Тенденции развития современных направлений науки (стр. 2 из 3)
Нанотехнология и в особенности молекулярная технология— новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.
Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология— следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
График увеличения инвестиций в микроэлектронику и нанотехнологии в России.
| Год | Инвестиции (в млн долларов) |
| 1970 | 7 |
| 1990 | 12 |
| 2000 | 22 |
| 2010 | 30 |
Между гендиректором "Роснано" Анатолием Чубайсом и президентом ОАО РЖД Владимиром Якуниным было подписано соглашение о нанотехнологических инновациях на железнодорожном транспорте.
"Соглашение формирует отраслевой механизм внедрения и продвижения инновационной, в том числе нанотехнологической, продукции. Выполнение его положений позволит удовлетворить возросшие требования к качеству транспортных услуг, увеличить объемы перевозок, вес поездов и участковые скорости", — отмечается в документе.
В соответствии с соглашением "Роснано" и РЖД определят наиболее перспективные области применения новой продукции, регионы и подразделения для внедрения комплексных проектов, а также создадут систему мониторинга эффективности нанотехнологий.
Физики из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) синтезировали наноматериал, который способен стать основой для электронных устройств будущего,— соты из атомов углерода.
Сообщение о синтезе новой наноструктуры появилось в журнале Nature и сообщении университета. Важность открытия обусловлена тем, что углеродные наноструктуры проявляют свойства полупроводников и способны в перспективе заменить используемый сейчас в микроэлектронике кремний. Впрочем, электронные схемы на основе углеродных наносот и листов графена можно называть уже нано-, а не микроэлектронными.
Необходимо отметить, что приставка "нано" здесь действительно играет ключевую роль в физическом, а не только в рекламном смысле. Если взять частицу углерода в виде графита или алмаза (две известные по школьной программе формы этого элемента), то ее свойства будут кардинально отличаться от свойств тонкой пленки углерода толщиной всего в один атом. Листы из атомов углерода, называемые графеном, становятся полупроводниками, причем по ряду параметров в ряде случаев превосходящими обычный кремний. Если бы на их основе удалось наладить массовое производство микросхем, то такие чипы тоже работали бы быстрее обычных.
В предыдущем абзаце необходимо подчеркнуть два оборота: "в ряде случаев" и "если бы". Как пишут ученые в аннотации к своей статье, хорошие электрические характеристики появляются даже не просто у листа графена, а у упорядоченных "сот" из полосок углеродной одноатомной пленки. Которые вплоть до недавнего момента получить не удавалось.
Графеновые наносоты, полученные исследователями из США. Белая полоска - 500 нм, 0,5 мкм или 1/2000 миллиметра
Использованный физиками метод заключался не в том, что под микроскопом исследователи переносили наноструктуры в нужном направлении. Такой подход, кстати, не столь уж невозможен в принципе: в лабораториях IBM сотрудники вручную сложили название фирмы из атомов золота еще в начале 1990-х годов. Но для промышленного использования подобные методы, естественно, неприменимы. Упорядоченные поверхности, называемые также наноматериалами, растут сами, подобно кристаллам льда на стекле. В задачу ученых входит подобрать параметры химической реакции, приводящей к формированию нужной структуры.
Углеродные нанотрубки, длинные цилиндры из атомов углерода (толщина стенки — один атом), тоже собираются за счет химических реакций. Причем в 2009 г. китайским исследователям удалось вырастить нанотрубки длиной 18 сантиметров. Это уже далеко не микроскопический масштаб.
Это непростое задание, так как предсказать поведение осаждаемых на поверхность молекул сложно. А решать задачу путем простого перебора всех возможных условий (состав смесей, температура и давление, используемые катализаторы) невозможно из-за большого числа вариантов. Исследователи, получившие в итоге наносоты, использовали метод, разработанный еще в 1990-х годах — блоковую сополимерную литографию.
Эти точки — отдельные атомы ксенона, перемещенные при помощи специального зонда под микроскопом. Апрель 1990 г., начало эры нанотехнологий
Блок-сополимеры — это, как следует из названия, разновидность полимеров, то есть длинных цепочек молекул из одинаковых звеньев. Точнее, почти одинаковых, так как в отличие от, к примеру, полиэтилена, блок-сополимеры образованы сращиванием двух разных цепочек из звеньев разной структуры.
Если обычный полимер выглядит как цепочка вида "А-А-...-А-А", то блок-сополимер устроен как "А-А-...-А-Б-...-Б-Б".
Так как цепочки неоднородны, то они могут, например, слипаться определенными участками и формировать упорядоченную структуру. Варьируя состав цепочек блок-сополимеров и меняя условия эксперимента, можно добиться того, что из них соберется интересующая ученых структура. Правда, пока что не те самые графеновые наносоты. Для получения наносот полимер потребуется еще и испарить.
На получении графеновых наносот исследователи не остановились. Из этого материала были изготовлены экспериментальные полупроводниковые устройства, непригодные пока что для промышленного производства, но позволившие убедиться в том, что наносоты все-таки ведут себя именно так, как и ожидали ученые.
Число деталей
Процессор ноутбука, на котором была написана эта статья, имеет 47 млн транзисторов, которые потребовалось соединить определенным образом друг с другом внутри кристалла площадью 26 квадратных миллиметров.
Указанные числа — далеко не предел. Внутри высокопроизводительного настольного компьютера суммарное число транзисторов в процессоре и видеокарте может перевалить и за миллиард. Поэтому говорить о том, что графеновые транзисторы в ближайшие годы заменят кремниевые, все-таки не приходится. Исследователям во всем мире предстоит еще разработать технологии, позволяющие получать не просто отдельные транзисторы, а сложные схемы, и не в единичных экземплярах, а в условиях поточного производства. Впрочем, если вспомнить что первый транзистор как таковой появился лишь во второй половине XX века — это не кажется столь уж нереальным.
Биофи́зика (от др. греч. βiοs — жизнь, др. греч. φύσις — природа):
· раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;
· это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.
Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне организации вещества.
"Важнейшее содержание биофизики составляют: нахождение общих принципов биологически значимых взаимодействий на молекулярном уровне, раскрытие их природы в соответствии с законами современной физики, химии с использованием новейших достижений математики и разработка на основе этого исходных обобщённых понятий, адекватных описываемым биологическим явлениям"[1].
По номенклатуре ЮНЕСКО биофизика является разделом биологии и имеет код 2406[2].
Биофизика — наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских.
В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.
Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.
Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.
В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому ещё одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии. Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, рентгено-структурный анализ с использованием синхротронного излучения, ЯМР- и ЭПР-спектроскопию, 7-резонансную спектроскопию, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.