Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Нанопроизводство - это как производство наноразмерных материалов, которые могут быть порошками или жидкостями, так и изготовление деталей «снизу вверх» из наноразмерных материалов или «сверху вниз» с мельчайшими шагами для обеспечения высокой точности, используемых в нескольких технологиях, таких как лазерная абляция , травление. и другие. Нанопроизводство отличается от молекулярного производства , которое представляет собой изготовление сложных наноразмерных структур с помощью небиологического механосинтеза (и последующей сборки). [1]

Термин «нанопроизводство» широко используется, например, Европейской технологической платформой MINAM [2] и Национальной инициативой США по нанотехнологиям (NNI). [3] NNI называет подобласть нанотехнологий одной из пяти «приоритетных областей». [4] Существует также программа нанопроизводства в Национальном научном фонде США , в рамках которой была создана Национальная сеть нанопроизводства (NNN) . NNN - это организация, которая работает над ускорением перехода нанотехнологий от лабораторных исследований к производственному производству, и делает это посредством обмена информацией [5]. стратегические семинары и разработка дорожной карты.

NNI дал очень широкое определение нанотехнологии [6], включая широкий спектр крошечных структур, в том числе созданных большими и неточными инструментами. Однако нанопроизводство не определено в недавнем отчете NNI « Приборы и метрология для нанотехнологий» . Напротив, другая «приоритетная область», нанопроизводство , определяется как «способность изготавливать с помощью направленных методов или методов самосборки функциональные структуры или устройства на атомарном 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 сообщества сформировали технические группы по нанотехнологиям. Общество инженеров Производство, например, сформировала техническую группу по нанопроизводству, чтобы как информировать участников о разрабатываемых технологиях, так и решать организационные и юридические вопросы, связанные с интеллектуальной собственностью, которые необходимо решать для более широкой коммерциализации.

В 2014 году Счетная палата правительства отметила, что лидерство Америки в области нанотехнологий оказалось под угрозой из-за того, что правительство не инвестировало в подготовку фундаментальных исследований для коммерческого применения. [7]

Фон [ править ]

Реализация многочисленных приложений и преимуществ наноразмерных систем в повседневных материалах, электронике, медицине, энергосбережении, устойчивости и транспортировке привела к исследованиям в области разработки методов производства этих наносистем в более крупном масштабе 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 промышленных технологий нанопроизводства. [9] [10]

Примером такой технологии является система наноразмерной офсетной печати (NanoOps), разработанная исследователями из Центра высокопроизводительного нанопроизводства (CHN) Северо-Восточного университета. [11] NanoOps - это форма направленной сборки, которая быстрее и экономичнее, чем традиционная 3D-печать наносистем. Ахмед Буснаина, который был главным руководителем проекта и снялся в фильме « От лаборатории к фабрике: пионеры в нанопроизводстве», описывает систему как печатный станок. Протравленный шаблон с нанопроводами погружают в раствор с наночастицами, который действует как краска для печатной машины. [12] Наночастицы прилипают к шаблону, когда к раствору подается электричество. [11]Затем шаблон с прикрепленными наночастицами можно извлечь из раствора и прижать к любому материалу по выбору. По словам Буснайны, весь процесс стоит всего 1% от обычного производства и может сократить время производства с дней до минут. [11]

Общий обзор [ править ]

Нанопроизводство относится к производственным процессам объектов или материалов с размерами от одного до ста нанометров . [13] Эти процессы приводят к нанотехнологиям , чрезвычайно устройствам, структурам, функциям и системам, которые находят применение в органической химии, молекулярной биологии , аэрокосмической технике , физике и других областях . [14] Нанопроизводство позволяет создавать новые материалы и продукты, которые имеют такие приложения, как процессы удаления материала, сборка устройств, медицинские устройства , электростатическое покрытие и волокна , а такжелитография . [14] Нанопроизводство - относительно недавняя 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 в типичных инженерных областях, таких как сотрудничество инженеров-механиков , физиков, биологов , химиков и ученых-материаловедов . [14]

Нанопроизводство обычно можно разделить на две категории: нисходящие и восходящие подходы.

Нанопроизводство [ править ]

В 2009 году 91 миллиард долларов был вложен в продукты США, содержащие наноразмерные компоненты. [15] В период с 2001 по 2004 год более 60 стран учредили программы, связанные с нанотехнологической промышленностью, на национальном уровне. [15] Совокупное финансирование Национальной инициативы по нанотехнологиям (NNI) с 2000 года составляет более 12 миллиардов долларов. [15]

Стол. 1 Развитие нанотехнологий в мире и США [16]
Рис.1. Количество патентов, связанных с нанотехнологиями, и не совпадающих с ними. [17]

С точки зрения устойчивости, осаждение атомных слоев (ALD) представляет собой наномасштабную производственную технологию с использованием метода производства снизу вверх и химического осаждения из паровой фазы (CVD). [17] ALD заменяет диэлектрическую пленку SiO 2 диэлектрической пленкой Al 2 O 3 . [17] Промышленность ALD уже используется в полупроводниковой промышленности и перспективна в производстве солнечных батарей, топливных элементов, медицинских устройств, датчиков и полимеров. [17] Технологии нанопроизводства позволяют усовершенствовать упаковку пищевых продуктов. [16] Например, улучшение барьера из пластикового материала позволяет клиентам находить соответствующую информацию. [16]Более продолжительная пища и более безопасная пища также нацелены на функции самовосстановления. [16] Выполнение традиционных строительных материалов; сталь и бетон улучшаются с помощью нанотехнологий. Армирование бетона наночастицами оксида металла снижает проницаемость и увеличивает прочность. [18] 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. [18]

Проблемы нанопроизводства [ править ]

Переход нанотехнологий от лабораторных демонстраций к производству в промышленных масштабах связан с рядом проблем, некоторые из которых включают:

  • Разработка методов производства, которые являются экономичными и обеспечивают приемлемый урожай [9]
  • Контроль точности сборки наноструктур [9] [19]
  • Проверка надежности и разработка методов контроля дефектов. В настоящее время контроль дефектов в полупроводниковой промышленности является неселективным и занимает 20-25% от общего времени производства. Предполагается, что устранение дефектов для наноразмерной системы займет гораздо больше времени, поскольку требует избирательного и тщательного удаления примесей. [19]
  • Сохранение наноразмерных свойств и качества наносистемы во время высокопроизводительного и крупносерийного производства, а также в течение всего срока службы продукта после производства [9] [19]
  • Оценка экологического, этического и социального воздействия [20]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Глоссарий наносистем Дрекслера
  2. ^ Сайт MINAM
  3. ^ Веб-сайт Национальной инициативы США по нанотехнологиям
  4. ^ «События в британской истории телекоммуникаций» . События в British TelecommsHistory . Архивировано из оригинала 5 апреля 2003 года . Проверено 25 ноября 2005 года .
  5. ^ InterNano
  6. ^ Национальная нанотехнологическая инициатива США: что такое нанотехнология? Архивировано 21 февраля 2011 года на Wayback Machine.
  7. ^ «Нанопроизводство в Америке» . Экономист . 7 февраля 2014 . Проверено 10 февраля 2014 .
  8. ^ «Преимущества и приложения | Нано» . www.nano.gov . Проверено 16 февраля 2016 .
  9. ^ a b c d «NSI: устойчивое нанопроизводство - создание отраслей будущего | нано» . www.nano.gov . Проверено 16 февраля 2016 .
  10. ^ «О национальной сети нанопроизводства | InterNano» . www.internano.org . Проверено 16 февраля 2016 .
  11. ^ a b c «NanoOPS: от лаборатории к фабрике: нанопроизводство NEU» . nano.server281.com . Проверено 16 февраля 2016 .
  12. ^ «3Q: 3-D печать завтрашнего дня | news @ Northeastern» . www.northeastern.edu . Проверено 16 февраля 2016 .
  13. ^ Ван, Ян (2009). «ТЕХНОЛОГИИ НАНОПРОИЗВОДСТВА: ПРЕИМУЩЕСТВА И ВОЗМОЖНОСТИ» (PDF) . Международная ассоциация управления технологиями . Университет Центральной Флориды . Проверено 16 февраля 2016 .
  14. ^ a b c Бискарини, Чен, Командури, Талиани, Фабио, Джули, Ранга, Карло (январь 2002 г.). "СЕМИНАР NSF-EC ПО НАНОСТРОЕНИЮ И ОБРАБОТКЕ" (PDF) . Национальный научный фонд . Проверено 16 февраля 2016 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ a b c Роко, Михаил (2011). «Долгосрочная перспектива развития нанотехнологий: Национальная нанотехнологическая инициатива через 10 лет» . Журнал исследований наночастиц . 13 (2): 427–445. Bibcode : 2011JNR .... 13..427R . DOI : 10.1007 / s11051-010-0192-Z .
  16. ^ а б в г Сехон, Бхупиндер (2010). «Пищевая нанотехнология - обзор» . Нанотехнологии, наука и приложения . 3 : 1–15. PMC 3781769 . PMID 24198465 .  
  17. ^ а б в г Юань, Крис (2012). «Трехмерный системный подход к экологически устойчивому производству» . CIRP Анналы . 61 : 39–42. DOI : 10.1016 / j.cirp.2012.03.105 .
  18. ^ a b Ханус, Моника (2013). «Нанотехнологические инновации для строительной индустрии». Прогресс в материаловедении . 58 (7): 1056–1102. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2013.04.001 .
  19. ^ a b c Буснаина, Ахмед (2007). Справочник по нанопроизводству . Бока-Ратон: Пресса CRC: Тейлор и Фрэнсис Групп. стр.  3 -16. ISBN 978-0-8493-3326-2.
  20. ^ "Цели и миссия: NEU Нанопроизводство" . nano.server281.com . Проверено 16 февраля 2016 .