Нанотехнології винаходу. Нанотехнології приходять до нашого будинку. Для тих, хто хоче пов'язати майбутнє з нанотехнологіями

Вчитель фізики Нікамбаєва Г.М.

с. Карабулак ОСШ №22

Тема: Нанотехнології у сучасному світі

Цілі уроку

Освітні :

запровадити нове поняття нанотехнології.

продовжити формування умінь спостерігати, робити висновки, виділяти головне.

Розвиваючі :

розвивати спостережливість, увагу, мовлення, пам'ять.

розвивати інтерес та логічне мислення шляхом вирішуваних проблем.

розвивати інтерес до пошуку додаткової інформації через Інтернет.

Виховні :

продовжити розвивати кругозір учнів.

виховувати вміння працювати у колективі, здійснювати самостійну діяльність.

Тип уроку : вивчення нового матеріалу

Вигляд уроку: урок-конференція

Хід уроку

Організаційний момент

Перевірка Д.З

провести фіз диктант

3. перевірка знань учнів

як ви думаєте, що таке Нанотехнологія?

4.Етап постановки цілей

Ознайомлення із планом конференції.

План

Історія виникнення нанотехнологій

Що таке нанотехнологія?

Нанотехнологія у космосі

Нанотехнологія в медицині

Нанотехнологія в сільському господарстві та промисловості

5. Вивчення нового матеріалу

1. Історія виникнення нанотехнологій

Дідусем нанотехнологій вважатимуться грецького філософа Демокрита. Він уперше використав слово "атом" для опису найменшої частинки речовини. Протягом двадцяти із лишком століть люди намагалися проникнути в таємницю будови цієї частки. Вирішення цього непосильного для багатьох поколінь фізиків завдання стало можливим у першій половині ХХ століття після створення німецькими фізиками Максом Кноллом та Ернстом Рускою електронного мікроскопа, який уперше дозволив дослідити нанооб'єкти.

Багато джерел, в першу чергу англомовні, першу згадку методів, які згодом будуть названі нанотехнологією, пов'язують з відомим виступом Річарда Фейнмана "Там унизу багато місця" (англ. "There's Plenty of Roo at the Bottom"), зробленим ним у 1959 році Каліфорнійський технологічний інститут на щорічній зустрічі Американського фізичного товариства. Річард Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати одиночні атоми, за допомогою маніпулятора відповідного розміру, принаймні такий процес не суперечив би відомим на сьогодні фізичним законам.

Цей маніпулятор він запропонував робити у такий спосіб. Необхідно побудувати механізм, який би створював свою копію, тільки на порядок меншу. Створений менший механізм повинен знову створити свою копію, знову на порядок меншу і так до тих пір, поки розміри механізму не будуть порівняти з розмірами одного атома. При цьому необхідно буде робити зміни в пристрої цього механізму, так як сили гравітації, що діють в макросвіті будуть все менше впливати, а сили міжмолекулярних взаємодій все більше впливатимуть на роботу механізму. Останній етап - отриманий механізм збере свою копію окремих атомів. Принципово кількість таких копій необмежена, можна буде за короткий час створити довільну кількість таких машин. Ці машини зможуть таким же способом, з атомною збіркою збирати макроречі. Це дозволить зробити речі набагато дешевше - таким роботам (нанороботам) потрібно буде дати тільки необхідну кількість молекул і енергію, і написати програму для складання необхідних предметів. Досі ніхто не зміг спростувати цю можливість, але й нікому поки що не вдалося створити такі механізми. Принципова вада такого робота - неможливість створення механізму з одного атома.

2. Що таке нанотехнології

З'явившись зовсім недавно, нанотехнології все активніше входять у галузь наукових досліджень, та якщо з неї – у наше повсякденне життя. Розробки вчених все частіше мають стосунки з об'єктами мікросвіту, атомами, молекулами, молекулярними ланцюжками. Нанооб'єкти, що створюються штучно, постійно дивують дослідників своїми властивостями і обіцяють найнесподіваніші перспективи свого застосування.

Основною одиницею виміру в нанотехнологічних дослідженнях є нанометр – мільярдна частка метра. У таких одиницях вимірюються молекули та віруси, а тепер і елементи комп'ютерних чипів нового покоління. Саме в наномасштабі протікають усі базові фізичні процеси, що визначають макровзаємодія.

Створення скануючого тунельного мікроскопа 1980 року дозволило вченим як розрізняти окремі атоми, а й рухати їх і збирати з них конструкції, зокрема, компоненти майбутніх наномашин – двигуни, маніпулятори, джерела живлення, елементи управління. Створюються нанокапсули для прямої доставки ліків в організмі, нанотрубки в 60 разів міцніші за сталі, гнучкі сонячні елементи і безліч інших дивовижних пристроїв.

Іншим добре відомим наноелементом є вуглецева нанотрубка. Це одноатомний шар вуглецю, згорнутий у циліндр діаметром у кілька нанометрів. Вперше ці об'єкти було отримано у 1952 році, але лише у 1991 році вони привернули увагу вчених. Міцність цих трубок перевищує міцність сталі в десятки разів, вони витримують нагрівання до 2500 градусів та тиск у тисячі атмосфер. Ще одним наноматеріалом є графен – двомірний вуглецевий шар, площина, що складається з атомів вуглецю. Цей матеріал було вперше отримано російськими фізиками, які у Англії. Багато вчених вважають, що цей матеріал, що має унікальні властивості, в майбутньому стане основою мікропроцесорів, витіснивши сучасні напівпровідники. Крім того, цей матеріал також неймовірно міцний.

Всі ці наноелементи все частіше знаходять застосування у різних галузях технології – від медицини до космічних досліджень.

3. Нанотехнології у космосі

Створено систему мікросупутників, вона менш уразлива при спробах її знищення. Одна справа збити на орбіті махину масою в кілька сотень кілограмів, а то й тонн, одразу вивівши з ладу весь космічний зв'язок чи розвідку, та інша - коли на орбіті знаходиться цілий рій мікросупутників. Виведення з ладу однієї з них у разі не порушить роботу системи загалом. Відповідно, можуть бути знижені вимоги до надійності роботи кожного супутника.

Молоді вчені вважають, що до ключових проблем мікромініатюризації супутників серед іншого слід віднести створення нових технологій у галузі оптики, систем зв'язку, способів передачі, прийому та обробки великих масивів інформації. Йдеться про нанотехнології та наноматеріали, що дозволяють на два порядки знизити масу та габарити приладів, що виводяться в космос. Наприклад, міцність нанонікелю в 6 разів вища, ніж звичайний нікель, що дає можливість при використанні його в ракетних двигунах зменшити масу сопла на 20-30%. Зменшення маси космічної техніки вирішує безліч завдань: продовжує термін знаходження апарату в космосі, дозволяє йому полетіти далі і забрати на собі більше будь-якої корисної апаратури для проведення досліджень. Одночасно вирішується завдання енергозабезпечення. Мініатюрні апарати скоро будуть застосовуватися вивчення багатьох явищ, наприклад, впливу сонячних променів на процеси Землі й у навколоземному просторі.

Сьогодні космос – це не екзотика, і освоєння його – не лише питання престижу. Насамперед, це питання національної безпеки та національної конкурентоспроможності нашої держави. Саме розвиток надскладних наносистем може стати національною перевагою країни. Як і нанотехнології, наноматеріали дадуть нам можливість серйозно говорити про пілотовані польоти до різних планет Сонячної системи. Саме використання наноматеріалів та наномеханізмів може зробити реальністю пілотовані польоти на Марс, освоєння поверхні Місяця. Іншим надзвичайно затребуваним напрямом розвитку мікросупутників є створення дистанційного зондування Землі (ДЗЗ). Почав формуватися ринок споживачів інформації з роздільною здатністю космічних знімків 1 м в радіолокаційному діапазоні і менше 1 м - в оптичному (насамперед такі дані використовуються в картографії).

Очікується, що вже у 2025 році з'являться перші асемблери, створені на основі нанотехнологій. Теоретично можливо, що вони спроможні конструювати з готових атомів будь-який предмет. Достатньо буде спроектувати на комп'ютері будь-який продукт, і він буде зібраний та розмножений складальним комплексом нанороботів. Але це все ще найпростіші можливості нанотехнологій. З теорії відомо, що ракетні двигуни працювали оптимально, якби могли змінювати свою форму залежно від режиму. Тільки із використанням нанотехнологій це стане реальністю. Конструкція більш міцна, ніж сталь, легша за дерево, зможе розширюватися, стискатися і згинатися, змінюючи силу і напрям тяги. Космічний корабель зможе перетворитися приблизно за годину. Нанотехніка, вбудована в космічний скафандр і забезпечує кругообіг речовин, дозволить людині перебувати в ньому необмежений час. Нанороботи здатні втілити також мрію фантастів про колонізацію інших планет, ці пристрої зможуть створити на них місце існування, необхідне для життя людини. Чи стане можливим автоматичне будівництво орбітальних систем, будь-яких будівель у світовому океані, на поверхні землі та в повітрі (експерти прогнозують це до 2025 р.).

4. Нанотехнології в медицині

Останні успіхи нанотехнологій, за словами вчених, можуть виявитися дуже корисними у боротьбі з раковими захворюваннями. Розроблено протиракові ліки безпосередньо до мети – у клітини, уражені злоякісною пухлиною. Нова система, заснована на матеріалі, відомому як біосилікон. Наносиликон має пористу структуру (десять атомів у діаметрі), в яку зручно впроваджувати ліки, протеїни та радіонукліди. Досягши мети, біосилікон починає розпадатися, а доставлені їм ліки беруться до роботи. Причому, за словами розробників, нова система дозволяє регулювати дозування ліків.

Протягом останніх років співробітники Центру біологічних нанотехнологій працюють над створенням мікродатчиків, які будуть використовуватися для виявлення в організмі ракових клітин та боротьби з цією страшною хворобою.

Нова методика розпізнавання ракових клітин базується на вживленні в тіло людини крихітних сферичних резервуарів, виготовлених із синтетичних полімерів під назвою дендримери (від грец. dendron – дерево). Ці полімери були синтезовані протягом останнього десятиліття і мають принципово нову, не цільну будову, що нагадує структуру коралів або дерева.

Опинившись усередині тіла, ці крихітні датчики проникнуть у лімфоцити – білі кров'яні клітини, які забезпечують захисну реакцію організму проти інфекції та інших хвороботворних факторів. При імунній відповіді лімфоїдних клітин на певну хворобу або умови навколишнього середовища – застуду чи вплив радіації, наприклад, – білкова структура клітини змінюється. Кожен наносенсор, покритий спеціальними хімічними реактивами, за таких змін почне світитися.

Щоб побачити це світіння, вчені збираються створити спеціальний пристрій, який сканує сітківку ока. Лазер такого пристрою повинен засікати свічення лімфоцитів, коли один за одним проходять крізь вузькі капіляри очного дна. Якщо в лімфоцитах знаходиться достатня кількість помічених сенсорів, то для того, щоб виявити пошкодження клітини, знадобиться 15-секундне сканування, заявляють вчені.

стиратися. На сьогоднішній день створено лише один примітивний крокуючий ДНК-робот.

Наномедицина представлена ​​такими можливостями:

1. Лабораторії на чіпі, спрямована на доставку ліків в організмі.

2. ДНК - чіпи (створення індивідуальних ліків).

3. Штучні ферменти та антитіла.

4. Штучні органи, штучні функціональні полімери (замінники органічних тканин). Цей напрямок тісно пов'язаний з ідеєю штучного життя і в перспективі веде до створення роботів, які мають штучну свідомість і здатні до самовідновлення на молекулярному рівні. Це пов'язано з розширенням поняття життя за рамки органічного

5. Нанороботи-хірурги (біомеханізми, що здійснюють зміни та необхідні медичні дії, розпізнавання та знищення ракових клітин). Це є найрадикальнішим застосуванням нанотехнології в медицині створення молекулярних нанороботів, які зможуть знищувати інфекції та ракові пухлини, проводити ремонт пошкоджених ДНК, тканин і органів, дублювати цілі системи життєзабезпечення організму, змінювати властивості організму.

Розглядаючи окремий атом як цеглину або "детальку" нанотехнології шукають практичні способи конструювати з цих деталей матеріали із заданими характеристиками. Багато фірм вже вміють збирати атоми та молекули в деякі конструкції.

У перспективі, будь-які молекули збиратимуться подібно до дитячого конструктора. Для цього планується використовувати нанороботи (наноботи). Будь-яку хімічно стабільну структуру, яку можна описати, насправді можна побудувати. Оскільки нанобот можна запрограмувати на будівництво будь-якої структури, зокрема на будівництво іншого нанобота, вони будуть дуже дешевими. Працюючи у величезних групах, наноботи зможуть створювати будь-які об'єкти з невеликими витратами та високою точністю. У медицині проблема застосування нанотехнологій у необхідності змінювати структуру клітини на молекулярному рівні, тобто. здійснювати "молекулярну хірургію" за допомогою наноботів. Очікується створення молекулярних роботів-лікарів, які можуть "жити" всередині людського організму, усуваючи всі пошкодження, або запобігаючи виникненню таких. Маніпулюючи окремими атомами та молекулами, наноботи зможуть здійснювати ремонт клітин. Прогнозований термін створення роботів-лікарів, перша половина ХХІ сторіччя.

Незважаючи на існуючий стан речей, нанотехнології - як кардинальне вирішення проблеми старіння є більш ніж перспективними.

5. Нанотехнології у сільському господарстві та промисловості

Нанотехнології здатні зробити революцію сільському господарстві. Молекулярні роботи зможуть виробляти їжу, «звільнивши» від цієї рослини та тварин. З цією метою вони будуть використовувати будь-яку «підніжну сировину»: воду і повітря, де є основні необхідні елементи - вуглець, кисень, азот, водень, алюміній і кремній, а інші, як і для «звичайних» живих організмів, будуть потрібні в мікрокількостях. Наприклад, теоретично можна виробляти молоко безпосередньо з трави, минаючи проміжне ланка – корову. Людині не доведеться вбивати тварин, щоб поласувати смаженою курочкою або шматочком копченого сала. Предмети споживання будуть проводитися прямо на дому

Наноеда (nanofood) – термін новий, малозрозумілий та непоказний. Їжа для нанолюдей? Дуже малі порції? Їжа, яка спрацьована на нанофабриках? Ні звичайно. Але все ж таки це - цікавий напрямок у харчовій галузі. Виявляється, нанаїда – це цілий набір наукових ідей, які вже знаходяться на шляху реалізації та застосування в промисловості. По-перше, нанотехнології можуть надати харчовикам унікальні можливості з тотального моніторингу в реальному часі якості та безпеки продуктів безпосередньо у процесі виробництва. Мова йде про діагностичні машини із застосуванням різних наносенсорів або так званих квантових точок, здатних швидко і надійно виявляти в продуктах найдрібніші хімічні забруднення або небезпечні біологічні агенти. І виробництво їжі, її транспортування, і методи зберігання можуть отримати свою порцію корисних інновацій від нанотехнологічної галузі. За оцінкою вчених, перші серійні машини такого роду з'являться на масових харчових виробництвах у найближчі чотири роки. Але на порядку денному і радикальніші ідеї. Чи готові ви проковтнути наночастинки, які неможливо побачити? А якщо наночастинки будуть цілеспрямовано використовуватися для доставки до точно обраних частин організму корисних речовин і ліків? Що якщо такі нанокапсули можна буде впроваджувати у харчові продукти? Поки що ніхто не вживав наїда, але попередні розробки вже йдуть. Фахівці кажуть, що їстівні наночастинки можуть бути зроблені із кремнію, кераміки чи полімерів. І зрозуміло – органічних речовин. І якщо щодо безпеки так званих "м'яких" частинок, подібних до будови та складу з біологічними матеріалами - все ясно, то "тверді" частинки, складені з неорганічних речовин - це велика біла пляма на перетині двох територій - нанотехнології та біології. Вчені ще не можуть сказати, якими маршрутами подібні частинки подорожуватимуть у тілі, і де в результаті зупиняться. Це ще потрібно з'ясувати. Проте деякі фахівці вже малюють футуристичні картини переваг нанаїди. Крім доставки цінних поживних речовин до потрібних клітин. Ідея полягає в наступному: кожен купує той самий напій, але потім споживач зможе сам керувати наночастинками так, що на його очах будуть змінюватися смак, колір, аромат і концентрація напою.

6. Етап розуміння

Чи є шкода від нанотехнологій?

Що означає приставка НАНО?

Чи варто розвивати цю науку? у якому середовищі глибше?

4. Закріплення нового матеріалу

Створення проекту «Наш НАНОсвіт!»

Створено 06.12.2012 10:45

Зубна паста

Почистьте свої білі зуби певною пастою, і наночастки мінералів на основі гідроксіапатитів кальцію заповнять мікротріщини в емалі і збережуть зуби від каріозних порожнин.

Оксид алюмінію – активний інгредієнт у сонцезахисних засобах, що поглинають ультрафіолетові промені – розпадається при змішуванні з іншими молекулами, такими, як піт на шкірі. Помістіть ці активні інгредієнти в наноемульсію, і вони залишаться відокремленими від навколишнього середовища і зможуть виконувати свою функцію поглинання.

Канолова олія

Багато білків і вітамінів не розчиняються у воді, а тому їх складно додавати в їжу. Але якщо розбити їх на нанокраплі, проблему буде вирішено. Канолова олія містить нанокраплі фітостеролів, які дозволяють тримати на низькому рівні вміст холестерину, а тому можна їсти смажених курчат цілодобово і при цьому не страждати від наслідків накопичення холестерину в організмі.

Презервативи

Так, нанотехнології потрапили і в , цього разу у формі нанопени в презервативах. Наночастинки срібла в піні руйнують бактерії і перешкоджають поширенню інфекцій, що передаються статевим шляхом.

Важко уявити майбутнє без нанотехнологій. Управління матерією лише на рівні атомів і молекул відкрило шлях до більшості найнеймовірніших відкриттів у хімії, біології та медицині. Але можливості нанотехнологій набагато ширші та до кінця ще не вивчені.

10. Створення фільмів

Якби не винахід растрового тунельного мікроскопа (STM) у 1980 році, то сфера нанотехнологій залишилася б простою фантазією вчених. За допомогою мікроскопа вчені змогли вивчати структури матерії у спосіб, який не був би можливим при використанні звичайних оптичних мікроскопів, які не могли забезпечити атомарну точність.
Дивовижні можливості растрового мікроскопа були продемонстровані дослідниками компанії IBM, коли створили A Boy and His Atom («Хлопчик і його атом»), найменший у світі мультиплікаційний фільм. Його створили, рухаючи окремі атоми матерії мідною поверхнею. Протягом 90 секунд хлопчик із молекул окису вуглецю міг грати з м'ячем, танцювати та підстрибувати на батуті. Весь сюжет фільму, що складається з 202 кадрів, відбувався на площі розміром 1/1000 товщини людського волосся. Атоми вчені рухали за допомогою електрично зарядженого і дуже гострого стілус, на кінчику якого знаходився один атом як наконечник. Подібний стілус не тільки здатний відокремити молекулу, а й пересунути її в потрібне місце та положення.

За останні десятиліття витрати на видобуток нафти в усьому світі зросли, але ефективність при цьому не зросла. Справа в тому, що коли видобуток нафти консервується нафтовою компанією в певному місці, у надрах землі залишається ще менше половини видобутої раніше нафти. Але до цих покладів важко та дорого дістатися. На щастя, вчені з Китаю вигадали спосіб, як вирішити цю проблему шляхом покращення вже існуючого методу буріння. Оригінальність методики у тому, що у пори нафтоносної породи закачується вода, що під тиском виштовхує нафту назовні. Однак у цій методиці є труднощі, оскільки після витіснення нафти назовні почне виходити і закачана раніше вода. І ось, щоб не допустити такого ефекту, китайські вчені Пен та Мін Юань Лі запропонували ідею змішування води з наночастинками, які зможуть закрити пори у гірській породі, даючи можливість воді вибирати вужчі проходи, щоб виштовхувати нафту.

Зображення на екрані комп'ютера передається пікселями - малесенькими точками. Через кількість таких точок, а не від їх розміру чи форми, залежить якість зображення. Якщо збільшити кількість пікселів на традиційних моніторах, то автоматично необхідно збільшувати і розмір самого екрану. Провідні виробники зайняті тим, що продають екрани великих розмірів споживачеві.
Розуміючи перспективи використання нанопікселів, дослідники з Оксфордського університету вигадали спосіб, як створити пікселі в кілька сотень нанометрів у діаметрі. Під час експерименту, коли вчені затиснули між прозорими електродами кілька шарів, 300 на 300 нанометрів кожен, матеріалу GST як пікселя, то отримали зображення високої якості та високої контрастності. Нанопікселі завдяки своїм крихітним розмірам будуть набагато практичнішими за традиційні і можуть стати основою розвитку оптичних технологій, наприклад, розумні окуляри, штучна сітківка та складаний екран. Крім цього, нанотехнології не енерговитратні, тому що здатні оновлювати лише частину екрана для передачі зображення, на що потрібно менше енергії.

Експериментуючи з наночастинками золота, вчені Каліфорнійського університету помітили, що при розтягуванні чи стисканні дивним чином змінюється колір золотої нитки від яскраво-синього до фіолетового та червоного. Їм на думку спала ідея створити спеціальні датчики з наночастинок золота для індикації певних процесів, які тим чи іншим способом впливатимуть на частинки. Наприклад, якщо встановити подібний датчик на меблі, то можна буде визначити, сидить людина чи спить.
Щоб створити такі датчики, вчені додавали наночастинки золота до пластичної плівки. У той час, коли на плівку вплинули, вона розтягувалася, і наночастки золота змінювали колір. При легкому натисканні датчик ставав фіолетовим, а при сильному червоним. Частинки срібла, наприклад, теж здатні змінювати колір, але жовтий. Такі датчики, незважаючи на використання дорогоцінних металів, не будуть дорогими, тому що їх розмір мізерно малий.

6. Заряджання телефону

Якої б моделі чи марки не був телефон чи смартфон, iPhone чи Samsung, у кожного з них є суттєвий недолік – ресурс акумулятора та час його заряджання. Ізраїльським ученим вдалося створити акумулятор, зарядка якого триває 30 секунд завдяки відкриттю в галузі медицини. Справа в тому, що при вивченні хвороби Альцгеймера в Університеті Тель-Авіва вчені виявили здатність молекул пептидів, що викликають хворобу, акумулювати електричний заряд. Компанія StoreDot зацікавилася цим відкриттям, оскільки давно працює у сфері практичних застосувань нанотехнологій, і її дослідники розробили технологію NanoDots для ефективної та тривалішої роботи батарейки смартфонів. Під час демонстрації на виставці досягнень ThinkNext, організованої компанією Microsoft, акумулятор телефону Samsung Galaxy S3 був заряджений менше ніж за хвилину від 0 до 100%.

5. Розумна доставка ліків

Деякі медичні компанії, розуміючи загрозу поширення таких захворювань, як рак, лікування яких часто стає неефективним та несвоєчасним, зайнялися дослідженнями дешевих та ефективних способів боротьби з ними. Одна з таких компаній Immusoft зацікавилася розробкою способів доставки ліків в організм. Їх революційний підхід заснований на тому принципі, що людський організм за допомогою імунної системи сам здатний виробляти потрібні ліки, тим самим заощаджуватимуться мільярди доларів на виробництво ліків фармацевтичними компаніями та терапію. Імунну систему людини буде «перепрограмовано» на рівні генетичної інформації за допомогою спеціальної капсули нанорозміру, в результаті клітини почнуть виробляти власні ліки. Метод поки що представлений лише як теоретичних розробок, хоча експерименти над мишами були успішними. У разі ефективності метод прискорить одужання та зменшить витрати на лікування серйозних захворювань.

Електромагнітні хвилі, основа сучасних комунікаційних технологій, не є надійним засобом, оскільки будь-який електромагнітний імпульс може не тільки порушити роботу супутника зв'язку, але й вивести його з ладу. Несподіване вирішення цієї проблеми було запропоновано вченими Університету в Уорвіку, Англія, та Університету в Йорку, Канада. Рішення було підказано вченим самою природою, саме тим, як тварини спілкуються на відстані за допомогою запаху, яким вони кодують послання. Вчені теж спробували закодувати молекули спирту, що випаровується, застосувавши революційну комунікаційну технологію, і відправили повідомлення, яке містило наступне: «О, Канада».
Для кодування, передачі та прийому такого повідомлення потрібна наявність передавача та приймача. На передавачі набирається текстове повідомлення за допомогою Arduino One (мікроконтролера для кодування), який перетворює текст через бінарний код. Це послання розпізнається електронним розпилювачем зі спиртом, який "1" він замінює на один упорскування, а "0" - як пропуск. Потім приймач з хімічним сенсором вловлює спирт повітря і декодує їх у текст. Повідомлення подолало шлях у кілька метрів на відкритому просторі. Якщо технологію вдосконалити, то людина буде здатна передавати повідомлення в важкодоступні місця, наприклад, тунелі або трубопроводи, де марні електромагнітні хвилі.

Комп'ютерні технології за останнє десятиліття зробили величезний стрибок у розвитку щодо потужності та ємності зберігання інформації. Свого часу, 50 років тому, такий стрибок передбачав Джеймс Мур. Його ім'ям навіть було названо відповідний закон. Але сучасні фізики, а саме Мічіо Каку, заявляють, що закон припинить свою роботу, оскільки міць та ємність обчислювальної техніки не відповідає існуючим виробничим технологіям.
Вчені зараз змушені шукати альтернативні вирішення цієї проблеми. Наприклад, дослідники з Університету RMIT у Мельбурні на чолі з Шаратою Шрірамою вже на шляху створення таких пристроїв, які імітуватимуть роботу людського мозку, а саме відділу зберігання інформації. У ролі "мозку" виступає наноплівка, хімічно запрограмована на зберігання електричних зарядів за принципом "включено", "вимкнено". Плівка в 10000 разів тонша за людське волосся стане ключовим фактором у розвитку революційних пристроїв зберігання інформації.

2. Нанотехнології на службі у мистецтва

Перспективи, пов'язані із застосуванням нанотехнологій у науці, вже давно захоплюють суспільство, але можливості настільки великі, що не можуть обмежуватись такими сферами, як медицина, біологія та техніка. Застосування нанотехнологій у мистецтві призведе до появи наномистецтва – створення крихітного світу під мікроскопом, який люди сприйматимуть зовсім інакше. Наномистецтво передбачає зв'язок між наукою та мистецтвом. Яскравим прикладом такого зв'язку є портрет президента США під назвою «Нанобама», створений 2008 року інженером-механіком із університету Мічігану. Портрет виконаний із 150 нанотрубок, а розмір його обличчя становлять менше ніж 0,5 міліметра.

1. Нові рекорди

Людина старанно працювала над створенням чогось більшого за розміром, найшвидшого за швидкістю і найсильнішого за силою та потужністю. Коли потрібно створити щось зовсім маленьке, то без нанотехнологій тут не обійтися. Наприклад, завдяки нанотехнологіям було надруковано найменшу книгу у світі, Teeny Ted From Turnip. Її розміри становлять 70х100 мікрометрів. Сама книга складається з 30 сторінок, на яких розміщено літери із кристалічного кремнію. Вартість книги оцінюють у 15 000 доларів, а щоб її прочитати знадобиться не менш дорогий мікроскоп.

Вступ 3

1. Виникнення та розвиток нанонауки 4

2. Природні нанооб'єкти та наноефекти 6

3. Фундаментальні положення 9

3.1 Сканувальна зондова мікроскопія -

3.2 Скануюча тунельна мікроскопія -

4. Наноматеріали 11

4.1 Фулерени -

4.2 Фулерити -

4.3 Вуглецеві нанотрубки -

4.4 Надміцні матеріали 12

4.5 Високопровідні матеріали -

4.6 Нанокластери -

4.7 Графен 13

5. Прикладна нанотехнологія 14

5.1 Інкрементна нанотехнологія -

5.2 Еволюційна нанотехнологія 17

5.3 Радикальна нанотехнологія -

6. Перспективи розвитку нанонауки 18

7. Критика нанотехнологій 19

Висновок 20

Список літератури 21

Вступ

Згідно з Енциклопедичним словником, технологією називається сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану, властивостей, форми сировини, матеріалу або напівфабрикату, що здійснюються у процесі виробництва продукції.

Особливість нанотехнології полягає в тому, що аналізовані процеси і дії відбуваються в нанометровому діапазоні просторових розмірів. "Сировиною" є окремі атоми, молекули, молекулярні системи, а не звичні в традиційній технології мікронні або макроскопічні обсяги матеріалу, що містять, принаймні, мільярди атомів та молекул. На відміну від традиційної технології для нанотехнології характерний "індивідуальний" підхід, при якому зовнішнє управління досягає окремих атомів та молекул, що дозволяє створювати з них як "бездефектні" матеріали з принципово новими фізико-хімічними та біологічними властивостями, так і нові класи пристроїв із характерними нанометровими розмірами. Поняття "нанотехнологія" ще не встоялося. Очевидно, можна дотримуватися наступного робочого визначення.

Нанотехнологією називається міждисциплінарна галузь науки, в якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів у просторових галузях нанометрових розмірів з метою керування окремими атомами, молекулами, молекулярними системами при створенні нових молекул, наноструктур, наноустрій та матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними та біологічними властивостями.

Аналіз поточного стану бурхливо розвивається дозволяє виділити в ній ряд найважливіших напрямків.

Молекулярний дизайн. Препарування наявних молекул та синтез нових молекул у сильно неоднорідних електромагнітних полях.

Матеріалознавство. Створення "бездефектних" високоміцних матеріалів, матеріалів із високою провідністю.

Приладобудування. Створення скануючих тунельних мікроскопів, атомно-силових мікроскопів, магнітних силових мікроскопів, багатогострих систем для молекулярного дизайну, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів.

Електроніка Конструювання нанометрової елементної бази для ЕОМ наступного покоління, нанопроводів, транзисторів, випрямлячів, моніторів, акустичних систем.

Оптика. Створення нанолазерів. Синтез багатогострих систем з нанолазерами.

Гетерогенний каталіз. Розробка каталізаторів із наноструктурами для класів реакцій селективного каталізу.

Медицина. Проектування наноінструментарію для знищення вірусів, локального "ремонту" органів, високоточної доставки доз ліків у певні місця живого організму.

Трибологія. Визначення зв'язку наноструктури матеріалів та сил тертя та використання цих знань для виготовлення перспективних пар тертя.

Керовані ядерні реакції. Наноприскорювачі частинок, нестатистичні ядерні реакції.

1. Виникнення та розвиток нанонауки

Багато джерел, насамперед англомовні, першу згадку методів, які згодом будуть названі нанотехнологією, пов'язують з відомим виступом Річарда Фейнмана «Там унизу багато місця» (англ. «There's Plenty of Room at the Bottom»), зробленим ним у 1959 році Каліфорнійський технологічний інститут на щорічній зустрічі Американського фізичного товариства. Річард Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати одиночні атоми, за допомогою маніпулятора відповідного розміру, принаймні такий процес не суперечив би відомим на сьогодні фізичним законам.

Цей маніпулятор він запропонував робити у такий спосіб. Необхідно побудувати механізм, який би створював свою копію, тільки на порядок меншу. Створений менший механізм повинен знову створити свою копію, знову на порядок меншу і так до тих пір, поки розміри механізму не будуть порівняти з розмірами одного атома. При цьому необхідно буде робити зміни в пристрої цього механізму, так як сили гравітації, що діють в макросвіті будуть все менше впливати, а сили міжмолекулярних взаємодій і Ван-дер-Ваальсові сили все більше впливатимуть на роботу механізму. Останній етап - отриманий механізм збере свою копію окремих атомів. Принципово кількість таких копій необмежена, можна буде за короткий час створити довільну кількість таких машин. Ці машини зможуть таким же способом, з атомною збіркою збирати макроречі. Це дозволить зробити речі набагато дешевше - таким роботам (нанороботам) потрібно буде дати тільки необхідну кількість молекул і енергію, і написати програму для складання необхідних предметів. Досі ніхто не зміг спростувати цю можливість, але й нікому поки що не вдалося створити такі механізми. Ось як Р. Фейнман описав передбачуваний ним маніпулятор:

«Я думаю про створення системи з електричним управлінням, в якій використовуються виготовлені звичайним способом «обслуговуючі роботи» у вигляді зменшених у чотири рази копій «рук» оператора. Такі мікромеханізми зможуть легко виконувати операції у зменшеному масштабі. Я говорю про крихітні роботи, забезпечені серводвигунами і маленькими «руками», які можуть закручувати настільки ж маленькі болти і гайки, свердлити дуже маленькі отвори і т.д. Коротше кажучи, вони зможуть виконувати всі роботи в масштабі 1:4. Для цього, звичайно, спочатку слід виготовити необхідні механізми, інструменти та руки-маніпулятори в одну четверту звичайної величини (насправді ясно, що це означає зменшення всіх поверхонь контакту в 16 разів). На останньому етапі ці пристрої будуть обладнані серводвигунами (зі зменшеною в 16 разів потужністю) та приєднані до звичайної системи електричного керування. Після цього можна буде користуватися зменшеними у 16 ​​разів руками-маніпуляторами! Сфера застосування таких мікророботів, а також мікромашин може бути досить широкою – від хірургічних операцій до транспортування та переробки радіоактивних матеріалів. Я сподіваюся, що принцип запропонованої програми, а також пов'язані з нею несподівані проблеми та блискучі можливості зрозумілі. Більше того, можна задуматися про можливість подальшого суттєвого зменшення масштабів, що, природно, вимагатиме подальших конструкційних змін та модифікацій (до речі, на певному етапі, можливо, доведеться відмовитися від «рук» звичної форми), але дозволить виготовити нові, значно досконаліші пристрої описаного типу. Ніщо не заважає продовжити цей процес і створити скільки завгодно крихітних верстатів, оскільки немає обмежень, пов'язаних з розміщенням верстатів або їх матеріаломісткістю. Їх обсяг буде завжди набагато менший за обсяг прототипу. Легко розрахувати, що загальний обсяг 1 млн зменшених у 4000 разів верстатів (а отже, і маса матеріалів, що використовуються для виготовлення) буде становити менше 2 % від обсягу і маси звичайного верстата нормальних розмірів. Зрозуміло, що це відразу знімає проблему вартості матеріалів. В принципі, можна було б організувати мільйони однакових мініатюрних заводиків, на яких крихітні верстати безперервно свердлили б отвори, штампували деталі тощо. У міру зменшення розмірів ми постійно матимемо дуже незвичайні фізичні явища. Все, із чим доводиться зустрічатися у житті, залежить від масштабних факторів. Крім того, існує ще й проблема «злипання» матеріалів під дією сил міжмолекулярної взаємодії (так звані сили Ван-дер-Ваальса), яка може призводити до ефектів, незвичних для макроскопічних масштабів. Наприклад, гайка не відокремлюватиметься від болта після відкручування, а в деяких випадках буде щільно «приклеюватися» до поверхні і т. д. Існує кілька фізичних проблем такого типу, про які слід пам'ятати при проектуванні та створенні мікроскопічних механізмів».

У ході теоретичного дослідження даної можливості з'явилися гіпотетичні сценарії кінця світу, які припускають, що нанороботи поглинуть всю біомасу Землі, виконуючи свою програму саморозмноження (так звана «сіра слиз» або «сіра жижа»).

Перші припущення можливості дослідження об'єктів на атомному рівні можна зустріти у книзі «Opticks» Ісаака Ньютона, що вийшла 1704 року. У книзі Ньютон висловлює сподівання, що мікроскопи майбутнього колись зможуть дослідити «таємниці корпускул».

Вперше термін «нанотехнологія» вжив Норіо Танігуті 1974 року. Він назвав цим терміном виробництво виробів розміром кілька нанометрів. У 1980-х роках цей термін використовував Ерік К. Дрекслер у своїх книгах: «Машини створення: настає ера нанотехнології». Центральне місце у його дослідженнях грали математичні розрахунки, з допомогою яких можна було проаналізувати роботу пристрою розмірами кілька нанометрів.

2. Природні нанооб'єкти та наноефекти

Як великий художник природа вміє

та з невеликими засобами

досягати великих ефектів.
(Г.Гейне, німецький поет, публіцист, критик)

Навколишній світ наповнений різноманітними біологічними нанооб'єктами і наноефектами, про нанометричну сутність яких ми часом навіть і не замислюємося. Наприклад, якщо розміри бактерій обчислюються мікрометрами, більшість вірусів мають розміри від 10 до 200 нм. Так, вірус грипу H3 N2, що викликав у 1957 році епідемію, внаслідок якої померли від 1 до 4 млн осіб, є сферою діаметром від 80 до 120 нм.

Віруси - це унікальний природний витвір нанобіотехнологій. Серцевина вірусу містить один негативний ланцюг рибонуклеопротеїнів (РНП), що складається з восьми частин, які кодують десять вірусних білків. Фрагменти РНП мають загальну білкову оболонку, що поєднує їх і утворює нуклеопротеїд. На поверхні вірусу знаходяться виступи (глікопротеїни) – гемагглютинін (названий так через здатність аглютинувати еритроцити) та нейрамінідазу (фермент). Гемаглютинін забезпечує здатність вірусу приєднуватися до клітини.

Розміри амінокислот становлять близько 1 нм, а самі білки займають розмірну нішу в діапазоні 4-50 нм.

Об'єкт	Речовина	Розмір, нм
Амінокислота	Гліцин (найменша з амінокислот)
	Триптофан (найбільша з амінокислот)
Нуклеотид	Цитозин (найменша з амінокислот, що входять до ДНК)
	Гуанін фосфат (найбільша з амінокислот, що входять до ДНК)
	Аденозин трифосфат (АТФ, енергетичне джерело клітини)
Молекула	Хлорофіл рослин
	Інсулін людини (поліпептидний гормон)
	Еластин (будівельний матеріал клітин)
	Гемоглобін (переносник кисню)	7,0 світу і РБ………………………………21-30 4. Практичне застосування нанотехнологій………………………………………...31-55 4.1 Нанотехнології... напрямів розвитку сучасногоматеріалознавства є наноматеріали та нанотехнології. До нанотехнологіямможна, можливо... Сучаснітенденції та нові напрямки в науці про полімери Реферат >> Хімія Без використання нанотехнологій. Наночастинки, використані у складі світлосприймаючої плівки, допомогли створити сучаснийпрототип... , в сучасному світідедалі більшої ваги набирають саме інноваційні науки, зокрема нанотехнології. У всьому світі ... Сучаснаінноваційна політика Росії Політологія Ця робота розглядається тема " Сучаснаінноваційна політика Росії". Державне... галузі електроніки та космосу. Однак у сучасному світішвидкість, з якою цей запас тане... рівня світових лідерів. на нанотехнології(а це один із... Сучасніекономічні відносини РФ із країнами Європи Реферат Економіка Стосунків та Європи 3.2. Особливості сучаснихміжнародних економічних відносин у... валютно-фінансові відносини У сучасному світіособливо актуальним є глобалізація та... -виробничого центру на базі нанотехнологій. У свою чергу, помітно... Поняття наноіндустрії. Її роль у сучасномусуспільстві Реферат Економіка Гонки провідних економік світуу дослідницьких програмах у сфері нанотехнологій. Російський ринок нанотехнологійзнаходиться на... глобальній конкурентоспроможності. У сучаснихумовах на лідируючі позиції у розвитку нанотехнологійактивно претендує і КНР...

Останнім часом ми все частіше чуємо про нанотехнології, уявляючи собі щось із галузі хімії, фізики чи генної інженерії – механізми, прилади, субстанції, які дозволяють вирішувати складні та важливі, але далекі від повсякденного життя завдання. Але це не так, нанотехнології досить широко використовуються в побуті, причому кількість новинок збільшується з кожним днем. Нанотехнології,поставлені на службу нашому комфорту, виконують безліч корисних завдань: від утеплення стін, вікон і т.д., до антибактеріального прибирання.

З історії:про нанотехнології вперше заговорили в середині XX століття, коли американський фізик Річард Фейнман припустив, що можна «керувати» не молекулами, а окремими атомами, надаючи таким чином речовин задані властивості. Сьогодні нанотехнологіями називають методи роботи з частинками неймовірно малих розмірів, які вимірюються в нанометрах. Один нанометр – це одна мільярдна частина метра.

Чим корисне використання нанотехнологій у побуті?Багато хто з нас користується, а тепер представте побутовий очисник води з мембраною, пори якої мають розмір менше 1 нанометра. Це означає, що мембрана затримуватиме найдрібніші хімічні частинки, які забруднюють воду. До появи очищувачів води на основі нанотехнологій про таку високу якість води можна було лише мріяти.

Інший приклад.Всі ми втомилися від пилу, який сідає на меблі через п'ять хвилин після збирання? У такому разі ви оціните новинку – нанопокриття для домашніх меблів. На поверхню меблів наноситься речовина, що містить наночастинки. Протягом двох годин ці частинки взаємодіють із молекулами повітря і в результаті створюють на оброблених поверхнях найтоншу, невидиму плівку. Завдяки захисному покриттю поверхня меблів набуває антистатичних властивостей, і про вологе прибирання через кожні три години можна забути.

Збереженню чистоти в квартирі та створенню здорового мікроклімату є ряд продуктів, заснованих на технології Silver Nano. Технологія Silver Nano - найсучасніша система дезінфекції, заснована на виділенні активного срібла у вигляді частинок з нано-розмірами. Технологія Silver Nano знищує 99,9% бактерій, надійно захищаючи здоров'я усієї родини. Технологія дозволяє створювати серветки та губки для збирання з яскраво вираженим антибактеріальним ефектом.

Волокна серветок насичуються наночастинками срібла – серветка успішно бореться з бактеріями під час збирання. Крім того, вміст мікрочастинок срібла забезпечує збереження чистоти серветки.

Один із прикладів ефективної роботи технології Silver Nano – серветка антибактеріальна ТМ Vortex, яка бореться із широким діапазоном шкідливих мікроорганізмів. Відмінна риса продукції ТМ VORTEX – інноваційні технології.

Ще більш виражений ефект дає поєднання нанотехнологій та мікрофібри. Мікрофібра– матеріал, що складається з волокон, товщина яких вимірюється у сотих частках міліметра. Нитки волокна, переплітаючись між собою, утворюють дрібні пори, які працюють як мікропилососи: вони здатні ввібрати кількість вологи, яка в десятки разів перевищує їхню власну масу. Серветка, виготовлена ​​з мікрофібри, легко видаляє забруднення навіть без миючих засобів та не залишає на поверхні слідів вологи чи ворси.

Серветка антибактеріальна з мікрофібри ТМ Vortex, виготовлена ​​за технологією Silver Nano, поєднує в собі дивовижні властивості мікроволокна та здатність мікрочастинок срібла боротися з бактеріями.

Антибактеріальний полімер– ще одна інновація, яка має безпосереднє відношення до нашого побуту. Антибактеріальні губки для прибирання ТМ Vortex, в яких використана ця технологія, не тільки обережно очищають делікатні поверхні, але й видаляють до 90% бактерій.

Цікаво, що деякі корисні технології, які допомагають нам у побуті, запозичені людиною у природи. Наприклад, серветки та губки для збирання з целюлози. Целюлоза – це клітковина, головний будівельний матеріал у рослинному світі. Природним для неї сухий і твердий стан. Целюлозні серветки ТМ Vortex після збирання висихають, і розмноження бактерій у них припиняється. Це означає, що наступного разу ви будете робити прибирання дійсно чистою серветкою.

Приклад застосування технології Silver Nanoвід компанії Samsungу побутовій техніці.

Технологія Silver Nano від компанії Samsung Electronics актуальна не тільки для пральних машин, але і холодильників. Ця технологія підтримує санітарію в холодильному агрегаті за допомогою останніх нанотехнологій. Технологія Silver Nano передбачає покриття побутової техніки Samsung тонким шаром срібла, що в холодильниках продовжує термін зберігання продуктів, а в пральних машинах знищує бактерії при пранні навіть у холодній воді.

Всі домогосподарки знають про те, що не весь одяг можна прати у гарячій воді. Вироби з тонких тканин з високими вимогами до стерильності потребують дбайливого прання у воді з невеликою температурою. Нова технологія дає можливість прати такі речі з додатковим тривалим антибактеріальним ефектом, не завдаючи їм шкоди гарячою водою.

У кондиціонерах Samsung покриття за допомогою технології Silver Nano використовується на теплообміннику та електростатичному фільтрі. Це дає додатковий антиалергічний ефект і забезпечує циркуляцію свіжого та очищеного повітря у приміщенні.

Також, такий новий захист від шкідливих бактерій поширюється на , і

Тож у недалекому майбутньому, асортимент змінюватиметься, відкриватимуться інтернет – магазини «Nano–товари». Адже зараз йде швидкий розвиток нанотехнології в

Прикладом освоєння нанотехнологій для побутових цілей мешканців може бути селище «Морозів», розташований під Москвою в 10 км від Зеленограда.

Густий ліс та прекрасне лісове озеро - постачальники чистого та . Як і самі вулиці селища, чисті та акуратні дороги, гарні будиночки в єдиному стилі. Але за простотою, що здається, ховаються багаторічні розробки російських учених: наноарматура, наноасфальт, наносвітильники і багато іншого. Ними буквально нашпигований кожен сантиметр життя: у стінах криється базальтова неметалічна арматура з композитних матеріалів. Її міцності вистачить на сто років. Для доріг в «Морозові» застосовується спеціальний нанокомпонент, за рахунок якого знижується кількість вологи, що вбирається, що робить таке асфальтове покриття до чотирьох разів міцніше і довговічніше звичайного. Уздовж доріг увечері світять наноліхтарі – остання розробка вчених. Воду очищає фільтр із наносистемою. Це лише невеликий перелік нанотехнологій, які знайшли застосування під час будівництва селища під Зеленоградом.

Так що програма розвитку наноіндустрії в Росії працює. Загальносвітові витрати на нанотехнологічні проекти зараз перевищують 9 мільярдів доларів на рік. Перед США припадає приблизно третина всіх світових інвестицій у нанотехнології. Інші головні інвестори на ринку нанотехнологій – Європейський Союз та Японія. Прогнози показують, що до 2015 року загальна чисельність персоналу різних галузей нанотехнологічної промисловості може сягнути 2 мільйонів осіб, а сумарна вартість товарів, вироблених з використанням наноматеріалів може наблизитися до 1 трильйона доларів. Отже, майбутнє за товарами, що виробляються з наноматеріалів.