Термины Нанофабрикация и нанопроизводство часто используются взаимозаменяемо для изготовления одно-, двух- или трехмерных наноструктур в различных контекстах (медицинских, фотоники, электроники, энергетики и т.д.), с относительно высокой степенью функциональности, структурной сложности и иерархии, Эти термины охватывают множество различных материалов, устройств, продуктов и процессов и слишком широки, чтобы их можно было подробно описать в короткой статье.
Один из возможных подходов к разграничению терминов заключается в использовании критерия экономической жизнеспособности: коннотации промышленного масштаба и рентабельности, связанные со словом « производство». Подразумевают, что нанопроизводство - это экономическая деятельность с промышленными производственными мощностями с более или менее полностью автоматизированными сборочными линиями. В отличие от этого, нанотехнология - это скорее исследовательская деятельность, основанная на разработке новых материалов и процессов, это скорее область умелых мастеров, а не массового производства.
Для целей данной статьи мы будем использовать термин «нанотехнология», который может иметь целый ряд значений: создание небольших элементов на более крупных объектах (например, изготовление интегральных схем).
- - создание наноразмерных объектов со специальными свойствами (например, синтез квантовых точек );
- - сборка наноразмерных объектов в более сложные структуры (например, ДНК-ориентированная сборка);
- - включение наноразмерных объектов в более крупные объекты для обеспечения специальной функциональности (например, графена в электронных или сенсорных устройствах);
- - и использование нанотехнологий для изготовления наноразмерных структур (например, нанолитография с использованием погружной ручки).
Существуют разные способы изготовления функциональных наноструктур. Два понятия, которые вы слышите чаще всего, это методы сверху вниз и снизу вверх .
Нисходящая нано-фабрикация сверху вниз
Микеланджело был художником сверху вниз. Он взял один большой необработанный кусок каррарского мрамора и после долгих лет долбления создал потрясающую статую, подобную Давиду. В процессе он уменьшил оригинальный блок мрамора до половины его первоначального объема и оставил другую половину в качестве отходов.
Это нанотехнологический эквивалент литографии - преимущественно фотолитография , которая является стандартной рабочей лошадкой, используемой в современной полупроводниковой промышленности, и наноимпринтная литография (NIL) для крупномасштабного производства наночастиц для диагностических и терапевтических применений - и другие нисходящие методы, где вы начнёте с того, что возьмите блок материала и удалите ненужные куски, пока не получите желаемую форму и размер.
В процессе вы тратите (относительно много) энергии, используете (иногда очень ядовитые) химикаты, производите (часто совсем немного) отходов, вам нужно много терпения (эти процессы относительно медленны), и часто результаты являются совершенно уникальными и не легко тиражируется.
В отличие от детерминированной природы нисходящих процессов, восходящие процессы управляются комбинацией термодинамики и кинетики, которая затем определяет выход желаемой структуры.
Процессы нано-изготовления снизу вверх, как правило, не нуждаются в дорогостоящих инструментах для создания наноразмерных структур и масштабирование до больших объемов потенциально просто. С применением инструментов химического синтеза в промышленных масштабах были успешно изготовлены квантовые точки, плазмонно активные частицы, углеродные нанотрубки, металлические нанопроволоки и многофункциональные частицы для медицинских применений.
Усилия по разработке чисто восходящих методов самосборки для создания более сложных устройств обычно основаны на разработке взаимодействий между различными компонентами, размещении их в простой среде и последующем переходе системы в конечное состояние.
Чтобы сделать вещи немного сложнее, есть два принципиально разных способа изготовления вещей снизу вверх. И именно отсюда возникает путаница в терминологии различных нанотехнологий.
Один восходящий метод - это путь природы: самосборка . Самоорганизующиеся процессы распространены по всей природе и включают компоненты от молекулярного (например, сворачивание белка) до планетарного масштаба (например, погодные системы) и даже за его пределами (например, галактики).
Другой способ сделать восходящую нанотехнологию - это человеческий путь: молекулярная сборка . Это звучит как самостоятельная сборка, но это совсем другая концепция. Если вы посмотрите на анимацию нанофабрики ниже, вы поймете идею. Это видение, которое выдвигают сторонники или революционная нанотехнология: молекулярная сборка как концепция фабрики, сборочные линии и все, только что уменьшенная до наноуровня.
Самоорганизация
Ключом к использованию самосборки в качестве контролируемого и направленного процесса изготовления является разработка компонентов, которые необходимы для самосборки в желаемые модели и функции. Самосборка отражает информацию, закодированную - как форму, свойства поверхности, заряд, поляризуемость, магнитный диполь, массу и т. д. - в отдельных компонентах; Эти характеристики определяют взаимодействия между ними.
К сожалению, самопроизвольная самосборка сильно зависит от характеристик частиц. Используйте разные частицы и самосборка либо сформирует разные структуры, либо вообще не произойдет.
В очень небольших масштабах термин самосборка не используется, а говорят о «химическом синтезе» - процессе, который химики совершенствовали в течение многих лет. Однако стабильность ковалентных связей позволяет синтезировать практически произвольные конфигурации только до 1000 атомов. Более крупные молекулы, молекулярные агрегаты и формы организованного вещества, более обширного, чем молекулы, не могут быть синтезированы. Самосборка - одна из стратегий организации материи в этих больших масштабах.
Эту технику можно резюмировать следующим образом: мы понятия не имеем, почему определенные атомы и молекулы самособраны так, как они это делают, но как только мы сможем инициировать и контролировать процесс, мы можем использовать его для построения структур снизу вверх - атом за атомом.
Самосборка стала особенно важной концепцией в нанотехнологиях. Когда миниатюризация достигает наноразмеров, традиционные технологии производства перестают работать, потому что еще не было возможности создать оборудование, которое собирает наноразмерные компоненты в функциональные устройства. До тех пор, пока робототехнические сборщики, способные к нанотехнологиям, не будут созданы, самостоятельная сборка - вместе с химическим синтезом - будет необходимой технологией для разработки снизу вверх.
Самосборка также является причиной, по которой нанотехнологии оказывают такое глубокое влияние на химическую промышленность. Одним из примеров является огромная площадь полимеров, используемых для промышленных товаров (например, пластмасс). Химики используют склонность молекул к самовыравниванию для конструирования молекулярных структур с определенными свойствами.
Как только вы узнаете, как ведут себя некоторые наночастицы и какими свойствами они обладают, вы можете использовать эти знания, чтобы сознательно создавать структуры с желаемыми свойствами. Это гораздо более эффективный способ, чем в старой химии , где вы смешиваете составы более или менее произвольно, основываясь только на догадках, смотрите, какие материалы вы получаете, а затем пытаетесь выяснить, что вы можете с ними сделать.
Двумя основными методами самосборки являются коллоидная самосборка, которая имеет захватывающие возможности с точки зрения создания новых материалов путем объединения наночастиц с различными свойствами в четко определенные кристаллические структуры, и ДНК, которая является архетипической системой самосборки.
Заключение
Технология изготовления интегральных микросхем будет продолжать развиваться по своим возможностям и стоимости, но останется неэкономичной для продуктов с низким объемом на единицу площади и большим объемом. Семейство литографических технологий, таких как наноимпринт, развитие которых было в значительной степени обусловлено полупроводниковой промышленностью, будет масштабироваться с учетом разнообразных структур затрат и поэтому найдет широкий спектр применений, особенно для тех структур, которые требуют только один слой.
Самосборка снизу вверх будет играть роль в производстве простых функциональных материалов, которые используются в больших объемах и должны быть недорогими, в то время как направленная сборка позволяет создавать более дальний порядок и иерархию, которые будут важны для некоторых применений.
Возможно, самая захватывающая перспектива - это создание динамических наноразмерных систем, способных демонстрировать гораздо более богатые структуры и функциональность. Достигается ли это путем обучения тому, как управлять и создавать биологические системы напрямую, или путем создания систем, основанных на тех же принципах, еще неизвестно, но, несомненно, будет разрушительным и вполне вероятно революционным.