Реферат по теме «Сближение научных дисциплин на примере нанотехнологии»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет
Московский энергетический институт
Реферат по теме «Сближение научных дисциплин на примере нанотехнологии»
Студент: Воронцов Кирилл Александрович
Группа: Эл-13-06
Преподаватель: Ивашов Евгений Николаевич
Оценка:
| Москва | 2011г. |
Введение
По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. В журнале «Природа» были опубликованы статьи, посвященные отдельным направлениям нанонауки ; теперь постараемся бросить взгляд на нее как на единое целое.
Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова «νανος», что переводится как «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.
Нанотехнология в контексте философии техники
Философия техники обретает в XXI веке своё продолжение в связи с появлением нанотехнологий, имеющих для этого достаточно возможностей и ряд специфических черт, отличающих их от прошлых технологий и требующих философского осмысления.
Чтобы прояснить значение нанотехнологий, необходимо провести сопоставление нанотехнологий и традиций философии техники, поскольку нанотехнологии являются закономерным этапом развития технологии и при его изучении никак нельзя игнорировать достижения мысли философии техники.
В обобщённых рефлексиях философия техники является не самостоятельной дисциплиной, а частью общих философских исследований. В конце XX века германские философы ещё задавались вопросом - «Является ли техника философской проблемой». Реализованная тотальность нанотехнологий указывает на формирование отдельной дисциплины философии техники, приобретающей самостоятельное значение.
Впоследствии должно стать ясным, что разрушает нанотехнология в традициях, а, что продолжает в них, но так или иначе, применение прошлых взглядов философии техники без каких бы то ни было изменений, не познает нанотехнологии и, как следствие, влечёт за собой негативные последствия. В отличие от технологии прошлого, достаточно рационализированной, нанотехнологии способны принести негативные последствия, в силу доступности механизмов управления объективации наноуровня материи и отсутствия рефлексий над его онтологическими свойствами.
Наиболее значительные идеи философии техники осмысливаются в рамках проблемного поля, возникающего с нанотехнологиями. Такие специфические черты нанотехнологии, как управление веществом на атомно - молекулярном уровне, позволяют считать нанотехнологии настолько самостоятельными, чтобы принять их как начало философской рефлексии, с которой изменяется отношения нанотехнологии и традиционного понимания техники.
Необходимо провести своеобразную ревизию философии техники, показав то, что из неё наиболее актуально и применимо в отношении нанотехнологий. Потребность в этом возникает с тем, как повышается роль нанотехнологий в жизни и ответственность за неё, осуществить которую невозможно без адекватного понимания нанотехнологий.
Современная философия техники - есть конструирование смыслов и оснований для нетехнической объективации нанотехнологий, увеличивающей свободу человека. Один из главных вопросов, на которые она пытается ответить: каков метафизический замысел творения технических реалий? Философия техники отвечает на вопрос «зачем существуют нанотехнологии», а не на вопрос «как они существуют», в этом отношении нанотехнологии не есть чистые возможности и достижения, а есть цели, которыми они существуют.
Меняется ли существо техники при возникновении нанотехнологий? Есть основания, не преувеличивая значения нанотехнологий, указать на то, что изменения, связанные с ними, гораздо существеннее, чем изменения от прошлых технологий. Нанотехнология проникает в принципы жизнедеятельности природы, отчего получает возможность менять их, то есть само существо жизни, а не только её форму.
Философия техники осуществляет рационализацию нанотехнологий в поисках разума, могущего мыслить технику и творить ею что-либо нетехническое в этической и социальной сферах жизнедеятельности человека.
Несмотря на то, что техника как умение применять орудия труда существует с тех пор, как существуют люди, на сегодняшний день проблематика философии техники не разработана в достаточной степени. В отечественной литературе преобладают систематические работы в области философии техники - Негодаева, Розина, Горохова. Сборники, выпущенные Дармштадским Университетом о нанотехнологии с трудом можно посчитать продолжением философии техники Германии конца 80 - х годов, периода работ Гернота Бёме и Гюнтера Рополя, поэтому появление нанотехнологии актуализирует всё наследие философии техники. Результативность философии техники должна быть очевидна, сейчас она в большинстве случаев является слишком обобщёнными рассуждениями.
