Toshiba présente un prototype de plaquette de silicium de 90 nanomètres. Voir plus d'images de nanotechnologie. Yoshikazu Tsuno/AFP/Getty Images En 1965, l'ingénieur Gordon Moore a prédit que le nombre de transistors sur un circuit intégré -- un précurseur du microprocesseur -- doublerait environ tous les deux ans. Aujourd'hui, nous appelons cette prédiction la loi de Moore , bien que ce ne soit pas vraiment une loi scientifique du tout. La loi de Moore est plus une prophétie auto-réalisatrice sur l'industrie informatique. Les fabricants de microprocesseurs s'efforcent de répondre aux prévisions, parce que s'ils ne le font pas, leurs concurrents [source :Intel].
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Pour installer plus de transistors sur une puce, les ingénieurs doivent concevoir des transistors plus petits. La première puce en avait environ 2, 200 transistors dessus. Aujourd'hui, des centaines de millions de transistors peuvent tenir sur une seule puce de microprocesseur. Toutefois, les entreprises sont déterminées à créer des transistors de plus en plus petits, entasser plus dans des chips plus petites. Il existe déjà des puces informatiques qui ont des transistors à l'échelle nanométrique (l'échelle nanométrique est comprise entre 1 et 100 nanomètres - un nanomètre est un milliardième de mètre). Les futurs transistors devront être encore plus petits.
Entrez le nanofil, une structure qui a une incroyable rapport longueur/largeur . Les nanofils peuvent être incroyablement fins - il est possible de créer un nanofil d'un diamètre d'un nanomètre seulement, bien que les ingénieurs et les scientifiques aient tendance à travailler avec des nanofils d'une largeur comprise entre 30 et 60 nanomètres. Les scientifiques espèrent que nous pourrons bientôt utiliser des nanofils pour créer les plus petits transistors à ce jour, bien qu'il y ait des obstacles assez difficiles sur le chemin.
Dans cet article, nous examinerons les propriétés des nanofils. Nous apprendrons comment les ingénieurs construisent des nanofils et les progrès qu'ils ont réalisés dans la création de puces électroniques à l'aide de transistors à nanofils. Dans la dernière section, nous examinerons certaines des applications potentielles des nanofils, y compris certaines utilisations médicales.
Dans la section suivante, nous examinerons les propriétés des nanofils.
À quel point est-il mince ?
Les cheveux humains mesurent généralement entre 60 et 120 micromètres de large. Supposons que vous ayez trouvé un cheveu exceptionnellement fin avec une largeur de 60 micromètres. Un micromètre vaut 1, 000 nanomètres, donc tu devrais couper ces cheveux au moins 60, 000 fois dans le sens de la longueur pour faire un brin d'un nanomètre d'épaisseur.
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2007 HowStuffWorks Selon sa composition, un nanofil peut avoir les propriétés d'un isolant, un semi-conducteur ou un métal. Les isolants ne porteront pas de charge électrique, tandis que les métaux transportent très bien les charges électriques. Les semi-conducteurs se situent entre les deux, porter une charge dans de bonnes conditions. En disposant les fils semi-conducteurs dans la configuration appropriée, les ingénieurs peuvent créer des transistors, qui agit soit comme un changer ou un amplificateur .
Certaines propriétés intéressantes - et contre-intuitives - que possèdent les nanofils sont dues à leur petite échelle. Lorsque vous travaillez avec des objets à l'échelle nanométrique ou plus petits, vous commencez à entrer dans le domaine de la mécanique quantique. La mécanique quantique peut être déroutante même pour les experts dans le domaine, et très souvent elle défie la physique classique (également connue sous le nom de physique newtonienne).
Par exemple, normalement un électron ne peut pas traverser un isolant. Si l'isolant est assez fin, bien que, l'électron peut passer d'un côté de l'isolant à l'autre. C'est appelé effet tunnel d'électrons , mais le nom ne vous donne pas vraiment une idée de l'étrangeté de ce processus. L'électron passe d'un côté de l'isolant à l'autre sans réellement pénétrer dans l'isolant lui-même ni occuper l'espace à l'intérieur de l'isolant. On pourrait dire qu'il se téléporte d'un côté à l'autre. Vous pouvez empêcher l'effet tunnel des électrons en utilisant des couches d'isolant plus épaisses, car les électrons ne peuvent parcourir que de très petites distances.
