Toshiba visar upp en prototyp av en 90-nanometer kiselskiva. Se fler nanoteknikbilder. Yoshikazu Tsuno/ AFP/ Getty Images År 1965, ingenjör Gordon Moore förutspådde att antalet transistorer på en integrerad krets - en föregångare till mikroprocessorn- skulle fördubblas ungefär vartannat år. I dag, vi kallar denna förutsägelse Moores lag , även om det inte alls är en vetenskaplig lag. Moores lag är mer en självuppfyllande profetia om datorindustrin. Mikroprocessortillverkare strävar efter att uppfylla förutsägelsen, för om de inte gör det, deras konkurrenter kommer [källa:Intel].
Nanoteknik bildgalleri
För att passa fler transistorer på ett chip, ingenjörer måste designa mindre transistorer. Det första chipet hade cirka 2, 200 transistorer på den. I dag, hundratals miljoner transistorer får plats på ett enda mikroprocessorchip. Ändå, företag är fast beslutna att skapa alltmer små transistorer, klämmer mer i mindre marker. Det finns redan datorchips som har nanoskala transistorer (nanoskala är mellan 1 och 100 nanometer - en nanometer är en miljarddels meter). Framtida transistorer måste bli ännu mindre.
Gå in i nanotråden, en struktur som har en fantastisk förhållandet längd till bredd . Nanotrådar kan vara otroligt tunna - det är möjligt att skapa en nanotråd med diametern på bara en nanometer, även om ingenjörer och forskare tenderar att arbeta med nanotrådar som är mellan 30 och 60 nanometer breda. Forskare hoppas att vi snart kommer att kunna använda nanotrådar för att skapa de minsta transistorerna än, även om det finns några tuffa hinder i vägen.
I den här artikeln, vi ska titta på egenskaperna hos nanotrådar. Vi kommer att lära oss hur ingenjörer bygger nanotrådar och de framsteg de har gjort mot att skapa elektroniska marker med hjälp av nanotrådstransistorer. I det sista avsnittet, vi kommer att titta på några av de potentiella applikationerna för nanotrådar, inklusive vissa medicinska användningsområden.
I nästa avsnitt, vi kommer att undersöka egenskaperna hos nanotrådar.
Hur tunn är tunn?
Människohår är vanligtvis mellan 60 och 120 mikrometer brett. Låt oss anta att du har hittat ett exceptionellt fint hår med en bredd på 60 mikrometer. En mikrometer är 1, 000 nanometer, så du måste klippa håret minst 60, 000 gånger på längden för att göra en tråd en nanometer tjock.
Innehåll
2007 HowStuffWorks Beroende på vad den är gjord av, en nanotråd kan ha egenskaperna hos en isolator, en halvledare eller en metall. Isolatorer bär inte en elektrisk laddning, medan metaller bär elektriska laddningar mycket bra. Halvledare faller mellan de två, bär en avgift under rätt förhållanden. Genom att ordna halvledartrådar i rätt konfiguration, ingenjörer kan skapa transistorer, som antingen fungerar som en växla eller en förstärkare .
Några intressanta - och kontraintuitiva - egenskaper som nanotrådar har beror på den lilla skalan. När du arbetar med objekt som är i nanoskala eller mindre, du börjar gå in i kvantmekanikens område. Kvantmekanik kan vara förvirrande även för experter på området, och mycket ofta trotsar den klassisk fysik (även känd som Newtons fysik).
Till exempel, normalt kan en elektron inte passera genom en isolator. Om isolatorn är tunn nog, fastän, elektronen kan passera från en sida av isolatorn till den andra. Det heter elektrontunnel , men namnet ger dig inte riktigt en uppfattning om hur konstig denna process kan vara. Elektronen passerar från en sida av isolatorn till den andra utan att faktiskt tränga in i själva isolatorn eller uppta utrymmet inuti isolatorn. Du kan säga att det teleporterar från ena sidan till den andra. Du kan förhindra elektrontunnel genom att använda tjockare lager av isolator eftersom elektroner bara kan färdas över mycket små avstånd.
En annan intressant egenskap är att vissa nanotrådar är det ballistiska ledare . I normala ledare, elektroner kolliderar med atomerna i ledarmaterialet. Detta saktar ner elektronerna när de färdas och skapar värme som en biprodukt. I ballistiska ledare, elektronerna kan färdas genom ledaren utan kollisioner. Nanotrådar kan leda elektricitet effektivt utan biprodukten av intensiv värme.
På nanoskala, element kan visa mycket olika egenskaper än vad vi har förväntat oss. Till exempel, i bulk, guld har en smältpunkt på mer än 1, 000 grader Celsius. Genom att reducera bulkguld till storleken på nanopartiklar, du minskar dess smältpunkt, för när du reducerar någon partikel till nanoskala, det finns en betydande ökning av yt-till-volym-förhållandet. Också, på nanoskala, guld beter sig som en halvledare, men i bulkform är det en ledare.
Andra element beter sig konstigt på nanoskala också. I bulk, aluminium är inte magnetiskt, men mycket små kluster av aluminiumatomer är magnetiska. De elementära egenskaper vi känner till i vår vardagliga upplevelse - och hur vi förväntar oss att de ska bete sig - kanske inte gäller när vi reducerar dessa element till en nanometer.
Vi lär oss fortfarande om de olika egenskaperna hos olika element på nanoskala. Några element, som kisel, förändras inte mycket på nanoskala. Detta gör dem idealiska för transistorer och andra applikationer. Andra är fortfarande mystiska, och kan visa egenskaper som vi inte kan förutsäga just nu.
I nästa avsnitt, vi får reda på hur ingenjörer gör nanotrådar.
Kolnanorör och kvantprickarNanotrådar är bara en spännande strukturingenjörer och forskare utforskar på nanoskala. Två andra viktiga nanoskalaobjekt är kolnanorör och kvantprickar. En kolnanorör är en cylindrisk struktur som ser ut som ett hoprullat ark av grafit. Dess egenskaper beror på hur du rullar grafiten in i cylindern - genom att rulla kolatomerna ett sätt, du kan skapa en halvledare. Men att rulla dem på ett annat sätt kan göra ett material 100 gånger starkare än stål. Kvantprickar är samlingar av atomer som tillsammans fungerar som en jätteatom - men av jätte pratar vi fortfarande om nanoskala. Kvantprickar är halvledare.
Fiberoptiska kablar David Ritter, SXC Nanovetenskapsspecialister pratar om två olika tillvägagångssätt för att bygga saker i nanoskala:the uppifrån och ned-tillvägagångssätt och den bottom-up-tillvägagångssätt . Ett top-down-tillvägagångssätt innebär i huvudsak att du tar en stor mängd av det material du planerar att använda för nanotrådar och snider bort tills du är nere i rätt storlek. Ett bottom-up-tillvägagångssätt är en monteringsprocess där mindre partiklar går samman för att skapa en större struktur.
Även om vi kan bygga nanotrådar med någon av metoderna, ingen har hittat ett sätt att göra massproduktion genomförbar. Just nu, forskare och ingenjörer skulle behöva lägga mycket tid på att göra en bråkdel av antalet nanotrådar som de skulle behöva för ett mikroprocessorchip. En ännu större utmaning är att hitta ett sätt att ordna nanotrådarna ordentligt när de väl är byggda. De små skalorna gör det väldigt svårt att bygga transistorer automatiskt - just nu, ingenjörer manipulerar vanligtvis ledningar på plats med verktyg medan de observerar allt genom ett kraftfullt mikroskop.
Ett exempel på en top-down-strategi är hur forskare tillverkar fiberoptiska nanotrådar. Fiberoptiska ledningar bär information i form av ljus. För att göra en fiberoptisk nanotråd, ingenjörer börjar först med en vanlig fiberoptisk kabel. Det finns några olika metoder för att minska en fiberoptisk kabel till nanoskala. Forskare kan värma upp en stav av safir, linda kabeln runt stången, och dra i kabeln, sträcker det tunt för att skapa en nanotråd. En annan metod använder en liten ugn gjord av en liten cylinder av safir. Forskare drar den fiberoptiska kabeln genom ugnen och sträcker den till en tunn nanotråd. Ett tredje förfarande kallas flamborstning använder en låga under den fiberoptiska kabeln medan forskare sträcker den [källa:Gilberto Brambilla och Fei Xu].
I nästa avsnitt, vi ska titta på hur forskare kan odla nanotrådar uppifrån och ner.
Tittar på nanoskalaEtt nanovetenskapsmikroskop är inte samma typ som du hittar i ett kemilaboratorium på gymnasiet. När du kommer ner till atomskala, du har att göra med storlekar som faktiskt är mindre än våglängden för synligt ljus. Istället, en nanovetare kan använda en skanningstunnelmikroskop eller en atomkraftmikroskop . Skanningstunnelmikroskop använder en svag elektrisk ström för att sondera det skannade materialet. Atomkraftsmikroskop skannar ytor med en otroligt fin spets. Båda mikroskop skickar data till en dator, som samlar informationen och projicerar den grafiskt på en bildskärm.
Kemisk ångavsättning (CVD) är ett exempel på en bottom-up-strategi. I allmänhet, CVD avser en grupp processer där fasta ämnen bildas ur en gasformig fas. Forskare sätter in katalysatorer (såsom guldnanopartiklar) på en bas, kallade a substrat . Katalysatorerna fungerar som en attraktionsplats för bildning av nanotrådar. Forskare lägger substratet i en kammare med en gas som innehåller lämpligt element, som kisel, och atomerna i gasen gör allt arbete. Först, atomer i gasen fäster till atomer i katalysatorerna, sedan fäster ytterligare gasatomer till dessa atomer, och så vidare, skapa en kedja eller tråd. Med andra ord, nanotrådarna monterar sig själva.
Ett nytt sätt att bygga nanotrådar är att skriva ut dem direkt på lämpligt underlag. Ett team av forskare i Zürich var banbrytande för denna metod. Först, de huggade en kiselskiva så att de upphöjda delarna på skivan sammanföll med hur de ville ha nanotrådarna ordnade. De använde skivan som en stämpel, trycka den mot ett syntetiskt gummi som kallas PDMS . De drog sedan en vätska fylld med guldnanopartiklar, kallade a kolloidal suspension , över PDMS. Guldpartiklarna slog sig ner i kanalerna som skapades av kiselplattan. Nu blev PDMS en form som kan överföra ett "tryck" av guld nanotrådar till en annan yta. PDMS -formar kan användas upprepade gånger och kan spela en roll i massproduktionen av nanotrådskretsar i framtiden [källa:Nature Nanotechnology].
Flera laboratorier har skapat transistorer med hjälp av nanotrådar, men deras skapande kräver mycket tid och arbetskraft. Nanotrådstransistorer fungerar lika bra eller bättre än nuvarande transistorer. Om forskare kan hitta ett sätt att designa ett sätt att producera och ansluta nanotrådstransistorer effektivt tillsammans, det kommer att bana vägen till mindre, snabbare mikroprocessorer, vilket gör det möjligt för datorindustrin att hålla jämna steg med Moores lag. Datorchips kommer att fortsätta att bli mindre och kraftfullare.
Forskning inom nanotrådsproduktion fortsätter över hela världen. Många forskare tror att det bara är en tidsfråga innan någon kommer på ett livskraftigt sätt att massproducera nanotrådar och nanotrådstransistorer. Förhoppningsvis, om och när vi når den punkten, Vi har också ett sätt att ordna nanotrådar som vi vill så att vi kan använda dem till fullo.
I nästa avsnitt, vi lär oss om de möjliga tillämpningarna av nanotrådsteknik.
Naturens hemodlade NanotrådarTills nyligen, forskare trodde att alla nanotrådar var konstgjorda, men för ett par år sedan upptäckte biologer att bakterier som kan odla sina egna nanotrådar. En bakterie som heter Geobacter sulfurreducens dumpar elektroner på metallatomer (elektronerna är en biprodukt av bakteriens bränsleförbrukning). Om det råder brist på metall i bakteriens miljö, det kommer att växa ett nanotrådstillägg för att leda elektroner till närmaste metall, så att bakterien kan konsumera mer bränsle. Forskare hoppas kunna bygga organiska bränsleceller med bakterier som Geobacter sulfurreducens att producera el.
Intels vd Paul Ortelli har en skiva datorchips med 32-nanometer kretsar. Justin Sullivan/Getty Images Den kanske mest uppenbara användningen för nanotrådar är inom elektronik. Vissa nanotrådar är mycket bra ledare eller halvledare, och deras miniscule storlek innebär att tillverkare kan montera miljontals fler transistorer på en enda mikroprocessor. Som ett resultat, datorhastigheten skulle öka dramatiskt.
Nanotrådar kan spela en viktig roll inom kvantdatorer. Ett team av forskare i Nederländerna skapade nanotrådar av indiumarsenid och bifogade dem aluminiumelektroder . Vid temperaturer nära absolut noll, aluminium blir en superledare, vilket betyder att den kan leda elektricitet utan motstånd. Nanotrådarna blev också supraledare på grund av närhetseffekt . Forskarna kunde kontrollera nanotrådarnas supraledning genom att köra olika spänningar genom substratet under trådarna [källa:New Scientist].
Nanotrådar kan också spela en viktig roll i t.ex. nanostorlekar nanoroboter . Läkare kan använda nanorobotarna för att behandla sjukdomar som cancer. Vissa nanorobotdesigner har inbyggda kraftsystem, vilket skulle kräva strukturer som nanotrådar för att generera och leda kraft.
Använder sig av piezoelektrisk material, nanovetare kan skapa nanotrådar som genererar el från rörelseenergi . Den piezoelektriska effekten är ett fenomen som vissa material uppvisar - när du applicerar fysisk kraft på ett piezoelektriskt material, den avger en elektrisk laddning. Om du applicerar en elektrisk laddning på samma material, det vibrerar. Piezoelektriska nanotrådar kan ge ström till nanostorlekar i framtiden, även om det för närvarande inte finns några praktiska tillämpningar.
Det finns hundratals andra potentiella nanotrådsapplikationer inom elektronik. Forskare i Japan arbetar med atomomkopplare som någon dag kan ersätta halvledaromkopplare i elektroniska enheter. Det hoppas forskare från National Renewable Energy Laboratory koaxial nanotrådar kommer att förbättra solcellernas energieffektivitet. Eftersom vi fortfarande lär oss om egenskaperna hos nanotrådar och andra nanoskala strukturer, det kan finnas tusentals applikationer som vi inte ens har övervägt än.
För att lära dig mer om nanotrådar och relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.
Nanotrådar i medicinAlla nanotrådsapplikationer är inte inom elektronik. Vid University of Arkansas, forskare använder nanotrådar för att belägga titanimplantat. Läkare har upptäckt att muskelvävnad ibland inte håller sig bra till titan, men när de är belagda med nanotrådarna, vävnaden kan förankra sig till implantatet, minska risken för implantatfel.
Forskare vid Gladstone Institute of Cardiovascular Disease experimenterar med nanotrådar och stamceller. De hoppas att genom att köra en elektrisk ström genom en nanotråd in i stamcellen kan de styra hur cellen skiljer sig [källa:Berkeley Lab].
Läs mer
