авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

«Нанотехнологии в России и мире. Сегодняшние черты нового технологического уклада Книга подготовлена в рамках государственного контракта № 16.647.12.2038 от 4 ...»

-- [ Страница 4 ] --

Сегодня мы должны быть способны манипулировать с материей на все меньших уровнях размеров, и, в конечном итоге мы должны использовать подход расчета в направлении этих манипуляций, если мы действительно со бираемся полностью воспользоваться преимуществом доступных возможно стей. Существенны теория и моделирование. К счастью, это область, в кото рой размеры кирпичиков зданий столь малы, что это вполне возможно, тем более что возможности расчетов постоянно растут.

Абсолютно необходимо мультимасштабное наноструктурирование, ве дущее к изменению свойств материала, начиная с атомных масштабов, через мезоскопические, к макроскопическим масштабам, по мере того как мы бу дем продвигаться следующие несколько десятилетий в нашем понимании ог ромного потенциала науки и технологии наноструктур. Более того, нам необ ходимо понять критическую роль поверхностей и интерфаз в наноструктури рованных материалах. Мы должны детально знать не только структуру этих интерфаз, но и их локальные химические свойства, а также эффекты от сег регации и взаимодействия микроскопических строительных блоков и их ок ружения. Мы должны освоить контроль над размерами наноструктур и над разбросом размеров, а также над составом и сборкой.

Для того чтобы улучшить механические свойства полимеров при по мощи наночастиц, естественным подходом выглядит создание пен с микро скопическими пузырьками. Наночастицы могли бы оказаться идеальными за травками для образования пузырьков, а равномерная дисперсия может давать интерфазный объем в качестве основы – ядра микропузырьковой формы. Та кой нанопузырьковый полимер мог бы оказаться великолепным продуктом с впечатляющим соотношением рабочих характеристик и невысокого веса, превосходных физических, механических и термических свойств.

Нанополимеры – один из наиболее важных наноматериалов в будущем.

Нанополимеры применяются в медицине, энергетике и науке о материалах.

Нанотехнологический вызов для данной технологии заключается в том, каким образом можно использовать мельчайший размер ячеек, высочайшую плотность ячеек, а также плотность MCF. Возможны ли наноячейки? Тогда это будет просто разработка материала. Основные преимущества CPNC (clay containing polymeric nanocomposites – полимерные нанокомпозиты, содержа щие глину) заключаются в повышенной жесткости (на фактор 2 к 5 весовых %), снижении газо- и паропроводимости (на фактор 100 к 10 весовых %), а также сниженная воспламеняемость. Так как все эти улучшения достигаются за счет лишь незначительного увеличения плотности, ожидается, что транс портная и упаковочная отрасли промышленности первыми воспользуются с пользой для себя этой новой технологией.

До сих пор продвижение CPNC на рынке тормозилось двумя принци пиальными препятствиями: ценой и воспроизводимостью полезных качеств.

Kato et al. продемонстрировали, что для того чтобы снизить стоимость нано наполнителя с 7$ до 2$ за кг, подходят Na-MMT. Одновременно данный под ход снижает вероятность термомеханической деградации во время продук ции и придания соответствующей формы. Однако остается ряд вопросов, наиболее насущные среди них, достаточно ли достигнутого улучшения тех нологии для снижения стоимости и улучшения стабильности для удовлетво рения промышленных стандартов. Очевидно, что будущее технологии CPNC зависит от разумного применения существующих технологий производства и смешивания, приспособленных для специфических надобностей смешивания на наноуровне.

Нанополимеры – новая область в науке о материалах, в которой сложно осознать классификацию веществ, последующий список лишь первичное приближение.

Самоорганизующиеся структуры: ламеллы (пластинки);

ламеллы в сферах;

ламеллы в цилиндрах;

цилиндры в ламеллах;

сферы в ламеллах;

ти пы единиц конструкций для самоорганизующихся структур Несамоорганизующиеся структуры: дендримеры;

полимеры со мно жеством ветвей;

полимерные щетки;

нановолокна;

полифосфазен;

полимер ные нанотрубки;

нанокапсулы;

эудрагит: поли(метилакриловая кислота-ко метилметакрилат);

P(MAA-g-AS): поли(метакриловый-п-этилен гликоль):

HPMS-AS: гидроксиполиметилцеллюлоза ацетат сукцинат Пористые материалы: полистирен-блок-поли(4-винилпиридин) (PS block-P4VP), поли(-метилстирен) –блок-поли(2-винилпиридин) (PMS-b P2VP);

поли(2-винилпиридин) (PVP);

гибридные нанослои PS-PVP.

Нанообъекты. Получение наноструктур на полимерных поверхно стях: нанолитография Наноотпечаток Мягкая литография Литография с помощью электронного луча Литография при помощи «перьевой ручки».

6. Наностекла.

Наностекла – категория аморфных наноматериалов. Среди них наибо лее существен для применения в оптике SiO2 в качестве, например, светоне проницаемого пигмента, для производства светорассеятелей в LEDах (light emitting diodes – диоды, излучающие свет), фотонных материалах, пропус кающих определенную полосу света, рисовании и т.д. Кроме того, другие не аморфные материалы имеют огромную важность для оптики, например, ITO и наноструктурированные материалы, как нановолокна и нанотрубки.

Вдобавок к наноматериалам, крайне существенны для нанооптики про цессы и применение устройств и веществ в микроскопических (нано) мас штабах, например, нанолитография, разработка оптических наноустройств (линз, дифракционных решеток и т.д.).

Нано- и фотонные технологии имеют огромный потенциал в высоко эффективных коммуникационных и информационных системах будущего, как для обороны, так и для коммерческого применения. Нанооптика, недавно появившаяся комбинация этих технологий, открывает новые горизонты в фо тонике, с избытком новых феноменов, новых материалов, новых разработок и привлекательных возможностей использования. Многие проблемы фотон ной инженерии, относящиеся к материалам или их функционированию, ко торые не могут быть решены сейчас из-за ограничений используемых естест венных материалов, возможно, будут с успехом решены завтра, благодаря появлению и недавнему прогрессу в нанонауке, наноматериалах и нанотех нологиях.

Оптическая технология – основная технология фирмы Olympus, кото рая с успехом была внедрена в наши цифровые фотокамеры, бинокли, эндо скопы, оптические диски и ряд прочих продуктов. Параллельно, Olympus достиг огромных познаний и опыта в нанопрецизионных технологиях изго товления и измерений для производства высококачественных линз. Другие инновации, основанные на MEMS (micro-electrical-mechanical systems – мик роэлектромеханические системы), включают устройства для измерений на молекулярном уровне и сканирующие зеркала с возможностью определять позицию на наноуровне. Эта технология оказалась удачной для использова ния для анализа проб тканей, ДНК и генетического материала в нанобиоло гии..

Существующие устройства это лишь первоначальное употребление SOE, но возможности расширяются в нескольких направлениях. Функцио нальность строительных блоков, основанных на SOE, будет использована как в чипах, так и в уже собранных устройствах. Было продемонстрировано, что область успешного функционирования SOE распространяется на поляризато ры, устройства, расщепляющие/комбинирующие поляризованный луч, фильтры, фотодетекторы и устройства, позволяющие выделить определен ный диапазон длин волн света. Возможен также динамичный контроль над переключением, ослаблением и налаживанием.

Монолитная интеграция SOE может быть достигнута путем наложения нескольких слоев SOE для достижения агрегированных оптических эффек тов. Литография наноотпечатков позволяет производить прямое наслаивание SOE без применения техники раскатывания. Комбинирование SOE с оптиче ски активными слоями делает возможным построение цепей оптического контроля, образующих в результате комплексные оптические компоненты в одном чипе. Уже было продемонстрировано, что можно создать петли дина мической оптической обратной связи путем создания многослойных SOE при помощи комбинирования фильтров с наборами фотодетекторов.

Так как SOE совместимы друг с другом и производятся путем «вафель ной» технологии с относительно ничтожными различиями от устройства к устройству, существуют возможности их использовать как инструменты.

Оптическая микроскопия с почти полями проявляет огромную вероят ность достижения оптического разрешения на уровне ниже длины волны све та. Теоретические модели изображений NSOM существенны для использова ния NSOM для метрологии на наноуровнях. Наши механизмы расчета для моделирования и интерпретации изображения NSOM, включая подходы пре дельной разницы и элементарный подход, а также технику разброса, будут включены в состав общего набора для расчетов в целях наилучшего исполь зования каждой из техник. Специфические применения будут включать раз работку и оптимизацию щупов – датчиков, сканирование бесконечно малых полей при помощи малых металлических датчиков, образование диагности ческих изображений для оптических проводников длин волн света, а также локальную инженерию на наноуровнях для оптических проводников длин волн света. Нанооптическое моделирование оптических наноструктур про должит идентифицировать и создавать структуры оптимальные для исполь зования в квантовых расчетах и локальном оптическом сообщении между устройствами.

Материалы нанотехнологий, подобные стеклу, кристаллам и аморфным веществам такого типа, имеют прямое применение в оптике. Изменение оп тических свойств данных материалов при переходе в наноформат внесло свой вклад в создание нанооптики.

Нанооптика – ветвь оптики, которая описывает феномены, которые происходят, когда сет взаимодействует с наноструктурами. А именно, нано структуры – кусочки материи, которые либо очень малы сами по себе, либо проявляют характерные черты размеров ниже длины волны света, вплоть до всего лишь нескольких нанометров. Маленькие частицы, острые наконечни ки-щупы, отдельные молекулы или атомы, полупроводящие квантовые точки представляют собой всего лишь несколько примеров, подпадающих под эту категорию. Главное открытие нанооптики заключается в том, что сильно увеличенные и пространственно ограниченные оптические поля могут суще ствовать в определенных условиях в окрестностях наноматерии. Понимание и эксплуатация подобных феноменов будет иметь основной вклад в оптиче ски технологии будущего, так как значительно повлияет на такие области, как оптическая микроскопия с высоким разрешением, хранение оптических данных, нелинейная оптика и оптические коммуникации. Недавний прогресс в нанооптике и нанофотонике основан в значительной степени на постоянно улучшающемся понимании, как можно налаживать свойства нановещества, то есть геометрическую форму, состав, и каким образом можно направлять падающий луч света в правильном направлении для достижения желаемых эффектов таких, как огромное локальное усиление поля или контроль над по током света на уровнях ниже длины волны.

Одновременно, становятся более широко доступны новые технологии обработки материалов на нанометровом уровне, например, дробление с вы сокой точностью при помощи сфокусированного луча ионов, и могут быть созданы новые, более сложные (прототипные) структуры. Ряд статей по дан ному предмету имеет отношение к задаче достижения лучшего контроля над нанооптическими полями.

Современный уклон в сторону нанонауки и нанотехнологий привели к необходимости вести ключевые изыскания в оптике на нанометровом уровне.

Взаимодействие света с материей дает уникальную информацию о структур ных и динамических свойствах вещества и очень важно для изучения биоло гических т твердых наноструктур. Оптика почти полей и нанооптика, в об щем, ведут ключевые изыскания оптики на нанометровом уровне, охватывая как технологию, так и фундаментальную науку. Технологическая сторона представлена такими темами, как нанолитография и хранение оптических данных с высокой плотностью, в то время как фундаментальная наука зани мается темами, подобными взаимодействию оптических ближайших полей и атомов. Огромную важность представляют также оптическая микроскопия и спектроскопия, цель которых заключается в избирательном взаимодействии с наноструктурами и определении их физических свойств на нанометровом уровне.

Можно рассмотреть три ветви:

А) Характеристика оптических устройств для изучения оптических свойств новых материалов (микроскопы с почти полями: микроскопия с атомными силами (AFM), конфокальная микроскопия, оптическая микроско пия с ближайшими полями, туннельная микроскопия).

Б) Производство наноструктур для оптических методов (нанолитогра фия).

В) Обработка материалов лазерными устройствами (процесс абляции, разрушения).

В качестве оптических устройств для мультифункциональной характе ристики и характеристики в реальном пространстве полупроводящих наност руктур можно было бы использовать люминесцентную туннельную элек тронную микроскопию. Люминесцентная микроскопия с разрешением во времени предоставляет множество преимуществ по сравнению с традицион ной трансмиссионной и флуоресцентной микроскопией. Кроме повышенной чувствительности, присущей люминесцентной микроскопии, разрешение во времени предоставляет возможность вычленить короткоживущую флуорес ценцию, исходящую от биологических хромофоров.

Нанолитография – наиболее продвинутая технология среди методов производства для создания наноструктурированных материалов. На сего дняшний день существует две основных технологии: ионная гравировка и электронный луч. Однако сейчас рассматриваются другие альтернативные методы в области литографии такие, какими могли бы стать литография EUVL и метод, основанный на краткосрочных – мимолетных лучах. EUVL использует дальнее ультрафиолетовое (extreme ultraviolet -EUV) излучение с длинами волн в пределах 10-14 нм для проектирования изображений. В на стоящее время, а также в течение нескольких последних десятилетий, методы оптического проектирования в литографии используются в крупно масштаб ных производствах в замкнутых циклах. Краткосрочные волны используются для создания рельефа на многих материалах, они используют отражение для того, чтобы писать на нанометровом уровне. При обработке материалов, на наш взгляд, крайне важны технологии нанесения различных покрытий на по верхности. Разрабатываются новые материалы, учитывающие аспект крайне малых размеров, который необходимо учитывать, если мы собираемся ис пользовать методы литографии для написания на нанометровом уровне. Ла зерная аблация (разрушение) – многообещающий метод для создания микро и наноструктур в полимерах. Из-за нескольких недостатков (например, высо кие пороги аблации и ее низкая скорость) метод промышленно используется лишь в ограниченных областях (например, для сверления выпускных отвер стий в струйных принтерах и дырок для устройств с многочисленными чи пами).

Другие развивающиеся технологии, которые мы обнаружили, – это ли тография при помощи «гусиного пера» (использование наконечника для на писания наноструктурных мотивов) и гидрофобные материалы, оба метода могут использоваться для микропотоков жидкости и для массивных оптиче ских устройств (зеркал, архитектуры, освещения) Для дальнейшего применения в промышленности перспективны сле дующие нанооптические материалы: мталлические стекла;

электрохромные стекла;

нано-резистеры для метода литографии;

стекла с нанопорами (микро поры менее 2 нм в диаметре;

микропоры между 2 и 50 нм;

микропоры более 50 нм в диаметре);

стеклянные материалы с наноканалами;

фотонные стекла 7. Нанокерамика Нанокерамика – наноразмерные оксидные и неоксидные керамические вещества, силикаты, твердые металлы, а также композиты из данных групп веществ.

Нанокристаллические материалы проявляют усиленную си лу/прочность, увеличенную диффузионность, уменьшенную плотность, со кращенный модуль эластичности, более высокое электрическое сопротивле ние, увеличенное специфическое нагревание, более высокий коэффициент термического расширения, более низкую теплопроводность и лучшие маг нитные свойства по сравнению с обычными материалами, состоящими из крупных зерен.

Так как нанокристаллические материалы содержат крайне большую долю атомов на границах между гранулами, многочисленные интерфазы предоставляют возможность образования высокоплотных коротких цикличе ских путей диффузии. Повышенная диффузионность может иметь сущест венное влияние на механические свойства такие, как пластичность и возмож ность насыщаться загрязнениями при сравнительно низких температурах.

Повышенная диффузионность приводит к повышению пределов растворения твердых веществ и к повышенной спекаемости нанокристаллических порош ков.

Методы, которые обычно применялись для синтеза подобных веществ, включают как подходы сверху-вниз (разрушение более крупных микрочас тиц при помощи внешних сил), так и снизу-вверх. Последний более эффекти вен, так как предоставляет значительно более широкий спектр возможностей.

Более того, методы химического синтеза из исходных компонентов позволя ют получать высоко очищенные продукты, так как исключается загрязнение при измельчении. Пути химического синтеза могут быть далее подразделены на переходы жидкостей в твердую фазу (например, процессы образования ге лей, копреципитации (одновременного осаждения), микроэмульсии, электро химическое осаждение или разложение жидких предшественников) и пере ходы газов в твердое состояние (например, конденсация инертных газов, процессы плазмы, лазерная аблация или пиролиз в пламени). В общем, по следние процессы дают менее скученные нанокристаллы.

Международные эксперты выделяют на сегодня 5 основных линий раз вития, заключающихся в следующем:

1) производство и применение ультратонких слоев, 2) производство и применение краевых наноструктур, 3) производство и применение наноматериалов и молекулярная архи тектура, 4) особо точная обработка поверхностей, 5) измерение и анализ наноструктур.

Главная задача настоящего времени заключается в переносе наиболее удачных методов синтеза с лабораторных на промышленные масштабы, что бы предоставлять монодиспергированные формы порошков надежного каче ства в достаточном количестве. Сегодня главный вопрос состоит в том, мож но ли достигнуть увеличения продаж в области наноматериалов путем пере довой интеграции или расширения и улучшения процессов их производства.

Для широкомасштабного применения нанокристаллических веществ требу ется производство их порошков тоннами, а также эффективные методы обра зования объемных форм из этих порошков. После решения этой задачи весь потенциал этих порошков должен быть использован путем методов образо вания покрытий и функциолизации. Для будущего остается ступень контро лирования и использования отдельных частиц. Это будет необходимо для создания наноаккумуляторов и – транзисторов.

Хотя продукты, относящиеся к нанотехнологиям, уже присутствуют на рынке (керамика, сделанная из оксидных наноматериалов, вещества свето фильтров, красители, покрытия, слои для хранения данных и т.д.), большин ство областей нанотехнологий все еще находятся на стадии фундаментально го исследования. Оценки рынка, даваемые экспертами и аналитиками, все еще расплывчаты и полны противоречий;

однако предсказываются сущест венные для коммерции способы применения в областях оптики, прецизион ной техники, аналитики, химии, инженерии автоматов и механизмов, органи зации материалов, медицины, фармацевтики и биологии.

Анализ уровня мастерства в области керамики, выявление преиму ществ и сравнение различных методов производства нанопорошков позволя ет сделать следующий вывод: реальные коммерческие возможности приме нения нанопорошков существуют преимущественно в областях, где востре бованы материалы с новыми комбинациями свойств, или, по крайней мере, где можно создать материалы со значительно улучшенными трибологиче ским, механическими или антикоррозионными свойствами. Осуществление коммерческого потенциала будет возможно только в том случае, если будут выполнены следующие предварительные условия:

– Необходимо уметь производить порошки с воспроизводимыми, по стоянными свойствами по приемлемым ценам, как в небольших, так и в ком мерческих масштабах.

– Обработка порошков, формирование структур и производство мате риалов должны быть контролируемы.

Анализ мировой исследовательской активности показал, что необхо димо общественное спонсирование фундаментальных и прикладных иссле дований, а также развитие производства пригодных для рынка продуктов, кроме того, необходимы фонды венчурных капиталов для учреждения новых производств, использующих новые вещества и методы производства.

Значительные продвижения практически в любой сфере технологий могут быть сделаны лишь при условии доступности все более мелких струк тур и все более сложных систем, состоящих из наиболее широкого спектра веществ. Эксперты и аналитики отмечают особенно высокий потенциал вы сокопрочной и функциональной керамики, частично, из-за высокого годово го прироста данных материалов. Для расширения и создания новых областей применения в будущем потребуется, чтобы керамические материалы прояв ляли новые профили свойств. Можно минимизировать основные недостатки керамических жаропрочных материалов, в особенности высокую хрупкость (появление трещин), которая приводит к появлению дефектов керамических материалов и частей, путем использования нанопорошков. Упор был сделан на нанокерамике неоксидного происхождения и неоксидных нанопорошках, которые, в отличие от оксидных нанопорошков, не доступны в коммерческих масштабах. Причины заключаются главным образом в необходимости:

– дешевых методов производства диспергированных порошков с по стоянными свойствами и разбросом размеров частиц (значительный барьер для дальнейших разработок во многих областях);

– адаптация, переработка и внедрение инновационных методов произ водства;

– постоянное сотрудничество между всеми звеньями цепи производст ва, а именно, начиная с поставщиков исходных материалов, через производи телей порошков, керамики и деталей к потребителю, а также сотрудничество с разработчиками технологий и исследовательскими институтами.

Примеры ключевых неоксидных веществ для работы в будущем – нит рид кремния и карбонитрид титана. Анализ рынка, интервью с исследовате лями и экспертами выявили следующие тенденции, в особенности для кера мики и твердых материалов:

1. Из-за относительно высоких цен порошков и сложностей производства применение нанопорошков сконцентрировано главным образом в пленках и в качестве компонентов композитных материалов, в которых нанопорошки производят особенные эффекты. Однако они использу ются также в форме порошков как заполнители, уплотнители, изоля ция, поддерживающие материалы в медицине и фармацевтике. Напри мер, мельчайшие частицы все чаще используются в форме компактных керамических материалов. Применение ориентировано не только на тонкие и ультратонкие пленки, среди немногих примеров сфер приме нения: сенсорные материалы, мембраны и катализаторы, прозрачная керамика из Al2O3 и суперпластичная керамика. Более того, нанопо рошки могут играть роль поглотителей ультрафиолета в прозрачных полимерах, служить барьерами для диффузии, или использоваться для придания полимерам особенных магнитных или диэлектрических свойств.

2. Все растет применение нанопорошков для снижения температурных воздействий, применяемых для спекания различных частей, и создания материалов со структурами размером менее микрона. Использование подобных структур позволит улучшить такие свойства как жесткость и износостойкость и даст возможность процесса спекания и обратного процесса разделения образованных структур, а также позволит синте зировать неравновесные композитные материалы.

3. Рынок, возможности которого находятся лишь в отдаленном будущем (сейчас он имеет лишь наименьший объем), представлен актуальными наноматериалами, а именно, веществами, которые имеют нанометро вые структуры после процесса спекания. Подобные материалы имеют чрезвычайно высокие требования в отношении порошка, обработки и технологии спекания. В скором времени ожидается значительный рост, в особенности, в области композитных материалов, один из компонен тов которых нанокристаллический.

4. Коммерческое применение, упомянутое здесь, может быть внедрено только при наличии воспроизводимого метода производства дисперги рованных нанопорошков, обладающих узким диапазоном размеров частиц. Такой метод был частично реализован в коммерческих масшта бах для некоторых оксидных порошков (например, SiO2, TiO2);

неок сидные нанопорошки все еще не производятся в адекватных масшта бах.

5. Для того чтобы эффективно производить нанокерамику из порошков, процессы обработки порошков (измельчение, снижение дефектов) должны быть контролируемы. В течение немногих последних лет было получено фундаментальное знание и заложены основы для новых тех нологий (например, так называемый коллоидный метод производства керамики).

6. Необходимое требование для сокращения роста гранул – чрезвычайно узкий разброс размеров гранул – все еще далеко от осуществления. В настоящее время нельзя определить в какой степени улучшения техно логий спекания (спекание микроволнами, SPC и т.д.) может повлиять на рост гранул и позволить коммерциализировать данные процессы.

Отдельные тенденции, перечисленные здесь, указывают на растущую важность нанотехнологии и, в особенности, воспроизводимого производства нанопорошков достаточного качества как на ключевые моменты для даль нейшего и более широкого применения подобных технологий. Оксидные на нопорошки уже производятся в коммерческих масштабах для различных применений (красители, изоляционные материалы и т.д.) Растет востребо ванность в неоксидных нанопорошках с улучшенными свойствами, возмож ности которых были описаны выше.

Ряд материалов уже коммерчески доступны, среди них:

– массовое производство порошков (алюминий, цирконий, титан, сили кат, оксид цинка) – порошки внедряются, фундаментальные исследования и ранние спо собы применения (нитрид кремния, магний, оксид железа, церий, гидроксиа патит, иттрий, карбид кремния, нитрид бора) – коммерчески доступны порошки в объеме килограммов (TiC, аморф ный нитрид кремния;

AlN, TiN, ZrN, TiCxN1-x, ZrCxN1-x, MgAl2O4;

Si3N4-TiN, Si3N4-AlN, Si3N4-ZrN, AlN-TiN, AlN-ZrN;

Si3N4-Y2O3, Si3N4 -MgO, AlN-Y2O3;

ZrO2-Y2O3, ZrO2-MgO, ZrO2-Al2O3, YBa2Cu3O7-x;

TiCxN1-x-Fe, Ni) Глава 7. Нанометрология.

Нанометрология, как и все нанонауки, изучает феномены и материалы в нанометровой шкале размерности. Совершенно ясно, что ключевым эле ментом нанометрологии является проведение измерений объектов размерами от 1 до 100 нм (в настоящее время с точностью до 0.1 нм), и выявление кор реляций между размерами и свойствами данных объектов.

Два основных вопроса, которые рассматриваются в нанометрологии – это точность измерений в нанометровом диапазоне, и разработка новых ме тодов, позволяющих привязать свойства объектов к их размерам. Нанометро логия использует различные методы определения свойств объектов в зависи мости от их размеров для широкого круга различных материалов. Наномет рология также изучает классификацию наноструктур и их размеров, которые определяют их возможное практическое применение.

Стандарты нанометрологии возникают из различных областей нано технологий. В частности рассматриваются следующие вопросы:

Определение размеров и статистического распределения по размерам для наночастиц и наноматериалов. Данная область относится к наност руктурам, которые содержат случайный набор элементов, как в плане размеров, так и форм. Представлены возможные решения проблемы характеризации нанопорошков и сыпучих материалов и дается разъяс нение по ряду вопросов.

Примеры решения задач нанометрологии в нанометровом диапазоне.

Этот раздел посвящен измерению поверхностей и тонких пленок с точ ностью до одного атома.

В настоящее время назрела необходимость унификации различных ме тодов и процедур для получения сравнимых результатов.

Метрология в целом это наука, изучающая меры и веса или научную систему мер. Однако это не дает нам полного определения нанометрологии.

Нанометрологией называют научную систему мер в наномасштабном диапазоне. Нанометрология играет ключевую роль в производстве наномате риалов и устройств с должной степенью достоверности и точности (нанопро изводство). Нанометрология включает в себя измерения размеров (когда раз меры объектов составляют нанометры, а точность измерения составляет доли нанометра), равно как и измерения сил, масс, электрических и других свойств нанообъектов. Принципиальным является то обстоятельство, что на нотехнологии в целом не смогут успешно развиваться без прогресса в нано метрологии.

Нанометрология, в развитие метрических и операющихся на таковые определений нанотехнолоий, таких как наноразмер и нанотехнологтии, вво дит ряд дополнительных определений. Среди них:

Стереология: Одно из определений стереологии следующее: Стерео логия является «набором инструментальных средств» для эффективных практических методов получения информации о трехмерной структуре объ ектов (число объектов, их размеры, площадь поверхности или объем) путем проведения двумерных микроскопических срезов. Это довольно развитая об ласть науки описывается в целом ряде публикаций, которые могут помочь провести корреляцию между микроструктурой и свойствами материалов.

Структура: Структура определяется как «совокупность элементов и их взаимодействий».

Наноструктура: Наноструктура характеризуется по типу поверхности, взаимодействиям, границам отдельных гранул, преципитатам, тонким слоям, частицам размерностью от нескольких атомов до 100 нм. К таким структурам могут быть причислены также белковые соединения и вирусы, а также все структуры взаимодействующие друг с другом на расстояниях менее 100 нм.

Возникает естественный вопрос: зачем вводить специальный термин «нанометрология» и выделять ее в отдельную область метрологии? Эксперты дают такой ответ. Нанометрологию следует рассматривать как один из не отъемлемых и самостоятельных разделов нанотехнологий.

Значимость нанометрологии определяется следующим.

Нанотехнологии уже сегодня широко используются в производстве, и области их применения быстро расширяются. Точное определение размеров объектов является ключевым вопросом как для нанотехнологий, так и в ис следованиях нано-объектов. Размеры таких объектов составляют менее нм, поэтому измерения должны проводиться с точностью ± 0.1 нм. Такая вы сокая точность требует разработок новых измерительных техник и методов.

Измерительная техника, предназначенная для обычных материалов, в большинстве случаев не может быть использована для замеров наноструктур.

Для измерений наноструктур должны быть разработаны специальные про токолы, в противном случае мы неизбежно будем проводить измерения с большими погрешностями.

Ученые и инженеры пытаются работать с новыми физическими явле ниями, которые возникают при уменьшении объектов и систем до размеров порядка нанометров. Изучение этих новых феноменов требует проведения корректных измерений различных физических величин у сверхмалых объек тов.

Наноструктуры, представляющие собой ансамбли атомов или частиц, могут принимать иногда весьма экзотические формы. Примерами могут слу жить практически все фуллерены, наночастицы со структурированным ядром, сложные нанотрубки, наноструктурированные металлы, дендримеры.

Для описания этих структур следует привлекать стереологию.

Вновь разрабатываемое оборудование должно быть способно решать все описанные выше задачи. Кроме того, такое оборудование должно позво лять производить воспроизводимые наноструктуры позволять оценивать их свойства.

Расширение прикладного применения наноструктур требует создания новых стандартов.

В области нано-масштабов происходит слияние исследований в раз личных областях, таких как биология, химия, материаловедение. Эти иссле дования при поддержке физических исследований и вычислительной техники получают все большее ускорение.

Таким образом, нанометрология является перспективной и динамично развивающейся областью, которая сочетает в себе возможности вести фун даментальные исследования и обладает хорошими перспективами в коммер циализации.

Следует различать научную и промышленную нанометрологии. Науч ная нанометрология широко распространена в исследовательских институтах и в промышленности. В то же время на пути внедрения промышленной на нометрологии все еще существует множество серьезных проблем. Основным отличиями между этими двумя течениями нанометрологии являются степень точности измерений, критерий стоимости/эффективности и конечно условия, в которых проводятся измерения. Приведенная далее таблица 4 иллюстриру ет эти основные различия.

Таблица 4. Научная и промышленная нанометрологии.

Нанометрология Научная Промышленная Требует высочайшей точности Требует высочайшей эффективности измери тельных систем В основном для понимания сути явлений Необходимо измерять количественные пара метры Количество измеряемых параметров: как Количество измеряемых параметров: мини можно больше мально необходимые Время и стоимость процедуры измерения Время и стоимость процедуры измерения – не имеют значения минимально необходимые Важно учитывать условия окружающей Измерения в условиях производственного среды процесса (жесткие условия, осложненные вибрациями, загрязнениями воздуха и т.д.) Как уже было отмечено в самом определении нанотехнологий, разме ры играют ключевую роль в определении свойств наноматериалов. В теоре тических и прикладных исследованиях были изучены новые феномены. Вот только несколько примеров:

Атомная диффузия через поверхность контакта при относительно низ ких температурах становится эффективным механизмом транспорта вещества. Этот эффект может использоваться для увеличения чувстви тельности газовых анализаторов, кинетики диффузии водорода в нако пительных элементах, или для снижения рабочих температур твердо оксидных топливных элементов.

Если размеры кристалла меньше, чем длина свободного пробега элек трона, электронная проводимость и температурный коэффициент на чинают уменьшаться из-за рассеивания на границах гранул.

Фононный спектр изменяется из-за поверхностных эффектов при сверхмалых размерах частиц: так называемый эффект фононного огра ничения.

В наноразмерных полупроводниках происходит изменение ширины за прещенной энергетической зоны, что ведет к смещению спектра люми несценции в сине-голубую область.

Затухание люминесценции в наночастицах оксидов зависит от разме ров этих частиц, что может найти применение в оптоэлектронных уст ройствах.

Уменьшение размеров квантовых точек до размеров нескольких элек тронов может служить базовой технологией для спинтроники.

Поверхностные эффекты в тонких пленках магнитных материалов ис пользуются в создании новых высокоэффективных накопителей ин формации и в чувствительных магнитных сенсорах. Пример таких эф фектов: гигантский магниторезистивный эффект (Giant Magnetic Resistance – GMR).

Механические свойства металлов с размерами зерна менее 100 нм пре терпевают значительные изменения в связи с появлением эффектов межзёренных границ. Такие эффекты позволяют получать материалы с уникальной прочностью и пластичностью, что увеличивает срок их службы.

Фазовое термодинамическое равновесие может изменяться в связи с проявлением различных поверхностных эффектов и изменением сво бодной энергии системы. Эти эффекты позволяют получать неравно весные материалы с новыми уникальными свойствами.

При взаимодействии материалов в наномасштабной шкале их триболо гические свойства могут существенно изменяться. Значительно умень шается в частности трение и износ материалов, что широко использу ется при производстве MEMS, различных микросистем и микрохирур гических инструментов.

Таблица 5. Эффекты наноматериалов, связанные с их размерностью, и их практическое применение.

Эффекты наномасштабов Практическое применение Увеличение соотношения поверхности к Катализаторы, солнечные батареи, газовые объему, высокая реакционная способность сенсоры Низкий порог перколяции Проводимость материалов, сенсоры Повышение прочности/износостойкости с Твердые покрытия, инструменты, защит уменьшением размеров зерна ные покрытия Сужение запрещенной зоны с уменьшением Оптоэлектроника размеров зерна Увеличение сопротивления с уменьшением Электроника, пассивные элементы, сенсо размеров зерна ры Улучшение кинетического коэффициента Батарейки, водородные накопители диффузии атомов Снижение температуры плавления и спека- Обработка материалов, низкотемпературное ния спекание материалов Улучшенная надежность, снижение устало- Электронные компоненты, MEMS сти материалов В реальных системах нано-объекты всегда случайно распределены по размерам. Для поликристаллических систем существует понятие распределе ния зернового состава (Grain Size Distribution – GSD), а для частиц – грану лометрического состава (Particle Size Distribution – PSD). Этот разброс может представлять значительные трудности при изучении эффектов, связанных именно с наноразмерами. Широкий разброс величин GSD и PSD может при вести к тому, что мы вообще не сможем наблюдать эффектов, обусловленных именно наноразмерами.

Представьте, что некоторое специфическое свойство наночастиц наи более полно выражается при их размерах порядка 5 нм, а снижение эффекта, зависящего от размеров, происходит пропорционально 1/R частицы. Это свойство может быть связано, например, с количеством реакционных катали тических центров, определяющих каталитическую активность на единицу массы частицы. Предположим, что частицы размером 5 нм обладают этим четко выраженным свойством, а более крупные частицы являются неактив ными. При большой величине разброса, свойства, определяемые размером, слабо зависят от среднего размера частиц в выборке. Следовательно, в нано технологиях большое значение приобретает целенаправленное снижение ве личин PSD и GSD.

Классификация наноструктур по размерности С точки зрения классификации наноструктур по размерности можно выделить следующие три класса:

1. Наномасштабные в одном измерении: тонкие пленки и поверхности.

2. Наномасштабные в двух измерениях: углеродные нанотрубки, неорга нические нанотрубки, нанопровода и биополимеры.

3. Наномасштабные в трех измерениях: наночастицы, фуллерены, денд римеры, квантовые точки.

Согласно другой классификации (Lojkowski и Fecht) наноматериалы можно классифицировать следующим образом:

(0-D) Наночастицы, квантовые точки, наноточки;

(1-D) Нанопровода, наностержни и нанотрубки;

(2-D) Покрытия, моно- и многослойные тонкие пленки;

(3-D) Сыпучие материалы;

Порошки;

Другие наноструктуры, включая фрактальные.

0-D Наночастицы: кристаллические образования металлов, размерами менее 100 нм, свободные или суспендированные в жидкости, либо внедрен ные в другой материал. Характеристические размеры, важные для конкрет ных прикладных задач, определяют физические феномены, использующиеся в этих задачах.

1-D Нанопроводники: проводники толщиной менее 100 нм, свободно расположенные, суспензированные в жидкости, или внедренные в другой ма териал.

2-D Покрытия и поверхностные слои. В эту категорию входят покры тия из нанокристаллических металлов, или нанокомпозиты. Структурный анализ таких покрытий обнаруживает гранулы (единичные кристаллы) ме талла размерами порядка нанометров, связанные друг с другом своими по верхностями. Другим примером 2-D наноматериалов могут быть поверхно сти некристаллических металлов, на которых в процессе специальной обра ботки (например, при упрочняющей дробеструйной обработке) образуются наноструктурированные слои. В настоящей работе мы включаем такие структуры в класс 2-D.

Структуры, у которых поверхностная металлическая пленка, толщиной в один кристалл (порядка одного нанометра) лежит на другом слое, также нанометрового размера (многослойные слоистые структуры), или структурно организованные группы металлических частиц на поверхности не входят в данную категорию. Такие структуры следует относить к категории наност руктур, которые будут описаны далее. Короче говоря: в будущем возможно предстанет необходимость проводить различия между наноструктурирован ными слоями, самособирающимися структурами из нанопроводов, нано кристаллитами, отдельно расположенными тонкими пленками и покрытиями, состоящими из нанокристаллов. В нашей работе последние из перечислен ных структур будут относиться к наноструктурам, тогда как покрытия будут относиться к классу 2-D.

3-D Объемные тела. К этой категории относятся макроразмерные ме таллические объекты, состоящие из нанокристаллов. Размеры таких объектов по всем измерениям значительно превосходят размеры отдельных состав ляющих их зерен. Отличия таких объектов от, например, толстых нанопо крытий (которые также по всем измерениям превосходят размеры зерна) со стоит в том, что они являются самостоятельными структурами, в то время как нанопокрытия не используются отдельно от субстрата.

