Нанотехнологии - это область науки и техники, которая изучает, создает и применяет продукты с заданной атомной структурой, манипулируя отдельными атомами и молекулами. Нанотехнологии имеют большое значение для развития электротехники, так как позволяют создавать новые материалы, устройства и системы с улучшенными свойствами и функциональностью.
История развития нанотехнологий в электротехнике началась в 1931 году, когда немецкие ученые Кнолл и Руска изобрели электронный микроскоп, который давал возможность исследовать объекты в нанометровом масштабе.
В 1959 году американский физик Ричард Фейнман в своей лекции "Внизу есть достаточно места" предсказал перспективы миниатюризации и манипуляции атомами и молекулами, положив начало концепции нанотехнологий.
В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел термин "нанотехнология" для обозначения процессов разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.
В 1982 году швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в Цюрихском исследовательском центре IBM, создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволял строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. За этот прорыв они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году.
В 1985 году американские химики Ричард Смэлли, Роберт Карл и Хэрольд Крото открыли фуллерены - молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. За это открытие они также были удостоены Нобелевской премии по химии в 1996 году.
В 1989 году ученые из IBM с помощью СТМ смогли записать логотип компании из 35 атомов ксенона на поверхности никеля. Это было первое демонстрационное использование нанотехнологии для создания структур с атомной точностью.
В 1991 году японский физик Сумио Ийдзима открыл углеродные нанотрубки - однослойные или многослойные трубки из атомов углерода с диаметром от нескольких до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров. Углеродные нанотрубки обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность, теплопроводность, электропроводность и полупроводниковость, и нашли широкое применение в электротехнике.
В 1999 году американский физик Джеймс Гимзевич создал первый наномотор - вращающийся ротор из 10 атомов кобальта, управляемый электрическим током.
В 2000 году американский химик Чарльз Либер синтезировал первый нанопровод - одномерную структуру из атомов или молекул с диаметром менее 100 нанометров и длиной до нескольких микрометров. Нанопровода имеют потенциал для создания наноэлектронных устройств и сенсоров.
В 2001 году американский физик Филип Ким измерил электрическое сопротивление одиночной углеродной нанотрубки и обнаружил, что оно зависит от направления спина электронов. Это открытие открыло новую область нанотехнологии - спинтронику, которая использует спин электронов для передачи и обработки информации.
В 2004 году американский физик Андрей Гейм и его коллеги из Манчестерского университета изолировали графен - двумерный слой атомов углерода толщиной в один атом.
Графен является самым тонким и самым прочным материалом, когда-либо созданным, а также обладает высокой тепло- и электропроводностью. За это открытие Гейм и его сотрудник Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.
В 2005 году американский химик Пол Альивисатос создал первый нанолазер - устройство, генерирующее свет с помощью нанокристаллов полупроводников. Нанолазеры имеют перспективы для использования в оптоэлектронике, биомедицине и коммуникациях.
В 2006 году американский физик Джон Пендри предложил концепцию метаматериалов - искусственных материалов, состоящих из периодически расположенных наноструктур, которые имеют необычные оптические свойства, такие как отрицательный показатель преломления или невидимость. Метаматериалы могут быть использованы для создания новых типов линз, зеркал, антенн и клостров.
В 2008 году американский физик Чад Миркин разработал метод dip-pen литографии (DPL) - технологию создания наноструктур на поверхности с помощью пены из миллиардов наночастиц. DPL позволяет создавать сложные паттерны с высокой точностью и скоростью.
В 2009 году американский химик Джозеф ДеСимоне создал метод частиц-переносчиков (PFP) - технологию, позволяющую создавать наноструктуры с помощью растворимых в воде полимерных частиц, которые служат шаблонами для наноматериалов. PFP обладает высокой гибкостью и эффективностью, так как позволяет контролировать размер, форму и состав наноструктур.
В 2010 году китайский физик Чжан Ли создал метод наноимпринт-литографии (NIL) - технологию, основанную на прессовании наноштампа на поверхность материала, что приводит к образованию наноотпечатков. NIL является одним из самых дешевых и быстрых способов создания наноструктур.
В 2011 году японский физик Хироши Сугияма создал метод электронно-лучевой литографии (EBL) - технологию, использующую пучок электронов для создания наноструктур на поверхности. EBL обеспечивает высокую разрешающую способность и точность, но требует дорогостоящего оборудования и длительного времени.
Все эти методы дали толчок развитию нанотехнологий в электротехнике, так как позволили создавать новые виды наноэлектронных устройств, таких как нанотранзисторы, нанодиоды, наносенсоры, наносветодиоды и другие.
Нанотехнологии также применяются для улучшения свойств существующих электронных материалов, таких как проводники, полупроводники, диэлектрики и магнетики.
Например, с помощью нанотехнологий можно уменьшить размеры электронных компонентов, повысить их производительность и энергоэффективность, уменьшить потери энергии и тепла, увеличить скорость передачи данных и сигналов, усилить магнитные и оптические свойства и т.д.
Нанотехнологии в электротехнике представляют собой перспективное направление научно-технического прогресса, которое открывает новые возможности для разработки инновационных продуктов и решения сложных задач в различных областях, таких как информационные технологии, коммуникации, биомедицина, безопасность, оборона и другие.
Смотрите также: Полимерные нанокомпозитные материалы, примеры и перспективы их использования
Андрей Повный