Нанопроизводство
Нанопроизводство — это как производство наноразмерных материалов, которые могут представлять собой порошки или жидкости, так и производство деталей «снизу вверх» из наноразмерных материалов или «сверху вниз» наименьшими шагами для высокой точности, что используется в нескольких технологиях, таких как лазерная абляция , травление. и другие. Нанопроизводство отличается от молекулярного производства , которое представляет собой производство сложных наноразмерных структур посредством небиологического механосинтеза (и последующей сборки). [1]
Термин «нанопроизводство» широко используется, например, Европейской технологической платформой MINAM. [2] США и Национальная инициатива по нанотехнологиям (NNI). [3] NNI называет подсферу нанотехнологий одной из пяти своих «приоритетных областей». [4] Также существует программа нанопроизводства в Национальном научном фонде США , в рамках которой Национальная сеть нанопроизводства (NNN) была создана . NNN — это организация, которая работает над ускорением перехода нанотехнологий от лабораторных исследований к серийному производству и делает это посредством обмена информацией. [5] стратегические семинары и разработка дорожных карт.
ННИ дал очень широкое определение нанотехнологии: [6] включать широкий спектр крошечных структур, в том числе созданных с помощью больших и неточных инструментов. Однако нанопроизводство не имеет определения в недавнем отчете NNI « Приборы и метрология для нанотехнологий» . Напротив, другая «приоритетная область» — нанопроизводство — определяется как «способность изготавливать методами направленной или самосборки функциональные структуры или устройства на атомном или молекулярном уровне» (стр. 67). Нанопроизводство, по-видимому, представляет собой краткосрочное промышленное производство объектов на основе нанотехнологий с упором на низкую стоимость и надежность. Многие профессиональные общества сформировали технические группы по нанотехнологиям. Техническую группу Например, Общество инженеров-технологов сформировало по нанопроизводству , чтобы информировать членов о разрабатываемых технологиях и решать организационные и юридические вопросы интеллектуальной собственности, которые необходимо решить для более широкой коммерциализации.
В 2014 году Счетная палата правительства отметила, что лидерство Америки в области нанотехнологий оказалось под угрозой из-за неспособности правительства инвестировать в подготовку фундаментальных исследований для коммерческого применения. [7]
Фон
[ редактировать ]Реализация многочисленных применений и преимуществ наносистем в повседневных материалах, электронике, медицине, энергосбережении, устойчивом развитии и транспорте привела к исследованиям по разработке методов производства этих наносистем в более крупных масштабах и с более высокими темпами. . [8] Программы и организации, такие как NNI и NNN, в настоящее время финансируют исследования, направленные на разработку экономичных, устойчивых и надежных технологий нанопроизводства в промышленном масштабе. [9] [10]
Примером такой технологии является система наномасштабной офсетной печати (NanoOps), разработанная исследователями Центра высокоскоростного нанопроизводства (CHN) Северо-Восточного университета. [11] NanoOps — это форма направленной сборки, которая быстрее и экономичнее, чем традиционная 3D-печать наносистем. Ахмед Буснаина, который был руководителем проекта и снялся в фильме « От лаборатории к фабрике: пионеры нанопроизводства», описывает систему как печатный станок. Травленый шаблон с нанопроволоками погружают в раствор с наночастицами, который действует как краска для печати. [12] Наночастицы прилипают к шаблону, когда к раствору подается электричество. [11] Затем шаблон с прикрепленными наночастицами можно вынуть из раствора и прижать к любому материалу по вашему выбору. По словам Буснайна, весь процесс стоит всего 1% от стоимости обычного производства и может сократить время производства с дней до минут. [11]
Еще одним показательным примером является технология изготовления методом инфильтрации мягких шаблонов, разработанная Назанином Бассири-Гарбом из Технологического института Джорджии . Это восходящая технология нанопроизводства для изготовления сегнетоэлектрических пьезоэлектрически активных нанотрубок. В этом методе используется электронно-лучевая литография для создания вакуума на золь-гель растворе предшественника, тем самым создавая полимерный шаблон. С помощью этого масштабируемого и практичного производственного процесса пользователь может создавать индивидуальные узоры и формы для множества применений. [13] [14]
Общий обзор
[ редактировать ]Нанопроизводство относится к процессам производства объектов или материалов размером от одного до ста нанометров . [15] Результатом этих процессов являются нанотехнологии , чрезвычайно маленькие устройства, структуры, функции и системы, которые находят применение в органической химии, молекулярной биологии , аэрокосмической технике , физике и за ее пределами. [16] Нанопроизводство позволяет создавать новые материалы и продукты, которые имеют такие применения, как процессы удаления материала, сборка устройств, медицинские устройства , электростатические покрытия и волокна , а также литография . [16] Нанопроизводство — относительно новая отрасль производства, которая представляет собой как новую область науки, так и новый рынок. Исследования в области нанопроизводства, в отличие от традиционного производства, требуют коллективных усилий, охватывающих типичные инженерные разногласия, таких как сотрудничество между инженерами-механиками , физиками, биологами , химиками и учеными-материаловедами . [16]
Нанопроизводство обычно можно разделить на две категории: подходы «сверху вниз» и «снизу вверх».
Нанопроизводственная промышленность
[ редактировать ]В 2009 году 91 миллиард долларов пришлось на американские продукты, включающие нанокомпоненты. [17] В период с 2001 по 2004 год более 60 стран создали программы, связанные с наноиндустрией, на национальном уровне. [17] Совокупное финансирование Национальной нанотехнологической инициативы (NNI) с 2000 года составляет более 12 миллиардов долларов. [17]
С точки зрения устойчивости, атомно-слоевое осаждение (ALD) представляет собой нанотехнологию производства, использующую метод производства «снизу вверх» и химического осаждения из паровой фазы (CVD). [19] ALD заменяет диэлектрическую пленку SiO 2 диэлектрической пленкой Al 2 O 3 . [19] ALD-индустрия уже используется в полупроводниковой промышленности и перспективна в области солнечных элементов, топливных элементов, медицинского оборудования, датчиков и полимеров. [19] Технологии нанопроизводства позволяют улучшить упаковку пищевых продуктов. [18] Например, улучшение барьера из пластикового материала позволяет клиентам идентифицировать соответствующую информацию. [18] Более длительный срок хранения и безопасность пищевых продуктов также направлены на функции самовосстановления. [18] Использование традиционных строительных материалов; сталь и бетон улучшаются с помощью нанотехнологий. Армирование бетона наночастицами оксида металла снижает проницаемость и увеличивает прочность. [20] Свойство высокой прочности на разрыв и модуля Юнга наноуглеродных добавок, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ), создает более плотный и менее пористый материал. [20]
Проблемы нанопроизводства
[ редактировать ]Переход нанотехнологий от лабораторных демонстраций к промышленному производству сталкивается с рядом проблем, некоторые из которых включают в себя:
- Разработка методов производства, которые являются экономичными и дают жизнеспособный урожай. [9]
- Контроль точности сборки наноструктур [9] [21]
- Проверка надежности и разработка методов контроля дефектов. В настоящее время контроль дефектов в полупроводниковой промышленности носит неселективный характер и занимает 20-25% от общего времени производства. По прогнозам, устранение дефектов в наносистемах займет гораздо больше времени, поскольку требует избирательного и тщательного удаления примесей. [21]
- Сохранение наноразмерных свойств и качества наносистемы во время высокоскоростного и крупносерийного производства, а также в течение всего срока службы продукта после производства. [9] [21]
- Оценка экологических, этических и социальных последствий [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дрекслера Глоссарий наносистем
- ^ Веб-сайт МИНАМ
- ^ Веб-сайт Национальной нанотехнологической инициативы США.
- ^ «События в истории британских телекоммуникаций» . События в истории British Telecomms . Архивировано из оригинала 5 апреля 2003 года . Проверено 25 ноября 2005 г.
- ^ ИнтерНано
- ^ Национальная нанотехнологическая инициатива США: Что такое нанотехнологии? Архивировано 21 февраля 2011 г. в Wayback Machine.
- ^ «Нанопроизводство в Америке» . Экономист . 7 февраля 2014 года . Проверено 10 февраля 2014 г.
- ^ «Преимущества и приложения | Нано» . www.nano.gov . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с д «NSI: Устойчивое нанопроизводство — создание отраслей будущего | Нано» . www.nano.gov . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ «О Национальной сети нанопроизводств | ИнтерНано» . www.internano.org . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с «НаноОПС: от лаборатории к производству: нанопроизводство НЭУ» . nano.server281.com . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ «3Qs: 3D-печать завтрашнего дня | новости @ Northeastern» . www.northeastern.edu . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ Бернал, Эшли; Целев, Александр; Калинин Сергей; Бассири-Гарб, Назанин (2012). «Отдельно стоящие сегнетоэлектрические нанотрубки, обработанные методом инфильтрации мягких шаблонов» . Продвинутые материалы . 24 (9): 1160–1165. дои : 10.1002/adma.201103993 . ISSN 1521-4095 . ПМИД 22279013 . S2CID 21328432 .
- ^ Заявка США 2013149500 , Бассири-Гарб, Назанин и Бернал, Эшли Л., «Производство наноматериалов методом инфильтрации с использованием мягких шаблонов», опубликованная 13 июня 2013 г. , в настоящее время прекращена.
- ^ Ван, Ян (2009). «НАНОПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ» (PDF) . Международная ассоциация управления технологиями . Университет Центральной Флориды . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с Бискарини, Фабио; Чен, Джули; Командури, Ранга; Талиани, Карло (январь 2002 г.). «СЕМИНАР NSF-EC ПО НАНОПРОИЗВОДСТВУ И ПЕРЕРАБОТКЕ» (PDF) . Национальный научный фонд . Проверено 16 февраля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б с Роко, Михаил (2011). «Долгосрочная перспектива развития нанотехнологий: Национальная нанотехнологическая инициатива через 10 лет» . Журнал исследований наночастиц . 13 (2): 427–445. Бибкод : 2011JNR....13..427R . дои : 10.1007/s11051-010-0192-z .
- ^ Jump up to: а б с д Сехон, Бхупиндер (2010). «Пищевые нанотехнологии – обзор» . Нанотехнологии, наука и приложения . 3 : 1–15. ПМЦ 3781769 . ПМИД 24198465 .
- ^ Jump up to: а б с д Юань, Крис (2012). «Трехмерный системный подход для экологически устойчивого производства» . Анналы CIRP . 61 : 39–42. дои : 10.1016/j.cirp.2012.03.105 .
- ^ Jump up to: а б Ханус, Моника (2013). «Нанотехнологические инновации для строительной отрасли». Прогресс в материаловедении . 58 (7): 1056–1102. дои : 10.1016/j.pmatsci.2013.04.001 .
- ^ Jump up to: а б с Буснаина, Ахмед (2007). Справочник по нанопроизводству . Бока-Ратон: Пресса CRC: Тейлор и Фрэнсис Групп. стр. 3–16 . ISBN 978-0-8493-3326-2 .
- ^ «Цели и миссия: НЭУ Нанопроизводство» . nano.server281.com . Проверено 16 февраля 2016 г.