Необходимо прокомментировать такое понятие, как структуры из на нометаллов. В литературе существует два альтернативных термина: нанокри сталлические металлы и наноструктурированные металлы. Строго говоря, эти термины обозначают разные вещи. При тяжелой пластической деформа ции (например, SPD) металлы часто приобретают особую структуру, которая называется «наноструктурой», но не может быть описана в классических терминах, характерных для наноразмерных кристаллов. Прежде всего, на нокристаллы подразумевают наличие отдельных зерен с четкими границами, а в таких металлических структурах границы зерен в значительной степени «размыты», да и форма зерен отличается крайней разнородностью. В то же время могут быть получены и нанокристаллические металлы, состоящие из четко выраженных кристаллов нанометровых размеров. Указанные два тер мина в строгой научной литературе относятся к различным типам структур, хотя часто их используют как эквивалентные.

Порошки: Состоят из нанокристаллов, полученных, например, в ходе механического измельчения. Частицы порошков могут иметь размеры, зна чительно превышающие размеры отдельных нанокристаллитов. Например, кристаллы размером порядка 50 нм могут образовывать частицы размерами порядка 20 мкм. Такие порошки могут быть частично и аморфными структу рами. Формально – это вещества класса 3-D, однако считается, что порошки не могут образовывать регулярную трехмерную структуру. Таким образом, эти материалы выносятся в отдельную категорию «порошков».

В литературе встречаются термины: нанопорошки, наночастицы, и на нокристаллы, которые часто считают эквивалентными, и относят к нанораз мерным частицам или к одиночным кристаллам. Тем не менее, термин «на нокристаллический порошок» должен относиться именно к порошку, кото рый не является кристаллическим образованием, но состоит из нанокристал лов. Следует с осторожность описывать такие материалы и стараться разли чать, является ли данный материал класса «порошков» действительно нанок ристаллическим порошком, или просто наноразмерным порошком, так у этих типов материалов будут различные свойства и области применения.

Другие наноструктуры: в эту категорию входят структуры, состоящие из различных материалов или из одного материала, один из аспектов которых является наноразмерным. Примерами могут быть фильтры с нанопорами, пе номатериалы с наноразмерными пузырьками, одно- или многослойные плен ки толщиной несколько нанометров на поверхности других материалов, са мособирающиеся на поверхности материала наночастицы и т.д. Для этих на ноструктур важна не столько природа составляющего их материала, как его форма.

У пеноматериалов или мембран именно пустоты в них являются нано размерными, поэтому в этом случае мы можем говорить именно о нанострук турах, но никак не о наноматериалах. Нанометрические пленки также вряд ли можно назвать наноматериалами: они существуют только в сочетании с суб стратом. Вместе с субстратом пленка образует наноструктуру, но не может быть охарактеризована как наноматериал. Ключевые особенности таких структур вытекают из характера взаимодействий между различными мате риалами.

При рассмотрении покрытий мы, наоборот, можем говорить о материа ле, покрытом другим наноматериалом.

Можно представить себе множество комбинаций нанопорошков, нано проводов, перемешанных или внедренных в массивные материалы, пленки, мембраны и т.д. Описывать эти структуры в терминах материаловедения не всегда представляется возможным. Точная терминологическая классифика ция данного класса структур до сих пор еще не разработана.

Нанометрология развивает и использует следующие нанометрологиче ские технологии:

1. Измерительная техника: Атомно-силовая микроскопия (AFM) или Сканирующая силовая микроскопия (SFM) Измеряемые наносистемы: Нанотрубки, алмазоподобный углерод, на нокристаллы CdS и CdSe, кобальтовые и железные наночастицы, массивы Ni квантовых точек, Ni80Fe20, нанопровода ZnO, дендримеры, нанопровода ZnSe, нанопровода Ge.

Измеряемые свойства: Топология, твердость и эластичность поверх ностей, размеры зерен, характеристики трения, специфичные молекулярные взаимодействия и магнитные свойства поверхностей, Как это работает: AFM-зонды медленно сканируют поверхность.

Взаимодействия зонда с атомами поверхности изгибает его. Для замера уровня изгиба зонда используется лазерный луч, сфокусированный на кронштейне зонда. Отражение луча фиксируется фотодетекторами.

Диапазон: глубина: 0,5нм-5нм;

разрешение по плоскости: 0,2-130нм Замечания: Может работать в контактном режиме (режим ошибок, LFM, CFM, режим силовой модуляции и режим трения), неконтактных ре жимах (EFM,CFM и MFM), и в точечном режиме.

В LFM используется четырехсегментный световой датчик. Наконеч ник покрывается специальным химическим составом в CFM, магнитно силовой микроскопии. Происходит взаимодействие магнитных и электри ческих полей наконечника и образца.

Для детекции магнитных полей наконечник покрывается Si3N4. В EFM используются металлические наконечники, в NSOM –наконечники из светового волокна.

Условия и проблемы: С помощью расширенного использования на стоящих инструментов возможно проводить замеры и других свойств нано фазных материалов, например, измерения локальных диэлектрических свойств кластеров с помощью сканирующей емкостной микроскопии (SCAM).

2. Измерительная техника: Электронно-графический анализ Измеряемые наносистемы: CoPt, углеродные нанотрубки, ZnGa2O4, наночастицы на основе Si Измеряемые свойства: Геометрия газообразных молекул Как это работает: Образец облучается электронным пучком и изме ряется дифракция электронов.

Диапазон: Нанометровая шкала Замечания: Эксперименты по дифракции электронов обычно проводят с помощью TEM или SEM.

3. Измерительная техника: Сканирующая туннельная микроскопия (STM) Измеряемые наносистемы: Нанотрубки, одномерные полифенилены, планарные полициклические ароматические углеводороды (PAHs), 3 нитробензол малонитрил (NBMN), 1,4-фенилендиамин (pDA), тетратиофуль ван (TTF), м-нитробензилидин пропандинитрил (m-NBP), 2-амино-4,5 имидазолдикарбонитрил (AIDCN) Измеряемые свойства: Трехмерная топология поверхностей: размеры, форма, шероховатость, дефекты, электронные структуры и локальная плот ность.

Как это работает: В STM металлический наконечник сканирует по верхность. На наконечник подается напряжение, а сам он располагается вплотную к поверхности, при этом возникает туннельный эффект. Топогра фия поверхности строится за счет замеров туннельных токов.

Диапазон: Глубина: 1 – 5 нм. Разрешение по плоскости: 2 – 10 нм Замечания: Может работать в двух режимах: Постоянного тока и по стоянной высоты.

4. Измерительная техника: Сканирующая электронная микроскопия (SEM) Измеряемые наносистемы: Платиновые нанопроводники, серебрянные нанопровода, Au/Ag нанопроводники, Bi нанопроводники, Si/GaN нанопро водники, Si и Ge нанокристаллы, TiO2, Bi2Te3 нанопроводники, Co and Ni на ночастицы, Al2O3, SiC нанопроводники, Au/Sn/Au нанопроводники, ZnSe на нопроводники, FeCo нанокристаллы, нановолокна оксида титана, Ge нано проводники.

Измеряемые свойства: Топография: свойства поверхностей. Морфо логия: форма и размеры частиц. Состав: составляющие образец элементы и соединения. Кристаллография: атомная решетка.

Как это работает: В SEM, пучок монохроматических электронов на правляется на образец через конденсорную линзу. Апертурная диафрагма отсекает электроны, движущиеся под другим углом. Затем пучок фокусиру ется и направляется на образец.

Диапазон: Глубина: 1нм – 5мкм. Разрешение по плоскости: 1 – 20 нм.

5. Измерительная техника: Просвечивающая электронная микроско пия (TEM) Измеряемые наносистемы: Платиновые нанопроводники, серебрянные нанопроводники, Bi нанопроводники, Co/Cu нанопроводники, InP квантовые точки, GaP квантовые точки, GaAs квантовые точки, CdS нангокристаллы, Cd3P2, PbS наночастицы, Si нанопроводники, SiGe/Si нанопроводники, Si and Ge нанокристаллы, Co наночастицы, нанотрубки, Fe3O4, CoPt, FePt, CoFe2O4, ZnO, AL2O3, Bi2O3 наночастицы, CeO2, оксиды индия и титана, оксид железа, m-ниробензиледен пропандинитрил (m-NBP), тетратиофульван (TTF), 1,4 фенилендиамин (pDA), 3- нитробензол-l-малонитирил (NBMN), дендримеры, CuO наностержни, SiC нанопроводники, Au/Sn/Au нанопроводники, ZnSe нанопроводники, FeCo нанокристаллы, Ge нанопроводники, нанокристаллы с сердцевиной PbSe/PbS, PbTe наностержни, PbSe нанопроводники, InAs/CdSe/ZnSe.

Измеряемые свойства: Морфология: размеры и форма частиц, Кри сталлография: определение дефектов на атомарном уровне, Состав: состав ляющие образец элементы и соединения, а также информация о фазе and (измерения шага кристаллической решетки) и ориентации образца.


Как это работает: В ТЕМ, пучок монохроматических электронов на правляется на образец через конденсорную линзу. Апертурная диафрагма отсекает электроны, движущиеся под другим углом. Пучок направляется на образец, и прошедшая образец часть пучка с помощью проекционных линз направляется на люминофорный экран. Перед проекционной линзой может быть установлена металлическая диафрагма.

Диапазон: Глубина: 200 нм. Разрешение по плоскости: 2 – 20 нм.

Замечания: Диафрагма может работать в двух режимах: режим визуа лизации и режим дифракции.

В режиме дифракции добавляется промежуточная линза для образова ния дифракционной картинки в задней фокальной плоскости экрана.

Этот режим также называют Selected Area Electron Diffraction (SAED) или Transmission High Energy Electron Diffraction (THEED).

В режиме визуализации для получения реального изображения объек та используется техника электронной голографии.

