Студопедия — Становление нанотехнологии
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Становление нанотехнологии






 

Нанотехнология берет свое далекое начало со времен греческого философа Демокрита. Он приблизительно в 400 г. до н.э. впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малейшей частицы вещества (рис. 1) [6, 7]. Несколько веков спустя римский писатель Лукреций Кар (99—55 гг. до н. э.) посвящает атомам поэму: «Вселенная состоит из бесконечного пространства и бесконечного числа минимальных частиц, атомов, также бесконечно разнообразных … Атомы отличаются формой, размером и весом; они тверды, неизменяемы, предел физической делимости…» [8].

 

 

Рисунок 1. Греческий философ Демокрит, понятие атома [9].

 

Древние Египтяне, Греки и Римляне несколько тысяч лет назад уже пользовались наночастицами свинца для создания красителей. Было установлено, что древние косметологи использовали свинцовое соединение, в котором диаметр частиц достигал 5 нанометров. Также они применяли частички минерала галенита - сульфида свинца для этих же целей. Сульфидный раствор глубоко проникает в волосы, изменяя цвет волос на темный оттенок. Как определили ученые, размеры этих частиц соизмеримы с размерами квантовых точек. Черная окраска волос получается в результате рассеяния на поверхности волоса скопления наночастиц белка меланина размерами 100-300 нм. Но наночастицы галенита размером в 60 раз меньше лучше проникают в волос и цвет волос со временем не теряется. С тех пор уже прошло две тысяча лет как люди пользуются уже нанотехнологиями [10].

Как известно кристаллы многих минералов и драгоценных камней найдены и сохранены до наших дней еще несколько тысячелетий назад. Одна из наиболее ранних зарисовок кристаллов содержится в китайской фармакопее одиннадцатого века нашей эры. Кристаллы кварца из императорской короны, сохранившиеся с 768 года нашей эры, находятся в Сесоине, сокровищнице японских императоров в Нара [11].

Если наблюдать историю развития науки, то можно заметить, что новая информация всегда принималась с трудом и особенно если она противоречила устоявшимся мировоззрениям. К примеру, на западе около двух десятилетий устойчиво существовало убеждение, что земля плоская. Те, кто имели иные взгляды, объявлялись еретиками и наказывались. Ярким примером служит сожжение на костре Джардано Бруно в 1600 г по приказу святой католической инквизицией.

Аристотелевская логика – основа всей научной мысли утверждает, что один объект не может быть одновременно «А» и не «А». Но эта логика не может объяснить, что электрон одновременно частица и волна, но прекрасно объясняется квантовой физикой.

Иоганн Кеплер, знаменитый астроном, живший в 17 веке занялся изучением снежинок и опубликовав свои идеи в 1611 году. Он объясняет правильность формы снежинок простотой и одинаковостью строительных блоков [8].

Со II до XVII века была наука, называемая алхимия. Алхимики искали эликсир жизни, дарующий бессмертие и философский камень, позволяющий превращать свинец в золото. Сейчас из алхимии выросла большие отрасли, как органическая и неорганическая химия, не говоря уже о нанотехнологии. Алхимия привлекала всех своей мистичностью, магией, большими деньгами, невероятными огромными возможностями, большими надеждами и обилием шарлатанов. Роберт Бойль (1627-1691 гг.) впервые ввел понятие элемента и количественные соотношения, создав химию как науку. Мистическая алхимия сменились объективной реальностью.

В первой половине 17 века Амедео Авогадро (1776-1856 гг.) профессор физики первый подверг анализу вопрос о количестве составляющих частиц в одной капле воды. В одной капле воды содержится 1000 000 000 000 000 000 000 атомов воды, тогда как один атом воды соразмерен с миллионной долей одного миллиметра. Чтобы визуально представить, что такое размер атома приведем известный следующий пример: диаметр одного атома магния относиться к теннисному мячу как теннисный мяч к земному шару [12].

В средние времена как таковой химии и физики как сейчас не было, а была только философская основа старой вековой алхимии. Со времен Аристотеля считалось, что земля состоит из четырех стихий воды, земли, огня и воздуха. Но ирландский химик Роберт Бойль в 1661 году опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, утверждая, что все состоит из «корпускул» – сверхмалых деталей, которые при различных сочетаниях могут образовать различные вещества. Впоследствии все эти идеи Демокрита и Бойля были все же приняты научным сообществом [10].

Первая индустриальная и энергетическая научно-техническая революция условно отчитывается с 1769 года, когда Д. Уатт получил патент за усовершенствованный паровой двигатель. Двигатель резко увеличил производительность труда в сельском хозяйстве и транспорте. Прогресс произошел благодаря технологиям изготовления продукции из железа и они связаны с обыденным нам макромиром [13].

Зибер из Фрайбурга в 1824 г., исследуя формы кристаллов, предположил, что элементарные составляющие кристаллов кирпичики - атомы являются маленькими сферическими частичками. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учетом, как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным состоянием системы идентичных атомов [11].

В «Философских Трудах Королевского Общества» великий физик Майкл Фарадей в 1857 опубликовал статью, в которой он пытается объяснить, как металлические включения влияют на цвет витражного стекло. Но первым зависимость цвета стекла от вещества металлических включений и их размера смог объяснить Густав Ми в своей опубликованной работе в «Анналах Физики» в Лейпциге в 1908 году.

Первый шаги в истории нанотехнологии были сделаны американским изобретателем Джорджем Истмэном основателем компании Kodak. Он изготовил фотопленку в 1883 году.

Фотография, которая начала свое интенсивное развитие в XVIII-XIX вв., базируется на явлении образования наночастиц серебра под действием света. Фотопленка представляет собой эмульсию галогенида серебра, к примеру, бромида серебра в желатине, нанесённая на основу из прозрачного ацетата целлюлозы. Свет попадая на фотопленку, разлагает галогенид серебра с образованием наночастиц чистого серебра, которые и являются пикселями изображения.

Важной датой в истории физики является 1912 г., когда в Баварской Академии наук в Мюнхене слушался доклад на тему «Интерференция рентгеновских лучей». Лауэ выступил с изложением по теории дифракции рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду в первой части доклада. Затем во второй части доклада Фридрих и Книппинг сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В этих экспериментах кристалл сульфата меди рассеивал рентгеновский свет подобно тому, как тканевая поверхность зонта рассеивает свет фонаря – кристалл должен был состоять из атомов, собранных в упорядоченную структуру, подобно нитям в ткани зонта или лежащей на рынке горе апельсинов. Работа впервые доказала что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. Именно с этих дней началась физика, о которой мы знаем сейчас [11].

На вопрос, почему атомы в кристалле располагаются упорядоченно можно ответить следующим образом: материя всегда старается принять такую наиболее удобную форму, чтобы затраты энергии были минимальны в равновесном состоянии. Поэтому наиболее удобной является правильная, упорядоченная структура. Если орехи встряхнуть в чашке, то они образуют правильный рисунок, а атомам это сделать еще проще [8].

Автор книги «Введение в нанотехнологию» Чарльз Пул приводит хороший пример о «Кубке Ликурга» в Британском музее, на стенках которого имеется изображение жизненных сцен великого спартанского законодателя. Этот кубок был произведен древнейшими римскими мастерами и содержит микроскопические частицы золота и серебра, которые добавлены в стекло. Кубок меняет цвет от темно-красного до светло-золотистого при различном освещении [14].

В 1947 году, после изобретения транзистора началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Создавались новые интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы и т. д. Параллельно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В настоящее время плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках достигает 1 гигабит/кв. дюйм [15].

Американский физик нобелевский лауреат Р. Фейнман (рис. 2) впервые в 1959 г. выдвинул идею о создании веществ, с требуемыми свойствами путем выстраивания отдельных атомов в нужном порядке. Его лекция называлась «There is plenty room in the bottom», что в переводе на русский язык означает «Там внизу много места». В дальнейшем Э. Дрекслер развил эту идею, опубликовав в 1986 г. книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», в котором рассказывается о методах создания новых механизмов из отдельных молекул и атомов. Необходимо тут отметить, что термин «нанотехнология» был впервые использован в 1974 г. японским ученым Н. Танигучи, но этот термин означал точную обработку материалов с точностью десятых долей нанометров [16].

 

 

Рисунок 2. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман [17].

Необходимо отметить, что Джон фон Нейман ученый математик, который разработал теоретическую модель устройства компьютера, выдвинул идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков еще задолго до работ Дрекслера. Он создал первое устройство с клавишным вводом данных. Он родился, в еврейской семье, в Венгрии, и его предки были выходцами из России.

Ранняя история самовоспроизводящихся систем — это история мышления фон Неймана по данному вопросу. Самовоспроизводящиеся машины являются основными свойствами нанороботов. По словам Неймана, эти системы должны как воспроизводить себя из окружающих молекул, так и производить принципиально другие совершенные комплексные создания.

Фон Нейман был антикоммунистом и однажды во время слушаний в Сенате США заявил о своей антикоммунистической идеологии, которая была более воинственной, чем просто нормальной. Чтобы препятствовать созданию атомной бомбы в Советский Союз он призывал к предупредительной атомной атаке.

В 1964 году Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации Integrated Electronics Technologies Incorporated, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Он показал, что новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени 18—24 месяца и зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления. Информационная емкость микросхем возрастала каждый раз примерно в два раза. В развитии микроэлектроники наблюдалась миниатюризация компонентной базы и, конечно же, это приводило к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

Американский физик Рассел Янг в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство называемый пьезодвигатель. Сейчас эти сегменты применяются в сканирующих туннельных микроскопах для позиционирования наноинструментов то есть для поиска нужных объектов на изучаемой поверхности.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 685. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Эффективность управления. Общие понятия о сущности и критериях эффективности. Эффективность управления – это экономическая категория, отражающая вклад управленческой деятельности в конечный результат работы организации...

Мотивационная сфера личности, ее структура. Потребности и мотивы. Потребности и мотивы, их роль в организации деятельности...

Классификация ИС по признаку структурированности задач Так как основное назначение ИС – автоматизировать информационные процессы для решения определенных задач, то одна из основных классификаций – это классификация ИС по степени структурированности задач...

Тема 5. Организационная структура управления гостиницей 1. Виды организационно – управленческих структур. 2. Организационно – управленческая структура современного ТГК...

Методы прогнозирования национальной экономики, их особенности, классификация В настоящее время по оценке специалистов насчитывается свыше 150 различных методов прогнозирования, но на практике, в качестве основных используется около 20 методов...

Методы анализа финансово-хозяйственной деятельности предприятия   Содержанием анализа финансово-хозяйственной деятельности предприятия является глубокое и всестороннее изучение экономической информации о функционировании анализируемого субъекта хозяйствования с целью принятия оптимальных управленческих...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.008 сек.) русская версия | украинская версия