Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives)

Используются крахмально-целлюлозный порошок и жидкий клей на водяной основе, который поступает из струйной головки и связывает частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели, имеющиеся пустоты могут быть заполнены жидким воском. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их.

Производители оборудования:

• Z Corporation www.zcorp.com

Технология LOM (Laminated Object Manufacturing - ламинирование листовых материалов).

Слои прототипа создаются при помощи ламинирования бумажного листа. Контур слоя вырезается лазером, а поверхность, которую нужно затем удалить, режется лазером на мелкие квадратики. После извлечения детали мелко порезанные излишки материала легко удаляются. Структура полученного прототипа похожа на древесную, боится влаги.

Производители оборудования:

• Helisys, Inc. - выпуск прекращен

SGC (Solid Ground Curing) - облучение УФ-лампой через фотомаску

Для создания слоя, на поверхность распыляется тонкий слой фоточуствительного пластика. Затем этот слой облучается ультрафиолетом через фотомаску с изображением очередного сечения. Неэкспонированный материал удаляется вакуумом, оставляя затвержденный материал, который повторно облучается жестким ультрафиолетом. Свободные области заполняются воском, который обеспечивает поддержку для следующих слоев. Перед нанесением следующего слоя поверхность механически выравнивается.

Производители оборудования:

• Cubital Inc. - выпуск прекращен.

Точность изготовления прототипа в разных методах и на различных установках находится в диапазоне от 0,05 до 0,2 мм по каждой координате. При уменьшении толщины слоя точность растет, но падает скорость изготовления, и как следствие - повышается его стоимость. Стоимость прототипа зависит, в первую очередь от его объема. По состоянию на 2006 год цена одного кубического сантиметра модели составляла от 1 до 5 долларов США, в зависимости от используемой технологии.

 

 

ЛЕКЦИЯ 12. НАНОТЕХНОЛОГИИ

 

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии 20-го ве­ка. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реаль­но существует, и в этой области ученые многих стран сейчас упорно со­ревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундамен­тальных достижений науки, полученных за долгое время и только сей­час ставших основой новых технологий. Благодаря достижениям нано­технологии, многие упоминавшиеся выше фантазии и мечты человечества (победа над болезнями, космические путешествия, про­дление жизни) могут стать реальностью в близком будущем.

Первой страной, оценившей возможности новой науки и вырабо­тавшей долгосрочную стратегию развития в этом направлении, стали Соединенные Штаты Америки, где в феврале 2000 года было объявлено о Национальной Нанотехнологической Инициативе, представляющей собой обширную научно-техническую программу. Уже в следующем, 2000 году правительство США запланировало выделить на нанотехнологические исследования около 500 миллионов долларов (что означает прирост ассигнований в 1,8 раза) и начало осуществлять целый ряд важ­ных практических мероприятий, направленных на всемерное развитие нанотехнологии. О масштабах и значении новых технологий говорит следующий экономический прогноз — по расчетам экспертов объем рынка товаров и услуг, связанных с нанотехнологией, только внутри Японии составит 270 миллиардов долларов.

Можно не сомневаться, что в XXI веке нанотехнология будет оказы­вать все более возрастающее воздействие на экономическую и социаль­ную жизнь всего человечества, что требует от Японии принятия энер­гичных мер для развития исследований в этой области. Развитие нанотехнологии не сводится лишь к получению конкретных научных результатов или внедрению новых технологий. На самом деле, оно включает в себя решение многих побочных экономических и социаль­ных задач, т. е. требует целостного, системного подхода. В последнее время в Японии появляется все больше ценных книг и публикаций, по­священных нанотехнологиям, однако можно с огорчением констатиро­вать, что почти все они относятся к чисто научной и технической сто­роне развития нанотехнологии. Экономические и социальные проблемы использования новых технологий почти не рассматривают­ся, и Япония все еще не имеет стратегии развития в этой области на го­сударственном уровне.

В последнее время термин «нанотехнология» (сокращенно нано-тэк) стал очень популярным. Легко заметить, что название новой науки возникло просто в результате добавления к весьма общему поня­тию «технология» приставки «нано», означающей изменение масшта­ба в 10⁹ (миллиард) раз, т. е. 1 нанометр = 1 нм = 10⁹ м, что составляет одну миллионную привычного нам миллиметра (для наглядности можно указать, что 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше толщины че­ловеческого волоса). Разумеется, человеческое воображение и исполь­зуемые нами слова, образы или термины почти неспособны сколько-нибудь адекватно описывать «мир» со столь крошечными объектами.

В табл. 1 приведены размеры некоторых известных естественных и искусственных созданий природы в диапазоне размеров от 10 метров до 1 ангстрема. Напомним, что 1 ангстрем (1 А= 10|0 м) в 10 раз мень­ше нанометра и соответствует диаметру самого маленького из атомов (атома водорода). К нанотехнологии принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нано области соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полу­проводниковой и компьютерной технике. С другой стороны, интерес­но, что многие вирусы имеют размер 10 нм, а 1 нм почти точно соответ­ствует характерному размеру белковых молекул (в частности, радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен именно 1 нм).

Что такое нанотехнология?

Нанотехнологию можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и мо­лекулами (т. е. методик регулирования структуры и состава вещест­ва) в масштабах I — 100 нм. Использование характерных особеннос­тей веществ на расстояниях порядка нанометров создает дополнительные, совершенно новые возможности для создания тех­нологических приемов, связанных с электроникой, материаловеде­нием, химией, механикой и многими другими областями науки. По­лучение новых материалов и развитие новых методик обещает, без преувеличения, произвести настоящую научно-техническую рево­люцию в информационных технологиях, производстве конструкци­онных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов конструировании сверхточных устройств и т. д.

Классическим примером достижений нанотехнологий стала разработка сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). Пер­вый такой микроскоп был создан в лаборатории фирмы ИБМ Бихи и Роллером для исследования особенностей и неоднородностей по­верхности монокристаллов кремния. О работе СТМ подробнее рас­сказано в разделе 3.5, однако читатель может получить общее пред­ставление о принципе его действия из рис. 1. Экспериментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) на расстояние около 1 микрона (10* м) к поверхности исследуемого образца, в ре­зультате чего между зондом и поверхностью возникает электричес­кий ток. обусловленный квантово-механическим туннельным эф­фектом (см. раздел 3.1), величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности (например, из-за наличия на поверхности впадин или выступов). Замеряя величину туннельно­го тока или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирова­ния потенциала зонда), экспериментатор может «сканировать» по­верхность и получать ее прямое «изображение», подобно тому, как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность эк­рана обычного телевизора. Этот метод позволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (например, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изменению по­верхности в определенных условиях и т. п.).

Работая со сканирующим микроскопом описываемого типа, экс­периментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно — стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне. Прикладывая к зонду СТМ соответствующее на­пряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атом­ного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать сотрудникам Армаденской лаборатории ИБМ под руковод­ством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности моно­кристалла никеля название своей фирмы (IBM) из 35 атомов ксено­на, как показано на фотографии внизу рис. 1. Это стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текс­та». Позднее, в 1991 году из этого выросла методика перемещения атомов ксенона вверх-вниз (относительно поверхности монокрис­талла), названная атомным переключением (atomic switch). В целом, описанная техника создает много возможностей как для манипуля­ций на уровне отдельных атомов, так и аля изучения их структур и поведения.

Нанотехнология возникла из-за революционных изменений в информатике!

В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры созда­ваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались (интеграль­ные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интеграль­ные схемы,... и т.д.). С другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запо­минающих устройств. В частности, плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках в настоящее время уже достигает 1 гигабит/кв. дюйм. Без преувеличения можно сказать, что в полупро­водниковых технологиях (иногда их называют просто кремниевыми) вот уже более полувека происходит непрерывная революция.

Однако, как отмечалось выше, по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 микрону (1 мкм = 10" м), в них на­чинают проявляться квантово-механические свойства вещества, т. е. необычные физические явления (типа описанного в разделе 3.1 тун­нельного эффекта). Можно с уверенностью предположить, что при сохранении нынешних темпов развития вся кремниевая технология (и связанная с ней промышленность полупроводников) примерно че­рез 5-10 лет столкнется с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции в ЭВМ достигнут неко­торых «принципиальных» границ, определяемых известными нам за­конами физики. Таким образом, дальнейший прогресс науки и тех­ники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым принципам работы и новым технологическим приемам.

Такой революционный прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии. которая позволяет создавать це­лый ряд принципиально новых производственных процессов, материа­лов и устройств на их основе. Расчеты показывают, что использование нанотехнологии может повысить основные характеристики полупро­водниковых вычислительных и запоминающих устройств натри поряд­ка, т. е. в тысячу раз! Это станет, безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, ин­формационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен рил исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика. механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапа­зону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существен­ным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как элек­тропроводность, коэффициент оптического преломления, магнит­ные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безо­пасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство деше­вых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникно­вении новой науки — нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предла­гает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономи­ческую и социальную жизнь грядущих поколений.