Если раннее предметом философии была техника сама по себе, то в современном мире можно предположить, что происходит её переход в нанотехнологии, и сама техника становится средством постижения социальной реальности и человека, поскольку техника может кардинально изменить, и то, и другое. Философия техники не только мыслит о нанотехнологии, она вынуждена мыслить нанотехнологией. Подобно тому, как природное бытие в качестве основы человеческой жизнедеятельности мыслится природой, так же «нано», или техническое бытие, в качестве одной из основ нашего существования мыслится технологией.
Отчуждение человека от техники - есть одна из главных философских проблем, связанная с тенденциями развития тотальности нанотехнологий и необходимостью их осмысления. Отчуждение философских рефлексий от действительности проявляется в двух формах. С одной стороны, когда сам человек исчезает и становится средством для развития нанотехнологий. С другой стороны, когда человек и его сущность подчиняются нанотехнологии. На данный момент возникает ситуация, когда «в технике человек встречается сам с собой, со своими замыслами и идеями, но такими, которые выступают в форме отчужденной технической реальности».
Но с присутствием критических рефлексий, во-первых, техническая реальность не отчуждается, когда философия техники устраняет отчуждение, во-вторых, следует отметить, что философия техники выполняет двоякую роль: с одной стороны нанотехнология есть средство познания человеком самого себя и философия техники осуществляет это познание, с другой стороны нанотехнология сама по себе требует исследования, и философия техники проводит его. Таким образом, философия техники, позволяет человеку создавать нанотехнологию как продолжение своего бытия, как нечто не отчуждённое от него, когда «техника включает в себя не только открытие и изобретение, исследование и разработки, но также их внедрение и распространение», то для философии техники становится важным «внедрение» техники в бытие человека, тем более, что сама техника становится носителем своего бытия.
Философия техники исследует не только формальную сторону технологий и сущностную сторону саму по себе, чем она в основном занималась, но и то, как эта сущностная сторона взаимодействует с остальными сферами человеческой жизнедеятельности, в последнем случае техника и её философия выступают как генераторы метафизического пространства, в котором существует человек.
Одной из наиболее важных проблем нанотехнологий является конвергенция технологий. Нанотехнология выступает как «корневая технология» («root technology»), и в этом уподобляется философии как началу всех наук: «Если междисциплинарно-обобщающее понимание техники не может быть выведено из анализа частных наук, то могут оказаться весьма интересными определенные концепции экономики, социологии, истории техники и даже технических наук. Поэтому задача философии — позаботиться в качестве интегративной рефлексивной науки о всесторонней ориентации научно-технической культуры».
Возрастание роли нанотехнологий не должно стать началом технократии; философия техники должна предотвратить технократию, здесь присутствует четыре опасности. Любая технократия возникает от того, что большая власть придаётся технике, а не существу человека. Из-за незнания бытия человека в этике и антропологии возникает «экспертократия» и «технический императив», из-за незнания бытия человека в политической сфере возникает «техническое государство». В итоге, все эти проблемы сводятся к тому, что не было взаимодействия между нанотехнологией и человеческим бытием. Задача философии техники - совершать взаимодействие между техническим и нетехническим. Если, к примеру, не будет философии техники, то человек, обедняясь в нетехническом, позволит технике властвовать над собой.
Необходимо строго разграничить техническое и нетехническое, чтобы не возникло технократии, порабощающей человека, когда происходит редукция нетехнического к техническому, которая является недопустимой ошибкой в осмыслении техники, поскольку в таком случае она оказывается вне субъекта, который её создал.
При помощи философии техники, технический прогресс переводится в онтологический, тем более нанотехнологии в большей степени, чем технологии прошлого созидают идеальную сферу, менее всего связанную с ”материальным прогрессом”. Но в большинстве случаев происходит обратное, этика формализуется, общество уподобляется жёстко детерминированному механизму, в противовес чему Бердяев связывал технику со свободным духом. Он полагал, что нужно не отрицать технику, а подчинять её духом. Но только будучи свободной, техника сама способна освобождать что-то.
Когда устанавливается равенство между техническим бытием - техникой самой по себе и человеческим существом, то они кажут себя в подлинности, для чего необходимо формирование «технического мировоззрения» по Эллюлю, что носит частный характер. Возможно, техника будет основой общества, но это ещё не значит, что она будет оказывать на него решающее воздействие. Нанотехнологии создают условия для человеческой жизни и философия техники создаёт условия для существования самой нанотехнологии; в первом случае - это технические условия, во втором - нетехнические. Даже, учитывая тотальность нанотехнологии, нельзя упустить из внимания то, что её существование обусловливают социальные этические нормы, имеющие общее онтологическое основание. Здесь важно то, что эти нормы создаются философией техники, содержащей онтологическое знание о нанотехнологии и её тотальности.
Если человек стал самим собой только благодаря технике, то благодаря ей он может так же радикально измениться; таким образом, задачей философии техники становится изучение того, как изменится нетехническое - сознание, ценности, мораль человека в возможностях, предоставленных нанотехнологией. Нетехническое выходит за рамки технологического детерминизма, с которым они остаются независимыми, но и изменяемым им.
Если для прошлых технологий характерно то, что «в изобретении предстаёт нам некая новая действительность, природе противопоставляется некоторый новый проект», где «инженер крайне редко строит, имитируя природу», то нанотехнологии используют «умения» природы, что не мешает созиданию новой действительности — таким образом, устраняется противоречие между природой и техникой, но не устраняется различие между ними.
Нанотехнологию точнее всего представить как господство «над природой посредством самой природы»; человек использует технологии, используемые самой природой. С другой стороны, идея создания нанороботов, продлевающих жизнь человеческого тела на неопределённый срок, противоречит законам природы — циклу рождения и смерти, из чего следует, что нанотехнология есть техническое трансцендирование человеческого бытия, которое увеличивает необходимость философской рефлексии, имеющей трансцендентный характер.
Если само основание человеческой жизни становится техническим, философия техники сближается с философской антропологией, онтологией, гносеологией. Но следует указать на то, что объективация нанотехнологий осознаётся только в единстве технического и нетехнического, иначе она будет неполна, такое отсутствие полноты объективации нанотехнологий несёт с собой негативные последствия, поскольку само наличие нанотехнологии будет не до конца осознано. В объективации нанотехнологий должно быть соответствие технического и нетехнического, в противном случае не произойдёт объективации как полного раскрытия потаённого бытия и творческого потенциала человека, чьей неотъемлемой частью является нетехническое.
Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии
Новая парадигма в технологии - «снизу вверх», вытесняющая и дополняющая старую - «сверху вниз» (т.е. от большой заготовки - к готовому изделию путем отсечения лишнего материала), - базируется на глубоких знаниях свойств каждого атома из таблицы Менделеева и использует силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые качества. Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах Rc=10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный-немонотонный) при R < Rc. Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере ее иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.
Среди причин размерных эффектов в наномасштабных объектах есть как вполне очевидные, так и заслуживающие дополнительных комментариев. Например, ясно, что доля атомов a, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R, поскольку a ~ S/V ~ R2/R3 ~ 1/R (здесь S - поверхность частички, V - ее объем). Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от «объемных», поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов. Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества.
Заметим также, что поверхность служит стоком (причем почти бесконечной емкости) для большинства дефектов кристаллической структуры благодаря действию сил изображения * и других причин.
* Силы изображения получили свое название по методу расчета электрических полей, который заключается в мысленном помещении симметрично за границей раздела точно такого же объекта, но противоположно заряженного.
Силы изображения убывают по мере удаления от поверхности, но если размер частички достаточно мал, они могут “высосать” из объема на поверхность большинство дефектов и сделать его более совершенным в структурном и химическом отношениях.
Далее, вспомним: рассматривая любой процесс переноса (протекание электрического тока, теплопроводность, пластическую деформацию и т.п.), мы приписываем носителям некоторую эффективную длину свободного пробега Rf. При R >> Rf рассеяние (или захват и гибель) носителей происходит в объеме и слабо зависит от геометрии объекта. При R < Rf ситуация радикально меняется и все характеристики переноса начинают сильно зависеть от размеров образца.
Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов
Наконец, если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей. Например, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов, вдоль этого направления начинается размерное квантование.
Для анализа свойств нанообъектов используют широкий спектр физических подходов и методов.
Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.
Теоретические основы технологий различного масштабно-временного уровня
Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки - или ее отсутствием - и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.
Любые достижения в нанонауке сначала рассматриваются под углом их приложимости к информационным технологиям. Можно выделить несколько крупных направлений атаки на этом участке фронта:
- уже упоминавшиеся различные устройства на углеродных нанотрубках;
- одноэлектроника, спинтроника и джозефсоновская электроника, в том числе квантовые компьютеры;
- молекулярная электроника, в частности, с использованием фрагментов ДНК;
- сканирующие зондовые методы.
Несмотря на нарастающий уровень трудностей, в течение трех последних десятилетий поддерживается неизменный и очень высокий темп роста всех существенных характеристик в микроэлектронике. Наиболее революционные достижения приближаются к квантовым пределам, положенным самой Природой - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех (!) жителей Земли. Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие “0” и “1”, и допускать быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле - перейти с одного атома на другой). Это реализовало бы заветную мечту - одноэлектронное устройство. К сожалению, пока лучшие современные электронные средства неэкономно «тратят» сотни, тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность - переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое (например, воздействуя магнитным полем), чем и занимается спинтроника.
Магнитные квантовые эффекты задействованы также в работе сверхпроводящих элементов, включающих джозефсоновский переход. Последние представляют собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~1 нм) диэлектрика. Один или несколько джозефсоновских контактов включаются в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуются: в кольце из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока. Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному.
Элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Поскольку объем данных, передаваемых в Интернете, удваивается каждые три-четыре месяца, в ближайшей перспективе даже лучшие из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как единственная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам.
Наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров . На основе двумерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов. По-видимому, криогенная электроника не будет конкурировать с традиционной полупроводниковой во всех существующих сейчас областях применения. Ее задача - обеспечить основу для новых поколений суперкомпьютеров и высокопроизводительных опорных телекоммуникационных систем, создание которых было бы коммерчески оправданно, несмотря на затраты, обусловленные необходимостью глубокого охлаждения.
В физических лабораториях уже разработано множество джозефсоновских элементов и устройств для применения в качестве не только логических элементов и ячеек памяти, устройств квантового кодирования и передачи данных, но и генераторов и приемников миллиметровых и субмиллиметровых излучений, а также высокочувствительных датчиков магнитного поля, электрического заряда, напряжения, тока, теплового потока и т.д. Подобные датчики при регистрации малых сигналов имеют чувствительность вблизи фундаментального квантового предела, т.е. в тысячи, десятки тысяч раз выше, чем у традиционных полупроводниковых устройств. Это позволяет использовать их в бесконтактной медицинской диагностике (магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы). На повестке дня — создание магнитной томографии, позволяющей по картине магнитного поля следить за функционированием органов, внутриутробным развитием плода в реальном масштабе времени.
Как реальная альтернатива “кремниевой” электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. Однако нет сомнений, что в ближайшем будущем они будут играть важную роль во многих приложениях. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль - нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.
Появление наноструктур потребовало новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства. С момента изобретения Г.Биннингом и Г.Рорером первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло всего 20 лет, но за это время из остроумной игрушки он превратился в один из мощнейших инструментов нанотехнологии. Сейчас известны десятки различных вариантов зондовой сканирующей микроскопии (SPM - scanning probe microscopy).
Как видно из названия, общее у этих методов - наличие зонда (чаще всего это хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующего механизма, способного перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по х и y и на единицы микрометров - по z. Все известные в настоящее время методы SPM можно условно разбить на три основные группы:
- сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~0.01-10 В) и регистрируется туннельный ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца;
- атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших ван-дер-ваальсовых сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе;
- ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка “вываливается” из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.
В лучших модификациях туннельной и атомно-силовой микроскопии удается обеспечить атомное разрешение, за которое пучковая электронная микроскопия боролась более полувека и сейчас достигает ее в крайне редких случаях. Размеры и стоимость зондовых микроскопов значительно ниже, чем у традиционных электронных, а возможностей даже больше: они могут работать при комнатной, повышенной и криогенной температуре, на воздухе, в вакууме и в жидкости, в условиях действия сильных магнитных и электрических полей, СВЧ - и оптического облучения и т.п. Зондовыми методами можно исследовать самые разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, биологические и другие - без трудоемкой подготовки образцов. Они могут использоваться для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и других свойств поверхности. Особенно интересны попытки зарегистрировать спин-зависимые явления, определяющие величину туннельного тока в зависимости от поляризации одного-единственного электрона в атоме на исследуемой поверхности. Это прямой путь к решению задач одноэлектроники и спинтроники.
Очень важно, что помимо исследовательских функций сканирующая туннельная микроскопия может выполнять еще и активные - обеспечивать захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции, манипулирование отдельными молекулами.
Дальнейшее развитие нанотехнологии предусматривает переход от отдельных элементов и их сборок к интегрированию сенсорной, логически-аналитической, двигательной и исполнительной функции в одном устройстве. Первый шаг в этом направлении - создание микро-нано-электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нанопроводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нанонасосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см2. Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).
Министерство обороны США, например, финансирует программу создания “Smart dust” - умной пыли, т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.
Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-«доктора», которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм, и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.
Список литературы
1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. М., 2002.
2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2003.
3. Drexler E.K., Peterson C.H., Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. N.Y., 1993.
4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.
5. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века // Природа. 2000. №11. С.23-30.
6. Альтман Ю. Военные нанотехнологии. Возможности применения и превентивного контроля вооружений. М.: Техносфера, 2006 г .
7. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий) - М.: Издательство ЛКИ, 2008 г.
8. Бердяев Н.А. Царство духа и царство кесаря. М.: Издательство «Республика», 1995 г.
9. Виг Д.Н. Технология, философия и политика // Технология и политика. Дахам и Лондон, 1988 г.
10. Капп Э, Кунов Г, Нуаре Л., Эспинас А. Роль орудия в развитии человека. Л.: 1925.
11. Мальцев П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: мировые достижения за 2005. Издательство техносфера. 2005 г.
12. Митчем М. Что такое философия техники? М., 1995 г.
13. Негодаев И.А. Нанотехнология сквозь призму философии /Вестник ДГТУ. Ростов-на-Дону, 2004.-Т. 4.- №2(20).
14. Ратнер М, Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. СПб., 2007 г.
15. Роко М. Нанотехнологиии в ближайшем десятилетии. М.: Мир, 2002 г.
16. Рополь Г. Является ли техника философской проблемой? (Философия техники в ФРГ М., 1989 г.)
17. Стёпин В. С., Горохов В. Г., Розов М. А. Философия науки и техники. М., 1995 г.
18. Третьяков. Ю. Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом. М.: Вестник РАН. 2007 г. N1.
19. Хайдеггер М. Время и бытие: Статьи и выступления. Пер. с немецкого. - М.: Республика, 1993 г.
39) Jan C. Schmidt ”Unbounded Technologies: Working Through the Technological Reductionism of Nanotechnology”. Discovering the Nanoscale, Amsterdam: IOS Press, 2004 г.
страница 1
скачать
Другие похожие работы: