Нанопроизводство - Nanomanufacturing
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).
Термин «нанопроизводство» широко используется, например, Европейской технологической платформой MINAM и Национальной инициативой США по нанотехнологиям (NNI). NNI называет подобласть нанотехнологий одной из пяти «приоритетных областей». Существует также программа нанопроизводства в Национальном научном фонде США , посредством 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, стратегических семинаров и разработки дорожной карты.
NNI дал определение нанотехнологии очень широко, включая широкий спектр крошечных структур, в том числе созданных большими и неточными инструментами. Однако нанопроизводство не определяется 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 Производство инженеров , например, сформировала группу технических НАНОПРОИЗВОДСТВО обоим информировать членов развивающихся технологий и для решения организационных и IP (интеллектуальная собственность) юридические вопросы , 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 того, что правительство не инвестировало в подготовку фундаментальных исследований для коммерческого применения.
Задний план
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. . Такие программы и организации, как NNI и NNN , в настоящее время финансируют исследования, направленные на разработку экономичных, устойчивых и надежных промышленных технологий нанопроизводства.
Примером такой технологии является система наноразмерной офсетной печати (NanoOps), разработанная исследователями из Центра высокопроизводительного нанопроизводства (CHN) Северо-Восточного университета. 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 печати. Наночастицы прилипают к шаблону, когда к раствору подается электричество. 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.
Общий обзор
Нанопроизводство относится к производственным процессам объектов или материалов с размерами от одного до ста нанометров . Результатом этих процессов являются нанотехнологии , чрезвычайно маленькие устройства, структуры, функции и системы, которые находят применение в органической химии, молекулярной биологии , аэрокосмической технике , физике и других областях . Нанопроизводство позволяет создавать новые материалы и продукты, которые находят применение, например, в процессах удаления материалов, сборке устройств, медицинских устройствах , электростатическом покрытии и волокнах , а также в литографии . Нанопроизводство - это 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 рамках типичных инженерных направлений, таких как сотрудничество инженеров-механиков , физиков, биологов , химиков и ученых-материаловедов .
Нанопроизводство обычно можно разделить на две категории: нисходящие и восходящие подходы.
Нанопроизводство
В 2009 году 91 миллиард долларов был вложен в продукты США, содержащие наноразмерные компоненты. В период с 2001 по 2004 год более 60 стран учредили программы, связанные с отраслью нанопроизводства, на национальном уровне. Совокупное финансирование Национальной инициативы по нанотехнологиям (NNI) с 2000 года составляет более 12 миллиардов долларов.
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). ALD заменяет диэлектрическую пленку SiO 2 диэлектрической пленкой Al 2 O 3 . Промышленность ALD уже используется в полупроводниковой промышленности и перспективна в производстве солнечных батарей, топливных элементов, медицинских устройств, датчиков и полимеров. Технологии нанопроизводства позволяют улучшить упаковку пищевых продуктов. Например, улучшение барьера из пластикового материала позволяет клиентам находить соответствующую информацию. Более продолжительная пища и более безопасная пища также нацелены на функции самовосстановления. Выполнение традиционных строительных материалов; сталь и бетон улучшаются с помощью нанотехнологий. Армирование бетона наночастицами оксида металла снижает проницаемость и увеличивает прочность. Свойство высокой прочности на разрыв и модуля Юнга добавок наноуглерода, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ), создает более плотный и менее пористый материал.
Проблемы нанопроизводства
Переход нанотехнологий от лабораторных демонстраций к производству в промышленных масштабах связан с рядом проблем, некоторые из которых включают:
- Разработка экономичных и эффективных производственных технологий.
- Контроль точности сборки наноструктур
- 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.
- Сохранение наноразмерных свойств и качества наносистемы во время высокопроизводительного и крупносерийного производства, а также в течение всего срока службы продукта после производства.
- Оценка экологического, этического и социального воздействия