Применение нанотехнологий (1075549), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

В эксперименте слоем таких "нано-шаттлов" была покрыта золотая поверхность. Это позволило, включая и выключая источник ультрафиолета, управлять свойствами поверхности, произвольным образом меняя ее смачиваемость. А уже это, в свою очередь, позволяло перемещать лежащую на поверхности каплю.

На видеоролике, сопровождающем публикацию в журнале Nature видно, как под действием ультрафиолетового света капля жидкости размером около двух миллиметров вдруг сплющивается и начинает медленно ползти по поверхности. Еще на одном ролике капля даже поднимается по склону под углом 12°. Нельзя сказать, что этот механизм работает быстро. Заметного — на несколько миллиметров — перемещения капли приходится ждать несколько минут. Однако масштаб этого движения в несколько миллионов раз больше размеров молекулярного мотора. Это все равно как если бы миллиметрового размера двигатель мог перемещать вас на километровые расстояния.

Конечно, данный эксперимент в большей мере демонстрация принципиальной возможности создания искусственных молекулярных моторов, чем практически полезное приспособление, однако Дэвид Ли допускает, что подобный метод может использоваться для прокачки жидкости через тонкие капилляры, например, в кремниевых чипах. Обычные насосы не справляются с такой работой, поскольку в капиллярах очень велико сопротивление течению жидкости. Однако, управляя смачиваемостью стенок капилляров, можно заставить жидкость течь в нужном направлении.

1. Сборщики из атомов

Нанотехнологические установки, специализированные на проведение нанотехнологических процессов, пока не выпускаются.

Важность разработок именно нанотехнологических установок столь значительна, что за рубежом создаются даже специальные фирмы, целенаправленно специализирующиеся на создании нанотехнологических установок, называющихся "atomic assembler" - сборщики атомов.

В отличие от традиционных групповых технологий, основным узлом нанотехнологических установок является нанореактор, формируемый между вершиной зонда и обрабатываемой поверхностью. В процессе локального воздействия в зазоре зонд-подложка на поверхности направленным образом преобразуются межатомные и межмолекулярные связи вещества подложки и технологической среды. В результате образуются новые структурные композиции вещества, кластеры, локальные образования нового вещества, композиции органических веществ с неорганическими и формируются нужные объекты с нанометровыми размерами.

Проведение нанотехнологических процессов осуществляется в установках в зазоре зонд-подложка, при инжекции в данный объём технологических сред (газообразных или жидких) и комплексном воздействии различными методами на происходящие атомно-молекулярные процессы.

Исследование характеристик создаваемых нанообъектов и поверхности осуществляется методами сканирующей зондовой микроскопии и туннельной спектроскопии.

Для проведения нанотехнологических процессов в газовых и жидких средах в Институте Нанотехнологий Международного фонда конверсии (ИНАТ МФК) были разработаны нанотехнологические установки.

Важнейшим отличием созданных установок является использование специального технологического модуля и соответствующей системы позиционирования, обеспечивающих возможность работы даже с агрессивными средами и стабилизацию параметров технологической среды.

Установки могут использоваться в научных институтах и университетах для проведения НИОКР по нанотехнологиям, наноприборам и подготовке специалистов.

Следует отметить, что эти нанотехнологические установки:

• реализуют в зазоре зонд-образец различные по природе полевые, электромагнитные, кинетические воздействия на технологический процесс;

• характеризуются высокой разрешающей способностью, вплоть до атомарной;

• обладают повышенным быстродействием, благодаря специальной конструкции манипуляторов, электронной системы управления, программного обеспечения, что позволяет осуществить большой объём экспериментов.

Блок-схема нанотехнологической установки "Луч-2" и её основные технические функциональные возможности показаны на рис. 1. Она состоит из:

• технологического модуля с системой прецизионного позиционирования, технологической и защитной камерами, устройствами гашения сейсмических и акустических колебаний, системой инжекции и вывода технологических сред и исполнительными элементами воздействий на процесс в зоне зонд-образец;

• электронной аналого-цифровой системы с высокочувствительными и высоковольтными электронными схемами, управляемой сигнальным процессором;

• математического обеспечения для управления нанотехнологическими процессами, проведения измерений нанообъектов и поверхности, тестирования узлов и систем установки.

Рисунок 1. Блок-схема технологического модуля

В дополнение к базовой комплектации установки "Луч-2" выпускаются:

Система видеонаблюдения - визуализирует на экране компьютера место подвода зонда к исследуемому образцу. Ускоряет вывод зонда на требуемую позицию. Использование афокальной оптики с зеркальными оптическими поверхностями, в которых отсутствует хроматическая аберрация, предоставляет возможность измерения объектов, расположенных под зондом, и введения излучения с длинами волн, отличными от длин волн, на которых работает система видеонаблюдения. Система характеризуется сочетанием большой глубины резкости (до нескольких мм) и высоким пространственным разрешением (до 1–2 мкм). Кроме того, применяемая оптическая система позволяет вводить лазерное излучение в зазор зонд-образец и юстировать его с помощью управляемых от компьютера пьезодефлекторов. Система расположена вне технологического модуля, и для компенсации смещения изображения применяется специальная программа стабилизации изображения на экране компьютера и оптимального наведения излучения в область проведения нанотехнологических процессов.

Зонды:

• из мономатериалов, например вольфрама, с оптимальной формой для высокоскоростного сканирования и радиусом вершины менее 100 A;

• с гидрофобным покрытием для проведения исследований на влажной поверхности био-объектов;

• с изолирующим на боковой поверхности покрытием для проведения электрохимических экспериментов;

• с термической активацией вершины для повышения эффективности локальных воздействий;

• с плазмонной активацией вершины для стимулирования локальных химических реакций.

Гибкие миниреакторы (объёмом меньше 1 см3) для многократного уменьшения расхода дорогостоящих технологических сред и их дополнительного нагрева в зоне реакции. Увеличивают срок службы пьезоманипуляторов и технологических модулей.

Тестовые структуры для калибровки нанотехнологических комплексов. Изготавливаются в виде шахматного поля с микронными и нанометровыми размерами.

Составные блоки установки "Луч-2" - технологический модуль, система управления и их компоненты (широкодиапазонные и быстродействующие манипуляторы, усилители туннельного тока, электронная система управления).

Установки предыдущего поколения типа "Луч" используются в Институте нанотехнологий Международного фонда конверсии, на химическом факультете МГУ, в центре коллективного пользования, а электронные системы управления в ЦЕНИ ИОФ РАН и в Университете г. Флоренция.

На установках данного типа были получены экспериментальные результаты по формированию нанообъектов из материалов различных типов - карбонилов железа и вольфрама, хлоридоволова и полианилина. Результаты формирования нанообъектов и исследования свойств наноструктур экспериментально подтвердили возможность и эффективность развития нанотехнологии на основе нанотехнологических зондовых установок.

1. Нанороботы

Нанороботы, или наноботы — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.

Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.

На данный момент (2009), нанороботы находятся в научно-исследовательской стадии создания. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов. Разработке компонентов наноустройств и непосредственно нанороботам посвящен ряд международных научных конференций.

Уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах. Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

Одним из самых сложных прототипов наноробота является "DNA box", созданный в конце 2008 года международной группой под руководством Йоргена Кьемса. Устройство имеет подвижную часть, управляемую с помощью добавления в среду специфических фрагментов ДНК. По мнению Кьемса, устройство может работать как "ДНК-компьютер", т.к на его базе возможна реализация логических вентилей. Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый DNA origami, благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.

Существующие решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями.

В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа для отображения и подталкивания атомов. Другие - щупами атомно-силового микроскопа для работы с непроводящими материалами. Третьи - микроманипуляторами для перемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутно создается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления, обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы на конкретные молекулы.

Преимущество подобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводить объект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируя микроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте - а двигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером.

Пьезокерамические ножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь и наружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенного электрического сигнала.

Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способны носиться намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков в секунду), причем разным «аллюром» - либо семенить крошечными шагами по 2 нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз.

Пока что в МТИ сосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно и интегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовых микроскопов.

Некоторые исследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными, добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэ управляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов.

Они справляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба или захват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чем NanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами, немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируют такими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.

После того как управляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретной клетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения, находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит в другое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно, могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя. Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквально секунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраивать систему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборки всего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операций автоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будут осуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведется совместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействие им оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath & Weiss.

Характеристики

Список файлов книги