Применение нанотехнологий (1075549), страница 8

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

Текст из файла (страница 8)

Другой интересной матрицей для получения одномерных наночастиц является пористый оксид алюминия , образующийся при анодном окислении высокочистого полированного металлического алюминия в ряде электролитов. Этот материал имеет систему цилиндрических пор, располагающихся параллельно друг другу перпендикулярно плоскости пленки, причем при соблюдении определенных условий массивы этих пор могут обладать гексагональным упорядочением. Мезопористый оксид алюминия, полученный анодным окислением алюминия, уникален тем, что в процессе его получения можно контролировать основные микроструктурные параметры: расстояние между центрами соседних пор зависит от электролита и напряженности тока на электродах в ходе окисления, протяженность пор (толщина слоя) зависит от времени травления, а диаметр пор можно увеличивать путем дополнительного растравливания. Одним из методов получения магнитных нанокомпозитов в такой матрице является электрохимическое осаждение в поры магнитных металлов, например, никеля. При этом, в отличие от пленок мезопористого диоксида кремния, магнитные наночастицы располагаются в матрице не параллельно, а перпендикулярно поверхности подложки. Такой образом, становится возможным контролировать количество осажденного металла, варьировать длину получаемых частиц, а также их ориентацию относительно подложки.

Естественно, что каждый из существующих способов хранения информации обладает своими преимуществами и недостатками. И все же технологии не стоят на месте, и каждый год в согласии с «законом Мура» средняя плотность записи всех типов устройств возрастает в ~1,5 раза. Какая же из технологий является оптимальной, и будет доминировать на рынке через 10 лет? Время покажет …

Рис.1. Схема устройства перпендикулярной записи информации, использующего магнитный нанокомпозит

Рис.3. Процедура создания мезопористой матрицы: мицеллы поверхностно-активного вещества формируют упорядоченную гексагональную структуру (лиотропная жидкокристаллическая матрица), в которую внедряется гель гидратированного диоксида кремния. После деликатного низкотемпературного отжига в окислительной атмосфере (атмосфере кислорода) ПАВ – шаблон выгорает, вода удаляется и в образовавшемся оксидном материале остается «отпечаток» тех мицелл, которые были первоначально использованы в виде шаблона – формируется мезопористая струкура.

Рис.2. Эволюция физических принципов и устройств записи информации: 1. механический принцип записи (перфокарта), 2. магнитная запись информации (изображение магнито-силовой микроскопии дорожек жесткого диска компьютера), 3. – оптический принцип записи (АСМ изображение поверхности DVD диска, интервал между витками – 1.6 мкм, ширина углубления – 0.5 мкм, глубина – 0.125 мкм, минимальная длина – 0.83 мкм). 4. магнитный нанокомпозит – ферромагнитная нанопроволока в матрице мезопористого диоксида кремния (просвечивающая электронная микроскопия). Фотографии 2, 3, 4 – экспериментальные результаты ФНМ МГУ.

Рис.4. Поперечный разрез пленки анодированного (мезопористого) оксида алюминия, заполненного электрохимически нанонитями металлического никеля.

1. НАНОЛИТОГРАФИЯ

   1. Термохимическая нанолитография

Новый метод нанолитографии, разработанный исследователями из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) США, может сделать производство наноустройств коммерчески выгодным, сообщается в пресс-релизе института.

Нанолитографией в широком смысле слова называют создание любых структур, имеющих размеры порядка нескольких нанометров. Наноустройства могут применяться в медицине (для доставки лекарств в нужную точку организма), в информационных технологиях (для создания сверхмалых процессоров) и других областях.

Новый метод, называемый термохимической нанолитографией (ТХНЛ), заключается в следующем. Нагретая кремниевая игла атомно-силового микроскопа движется по специальной тонкой полимерной пленке. Под воздействием тепла на поверхности пленки начинается химическая реакция, в ходе которой соответствуюшие участки пленки изменяют свои химические свойства и приобретают способность присоединяться к другим молекулам.

Основной идеей ТХНЛ являются химические особенности пленки и использование горячей иглы (температура острия может превышать тысячу градусов Цельсия, иглу можно нагревать и охлаждать около миллиона раз в секунду). За счет того, что реакция на пленке запускается сама, удается избежать необходимости переносить вещества с иглы на пленку, как это делается в большинстве других методов.

ТХНЛ позволяет работать на скорости несколько миллиметров в секунду, в то время как другие современные методы - лишь на скорости около одной десятитысячной миллиметра в секунду. Кроме того, ТХНЛ может применяться на воздухе, во влажной среде, без присутствия сильного электрического поля, как другие методы. Минимальные размеры, с которыми можно работать, используя ТХНЛ, - около 12 нанометров.

1. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

   1. Аккумуляторы

Литиево-ионные батареи - самый распространенный и универсальный на сегодня тип аккумуляторов, и применяются они в ноутбуках, телефонах, плеерах. Несмотря на свою миниатюрность и легкость, этот тип батарей довольно медлителен (время подзарядки, к примеру), и это резко ограничивает масштабы их использования, поэтому в гибридных авто литиево-ионные аккумуляторы мы не встретим. Эта медлительность определена расстоянием между ионами лития, которым приходится путешествовать через структуру электрода в батарее. Скорость, с которой ионы проделывают путь сквозь электрод, также мала, как и скорость прохождения через электролит (жидкость между электродными структурами). Именно поэтому сегодняшняя задача ученых, занимающихся нанотехнологиями, - сделать эти промежутки максимально короткими (измеряемые в нанометрах), чтобы сократить путь электронам для их «путешествия». К сожалению, до сих пор внедрение наноструктур в производство аккумуляторов положительных результатов не принесло. Более того, несоответствия, возникающие во время работы, решить пока не удалось. В то же время, ученые Университета Delft открыли закономерность, что в случае физического уменьшения размеров частиц электродов их свойства кардинально меняются, что открывает новые возможности для инженеров. Основываясь на этих сведениях, ученые уже сейчас могут предсказать, как повлияет внедрение наноструктур в те же литиево-ионные аккумуляторы, однако очень многое зависит как от размера самой структуры, так и от используемого материала.

Американские учёные создали новую батарею, где в роли оболочки может выступать вирус диаметром всего несколько нанометров.

Обычные батареи по мере уменьшения размера могут хранить всё меньше и меньше энергии и в конечном итоге становятся неэффективными. Новый элемент работает при помощи генетически модифицированного вируса М13 (фото Nam et al./PNAS).

Такой источник питания можно методом штамповки нанести на любую электропроводящую поверхность, что открывает новые возможности в создании миниатюрных электронных устройств – например, для точечной доставки лекарств в организм.

К огда речь заходит о нанотехнологиях, обычно возникает ряд проблем, в первую очередь связанных со сложностью и дороговизной соответствующих гальванических элементов – роботам и прочим девайсам надо чем-то питаться!

Несколько лет назад физики обратили свой взор на паразитические частицы, которые, с одной стороны, живут при комнатной температуре, а с другой – могут образовывать весьма сложные наноразмерные структуры.

Профессор Анжела Белчер (Angela Belcher) из лаборатории биомолекулярных материалов при Массачусетском технологическом институте (MIT Biomolecular Materials Laboratory) разработала экспериментальную аккумуляторную пластину из оксида кобальта (это один из основных материалов для литиево-ионных батарей).

Учёные использовали "прилипательные" свойства бактерий и с их помощью сформировали пористую поверхность у электрода – от этого напрямую зависит удельная ёмкость и мощность батареи.

В итоге удалось запасти в два раза больше энергии, но вот создать интерфейс для взаимодействия элемента с проводником не удалось. Грубо говоря, накопленную энергию никак нельзя было использовать.

На сей раз доктору Белчер и её коллегам удалось создать шаблон-подложку из полидиметилсилоксана (polydimethylsiloxane — PDMS), широко применяемого органического полимера на основе кремния, и закрепить на ней вирус, который, в свою очередь, может служить матрицей для электродов.

Вот как в общих чертах проходил эксперимент.

Подложку PDMS толщиной в пять микрометров покрыли чередующимися слоями положительно и отрицательно заряженных электролитов.

Получился своеобразный колпачок высотой 150 нанометров, в который и "вживили" вирус – причём не простой, а модифицированный.

Посредством генной инженерии биочастице были сообщены такие свойства, что на её внешней оболочке находятся отрицательно заряженные аминокислоты – что и стимулирует "прилепляемость".

Диаметр вируса – шесть с половиной нанометров, длина – до нескольких сотен нанометров. На поверхности гальванического элемента вирусы 'упакованы' завитушками, подобными узору на кончиках пальцев. По утверждению разработчиков, это самая маленькая из существующих батареек (Nam et al./PNAS)

Затем всю конструкцию погрузили в раствор из ионов кобальта, взаимодействуя с которыми вирусы формируют миниатюрные батарейки.

По словам разработчиков, их главный успех – возможность наносить "вирусный" аккумулятор на любую проводящую поверхность – слой платины, например.

Для этого шаблон особым образом проштамповывается на поверхности, а потом PDMS-основа отслаивается – и получаются маленькие точечные гальванические элементы.

"Мы стали первыми, кому удалось проштамповать батарею", — радуется Пола Хаммонд (Paula Hammond), одна из участниц проекта.

С успехом американских учёных согласен и Ян ван Хест (Jan van Hest) из Центра молекулярных исследований в Неймегене (Nijmegen Centre for Molecular Life Sciences). Однако, по его мнению, лишний слой, который добавляется при штамповке вирусных батарей, может сузить область применения наномеханизмов и снизить их эффективность.

Наноаккумуляторы в автомобилестроени

В рамках British International Motor Show, британская компания Lightning Car Company представила необычный электромобиль Lightning. Необычность проекта выражается во всём: в стремительной спортивной форме автомобиля, не совсем привычной для моделей с электрическим двигателем, в использовании совершенно нового типа аккумуляторов – литий-титановых; наконец, в невероятно скоростной подзарядке этих аккумуляторов.

Основа конструкции нового электромобиля - 30 батарей NanoSafe, разработанных американской компанией Altairnano, в которых традиционный графит заменён наночастицами титанатов, что делает такие батареи более термостабильными и менее токсичными. Суммарная ёмкость блока батарей – 36 кВт. Батареи NanoSafe могут эксплуатироваться на протяжении более 12 лет, при этом даже после 15 тысяч циклов заряда-разряда сохраняют до 85% своей первоначальной ёмкости. Такие батареи уже применяются, например, в Sport Utility Truck от Phoenix Motorcars. При наличии 3-фазной сети весь комплект батарей Lightning можно зарядить всего за 10 минут.

В электромобиле применены двигатели Hi-Pa Drive производства британской PML Flightlink Ltd., мощностью 120 кВт каждый, по двигателю на каждое колесо. Согласно заявлению представителей компании, Lightning способен разгоняться до скорости 60 миль в час всего лишь за 4 секуды и проезжать на одном заряде батарей до 200 миль.

1. Двигатель на наночастицах металла

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

Характеристики

Список файлов книги