Этот режим также используется для получения количественной ин формации о структуре доменов и распределении полей.

В TEM для проведения микроанализов и изучения электронной струк туры материалов может использоваться спектроскопия энергетической дис персии рентгеновских лучей (Energy dispersive x ray spectroscopy (EDS)) и спектроскопия потерь энергии электронов (Electron energy loss spectroscopy (EELS)).

Условия и проблемы: Высокое разрешение по плоскости жизненно важно для решения многих практических задач в работе с наноматериала ми.

Тем не менее, разрешение изображения ограничивается эффектами промежуточных и проекционных линз.

6. Измерительная техника: Сканирующая просвечивающая электрон ная микроскопия (STEM) Измеряемые наносистемы: Наночастицы с ядром Au-Ag, однослойные углеродные нанотрубки.

Измеряемые свойства: Структурная, химическая и морфологическая информация.

Как это работает: Установки STEM позволяют получать точные электронные зонды, формирующиеся под действием сильных проекционных линз. Тонкий пучок электронов сканирует образец в двумерном растре, а сиг налы регистрируются специальными детекторами.

Диапазон: Глубина: 200 нм. Разрешение по плоскости: 2 – 20 нм.

Замечания: Может работать в трех режимах: получение изображений, дифракции и спектроскопии. В этих режимах может быть задействовано множество спектроскопических и микроскопических технологий.

Условия и проблемы: Использование Cs-корректоров и монохромато ров позволит изучать фундаментальные свойства материалов на нанометро вом и субнанометровом уровне.

Кроме того, применение сверхбыстрых компьютеров значительно улучшает прием сигнала и позволяет использовать новые алгоритмы анали за для построения изображений.

7. Измерительная техника: Малоугловое нейтронное рассевание (SANS) Измеряемые наносистемы: Наноразмерные олигосилоксаны, одно слойные углеродные нанотрубки.

Измеряемые свойства: Структурная информация: Структурная орга низация атомных слоев, молекул, типов колебаний в твердых телах.

Как это работает: В SANS используется источник нейтронов для ге нерации коллимированного пучка.

Образец помещается под пучок и происходит рассевание нейтронов.

Рассеянные нейтроны с параметрами 0.05° 2 3° регистрируются пози ционированным нейтронным датчиком. При этом получаем интенсивность рассеивания как функцию от положения.

Диапазон: Между 0,5 нм и 500 нм 8. Измерительная техника: Малоугловое рентгеновское рассеивание (SAXS) Измеряемые наносистемы: InP окружение, наноразмерные кластеры Pt, серебряные наночастицы, наночастицы ZnS, наностержни PbTe.

Измеряемые свойства: Структура атомарной организации.

Как это работает: Пучок рентгеновских лучей направляется на обра зец, а рассеянные под малыми углами электроны образца улавливаются спе циальными датчиками.

Диапазон: От 1 нм до нескольких сотен нанометров 9. Измерительная техника: Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (SNOM или NSOM) Измеряемые наносистемы: InGaAs QDs, карбоксилированные нано сферы, золотые нанопроводники, нанопроводники ZnO.

Измеряемые свойства: Химическая специфичность и/или идентифи кационная информация Как это работает: Метод представляет собой сочетание сканирую щей зондовой микроскопии и оптической микроскопии. Свет подается на образец через нановолокно, которое играет роль зонда и служит как для воз буждения, так и для регистрации эмиссии, сканируя образец.

Диапазон: Разрешение: 50 – 100 нм.

Замечания: Фотонная сканирующая туннельная микроскопия: осуще ствляет операции с непокрытыми образцами. В некоторых случаях разре шение по плоскости достигает 20 нм.

Микроскопия поперечной силы: используется волоконный зонд с пье зоэлектрическими элементами (быстрые осцилляции кончика зонда парал лельно поверхности). Амплитуда колебаний затухает при приближении кончика зонда к поверхности (воздействие силы сдвига). Эти изменения ре гистрируются.

Существуют также оптические микроскопы с линзами типа «твердая иммерсия» (SIL). Эти микроскопы снижают вертикальные лимиты на ди фракцию при работе в ближнем поле.

Условия и проблемы: В идеале зонд должен быть молекулярных раз меров. Тем не менее, зонды всегда бывают макроразмеров с кончиком по рядка нанометров. Также затруднения вызывают производство источников света и детекторов нанометровых размеров.

10. Измерительная техника: Спектроскопия потерь энергии электро нами (EELS) Измеряемые наносистемы: Углеродные и аламазоподобные сферы, CoO.

Измеряемые свойства: Химический состав образцов, электронная структура материалов, связи в кристаллах.

Как это работает: При прохождении электронов через образец они взаимодействуют с его структурами и теряют энергию. Количество потерян ной энергии зависит от типа атомов. Потери энергии замеряются и по ним оп ределяют количество и тип атомов, составляющих образец. Исследования структуры спектра позволяет определять химическое состояние атомов об разца.

Диапазон: Глубина: 200нм. Разрешение по плоскости: 1 – 100 нм Условия и проблемы: Проблемы количественных оценок состоят в низком уровне отношения сигнала к шуму.

11. Измерительная техника: Энергодисперсная рентгеновская спектро скопия (EDX или EDS или XEDS) Измеряемые наносистемы: Si, Ge нанокристаллы, InP наночастицы, SiC нанопроводники, ZnO нанопроводники, CdS нанопроводники, ZnSe на нопроводники, FeCo нанопроводники, Ge, нанопроводники нанокристаллы с ядром PbSe/PbS Измеряемые свойства: Концентрации отдельных элементов в образце, идентификация преципитатов в сплавах, сегрегация элементов в зонах кон такта гранул, количественная оценка многокомпонентных фаз.

Как это работает: Воздействие электронного пучка на образец вызы вает эмиссию рентгеновского излучения, которое и регистрируется.

Другими словами, метод базируется на определении пиков рентгенов ского излучения, вызванного прохождением высокоэнергетических электро нов через образец.

Диапазон: 0.1 мкм для тяжелых атомов и 1 мкм для легких элементов Замечания: EDX обычно используется как приложение к SEM. EDX используют при определении элементов с высоким атомным номером (Z), в то время как спектроскопия потерь энергии электронов (EELS) использует ся в исследовании легких элементов. Элементы легче углерода (Z=5) не оп ределяются с помощью EDX.

Условия и проблемы: Проблемы количественных оценок состоят в низком уровне отношения сигнала к шуму.

12. Измерительная техника: Рентгеноструктурный анализ (рентгенов ская дифрактометрия) (XRD) Измеряемые наносистемы: Платиновые и серебряные нанопроводники и наночастицы, Bi нанопроводники, InP квантовые точки, GaP квантовые точки, GaInP квантовые точки, CdS наночастицы, ZnS и ZnSe наночастицы, Cd3P2, PbS наночастицы, Si и Ge нанокристаллы и нанопродники, Si и TiO2 с присадками эрбия, нанотрубки, графитовые, FePt, CoFe2O4, ZnO и CuO нано частицы, Fe3O4, Bi2O3 наночастицы, AL2O3, планарные полициклические ароматические углеводороды (PAHs), SiC нанопроводники, Au/Sn/Au нано проводники, ZnSe нанопроводники, FeCo нанокристаллы, нановолокна окси да титана, Ge нанопроводники, PbTe наностержни, PbSe нанопроводники, InAs/CdSe/ZnSe, CdO нанопроводники, InSb нанокристаллы, HgS нанокри сталлы, Cu2O наночастицы и нанопроводники, CuO наночастицы, TiO2/CdS нанопроводники, InN/InP нанопроводники, InAs/InP нанопроводники, InGaN/GaN квантовые ямы, TiO2 порошковые наночастицы и нанопроводни ки, Bi2Te3 нанопроводники, AlN нанопроводники, GaAs нанопроводники, GaInP2 квантовые точки, GaР квантовые точки и нанопроводники.

Измеряемые свойства: Кристаллографическая информация: тип структуры, индексы Миллера, распределение зарядов вокруг атомов.

SAXRD дает информацию о толщине пленок, прочности контактов и топо логии поверхности.

Как это работает: Пучок рентгеновского излучения направлется на образец. Дифракция пучка зависит от периода кристаллической решетки.

Электроны материала взаимодействуют с пучком. Дифракционная картинка образуется за счет конструктивной интерференции.

Диапазон: Разрешение по вертикали лежит в суб-нанометровом диапа зоне.

Замечания: В дополнение к стандартным методам XRD, существует еще XRD с наклонным пучком. В этой методике угол падения рентгенов ского излучения на образец очень мал ( 5°), что позволяет исследовать не кристаллические образцы.

Условия и проблемы: Дифракционные картинки образцов наночастиц зависят от типа порошка. Рассеивание на атомах нанопорошков довольно слабое, поэтому важно, хотя и тяжело, уловить слабый сигнал. Для преодо ления этой трудности проводят детальный анализ, используют источники синхротронного излучения. На этих источниках можно получить непрерыв ный энергетический спектр. Кроме того, современная оптика и специальные устройства, такие как виглеры, позволяют получить хороший сигнал и на относительно малом образце.


13. Измерительная техника: Ренгеновская абсорбционная спектроско пия (XAS) Измеряемые наносистемы: Оксид железа, AlN нанопроводники и на ночастицы, карбид титана, наноалмазы, наночастицы ZnS, полислои Co/Pt, диоксид титана.

Измеряемые свойства: Структурная информация (связи, координаци онное число).

Как это работает: Технология рентгеновской абсорбционной спек троскопии позволят изучать коэффициенты поглощения энергии фотонов материей. Когда пучок монохроматическогоо рентгеновского излучения проходит через образец, его интенсивность снижается за счет взаимодейст вия с веществом (рассеивание, поглощение, и т.д.).

Диапазон: Глубина: нм – мкм Замечания: Спектроскопию рентгеновского поглощения можно грубо разделить на два раздела. Это – XANES (Спектроскопия рентгеновского по глощения вблизи порога поглощения) и EXAFS (Метод расширенной тон кой структуры рентгеновского поглощения) С помощью XANES изучают множественное рассеивание и получают информацию о симметрии и химическом состоянии.

EXAFS работает с простым рассеиванием и предоставляет структур ную информацию, такую как координационное число атомов и межатомные расстояния.

XAS в основном используют по методике EXAFS, так как в этом слу чае получают более достоверные данные и упрощается обработка результа тов.

Условия и проблемы: В методике EXAFS использование интенсивных источников и низких температур позволяет получать дополнительную структурную информацию с высоким разрешением (16-1).

Проведение дополнительных теоретических и экспериментальных процедур позволяет успешно исследовать биологические системы.

14. Измерительная техника: Нейтронная дифракция Измеряемые наносистемы: Дендримеры, наноразмерные трубки из карбида титана, NaO2 нанопроводники Измеряемые свойства: Атомные структуры, магнитные свойства на поверхностях.

Как это работает: Пучок нейтронов преломляется на кристалличе ской решетке материала и меняет свое направление. Так как нейтроны – не заряженные частицы, они не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Нейтроны взаимодействуют только с атомными ядрами.

Диапазон: Шкала нанометров Замечания: Нейтроны чувствительны магнитным свойствам материа лов, так как их магнитный момент равен нулю.

15. Измерительная техника: Спектроскопия отдельных молекул (Single-molecule spectroscopy) (SMS) Измеряемые наносистемы: MEH-PPV, Me-LPPP, дендримеры, QDI, TDI, PDI, планарные полициклические ароматические углеводороды (PAHs) Измеряемые свойства: Индивидуальные функциональные характери стики молекулярных систем, такие как миграция экситонов, разделение заря дов и флуоресценция.

Как это работает: Принцип действия сходен с технологией NSOM.

Диапазон: Традиционная спектроскопия работает с объемными про бами (растворами или пленками), в которых индивидуальные «отпечатки пальцев» отдельных молекул смазываются из-за множества молекул в про бе. Настоящий метод позволяет направлять свет на единичные молеку лы.Таким образом, можно регистрировать новые физические свойства, та кие как спектральная диффузия и мерцание, которые не регистрируются при спектроскопии больших ансамблей молекул.

16. Измерительная техника: Электронная Оже-спектроскопия (AES) Измеряемые наносистемы: Оксид индия, углеродные нанотрубки, на нопроводники ZnO, карбид кремния с присадками карбида бора и наноточ ками SiC.

Измеряемые свойства: Химический анализ: состав поверхностных слоев образца, атомные уровни Как это работает: Электроны направляются на образец, что вызыва ет эжекцию электронов с основных уровней. Электроны с верхних энерге тических уровней мигрируют вниз, и в результате высвобождается энергия.

Это может быть рентгеновское излучение или электроны (оже-электроны).

В методе замеряется энергия оже-электронов.

Диапазон: Глубина: 0,3 – 3 нм. Разрешение по плоскости 30 нм.

Замечания: Метод не позволяет детектировать водород или гелий, но чувствителен ко всем другим элементам, особенно с малыми атомными но мерами.

17. Измерительная техника: Поляризационная спектроскопия Измеряемые наносистемы: CdSe наностержни и нанокристаллы, PbS нанокристаллы, NiО, нанополиацетилен.

Измеряемые свойства: Ориентация возбуждения и смена ориентации дипольных моментов.

Как это работает: Например, при изучении эмиссионной поляризации измеряются изменения интенсивности эмиссии, когда линейный поляризатор вращается вокруг образца. Замеры поляризации происходят с CCD-детектора, который вращается с шагом в 15 градусов. Поляризация возбуждения может быть обнаружена при разнице замеров в положении детектора в 90°.

Замечания: Этот метод относится к дальнепольной микроскопии.

18. Измерительная техника: Фотолюминесцентная спектроскопия (PL), Электро-люминесцентная спектроскопия (EL), Катодолюминесцентная спектроскопия (CL) Измеряемые наносистемы: InP нанопроводники и квантовые точки, Cd3P2 наночастицы, нанокристаллы CdSe и CdS, нанокристаллы CdTe, нано частицы ZnS, нанопроводники ZnO и ZnSe, GaInAs-InP квантовые точки, GaAs-AlGaAs квантовые точки и нанопроводники, SiGe/Si нанопроводники, гетероструктуры Si/SiGe, нанокристаллы Si, Ge, Si с присадками эрбия, на нопроводники FeSi2, нанопроводники ZnSe, однослойые углеродные нанот рубки, PbSe/PbS, InAs/CdSe/ZnSe, CdSe/ZnSe, CdSe/CdS, CdS/ZnS, CdSe/ZnS комплексные нанокристаллы, нанокристаллы GaSb, нанокристаллы HgTe, нанокристаллы HgSe, нанопроводники CdO, нанокристаллы CuCl, CdS/HgS/CdS квантовые точки, нанопроводники InAs/InP, квантовые колод цы InGaN/GaN, сверхрешетки ZnMnSe/CdSe, квантовые колодцы CdZnSe/ZnSe, наночастицы MnS, наночастицы MgS и PbS, GaAs/AlAs, InAs/GaAs квантовые точки квантовые кольца, наноточки SiGe, нанопровод ники TiO2, GaN и GaAs, квантовые точки GaInP2, квантовые точки и нано проводники GaP, нанопроводники InAs.

Измеряемые свойства: Выявляет дефектные и примесные энергетиче ские уровни, время жизни носителей.

Как это работает: Фотолюминисценция: лазерное излучение с дли ной волны от 350 до 850 нм направляется на образец, вызывая возбуждение (идет образование пар электрон-дырка). Дырки и электроны рекомбинируют с термализацией электронов и эмиссией фотонов. В электро-люминесценции возбуждение достигается за счет электрического тока, а в катодолюминесце нии на образец направляется пучок электронов.

Замечания: Доступны также технологии магнитной люминесценции, технологий NSOM PL и NSOM CL.

19. Измерительная техника: Инфракрасная спектроскопия с преобра зованием Фурье (FTIR) Измеряемые наносистемы: Нанокристаллы CdSe, нанокристаллы Si, нанокристаллы Ge, нанокристаллы TiO2, нанокристаллы ZnO, наночастицы оксида кальция, SiC.

Измеряемые свойства: Структурная и химическая информация: тип связей, определение неизвестных примесей в образце, колебательная энер гия молекул.

Как это работает: На образец подается ИК-излучение с частотой, близкой к собственным колебательным частотам молекул образца.

Перед тем, как попасть на образец, свет проходит через интерферо метр. Получаемая интерферограмма с помощью преобразования Фурье кон вертируется в спектр.

Замечания: Под воздействием излучения должен изменяться диполь ный момент молекул, в противном случае колебательные движения не бу дут реагировать на ИК-излучение.

20. Измерительная техника: Рамановская спектроскопия Измеряемые наносистемы: Нановолокна из оксида титана, нанокри сталлы CdTe, Si нанопроводники, Si, Ge нанокристаллы, нанотрубки, алмазо подобный углерод, плавнарные ароматические полициклические углеводо роды (PAHs), оксид титана, нанокристаллы на основе CdSe/CdS, нанокри сталлы GaSb, квантовые колодцы InGaN/GaN, квантовые колодцы CdZnSe/ZnSе, квантовые колодцы и проводники GaAs/AlAs, квантовые ко лодцы и квантовые кольца InAs/GaAs, SiGe наноточки и нанопроводники, SiC, TiO2 порошковые наночастицы и нанопроводники, ннопроводники ZnSe, CdS, AlN нанопроводники, нанопроводники GaN, квантовые точки и нано проводники GaAs, квантовые точки и нанопроводники GaP.

Измеряемые свойства: Химические свойства: концентрация приме сей, колебательные спектры.

Как это работает: Пучок лазерного излучения видимой области спек тра, ближней инфракрасной области или ближнего ультрафиолета направ лется на образец. Детектируются фотоны, которые неупруго рассеиваются молекулами. Неупруго рассеянное излучение отличается длиной волны от подаваемого на образец пучка, причем разница в длинах волн определяется колебательными движениями молекул.

Замечания: Поляризация молекул должна коррелировать с колеба тельными движениями молекул.

21. Измерительная техника: Рентгеновская фотоэлектронная спектро скопия (XPS) или Электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA) Измеряемые наносистемы: Нанокристаллы Si, Ge, наночастицы InP, нанопроводники SiC, нанопроводники и наночастицы ZnO, алмазоподобный углерод, нановолокна диоксида титана, наночастицы Cd3P2, нанопроводники PbSe, нанокристаллы на основе InAs/CdSe/ZnSe, InAs/CdSe, нанокристаллы InSb, наночастицы и нанопроводники Cu2O, наночастицы MnS, наноточки и нанопроводники SiGe, SiC.

Измеряемые свойства: Химические элементы на поверхности, иссле дования внутренних слоев.

Как это работает: Рентгеновское излучение ударяется о поверхность материала. Это приводит к эжекции электронов различных энергий. Элек троны, покидающие образец, регистрируются электронным спектрометром и классифицируются по своей кинетической энергии.

Диапазон: Глубина: 0,5 – 10 нм. Разрешение по плоскости: 5 нм – мкм.

