Toshiba mostra un prototipo di wafer di silicio da 90 nanometri. Guarda altre immagini di nanotecnologia. Yoshikazu Tsuno/AFP/Getty Images Nel 1965, l'ingegnere Gordon Moore ha previsto che il numero di transistor su un circuito integrato -- un precursore del microprocessore -- raddoppierebbe approssimativamente ogni due anni. Oggi, chiamiamo questa previsione la legge di Moore , anche se non è affatto una legge scientifica. La legge di Moore è più di a profezia che si autoavvera sull'industria informatica. I produttori di microprocessori si sforzano di soddisfare la previsione, perché se non lo fanno, i loro concorrenti [fonte:Intel].
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Per inserire più transistor su un chip, gli ingegneri devono progettare transistor più piccoli. Il primo chip aveva circa 2, 200 transistor su di esso. Oggi, centinaia di milioni di transistor possono stare su un singolo chip del microprocessore. Comunque, le aziende sono determinate a creare transistor sempre più piccoli, stipare di più in chip più piccoli. Esistono già chip per computer che hanno transistor su scala nanometrica (la scala nanometrica è compresa tra 1 e 100 nanometri -- un nanometro è un miliardesimo di metro). I futuri transistor dovranno essere ancora più piccoli.
Inserisci il nanofilo, una struttura che ha un'incredibile rapporto lunghezza-larghezza . I nanofili possono essere incredibilmente sottili:è possibile creare un nanofilo con il diametro di un solo nanometro, sebbene ingegneri e scienziati tendano a lavorare con nanofili di larghezza compresa tra 30 e 60 nanometri. Gli scienziati sperano che presto saremo in grado di utilizzare i nanofili per creare i transistor più piccoli di sempre, anche se ci sono alcuni ostacoli piuttosto difficili sulla strada.
In questo articolo, esamineremo le proprietà dei nanofili. Impareremo come gli ingegneri costruiscono nanofili e i progressi che hanno fatto nella creazione di chip elettronici utilizzando transistor a nanofili. Nell'ultima sezione, esamineremo alcune delle potenziali applicazioni dei nanofili, compresi alcuni usi medici.
Nella sezione successiva, esamineremo le proprietà dei nanofili.
Quanto è sottile?
I capelli umani sono generalmente larghi tra 60 e 120 micrometri. Supponiamo che tu abbia trovato un capello eccezionalmente fine con una larghezza di 60 micrometri. Un micrometro è 1, 000 nanometri, quindi dovresti tagliare quei capelli almeno 60, 000 volte nel senso della lunghezza per creare un filo dello spessore di un nanometro.
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2007 Come funzionano le cose A seconda di cosa è fatto, un nanofilo può avere le proprietà di un isolante, un semiconduttore o un metallo. Gli isolanti non trasporteranno una carica elettrica, mentre i metalli trasportano molto bene le cariche elettriche. I semiconduttori cadono tra i due, portare una carica nelle giuste condizioni. Disponendo i fili dei semiconduttori nella configurazione corretta, gli ingegneri possono creare transistor, che funge da a interruttore o an amplificatore .
Alcune proprietà interessanti e controintuitive che i nanofili possiedono sono dovute alla piccola scala. Quando lavori con oggetti su scala nanometrica o più piccoli, inizi a entrare nel regno della meccanica quantistica. La meccanica quantistica può confondere anche gli esperti del settore, e molto spesso sfida la fisica classica (nota anche come fisica newtoniana).
Per esempio, normalmente un elettrone non può passare attraverso un isolante. Se l'isolante è abbastanza sottile, anche se, l'elettrone può passare da un lato all'altro dell'isolante. È chiamato tunneling elettronico , ma il nome non ti dà davvero un'idea di quanto strano possa essere questo processo. L'elettrone passa da un lato all'altro dell'isolatore senza realmente penetrare nell'isolante stesso o occupare lo spazio all'interno dell'isolatore. Si potrebbe dire che si teletrasporta da un lato all'altro. È possibile prevenire il tunneling degli elettroni utilizzando strati di isolante più spessi poiché gli elettroni possono viaggiare solo su distanze molto piccole.
Un'altra proprietà interessante è che alcuni nanofili sono conduttori balistici . Nei normali conduttori, gli elettroni entrano in collisione con gli atomi nel materiale conduttore. Questo rallenta gli elettroni mentre viaggiano e crea calore come sottoprodotto. Nei conduttori balistici, gli elettroni possono viaggiare attraverso il conduttore senza collisioni. I nanofili potrebbero condurre l'elettricità in modo efficiente senza il sottoprodotto del calore intenso.
Alla nanoscala, gli elementi possono mostrare proprietà molto diverse da quelle che ci si aspetta. Per esempio, all'ingrosso, l'oro ha un punto di fusione superiore a 1, 000 gradi Celsius. Riducendo l'oro sfuso alle dimensioni delle nanoparticelle, ne diminuisci il punto di fusione, perché quando riduci una particella su scala nanometrica, c'è un aumento significativo del rapporto superficie-volume. Anche, su scala nanometrica, l'oro si comporta come un semiconduttore, ma alla rinfusa è un conduttore.
Anche altri elementi si comportano in modo strano su scala nanometrica. All'ingrosso, l'alluminio non è magnetico, ma gruppi molto piccoli di atomi di alluminio sono magnetici. Le proprietà elementari con cui abbiamo familiarità nella nostra esperienza quotidiana - e i modi in cui ci aspettiamo che si comportino - potrebbero non essere applicabili quando riduciamo quegli elementi fino alla dimensione di un nanometro.
Stiamo ancora imparando le diverse proprietà dei vari elementi su scala nanometrica. Alcuni elementi, come il silicio, non cambia molto a livello di nanoscala. Questo li rende ideali per transistor e altre applicazioni. Altri sono ancora misteriosi, e potrebbe mostrare proprietà che non possiamo prevedere in questo momento.
Nella sezione successiva, scopriremo come gli ingegneri realizzano i nanofili.
Nanotubi di carbonio e punti quanticiI nanofili sono solo un'entusiasmante struttura che gli ingegneri e gli scienziati stanno esplorando su scala nanometrica. Altri due importanti oggetti su scala nanometrica sono i nanotubi di carbonio e i punti quantici. Un nanotubo di carbonio è una struttura cilindrica che sembra un foglio di grafite arrotolato. Le sue proprietà dipendono da come si fa rotolare la grafite nel cilindro:facendo rotolare gli atomi di carbonio in un modo, puoi creare un semiconduttore. Ma arrotolarli in un altro modo può rendere un materiale 100 volte più resistente dell'acciaio. I punti quantici sono raccolte di atomi che insieme agiscono come un atomo gigante, anche se per gigante stiamo ancora parlando di nanoscala. I punti quantici sono semiconduttori.
Cavi in fibra ottica David Ritter, SXC Gli specialisti delle nanoscienze parlano di due diversi approcci alla costruzione di cose su scala nanometrica:il approccio dall 'alto verso il basso e il approccio dal basso verso l'alto . Un approccio dall'alto verso il basso significa essenzialmente che prendi una grande quantità del materiale che prevedi di utilizzare per i nanofili e taglialo fino a quando non raggiungi la giusta dimensione. Un approccio dal basso verso l'alto è un processo di assemblaggio in cui le particelle più piccole si uniscono per creare una struttura più grande.
Sebbene possiamo costruire nanofili usando entrambi gli approcci, nessuno ha trovato un modo per rendere fattibile la produzione di massa. Proprio adesso, scienziati e ingegneri dovrebbero impiegare molto tempo per realizzare una frazione del numero di nanofili di cui avrebbero bisogno per un chip di microprocessore. Una sfida ancora più grande è trovare un modo per disporre correttamente i nanofili una volta che sono stati costruiti. Le piccole scale rendono molto difficile la costruzione automatica dei transistor - in questo momento, gli ingegneri di solito manipolano i fili in posizione con strumenti mentre osservano tutto attraverso un potente microscopio.
Un esempio di approccio dall'alto verso il basso è il modo in cui gli scienziati realizzano nanocavi in fibra ottica. I fili in fibra ottica trasportano informazioni sotto forma di luce. Per realizzare un nanocavo in fibra ottica, gli ingegneri iniziano prima con un normale cavo in fibra ottica. Esistono diversi approcci per ridurre un cavo in fibra ottica su scala nanometrica. Gli scienziati potrebbero riscaldare una bacchetta di zaffiro, avvolgere il cavo intorno all'asta, e tirare il cavo, allungandolo sottile per creare un nanofilo. Un altro metodo utilizza una minuscola fornace ricavata da un piccolo cilindro di zaffiro. Gli scienziati disegnano il cavo in fibra ottica attraverso la fornace e lo allungano in un sottile nanofilo. Una terza procedura chiamata spazzolatura a fiamma usa una fiamma sotto il cavo in fibra ottica mentre gli scienziati lo allungano [fonte:Gilberto Brambilla e Fei Xu].
Nella sezione successiva, esamineremo i modi in cui gli scienziati possono far crescere i nanofili dal basso verso l'alto.
Guardando la NanoscalaIl microscopio di un nanoscienziato non è lo stesso tipo che troverai nel laboratorio di chimica di un liceo. Quando scendi alla scala atomica, hai a che fare con dimensioni che sono in realtà più piccole della lunghezza d'onda della luce visibile. Anziché, un nanoscienziato potrebbe usare a microscopio a scansione a effetto tunnel o an microscopio a forza atomica . I microscopi a scansione a effetto tunnel utilizzano una debole corrente elettrica per sondare il materiale scansionato. I microscopi a forza atomica scansionano le superfici con una punta incredibilmente fine. Entrambi i microscopi inviano dati a un computer, che assembla le informazioni e le proietta graficamente su un monitor.
Deposizione chimica da vapore (CVD) è un esempio di approccio dal basso verso l'alto. Generalmente, CVD si riferisce a un gruppo di processi in cui i solidi si formano da una fase gassosa. Gli scienziati depositano catalizzatori (come le nanoparticelle d'oro) su una base, chiamato a substrato . I catalizzatori fungono da sito di attrazione per la formazione di nanofili. Gli scienziati hanno messo il substrato in una camera con un gas contenente l'elemento appropriato, come il silicio, e gli atomi nel gas fanno tutto il lavoro. Primo, gli atomi nel gas si legano agli atomi nei catalizzatori, quindi atomi di gas aggiuntivi si attaccano a quegli atomi, e così via, creando una catena o un filo. In altre parole, i nanofili si assemblano da soli.
Un nuovo modo per costruire nanofili è stamparli direttamente sul substrato appropriato. Un team di ricercatori a Zurigo ha aperto la strada a questo metodo. Primo, hanno scolpito un wafer di silicio in modo che le porzioni in rilievo sul wafer coincidessero con il modo in cui volevano disporre i nanofili. Usavano l'ostia come un francobollo, premendolo contro una gomma sintetica chiamata PDMS . Hanno quindi disegnato un liquido pieno di nanoparticelle d'oro, chiamato a sospensione colloidale , attraverso il PDMS. Le particelle d'oro si sono depositate nei canali creati dallo stampo del wafer di silicio. Ora il PDMS è diventato uno stampo in grado di trasferire una "stampa" di nanofili d'oro su un'altra superficie. Gli stampi PDMS possono essere utilizzati ripetutamente e potrebbero svolgere un ruolo nella produzione di massa di circuiti a nanofili in futuro [fonte:Nature Nanotechnology].
Diversi laboratori hanno creato transistor utilizzando nanofili, ma la loro creazione richiede molto tempo e manodopera. I transistor Nanowire si comportano bene o meglio dei transistor attuali. Se gli scienziati riescono a trovare un modo per progettare un modo per produrre e collegare in modo efficiente transistor a nanocavi, aprirà la strada a più piccoli, microprocessori più veloci, che consentirà all'industria informatica di tenere il passo con la legge di Moore. I chip dei computer continueranno a diventare più piccoli e potenti.
La ricerca nella produzione di nanofili continua in tutto il mondo. Molti scienziati credono che sia solo una questione di tempo prima che qualcuno trovi un modo praticabile per produrre in serie nanofili e transistor a nanofili. Auspicabilmente, se e quando raggiungeremo quel punto, avremo anche un modo per organizzare i nanofili nel modo che vogliamo in modo da poterli utilizzare al massimo delle loro potenzialità.
Nella sezione successiva, impareremo le potenziali applicazioni della tecnologia dei nanofili.
Nanofili coltivati in casa dalla naturaFino a poco tempo fa, gli scienziati credevano che tutti i nanofili fossero prodotti dall'uomo, ma un paio di anni fa i biologi hanno scoperto che i batteri possono far crescere i propri nanofili. Un batterio chiamato Geobacter sulfurreducens scarica gli elettroni sugli atomi di metallo (gli elettroni sono un sottoprodotto del consumo di carburante del batterio). Se c'è una carenza di metallo nell'ambiente del batterio, farà crescere un'appendice di nanofili per condurre gli elettroni al metallo più vicino, permettendo al batterio di consumare più carburante. Gli scienziati sperano di costruire celle a combustibile organico usando batteri come Geobacter sulfurreducens per produrre energia elettrica.
Il CEO di Intel Paul Ortelli tiene in mano un wafer di chip per computer con circuiti a 32 nanometri. Justin Sullivan/Getty Images Forse l'uso più ovvio dei nanofili è nell'elettronica. Alcuni nanofili sono ottimi conduttori o semiconduttori, e le loro dimensioni minuscole significano che i produttori potrebbero inserire milioni di transistor in più su un singolo microprocessore. Di conseguenza, la velocità del computer aumenterebbe drasticamente.
I nanofili possono svolgere un ruolo importante nel campo dei computer quantistici. Un team di ricercatori nei Paesi Bassi ha creato nanofili da arseniuro di indio e li ho attaccati a elettrodi di alluminio . A temperature prossime allo zero assoluto, l'alluminio diventa un superconduttore, il che significa che può condurre elettricità senza alcuna resistenza. I nanofili sono diventati anche superconduttori a causa del effetto di prossimità . I ricercatori potrebbero controllare la superconduttività dei nanofili eseguendo varie tensioni attraverso il substrato sotto i fili [fonte:New Scientist].
I nanofili possono anche svolgere un ruolo importante in dispositivi di dimensioni nanometriche come nanorobot . I medici potrebbero usare i nanorobot per curare malattie come il cancro. Alcuni progetti di nanorobot hanno sistemi di alimentazione a bordo, che richiederebbero strutture come i nanofili per generare e condurre energia.
Usando piezoelettrico Materiale, i nanoscienziati potrebbero creare nanofili che generano elettricità da energia cinetica . L'effetto piezoelettrico è un fenomeno mostrato da alcuni materiali:quando si applica una forza fisica a un materiale piezoelettrico, emette una carica elettrica. Se applichi una carica elettrica a questo stesso materiale, vibra. I nanofili piezoelettrici potrebbero fornire energia a sistemi di dimensioni nanometriche in futuro, sebbene al momento non ci siano applicazioni pratiche.
Esistono centinaia di altre potenziali applicazioni dei nanofili in elettronica. I ricercatori in Giappone stanno lavorando su interruttori atomici che potrebbero un giorno sostituire gli interruttori a semiconduttore nei dispositivi elettronici. Gli scienziati del National Renewable Energy Laboratory sperano che coassiale nanofili migliorerà l'efficienza energetica delle celle solari. Poiché stiamo ancora imparando le proprietà dei nanofili e di altre strutture su nanoscala, potrebbero esserci migliaia di applicazioni che non abbiamo ancora considerato.
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Nanofili in medicinaNon tutte le applicazioni dei nanofili sono nel campo dell'elettronica. All'Università dell'Arkansas, i ricercatori stanno usando nanofili per rivestire gli impianti in titanio. I medici hanno scoperto che il tessuto muscolare a volte non aderisce bene al titanio, ma quando rivestito con i nanofili, il tessuto può ancorarsi all'impianto, riducendo il rischio di fallimento dell'impianto.
Gli scienziati del Gladstone Institute of Cardiovascular Disease stanno sperimentando nanofili e cellule staminali. Sperano che eseguendo una corrente elettrica attraverso un nanofilo nella cellula staminale, possano dirigere il modo in cui la cellula si differenzia [fonte:Berkeley Lab].
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