Коротка історія нанотехнології

Зміст

Вступ

РОЗДІЛ 1

    1.1 Коротка історія нанотехнології

    1.2 Визначення і термінологія

РОЗДІЛ 2  Нанотехнології на перетині сфер життєдіяльності

    2.1. Медицина та нанобіотехнології

    2. 2. Електроніка та інформаційні технології

    2.3. Військове призначення

    2.4. Екологія

    2.5.Сільське господарство

    2.6 Енергетика

    2.7 Нанотруби

        2.7.1 Властивості

        2.7.2 Застосування

РОЗДІЛ 3

     3.1 Напрямки розвитку нанотехнологій

     3.2 Інвестиційна діяльність

ВИСНОВОК

ЛІТЕРАТУРА

Вступ

Протягом останнього десятиріччя  слово „нанотехнології” міцно закріпилося  у суспільній свідомості, ставши свого  роду синонімом усього передового, сучасного, новітнього. Не гребують ним  користуватися навіть у рекламі, компанії - виробники від електронної техніки до косметики. Але наскільки висока обізнаність нашого суспільства із нанотехнологіями? Як показало, проведе особисто, міні-соціологічне дослідження – уявлення більшості про нанотехнології обмежуються тільки мікросхемами (чіпами) та сферою електроніки. Однак, реалії застосування нанотехнологій сьогодні значно масштабніші.

Розділ 1

1.2 Визначення і термінологія

Є думка, що в світі немає  на сьогоднішній день стандарту, що таке нанотехнології, що таке нанопродукціі. У Єврокомісії створена спеціальна група, якій дали два роки на те, щоб  розробити класифікацію нанопродукціі. Серед підходів до визначення поняття  «нанотехнології» є наступні: 
1.В Технічному комітеті ISO / ТК 229 під нанотехнологіями мається на увазі наступне:  
 
    * Знання та управління процесами, як правило, в масштабі 1 нм, але не виключає масштаб менше 100 нм, в одному або більше вимірах, коли введення в дію розмірного ефекту (явища) призводить до можливості нових застосувань; 
    * Використання властивостей об'єктів і матеріалів у нанометровому масштабі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об'ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул, для створення більш досконалих матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості. 
 
2. Згідно з «Концепцією розвитку в Російській Федерації робіт в області нанотехнологій на період до 2010 року» (2004 р.) нанотехнологія визначається як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об'єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100 нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті цього отримали принципово нові якості, що дозволяють здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонують системи більшого масштабу. 
 
Практичний аспект нанотехнологій включає в себе виробництво пристроїв і їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і наночастинками. Мається на увазі, що не обов'язково об'єкт повинен мати хоч одним лінійним розміром менше 100 нм - це можуть бути макрооб'єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів, або ж містять в собі нанооб'єктів. У більш широкому сенсі цей термін охоплює також методи діагностики, характерології і досліджень таких об'єктів. 
 
Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул (наприклад, сили Ван -дер-Ваальса), квантові ефекти. 
 
Нанотехнології і особливо молекулярна технологія - нові, дуже мало досліджені дисципліни. Основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових досягнень дозволяє відносити її до високих технологій. 
 
Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного та технологічного бар'єру, коли розмір пристрою зменшується не набагато, зате економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології - наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв.[1]

1.2 Коротка історія нанотехнології

Батьком нанотехнології можна  вважати грецького філософа Демокріта. Близько 400 р. до н. е. він уперше для  опису найменшої частки речовини почав використовувати слово  “атом”, що в перекладі з грецької означає “неподільний”.

1905 рік. Швейцарський фізик  Альберт Айнштайн опублікував  працю, в якій доводив, що  величина молекули цукру становить  приблизно 1 нанометр.

1931 рік. Німецькі фізики  Макс Кнолл і Ернст Руска  створили електронний мікроскоп,  що вперше дозволив досліджувати  наноб’єкти.

1959 рік. Американський  фізик Ричард Фейнман уперше  опублікував працю, у якій оцінювалися  перспективи мініатюризації.

1968 рік. Альфред Чо і  Джон Артур, співробітники наукового  підрозділу американської компанії Bell, розробили теоретичні основи  нанотехнології при обробці поверхонь.

1974 рік. Японський фізик  Норіо Танігучі ввів у науковий  обіг слово “нанотехнології” (від  грецького слова “нанос”), яким  запропонував називати механізми,  розміром менші за один мікрон.

1981 рік. Німецькі фізики  Герд Бінніг і Генріх Рорер  створили мікроскоп, здатний показувати  окремі атоми.

1985 рік. Американські фізики  Роберт Керл, Гарольд Крото і  Ричард Смайлі створили технологію, що дозволяє точно вимірювати  предмети, діаметром в один нанометр.

1986 рік. Нанотехнологія  стала відома широкому загалові. Американський футуролог Ерк  Дрекслер опублікував книгу, в  якій передбачав, що нанотехнологія  незабаром почне активно розвиватися.

1989 рік. Дональд Ейглер, співробітник компанії IBM, виклав  назву своєї фірми атомами  ксенону.

1998 рік. Голландський фізик  Сез Деккер створив транзистор  на основі нанотехнологій.

1999 рік. Американські фізики  Джеймс Тур і Марко Рід визначили,  що окрема молекула здатна  поводитися так само, як молекулярні  ланцюжки.

2000 рік. Адміністрація  США підтримала Національну ініціативу  в галузі нанотехнології (National Nanotechnology Initiative). Нанотехнологічні дослідження  одержали державне фінансування. Тоді з федерального бюджету  було виділено 500 млн. доларів.  У 2002 сума асигнувань була збільшена  до 604 млн. доларів. Цього року  в “Ініціативу” заплановано  вкласти 710 млн. доларів. [2]

Розділ 2

2.1 Медицина та нанобіотехнології

В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів  і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення  матеріалів, необхідних при лікуванні  опіків і ран; у стоматології; у  косметології.

За прогнозами журналу Scientific American, вже в найближчому майбутньому з'являться медичні пристрої розміром з поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати, і уприсне їх в кров.

Експерти Європейської комісії  склали наступний перелік найбільш важливих на їхню думку розділів нанобіотехнологій  на майбутні 15-20 років:

• прицільне постачання ліків;
• молекулярна візуалізація;
• косметика;
• створення нових лікарських засобів;
• методи діагностіки;
• хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів;
• тканева інженерія;
• харчові технології;
• геноміка і протеоміка;
• молекулярні біосенсори;
• інші розділи.

2.2 Електроніка та інформаційні технології

Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки  і інформаційних технологій. У 1965 році можна було вмістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У 1971 році — 2 тис. Нині один чип містить близько 40 млн. транзисторів величиною 130—180 нанометрів, і з'явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступною для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можна придбати 50 млн. транзисторів.

У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке було названо «Закон Мура». «Закон Мура» проголошує, що число транзисторів на чипі буде подвоюватися кожні 18 місяців. Протягом декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чипів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: щоб підтверджувати «Закон Мура», потрібно, щоб транзистор був не більшим 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року.

2.3Військове призначення

Військові дослідження в світі  ведуться в шести основних сферах: технології створення і протидії «невидимості» (відомі літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, системи (наприклад, які дозволяють автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка або літака), що самостійно відновлюються, зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. Передбачається, що в 2008 році буде представлено перші бойові наномеханізми.

2.4 Екологія

Нанотехнології здатні також стабілізувати  екологічну обстановку. Нові види промисловості  не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Крім того, нанотехнології нині використовуються для фільтрації води і інших рідин.

2.5 Сільське господарство

Нанотехнології здатні здійснити  революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи можуть виробляти  їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Наприклад, теоретично можливо виробляти молоко прямо  з трави, минаючи проміжну ланку — корову.

2.6 Енергетика

Завдяки нанотехнологіям вченим вдається домогтися все кращого поглинання сонячної енергії. Однією із прогресивних компаній, що здійснює дослідження  у цій галузі, є Sandia National Laboratories. Її фотопоглинаючі плівки характеризуються на 20% кращим фотоелектричним ефектом, ніж сучасні сонячні елементи на основі кремнію.

На основі нанотехнологій американська компанія Engelhard створила щось на кшталт «молекулярних воріт», крізь які проходять молекули двоокису вуглецю, а більші молекули (метанові) залишаються в речовині. Практичне застосування це знаходить під час фільтрації двоокису вуглецю із природного газу, а також при створенні автомобільних каталізаторів.

Hydrocarbon Technologies, дочірня компанія відомої американської компанії Headwaters, розробила методику обробки вугілля за допомогою нанотехнологій на молекулярному рівні таким чином, щоб створити з нього екологічно чисте рідке пальне. Саме потреба в заміні нафти сприяла тому, що китайська компанія Shenua Group ще в 2002 році стала партнером американців, і почала застосовувати отримане штучне пальне замість мазуту. Нанометод NxCat?, створений на іншій дочірній компанії Nanokinetix, дозволяє наповнювачам автомобільних каталізаторів ловити летючі органічні залишки вихлопних газів. А компанія Nanoforce зробила ставку на використання нанокаталізаторів для очистки нафти та на технологію збору врожаю за допомогою натометоду Poly-Web — мікроскопічних водоростей, що використовуються для виробництва біоетанолу.

Світлові діоди належать до зовсім іншої області застосування нанотехнологій. Японська компанія Nichia є на сьогодні провідним виробником техніки освітлення на основі нанотехнологій. Їхні світлові діоди у багато разів ефективніші за звичайні лампочки. А якщо взяти до уваги, що 20% світової енергії витрачається на освітлення, стає зрозуміло — перехід від звичайних ламп на світлові діоди дозволить досить суттєво економити енергетичні ресурси.[3]

2.7 Нанотруби

Вуглецеві нанотрубки  — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох мікрон складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин (графенів) і закінчуються зазвичай півсферичною головкою.

2.7.1 Властивості

НАНОТРУБКИ ВУГЛЕЦЮ –  трубчасті наноутворення вуглецю. Виявлені у 1991 р. Бувають одно- і багатошарові. Відповідно діаметр цих трубок знаходиться  у межах 0,4 – 500 нм, а довжина від 1 мкм до декількох десятків мікрометрів (при синтезі довгих волокон –  і до десятків см). Утворюються при  розкладанні вуглецьвмісних газів (СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂, СО, парів С₆Н₆ і т.д.) на каталітично активних поверхнях металів (Fe, Co, Ni тощо) при т-рах 300 – 1500 °С. Н.в. можуть набува-ти найрізноманітніших форм – від прямолінійних до скручених волокон (у т.ч. спіралей). Головна особливість цих вуглеце-вих наноструктур (як і фулеренів) – їх каркасна форма. Виявлені природні форми Н.в. (напр., у шунгітах), а також можуть продукуватися штучно. При цьому встановлено, що природні Н.в. утворюються при обробці вуглецьвмісних біологічних тканин особливим грибком – карбоксиметилцелюлофагом, який виявлений, зокрема, в карстових печерах Нової Зеландії і в Карелії (родовище шунгіту).

2.7.2 Застосування вуглецевих нанотрубок

Унікальні властивості Н.в. обумовлюють їх перспективне використання в ряді галузей: як армуючих добавок  в композиційних матеріалах, для  одержання елетропровідних композиційних  полімерів, як добавка в метали для  одержання надпровідникових матеріалів, компонент холодних емісійних катодів в дисплеях, якісно нове джерело світла, напівпровідникові транзистори з p-n переходами, для виробництва особливих марок графіту, пористого графіту, сировина для виробництва теплоізоляційних матеріалів, як сорбент і сховище водню, як носій каталізаторів, для виготовлення вуглець-літієвих батарей і суперконденсаторів, як мікроелектрод, як мікрозонд і т.д. Надзвичайно продуктивними є хімічні і біологічні галузі застосування Н.в.

Сфери, способи та можливості застосування нанотрубок численні і  широкі. Навіть беручи до уваги те, що більша частина результатів останніх дослідів може бути невідома громадськості, вже зараз можна передбачити, що нанотрубки із часом стануть універсальним  матеріалом для побудови багатьох об’єктів. Застосування нанотрубок можна розділити  на кілька категорій за їх властивостями:

• 1) фізичні, наприклад, присадка до композитних матеріалів, що дозволяє створити із звичайного полімеру об’єкт із більшою міцністю і витривалістю, ніж із легованих сталей. Завдяки капілярним властивостям нанотрубок нині створюють ємкості для водню, що дозволяє у десятки разів збільшити їх об’ємну ємність;
• 2) фізико-хімічні – тут відкривається цілий пласт невідомих реакцій та процесів, із часом нанотрубки стануть основним структурним елементом в електроніці та техніці.

Якщо глобально оцінювати  застосування нанотрубок, то можна  впевнено стверджувати, що ми стали  свідками початку ще однієї технічної  революції. В наступні десять років  будуть створені нанороботи-репліканти, на основі нанотрубок та інших наноматеріалів. Головною метою їх створення є  побудова інших роботів та структур із атомарною якістю. Важко осягнути всі можливості такої перспективи. Ми зможемо, наприклад, перемогти практично  всі інфекційні, хронічні, генетичні  хвороби, досить буде мати індивідуальну  програму керування для нанороботів  та один наноробот-реплікант. Він розмножить себе до достатньої кількості і згідно програми буде на молекулярному рівні  відшукувати збудника хвороби і  переробляти його, наприклад, на глікоген.[4]

Їм притаманні незвичайні властивостями, такі, як неймовірна міцність і здатність проводити тепло  і електрику, завдяки чому карбонові  нанотрубки стають ідеальними для поліпшення якості буквально будь-чого:

• матеріали: надміцні нитки, композитні матеріали, нановаги;

• мікроелектроніка: транзистори, нанодроти, паливні елементи;

• капіляри: капсули для  активних молекул, зберігання металів  и газів, нанопіпетки;

• оптика: дисплеї, світлодіоди;

• косметика: різноманітні засоби, що містять активні наночастинки.

А, одностінні нанотрубки (індивідуальні, в невеликих збірках чи в мережах), крім того, можуть слугувати мініатюрними датчиками для виявлення молекул  в газовому середовищі чи у розчинах з ультрависокою чутливістю. Такі нанодатчики можуть бути використані  для моніторинга навколишнього  середовища, у військових, медичних, біотехнологічних цілях.

Підкреслю, що нанотрубки, лише окремий приклад, із великої кількості  інших наносполук, які сьогодні знайшли  широке застосування в практично  усіх сферах виробництва.[5]

Розділ 3

3.1 Напрямки розвитку нанотехнологій

Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

• створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;
• конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;
• збирання нанороботів — систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.
• Нанокристали та наноструктурні матеріали.

3.2 Інвестиційна діяльність

Нанотехнології є однією із провідних  сфер новітніх технологій, кількість  інвестицій в яку збільшується із року в рік, на фоні зменшення об'єму  інвестицій в інших сферах.

