонкодисперсні металічні частинки.

Тонкі монокристали (вуси) мають надзвичайно високу міцність. Наприклад, вуси графіту мають міцність приблизно 24, 5 ГПа або в 10 разів більше, чим міцність стального дроту.

Багатошарові нанопокриття дозволяють створювати різні прилади: рентгенівські зеркала (мікроскопи).

Різні методи нанотехнології отримали найбільший розвиток і застосування в електронній техніці. Уже в 90-і роки ХХ століття були отримані перші результати по переміщенню окремих атомів і зібрання з них перших конструкцій. В даний час контроль виробів і матеріалів на рівні атомів став звичайною справою в електроніці і комп’ютерній техніці.

Перший скачок у розвитку епектронної техніки був перехід від вакуумних електронних ламп до напівпровідникових транзисторів. Другий скачок відбувся при розробці інтегральних мікросхем (чіпів).

Дальше відбулось зменшення розмірів чіпів: якщо в 1959 році прості чіпи складались із десятка елементів, то в 1970 році мікросхеми (чіпи) включали 10 тисяч елементів.

Прогресс в електроніці супроводжувався швидким зменшенням вартості електронних пристроїв. Один транзистор в 1958 році коштував 10 доларів, а в 2000 році за цю ціну можна було купити мікросхему з десятками міліонів транзисторів.

В сучасних мікросхемах массового виробництва для включення (або виключення) транзистора необхідно біля 1000 електронів. В кінці першого десятиріччя ХХI віку завдяки мініатюризації кількість необхідних електронів зменшелась до 10 і уже ведуться роботи по створенню одно електронного транзистора.

В даний час основною галуззю промисловості, де нанотехнології уже знайшли широке застосування, являється електроніка. Так, виготовлення інтегральних мікросхем включає такі технології як літографія, іонна імплантація, дифузія і окислення, травлення, очистка, планіризація і вимірювання.

Уже сьогодні наноструктури і технології відіграють важливу роль у виробництві товарів в багатьох галузях індустрії. Сфера їх застосування величезна – це нові магнітні матеріали, захисні покриття, які наносяться на метали, пластмаси, скло, більш ефективні каталізатори, плівки в мікроелектроніці та багато інше. В найближчий час наноструктурні об’єкти будуть функціонувати в біологічних об’єктах, знайдуть застосування в медицині.

Історія економічного розвитку світової спільноти пов’язана з впровадженням у виробництво нововведень та інновацій. Впровадження нововведень та інновацій в технологію порушує екстенсивний розвиток економіки, швидко піднімаючи її на новий рівень.

Науково-технічний прогрес докорінно змінює технологію виробництва в усіх галузях економіки. Підтвердженням значимості інноваційного розвитку економіки в Україні є намагання політиків пов’язати її вирішення через національну ідею. В даний час в умовах радикальних змін у відносинах власності вирішення цієї проблеми в Україні стало проблематичним.

Привести світ до нової технологічної революції і цілком змінити економіку зможе нанотехнологія – технологія, що оперує величинами матерії порядку розміру атома (одної міліарної долі метра).

Останнім часом ринок товарів, виготовлених в розвинених країнах на основі нанотехнології розвивається дуже динамічно, адже рівень розвитку суспільства визначається ефективністю інноваційної діяльності, а не кількісними показниками виробництва сировини та морально застарілих товарів.

За даними міжнародних експертів кількість найменувань товарів, виготовлених по нанотехнології або із наноматеріалів становила за 2007 рік по категоріях: здоровя і фітнес (одяг, спорттовари, косметика, засоби гігієни, сонцезахисні фільтри для шкіри та ін.) – 356; електротовариі комп’ютери – 67; товари для дпобуту і садівництва – 46; їжа та напої – 66; автомобільні товари – 33; товари для дітей – 20.

Аналіз динаміки застосування товарів нанотехнології вказує на значне збільшення товарів таких широковживаних категорій як здоровя і фітнес (у 1, 9 раза, їжа та напої (у 2, 5 раза), товари для дітей – у 5, 7 раза. За даними експертів, уже в 2010 році 50 % медикаментів будуть вироблятись за допомогою нанотехнологій. Зачного удару нанотехнології завдадуть індустрії мийних засобів. Поява нових, стійких до забруднень та ушкоджень, матеріалів, зменшить потребу в них.

Слід відмітити, що деякі наноматеріали використовуються в хімічній технології, а вироби з наноматеріалів уже давно і ввійшли у наш побут. Наприклад, товари мікроелектроніки, виготовлення цифрових відео дисків (DVD), наносрібло використовується для знищення мікро-організмів в продуктах харчування, пральних машинах, взуттєвих устілках, а діоксид титану використовується у косметичних засобах.

Нині на частку США припадає близько третини всіх світових інвестицій у нанотехнології. За прогнозами Національної Ініціативи в галузі нано-технології США (National Nanotechnology Initiative), розвиток нанотехнології через 10 років дозволить створити нову галузь економіки з товарообсягом у 15 млрд. доларів і біля 2 млн. робочих місць.

На цей час можливо окреслити такі перспективи розвитку ринку товарів на основі наноматеріалів і нанотехнологій:

Медицина. За прогнозами журналу «Skienntific Amerikan» вже в

найближчому майбутньому з’являться медичні пристрої, розміром з почтову марку. Їх досить буде накласти на рану і цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати і введе їх у кров. В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для точної адресної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин.

Сільське господарство. Нанотехнології здатні зробити революцію в

сільському господарстві. Молекулярні нанороботи здатні виробляти їжу, заміняючи сільськогосподарські рослини і тварин.

Енергетика. Завдяки нанотехнології вченим вдалось підвищити в

сонячних батареях коефіцієнт корисної дії при поглинанні сонячної енергії.

А відома американська компанія «Headnatens» розробила методику обробки вугілля за допомогою нанотехнології таким чином, щоб створити з нього екологічно чисте рідке пальне.

Екологія. Нанотехнології здатні також стабілізувати і покращити екологічну обстановку на планеті Земля. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині уже використовуються для фільтрації води та інших рідин в нашому побуті.

Нанотехнологія нині безперечно являється найпередовішим і багатообіцяючим напрямком розвитку науки і техніки. Можливості її вражають. З іншої сторони перспективи нанотехнології вселяють страх.

За прогнозом американського вченого Е.Дрікслера у майбутньому з’являться нанороботи завбільшки з бактерію, здатні самостійно продукувати нові й нові організми, використовуючи доступну біомасу як сировину. Внаслідок нанохаусу планету вкриє однорідний шар липкої речовини.

Інша проблема може виникнути в результаті того, що використання нанороботів призведе до завершення еволюційного етапу розвитку людини.

У той час як уряди передових країн і промисловість вкладають мільярди у те, щоб швидко наживати капітал на торговельному потенціалі нанотехнології, в Україні поки що ці проблеми видаються дорогими і малоцікавими.

 

 

Фізична суть проблеми.

В останні десятиріччя минулого століття інтерес до методів одержання зверх дрібнодисперсних матеріалів суттєво виріс у зв’язку з тим, що виявилось наступне: зменшення розмірів структурних елементів (зерен, кристалів, частинок) нижче деякої порогової величини може приводити до суттєвої зміни властивостей матеріалів. Такі зміни відбуваються, коли середній розмір зерен менше 100 нм. Значить властивість матеріалів залежить не тільки від хімічного складу і атомно-кристалічної структури, але і дисперсності.

Полікристалічні матеріали із середнім розміром від 300 до 400 нм називають субмікрокристалічними, а із середнім розміром менше 100 нм – нанокристалічними.

Методи дослідження розміру малих частинок:

- електронна мікроскопія,

- рентгенодивракційний метод,

- газова фільтрація,

- газова адсорбція,

- суперпаромагнетизм,

- сідіментація,

- фотонна кореляційна спектроскопія та ін.

2. Властивості ізольованих наночастинок і нанокристалічних поршків.

Розвинута поверхня наночастинок дає великий внесок у їх властивості. Так, в наночастинках можуть виникати нові фази, які не існують в даному матеріалі (речовині) в масивному стані.

Вільна енергія наночастинок складається із обємної F_v і поверхневої F_s складових:

F = F_v+F_s

Тому загальна величина F вільної енергії змінюється із зміною розміру наночастинки.

Зміна вільної енергії частинки може призвести до зміни кристалічної структури наночастинки порівняно з крупнокристалічним масивним зразком.

Поверхнева енергія мінімальна для щільно упакованих структур. Тому для нанокристалічних частинок найбільш переважною є гранецентрована кубічна гратка (ГЦК) або гексагональна щільно упакована (ГПУ) структура, що підтверджується дослідами. Так, електрографічні дослідження наночастинок ніобію, танталу, молібдена і вльфрама розміром 5 – 10 нм показали, що вони мають ГЦК або ГПУ структуру, тоді як у звичайному стані ці метали мають об’ємноцентровані (ОЦК) гратки. Зміна типу атомно-кристалічної гратк