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 молекулярное производство, который представляет собой изготовление сложных наноразмерных структур посредством небиологического механосинтеза (и последующей сборки).[1]

Термин «нанопроизводство» широко используется, например Европейской технологической платформой MINAM[2] и США Национальная нанотехнологическая инициатива (NNI).[3] NNI относится к субдомену нанотехнологии как одно из пяти его «приоритетных направлений».[4] Существует также программа нанопроизводства на Национальный научный фонд США, через который Национальная сеть нанопроизводства (NNN) был установлен. NNN - это организация, которая работает над ускорением перехода нанотехнологий от лабораторных исследований к производственному производству, и делает это посредством обмена информацией,[5] стратегические семинары и разработка дорожной карты.

NNI дал очень широкое определение нанотехнологии,[6] чтобы включить широкий спектр крошечных структур, в том числе созданных большими и неточными инструментами. Однако нанопроизводство не определяется в недавнем отчете NNI, Приборостроение и метрология для нанотехнологий. Напротив, другая «приоритетная область» нанопроизводство, определяется как «способность изготавливать направленными методами или методами самосборки функциональные структуры или устройства на атомарном или молекулярном уровне» (стр. 67). Нанопроизводство - это краткосрочное промышленное производство объектов на основе нанотехнологий с упором на низкую стоимость и надежность. Многие профессиональные сообщества сформировали технические группы по нанотехнологиям. В Общество инженеров-производителей, например, сформировал Техническая группа по нанопроизводству как для информирования участников о развивающихся технологиях, так и для решения организационных и юридических вопросов, связанных с интеллектуальной собственностью, которые необходимо решать для более широкой коммерциализации.

В 2014 г. Счетная палата правительства отметил, что лидерство Америки в области нанотехнологий было поставлено под угрозу из-за того, что правительство не инвестировало в подготовку фундаментальных исследований для коммерческого применения.[7]

Фон

Осуществление многочисленных приложений и преимуществ наноразмерных систем в повседневных материалах, электронике, медицине, энергосбережении, устойчивости и транспортировке привело к исследованиям в области разработки методов производства этих наносистем в более крупном масштабе и с более высокими темпами. .[8] Программы и организации, такие как NNI и NNN в настоящее время финансируют исследования по разработке экономичных, устойчивых и надежных промышленных технологий нанопроизводства.[9][10]

Примером такой технологии является система наномасштабной офсетной печати (NanoOps), разработанная исследователями из Центр высокопроизводительного нанопроизводства (CHN) в Северо-Восточном университете.[11] NanoOps - это форма направленной сборки, которая быстрее и экономичнее, чем традиционная 3D-печать наносистем. Ахмед Буснаина, который был главным ведущим проекта и снялся в фильме От лаборатории к фабрике: пионеры в области нано-производства описывает систему как печатный станок. Протравленный шаблон с нанопроводами погружают в раствор с наночастицами, который действует как краска для печати.[12] Наночастицы прилипают к шаблону при подаче на раствор электричества.[11] 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.[11]

Общий обзор

Нанопроизводство относится к производство процессы объектов или материалов с размерами от одного до ста нанометры.[13] Эти процессы приводят к нанотехнологии, чрезвычайно устройств, структур, функций и систем, которые применяются в органической химии, молекулярная биология, аэрокосмическая техника, физика, и не только.[14] Нанопроизводство позволяет создавать новые материалы и продукты, которые имеют такие приложения, как процессы удаления материала, сборка устройств, медицинское оборудование, электростатическое покрытие и волокна, и литография.[14] Нанопроизводство - относительно недавняя отрасль производства, представляющая как новую область науки, так и новый рынок. Исследования в области нанопроизводства, в отличие от традиционного производства, требуют коллективных усилий с учетом типичных инженерных различий, таких как сотрудничество между инженеры-механики, физики, биологи, химики, и материаловеды.[14]

Нанопроизводство в целом можно разделить на две категории: нисходящие и восходящие подходы.

