Потенциал нанотехнологии

Нанотехнологии – одно из самых модных современных выражений. Оно настолько популярно, что многие компании добавляют приставку „нано-“ к своему названию. Но вопрос в том, знаем ли мы на самом деле, что такое нанотехнологии и как они применяются в системах управления. Прежде всего, давайте постараемся понять, о чем идет речь. Нанометр – это одна тысячная доля микрометра (мкм). И одна миллионная доля миллиметра (мм). Это миллиардная доля метра (м). Это очень малая величина! Если рассматривать расстояния такого порядка, то есть еще одна, тоже часто используемая, единица измерения – ангстрем (А), который равен 0,1 нанометра (нм).

Теперь, когда мы немного определились, давайте измерим несколько физических объектов, хорошо знакомых каждому, например, человеческий волос, песчинку и даже атом. Диаметр человеческого волоса может быть различным, но в среднем он составляет около 100 мкм (это огромная величина). Диаметр обычного атома составляет около 0,1 нм, или 1А. Поэтому, когда мы говорим о нанометрах и суб-нанометрах, мы мыслим в масштабах атома. Теперь посмотрим, как эти размеры соотносятся друг с другом. Например, чтобы измерить диаметр волоса, понадобится около миллиона атомов. Если бы мы сложили один миллион диаметров волоса, то получили бы кипу 100 м высотой (представьте себе футбольное поле, поставленное вертикально).

Теперь, когда мы почувствовали, что такое нанометр, давайте поговорим о системах управления с нанометровой точностью. Что это означает? Для этого дадим несколько основных определений, а именно: что такое точность, прецизионность, повторяемость и разрешение.Точность – это количественная мера степени соответствия признанным стандартам измерений. Повторяемость – это мера способности устройства позиционировать инструмент в одно и то же положение или способности процесса воспроизводить измерение при аналогичных условиях. Разрешение – это наименьшее приращение (шаг) измерительного устройства, младший значащий разряд цифрового устройства.

«после усовершенствования возможности M3 можно сравнить с тем, как если бы удалось определить положение двух удаленных песчинок в пустыне, на площади 2 500 км2 (960 кв. миль) и измерить расстояние между ними с точностью до диаметра одной песчинки»

Прецизионность часто используется как синоним повторяемости, однако это устаревший термин. Поэтому, когда вы стреляете по мишени, точность – это ваша способность попасть в яблочко, независимо от ширины мишени, повторяемость – это ваша способность положить пули кучно, независимо от их положения на мишени, а прецизионность – размер отверстий, которые вы проделали в мишени.

С учетом этого, давайте рассмотрим парочку очень интересных устройств. Первое – это большой алмазно-токарный станок с оптической системой (Large Optics Diamond Turning Machine — LODTM) в Национальной лаборатории Lawrence Livermore. С помощью LODTM можно вытачивать детали диаметром 1,5 м, выдерживая при этом точность 25 нм. Это означает, что производится контроль одной 100-миллионной доли размера детали – это то же самое, что соблюдать допуск в 0.001 мкм на детали диаметром 1 дюйм. Другим прекрасным примером является молекулярное измерительной устройство (M3) в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), которое способно производить измерения положения элементов с точностью до нанометра на площади размером 50×50 мм. Как сказано на сайте NIST, „после усовершенствования возможности M3 можно сравнить с тем, как если бы удалось определить положение двух удаленных песчинок в пустыне, на площади 2 500 км2 (960 кв. миль) и измерить расстояние между ними с точностью до диаметра одной песчинки“. Это звучит впечатляюще, и именно такие возможности позволяют США сохранять лидирующее положение в разработке производственных технологий и технологий систем управления.

Чтобы преодолеть субмикроскопический нанометровый рубеж, потребуются серьезные инновации. Эта маленькая единица измерения предъявляет высокие требования к прикладным технологиям, и, конечно, инженеры, которые работают в области прецизионного управления, относятся к этому маленькому расстоянию очень серьезно и с большим уважением.

Томас Р. Курфес – профессор машиностроительного колледжа Технического университета им. Джорджа В. Вудруфа, Джорджия

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *