Нанопроизводство — это как производство наноразмерных материалов, которые могут быть порошками или жидкостями, так и производство деталей «снизу вверх» из наноразмерных материалов или «сверху вниз» в мельчайших шагах для обеспечения высокой точности, используемое 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] и Национальной нанотехнологической инициативой США (NNI). [3] NNI называет поддомен нанотехнологий одним из своих пяти «приоритетных направлений». [4] Также существует 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 производству, и она делает это посредством обмена информацией, [5] стратегических семинаров и разработки дорожной карты.
NNI дал нанотехнологии очень широкое определение [6] , включив в него широкий спектр крошечных структур, в том числе созданных большими и неточными инструментами. Однако в недавнем отчете NNI « Инструменты и метрология для нанотехнологий» нанопроизводство не определено . Напротив, другая «приоритетная область», нанопроизводство , определяется как «способность изготавливать с помощью направленных или самосборочных методов функциональные структуры или устройства на атомном или молекулярном уровне» (стр. 67). Нанопроизводство, по-видимому, является ближайшим промышленным производством объектов на основе нанотехнологий с упором на низкую стоимость и надежность. Многие профессиональные общества сформировали технические группы по нанотехнологиям. Например, Общество инженеров-производителей сформировало техническую группу по нанопроизводству, чтобы информировать членов о развивающихся технологиях и решать организационные и правовые вопросы интеллектуальной собственности (ИС), которые необходимо решить для более широкой коммерциализации.
В 2014 году Счетная палата США отметила, что лидерство Америки в области нанотехнологий оказалось под угрозой из-за неспособности правительства инвестировать в подготовку фундаментальных исследований для коммерческого применения. [7]
Реализация многочисленных приложений и преимуществ наномасштабных систем в повседневных материалах, электронике, медицине, энергосбережении, устойчивом развитии и транспорте привела к исследованиям по разработке методов производства этих наносистем в большем масштабе и с более высокой скоростью. [8] Программы и организации, такие как NNI и NNN, в настоящее время финансируют исследования, направленные на разработку экономичных, устойчивых и надежных промышленных методов нанопроизводства. [9] [10]
Примером такой технологии является система офсетной печати Nanoscale Offset Printing System (NanoOps), разработанная исследователями Центра высокоскоростного нанопроизводства (CHN) в Северо-Восточном университете. [11] NanoOps — это форма направленной сборки, которая быстрее и экономичнее традиционной 3D-печати наносистем. Ахмед Буснайна, который был главным руководителем проекта и снялся в фильме From Lab to Fab: Pioneers in Nano-manufacturing, описывает систему как печатный станок. Протравленный шаблон с нанопроводами погружается в раствор с наночастицами, который действует как чернила для печати. [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 нескольких дней до нескольких минут. [11]
Другим показательным примером является технология инфильтрации мягких шаблонов, разработанная Назанин Бассири-Гарб в Технологическом институте Джорджии . Это технология нанопроизводства снизу вверх для изготовления сегнетоэлектрических, пьезоэлектрически активных нанотрубок. Метод использует электронно-лучевую литографию для создания вакуума на исходном золь-гель растворе, тем самым создавая полимерный шаблон. С помощью этого высокомасштабируемого и практичного производственного процесса пользователь может создавать индивидуальные шаблоны и формы для многочисленных применений. [13] [14]
Нанопроизводство относится к производственным процессам объектов или материалов с размерами от одного до ста нанометров . [15] Эти процессы приводят к нанотехнологиям , чрезвычайно малым устройствам, структурам, функциям и системам, которые имеют 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 приборы , электростатические покрытия и волокна , а также литография . [16] Нанопроизводство является относительно новой отраслью производства, которая представляет собой как новую область науки, так и новый рынок. Исследования в области нанопроизводства, в отличие от традиционного производства, требуют коллективных усилий по всем типичным инженерным разделам, таким как сотрудничество между инженерами-механиками , физиками, биологами , химиками и материаловедами . [16]
Нанопроизводство можно в целом разделить на две категории: подходы «сверху вниз» и «снизу вверх».
В 2009 году 91 миллиард долларов США было потрачено на продукты США, включающие наноразмерные компоненты. [17] Более 60 стран создали программы, связанные с нанопроизводством, на национальном уровне в период с 2001 по 2004 год. [17] Совокупное финансирование с 2000 года для Национальной нанотехнологической инициативы (NNI) составляет более 12 миллиардов долларов. [17]
С точки зрения устойчивости, атомно-слоевое осаждение (ALD) представляет собой технологию производства в наномасштабе с использованием метода снизу вверх и химического осаждения из паровой фазы (CVD). [19] ALD заменяет диэлектрическую пленку SiO 2 на диэлектрическую пленку Al 2 O 3. [19] Индустрия ALD уже используется в полупроводниковой промышленности и перспективна в солнечных батареях, топливных элементах, медицинских приборах, датчиках, полимерной промышленности. [19] Технология нанопроизводства позволяет усовершенствовать упаковку пищевых продуктов. [18] Например, улучшение барьера пластикового материала позволяет клиентам идентифицировать соответствующую информацию. [18] Более длительный срок службы продуктов питания и более безопасная пища также нацелены на функции самовосстановления. [18] Характеристики традиционных строительных материалов; стали и бетона улучшаются с помощью нанотехнологий. Армирование бетона наночастицами оксида металла снижает проницаемость и увеличивает прочность. [20] Свойство высокой прочности на растяжение и модуля Юнга наноуглеродных добавок, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ), создает более плотный и менее пористый материал. [20]
Переход нанотехнологий от лабораторных демонстраций к промышленному производству сопряжен с рядом проблем, среди которых: