Войти
Нанотехнологии (или «нанотехнология ») - это использование вещества в атомном, молекулярном и надмолекулярном масштабе для промышленных целей. Самое раннее и широко распространенное описание нанотехнологии относилось к конкретной технологической цели точного манипулирования атомами и молекулами для производства продуктов макромасштабного масштаба, теперь также называемой молекулярной нанотехнологией. Более обобщенное описание нанотехнологии было впоследствии установлено Национальной нанотехнологической инициативой, которая определила нанотехнологию как манипулирование материей, по крайней мере, с одним измерением размером от 1 до 100 <68.>нанометров. Это определение отражает тот факт, что квантово-механические эффекты важны в этой шкале квантовой области, поэтому определение сместилось с конкретной технологической цели на исследовательскую категорию, включающую все типы исследований. и технологии, которые имеют дело с особыми свойствами материи, которые встречаются ниже заданного порогового значения. Поэтому принято использовать множественное число «нанотехнологии», а также «наноразмерные технологии» для обозначения широкого диапазона исследований и приложений, общей чертой которых является размер.
Нанотехнология, определяемая по размеру, естественно, обширна и включает такие разнообразные области науки, как наука о поверхности, органическая химия, молекулярная биология, физика полупроводников, накопление энергии, инженерия, микропроизводство и молекулярная инженерия. Сопутствующие исследования и приложения в равной степени разнообразны: от расширений традиционной физики устройства до совершенно новых подходов, основанных на самосборке молекул, от разработки новых материалов с Измерения в наномасштабе до прямого управления материей в атомном масштабе.
В настоящее время ученые обсуждают последствия нанотехнологии в будущем. Нанотехнологии могут создавать множество новых материалов и устройств с широким спектром приложений, например, в наномедицине, наноэлектронике, биоматериалах производство энергии и потребительские товары. С другой стороны, нанотехнология поднимает многие из тех же вопросов, что и любая новая технология, включая озабоченность по поводу токсичности и воздействия наноматериалов на окружающую среду, а также их потенциального воздействия на мировую экономику, а также предположений о различных Сценарии судного дня. Эти опасения вызвали дебаты среди правозащитных групп и правительств по поводу того, оправдано ли специальное регулирование нанотехнологий.
Концепции, положившие начало нанотехнологиям, были впервые обсуждены в 1959 году известным физиком Ричардом Фейнманом в его выступлении Там много места внизу, в котором он описал возможность синтеза посредством прямого воздействия на атомы.
В 1960 году египетский инженер Мохамед Аталла и корейский инженер Давон Кан из Bell Labs изготовили первые MOSFET (полевой транзистор металл – оксид – полупроводник) с толщиной оксида затвора 100 нм, а также длиной затвора 20 мкм. В 1962 году Аталла и Канг изготовили нанослой -основание переход металл-полупроводник (переход M – S) транзистор, в котором использовалось золото ( Au) тонкие пленки толщиной 10 нм.
Сравнение размеров наноматериалов Термин «нанотехнология» впервые был использован Норио Танигучи в 1974 г., хотя это не было широко известно. Вдохновленный концепциями Фейнмана, К. Эрик Дрекслер использовал термин "нанотехнология" в своей книге Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий 1986 года, в которой была предложена идея наноразмерного "ассемблера", который мог бы создать копию самого себя и других элементов произвольной сложности с атомарным управлением. Также в 1986 году Дрекслер стал соучредителем Института предвидения (с которым он больше не связан), чтобы помочь повысить осведомленность общественности и понимание концепций и последствий нанотехнологий.
Возникновение нанотехнологии как области в 1980-х годах произошло благодаря сближению теоретических и общественных работ Дрекслера, которые разработали и популяризировали концептуальную основу нанотехнологии, и заметных экспериментальных достижений, которые привлекли дополнительное широкое внимание к перспективы атомного контроля над материей. С момента всплеска популярности в 1980-х годах большая часть нанотехнологий включала исследования нескольких подходов к созданию механических устройств из небольшого числа атомов.
В 1980-х годах два крупных прорыва привели к развитию нанотехнологий в современную эпоху.. Во-первых, изобретение сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году, который обеспечил беспрецедентную визуализацию отдельных атомов и связей и был успешно использован для управления отдельными атомами в 1989 году. Разработчики микроскопа Герд Бинниг и Генрих Рорер из Исследовательская лаборатория IBM в Цюрихе получил Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Бинниг, Квейт и Гербер также изобрели аналогичный атомно-силовой микроскоп того года.
Бакминстерфуллерен C 60, также известный как бакибол, является типичным представителем углеродных структур, известных как фуллерены. Представители семейства фуллеренов являются основным объектом исследований, подпадающих под зонтик нанотехнологий. Во-вторых, фуллерены были обнаружены в 1985 году Гарри Крото, Ричардом Смолли и Роберт Керл, вместе получившие Нобелевскую премию по химии 1996 года. C 60 изначально не был описан как нанотехнология; этот термин использовался в отношении последующей работы с родственными графеновыми трубками (называемыми углеродными нанотрубками и иногда называемыми трубками Баки), которые предлагали потенциальные применения для наноразмерной электроники и устройств. Открытие углеродных нанотрубок в значительной степени приписывается Сумио Иидзима из NEC в 1991 году, за что Иидзима получил первую премию Кавли 2008 года в Нанонаука.
В 1987 году Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый полевой МОП-транзистор с толщиной оксида затвора 10 нм, используя вольфрамовая -контактная технология. многозатворные МОП-транзисторы включены масштабирование ниже 20 нм длина затвора, начиная с FinFET ( fin полевой транзистор), трехмерный, неплоский, полевой МОП-транзистор с двумя затворами. FinFET возник в результате исследования Дая Хисамото в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. В Калифорнийском университете в Беркли устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Хисамото и TSMC Ченмин Ху и другие международные исследователи, включая Цу-Чжэ Кинг Лю, Джеффри Бокор, Хидеки Такеучи, К. Асано, Якуб Кедзерск, Сюэцзюэ Хуанг, Леланд Чанг, Ник Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET до процесса 17 нм в 1998 году, а затем 15 нм в 2001 году. В 2002 году команда, в которую входили Ю, Чанг, Ахмед, Ху, Лю, Бокор и Табери изготовили устройство FinFET 10 нм.
В начале 2000-х эта область привлекла повышенное научное, политическое и коммерческое внимание, что привело как к спорам, так и к прогрессу. Возникли разногласия относительно определений и потенциальных последствий нанотехнологий, примером чему может служить отчет Королевского общества о нанотехнологиях. Были подняты проблемы, связанные с осуществимостью приложений, предусмотренных сторонниками молекулярных нанотехнологий, которые вылились в публичные дебаты между Дрекслером и Смолли в 2001 и 2003 годах.
Между тем, начала появляться коммерциализация продуктов, основанных на достижениях в нанотехнологиях. Эти продукты ограничиваются массовым применением наноматериалов и не включают атомный контроль материи. Некоторые примеры включают платформу Silver Nano для использования наночастиц серебра в качестве антибактериального агента, прозрачные солнцезащитные кремы на основе наночастиц, углеродное волокно укрепление с использованием наночастицы диоксида кремния и углеродные нанотрубки для устойчивых к пятнам тканей.
Правительства начали продвигать и финансировать исследования в области нанотехнологий, например, в США с помощью Национальной инициативы по нанотехнологиям, который формализовал определение нанотехнологии на основе размера и обеспечил финансирование исследований в наномасштабе, а в Европе через Европейские рамочные программы исследований и технологического развития.
К середине 2000-х годов начали уделяться серьезному научному вниманию. процветать. Появились проекты по разработке дорожных карт нанотехнологий, которые сосредоточены на атомарно точном манипулировании материей и обсуждают существующие и предполагаемые возможности, цели и приложения.
В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab Center разработала полевой МОП-транзистор 3 нм, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство. Он основан на технологии FinFET универсального доступа (GAA).
Более шестидесяти стран создали правительственные программы в области нанотехнологий исследований и разработок (НИОКР) в период с 2001 по 2004 год. Государственное финансирование было превышено корпоративными расходами на НИОКР в области нанотехнологий, при этом большая часть финансирования поступала от корпораций, расположенных в Соединенных Штатах, Японии и Германии. В первую пятерку организаций, подавших наиболее интеллектуальные патенты на исследования и разработки в области нанотехнологий в период с 1970 по 2011 гг., Вошли Samsung Electronics (2578 первых патентов), Nippon Steel (1490 первых патентов).), IBM (1360 первых патентов), Toshiba (1298 первых патентов) и Canon (1162 первых патента). В пятерку крупнейших организаций, опубликовавших наибольшее количество научных работ по нанотехнологическим исследованиям в период с 1970 по 2012 годы, вошли Китайская академия наук, Российская академия наук, Национальный центр научных исследований., Токийский университет и Университет Осаки.
Нанотехнология - это разработка функциональных систем на молекулярном уровне. Это касается как текущей работы, так и более сложных концепций. В своем первоначальном смысле нанотехнология относится к прогнозируемой способности конструировать предметы снизу вверх с использованием методов и инструментов, разрабатываемых сегодня, для создания законченных, высокоэффективных продуктов.
Один нанометр (нм) составляет одну миллиардную, или 10, метра. Для сравнения, типичная длина связи углерод-углерод или расстояние между этими атомами в молекуле находятся в диапазоне 0,12–0,15 нм, а ДНК двойная спираль имеет диаметр около 2 нм. С другой стороны, самые маленькие клеточные формы жизни, бактерии рода Mycoplasma, имеют длину около 200 нм. По соглашению, нанотехнология принимается в масштабе от 1 до 100 нм в соответствии с определением, используемым Национальной инициативой по нанотехнологиям в США. Нижний предел установлен размером атомов (водород имеет самые маленькие атомы, которые составляют примерно четверть нм кинетический диаметр ), поскольку нанотехнология должна строить свои устройства из атомов и молекул. Верхний предел является более или менее произвольным, но примерно равен размеру, ниже которого явления, не наблюдаемые в более крупных структурах, начинают проявляться и могут быть использованы в наноустройстве. Эти новые явления отличают нанотехнологию от устройств, которые являются просто миниатюрными версиями эквивалентного макроскопического устройства; такие устройства имеют более крупный масштаб и подпадают под описание микротехнологии.
. Чтобы поместить этот масштаб в другой контекст, сравнительный размер нанометра и метра такой же, как у шарика и размера Земля. Или по-другому: нанометр - это величина, на которую у среднего человека растет борода за время, которое требуется ему, чтобы поднести бритву к лицу.
В нанотехнологиях используются два основных подхода. При «восходящем» подходе материалы и устройства создаются из молекулярных компонентов, которые собираются химически по принципам молекулярного распознавания. При подходе «сверху вниз» нанообъекты конструируются из более крупных объектов без контроля на атомном уровне.
Такие области физики, как наноэлектроника, наномеханика, нанофотоника и наноионика эволюционировали в течение последних нескольких десятилетий, чтобы обеспечить фундаментальную научную основу нанотехнологии.
Изображение реконструкции на чистой поверхности Gold (100 ), как визуализировано с помощью сканирующая туннельная микроскопия. Позиции отдельных атомов, составляющих поверхность, видны. Некоторые явления становятся заметными по мере уменьшения размера системы. К ним относятся статистические механические эффекты, а также квантово-механические эффекты, например «квантовый размерный эффект», когда электронные свойства твердых тел изменяются с большим уменьшением по размеру частиц. Этот эффект не проявляется при переходе от макро к микро измерениям. Однако квантовые эффекты могут стать значительными при достижении нанометрового диапазона размеров, обычно на расстояниях 100 нанометров или меньше, так называемой квантовой области. Кроме того, по сравнению с макроскопическими системами изменяется ряд физических (механических, электрических, оптических и т. Д.) Свойств. Одним из примеров является увеличение отношения площади поверхности к объему, изменяющее механические, термические и каталитические свойства материалов. Диффузия и реакции в наномасштабе, материалы наноструктур и наноустройства с быстрым переносом ионов обычно относят к наноионике. Механические свойства наносистем представляют интерес для исследований в области наномеханики. Каталитическая активность наноматериалов также создает потенциальные риски при их взаимодействии с биоматериалами.
. Материалы, уменьшенные до наномасштаба, могут демонстрировать свойства, отличные от того, что они демонстрируют в макромасштабе, что делает возможным уникальное применение. Например, непрозрачные вещества могут стать прозрачными (медь); стабильные материалы могут превратиться в горючие (алюминий); нерастворимые материалы могут стать растворимыми (золото). Такой материал, как золото, который является химически инертным в обычных масштабах, может служить мощным химическим катализатором в наномасштабе. Большая часть увлечения нанотехнологиями проистекает из этих квантовых и поверхностных явлений, которые материя проявляет на наномасштабе.
Современная синтетическая химия достигла точка, где можно приготовить небольшие молекулы практически любой структуры. Эти методы используются сегодня для производства широкого спектра полезных химических веществ, таких как фармацевтические препараты или коммерческие полимеры. Эта способность поднимает вопрос о расширении такого рода контроля на следующий, более высокий уровень, поиск методов сборки этих отдельных молекул в супрамолекулярные сборки, состоящие из многих молекул, расположенных четко определенным образом.
Эти подходы используют концепции молекулярной самосборки и / или супрамолекулярной химии, чтобы автоматически организовывать себя в некоторую полезную конформацию с помощью восходящего подхода. Концепция молекулярного распознавания особенно важна: молекулы могут быть сконструированы таким образом, чтобы благоприятствовать определенной конфигурации или расположению из-за нековалентных межмолекулярных сил. Правила Уотсона – Крика спаривания оснований являются прямым результатом этого, как и специфичность фермента , нацеленного на один субстрат или специфический сворачивание самого белка. Таким образом, два или более компонента могут быть разработаны так, чтобы быть взаимодополняющими и взаимно привлекательными, чтобы они составляли более сложное и полезное целое.
Такие восходящие подходы должны позволять производить устройства параллельно и быть намного дешевле, чем нисходящие методы, но потенциально могут быть подавлены, поскольку размер и сложность желаемой сборки увеличиваются. Для большинства полезных структур требуется сложное и термодинамически маловероятное расположение атомов. Тем не менее, в биологии существует множество примеров самосборки, основанной на молекулярном распознавании, в первую очередь спаривание оснований Уотсона-Крика и взаимодействия фермент-субстрат. Задача нанотехнологии заключается в том, можно ли использовать эти принципы для создания новых конструкций в дополнение к естественным.
Молекулярная нанотехнология, иногда называемая молекулярным производством, описывает спроектированные наносистемы (наноразмерные машины), работающие на молекулярном уровне. Молекулярная нанотехнология особенно связана с молекулярным ассемблером, машиной, которая может создавать желаемую структуру или устройство атом за атомом, используя принципы механосинтеза. Производство в контексте производственных наносистем не связано с традиционными технологиями, используемыми для производства наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и наночастицы, и должно четко отличаться от них.
Когда термин «нанотехнология» был независимо придуман и популяризирован Эриком Дрекслером (который в то время не знал о более раннем использовании Норио Танигучи), он ссылался на технология производства будущего, основанная на системах молекулярных машин. Предпосылка заключалась в том, что биологические аналогии в молекулярном масштабе традиционных компонентов машин продемонстрировали, что молекулярные машины возможны: из бесчисленных примеров, найденных в биологии, известно, что сложные, стохастически оптимизированные биологические машины могут быть произведено.
Есть надежда, что развитие нанотехнологий сделает возможным их создание некоторыми другими способами, возможно, с использованием биомиметических принципов. Однако Дрекслер и другие исследователи предположили, что передовая нанотехнология, хотя, возможно, первоначально была реализована с помощью биомиметических средств, в конечном итоге могла бы быть основана на принципах машиностроения, а именно на технологии производства, основанной на механической функциональности этих компонентов (таких как шестерни, подшипники, двигатели)., и структурные элементы), которые позволили бы программируемую позиционную сборку в соответствии с атомарной спецификацией. Физические и технические характеристики образцовых конструкций были проанализированы в книге Дрекслера «Наносистемы».
В общем, очень сложно собрать устройства в атомном масштабе, так как нужно размещать атомы на других атомах сопоставимого размера и липкости. Другая точка зрения, выдвинутая Карло Монтемагно, заключается в том, что будущие наносистемы будут гибридом кремниевой технологии и биологических молекулярных машин. Ричард Смолли утверждал, что механосинтез невозможен из-за трудностей механического манипулирования отдельными молекулами.
Это привело к обмену письмами в публикации ACS Chemical Engineering News в 2003 году. Хотя биология ясно демонстрирует, что молекулярные машинные системы возможны, небиологические молекулярные машины сегодня только зарождаются. Лидерами в исследованиях небиологических молекулярных машин являются доктор Алекс Зеттл и его коллеги из лабораторий Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. [1] Они сконструировали по крайней мере три различных молекулярных устройства, чьи движение контролируется с рабочего стола с изменяющимся напряжением: нанотрубка наномотор, молекулярный актуатор и наноэлектромеханический релаксационный осциллятор. Дополнительные примеры см. В разделе наномотор с нанотрубками.
Эксперимент, показывающий, что позиционная молекулярная сборка возможна, был проведен Хо и Ли в Корнеллском университете в 1999 году. Они использовали сканирующий туннельный микроскоп для перемещения отдельной молекулы монооксида углерода (CO) в отдельный атом железа (Fe) сидит на плоском кристалле серебра и химически связывает CO с Fe, подавая напряжение.
Графическое представление ротаксана, полезного в качестве молекулярного переключателя.
Этот ДНК тетраэдр является искусственно созданным наноструктура типа, сделанная в области нанотехнологии ДНК. Каждое ребро тетраэдра представляет собой двойную спираль ДНК из 20 пар оснований, а каждая вершина представляет собой трехлепестковое соединение. 
Вращающийся вид C 60, одного вида фуллерена. 
Это устройство передает энергию от нанотонких слоев квантовых ям к нанокристаллам над ними, заставляя нанокристаллы излучать видимый свет. Область наноматериалов включает подполя, в которых разрабатываются или изучаются материалы, обладающие уникальными свойствами, обусловленными их наноразмерными размерами.
Они стремятся организовать более мелкие компоненты в более сложные сборки.
Они стремятся создать устройства меньшего размера, используя более крупные для управления их сборкой.
Они стремятся разработать компоненты с желаемой функциональностью, независимо от того, как они могут быть собраны.
Эти подполя стремятся предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, или пытаются предложить повестку дня, по которой может развиваться расследование. Они часто представляют собой общую картину нанотехнологий с большим акцентом на ее социальных последствиях, чем на деталях того, как на самом деле могут быть созданы такие изобретения.
Наноматериалы можно разделить на 0D, 1D, 2D и 3D наноматериалы. Размерность играет важную роль в определении характеристик наноматериалов, включая физические, химические и биологические характеристики. С уменьшением размерности наблюдается увеличение отношения поверхности к объему. Это указывает на то, что наноматериалы меньшего размера имеют большую площадь поверхности по сравнению с 3D-наноматериалами. В последнее время двумерные (2D) наноматериалы широко исследуются для электронных, биомедицинских, доставки лекарств и биосенсоров. Приложения.
Стандартная установка AFM. Микро-изготовленный кантилевер с острым концом отклоняется от элементов на поверхности образца, как в фонографе , но в гораздо меньшем масштабе. Луч лазера отражается от задней стороны кантилевера в набор фотодетекторов, позволяя измерить отклонение и собрать изображение поверхности. Есть несколько важных моментов. современные разработки. атомно-силовой микроскоп (AFM) и сканирующий туннельный микроскоп (STM) - две ранние версии сканирующих зондов, положивших начало нанотехнологиям. Существуют и другие типы сканирующей зондовой микроскопии. Хотя концептуально похож на сканирующий конфокальный микроскоп, разработанный Марвин Мински в 1961 году, и сканирующий акустический микроскоп (SAM), разработанный Кэлвином Куэтом и соавторы в 1970-х, новые сканирующие зондовые микроскопы имеют гораздо более высокое разрешение, поскольку они не ограничены длиной волны звука или света.
Наконечник сканирующего зонда также можно использовать для манипулирования наноструктурами (процесс, называемый позиционной сборкой). Методология ориентированного на признаки сканирования может быть многообещающим способом реализации этих наноманипуляций в автоматическом режиме. Однако это все еще медленный процесс из-за низкой скорости сканирования микроскопа.
Различные методы нанолитографии, такие как оптическая литография, рентгеновская литография, нанолитография с погружным пером, электронно-лучевая литография или наноимпринт литография. Литография - это метод изготовления сверху вниз, при котором объемный материал уменьшается в размере до наноразмерного узора.
Другая группа нанотехнологических методов включает методы, используемые для изготовления нанотрубок и нанопроволок, те, которые используются в производстве полупроводников, таких как глубокая ультрафиолетовая литография, электронно-лучевая литография, сфокусированные ионные лучевая обработка, литография наноимпринтов, осаждение атомных слоев и осаждение из молекулярной газовой фазы, а также включает методы молекулярной самосборки, например, с использованием диблочных сополимеров. Предшественники этих методов предшествовали эре нанотехнологий и являются продолжением развития научных достижений, а не методами, которые были разработаны с единственной целью создания нанотехнологий и явились результатом исследований в области нанотехнологий.
Подход предполагает создание наноустройств, которые должны быть построены по частям поэтапно, так же, как производятся изделия. Сканирующая зондовая микроскопия - важный метод как для характеристики, так и для синтеза наноматериалов. Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы можно использовать для изучения поверхностей и перемещения атомов. Разрабатывая различные наконечники для этих микроскопов, они могут использоваться для вырезания структур на поверхностях и для управления самосборными структурами. При использовании, например, подхода к сканированию, ориентированного на объекты, атомы или молекулы можно перемещать по поверхности с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. В настоящее время это дорого и требует много времени для массового производства, но очень подходит для лабораторных экспериментов.
Напротив, восходящие методы создают или увеличивают структуры, атом за атомом или молекулу за молекулой. Эти методы включают химический синтез, самосборку и позиционную сборку. Двухполяризационная интерферометрия - один из инструментов, пригодных для определения характеристик самособирающихся тонких пленок. Другой вариант восходящего подхода - это молекулярно-лучевая эпитаксия или МБЭ. Исследователи из Bell Telephone Laboratories, такие как Джон Р. Артур. Альфред Й. Чо и Арт К. Госсард разработали и внедрили MBE в качестве инструмента исследования в конце 1960-х и 1970-х годах. Образцы, изготовленные методом МБЭ, сыграли ключевую роль в открытии дробного квантового эффекта Холла, за который в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике. MBE позволяет ученым создавать слои атомов с атомарной точностью и в процессе этого создавать сложные структуры. Важный для исследований полупроводников, MBE также широко используется для изготовления образцов и устройств для новой области спинтроники.
. Однако новые терапевтические продукты, основанные на чувствительных наноматериалах, таких как ультра деформируемые, чувствительные к стрессу Везикулы трансферсомы находятся в стадии разработки и уже одобрены для использования людьми в некоторых странах.
В связи с разнообразием потенциальных применений (включая промышленное и военное) правительства вложили миллиарды долларов в исследования в области нанотехнологий. До 2012 года США инвестировали 3,7 миллиарда долларов в рамках своей Национальной инициативы в области нанотехнологий, Европейский Союз инвестировал 1,2 миллиарда долларов, а Япония инвестировала 750 миллионов долларов. В период с 2001 по 2004 год более шестидесяти стран создали программы в области нанотехнологий исследований и разработок (НИОКР). В 2012 году США и ЕС вложили в исследования в области нанотехнологий по 2,1 миллиарда долларов, за ними следует Япония - 1,2 миллиарда долларов. В 2012 году глобальные инвестиции достигли 7,9 миллиарда долларов. Государственное финансирование было превышено корпоративными расходами на НИОКР на исследования в области нанотехнологий, которые составили 10 миллиардов долларов в 2012 году. Крупнейшие корпоративные инвесторы в НИОКР были из США, Японии и Германии, на которые в совокупности пришлось 7,1 миллиарда долларов.>Ведущие исследовательские организации в области нанотехнологий по количеству патентов (1970–2011)
| Рейтинг | Организация | Страна | Научные публикации |
|---|---|---|---|
| 1 | Китайская академия наук | Китай | 29,591 |
| 2 | Российская академия наук | Россия | 12,543 |
| 3 | Национальный центр научных исследований | Франция | 8,105 |
| 4 | Токийский университет | Япония | 6932 |
| 5 | Университет Осаки | Япония | 6613 |
| 6 | Университет Тохоку | Япония | 6266 |
| 7 | Калифорнийский университет в Беркли | США | 5,936 |
| 8 | Испанский национальный исследовательский совет | Испания | 5,585 |
| 9 | Университет Иллинойса | США | 5,58 0 |
| 10 | MIT | США | 5,567 |
Одно из основных приложений нанотехнологии - это область наноэлектроники с MOSFET состоит из небольших нанопроволок ≈10 нм длиной. Вот симуляция такой нанопроволоки. 
Play media Наноструктуры придают этой поверхности супергидрофобность, что позволяет каплям воды скатываться по наклонной плоскости.
Нанопроволочные лазеры для сверхбыстрой передачи информации в световых импульсах По оценкам проекта Project on Emerging Nanotechnologies, по состоянию на 21 августа 2008 г., более 800 продуктов нанотехнологий, идентифицированных производителем, являются общедоступными, а новые продукты попадают в список рынок с темпом 3–4 в неделю. В проекте перечислены все продукты в общедоступной онлайн-базе данных. Большинство применений ограничено использованием пассивных наноматериалов «первого поколения», которые включают диоксид титана в солнцезащитных кремах, косметике, покрытиях поверхностей и некоторых пищевых продуктах; Аллотропы углерода, используемые для производства ленты из геккона ; серебро в пищевой упаковке, одежде, дезинфицирующих средствах и бытовой технике; оксид цинка в солнцезащитных кремах и косметике, покрытиях поверхностей, красках и лаках для уличной мебели; и оксид церия в качестве топливного катализатора.
Другие применения позволяют теннисным мячам служить дольше, мячам для гольфа лететь прямее и даже шарам для боулинга чтобы стать более прочным и иметь более твердую поверхность. Брюки и носки были пропитаны нанотехнологиями, чтобы они прослужили дольше и сохраняли прохладу летом. Бинты пропитаны наночастицами серебра для более быстрого заживления порезов. Игровые приставки и персональные компьютеры могут стать дешевле, быстрее и содержать больше памяти благодаря нанотехнологиям. Кроме того, для создания структур на кристалле со светом, например на кристалле оптической квантовой обработки информации и пикосекундной передачи информации.
Нанотехнологии могут иметь возможность сделать существующие медицинские приложения дешевле и проще в использовании на местах как у терапевта и дома. Автомобили производятся с использованием наноматериалов, поэтому в будущем им может потребоваться меньше металлов и меньше топлива.
Ученые теперь обращаются к нанотехнологии в попытке разработать дизельные двигатели с более чистыми выхлопными газами. Платина в настоящее время используется в качестве катализатора дизельного двигателя катализатора в этих двигателях. Катализатор - это то, что очищает частицы выхлопных газов. Сначала используется катализатор восстановления, чтобы отобрать атомы азота из молекул NOx, чтобы освободить кислород. Затем катализатор окисления окисляет углеводороды и монооксид углерода с образованием диоксида углерода и воды. Платина используется как в катализаторах восстановления, так и в катализаторах окисления. Однако использование платины неэффективно, поскольку является дорогостоящим и неустойчивым. Датская компания InnovationsFonden инвестировала 15 миллионов датских крон в поиск новых заменителей катализаторов с использованием нанотехнологий. Цель проекта, запущенного осенью 2014 года, - максимально увеличить площадь поверхности и минимизировать количество необходимого материала. Объекты стремятся минимизировать свою поверхностную энергию; две капли воды, например, соединятся, образуя одну каплю и уменьшив площадь поверхности. Если площадь поверхности катализатора, которая подвергается воздействию выхлопных газов, максимальна, эффективность катализатора максимальна. Команда, работающая над этим проектом, стремится создать наночастицы, которые не будут сливаться. Каждый раз, когда поверхность оптимизируется, материал сохраняется. Таким образом, создание этих наночастиц повысит эффективность получаемого катализатора дизельного двигателя, что в свою очередь приведет к более чистым выхлопным газам, и снизит стоимость. В случае успеха команда надеется сократить использование платины на 25%.
Нанотехнологии также играют важную роль в быстро развивающейся области тканевой инженерии. При разработке каркасов исследователи пытаются имитировать наноразмерные особенности микросреды клетки, чтобы направить ее дифференцировку по подходящему клону. Например, при создании каркасов для поддержки роста костей исследователи могут имитировать ямки резорбции остеокластов.
Исследователи успешно использовали наноботов на основе ДНК-оригами, способных нести логические функции для достижения адресной доставки лекарств тараканам. Говорят, что вычислительная мощность этих наноботов может быть увеличена до вычислительной мощности Commodore 64.
Commercial nanoelectronic производство полупроводниковых устройств началось в 2010-х. В 2013 году SK Hynix начала коммерческое серийное производство процесса 16 нм, TSMC начало производство процесса 16 нм FinFET, и Samsung Electronics начала производство процесса 10 нм. TSMC начала производство процесса 7 нм в 2017 году, а Samsung начала производство процесса 5 нм в 2018 году. В 2019 году Samsung объявила о планах по коммерческому производству процесса 3 нм GAAFET к 2021 году.
Коммерческое производство наноэлектроники полупроводниковая память также началась в 2010-х годах. В 2013 году SK Hynix начала массовое производство памяти 16 нм NAND flash, а Samsung начало производство 10 нм. многоуровневая ячейка (MLC) флэш-память NAND. В 2017 году TSMC начал производство памяти SRAM с использованием процесса 7 нм.
Проблемная область - это влияние, которое промышленное производство и использование наноматериалов окажет на здоровье человека и окружающую среду, как показывают исследования нанотоксикологии. По этим причинам некоторые группы выступают за то, чтобы нанотехнологии регулировались государством. Другие возражают, что чрезмерное регулирование может задушить научные исследования и разработку полезных инноваций. Исследовательские агентства в области общественного здравоохранения, такие как Национальный институт безопасности и гигиены труда, активно проводят исследования потенциальных последствий для здоровья в результате воздействия наночастиц.
Некоторые продукты на основе наночастиц может иметь непредвиденные последствия. Исследователи обнаружили, что при стирке выделяются бактериостатические наночастицы серебра, используемые в носках для уменьшения запаха ног. Эти частицы затем сбрасываются в поток сточных вод и могут уничтожить бактерии, которые являются критически важными компонентами природных экосистем, ферм и процессов обработки отходов.
Обсуждение общественности восприятия риска в США и Исследование, проведенное в Великобритании Центром нанотехнологий в обществе, показало, что участники более положительно относятся к нанотехнологиям для энергетических приложений, чем для приложений здравоохранения, при этом приложения для здравоохранения поднимают моральные и этические дилеммы, такие как стоимость и доступность.
Эксперты, включая директора Дэвид Рейески (David Rejeski) из проекта Центра Вудро Вильсона по новым нанотехнологиям засвидетельствовал, что успешная коммерциализация зависит от надлежащего надзора, стратегии исследования рисков и участия общественности. Беркли, Калифорния в настоящее время является единственным городом в Соединенных Штатах, где регулируются нанотехнологии; Кембридж, Массачусетс в 2008 году рассматривал возможность принятия аналогичного закона, но в конечном итоге отклонил его. В следующие несколько десятилетий применения нанотехнологий, вероятно, будут включать компьютеры с гораздо большей производительностью, активные материалы различных видов и биомедицинские устройства клеточного масштаба.
Воспроизвести медиа A видео о последствиях нанотехнологий для здоровья и безопасности Нановолокна используются в нескольких областях и в различных продуктах, от крыльев самолетов до теннисных ракеток. Вдыхание переносимых по воздуху наночастиц и нановолокон может привести к ряду заболеваний легких, например фиброз. Исследователи обнаружили, что, когда крысы вдыхали наночастицы, частицы оседали в головном мозге и легких, что приводило к значительному увеличению биомаркеров воспаления и реакции на стресс, и что наночастицы вызывают старение кожи из-за окислительного стресса у лысых мышей.
Двухлетнее исследование, проведенное в Школе общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показало, что у лабораторных мышей, потребляющих нанодиоксид титана, обнаружено повреждение ДНК и хромосом в степени, «связанной со всеми основными убийцами человека, а именно раком, сердечными заболеваниями, неврологическими заболеваниями и старением».
Крупное исследование, опубликованное совсем недавно в Nature Nanotechnology, предполагает, что некоторые формы углеродных нанотрубок - пример «нанотехнологической революции» - могут быть такими же вредными, как асбест, если в достаточном количестве вдыхается. Энтони Ситон из Института медицины труда в Эдинбурге, Шотландия, который участвовал в написании статьи о углеродных нанотрубках, сказал: «Мы знаем, что некоторые из них, вероятно, могут вызывать мезотелиому. с такими материалами нужно обращаться очень осторожно ". В отсутствие конкретных нормативных требований, поступающих от правительств, Пол и Лайонс (2008) призвали исключить из пищевых продуктов искусственно созданные наночастицы. В газетной статье сообщается, что у рабочих лакокрасочного завода возникло серьезное заболевание легких, и в их легких были обнаружены наночастицы.
Призывы к более жесткому регулированию нанотехнологий возникли одновременно с растущими дебатами, связанными с риски нанотехнологий для здоровья и безопасности человека. Существуют серьезные споры о том, кто отвечает за регулирование нанотехнологий. Некоторые регулирующие органы в настоящее время охватывают некоторые продукты и процессы нанотехнологий (в разной степени) - «привязывая» нанотехнологии к существующим нормам - в этих режимах есть явные пробелы. Дэвис (2008) предложил нормативную дорожную карту, описывающую шаги по устранению этих недостатков.
Заинтересованные стороны, обеспокоенные отсутствием нормативной базы для оценки и контроля рисков, связанных с высвобождением наночастиц и нанотрубок, провели параллели с губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (болезнь "коровьего бешенства"), талидомид, генетически модифицированные продукты питания, ядерная энергия, репродуктивные технологии, биотехнология и асбестоз. Доктор Эндрю Мейнард, главный научный советник проекта Центра Вудро Вильсона по новым нанотехнологиям, заключает, что на исследования в области здоровья и безопасности человека не хватает финансирования, и в результате в настоящее время существует ограниченное понимание рисков для здоровья и безопасности человека, связанных с нанотехнологиями.. В результате некоторые ученые призвали к более строгому применению принципа предосторожности с отсрочкой утверждения маркетинга, усиленной маркировкой и дополнительными требованиями к разработке данных безопасности в отношении определенных форм нанотехнологий.
В отчете Королевского общества определен риск высвобождения наночастиц или нанотрубок во время утилизации, уничтожения и переработки, а также рекомендовано, чтобы «производители продуктов, подпадающих под режим расширенной ответственности производителя, такие как правила по окончании срока службы, опубликовали процедуры, описывающие, как эти материалы будут обрабатываться. чтобы свести к минимуму возможное воздействие на человека и окружающую среду »(стр. xiii).
Центр нанотехнологий в обществе обнаружил, что люди реагируют на нанотехнологии по-разному, в зависимости от приложения - участники общественных обсуждений более положительно относятся к нанотехнологиям для энергетики, чем к приложениям для здоровья, - предполагая, что любое общественное требования к нормативам в области нанотехнологий могут отличаться в зависимости от сектора технологий.
Научный портал 
Технологический портал  | Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Нанотехнологиями. |
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с : Нанотехнологии |
 | В Викиучебнике есть книга по теме: Нанотехнологии |
 | На Викиверситет вы можете узнать больше и рассказать другим о Нанотехнологии в Департамент нанотехнологий |
.
