納米工程

    納米工程是一個工程的工程分支,涉及設計,建築和使用發動機,機器和結構的所有方麵。在其核心,納米工程涉及納米材料以及它們如何互動,以製造有用的材料,結構,裝置和係統。
    Nanoengineering並不完全是一種新的科學,而是,而且,在大多數行業的應用中有能力,用於能源,醫學和生物技術的應用。
    雖然這個詞納米工程通常與更通用的術語同義納米技術,前者技術上專注於該領域的工程方麵,而不是後者所包括的更廣泛的科學和一般技術方麵。
    在此背景下使用的其他密切相關的術語納米製作納米建材。通過使用經濟可行性的標準來區分術語的一種可能方法:工業規模和與文字相關的盈利能力的內涵意味著納米製造是具有或多或少自動化裝配線的工業生產設施的經濟活動。相比之下,納米製造更像是基於開發新材料和過程的研究活動 - 它更像是熟練的工匠的領域,而不是批量生產。
    納米顆粒納米顆粒
    微小的顆粒轉變為“樂高”的模塊化積木。(圖片:墨爾本大學)
    一般來說,工程是科技的分支,關注的設計,建築和使用發動機,機器和結構。相應地,但是在原子和分子的規模中,納米滅絕的利用納米級材料(尺寸和量子效應)的獨特性質,以設計和製造具有完全新功能和能力的裝置和係統。
    納米尺度材料的性質可以是兩個主要原因:
    第一的,納米材料有一個相對較大的表麵積與以較大形式產生的相同質量的材料相比。這可以使材料更具化學反應(在一些情況下,在其較大形式中惰性的材料在其納米形式中產生時是反應性的,並影響它們的強度或電性能。
    第二,量子效應可以開始在納米級占據物質的行為 - 特別是在下端 - 影響材料的光學,電氣和磁力行為。可以製造材料在​​一個尺寸中的納米級(例如,納米線,納米棒和納米管子),在兩個尺寸(板狀形狀,如納米織物,納米組,和石墨烯.或者在所有三個維度(例如,納米顆粒)。
    納米尺度物體很難操縱,因為它們太小而無法直接通過眼睛看,遠太小而無法保持,並且通常具有不相容的表麵來組裝到有序結構中。因此,複合納米建築的製造需要納米級工程的複雜技術。為此,納入工程師正在采用許多方法來利用原子和分子規模的材料操縱(最終)工業用途。
    在研究人員在開發納入技術和過程中克服的許多挑戰中,對物體定位和整形的極其精確,納米級控製的要求是最令人煩惱的。

    納米透明度和表麵的納米結構

    有不同的方式製造您最理聽的功能納米結構:自頂向下自下而上方法。
    自上而下的納米製造主要是由光刻,這是在當今半導體行業中使用的標準工作主管,以及其他自上而下的方法,您可以在拍攝材料塊並刪除您不想要的位和碎片,直到您獲得所需的形狀和大小。
    與自上而下過程的確定性性質相比,通過熱力學和動力學的組合驅動了自下而上的過程,然後確定所需結構的產量。
    自下而上的過程通常不需要昂貴的工具來創建納米級結構,並且縮放到大量的尺寸可能是直截了當的。通過應用化學合成,量子點,等離子體活性顆粒,碳納米管,金屬納米線和用於醫學應用的多官能顆粒的應用,已經在製造量中成功地成功地生產。
    鑒於光學光刻工具的巨大且仍然上升,成本,研究人員考慮了替代的圖案化技術,如電子束光刻(EBL),和納米模印技術(nil),以便製造下一代集成電路,閃存和硬盤驅動器。
    現在,通過自上而下的光刻可獲得的長度尺度正在接近聚合物和小分子中發現的自下而上的自組裝,科學家越來越多地研究基於自組裝的自下而上的圖案化技術。
    有機構建塊作為自組裝蝕刻掩模的利用是特別有吸引力的,因為光刻信息包含在自組裝材料本身中,而不是在曝光步驟中提供。
    在設計新材料時,建築是關鍵,DNA可能是最可編程的生物材料,用於創造各種合理設計和功能增強的納米結構。
    DNA納米技術使用DNA作為具有精確控製結構的自組裝,納米結構的可編程建築材料,可導致改善與生物傳感,材料科學和細胞生物學相關的表麵性質。
    使用DNA Origami建造的納米結構
    使用DNA折紙建造的一係列納米結構,以及自然發生的矽藻 - 單細胞生物,以許多美麗和精心製作的形式。它們是世界湖泊,河流和海洋的無處不在的居民。尺度顯示納米結構和矽藻的尺寸。(圖片:Sween Dooling)(點擊圖片放大)

    3D打印

    通過直接沉積功能材料製造三維(3D)物體 - 也稱為添加劑製造- 已經在宏觀製造領域進行了幾十年的激烈研究的主題。這些3D打印技術達到了所需產品和結構的階段,可以與其形狀的複雜性無關 - 甚至生物印刷紙巾現在處於可能的領域。
    將3D打印概念應用於納米技術可能與納入速度,較少的廢物,經濟可行性相似的優勢,而不是預計會帶來製造技術。
    此外,預先圖案化的微型或納米結構可以用作基材,允許研究人員在納米級上實現前所未有的製造靈活性,功能和複雜性。
    已經,現在可以使用3D打印來打印鋰離子微滴乳一粒沙子的大小。為了製作微型乳房,一支位於哈佛大學的團隊和伊利諾伊州伊利諾伊州的厄巴納 - 香檳印刷的微小電池電極精確隔行堆疊,每個小電池電極均小於人類頭發的寬度。
    隔行掃描棧3D印刷電極
    該圖像顯示由層印刷層的隔行掃描疊層,以產生微滴建線的工作陽極和陰極。(圖片:哈佛大學的Wyss生物學啟發工程研究所)
    3D納蒙丁有各種方法。在一個,研究人員使用新的納米級添加劑製造技術稱為納米型印刷,通過在基板和原子力顯微鏡探針之間的接觸處通過纖維機械和致性表麵相互作用產生結構,其中材料圖案形成由正常和剪切接觸應力驅動。
    已經開發了另一種技術,利用尺寸可控的液體彎月板來工程師3D印刷納米結構完全由石墨烯組成
    例如,使用名為的直接激光寫入方法,已經可以使用具有令人難以置信的精細細節的三維對象雙光子光刻(閱讀更多: ”3D打印機具有納米級精度“)。通過這種技術,可以製造納米尺度上的微小結構,例如賽車的示例 - 僅測量長度為285μm。
    3D印刷的微米賽車
    一個285米長的賽車,3D印在維也納技術大學。(圖片:維也納技術大學)
    在此視頻中可以看到整個過程:搭乘尺寸為330x130x100μm的賽車3.是製造的。該結構由100層組成,每個層的平均均為200種聚合物係。它在4分鍾內完成,並以±1μm的精度類似於CAD文件:
    雙光子光刻的另一個例子是製造精美的製造分形桁架微型和納米結構如下麵的那個。這裏,在聚合物中的圖案,允許激光束交聯並在任何聚焦的情況下硬化聚合物。然而,與僅3D印刷過程相比,該技術需要額外的步驟,例如塗覆支架並蝕刻未使用的聚合物。
    分形納米施
    分形納米炮。各個組件小於5納米。(圖片:L. Meza,L. Montemayor,N.Clarke,J. Greer / Caltech)
    經過邁克爾是皇家化學學會三本書的作者:
    納米社會:推動技術的界限
    納米技術:未來是微小的, 和
    納米工程:技術和工具製作技術隱形
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