Консультативна Рада з проблем  науки і технології при Президенті США (PRESIDENT'S Council of Advisors on Science and Technology) підготувала  доповідь, у якій аналізується нинішній рівень розвитку нанотехнологій в США  та в інших науковиробляючих країнах  і оцінюються перспективи подальшого прогресу в цій новітній сфері  наукових досліджень та технологічних  розробок. У доповіді підкреслюється, що в даний час Сполучені Штати  є світовим лідером у області  нанотехнологій. На частку США доводиться чверть світових інвестицій у цю сферу  і не менше половини статей по нанотехнологіях, публікованих в найавторитетніших  професійних журналах. Америка також  лідирує по кількості патентів, які  присуджуються за нанотехнологічні розробки. В цілому американські фахівці  тримають дві третини таких патентів, виданих останніми роками. У одному тільки 2003 році учені й інженери із США одержали близько 1 тис. нанотехнологічних  патентів (більш свіжих даних поки що немає).

Автори доповіді попереджають, що конкуренція у сфері нанотехнологій останніми роками загострилася і, безумовно, посилюватиметься і в осяжному майбутньому. Країни Євросоюзу, Японія і Китай в даний час щорічно виділяють на ці програми зі своїх бюджетів приблизно по $900 млн., що ненабагато менше американських федеральних витрат. Для порівняння, за даними організації Національна Ініціатива в області нанотехнології США (NATIONAL Nanotechnology Initiative), в 2002 році витрати всіх держав світу на ці цілі не перевищували $2 млрд. Сумарний рівень інвестицій приватних корпорацій з інших країн на ці цілі в даний час вже дещо перевищує аналогічні витрати американських компаній.

У грудні 2003 року Конгрес США прийняв особливий закон «Нанотехнологічні Дослідження і Розробки 21 сторіччя» (21st Century Nanotechnology Research and Development Act), яким передбачалося збільшення асигнувань на подібні проекти. У 2004 році з федерального бюджету США на розвиток нанотехнологій було виділено близько $1 млрд. 240 млн. (для порівняння, в 2001 році — $464 млн.). Ці дослідження також активно фінансуються за рахунок бюджетів окремих штатів, які в цілому направили на ці цілі порядку $400 млн. Ще більше коштів витрачає американський бізнес — майже $2 млрд. П'ята частина цієї суми припадає на біотехнологічні фірми, стільки ж — на електронні, 18 % — на хімічну промисловість, по 8 % — на аерокосмічну індустрію і енергетику.

Володимир Путін у 2007 році заявив, що нанотехнології являють собою «локомотив глобального наукового прогресу», та призвав Держ-думу вжити заходів до скорішого прийняття законопроекту про цільове фінансування цього напряму, та підкреслив, що в його здійсненні повинні взяти участь академічні галузеві наукові заклади, а також приватні лабораторії російських корпорацій. Він призвав всі країни СНД приєднатися до цієї програми розвитку. 4 липня 2007 року в Росії був прийнятий федеральний закон «Про Російську корпорацію нанотехнологій».[3]

                                                    ВИСНОВОК

Загалом, нанотехнологіями прийнято називати міждисциплінарну область  фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю (всього!) порядка декількох нанометрів або  часток нанометра. Тобто просторі, який вміщується у одній мільярдній частинці метра (нанометр – 10-9 метра), - світі  атомів та молекул. Вузьке значення цього  терміну прив'язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів і інших  механічних і немеханічних пристроїв, в яких застосовуються закономірності існування наносвіту.

Та все ж, хотілося б  завершити статтю на оптимістичній  ноті. Адже, як би там не було, а нанотехнології вже досить давно увійшли у  наше повсякденне життя, ставши його невід'ємною частиною. Все в руках  людської спільноти. І, сподіваймося, що нанотехнології не стануть новими засобами руйнації (собі подібних та природи), а  тільки допоможуть у освоєнні та пізнанні людиною цього світу.

ЛІТЕРАТУРА

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/нанотехнология
2. http://revolution.allbest.ru/manufacture/d00027374.html
3. http://uk.wikipedia.org/wiki/нанотехнологія
4. http://uk.wikipedia.org/wiki/Вуглецеві_нанотруби.
5. http://h.ua/story/70987/