Нанопроизводство

В 2009 году 91 миллиард долларов был вложен в продукты США, содержащие наноразмерные компоненты.[15] В период с 2001 по 2004 год более 60 стран на национальном уровне разработали программы, связанные с отраслью нанопроизводства.[15] Совокупное финансирование Национальной инициативы в области нанотехнологий (NNI) с 2000 года составляет более 12 миллиардов долларов.[15]

Стол. 1 Развитие нанотехнологий в мире и США[16]
Рисунок 1 Количество патентов, связанных с нанотехнологиями, и не совпадающих с ними.[17]

С точки зрения устойчивости, осаждение атомных слоев (ALD) - это наномасштабная производственная технология, использующая метод производства снизу вверх и химического осаждения из паровой фазы (CVD).[17] ALD заменяет SiO2 диэлектрическая пленка с Al2О3 диэлектрическая пленка.[17] Промышленность ALD уже используется в полупроводниковой промышленности и перспективна в производстве солнечных батарей, топливных элементов, медицинских устройств, датчиков и полимеров.[17] Технологии нанопроизводства позволяют усовершенствовать упаковку пищевых продуктов.[16] Например, улучшение барьера из пластикового материала позволяет клиентам находить соответствующую информацию.[16] Более продолжительная пища и более безопасная пища также направлены на самовосстановление.[16] Выполнение традиционных строительных материалов; сталь и бетон улучшаются с помощью нанотехнологий. Армирование бетона наночастицами оксида металла снижает проницаемость и увеличивает прочность.[18] 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.[18]

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.[9]
  • Контроль точности сборки наноструктур[9][19]
  • 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 выборочного и тщательного удаления примесей.[19]
  • Сохранение наноразмерных свойств и качества наносистемы во время высокопроизводительного и крупносерийного производства, а также в течение всего срока службы продукта после производства[9][19]
  • Оценка экологических, этических и социальных воздействий[20]

Рекомендации

  1. ^ Глоссарий Дрекслера Наносистемы
  2. ^ Сайт MINAM
  3. ^ Веб-сайт Национальной инициативы США по нанотехнологиям
  4. ^ «События в истории British Telecomms». События в British Telecomms. Архивировано из оригинал 5 апреля 2003 г.. Получено 25 ноября, 2005.
  5. ^ Интернано
  6. ^ Национальная нанотехнологическая инициатива США: что такое нанотехнология? В архиве 2011-02-21 на Wayback Machine
  7. ^ «Нанопроизводство в Америке». Экономист. 7 февраля 2014 г.. Получено 10 февраля 2014.
  8. ^ «Преимущества и применение | Нано». www.nano.gov. Получено 2016-02-16.
  9. ^ а б c d «NSI: устойчивое нанопроизводство - создание отраслей будущего | нано». www.nano.gov. Получено 2016-02-16.
  10. ^ "О Национальной сети нанопроизводства | InterNano". www.internano.org. Получено 2016-02-16.
  11. ^ а б c «NanoOPS: от лаборатории к фабрике: нанопроизводство NEU». nano.server281.com. Получено 2016-02-16.
  12. ^ "3Q: 3D-печать завтрашнего дня | news @ Northeastern". www.northeastern.edu. Получено 2016-02-16.
  13. ^ Ван, Ян (2009). «ТЕХНОЛОГИИ НАНОПРОИЗВОДСТВА: ДОСТИЖЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ» (PDF). Международная ассоциация управления технологиями. Университет Центральной Флориды. Получено 2016-02-16.
  14. ^ а б c Бискарини, Чен, Командури, Талиани, Фабио, Джули, Ранга, Карло (январь 2002 г.). "СЕМИНАР NSF-EC ПО НАНОМАРНОМУ ИЗГОТОВЛЕНИЮ И ПЕРЕРАБОТКЕ" (PDF). Национальный фонд науки. Получено 2016-02-16.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  15. ^ а б c Роко, Михаил (2011). «Долгосрочная перспектива развития нанотехнологий: Национальная нанотехнологическая инициатива через 10 лет». Журнал исследований наночастиц. 13 (2): 427–445. Дои:10.1007 / s11051-010-0192-z.
  16. ^ а б c d Сехон, Бхупиндер (2010). «Пищевая нанотехнология - обзор». Нанотехнологии, наука и приложения. 3: 1–15. ЧВК  3781769. PMID  24198465.
  17. ^ а б c d Юань, Крис (2012). «Трехмерный системный подход для экологически устойчивого производства». CIRP Анналы. 61: 39–42. Дои:10.1016 / j.cirp.2012.03.105.
  18. ^ а б Ханус, Моника (2013). «Нанотехнологические инновации для строительной индустрии». Прогресс в материаловедении. 58 (7): 1056–1102. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2013.04.001.
  19. ^ а б c Буснаина, Ахмед (2007). Справочник по нанопроизводству. Бока-Ратон: Пресса CRC: Тейлор и Фрэнсис Групп. стр.3 –16. ISBN  978-0-8493-3326-2.
  20. ^ «Цели и миссия: нанопроизводство NEU». nano.server281.com. Получено 2016-02-16.