Sådan fungerer Nanowires

I 1965, ingeniør Gordon Moore forudsagde, at antallet af transistorer på en integreret kredsløb - en forløber til mikroprocessoren- ville fordobles cirka hvert andet år. I dag, vi kalder denne forudsigelse Moores lov , selvom det slet ikke er en videnskabelig lov. Moores lov er mere en Selvopfyldende profeti om computerindustrien. Mikroprocessorproducenter stræber efter at opfylde forudsigelsen, for hvis de ikke gør det, deres konkurrenter vil [kilde:Intel].

Nanoteknologi billedgalleri

For at passe flere transistorer på en chip, ingeniører skal designe mindre transistorer. Den første chip havde omkring 2, 200 transistorer på den. I dag, hundredvis af millioner transistorer kan passe på en enkelt mikroprocessorchip. Ikke desto mindre, virksomheder er fast besluttede på at skabe stadig mindre transistorer, propper mere ind i mindre chips. Der er allerede computerchips, der har nanoskala transistorer (nanoskalaen er mellem 1 og 100 nanometer - et nanometer er en milliarddel af en meter). Fremtidige transistorer skal være endnu mindre.

Indtast nanotråden, en struktur, der har en fantastisk forhold mellem længde og bredde . Nanotråde kan være utrolig tynde - det er muligt at oprette en nanotråd med en diameter på kun et nanometer, selvom ingeniører og forskere har en tendens til at arbejde med nanotråde, der er mellem 30 og 60 nanometer brede. Forskere håber, at vi snart vil kunne bruge nanotråde til at skabe de mindste transistorer endnu, selvom der er nogle ret hårde forhindringer i vejen.

I denne artikel, vi ser på nanotrådens egenskaber. Vi lærer, hvordan ingeniører bygger nanotråde og de fremskridt, de har gjort med at skabe elektroniske chips ved hjælp af nanotrådstransistorer. I det sidste afsnit, vi ser på nogle af de potentielle applikationer til nanotråde, herunder nogle medicinske anvendelser.

I det næste afsnit, Vi undersøger nanotrådens egenskaber.

Menneskehår er normalt mellem 60 og 120 mikrometer bredt. Lad os antage, at du har fundet et usædvanligt fint hår med en bredde på 60 mikrometer. Et mikrometer er 1, 000 nanometer, så du bliver nødt til at klippe det hår mindst 60, 000 gange på langs for at lave en streng en nanometer tyk.

1. Nanowire egenskaber
2. Bygger Nanotråde ovenfra og ned
3. Voksende Nanotråde
4. Nanowire -applikationer

Nanowire egenskaber

Afhængigt af hvad det er lavet af, en nanotråd kan have egenskaberne af en isolator, en halvleder eller et metal. Isolatorer bærer ikke en elektrisk ladning, mens metaller bærer elektriske ladninger meget godt. Halvledere falder mellem de to, bærer en afgift under de rigtige betingelser. Ved at arrangere halvlederkabler i den korrekte konfiguration, ingeniører kan skabe transistorer, som enten fungerer som en kontakt eller en forstærker .

Nogle interessante - og kontraintuitive - egenskaber, nanotråde besidder, skyldes den lille skala. Når du arbejder med objekter, der er i nanoskala eller mindre, du begynder at komme ind i kvantemekanikkens område. Kvantemekanik kan være forvirrende selv for eksperter på området, og meget ofte trodser den klassisk fysik (også kendt som Newtonsk fysik).

For eksempel, normalt kan en elektron ikke passere gennem en isolator. Hvis isolatoren er tynd nok, selvom, elektronen kan passere fra den ene side af isolatoren til den anden. Det hedder elektrontunnel , men navnet giver dig ikke rigtig en idé om, hvor underlig denne proces kan være. Elektronen passerer fra den ene side af isolatoren til den anden uden egentlig at trænge ind i selve isolatoren eller optage rummet inde i isolatoren. Du kan sige, at det teleporterer fra den ene side til den anden. Du kan forhindre elektrontunnel ved at bruge tykkere lag af isolator, da elektroner kun kan bevæge sig over meget små afstande.

En anden interessant egenskab er, at nogle nanotråde er ballistiske ledere . I normale ledere, elektroner kolliderer med atomerne i ledermaterialet. Dette bremser elektronerne, når de rejser og skaber varme som et biprodukt. I ballistiske ledere, elektronerne kan bevæge sig gennem lederen uden kollisioner. Nanotråde kunne lede elektricitet effektivt uden biproduktet af intens varme.

På nanoskala, elementer kan vise meget forskellige egenskaber, end hvad vi har forventet. For eksempel, i løs vægt, guld har et smeltepunkt på mere end 1, 000 grader Celsius. Ved at reducere bulkguld til størrelsen af ​​nanopartikler, du reducerer dets smeltepunkt, fordi når du reducerer en partikel til nanoskalaen, der er en markant stigning i forholdet mellem overflade og volumen. Også, på nanoskala, guld opfører sig som en halvleder, men i bulkform er det en leder.

Andre elementer opfører sig også mærkeligt på nanoskalaen. I bulk, aluminium er ikke magnetisk, men meget små klynger af aluminiumatomer er magnetiske. De elementære egenskaber, vi er bekendt med i vores hverdagsoplevelse - og måderne, vi forventer, at de skal opføre sig på - gælder muligvis ikke, når vi reducerer disse elementer til størrelsen af ​​et nanometer.

Vi lærer stadig om de forskellige egenskaber ved forskellige elementer på nanoskalaen. Nogle elementer, som silicium, ændrer ikke meget på nanoskala -niveau. Dette gør dem ideelle til transistorer og andre applikationer. Andre er stadig mystiske, og kan vise egenskaber, som vi ikke kan forudsige lige nu.

I det næste afsnit, vi finder ud af, hvordan ingeniører laver nanotråde.

Nanotråde er kun en spændende struktur ingeniører og forskere udforsker på nanoskalaen. To andre vigtige nanoskalaobjekter er kulstofnanorør og kvantepunkter. Et carbon -nanorør er en cylindrisk struktur, der ligner et sammenrullet ark af grafit. Dens egenskaber afhænger af, hvordan du ruller grafitten ind i cylinderen - ved at rulle carbonatomerne på en måde, du kan oprette en halvleder. Men at rulle dem på en anden måde kan gøre et materiale 100 gange stærkere end stål. Quantum dots er samlinger af atomer, der tilsammen fungerer som et kæmpe atom - selvom vi ved gigant stadig taler om nanoskalaen. Quantum dots er halvledere.

Bygger Nanotråde ovenfra og ned

Nanoscience -specialister taler om to forskellige tilgange til at bygge ting i nanoskalaen:the top-down tilgang og bottom-up tilgang . En top-down tilgang betyder i det væsentlige, at du tager en bulk mængde af det materiale, du planlægger at bruge til nanotråde og skærer væk, indtil du er nede i den rigtige størrelse. En bottom-up tilgang er en samlingsproces, hvor mindre partikler samles for at danne en større struktur.

Selvom vi kan bygge nanotråde ved hjælp af begge metoder, ingen har fundet en måde at gøre masseproduktion mulig. Lige nu, forskere og ingeniører skulle bruge meget tid på at lave en brøkdel af det antal nanotråde, de skulle bruge til en mikroprocessorchip. En endnu større udfordring er at finde en måde at arrangere nanotrådene korrekt, når de er bygget. De små skalaer gør det meget svært at bygge transistorer automatisk - lige nu, ingeniører manipulerer normalt ledninger på plads med værktøjer, mens de observerer alt gennem et kraftfuldt mikroskop.

Et eksempel på en top-down tilgang er den måde, forskere laver fiberoptiske nanotråde. Fiberoptiske ledninger bærer information i form af lys. For at lave en fiberoptisk nanotråd, ingeniører starter først med et almindeligt fiberoptisk kabel. Der er et par forskellige tilgange til at reducere et fiberoptisk kabel til nanoskalaen. Forskere kunne opvarme en stang lavet af safir, vikl kablet om stangen, og træk i kablet, strække den tynd for at skabe en nanotråd. En anden metode bruger en lille ovn fremstillet af en lille cylinder af safir. Forskere trækker det fiberoptiske kabel gennem ovnen og strækker det til en tynd nanotråd. En tredje procedure kaldes flammebørstning bruger en flamme under det fiberoptiske kabel, mens forskere strækker det [kilde:Gilberto Brambilla og Fei Xu].

I det næste afsnit, vi vil se på, hvordan forskere kan dyrke nanotråde nedefra og op.

Et nanovidenskabsmikroskop er ikke den samme slags, som du finder i et kemilaboratorium på gymnasiet. Når du kommer ned til atomskalaen, du har at gøre med størrelser, der faktisk er mindre end bølgelængden af ​​synligt lys. I stedet, en nanovidenskabsmand kunne bruge en scanning tunneling mikroskop eller en atomkraftmikroskop . Scanningstunnelmikroskoper bruger en svag elektrisk strøm til at undersøge det scannede materiale. Atomkraftmikroskoper scanner overflader med en utrolig fin spids. Begge mikroskoper sender data til en computer, som samler oplysningerne og projekterer dem grafisk på en skærm.

Voksende Nanotråde

Kemisk dampaflejring (CVD) er et eksempel på en bottom-up-tilgang. Generelt, CVD refererer til en gruppe processer, hvor faste stoffer dannes ud af en gasformig fase. Forskere deponerer katalysatorer (såsom guld nanopartikler) på en base, kaldet a substrat . Katalysatorerne fungerer som et attraktionssted for nanotråddannelse. Forskere lægger substratet i et kammer med en gas, der indeholder det passende element, såsom silicium, og atomerne i gassen gør alt arbejdet. Først, atomer i gassen fastgøres til atomer i katalysatorerne, derefter fæstner yderligere gasatomer til disse atomer, og så videre, skabe en kæde eller ledning. Med andre ord, nanotrådene samler sig selv.

En ny måde at bygge nanotråde på er at udskrive dem direkte på det relevante underlag. Et team af forskere i Zürich var banebrydende for denne metode. Først, de huggede en siliciumskive så de hævede portioner på waferen faldt sammen med den måde, de ville have nanotrådene arrangeret på. De brugte waferen som et stempel, trykke den mod et syntetisk gummi kaldet PDMS . De trak derefter en væske fyldt med guld nanopartikler, kaldet a kolloid suspension , på tværs af PDMS. Guldpartiklerne bosatte sig i kanalerne skabt af siliciumpladen. Nu blev PDMS en form, der var i stand til at overføre et "print" af guld nanotråde til en anden overflade. PDMS -forme kan bruges gentagne gange og kan spille en rolle i masseproduktionen af ​​nanotrådskredsløb i fremtiden [kilde:Nature Nanotechnology].

Flere laboratorier har skabt transistorer ved hjælp af nanotråde, men deres skabelse kræver meget tid og arbejdskraft. Nanotrådstransistorer fungerer lige så godt eller bedre end nuværende transistorer. Hvis forskere kan finde en måde at designe en måde at producere og forbinde nanotrådstransistorer effektivt sammen på, det vil bane vejen til mindre, hurtigere mikroprocessorer, hvilket gør det muligt for computerindustrien at følge med i Moores lov. Computerchips vil fortsat blive mindre og mere kraftfulde.

Forskning i nanotrådsproduktion fortsætter over hele verden. Mange forskere mener, at det bare er et spørgsmål om tid, før nogen finder på en levedygtig måde at masseproducere nanotråde og nanotrådstransistorer. Forhåbentlig, hvis og når vi når det punkt, Vi har også en måde at arrangere nanotråde på den måde, vi ønsker, så vi kan bruge dem til deres fulde potentiale.

I det næste afsnit, vi lærer om de potentielle anvendelser af nanotrådteknologi.

Indtil for nylig, forskere troede, at alle nanotråde var menneskeskabte, men for et par år siden opdagede biologer, at bakterier, der kan dyrke deres egne nanotråde. En bakterie kaldet Geobacter sulfurreducens dumper elektroner på metalatomer (elektronerne er et biprodukt af bakteriens brændstofforbrug). Hvis der er mangel på metal i bakteriens miljø, det vil vokse et nanotrådstilhæng til at lede elektroner til det nærmeste metal, tillader bakterien at forbruge mere brændstof. Forskere håber at bygge organiske brændselsceller ved hjælp af bakterier som Geobacter sulfurreducens at producere elektricitet.

Nanowire -applikationer

Måske er den mest oplagte anvendelse af nanotråde inden for elektronik. Nogle nanotråde er meget gode ledere eller halvledere, og deres lille størrelse betyder, at producenterne kunne montere millioner flere transistorer på en enkelt mikroprocessor. Som resultat, computerens hastighed vil stige dramatisk.

Nanotråde kan spille en vigtig rolle inden for kvantecomputere. Et team af forskere i Holland skabte nanotråde ud af indium arsenid og knyttet dem til aluminium elektroder . Ved temperaturer nær absolut nul, aluminium bliver en superleder, hvilket betyder, at den kan lede elektricitet uden modstand. Nanotråde blev også superledere på grund af nærhedseffekt . Forskerne kunne styre superledningen af ​​nanotråde ved at køre forskellige spændinger gennem substratet under ledningerne [kilde:New Scientist].

Nanotråde kan også spille en vigtig rolle i nanostørrelser som f.eks nanorobots . Læger kunne bruge nanorobotterne til at behandle sygdomme som kræft. Nogle nanorobot -designs har indbyggede elsystemer, hvilket ville kræve strukturer som nanotråde at generere og lede strøm.

Ved brug af piezoelektrisk materiale, nanovidenskabsfolk kunne oprette nanotråde, der genererer elektricitet fra kinetisk energi . Den piezoelektriske effekt er et fænomen, visse materialer udviser - når du anvender fysisk kraft på et piezoelektrisk materiale, det udsender en elektrisk ladning. Hvis du anvender en elektrisk ladning på det samme materiale, det vibrerer. Piezoelektriske nanotråde kan give strøm til systemer i nanostørrelse i fremtiden, selvom der i øjeblikket ikke er nogen praktiske anvendelser.

Der er hundredvis af andre potentielle nanotrådsprogrammer inden for elektronik. Forskere i Japan arbejder på atomafbrydere, der måske en dag kan erstatte halvlederkontakter i elektroniske enheder. Det håber forskere fra National Renewable Energy Laboratory koaksial nanotråde vil forbedre energieffektiviteten af ​​solceller. Fordi vi stadig lærer om egenskaberne ved nanotråde og andre nanoskala strukturer, der kan være tusindvis af applikationer, vi ikke engang har overvejet endnu.

For at lære mere om nanotråde og relaterede emner, følg linkene på den næste side.

Ikke alle nanotrådsprogrammer er inden for elektronik. På University of Arkansas, forskere bruger nanotråde til at belægge titaniumimplantater. Læger har opdaget, at muskelvæv undertiden ikke klæber godt til titanium, men når de er belagt med nanotråde, vævet kan forankre sig til implantatet, reducere risikoen for implantatfejl.

Forskere ved Gladstone Institute of Cardiovascular Disease eksperimenterer med nanotråde og stamceller. De håber, at de ved at føre en elektrisk strøm gennem en nanotråd ind i stamcellen kan styre, hvordan cellen differentierer [kilde:Berkeley Lab].

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer batterier
• Sådan fungerer kræft
• Sådan fungerer elmotorer
• Sådan fungerer elektricitet
• Sådan fungerer elektroniske porte
• Sådan fungerer brændselsceller
• Sådan fungerer mikroprocessorer
• Sådan fungerer nanoteknologi
• Sådan fungerer kvantecomputere
• Sådan fungerer halvledere
• Sådan fungerer solceller
• Hvad er superledning?

Flere store links

• Fremsyn Nanotech Institute
• National Nanotechnology Initiative
• PhysOrg.com:Nanoteknologi

Kilder

• "En Nanowire med en overraskelse." Brookhaven National Laboratory. 18. oktober kl. 2004. http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/PR_display.asp?prID=04-92
• "Kemisk dampaflejring (CVD) - en introduktion." Azom.com. http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1552
• "Moores lov." Intel. http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm
• "Nanoskala 'koaksialkabler' til høst af solenergi." Physorg.com. 23. april kl. 2007. http://www.physorg.com/news96557368.html
• "nanoteknologi." Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. 11. oktober 2007 http://search.eb.com/eb/article-9384821
• "Nanowire -belægning til knogleimplantater, Stents. "ScienceDaily. 28. august, 2007. http://www.sciencedaily.com/releases/2007/08/070824173341.htm
• "Nanotråde danner atomskifte." Nanotechweb.org. 6. januar, 2005. http://nanotechweb.org/cws/article/tech/21176
• "Nanotråde kan give inderside til kvantecomputere." Ny forsker. 16. juli kl. 2005. Nummer 2508. Side 18.
• "Nanotråde inden for nanotråde." Physicsworld.com. 8. november kl. 2002. http://physicsworld.com/cws/article/news/16393
• "Introduktion til Quantum Dot." Tydelige teknologier. http://www.evidenttech.com/qdot-definition/quantum-dot-introduction.php
• "Forskere gør DNA til Nanotråde." Scientific American.com. 6. januar, 2004. http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=00065BDA-E97C-1FF9-A97C83414B7F0144
• "Brug af Nanotråde til at generere elektricitet ved at høste energi fra miljøet." Azonano.com. 28. september kl. 2007. http://www.azonano.com/news.asp?newsID=5036
• Brambilla, Gilberto og Xu, Fei. "Nanotråde med optisk fiber og relaterede strukturer." Optoelektronik Research Center, University of Southampton.
• Brun, Chappell. "Bakterier vokser ledende ledninger." EE Times. 8. august kl. 2005. http://www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=167101011
• Chang, Kenneth. "Nanotråde kan føre til superhurtige computerchips." New York Times. 9. november kl. 2001. http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9D06E4DF1638F93AA35752C1A9679C8B63
• Choi, Charles Q. "Nanotråde almindelig i bakterier?" Videnskabsmanden. 11. juli kl. 2006. http://www.the-scientist.com/news/display/23924/
• Cortie, Michael B. "The Weird World of Nanoscale Gold." Guldbulletin. Bind 37, 2004.
• Cui, Yi. "Nanotråde og nanokrystaller til nanoteknologi." Foredrag ved Stanford University. 12. september kl. 2006. http://video.google.com/videoplay?docid=6571968052542741458
• Edwards, John. "Nanotråde bliver bøjet ud af formen for ny teknologi." Elektronisk design. 2. august kl. 2007.
• Friedrich, Craig. "Laserablation." Michigan Technology University. http://www.me.mtu.edu/~microweb/chap4/ch4-2.htm
• Gelblum, Amit. "Selvmonterende nanotråde." Tingenes fremtid. 26. september kl. 2007. http://www.tfot.info/news/1010/self-assembling-nanowires.html
• Himpsel, Franz J. "Fremstilling af nanotråde på overflader." University of Wisconsin Madison. http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/wires.html
• Hoekenga, B. Christine. "Nye nanotråde til hurtigere hukommelse." MIT Technology Review. 27. september kl. 2007. http://www.technologyreview.com/Nanotech/19428/
• Inman, Mason. "Bakterier lavet til at spire ledende nanotråde." NewScientist.com. 11. juli kl. 2006. http://technology.newscientist.com/article/dn9526
• Stormer, Horst. "Små vidundere - Nanovidenskabens verden." Foredrag. 14. november kl. 2006. http://video.google.com/videoplay?docid=8197935869304489599
• Timmer, John. "Nanoskalaudskrivning:bedre nanotråde gennem 100, 000 dpi udskrivning. "Ars Technica. 11. september, 2007. http://arstechnica.com/news.ars/post/20070911-nanoscale-printing-better-nanowires-through-100000-dpi-printing.html
• Yarris, Lynn. "Indlejret:En godartet måde at leve celler i Nanowire på." Science@Berkeley Lab. 6. august kl. 2007. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Jul/embedded.html