Замечания: Эта техника работает с легкими атомами. Энергия пучка рентгеновского излучения лежит в диапазоне 200 – 2000 эВ 22. Измерительная техника: Вторичная ионная масс-спектрометрия (SIMS) Измеряемые наносистемы: Углеродные нанотрубки, Al2O Измеряемые свойства: Структура областей рядом с поверхностью об разца, концентрация примесей Как это работает: Вторичная ионная масс-спектрометрия заключает ся в бомбардировке образца пучком высокоэнергетических ионов, что при водит к распылению ионов образца («вторичные ионы»). Эти вторичные ио ны улавливаются масс-спектрометром и анализируются по своим энергиям и соотношению массы к заряду.

Диапазон: Несколько атомных слоев порядка 1-3 нм Условия и проблемы: SIMS является разрушающим методом, так как взаимодействие пучка ионов с материалом приводит к изменению его хи мических свойств в поверхностной области.

23. Измерительная техника: Дифференциальная сканирующая калори метрия (DSC) Измеряемые наносистемы: Графит, TiO2, стекловидные сплавы Nd60Al20Fe20, углеродные нанотрубки.

Измеряемые свойства: Определение температуры плавления, теплоты плавления, идентификация фазовой трансформации.

Как это работает: В этом методе для нагрева образца используются различные количества тепла, а разница в переданном тепле измеряется как функция от температуры.

24. Измерительная техника: Мёссбауэровская спектроскопия Измеряемые наносистемы: CoFe2O4, наночастицы оксида железа, на ночастицы Fe, ZnFe2O4, железо с присадками TiO2, Fe2O3.

Измеряемые свойства: Химические структурные, магнитные и зави сящие от времени свойства.

Как это работает: Спектроскопия базируется на эффекте Мёссбауэра.

Когда свободные ядра поглощают проходящие гамма-лучи, происходит от дача, в зависимости от сохранения момента (эффект Мёссбауэра). Гамма лучи проходят через образец и детектор регистрирует частоту поглощенной или пропущенной гамма-радиации.

Замечания: Для получения Мёссбауэровского поглощения гамма-лучи должны обладать определенной, довольно низкой энергией, в противном случае число атомов отдачи в образце будет очень мало, и полезный сигнал не будет выделяться над шумом.

Кроме того, только некоторые изотопы могут соответствовать критери ям Мёссбауэровской спектроскопии – это небольшая группа атомов, вклю чая: 57Fe, 129 119 I, Sn, и Sb. Наиболее часто в этой технологии используется изотоп 57Fe.

25. Измерительная техника: Ядерный магнитный резонанс (NMR) Измеряемые наносистемы: Нанотрубки из нитрида бора, однослойные углеродные нанотрубки.

Измеряемые свойства: Магнитные свойства ядер, определение от дельных атомов в молекуле, анализ состава неизвестных материалов, сте пень релаксационной и конформационной изменчивости функциональных молекул в исследуемых системах. NMR изучает магнитные свойства ядер, выстраивая их спины в мощном внешнем магнитном поле, а затем нарушая это построение с помощью электромагнитных полей. Сопротивление ядер дезорганизации внешним полем и используется в ядерной магнитной спек троскопии.

Замечания: Только этот метод позволяет получать детальную инфор мацию о точной трехмерной структуре биологических молекул в растворе.

Условия и проблемы: Из-за относительно низкой чувствительности требует довольно больших образцов, что может являться недостатком.

26. Измерительная техника: Циклическая вольтметрия (CV) и Вольт метрия с линейной разверткой (LSV).

Измеряемые наносистемы: Наностержни PbTe, углеродные нанотруб ки, кремний, наночастицы Pt, фуллерены, гидрофобные наночастицы Pt-Ru.

Измеряемые свойства: Кинетические и термодинамические свойства.

Как это работает: В циклической вольтметрии напряжение колеб лется между двумя выбранными пределами, в то время как ток остается по стоянным. В этом случае потенциал меняется как линейная функция от вре мени.

В вольтметрии с линейной разверткой потенциал сканируется от на чальной точки до некоторой заданной конечной величины.

27. Измерительная техника: Четырехзондовый метод и I-V техника Измеряемые наносистемы: Pt нанопроводники, серебряные нанопро водники, однослойные углеродные нанотрубки, нанокристаллы MgO.

Измеряемые свойства: Электрическая проводимость.

Как это работает: Группа из четырех электродов, расположенных в линию, с равными расстояниями между электродами контактирует с поверх ностью.

Постоянный ток течет между внешними электродами, в то время как измеряется потенциал между внутренними электродами.

Замечания: Сообщается, что в четырехзондовом методе, используемом в микроскопии, расстояние между электродами достигает 200 нм.

28. Измерительная техника: Емкостная спектроскопия Измеряемые наносистемы: Металлические или полупроводниковые нанокристаллы, используемые для создания систем памяти Измеряемые свойства: Сохранение заряда.

Как это работает: Регистрируется сдвиг напряжения в вольт амперных кривых, который затем преобразуется в количество заряда, кото рое могут сохранять нанокристаллы Глава 8. Обеспечение нанобезопасности С внедрением новых технологий все большее число человек в ходе своей деятельности сталкивается с производством и использованием наноча стиц. Соответственно, растет и необходимость оценок характера воздействия таких частиц на организм человека и их безопасного применения.

Выработка целостной картины по безопасности труда и вопросам здра воохранения в связи с использованием нанотехнологий является комплекс ной задачей. Постоянно появляются новые виды наноматериалов, и, соответ ственно, расширяются контакты с ними работников в ходе производственных процессов. Задача состоит в эффективном решении вопросов безопасности труда, что позволит обществу в полной мере использовать все потенциаль ные возможности нанотехнологий.

Безопасность в области нанотехнологий – государственная задача, в рамках которой выполняются работы по:

(1) определению ключевых вопросов, связанных с возможной опасно стью наноматериалов, (2) защите работников, имеющих дело с новыми технологиями, (3) выполнению стратегического плана разработок и всеобщего рас пространения мер безопасности и контроля на рабочих местах, и (4) изучению различных прикладных направлений нанотехнологий с точки зрения обеспечения безопасности рабочего места и здоровья работни ков.

Из-за своих малых размеров и относительно большой площади поверх ности искусственные наночастицы могут обладать химическими, физически ми и биологическими свойствами, отличными от таковых исходных материа лов. Среди таких свойств могут быть способность наночастиц попадать в легкие, проникать в организм человека через кожу, проходить через клеточ ные мембраны и взаимодействовать с организмом на молекулярном уровне.

Для разработки эффективных правил безопасности все эти свойства необхо димо изучить.

Определение потенциальной опасности наночастиц и других наномате риалов для работающего с ними персонала предполагает исследования, включающие в себя оценки характеристик наночастиц, используемых на ра бочих местах, при этом особое внимание уделяется токсичности углеродных наночастиц. Предварительные результаты работ на мышах показали, что не которые виды нанотрубок при попадании их в легкие могут вскоре вызывать фиброзные явления даже в сравнительно малых концентрациях. В рамках ра бот по нанобезопасности исследуют вероятность того, что наночастицы мо гут быть захвачены из легких током крови и разноситься по важным органам и тканям организма. Также исследуются возможные кожные эффекты воз действия наночастиц. Кроме того, с помощью установки для получения аэро золей из наночастиц и проводятся исследования респираторных воздействий на животных моделях. Эти работы позволят ученым определять, какую опас ность здоровью людей могут представлять инженерные наноматериалы при контакте с ними на рабочем месте. В настоящее время по данным работам существуют только предварительные результаты, поэтому для того, чтобы говорить о реальном риске воздействия наноматериалов на здоровье людей требуется проведение дополнительных исследований.

В рамках работ по нанобезопастности ведется поиск использования прикладных нанотехнологий для решения вопросов профессиональной безо пасности, включая использование таких технологий, как эффективные сис темы фильтрации, сенсоры и защитная одежда.

Так как в настоящее время еще не накоплено достаточно информации о воздействии, которое могут оказать на здоровье человека наночастицы в процессе их производства и использования, для минимизации риска для пер сонала, занятого в нанотехнологиях, следует предпринимать временные меры предосторожности.

При проведении большинства процессов и выполнении рабочих задач необходимо осуществлять постоянный контроль над содержанием в воздухе наноаэрозолей, используя при этом инженерные технологии (такие как вы тяжная вентиляция, изолирование рабочих процессов), которые используют ся при работе с другими типами частиц, образующих аэрозоли Осуществление программы управления рисками на рабочих местах, там, где люди контактируют с наноматериалами, поможет существенно сни зить потенциально опасное воздействие наноаэрозолей на организм рабочих.

В такие программы должны быть включены элементы инженерного контроля и процедуры для поддержания чистоты рабочих помещений. Системы инже нерного контроля, такие как изоляция источника загрязнений (т.е. изоляция источника от рабочего персонала) и местная вытяжная вентиляция должны обеспечивать эффективное удаление наночастиц их воздуха помещений. Те кущая практика показывает, что хорошо организованная вытяжная вентиля ционная система, оснащенная высокоэффективными фильтрами, должна до вольно эффективно удалять наночастицы из воздуха. Использование прото кола поддержания особой чистоты помещений (создание особых зон пере мещения продукции, использование влажной чистки, очистка загрязненных поверхностей), в сочетании с обучением и подготовкой персонала, а также при необходимости использование индивидуальных средств защиты сущест венно снижают потенциальную опасность контактов с наноматериалами.

В тех случаях, когда административно-инженерные усилия по предот вращению контакта оказываются недостаточными, необходимо пользоваться респираторами.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.