Информационный проект по физике на тему: «нанотехнологии. Исследовательская работа "нанотехнологии в нашей жизни" Проект по физике на тему нанотехнологии

Введение
1.История развития нанотехнологий
2.Нанотехнологии в медицине
3.Воронежская область на передовых рубежах наноисследований
3.1 Вузы воронежской области и их разработки в области нанотехнологий
3.2 Индустрия нанотехнологий Воронежской области
3.3 Нанопродукция для массового потребителя
Заключение
Литература
«Там внизу — много места»
- Ричард Фейнман

Введение
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, как и соответствующая терминология, появилась сравнительно недавно. Однако ее перспективы настолько грандиозны для нашей цивилизации, что необходимо широкое распространение основной идеи нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.
Хотя слово «нанотехнология» является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь. Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся изнутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с углеводами. Трещины, появляющиеся снаружи, не могут распространяться в раковине из-за наноструктурированных кирпичиков. Раковины являются природной демонстрацией того, что структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного прочнее материала, однородного в объеме.
В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преимущества наноразмерных материалов. Есть сведения, что в четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Изделие этой эпохи, называемое чашей Ликурга, находится в Британском Музее. Чаша, изображающая смерть короля Ликурга, сделана из стекла на основе натровой извести, содержащего наночастицы серебра и золота. Цвет чаши меняется с зеленого на темно-красный при помещении в нее источника света. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах объясняется присутствием металлических наночастиц в стекле.
Бурное развитие нанотехнологий на мировом уровне говорит об их большой значимости в процессе развития цивилизации. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики.
Значимость развития нанотехнологий трудно переоценить! А значит изучать все, что связано с нанотехнологиями необходимо уже на школьном уровне. И пусть базовый уровень изучения физики в средней школе предусматривает только 2 часа в неделю, и каждый заинтересованный ученик понимает, что этого мало - интерес к поставленной проблеме не ослабевает.

1. Сегодня понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира».
Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества.
1905 - Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 - Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 - Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции “Там внизу - много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000 тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.
1968 - Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.
1974 - Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.
1981 - Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп - прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.
1985 - Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.
1986 - Создан атомносиловой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1986 - Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 - Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 - Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.
2000 - Администрация США объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.
2004 - Администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative.
Такая хронология событий не смогла не заинтересовать меня, и я в предоставляемом докладе постарался изложить заинтересовавшие меня факты и события с точки зрения неравнодушного школьника, понимающего, что будущее за новыми технологиями.

2. Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.
Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.
Но постепенно все чаще упоминается, как перспективная область применения нанотехнологии, медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (роботов-манипуляторов) в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом. Манипуляторы открывают самые широкие возможности реанимации больных клеток организма, в том числе, человеческого, что некоторыми учеными-фантазерами уже рассматривается как возможность, наконец-то, обрести бессмертие. Впрочем, существует и очень негативная возможность дальнейшего развития нанотехнологий: в частности, если управление манипулятором окажется в руках избранных людей, власть этих людей над всеми остальными окажется безграничной.
Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Но за последние несколько лет его предложения приблизились к реальности. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:
. Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;
. Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);
. Микро- и нанокапсулы;
. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;
. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;
. Наноинструменты и наноманипуляторы;
. Микро- и наноустройства различной степени автономности.
Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы — частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Другим древнейшим применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект. А теперь поговорим о развитии нанотехнологии.

На первом этапе развития нанотехнологии предпочтение отдавалось устройствам зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога. В 21 веке нанотехнологии войдут во все области человеческой жизни. Это новое слово в науке, новые возможности, новое качество и уровень жизни. Бурное развитие нанотехнологий на мировом уровне - это их большая значимость в процессе развития цивилизации. Нанотехнологии и наноинженерия на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением в развитии российской и зарубежной науки. Наноматериалы стали причиной настоящего прорыва во многих отраслях и проникают во все сферы нашей жизни.
На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит модернизировать целые отрасли экономики. К числу объектов, которые мы сможем увидеть в ближайшее время, можно отнести наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки, патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего — электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше.
Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конвертеров, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.

Заглядывая же в отдаленное будущее, можно предположить, что нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. Говоря о медицине…Она изменится неузнаваемо. Во-первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями. Представьте себе, что вы подхватили грипп (при этом вы даже еще не знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета, десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа, и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет! Или у вас начался ранний атеросклероз, искусственные клетки начинают чистить механическими и химическими путями Ваши сосуды. Во-вторых, возможно создание нанороботов-врачей, способных “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение. Последовательно проверяя и, если надо, “исправляя” молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Теоретически это позволит человеку жить сотни, а может быть, тысячи лет. В-третьих, появится возможность быстрого анализа и модификации генетического кода, простое конструирование аминокислот и белков, создание новых видов лекарств, протезов, имплантатов. В этой области рядом исследователей уже проводится проверка различных наноматериалов на совместимость с живыми тканями и клетками.

Сегодня о нанороботах мы можем только фантазировать, но, тем не менее, мы уже имеем значительный прогресс в этой области. Так, «нанороботами» могут послужить наночастицы некоторых веществ. Например, серебра. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы.
Как показал эксперимент, ничтожные концентрации наночастиц уничтожали все известные микроорганизмы (в том числе и вирус СПИДа), не расходуясь при этом. Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» - глюкозу - и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны. В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах.

Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Знахарь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект.
Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения. В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. Нужно отметить, что появление высоких технологий из-за их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых проблем, в том числе морально-этического свойства, связанных с наличием и доступностью медицинских услуг для широких слоев населения. Тем не менее, как бы сильно ни развивалась научно-техническая основа медицины, главными факторами исцеления больного всегда были и останутся профессиональная подготовка, этические и человеческие качества врача.

3. В общее развитие нанотехнологий внесли и продолжают вносить свою лепту российские ученые. Одной из передовых областей России по наноисследованиям является Воронежская область. На сегодня она обладает определенным потенциалом в сфере наноиндустрии - это научно-исследовательские разработки вузов Воронежской области и ряд инновационных проектов и технологических разработок предприятий промышленности. Отраслевые приоритеты региона сосредоточены в энергетике и топливной промышленности, приборостроении и электронике, авиакосмической промышленности.

3.1 Воронежская область обладает высоким промышленным потенциалом, а треть населения Воронежа имеет высшее образование. Город по праву считается интеллектуальным центром Центрального Черноземья. В ведущих вузах области - Воронежском государственном университете, Воронежском государственном техническом университете и ряде других - успешно проводят научно-исследовательские разработки в сфере наноматериалов и наноэлектроники. Инновационные проекты и технологические разработки есть и у воронежских предприятий, где наибольшее внимание уделяется перспективным работам по термоэлектричеству и созданию элементной базы на нитевидных нанокристаллах кремния, а также по другой близкой тематике. Так, ЗАО «Воронежский ИТЦ» совместно с ВГТУ успешно занимаются НИОКР по разработке высокоэффективного нанокомпозитного солнечного элемента. В технопарке «Содружество» реализуется проект «Разработка технологического оборудования для получения фуллереносодержащей смеси, нановолокон и нанотрубок». Создаются центры развития наноиндустрии с участием высокотехнологичных предприятий и вузов области. Среди таких центров можно выделить: Центр «Фонон» на базе ОАО «Корпорация НПО РИФ» и «Промышленные нанотехнологии» на базе ООО «Космос-Нефть-Газ».

Промышленные предприятия в сфере нанотехнологий наибольшее внимание уделяют разработкам по направлениям: термоэлектричество, разработка элементной базы на нитевидных нанокристаллах кремния и др. Создаются малые инновационные предприятия, специализирующиеся в сфере развития нанотехнологий.
На базе разработок ВГУ создано ООО «Защита от коррозии», продвигающее на рынок новую технологию нанесения покрытия из наноструктур цинка. Работает в этом направлении и ОАО «Рикон», создавшее принципиально новые конденсаторы с применением фуллеренов.

ЗАО «Воронежский ИТЦ» совместно с ВГТУ занимается НИОКР по разработке высокоэффективного нанокомпозитного солнечного элемента. В технопарке «Содружество» реализуется проект «Разработка технологического оборудования для получения фуллереносодержащей смеси, нановолокон и нанотрубок».

Химики из Воронежского государственного аграрного университета изобрели долговечный бытовой фильтр для воды, аналогов которому, по их утверждению, в мире нет. В основу фильтра, над созданием которого трудились сотрудники ВГАУ и фирмы «Аква», положены нанотехнологии. По словам руководителя проекта, заведующего лабораторией химии факультета технологии и товароведения Ивана Горелова, синтез фильтрующего материала производится из наночастиц диоксида кремния, углерода и серебра. Предварительно они готовятся как сырье, затем совмещаются в строгой пропорции, подсушиваются, чтобы сделать гранулы, и обжигаются при температуре 1000ºС без доступа кислорода.

По словам ученых, уникальность нового фильтра, помимо использования наночастиц, заключается в том, что он удаляет техногенные примеси — прежде всего, соединения железа, нефтепродукты, а также ионы тяжелых металлов (свинец, ртуть, цинк, кадмий, медь). Природный минеральный состав воды остается без изменений.
Нанокомпозит, которым снабжен фильтр нашей разработки, обладает универсальными свойствами. В сухом состоянии он способен поглощать пары бензола, толуола, гексана, ацетона, а также дым. Поэтому может найти применение, например, в защитных устройствах при чрезвычайных ситуациях для защиты личного состава спасателей и для защиты рабочего персонала в лакокрасочной промышленности.
К фильтрам уже проявили интерес заказчики из Европы и Азии. Промышленную линию по их производству на базе ВГАУ введут в эксплуатацию уже в начале 2013 года. Создаются центры развития наноиндустрии с участием высокотехнологичных предприятий и вузов области.

3.2 В настоящее время в области насчитывается 14 предприятий и организаций, работающих в сфере индустрии нанотехнологий: ОАО «Воронежсинтезкаучук», ОАО «Корпорация НПО «РИФ», ОАО «ВЗПП-С», ОАО «КБХА», ОАО «Концерн «Созвездие», Воронежский государственный университет, Воронежский государственный технический университет, ООО «Комнет», ОАО «Завод «Водмашоборудование» и др. В регионе уже реализуется около 20 промышленных проектов в области наноиндустрии. А на стадии разработки только в Воронежском госуниверситете имеется около 30 проектов.
Основными направлениями применения НИОКР наноиндустрии Воронежской области являются следующие области:
. Нанотехнологии в энергетике и топливной промышленности. Предприятия и организации Воронежской области реализуют проекты, направленные на промышленное производство поликремния для солнечных батарей, термоэлектрических материалов для повышения энергоэффективности машин и механизмов, наномодификацию присутствующих на рынке типов топлива и жидкостей.
. Нанотехнологии в приборостроении и электронике. Разработки в области наноиндустрии Воронежской области направлены на разработку и производство сканирующих электронно и атомно-силовых микроскопов, микросхем, печатных плат, шлейфовых кабелей.
. Нанотехнологии в авиакосмической отрасли. В рамках данной отрасли в Воронежской области предприятиями и организациями в сфере нанотехнологий проводятся опытные испытания и готовится производство жаропрочных и других наномодифицированных композитов, принципиально новых материалов для ракетостроения и авиапромышленности.
. Нанотехнологии в машиностроении. В обозначенной отрасли предприятиями и организациями наноиндустрии Воронежской области ведутся работы по производству систем для создания наноматериалов.
. Нанотехнологии в медицине. Предприятия и организации наноиндустрии Воронежской области реализуют проекты, направленные на создание новых способов лечения и диагностики больных. Значительная доля перспективных проектов направлена на создание технологий импортозамещения иностранных лекарственных средств.
. Нанотехнологии в промышленности строительных материалов. В строительной промышленности в последние годы практически не ведется внедрение новых технологий. Между тем, предприятия и организации наноиндустрии Воронежской области обладают значительным потенциалом разработок, призванных значительно улучшить качество строительства в области и РФ.
. Нанотехнологии в пищевой промышленности. Актуальными разработками предприятий и организаций наноиндустрии Воронежской области являются технологии очистки воды, модификации продуктов питания для улучшения их питательных свойств.

3.3 В Воронежской области в настоящее время активно внедряется нанопродукция, качественно улучшающая состояние здоровья воронежцев. Примером может послужить продукция компании Nano Hightech, в частности - шестигранник, сделанный из нанокерамики. Нанокерамика - это уникальный материал, синтезирующий в себе несколько основных компонентов: Вулканические породы, Камень Кым-Ган, природный Германий, Титан, Пуццолан и Бародон, измельченные до наноразмерных единиц. Благодаря этому Компания Нано Хайтек Хангук Нано Медикал произвела уникальный продукт - Нанокерамику (НК). Полученное сырье проходит процесс прессовки, формовки и обжиг при температуре 1300°С в электропечи. Затем из обожженных и полированных шестигранников вручную формируются плотные мозаичные поля, которые используются в производстве оборудования. Данный шестигранник предназначен для снятия боли, устранения неприятных запахов и структурирования жидкостей.

Как заверяет нас производитель, он:
. активизирует процессы микроциркуляции,
. восстанавливает нарушенный энергообмен,
. обладает бактерицидными свойствами,
. ускоряет процесс заживления ран, ссадин, ушибов, ожогов,
. надолго сохраняет свежесть продуктов, устраняет неприятные запахи (при помещении Шестигранника в холодильник, шкаф или обувь),
. способствует повышению плодородия почвы (при поливе заряженной водой или помещении Шестигранника в почву),
. воздействует на структуру жидкостей,
. снимает боль и воспаление.
Конечно, продукции, рассчитанной на массового потребителя, пока что не так много, но прогресс не стоит на месте, и можно смело предположить, что в ближайшие 5-10 лет мы сможем лицезреть новые потребительские продукты.

Заключение
Как уже неоднократно заявлялось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и появление новых открытий в химии и физике, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
Предполагается, что нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, распределения источников энергии, децентрализации производства и хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.
Самое главное, чтобы понятие «нанотехнология» не стало лазейкой, за которой будут прятаться непорядочные ученые, предприниматели, фирмы и чиновники.
В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий, "умной одежды" и упаковок, позволяющих дольше сохранять свежесть продуктов питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком будущем, опираясь на факт ее постепенного проникновении во все отрасли производства.
Как уже говорилось, возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, однако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энергии и печальные последствия Чернобыльской аварии или трагедию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должны четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование всего человечества и планеты в целом.
В связи с этим становится понятно, почему с самого появления нанотехнологии ее развитию мешают страхи, часть которых однозначно относится к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания.
В ближайшем будущем планируется создание «умных» материалов с памятью, самозалечивающихся материалов, нанороботов, существующих внутри человеческого тела и обеспечивающих его нормальное функционирование, освоение дальних районов космоса нанороботами и т.д.
Первые прогнозы путей развития нанотехнологии, воспринимавшиеся как фантастический кинофильм, оправдываются, причем с опережением времени.
Так, использование нанотехнологий в биофизике переживает самый начальный этап своего развития. Но, несмотря на это, уже сегодня понятно, что именно внедрение нанотехнологических и биофизических методов в «классическую» биологию позволит добиться самых невероятных и удивительных результатов. Многие исследователи даже полагают, что биологический вид «Человека разумного» в течение ближайшего столетия будет практически полностью заменен новым биологическим видом. Этот человек будет представлять из себя сложнейший синтез генных модификаций и имплантаций технологических систем. Электронные компоненты, размещаемые непосредственно в человеческом организме, будут обеспечивать непрерывную связь с сетями, подобными Internet. Но пока что это лишь предсказания возможного будущего, быть может, более далекого, чем бы нам хотелось, но, тем не менее, завораживающего своими фантастическими возможностями.
Моя первая попытка знакомства с нанотехнологиями и наноидеями состоялась. Она утвердила меня в мысли о дальнейшем изучении материла в данной области. Я уверен, что, став студентом, я не только не потеряю интерес к поставленной проблеме, но и приложу все усилия для анализа проблемы с новых вершин познания. Ведь уверенность в том, что перспективы нанотехнологий грандиозны для нашей цивилизации, для нашего будущего - это не просто уверенность… Это вера в науку, в ее торжество! Гонка технологий задает темп жизни, и для того, чтобы быть успешной современной личностью, нужно не просто шагать в ногу со временем, а опережать его!

Литература:
1. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Коптев П.С., и др., «Наноматериалы и нанотехнологии»// Микросистемная техника. 2003.
2. Балабанов В., «Нанотехнологии. Наука будущего». 2009.
3. Карасёв В.А., «Генетический код: новые горизонты». 2003.
4. Пул Ч., Оуанс Ф., «Нанотехнологии»// М. Техносфера. 2004.
5. Рыбалкина М., «Нанотехнологии для всех». 2005.
6. Светухин В.В., Разумовская И.В., и др., «Введение в нанотехнологии.Физика». 2008.
7. Третьяков Ю.Д., «Нанотехнологии. Азбука для всех». 2008.
8. Feynman R.P., "There"s Plenty of Room at the Bottom,"Engineering and Science (California Institute of Technology), February 1960, pp.22- 36. Русский перевод опубликован в журнале "Химия и жизнь", № 12. 2002.
9. Журнал «Российские нанотехнологии», Т.5, № 1-2. 2010.
10. Газета «Промышленные вести», №1. 2010.

Отличительная особенность нанотехнологий Историческая справка Нанороботы Сфера применения нанороботов(в настоящее время) Фундаментальные положения Атомно-силовая микроскопия Наночастицы Самоорганизация наночастиц Перспективные науки Индустрия нанотехнологий Нанотехнологии в медицине Патенты в области нанотехнологий и объемы инвестиций Научный фонд США и его инвестиции в нанотехнологии

В чем же отличие нанотехнологий от остальных? Нанотехнологии- это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Часто употребляемое определение нанотехнологий как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

Историческая справка Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам. Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота невозможность создания механизма из одного атома. Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Нанороботы Наноро́боты, или нанобо́ты роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. На данный момент (2009) реальных нанороботов создать не удалось. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Идея нанороботов широко используется в современной фантастике. Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью можно считать нанороботами. Нанороботы находятся в основном в научно-исследовательской стадии создания, однако, уже были созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах. Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации. Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

Сфера применения Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки Биомедицинский инструментарий Хирургия Фармакокинетика Мониторинг больных диабетом Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана, способные нести на околоземной орбите пушку Гаусса)

Атомно-силовая микроскопия Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно- силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Наночастицы Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами ». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок итд, двумерные объекты плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д, одномерные объекты вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике.

Самоорганизация наночастиц Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: -- --А и ----Б, где ---- условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Науки, появившиеся благодаря нанотехнологиям Наномедицина (слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры) Наноэлектроника (область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.) Наноинжене́рия (научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.) Наноионика (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с быстрым ионным транспортом в твердотельных наносистемах.) Наноробототехника (прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем(роботов) в области нанотехнологий.) Нанохимия (наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации)

Нанотехнологии в России Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) учреждена федеральным законом 139-ФЗ 19 июля 2007 года для «реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии». Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов. Корпорация участвует в создании объектов нанотехнологической инфраструктуры, например, центров коллективного пользования, бизнес-инкубаторов и фондов раннего инвестирования. РОСНАНО выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития, к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты. На деятельность Корпорации Правительством Российской Федерации выделено 130 млрд. рублей, которые были внесены в уставный капитал РОСНАНО в ноябре 2007 года. В июне 2008 года временно-свободные средства были размещены на счетах в 8 коммерческих банках в соответствии с рекомендациями Министерства финансов РФ. Органами управления являются наблюдательный совет, правление и генеральный директор. В сентябре 2008 года генеральным директором Российской корпорации нанотехнологий назначен Анатолий Борисович Чубайс.

Министерство образования Республики Мордовия

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский техникум пищевой и перерабатывающей промышленности»

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ

по физике на тему:

студент гр. № 16 Романов Александр

Руководитель:

преподаватель физики

Рязина Светлана Егоровна

Саранск 2012

Объект исследования: «Н анотехнологии»

Цель исследования:

Раскрыть основные направления развития нанотехнологий, показать положительные и отрицательные аспекты исследуемой области.

Задачи исследования:

Выяснить по каким основным направлениям развивается данная область.
Рассмотреть области применения нанотехнологий.
Исследовать влияние нанотехнологий на экологию.

Методы исследования: анализ научной литературы по теме, анализ информации СМИ, обобщение, систематизация.

5. Применение нанотехнологий

медицина
промышленность
сельское хозяйство
биология
освоение космоса
военное дело
пищевая промышленность

6. Сколько стоят нанотехнологии

7. Безопасность нанотехнологий

8. Нанотехнологии и экология

9. Нанотехнологии уже давно вокруг нас

10.Вывод

11. Мордовия территория НАНО

1.Нанотехнологии: место среди других наук

Слышали ли вы о нанотехнологиях? Я думаю да, и неоднократно. Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека. Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. Нанотехнологии занимают особое место среди других наук. С помощью нанотехнологии возможно осваивать космос очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. В своей работе я постараюсь популярно объяснить сущность нанотехнологий и рассказать о достижениях в этой отрасли науки. Так как считаю ее наиболее актуальной и востребованной на сегодняшний день.

Что же такое нанотехнологии и «с чем их едят»

Приставка «нано» (по-гречески- «карлик») означает «одна миллиардная доля». То есть один нанометр (1 нм)- одна миллиардная доля метра (10–9 м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по размеру как копеечная монета и Земной шар. Или уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) - тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. А если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, то мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной 170 километрам. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа - вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в 10 нм - такие размеры имеют сложные молекулы белков. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов - несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода - 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов - от сотен до едениц нанометров. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности - совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Вообще говоря, нанотехнологии не являются самостоятельным разделом науки. Скорее, это именно комплекс прикладных технологий, фундаментальные основы которых изучаются в таких дисциплинах, как коллоидная химия, физика поверхности, квантовая механика, молекулярная биология и т. п. Что такое нано? Приставка «нано» («нанос» по-гречески - карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра (10Љ м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора. Даже если некоторые, как обычно, пожадничают). Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной… 170 километрам. Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа – вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов – от сотен до единиц нанометров. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить ее на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, - тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов испытываются суперматериалы – волокна из нанотрубок, которые в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Ну, а не столь фантастические виды нанопродукции уже продаются в магазинах. Слово «нанокосметика» все чаще звучит в рекламных роликах: наночастицы, входящие в состав косметических кремов, удаляют мельчайшие загрязнения с кожи. Известно, что микробы не любят серебро, но оказывается, что в виде наночастиц оно их просто приводит в ужас и обращает в бегство. Ткани с добавками такого серебра набирают популярность у истинных ценителей гигиены – из них даже делают «наноноски». Впрочем, многие из давно привычных вещей тоже невозможны без «нано»: процессор вашего компьютера содержит миллионы наноразмерных транзисторов, над дисплеем тоже, скорее всего, поработали нанотехнологи. «Нано» уже повсюду – военные используют нанотехнологии, медики используют нанотехнологии, даже производители продуктов питания, и те используют нанотехнологии.

2. Почему «нанотехнологии» - это интересно?

Нанотехнологии - это принципиально новые технологии, которые позволят в будущем получать любые макрообъекты (автомобили, рубашки, холодильники, дома) с помощью микроэлементов: малюсеньких роботов... В некотором смысле это звучит как фантастика (например, «выращивание» целого дома из микроэлементов с помощью нанороботов). Но принципиально это возможно, и наука осторожно, шаг за шагом подбирается к реализации столь удивительной мечты. Сборка нанороботами предметов обихода, да ещё за весьма ограниченное время, будет подобна сказочным сюжетам: «поставить за одну ночь дом» (или дворец), приказать скатерти-самобранке устроить пиршество - всё это сможет реализовать наука.

Эффект лотоса. Известно, что лотос действительно обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми. Но как ему удается добиться такой сверхгидрофобности. «Эффект Лотоса» был открыт в 1990-е гг. немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрыты крошечными шишечками или «наночастицами». Но лист вдобавок как бы намазан воском. Он вырабатывается в железах растения, что делает его совершенно неуязвимым для воды. На основе этого свойства и с помощью современных нанотехнологий были созданы, так называемые, лотосовые покрытия. При нанесении состава на поверхность образуется слой полимера, который преобразует молекулярную матрицу поверхности, при этом создается устойчивая атомная структура и формируется гидрофобная поверхность, обладающая сильными защитными свойствами. Эта поверхность способна противостоять любым воздействиям извне. Лотосовые покрытия незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых стекают мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры использования уникального свойства лотоса.

Полезная пыль. Одним из самых массовых видов нанопродукции являются ультрадисперсные порошки. Измельчение веществ до наночастиц размерами в десятки или сотни нанометров часто придает им новые полезные качества. Дело в том, что такая наночастица состоит всего лишь из нескольких тысяч или миллионов атомов, поэтому все они оказываются близко к поверхности, на границе с внешним миром, и энергично с ним взаимодействуют. Суммарная поверхность частиц в таком нанопорошке становится огромной.

3. Основные этапы в развитии нанотехнологии

Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX-XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному скачку в развитии методов и средств обработки информации, получения электрической энергии, синтеза новых материалов на основе передовых научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры» люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы происходящего, не могла быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и ноу-хау.

Системные исследования наноразмерных объектов берут свое начало в XIX в., когда в 1856-1857 гг. английский физик Майкл Фарадей впервые изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Интересно отметить пример своеобразного предвидения, сделанного в 1881 г. писателем Николаем Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением в 5 млн раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микроскопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Ростислав Андриевский).

В первой половине ХХ в. зародилась и получила развитие техника исследования нанообъектов. В 1928 г. предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1932 г. впервые создан просвечивающий электронный, а в 1938 г. - сканирующий электронный микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов.

В 1972 г. создан оптический микроскоп ближнего поля. В 1981 г. ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же 1986 г. ими был разработан атомно-силовой микроскоп.

В 1974 г. японский ученый Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин «нанотехнология». В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.

В 1975 г. были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов - квантовых точек и квантовых проволок.

В 1986 г. американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу вверх».

Мощным стимулом для активизации направления стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что существуют две единственные полиморфные модификации углерода - графит и алмаз. Однако, как оказалось, пределы полиморфных превращений данного элемента этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки.

В 1997 г. из дифференцированной соматической клетки было впервые клонировано млекопитающее. Все это - яркий пример возможностей нанотехнологий применительно к биологическим объектам.

Другим примером приложения нанотехнологий, но уже к «неживым» предметам, является история разработки идеи квантовых компьютеров. В 1985 г. профессор Оксфордского университета Дэвид Дойч предложил математическую модель квантово-механического варианта машины Тьюринга. В 1994 г. П. Шор (фирма AT&T Bell) показал, что такая машина может получить практическое воплощение.

В частности, она оказалась эффективной в решении задач о разложении на множители больших чисел. В настоящее время алгоритм, предложенный Шором, широко применяется при создании различных типов квантовых компьютеров. В 1998 г. М. Такэути (фирма «Мицубиси Дэнки») провел принципиальные эксперименты по квантовым вычислительным системам с использованием фотонов. В 1999 г. Н. Накамура (фирма NEC) успешно изучил возможности практической работы квантового компьютера.

Нынешний период в развитии нанотехнологий характеризуется активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ведущих индустриальных странах мира. США в данном направлении занимают лидирующие позиции.

В 2001 г. была утверждена Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была сформулирована следующим образом: «Национальная нанотехнологическая инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI в.».

В 1996-1998 гг., до принятия ННИ, специальный комитет американского Центра оценки мирового состояния технологий осуществлял мониторинг и анализ развития нанотехнологий во всех странах и выпускал для научных, технических и административных специалистов США обзорные информационные бюллетени об основных тенденциях и достижениях. В 1999 г. состоялось заседание Межотраслевой группы по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям (IWGN), результатом которого стала разработка прогноза исследований на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США, после чего в 2000 г. было официально объявлено о принятии ННИ.

О большом внимании, которое уделяет мировая научная общественность проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение в 2007 г. Нобелевской премии по физике за открытие и исследование одного из необычных явлений наномира - эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС).

Выделено семь основных направлений:

Наноматериалы – научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объёмных материалов плёнок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и взаимным расположением наноразмерных структур. Объемные наноструктурированные материалы могут быть упорядочены в рамках направления по типу (наночастицы, нанопленки, нанопокрытия и др.) и по составу (металлические, органические, полупроводниковые идр.)
Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм и приборов на основе таких устройств.

Данное направление охватывает физические принципы и объекты наноэлектроники, базовые элементывычислительных систем, объекты для квантовых вычислений и телекоммуникаций, а также устройства сверхплотной записи информации, наноэлектронные источники и детекторы.

Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств.

К этому направлению относятся физические основы генерации и поглощения излучения в различных диапозонах, полупроводниковые источники и детекторы электромагнитного излучения, наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе, светодиоды, твердотельные и оптические лазеры, элементы фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

Нанобиотехнологии – целенаправленное использование биологических макромолекул для конструирования наноматериалов и наноустройств.

Нанобиотехнологии охватывают изучение воздействия наноструктур и материалов на биологические процессы и объекты с целью контроля и управления их биологическими или биохимическими свойствами.

Наномедицина – практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.
Наноинструменты (нанодиагностика) – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств.
Технологии и специальные устройства для создания и производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств.

5. Применение нанотехнологий

Медицина

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснованы, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и дальнейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться все более миниатюрными и совершенными, а их функции - все более богатыми.

Методы медицинской диагностики постоянно улучшаются с помощью нанотехнологий. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Наноробот – капсула свободно плавает в человеческой крови, сталкиваясь с различными бактериями. Как она работает? Бактерии прилипают к поверхности рбота благодаря протеиновым маркерам. После распознавания бактерии, наноробот формирует ответный код, считываемый обычным лазером. Эта информация помогает врачам проводить экспресс – анализ, не проводя долговременное выращивание культуры. Каждому типу бактерий соответствует свой код. Врач может увидеть эту информацию даже через оптический микроскоп.

Основными областями применения нанотехнологий в медицине являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.

Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.

Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Цель исследования- практическое применение нанотехнологии.

Задачи:

Собрать и изучить информацию о нанотехнологиях.

Разработать анкету опроса.

Провести анкетирование среди учащихся 5,7,10 классов МКОУ «Тегульдетская СОШ»

Проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы.

The aim of the work is to show the practical use of nanotechnology.

Objectives:

To collect and study information about nanotechnology.

To work out a questionnaire.

To carry out interrogation of students from our school.

To analyze the results, to make the conclusion.

Что такое нанотехнология?

За несколько прошедших десятилетий были найдены новые и более продвинутые энергетические технологии в области науки и инженерии с целью улучшения жизни во всем мире. Чтобы заставить следующие технологии пойти вперед технологий текущего времени, ученые и инженеры развивали новую область науки под названием нанотехнология.

Нанотехнология определяется, как наука и технология разработки электронных схем и устройств из отдельных атомов и молекул; или отрасль разработок, которая имеет дело с вещами меньше, чем 100 нанометров. Нанометр (нм) равняется одной миллиардной части метра, примерная ширина трех или четырех атомов. Для сравнения– средняя ширина человеческого волоса приблизительно 80,000 нанометров, а величина одной частицы составляет приблизительно 100 нанометров в ширину. Приставка nano - возникла от греческого слова nanos - означая "карлик ". Первоначально учёные использовали приставку, чтобы обозначить что-то очень маленькое, например «нанопланктон». Термин «нанотехнология» также часто используется для описания междисциплинных областей науки, посвященных исследованию и использованию явления наноразмера.

История.
История нанотехнологии началась в 50-ых и 60-ых годах 20 века, когда большинство инженеров мыслило масштабно. Это было время больших автомобилей, больших самолетов, больших мировых нефтяных танкеров, больших небоскребов и больших планов относительно отправления людей в космос. Огромные небоскрёбы, такие как Всемирный торговый центр были построены в главных городах мира. В то время как другие исследователи сосредоточились на создании мелких предметов. Изобретение транзистора в 1947 году и первой интегральной схемы в 1959 году начало эру электроники в миниатюре. Именно эти мелкие устройства создали основу для возникновения больших устройств, таких как космические корабли. После успешного расщепления атома перед Второй мировой войной, физики попытались найти частицы, из которых сделаны атомы, и силы, которые соединяют их в одно. В то же самое время химики работали над тем, чтобы объединить атомы в новые виды молекул и имели большой успех в преобразовании сложных молекул нефти во все виды пригодной пластмассы.

Наноматериалы.

Наноматериалы-это материалы, которые обладают уникальными способностями.Они могут пропускать электричество и тепло разными способами, менять цвет (частицы золота могут быть красными, синими, золотыми в зависимости от их размера). Эти особенные свойства уже используются для создания мобильных телефонов, компьютерных чипов.

Цель учёных использовать нанотехнологии для создания новых приборов, которые будут прочнее, легче, быстрее и эффективнее.

Наномедецина.

Наномедицина - область медицинского исследования, которое стремится использовать инструменты из области нанотехнологий для здоровья. Ученые говорят о том, что физические, химические, и биологические свойства материалов в наноразмере глобально отличаются от свойств тех же материалов в крупном размере (в обычном размере). Например, нанотехнология могла бы обеспечить новые технологии изготовления лекарств и новые пути доставки лекарства в ранее недоступные места в теле человека, таким образом, расширяя их потенциал. Маленькие датчики, которые диагностируют болезни в теле намного быстрее, чем существующие диагностические инструменты; это одни из многообещающих областей исследования.

Нанотехнологии это хорошо или плохо?

Нанотехнологии представляют потенциальную пользу для человечества, но также приносят серьёзные опасности. Некоторые наноматериалы являются токсичными для мышц и клеток человека.

В отличие от крупнейших частиц, наноматериалы могут быть поглощены митохондриями клеток и клеточного ядра. Исследования показали, что наноматериалы могут привести к потенциальной мутации и вызвать серьезные структурные повреждения митохондрий, в результате чего даже гибели клетки. Уместно внимательно изучить риски возможной токсичности наночастиц и других продуктов технологии, наибольшая опасность исходит от вредоносного или неразумного использования молекулярного производства.

What is Nanotechnology?

Over the past few decades, the development of new and more advanced energy technologies with the capability of improving life all over the world have been sought in the fields of science and engineering. In order to make the next leap forward from the current generation of technology, scientists and engineers have been developing a new field of science called Nanotechnology.

Nanotechnology is defined as the science and technology of building electronic circuits and devices from single atoms and molecules, or the branch of engineering that deals with things smaller than 100 nanometers. A nanometer (nm)is one billionth of a meter, roughly the width of three or four atoms. For scale comparison, the average human hair is about 80,000nanometers wide, and a single virus particle is about 100 nanometers in width. The prefix nano-comes from the Greek word nanos, meaning “dwarf”. Scientists originally used the prefix just to indicate “very small”, as in “nanoplankton”, but it now means one-billionth, just as milli-means one –thousandth, and micro-means one-millions.

The term Nanotechnology is also often used to describe the interdisciplinary fields of science devoted to the study and use of nanoscalephenomena.

History.

The story of nanotechnology begins in the 1950s and 1960s, when most engineers were thinking big, not small. This was the era of big cars, big atomic bombs, big jets, and big plans for sending people into outer space. Huge skyscrapers, like the World Trade Centre were built in major cities of the world. The world’s largest oil tankers, cruise ships, bridges, interstate highways, and electric power plants are all products of this era.

Other researches, however, focused on making things smaller. The invention of the transistor in 1947 and the first integrated circuit (IC) in 1959 launched an era of electronics miniaturization. It was these small devices that made large devices, such as spaceships, possible.

As electronics engineers focused on making things smaller, engineers and scientists from other fields also turned their focus to small things-atoms and molecules. After successfully splitting the atom in the years before World War II, physicists struggled to understand more about the particles from which atoms are made, and the forces that bind them together. At the same time, chemists worked to combine atoms into new kinds of molecules, and had great success converting the complex molecules of petroleum into all sorts of useful plastics.

Nanomaterials.

Nanomaterials-materials having unique properties arising from their nanoscale dimensions- can be stronger or lighter, or conduct heat or electricity in a different way. They can even change colour; particles of gold can appear red, blue or gold, depending on their size. These special attributes are already being used in a number of ways, such as in the manufacture of computer chips, CDs and mobile phones. Researches are progressively finding out more about the nonascale world of aim to use nanotechnologies to create new devices that are faster, lighter, stronger or more efficient.

Nanomedicine.

Nanomedcine is an area of biomedical research that seeks to use tools from the field of nanotechnology to improve health. Scientists say that the physical, chemical, and biological properties of materials at the nanoscale differ in fundamental and valuable ways from the properties of larger-sized matter. For example, nanotechnology could provide new formulations and new routes to deliver drugs to previously inaccessible sites in the body, thereby broadening a drug’s potential. Tiny sensors that detect diseases in the body far earlier than existing diagnostic tools, and pumps the size of molecules implanted to deliver lifesaving medications precisely where they are needed, are among the promising areas of research.

Is nanotechnology good or bad?

Nanotechnology offers potential benefits to mankind, but also brings severe dangers. Some nanomaterials have proved toxic to human tissue and cell cultures. Unlike large particles, nanomaterials may be absorbed by cell mitochondria and the cell nucleus. Studies have demonstrated that nanomaterials may cause potential DNA mutation and induce major structural damage to mitochondria, even resulting in cell death.

Although nanotechnology dates from the 1950s, the biggest changes have occurred in just the past few years. In the space of just a few years governments around the world have launched new research programs.

The more advanced nanotechnology developments expected in the next 10 years will most likely include solutions to repair and rearrange living cells.

Маркин Кирилл Петрович

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Для обозначения средства эффективного манипулирования атомами было введено понятие ассемблера – молекулярной наномашины, которая может построить любую молекулярную структуру. Пример природного ассемблера – рибосома, синтезирующая белок в живых организмах. Очевидно, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2 им. А.А. Араканцева г. Семикаракорска»

Введение…………………………………………………………………..
1. Нанотехнологии в современном мире………………………………...
1.1 История возникновения нанотехнологий…………………………...
1.2 Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека….
1.2.1 Нанотехнологии в космосе…………………………………………
1.2.2 Нанотехнологии в медицине……………………………………….
1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности…………………...
1.2.4 Нанотехнологии в военном деле…………………………………..
Заключение………………………………………………………………..
Список литературы…………………………….........................................

Введение.

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее.

Цель работы:

Узнать что такое нанотехнологии;

Выяснить применение этой науки в различных отраслях;

Узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.

Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями нано технологий в:

медицине, в том числе авиационно-космической;
фармакологии;
гериатрии;
защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф;
глобальных вычислительных сетях и информационных коммуникациях на новых физических принципах;
системах сверхдальней связи;
автомобильной, тракторной и авиационной технике;
безопасности дорожного движения;
системах информационной безопасности;
решении экологических проблем мегаполисов;
сельском хозяйстве;
решении проблем питьевого водоснабжения и очистки сточных вод;
принципиально новых системах навигации;
возобновление природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов.

Мы решили остановиться на применении нанотехнологии в медицине, пищевой промышленности, военном деле и космосе, так как эти области у нас вызвали интерес.

1. Нанотехнологии в современном мире.

1.1 История возникновения нанотехнологий.

Наука «Нанотехнологи я» возникла из-за революционных изменений в информатике!

В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Термин «нанотехнология» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Название происходит от слова «нанометр» - одна миллиардная часть метра (10 -9 м).

В современном звучании нанотехнологии - это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.

У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, "китайские чернила" в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.

Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита приблизительно в 400 г.д.н. эры он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

Вот примерный путь развития:

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1934 год. Американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер теоретически обосновал возможность создания ультрадисперсного металла с достаточно малым числом электронов проводимости.
1951 год. Джон фон Нейман выделил принципы самокопирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность.
В 1953 году Ватсон и Крик описали структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации. Нобелевский лауреат Р. Фейнман написал фразу, воспринимаемую сейчас как пророчество: "Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами". Эта мысль прозвучала тогда, когда начало постиндустриальной эпохи ещё не было осознано; в эти годы не было ни интегральных схем, ни микропроцессоров, ни персональных компьютеров.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".
1981 год. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура которых представлена кристаллитами наноразмерного интервала.

27 марта 1981 года новости радио CBS процитировали ученого, работающего в NASA, который сказал, что инженеры будут способны строить самовоспроизводящихся роботов в пределах двадцати лет, для использования в космосе или на Земле. Эти машины строили бы копии себя, и копиям можно было бы делать предписания создавать полезные продукты.
1982 год Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп.
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский ученый Эрик Дрекслер опубликовал книгу "Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1991 год, Хьюстон (США), химический факультет университета Раиса. В своей лаборатории доктор Р. Смоли (лауреат Нобелевской премии за 1996 год) с помощью лазера испарял под вакуумом графит, газовая фаза которого состояла из достаточно крупных крастеров: в каждом по 60 атомов углерода. Кластер из 60 атомов более устойчив, так как имеет повышенную величину свободной энергии. Этот кластер - структурное образование похожее на футбольный мяч и предложил назвать эту молекулу фуллереном.
1991 год, Сотрудник лаборатории фирмы NEC в Японии Сумио Идзима впервые обнаружил углеродные нанотрубки, которые ранее были предсказаны за несколько месяцев до этого российским физиком Л. Чернозатонским и американецем Дж. Минтмиром.
1995 год. В Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова разработали на основе пленочного нанокомпозита датчик, выявляющий различные вещества в атмосфере (аммиак, спирт, водяной пар).
1997 год. Ричард Е.Смоли, Лауреат Нобелевской премии 1996 г. в области химии, профессор химии и физики предсказал сборку атомов уже к 2000 г. и к этому же времени спрогнозировал появление первых коммерческих наноизделий. Этот прогноз оправдался в предсказанный срок.
1998 год. были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано-технологий.
1998 год. Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию 21-го века.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от-дельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Исследовательская группа фирмы "Хьюлетт-Паккард" создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод.

2000 год. Начало эры гибридной наноэлектроники.
2002 год. С. Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 год. Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован "первый в мире" квантовый компьютер

7 сентября 2006 года Правительство Российской Федерации одобрило концепцию Федеральной целевой программы развития нанотехнологий на 2007-2010 годы.

Таким образом , сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.

1.2. Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

На сегодняшний день (2000 г. - 2010 г.) имеется следующая картина:

биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.
простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов.
наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, "умных" песков, бумаги, углеродных волокон.
защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали.
катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания.
Легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики.
Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.
Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.
Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран.
Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров.
Наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, "умные" протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, "умные" и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия.
Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения.
Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.

1.2.1 Нанотехнологии в космосе

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос - это не экзотика, и освоение его - не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

1.2.2 Нанотехнологии в медицине

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и не живым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК - чипы(создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить . Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.

1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности

Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это - любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется - органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий - нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

1.2.4 Нанотехнологии в военном деле

Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:

1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.

2. Разрушение макроустройств с наноуровня.

3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.

4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.

5. Наноснаряжение для солдат.

6. Защита от химического и биологического оружия.

7. Наноустройства в системах управления военной техникой.

8. Нанопокрытия для военной техники.

Нанотехнология позволит производить мощные взрывчатые вещества. Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки раз. Атака управляемых снарядов с нановзрывчаткой на заводы по регенерации ядерного топлива может лишить страну физической возможности производства оружейного плутония. Внедрение малогабаритных роботизированных устройств в электронную технику может нарушать работу электрических контуров и механики при помощи. Сбой работы центров управления и командных пунктов невозможно предотвратить если не изолировать наноустройства. Роботы для разборки материалов на уровне атомов, станут мощным оружием превращающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Но это пока лишь перспектива для развитой формы нанотехнологии. А пока исследования ведутся в области нейронных технологий, развитие которых приведет к появлению боевых наноустройств, осуществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функциями человеческого организма, используя подключение с помощью наноустройств к нервной системе. В лабораториях NASA уже созданы действующие образцы оборудования для перехвата внутренней речи. Фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой систем космического мониторинга, наземного наблюдения и шпионажа. С помощью наноустройств внедрённых в мозг возможно получение "искусственного" (технического) зрения с расширенным спектром восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы.

Следующим применением нанотехнологии в военной сфере являются наноустройства генетического наведения. Наноустройство с генетическим наведением может быть запрограммировано на выполнение тех или иных разрушительных действий в зависимости от генетической структуры ДНК клетки, в которой оно оказалось. В качестве условия активации устройства задаётся уникальный участок генетического кода конкретного человека или шаблон для действий над группой людей. Отличить обычную эпидемию от этнической чистки будет практически невозможно без средств обнаружения нанороботов. Наноустройства будут срабатывать только против заданного типа людей и при строго определенных условиях. Попав в организм, наноустройство никак себя не проявит, до команды активизации. Следующим применением нанотехнологий является экипировка и снаряжение солдат. Предлагается сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом.

Нанотехнология дала прорыв в изготовлении брони и бронежилетов.

Военную технику предполагают оснастить специальной "электромеханической краской", которая позволит менять цвет и предотвратит коррозию. Нанокраска сможет "затягивать" мелкие повреждения на корпусе машины и будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. С помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в "краске", исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.

Нанотехнология внесёт изменения в военной сфере. Новая качественно преобразованная и неконтролируемая гонка вооружений. Контроль за нанотехнологией может быть реально осуществлён лишь в глобальной цивилизации. Нанотехнология позволит произвести полную механизацию полевой войны, исключающие присутствие модернизированных солдат.

Таким образом, главным выводом о результате проникновения нанотехнологии в сферу вооружения является перспектива образования глобального общества способного контролировать нанотехнологию и гонку вооружения. Это тенденция универсализма определяется рациональностью техногенной цивилизации и выражает её интересы и ценности.

Заключение

Прояснив понятие нанотехнологии, обозначив её перспективы и остановившись на возможных опасностях и угрозах, хочу сделать вывод. Я считаю, что нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. И каковы будут эти изменения - полезными, несравненно облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству - зависит от взаимопонимания и разумности людей. А взаимопонимание и разумность напрямую зависят от уровня гуманности, предполагающей ответственность человека за свои поступки. Поэтому важнейшей необходимостью в последние перед неизбежным нанотехнологическим «бумом» годы становится воспитание человеколюбия. Только разумные и гуманные люди могут превратить нанотехнологии в ступеньку к познанию Вселенной и своего места в этой Вселенной.

Список литературы

Основы объектно-ориентированного программирования в Delphi: Учеб. пособие / В. В. Кузнецов, И. В. Абдрашитова; Под ред. Т. Б. Корнеевой. – изд. 3-е, перераб. и доп. – Томск, 2008. – 120 с.
Киммел П. Создание приложениё в Delphi./П. Кимел – М: Вильямс, 2003. – 114с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси. – М.:Бином, 2005 - 134с
Чаплыгин А. «нанотехнологии в электронике» / А.Чаплыгин. - 2005 М.:техносфера
http:// www.delphi.com
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: