Как сделать нанометр

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 04.10.2024

Необходимость использования ультрафиолетового света может возникать не только в различных специфических областях промышленности, но и в быту. Так, без УФ фонарика не обойтись, если необходимо проверить денежные купюры на подлинность, обнаружить различные загрязнения биологического происхождения (например, мочу животных), выявить место утечки хладагента в автомобильном кондиционере и так далее.

Однако далеко не у каждого имеется ультрафиолетовый фонарь, а его покупка ради использования несколько раз в год, безусловно, не может считаться целесообразной. Но не стоит расстраиваться, ведь при необходимости сделать UV фонарь в домашних условиях не составит труда.

Делаем ультрафиолетовый фонарик из телефона

Сделать фонарик невидимого УФ диапазона своими руками невозможно. А вот видимого (со спектром в районе 395нм-420 нм) очень даже легко из обычного имеющегося у каждого смартфона, для чего можно воспользоваться одной из многих видео инструкций.

Чтобы сделать такой фонарь из смартфона понадобиться прозрачный скот, а также маркеры синего и фиолетового цвета. Дальнейшая инструкция очень проста:

сначала необходимо заклеить вспышку телефона прозрачным скотчем, а затем закрасить его синим маркером;
наклеить второй слой скотча и повторить операцию;
наклеить третью полоску скотча и закрасить уже маркером фиолетового цвета.

Чтобы проверить работоспособность сделанного устройства, достаточно написать что-либо флуоресцентным маркером на бумаге или другой поверхности и включить фонарик.

Как переделать обычный фонарик в ультрафиолетовый

Самый правильный вариант - в качестве донора использовать светодиодный фонарь с белым светом. Далее, в магазине купить UV светодиод необходимого спектра (лучше всего, чтобы это было 365 нм) и заменить белый на него.

Второй способ, более сомнительный, со светофильтром. Так же можно использовать обычный белый ручной фонарь с головной частью подходящего размера. Для изготовления примитивного светофильтра в таком случае подойдет широкий скотч или же обычный гладкий прозрачный полиэтилен.

Как видно, сделать УФ фонарь самому достаточно просто. Однако стоит напомнить, что такой фонарик будет светить в приближенном к видимому диапазону спектре (395нм и выше), поэтому будет иметь ярко выраженную фиолетовую засветку, которая может забивать флуоресценцию некоторых мелких элементов. А многие другие в таком спектре вообще светиться не будут.

В нанометр - часть метра, равная 1 x 10-9 м и сокращенно 1 нм. Он представляет собой одну миллиардную долю метра, масштаб, который обычно не используется в повседневной жизни.В качестве примеров: моле

Содержание:

В нанометр - часть метра, равная 1 x 10 -9 м и сокращенно 1 нм. Он представляет собой одну миллиардную долю метра, масштаб, который обычно не используется в повседневной жизни.

В качестве примеров: молекула сахара имеет ширину 1 нм, а диаметр вируса SARS CoV 19 составляет 100-160 нм.

Эти очень маленькие технологии позволили за короткое время, среди прочего, создать электронные устройства с большими вычислительными возможностями в портативном размере. Кроме того, это снизило затраты, сделав их доступными для гораздо большего числа людей.

Медицинская наука также выиграла от этой миниатюризации. Вот почему было необходимо создать соответствующие единицы измерения для выражения очень малых размеров, в том числе нанометра.

Эквивалентности

Ниже приведены эквиваленты нанометра и других единиц измерения, часто используемых в науке и технике, и дают хорошее представление о том, насколько мала эта единица измерения:

Нанометр в метр

Метр - это единица измерения длины в Международной системе единиц СИ. В этом случае эквивалентность:

1 нм = 1 x 10 -9 м

Точно так же 1 метр имеет 1 000 000 000 нм, то есть один миллиард нанометров.

Нанометр в см

Сантиметр - это часть метра, который широко используется для измерения предметов повседневного обихода. Эквивалентность между сантиметром и нанометром:

1 нм = 1 x 10 -7 см

В одном сантиметре не менее 10 миллионов нанометров.

Нанометр в миллиметр

В миллиметрах единица измерения, которая часто используется для обозначения таких мелких вещей, как калибр медных проводов, например, нанометр, это:

1 нм = 1 x 10 -6 мм

Или, что то же самое, 1 нм - одна миллионная миллиметра. Это означает, что в 1 мм содержится 1 миллион нанометров.

Нанометр в микрон

Микрон или микрометр, сокращенно микрометр, - это еще одна часть метра, которая используется для вещей, которые не видны невооруженным глазом. Микрон составляет одну миллионную от 1 метра, поэтому:

Чтобы получить представление об этих размерах: клетка крови имеет приблизительный диаметр 10 микрон, что в соответствии с данной эквивалентностью будет составлять 10 000 нм. А бактерия еще в 10 раз меньше, ее размер может составлять 1 микрон или 1000 нм.

Нанометр в пикометр

Пикометр, или pm, является долей метра, даже меньше нанометра. Один пикометр равен 1 × 10 -12 м.

Пикометры подходят для измерения очень малых длин волн, таких как, например, рентгеновские лучи, порядка 5 мкм.

Применение нанометров

Нанометр является подходящей единицей измерения размеров в нанонауке: так называемая наноразмер или в наноскопическом масштабе, а также для длин волн области электромагнитного спектра, которая идет от ближнего инфракрасного через видимый спектр к гамма-лучам.

Наномасштаб

В нанонауке, которая заключается в изучении и разработке наноструктур, диапазоны составляют от 1 до 100 нанометров, поэтому нанометр является подходящей единицей для размеров, которые там обрабатываются.

В этом масштабе гравитация не является существенной силой, поскольку массы очень малы, но их место занимают другие взаимодействия, и необходимо начать учитывать квантовые эффекты.

Таким образом, свойства материалов на наноскопических уровнях заметно отличаются от свойств материалов на макроскопических уровнях.

Компьютерные чипы

Компьютерные микросхемы со временем уменьшаются в размерах. К концу 1980-х они могли быть около 2000 нанометров (0,0002 см). В 2009 году они были 22 нанометра, а сегодня их размер уменьшен до 10 нанометров. Ожидается, что они продолжат снижаться, по крайней мере, до половины последнего значения.

Длина волны видимого спектра

Электромагнитный спектр состоит из континуума длин волн и частот, в которых распространяются электромагнитные волны. Они варьируются от радиоволн, наименее энергичных, до рентгеновских и гамма-лучей, наивысших энергий.

Посередине находится диапазон видимого света: набор длин волн, к которым чувствителен человеческий глаз.

Нанометр - очень подходящая единица измерения для этих длин волн. Вот ценности, которые отличают людей:

-Оранжевый: 665 нм

-Фиолетовый: 450 нм.

Длины волн за пределами красного известны как инфракрасный, а после фиолетового - радиация ультрафиолетовый. Солнце излучает электромагнитное излучение в основном на всех этих длинах волн.

Поляризационные листы

Поляризационные пленки были изобретены в конце 1920-х годов американцем Эдвином Гербертом Лэндом (1909–1991). Производство солнцезащитных очков - одно из самых известных его применений.

Используемый материал состоит из длинных цепочек молекул углеводородов, покрытых йодом и расположенных в параллельные ряды, расстояние между которыми меньше длины волны фильтруемого света.

Следовательно, расстояние должно составлять около нескольких сотен нанометров.

Электроны проводимости в молекулах подвижны по всей цепочке, которая, таким образом, ведет себя как очень тонкая проводящая проволока.

Таким образом, когда неполяризованный свет падает на лист (который содержит как вертикально, так и горизонтально поляризованные компоненты), эти электроны начинают колебаться горизонтально вдоль цепочки.

В результате получается линейно поляризованная волна с разностью фаз 180º по отношению к горизонтальной составляющей неполяризованного света, которые нейтрализуют друг друга. Таким образом, поляризационный лист поглощает упомянутый горизонтальный компонент, пропуская только вертикальный компонент.

Дифракция света

Для возникновения дифракции света размер решеток должен быть порядка нанометров, поскольку дифракция возникает только в том случае, если размер препятствия меньше длины падающей волны.

Покорение природы человеком еще не закончилось. Во всяком случае, пока мы еще не захватили наномир и не установили в нем свои правила. Посмотрим, что это такое и какие возможности нам дает мир объектов, измеряемых нанометрами.

Размеры бактерий составляют в среднем 0,5–5 мкм (500–5000 нм). Вирусы, одни из главных врагов бактерий, еще меньше. Средний диаметр большинства изученных вирусов составляет 20–300 нм (0,02–0,3 мкм). А вот спираль ДНК имеет диаметр уже 1,8–2,3 нм. Считается, что самый маленький атом – это атом гелия, его радиус 32 пм (0,032 нм), а самый большой – цезия 225 пм (0,255 нм). В целом, нанообъектом будет считаться такой объект, размер которого хотя бы в одном измерении находится в нанодиапазоне (1–100 нм).

Можно ли увидеть наномир?

Конечно, все, о чем говорится, хочется увидеть своими глазами. Ну хотя бы в окуляр оптического микроскопа. Можно ли заглянуть в наномир? Обычным способом, как мы наблюдаем, например, микробов, нельзя. Почему? Потому что свет с некоторой долей условности можно назвать нановолнами. Длина волны фиолетового цвета, с которого начинается видимый диапазон, – 380–440 нм. Длина волны красного цвета – 620–740 нм. Длины волн видимого излучения составляют сотни нанометров. При этом разрешение обычных оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом Аббе примерно на уровне половины длины волны. Большинство интересующих нас объектов еще меньше.

Поэтому первым шагом на пути проникновения в наномир стало изобретение просвечивающего электронного микроскопа. Причем первый такой микроскоп был создан Максом Кноллем и Эрнстом Руска еще в 1931 году. В 1986 году за его изобретение была вручена Нобелевская премия по физике. Принцип работы такой же, как и у обычного оптического микроскопа. Только вместо света на интересующий объект направляется поток электронов, который фокусируется магнитными линзами. Если оптический микроскоп давал увеличение примерно в тысячу раз, то электронный уже в миллионы раз. Но у него есть и свои недостатки. Во-первых, это необходимость получить для работы достаточно тонкие образцы материалов. Они должны быть прозрачны в электронном пучке, поэтому их толщина варьируется в пределах 20–200 нм. Во-вторых, это то, что образец под воздействием пучков электронов может разлагаться и приходить в негодность.

Похожий принцип работы использует и другой микроскоп из класса сканирующих зондовых микроскопов – атомно-силовой. Здесь есть и игла-зонд, и аналогичный результат – графическое изображение рельефа поверхности. Но измеряется не величина тока, а силовое взаимодействие между поверхностью и зондом. В первую очередь подразумеваются силы Ван-дер-Ваальса, но также и упругие силы, капиллярные силы, силы адгезии и другие. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, который может применяться только для исследования металлов и полупроводников, атомно-силовой позволяет изучить и диэлектрики. Но это не единственное его преимущество. Он позволяет не только заглянуть в наномир, но и манипулировать атомами.

Молекула пентацена. А – модель молекулы. В – изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом. С – изображение, полученное атомно-силовым микроскопом. D –несколько молекул (АСМ). А, B и C в одном масштабе. / © Science

Наномашины

В природе на наноуровне, то есть на уровне атомов и молекул, происходит множество процессов. Мы можем, конечно, и сейчас оказывать влияние на то, как они протекают. Но делаем мы это практически вслепую. Наномашины – это адресный инструмент для работы в наномире, это устройства, позволяющие манипулировать одиночными атомами и молекулами. До недавнего времени только природа могла создавать их и управлять ими. Мы в шаге от того дня, когда тоже сможем делать это.

Что могут наномашины? Возьмем, к примеру, химию. Синтез химических соединений основан на том, что мы создаем необходимые условия для протекания химической реакции. В результате на выходе имеем некое вещество. В будущем химические соединения можно будет создать, условно говоря, механическим путем. Наномашины смогут соединять и разъединять отдельные атомы и молекулы. В результате будут образовываться химические связи или, наоборот, имеющиеся связи будут рваться. Наномашины-строители смогут создавать из атомов нужные нам молекулярные конструкции. Нанороботы-химики – синтезировать химические соединения. Это прорыв в создании материалов с заданными свойствами. Одновременно это прорыв в деле защиты окружающей среды. Несложно предположить, что наномашины – прекрасный инструмент для переработки отходов, которые в обычных условиях сложно поддаются утилизации. Тем более если говорить о наноматериалах. Ведь чем дальше заходит технический прогресс, тем сложнее окружающей среде справляться с его результатами. Слишком долго происходит разложение в природной среде новых материалов, придуманных человеком. Всем известно, как долго разлагаются выброшенные пластиковые пакеты – продукт предыдущей научно-технической революции. Что будет с наноматериалами, которые рано или поздно окажутся мусором? Их переработкой должны будут заняться те же наномашины.

Ученые давно уже говорят о механосинтезе. Это химический синтез, который осуществляется благодаря механическим системам. Его преимущество видится в том, что он позволит позиционировать реагирующие вещества с высокой степенью точности. Вот только пока не существует инструмента, который позволил бы эффективно осуществлять его. Конечно, такими инструментами могут выступать существующие сегодня атомно-силовые микроскопы. Да, они позволяют не только заглянуть в наномир, но и оперировать атомами. Но они как объекты макромира не лучшим образом подходят для массового применения технологии, чего нельзя сказать о наномашинах. В будущем на их основе будут создавать целые молекулярные конвейеры и нанофабрики.

Но уже сейчас имеются целые биологические нанофабрики. Они существуют в нас и во всех живых организмах. Вот поэтому от нанотехнологий ожидают прорывов в медицине, биотехнологиях и генетике. Создав искусственные наномашины и внедрив их в живые клетки, мы можем добиться впечатляющих результатов. Во-первых, наномашины могут быть использованы для адресной переноски лекарственных препаратов к нужному органу. Нам не придется принимать лекарство, понимая, что только часть его попадет к больному органу. Во-вторых, уже сейчас наномашины берут на себя функции редактирования генома. Технология CRISPR/Cas9 , подсмотренная у природы, позволяет вносить изменения в геном как одноклеточных, так и высших организмов, и в том числе человека. Причем речь идет не только о редактировании генома эмбрионов, но и генома живых взрослых организмов. И займутся всем этим наномашины.

Нанорадио

Если наномашины – это наш инструмент в наномире, то ими как-то нужно управлять. Впрочем, и здесь что-то принципиально новое придумывать не придется. Один из наиболее вероятных способов управления – это радио. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли во главе с Алексом Зеттлом создан радиоприемник из всего одной нанотрубки диаметром около 10 нм. Причем нанотрубка выступает одновременно в качестве антенны, селектора, усилителя и демодулятора. Принимать нанорадиоприемник может как FM, так и AM волны с частотой от 40 до 400 МГц. Использовать устройство, по словам разработчиков, можно не только для приема радиосигнала, но и для его передачи.

В качестве тестового сигнала послужила музыка Эрика Клэптона и группы Beach Boys. Ученые передали сигнал из одной части комнаты в другую, где находилось созданное ими радио. Как оказалось, качество сигнала было достаточно хорошим. Но, естественно, предназначение такого радиоприемника не прослушивание музыки. Радиоприемник может быть применен во множестве наноустройств. К примеру, в тех же нанороботах-доставщиках лекарств, которые будут пробираться к нужному органу по кровотоку.

Наноматериалы

Нульмерные (0D) – нанокластеры, нанокристаллы, нанодисперсии, квантовые точки. Ни одна из сторон 0D-наноматериала не выходит за пределы нанодиапазона. Это материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. Первые сложные нульмерные структуры, полученные и применяемые на практике, – это фуллерены. Фуллерены – это сильнейшие антиоксиданты из известных на сегодняшний день. В фармакологии с ними связывают надежды на создание новых лекарств. Производные фуллеренов хорошо показывают себя в лечении ВИЧ. А при создании наномашин фуллерены могут быть использованы в качестве деталей. Наномашина с фулереновыми колесами на изображении выше.

Одномерные (1D) – нанотрубки, волокна и прутки. Их длина составляет от 100 нм до десятков микрометров, но диаметр укладывается в нанодиапазон. Самые известные одномерные материалы сегодня – это нанотрубки. Они обладают уникальными электрическими, оптическими, механическими и магнитными свойствами. В ближайшее время нанотрубки должны найти применение в молекулярной электронике, биомедицине, в создании новых сверхпрочных и сверхлегких композиционных материалов. Уже используются нанотрубки и в качестве игл в сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопах. Выше говорилось о создании на основе нанотрубок нанорадио. Ну и, конечно, на углеродные нанотрубки возлагается надежда как на материал для троса космического лифта.

Двумерные (2D) – пленки (покрытия) нанометровой толщины. Это всем известный графен – двумерная аллотропная модификация углерода (за графен вручена Нобелевская премия по физике за 2010 год). Менее известные общественности силицен – двумерная модификация кремния, фосфорен – фосфора, германен – германия. В прошлом году ученые создали борофен, который, в отличие от других двумерных материалов, получился не плоским, а гофрированным. Расположение атомов бора в виде гофрированной структуры обеспечивает уникальные свойства полученного наноматериала. Борофен претендует на лидерство по прочности на растяжение среди двумерных материалов.

Двумерные материалы должны найти применение в электронике, при создании фильтров для опреснения морской воды (графеновые мембраны) и создании солнечных батарей. Уже в ближайшее время графен может заменить окись индия – редкого и дорогого металла – при производстве сенсорных экранов.

Трехмерные (3D) наноматериалы – это порошки, волоконные, многослойные и поликристаллические материалы, в которых вышеперечисленные нульмерные, одномерные и двумерные наноматериалы являются структурными элементами. Плотно прилегая друг к другу, они образуют между собой поверхности раздела – интерфейсы.

Пройдет еще немного времени и нанотехнологии – технологии манипуляции наноразмерными объектами станут привычным явлением. Так же, как привычными стали технологии микроэлектроники, подарившие нам компьютеры, мобильные телефоны, спутники и многие другие атрибуты современной информационной эпохи. Но влияние нанотехнологий на жизнь будет куда шире. Нас ожидают изменения практически во всех сферах деятельности человека.

Так почему же эти новые процессы так важны?

Закон Мура, старое наблюдение о том, что количество транзисторов на чипе удваивается каждый год, а затраты вдвое сокращаются, удерживался в течение длительного времени. Еще в конце 90-х и начале 2000-х годов транзисторы сокращались вдвое каждые два года, что приводило к их значительному улучшению. Но дальнейшее уменьшение стало более сложным, и, например, мы не наблюдали уменьшения транзистора от Intel с 2014 года. Так что эти новые технологические процессы являются первыми крупными сокращениями за долгое время, особенно со стороны Intel, и представляют собой краткое возрождение закона Мура.

Процессоры выполнены с помощью фотолитографии, где образ процессора вытравливается на куске кремния. Точная методика выполнения этой операции обычно называется технологическим процессом и измеряется тем, насколько малым может быть изготовление транзисторов.

Поскольку более компактные транзисторы более энергоэффективны, они могут выполнять больше вычислений без перегрева, что обычно является ограничивающим фактором для производительности процессора. Это также позволяет уменьшить размеры матрицы, что снижает затраты и может увеличить плотность при тех же размерах, а это означает увеличение количества ядер на чип.

Плотность 7 нм в два раза выше, чем у предыдущего 14 нм узла, что позволяет таким компаниям, как AMD, выпускать 64-ядерные серверные чипы, что значительно превосходит их предыдущие 32 ядра (и 28 ядра Intel).

Важно отметить, что, хотя Intel все еще находится на 14-нм процессоре, а AMD собирается запустить свои 7-нм процессоры очень скоро, это не означает, что AMD будут работать в два раза быстрее. Производительность не соответствует размеру транзистора, и в таких маленьких масштабах эти значения уже не столь точны.

Мобильные чипы претерпят наибольшие улучшения

Уменьшение транзисторов — это не только производительность; оно также имеет огромное значение для маломощных чипов мобильных устройств и ноутбуков. С 7 нм (по сравнению с 14 нм) вы можете получить на 25% больше производительности при той же мощности, или вы можете получить ту же производительность за половину мощности.

Это означает более длительное время работы от батареи при одинаковой производительности и гораздо более мощные чипы для небольших устройств. Мы уже видели, как чип A12X от Apple выигрывал некоторые старые чипы Intel в тестах, несмотря на то, что он был только пассивно охлажден и упакован внутри смартфона, И это только первый 7-нм чип, который появился на рынке.

Уменьшение узлов всегда является хорошей новостью, так как более быстрые и энергоэффективные чипы влияют практически на все аспекты технологического мира. 2019 год будет очень интересным для технических специалистов и, конечно, очень приятно видеть, что закон Мура еще не совсем мертв.

Заранее спасибо! Все собранные средства будут пущены на развитие сайта. Поддержка проекта является подарком владельцу сайта.

Читайте также: