Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

НИОКР

Углеродные нанотрубки для наноробототехники / 22.04.2008

© Батук Д.Н., Ефремова М.М.

Источник: Нанометр

Перевод: Батук Д.Н., Ефремова М.М.

Благодаря своему строению, исключительной механической прочности и уникальным электрическим характеристикам, углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для формирования наноэлектрических схем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), а также для наноробототехники. Способность отдельных слоёв многостенных нанотрубок (МСНТ) смещаться относительно друг друга может быть использована в таких устройствах, как манипуляторы, пинцеты, переключатели, гигагерцовые осцилляторы, шприцы, актюаторы, а также элементы памяти. Открытые нанотрубки проявляют капиллярные свойства и могут применяться в качестве контейнеров, каналов, пипеток, кабелей для хранения и транспорта различных веществ или заряда. Кроме того, нанотрубки могут стать основным элементом нанороботов. В настоящей работе рассмотрены основные достижения в разработках наноробототехники на основе УНТ.

Наноробототехника появилась из робототехники при переходе к нанометровой шкале. Ее развитие идёт в двух направлениях: сырая резина, разработка роботов нанометровых размеров (нанороботы) и разработка макроскопических роботов, способных к проведению манипуляций с нанообъектами (наноманипуляторы).

Легко предположить, что наноробототехника сможет найти себе применения в молекулярной сборке [1-3] и в наномедицине [4,5], но до сих пор не ясно, что же будут представлять собой нанороботы и какие задания они смогут выполнять. Однако развитие нанотехнологии уже позволило создать различные структуры, инструменты, сенсоры, актюаторы и системы размером меньше 100 нм, которые позволят всё глубже и глубже исследовать наномир.

Современные наноустройства делают возможным манипуляцию с отдельными наночастицами, измерение масс на уровне фемтограмма, определение силы порядка пиконьютона, а так же индукцию гигагерцовых колебаний. Нет сомнений в том, что со временем будут открыты новые возможности. Пока ещё учёные не научились получать наносистемы с такими «продвинутыми характеристиками», как интеллект, способность к размножению и механохимическому синтезу «атом-за-атомом». Тем не менее, изобретение таких инструментов, как сканирующий туннельный микроскоп [6], и синтез новых атомно-упорядоченных наноматериалов, таких как УНТ [7], позволяют утверждать, что начало наноробототехники уже положено.

Блоки на основе УНТ для наноробототехники

Благодаря своему строению, исключительной механической прочности, уникальным электрическим характеристикам, а также другим интересным физическим свойствам (Табл.1), углеродные нанотрубки являются перспективным материалом [8] для изготовления наноэлектрических схем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), для наноробототехники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Свойства УНТ.

Для наноробототехники наиболее важными характеристиками УНТ являются их наноразмер[9], высокая анизотропия геометрических размеров, гигантский модуль Юнга [10-17], высокая гибкость [18,19], сверхмалое межслоевое трение [20-22], возможность разных типов проводимости [25-27], высокие значения полевой эмиссии [23,24], теплопроводности [28-30] и максимальной плотности тока, чувствительность проводимости к различным физико-химическим изменениям [31-33], зависимость длин связей от заряда [34]. В наноробототехнике УНТ можно применять в качестве структурных элементов, инструментов, сенсоров и актюаторов. Из одиночных многостенных нанотрубок можно формировать более сложные структуры либо методами «снизу-вверх» (bottom-up), либо – «сверху-вниз» (top-down) (рис.1.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Рис.1. Строительные блоки на основе УНТ. Из одиночной МСНТ (а) можно создать сложные структуры: (b-d) соединением УНТ друг с другом, (e) заполнением, (f) модифицированием, (g-i) воздействием на слои.

 

Одиночная УНТ сама по себе также может являться функциональным элементом наноустройств. Один из примеров такого устройства – зонд из нанотрубок для атомно-силового микроскопа (AFM) [35], позволяющий увеличить разрешение микроскопа и защитить остриё от разрушения. Изначально для создания такого устройства отдельная многостенная нанотрубка была присоединена к обычному коммерческому зонду на основе кремния. Дальнейшие разработки позволили усовершенствовать эту конструкцию и сейчас зонд из УНТ можно получить методом CVD [36], контролируемой сборкой [16] или выращиванием строго упорядоченных нанотрубок на гладкой подложке [37]. Другим примером наноустройства является нанопинцет, держатели которого представляют собой нанотрубки, соединённые со стеклянным капилляром. Управление зажимами происходит с помощью подачи разности потенциалов между ними [38].

Соединяя УНТ друг с другом можно построить более сложные структуры. Связи могут иметь внутримолекулярную и межмолекулярную природу. Связывая между собой УНТ различного диаметра и хиральности можно формировать электрические схемы нового поколения [39-47].

В многостенной нанотрубке отдельные слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, вследствие чего они легко двигаются друг относительно друга. Такие УНТ можно применять как гигагерцовые резонаторы и осцилляторы [48-51], трубчатые переключатели [52-54], элементы памяти [55,56], шприцы, линейные нано-серводвигатели со встроенным устройством для определения положения [57], как вращательные элементы для НЭМС [58,59]. Кроме того, в МСНТ возможны сдвиги слоёв друг относительно друга (телескопическое движение) [60] при котором меняется сопротивление нанотрубки. Это свойство можно использовать для создания уникальных электрических механизмов.

Открытые нанотрубки обладают капиллярными свойствами, поэтому в них можно помещать различные вещества. Уже есть работы по интеркалированию в нанотрубки металлов и их соединений [63-65], воды [61] и фуллеренов [66]. Примерами использования таких соединений являются темплаты [67], термометры [68], нанореакторы [69], наноконтейнеры [70].

 

Наносборка УНТ

В НЭМС электроды устройств покрываются нанотрубками или другими наноструктурами, полученными методами направленного роста [71], жидкостной самосборкой [47] или диэлектрофоретической (DEP) сборкой [74].

В настоящей работе методом DEP было проведено контролируемое разложение различных форм углерода на кремниевой подложке, что является примером сборки снизу-вверх. Этот тип сборки может конкурировать с традиционной сборкой сверху-вниз, которая используется в кремниевой технологии, и делает возможным производство мощных устройств нового поколения. Эта технология применима для сборки МСНТ, двустенных УНТ (ДСНТ), УНТ, заполненных медью [75] и свёртков УНТ (рис.2.)

 

Рис. 2. Получение сложных наносистем. (а) Упорядоченное расположение УНТ. (b) Наносистема на основе МСНТ. На вкладках: схема и микрофотография более низкого разрешения. (c) Сборка сложных наноструктур. (d-f) Различные наноматериалы: ДСНТ, УНТ, заполненная медью, нанорулон.

 

Рассмотрим подробнее принцип получения наноструктур с упорядоченным расположением нанотрубок. На кремниевую подложку, покрытую изоляционным слоем, напыляется плёнка электрода (15 нм Cr / 45 нм Au). Затем наносится слой металла, который, в свою очередь, покрывается слоем резиста определённой формы. Посредством электронно-лучевой литографии удаляется металл, а слой резиста растворяется. В итоге получаются электроды шириной 300 нм, разделённые щелью в 350 нм. После этого на электроды методом DEP [76,77] осаждаются углеродсодержащие наноматериалы. Для этого углеродные наноматериалы переводятся в суспензию ультразвуковой обработкой, а полученный чип погружается в резервуар этой суспензии и подвергается воздействию высокочастотного электрического поля. Через 100 секунд чип вынимается из резервуара и промывается чистым этанолом. Далее он высушивается в атмосфере азота.

<< первая < пред. 1 2 3 4 5 след. > последняя >>

Авторизация

логин
пароль
Регистрация Забыли пароль?

Реклама нефтегаз

Анонсы событий