Une autre propriété intéressante est que certains nanofils sont conducteurs balistiques . Dans les conducteurs normaux, les électrons entrent en collision avec les atomes du matériau conducteur. Cela ralentit les électrons lorsqu'ils se déplacent et crée de la chaleur en tant que sous-produit. Dans les conducteurs balistiques, les électrons peuvent traverser le conducteur sans collisions. Les nanofils pourraient conduire l'électricité efficacement sans le sous-produit d'une chaleur intense.
A l'échelle nanométrique, les éléments peuvent afficher des propriétés très différentes de ce à quoi nous nous attendons. Par exemple, en masse, l'or a un point de fusion supérieur à 1, 000 degrés Celsius. En réduisant l'or en vrac à la taille de nanoparticules, vous diminuez son point de fusion, parce que lorsque vous réduisez une particule à l'échelle nanométrique, il y a une augmentation significative du rapport surface-volume. Aussi, à l'échelle nanométrique, l'or se comporte comme un semi-conducteur, mais en vrac, c'est un conducteur.
D'autres éléments se comportent également étrangement à l'échelle nanométrique. En masse, l'aluminium n'est pas magnétique, mais de très petits amas d'atomes d'aluminium sont magnétiques. Les propriétés élémentaires que nous connaissons dans notre expérience quotidienne - et la façon dont nous nous attendons à ce qu'ils se comportent - peuvent ne pas s'appliquer lorsque nous réduisons ces éléments à la taille d'un nanomètre.
Nous en apprenons encore sur les différentes propriétés de divers éléments à l'échelle nanométrique. Quelques éléments, comme le silicium, ne changent pas beaucoup au niveau nanométrique. Cela les rend idéaux pour les transistors et autres applications. D'autres sont encore mystérieux, et peut afficher des propriétés que nous ne pouvons pas prédire pour le moment.
Dans la section suivante, nous allons découvrir comment les ingénieurs fabriquent des nanofils.
Nanotubes de carbone et points quantiquesLes nanofils ne sont qu'une des structures passionnantes que les ingénieurs et les scientifiques explorent à l'échelle nanométrique. Deux autres objets nanométriques importants sont les nanotubes de carbone et les points quantiques. Un nanotube de carbone est une structure cylindrique qui ressemble à une feuille de graphite enroulée. Ses propriétés dépendent de la façon dont vous roulez le graphite dans le cylindre - en roulant les atomes de carbone dans un sens, vous pouvez créer un semi-conducteur. Mais les rouler d'une autre manière peut rendre un matériau 100 fois plus résistant que l'acier. Les points quantiques sont des ensembles d'atomes qui agissent ensemble comme un seul atome géant - bien que par géant nous parlons toujours de l'échelle nanométrique. Les points quantiques sont des semi-conducteurs.
Câbles de fibres optiques David Ritter, SXC Les spécialistes des nanosciences parlent de deux approches différentes pour construire des choses à l'échelle nanométrique : approche descendante et le une approche en profondeur . Une approche descendante signifie essentiellement que vous prenez une grande quantité du matériau que vous prévoyez d'utiliser pour les nanofils et que vous le découpez jusqu'à ce que vous ayez la bonne taille. Une approche ascendante est un processus d'assemblage où des particules plus petites se rejoignent pour former une structure plus grande.
Bien que nous puissions construire des nanofils en utilisant l'une ou l'autre approche, personne n'a trouvé le moyen de rendre possible la production de masse. À l'heure actuelle, les scientifiques et les ingénieurs devraient passer beaucoup de temps à fabriquer une fraction du nombre de nanofils dont ils auraient besoin pour une puce de microprocesseur. Un défi encore plus grand consiste à trouver un moyen d'organiser correctement les nanofils une fois qu'ils sont construits. Les petites échelles rendent très difficile la construction automatique de transistors -- en ce moment, les ingénieurs manipulent généralement les fils en place avec des outils tout en observant tout à l'aide d'un puissant microscope.
Un exemple d'approche descendante est la façon dont les scientifiques fabriquent des nanofils à fibres optiques. Les fils de fibre optique transportent des informations sous forme de lumière. Pour fabriquer un nanofil de fibre optique, les ingénieurs commencent d'abord avec un câble à fibre optique ordinaire. Il existe plusieurs approches différentes pour réduire un câble à fibre optique à l'échelle nanométrique. Les scientifiques pourraient chauffer une tige en saphir, enrouler le câble autour de la tige, et tirez le câble, l'étirer pour créer un nanofil. Une autre méthode utilise un petit four fabriqué à partir d'un petit cylindre de saphir. Les scientifiques tirent le câble à fibre optique à travers le four et l'étirent en un fin nanofil. Une troisième procédure appelée brossage à la flamme utilise une flamme sous le câble de fibre optique tandis que les scientifiques l'étirent [source :Gilberto Brambilla et Fei Xu].
Dans la section suivante, nous examinerons les façons dont les scientifiques peuvent faire pousser des nanofils de bas en haut.
Regarder à l'échelle nanométriqueLe microscope d'un nanoscientifique n'est pas le même que celui que vous trouverez dans un laboratoire de chimie de lycée. Lorsque vous descendez à l'échelle atomique, vous avez affaire à des tailles qui sont en fait plus petites que la longueur d'onde de la lumière visible. Au lieu, un nanoscientifique pourrait utiliser un microscope à effet tunnel ou un microscope à force atomique . Les microscopes à effet tunnel utilisent un faible courant électrique pour sonder le matériau numérisé. Les microscopes à force atomique scannent les surfaces avec une pointe incroyablement fine. Les deux microscopes envoient des données à un ordinateur, qui rassemble les informations et les projette graphiquement sur un moniteur.
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un exemple d'approche ascendante. En général, CVD fait référence à un groupe de processus où des solides se forment à partir d'une phase gazeuse. Les scientifiques déposent catalyseurs (telles que des nanoparticules d'or) sur une base, appelé un substrat . Les catalyseurs agissent comme un site d'attraction pour la formation de nanofils. Les scientifiques placent le substrat dans une chambre avec un gaz contenant l'élément approprié, comme le silicium, et les atomes dans le gaz font tout le travail. D'abord, les atomes du gaz s'attachent aux atomes des catalyseurs, puis des atomes de gaz supplémentaires se fixent à ces atomes, etc, créer une chaîne ou un fil. En d'autres termes, les nanofils s'assemblent.
Une nouvelle façon de construire des nanofils consiste à les imprimer directement sur le substrat approprié. Une équipe de chercheurs de Zurich a été la pionnière de cette méthode. D'abord, ils ont sculpté un plaquette de silicium de sorte que les parties surélevées sur la plaquette coïncident avec la façon dont ils voulaient que les nanofils soient disposés. Ils ont utilisé la plaquette comme un tampon, en le pressant contre un caoutchouc synthétique appelé PDMS . Ils ont ensuite tiré un liquide rempli de nanoparticules d'or, appelé un suspension colloïdale , à travers le PDMS. Les particules d'or se sont déposées dans les canaux créés par le tampon de la plaquette de silicium. Maintenant, le PDMS est devenu un moule capable de transférer une "empreinte" de nanofils d'or sur une autre surface. Les moules en PDMS peuvent être utilisés à plusieurs reprises et pourraient jouer un rôle dans la production de masse de circuits à nanofils à l'avenir [source :Nature Nanotechnology].
Plusieurs laboratoires ont créé des transistors à l'aide de nanofils, mais leur création demande beaucoup de temps et de main d'œuvre. Les transistors à nanofils fonctionnent aussi bien voire mieux que les transistors actuels. Si les scientifiques peuvent trouver un moyen de concevoir un moyen de produire et de connecter efficacement des transistors à nanofils, il ouvrira la voie à plus petit, des microprocesseurs plus rapides, qui permettra à l'industrie informatique de suivre la loi de Moore. Les puces informatiques continueront à devenir plus petites et plus puissantes.
La recherche sur la production de nanofils se poursuit à travers le monde. De nombreux scientifiques pensent que ce n'est qu'une question de temps avant que quelqu'un trouve un moyen viable de produire en masse des nanofils et des transistors à nanofils. Avec un peu de chance, si et quand nous atteignons ce point, nous aurons également un moyen d'agencer les nanofils comme nous le souhaitons afin de pouvoir les utiliser à leur plein potentiel.
Dans la section suivante, nous découvrirons les applications potentielles de la technologie des nanofils.
Nanofils cultivés par la natureJusque récemment, les scientifiques pensaient que tous les nanofils étaient fabriqués par l'homme, mais il y a quelques années, des biologistes ont découvert que des bactéries pouvaient développer leurs propres nanofils. Une bactérie appelée Geobacter sulfurreducens décharge des électrons sur des atomes métalliques (les électrons sont un sous-produit de la consommation de carburant de la bactérie). S'il y a pénurie de métal dans l'environnement de la bactérie, il développera un appendice de nanofil pour conduire les électrons vers le métal le plus proche, permettant à la bactérie de consommer plus de carburant. Les scientifiques espèrent construire des piles à combustible organiques en utilisant des bactéries comme Geobacter sulfurreducens pour produire de l'électricité.
Le PDG d'Intel, Paul Ortelli, détient une plaquette de puces informatiques avec des circuits de 32 nanomètres. Justin Sullivan/Getty Images L'utilisation la plus évidente des nanofils est peut-être dans l'électronique. Certains nanofils sont de très bons conducteurs ou semi-conducteurs, et leur taille minuscule signifie que les fabricants pourraient installer des millions de transistors supplémentaires sur un seul microprocesseur. Par conséquent, la vitesse de l'ordinateur augmenterait considérablement.
Les nanofils pourraient jouer un rôle important dans le domaine des ordinateurs quantiques. Une équipe de chercheurs aux Pays-Bas a créé des nanofils à partir de arséniure d'indium et les a attachés à électrodes en aluminium . A des températures proches du zéro absolu, l'aluminium devient supraconducteur, ce qui signifie qu'il peut conduire l'électricité sans aucune résistance. Les nanofils sont également devenus des supraconducteurs en raison de la effet de proximité . Les chercheurs ont pu contrôler la supraconductivité des nanofils en faisant passer diverses tensions à travers le substrat sous les fils [source :New Scientist].
Les nanofils peuvent également jouer un rôle important dans les dispositifs nanométriques tels que nanorobots . Les médecins pourraient utiliser les nanorobots pour traiter des maladies comme le cancer. Certaines conceptions de nanorobots ont des systèmes d'alimentation embarqués, ce qui nécessiterait des structures telles que des nanofils pour générer et conduire l'énergie.
À l'aide de piézoélectrique Matériel, les nanoscientifiques pourraient créer des nanofils qui génèrent de l'électricité à partir de énergie cinétique . L'effet piézoélectrique est un phénomène que présentent certains matériaux - lorsque vous appliquez une force physique à un matériau piézoélectrique, il émet une charge électrique. Si vous appliquez une charge électrique à ce même matériau, ça vibre. Les nanofils piézoélectriques pourraient alimenter des systèmes de taille nanométrique à l'avenir, bien qu'à l'heure actuelle il n'y ait pas d'applications pratiques.
Il existe des centaines d'autres applications potentielles des nanofils en électronique. Des chercheurs japonais travaillent sur des commutateurs atomiques qui pourraient un jour remplacer les commutateurs à semi-conducteurs dans les appareils électroniques. Les scientifiques du National Renewable Energy Laboratory espèrent que coaxial nanofils permettra d'améliorer l'efficacité énergétique des cellules solaires. Parce que nous en apprenons encore sur les propriétés des nanofils et d'autres structures à l'échelle nanométrique, il pourrait y avoir des milliers d'applications que nous n'avons même pas encore envisagées.
Pour en savoir plus sur les nanofils et les sujets connexes, suivez les liens sur la page suivante.
Les nanofils en médecineToutes les applications des nanofils ne relèvent pas du domaine de l'électronique. A l'Université de l'Arkansas, les chercheurs utilisent des nanofils pour revêtir des implants en titane. Les médecins ont découvert que le tissu musculaire n'adhère parfois pas bien au titane, mais lorsqu'il est recouvert de nanofils, le tissu peut s'ancrer à l'implant, réduire le risque d'échec de l'implant.
Des scientifiques du Gladstone Institute of Cardiovascular Disease expérimentent des nanofils et des cellules souches. Ils espèrent qu'en faisant passer un courant électrique à travers un nanofil dans la cellule souche, ils pourront orienter la différenciation de la cellule [source :Berkeley Lab].
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