Нанотехнология разкрива неподозирана сила на атома в услуга на изчислителната техника
От отдолу нагоре или отгоре надолу: за нанотехнологии са отделени 1.6 милиарда щатски долара от бюджета на президента за 2010 г..
от Сюзън Смит
Докато нанотехнологиите биха могли да означават различни неща за различните хора, терминът е въведен първоначално за описание на формата показана по-долу, която е на атомно ниво. Това, казва Стийв Ветер, главен изпълнителен директор на молекулярните производствени предприятия на Свети Павел, MN, означава "място за всеки атом и всеки атом в своето място."
|
|
Физика Ричард Файнман изнесе лекция по време на срещата на Американската физическо дружество в Калифорнийския технологичен институт (Caltech)през 1959 г., озаглавена "Има много място на дъното", разказваща за разработките на атомно ниво в сравнение с процеса на миниатюризация. Той говори за микроскопични биологични системи, които могат да произвеждат вещества и да се придвижват в микроскопичен мащаб.
Да, Производство
За почти 20 години Борис Фриц е работи в лаборатории за бързо създаване на прототипи в Northrup Grumman. "Започнаха да се реализират много разработки в областта на нанотехнологиите." казва той. "Исках да направя представяне пред Дружеството на инженерите от преработващата промишленост (МСП) в областта на нанотехнологиите, тъй като МСП се фокусира върху производството."
Нанотехнологиите обикновено са съсредоточени повече върху нанонауката, заявява Фриц, отколкото към производствената страна, но в крайна сметка нанонауката е насочена към създаването на полезни продукти, предназначени за произведството. Мащаба на измерване е в нанометри, малко повече от 20 пъти диаметъра на един водороден атом, като средната дебелина на човешкия косъм е около 100000 нанометра.
|
|
За да ни помогне да стигнем там, Националния съвет за развитие на нанотехнологията е част от рамките на Националния съвет за наука и технология (NSTC), и е решил да координира федералните научноизследователски и развойни дейности през 2001 година. Начело с Форсайт институт, инициативата се заобикаля, според Ветер, когато членовете на нанотехнологичния бизнес алианс и "други" изместиха определението на нанотехнологиите далеч от техния първоначален замисъл отдолу нагоре "с точност" за "изграждането на нещо под 100 нанометра."
"Сегашната дефиниция ще намерите почти навсякъде, защото има почти $ 1 млрд., които правителството е дало за развитие на тази позиция към това определение," обясни Ветер. "Проблемът е, че има много неща под 100 нанометра, всъщност един от производителите на чипове казва, че всичко, което правим е под 100 нанометра, така че всеки чип, който се квалифицира като нанотехнология, е лудост. Това е твърде широко определение; то отклонява пари, които трябва да отидат за развитие на атомната прецизност."
FI и много от неговите последователи правят това, което те могат за да фиксират това определение. Според Ветер, групата ще наеме консултант във Вашингтон, за да се опитат да помогнат на своята гледна точка, но "това е едно стръмно изкачване ....". Налице е една малка частица напредък в смисъл, че наскоро няколко малки грантове DARPA са съсредоточени върху няколко основни стъпки, водещи към атомично-прецизно производство."
На делегирания бюджет за 2010 г. за нанотехнологиите са предвидени 1,6 милиарда щатски долара за Националната нанотехнологията Инициатива (NNI), които демонстрират ангажираност и обещание за индустрията. В момента NNI включва нанотехнологични дейности от 25 федерални агенции, от които 13 са бюджетни за научни изследвания и развитие на нанотехнологията за 2010 година. Включени в списъка на участващите федералните агенции, са Министерството на вътрешната сигурност и националните институти по здравеопазване (NIH).
CAD и Нанотехнологии
Ако визията на Файнман е вярна, тогава как конструкторите мащабират определени CAD фичъри за проектиране на нано ниво и как процеса на изграждане "отдолу нагоре", се контролира на нано ниво - това остава предизвикателство.
Софтуер, наречен NanoEngineer от Nanorex.com, разработен от Марк Sims, започва да се справя с това предизвикателство. В този случай, софтуер за нано дизайн е CAD софтуер. Номерът е да се взаимстват ефектите от класическата физика в нормални мащаби и да се направи съчетаването им на атомно ниво със света на квантовата механика.
Според Tihamer-Fejel Тот, старши инженер научноизследователска дейност на General Dynamics от Падам VA, адаптивните бързи технологии могат да предложат някои отговори. Той казва, че има редица процеси, които ще бъдат в състояние да направят това при наночастиците; на DARPA, финансирани от Съвета за нанотехнологии, например, има девет различни екипа, работещи върху развитието на тази технология.
На нано ниво, DIP-писалка нанолитография от NanoInk се използва за постигане на послойност с помощта на атомен микроскоп (AFM) с не-пасивни операции, които взаимодействат с атоми.
"Имаме елементи от силициев нитрит и диамант, кс размери от по 8 микрона до до 15 нанометра, така че това е най-малката писалка в света, 15 нанометра, и там може да има мастило, което пише неща в атомите", заяви Фриц. "Това е разтворител, който съдържа наночастици или ДНК, така чете може да си взаимодействат и да изграждат нещата слой по слой. Една от целите ни е, заяви Фриц, за създадем интегрални схеми на нано ниво, за да произвеждем по-мощни компютърни чипове.
|
|
Това е един вид атомен спрей за боядисване на повърхности слой по слой, в даден момент, като се използва един вид химически процес на отлагания. Почти перфектни кристали могат да се отглеждат, започвайки от един атомен слой в даден момент. Например, 70 процента от световното предлагане на твърди полупроводникови лазери, използвани от вътрешната страна на CD плейърите, са направени по този начин. "Този метод може да произведе кв. см от този полупроводников лазер, който вече има квадрилион атоми."
Бъдещето на Нанотехнологиите
Фриц казва, че има и други начини. Прецизен контрол на само три атома от един квадрилион атоми е място определяно от нанотехнологиите. Химията създава химическа реакция по номера на Авогадро на атомите (1023), но не дава глобален контрол на обектите или дори и местен контрол над ориентацията, къде отива всеки атом.
Този вид контрол е показан в примера от NanoEngineer Nanorex, която помага за дизайна на ДНК да генерира специфична форма (като милиарди ДНК усмихнати лица), което би могло да доведе до произвеждането на стотици суперкомпютри с големина, колкото върха на пръста ни.
Промяна на бъдещето
Self-репликацията не е нова идея, тя е мечтата на математика и философ Рене Декарт през 17-ти век. Фриц описва най-добрият пример за самостоятелна репликация в природата - огъня. "Докато доставяте вещество, което да гори и кислород, който да поддържа процеса на горене, огъня ще се възпроизвежда вечно". Това е самостоятелно възпроизвеждане на процеса. На нано ниво ние можем да започнем възпроизвеждането на неща, като един нанофабрика направи вторатакава, както един робот може да произведе друг робот. Но сега много от собствената репликация се случва в бързото създаване на прототипи, така че трябва да се използват места като MATLAB RepRap в Масачузетския технологичен институт и няколко други за това."
В Nanorex.com, основател на Института Форсайт Nanotech, д-р Ерик Дрекслер, считан за "баща на нанотехнологиите," е проектирал пътна карта показваща, показваща изграждането на възли на по-високо ниво във вътрешността на компютърна фабрика, която след това произвежда продукт по ваш избор. Крайната цел е, да се създаде нанокомпютър.
"Ако ние заменим 10 процента от кръвта си с respirocytes, то тогава ще можем да задръжим дъха си за цели четири часа," заяви Фриц. "По този начин, ако имате сърдечен удар можете да се обадите на болницата и да им кажете, че ще отидете първо до магазина и след това ще спрете до болницата.
ДНК Оригами са изобретени от д-р Пол Rothemund, а практическото им приложение е показано в Държавния университет в Аризона, с цел да помогне на лекарите да определят патогени. Техниката може да се определи кои се патогените."
Друга възможност са "foglets," микро роботи, изработени от наночастици. Идеята е разработена от Дж. Хол, автор на Nanofuture: Какво следва за нанотехнологиите. Foglets се управляват от един прост софтуер, който позволява милиарди от тях да действат като Shapeshifters.
|
|
Текущи Нано Приложения
Тот-Fejel счита, че ние сме в "каменната ера" на нанотехнологията. "В нанотехнологиите, приложения, които имат относително дезорганизиран размер и влияние са вече на пазара - говорим за наночастиците, нанопокритията и въглеродните нанотръбички. Дружествата, които участват в този етап работят за увеличаване на производството при намаляване на разходите."
С наночастици и нано покритията на инженерите са им необходими усилия за увеличаване на точността, тъй като сега ние имаме сравнително висок контрол само в по едно измерение. Въглеродните нанотръби (CNTs) с алотропия на въглерод с цилиндрична наноструктура, са добър пример. Те са изградени със съотношения дължина към диаметър до 28,000,000:1, което е значително по-голямо от всеки друг материал. Тези CNTs са силни, с уникални електрически свойства и са ефективни проводници на топлина.
Националният институт за стандарти и технологии (NIST) е изследвал много компании занимаващи се с въглеродни нанотръби в САЩ, и то само за да научат, че има много проблеми в производството и продажбата на въглеродни нанотръбички. Zyvex материали е разработил метод за вграждането въглеродни нанотръби в епоксиди, които ще предлагат 10% по-голяма сила на материала само с два процента по-високо натоварване.
Междувременно, проектираните наночастици като dendrimers, silsesquioxanes и celluistic nanocrystals са готови да навлязат на пазара. Един успешен пример за използването на нанокристали са нано панталоните, които предлагат изключителна издръжливост. Този вид на приложение е известен като "нано-съвместим", където някои трудности за инженерната химия са решени при качествено ново и то така, че точните свойства на молекулата, която се строи, са строго контролирани, добавя се едва 0,001% от теглото на материала на продукта, като по този начин значително увеличава стойността на крайния продукт.
Продуктивни наносистеми
Тот-Fejel са производствени наносистеми, които в момента са в лабораторна фаза. "Отдолу-нагоре" като концепция за подход, като ДНК оригами, разкрива необходимостта от изграждане на комплекс от логически схеми и това се явява достатъчно, за да се направи корекция на грешки (както го правят съвременните компютри), докато дригите техники - "отгоре-надолу" като Patterned Atomic Layer Epitaxy трябва да работят поетапно чрез изграждането на една проба, после на друга и т.н.
Един от неговите текущи проекти, включва Patterned Atomic Layer Epitaxy, в който сканираната проба избирателно премахва водородните атоми от повърхността на силиций, а след това добавя още един слой от силикон за депозиране. "Отгоре-надолу" техниката е процес, финансиран от DARPA за Zyvex, и се очаква да има успех през настоящата 2010 г.
Намаляване на въздействието върху околната среда
Много хора са загрижени за нанотехнологиите и тяхното последващо въздействие върху околната среда. Това се случва, тъй като съотношение на площта към обема на частиците нараства експоненциално, тъй като те са по-малки и по-малки, което означава, че ще има повече атоми (на килограм), са изложени на въздействието на околната среда, особено от атмосферата и водата. Резултатът е, че химичните реакции (като например окисляването) се случват много по-бързо. Но от друга страна, изследователи, които притежават нанотехники, ще помогнат за намаляване на замърсяването и за свиване на отпадъците в производството на енергия значително, тъй като тези нови технологии са значително по-прецизни.
Наночастиците са склонни да се слепват, което ги прави трудни за производство. "Когато ние инженерите участваме, то ще бъдем в състояние да ги направим такива, че те да са биоразградими и ще ги направим по-стабилни, но само, когато искаме те да бъдат стабилни," каза Тот-Fejel. "Или обратното. Можете да проектирате на ниво, което ще даде по-голям контрол над зелениte процеси, където искаме технологии с по-малко отпадъци."
Въпреки respirocytes могат да направят възможно хората да живеят по-дълго, Тот-Fejel от наносистеми казва, че може да даде възможност на хората да "слязат на планетата" по технология за разработване на евтини платформи и системи.
Производство на слънчеви панели изисква многомилионна доларови средства за съоръжения за производство на фотоволтаични соларни клетки, които достигат максимум 40% ефективност, и са прекалено скъпи за повечето хора. Nanosolar използва наночастици за повишаване на ефективността на органични фотоволтаични слънчеви клетки от 2% до 5 на сто, като по този начин намалява разходите за слънчева електроенергия.
Много различни нанотехнологиите се сближават към основната идея - не само за контрол на трилиони единици, но и атоми на килограм при това с атомна точност.