Нанотехнологии в работе библиотек

НАНОТЕХНОЛОГИИ 

В РАБОТЕ БИБЛИОТЕК

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность  исследования. Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

И на сегодняшний  день нанотехнологии стали рассматриваться в качестве одного из главных приоритетов, входящих во все жизненно важные сферы деятельности человека. Появилась целая отрасль знаний - нанотехнологии, впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Пределом такой работы можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала.

Нанотехнология - это не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Что такое нано? Сегодня нанотехнологии выделены в  отдельное направление науки  и техники. Уже практически ни одна отрасль современной промышленности не обходится без наноулучшений. Большинство развитых государств связывает будущие успехи своих экономик с широким использованием индустрии наносистем.

«Нано» проникло практически во все отрасли науки и техники. Нанотехнологии используют медики, военные, производители пищевой промышленности, текстильной, сельскохозяйственной, а с недавнего времени и специалисты библиотек. Сейчас уже большинство ученых склонны утверждать, что наномасштаб породил очередной виток научно-технической революции.

Степень научной разработанности темы: нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

Первые теоретические  исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, - это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова, члена-корреспондента АН СССР. Еще в 20-е годы XX века Г.Гамов впервые описал явление, названное «туннельным эффектом» и которое позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы.

Многие ученые в мире в  той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые (в 1974 году) предложил  японский физик Норио Танигучи  из Токийского университета. Нанотехнология, по Н.Танигучи, - это технология объектов, размеры которых предельно малы (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К.Э. Дрекслера «Машины творения: наступающая эра нанотехнологий». Несколько ранее им был опубликован ряд статей по этой проблеме, но они не привлекли внимания научной общественности.

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных  явлений и факторов, но и систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

Объектом исследования является наука «нанотехнология» как одна из самых высокотехнологичных отраслей.   

Предметом исследования являются нанотехнологии в работе библиотек.

Цель исследования – рассмотреть сущность понятия «нанотехнология» и примеры использования нанотехнологий в работе библиотеки.

Поставленная  цель предполагает решение следующих задач:

- рассмотреть основные объекты и понятия нанотехнологии как научной дисциплины;

- определить проблемы и перспективы развития нанонауки в России;

- рассмотреть примеры использования нанотехнологий в работе библиотеки.

Структура исследования. Данная курсовая работа состоит из введения, двух глав, каждая из которых содержит по два параграфа, заключения и библиографического  списка.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ «НАНОТЕХНОЛОГИЯ»: ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ

1. Основные объекты и понятия нанотехнологии

как научной дисциплины

Несмотря на то, что все явления природы тесно взаимосвязаны, человек привык изучать их с какой-либо одной стороны. Поэтому любая наука обладает собственной системой терминов и понятий, в которые вкладывает свой смысл. Один и тот же объект, скажем, школьник, будет вызывать совершенно разный профессиональный интерес у представителей различных профессий, таких, как, например, психолог, учитель или библиотекарь.

Для врача школьник будет «определяться» такими характеристиками, как вес, рост, группа крови, наличие или отсутствие хронических заболеваний. Психолог примется выяснять тип его темперамента, вид мышления или самооценку. Библиотекаря же будут интересовать его читательские интересы. А уителя математики вряд ли будут заботить его темперамент или группа крови, когда ребенок плохо напишет контрольную. Скорее всего, его будут оценивать с точки зрения владения материалом, глубины знаний и поведения на уроке. И, несмотря на то, что школьник остается одним и тем же в кабинете врача, на приеме у психолога, в библиотеке, на уроке математики, мы видим, что его можно «изучать» под совершенно разными углами зрения. То же справедливо и для всего остального. Так и природные явления будут выглядеть совершенно по-разному для химика, физика или биолога. Но вернемся к нашим нанотехнологиям. В самом названии «нанотехнология» мы видим два существенных для нас термина – «нано» и «технология». Определимся сначала со вторым понятием.

Энциклопедический словарь определяет технологию как  совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции [2, с.37].

Задача технологии - использование законов природы на благо человека. Существуют «технологии машиностроения», «технологии химической очистки воды», «информационные технологии» и т.д. Видно, что технологии в основе своей различаются природой исходного материала. Именно значительная разница между такими видами сырья, как металлические конструкции и информация, определяет и существенные различия в методах их обработки и преобразования. Перечисляя технологии, нельзя не вспомнить такое выражение, как «высокие технологии». Мы привыкли к тому, что высокими называют эффективные технологии, появившиеся сравнительно недавно, но не получившие еще повсеместного распространения. Как правило, это технологии из области микроэлектроники, и связаны они с удивительно маленькими размерами устройств.

Тысячи лет  назад наши предки брали камни, содержащие триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать из них наконечники для стрел. Они делали прекрасную работу с трудновоспроизводимым мастерством. И тот, кто первый придумал эту технологию обтесывания камня, в те далекие времена мог назвать её высокой технологией, и был бы абсолютно прав. Ведь еще лет 15-20 тому назад сотовые телефоны, например, имели не все. Однако сегодня «мобилой» уже никого не удивишь. Поэтому мы полагаем, что уместно называть «высокими» все передовые технологии, характерные для того или иного этапа развития общества.

Теперь дадим определение собственно «нанотехнологии». Приставка «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо единицы (в нашем случае - метра). Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка 1 нанометра. Современные микросхемы с размерами компонентов в одну десятую толщины тончайшего волоса могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор все еще содержит триллионы атомов, и микрочипы все еще видимы невооружённым глазом [7, с.19].

В последнее  время термин «нанотехнология» стал очень популярным. Он объединяет разнородные представления и подходы, а также разные методы воздействия на вещество. Из всего сказанного ясно, что нанотехнология как бы объединяет все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами. Именно поэтому она представляется весьма перспективной для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов. Хотелось бы особо подчеркнуть, что мы пока не можем, конечно, оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом.    

Нанотехнологию  можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, т.е. методик регулирования структуры и состава вещества в масштабах 1-100 нм. Использование характерных особенностей веществ на расстояниях порядка нанометров создает дополнительные, совершенно новые возможности для создания технологических приемов, связанных с электрикой, материаловедением, химией, механикой и многими другими областями науки.

Получение новых  материалов и развитие новых методик  обещает, без преувеличения, произвести настоящую научно-техническую революцию  в информационных технологиях, производстве конструкционных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов, конструировании сверхточных устройств и т.д.

Классическим  примером достижения нанотехнологии стала  разработка сканирующих туннельных микроскопов. Первый такой микроскоп был создан для исследования особенностей и неоднородностей поверхности монокристаллов кремня. Этот метод позволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (например, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изменению поверхности в определенных условиях) [4, с.21].

Работая со сканирующим  микроскопом описываемого типа, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно - стали проводить  прямые технологические операции на атомарном уровне. Прикладывая к зонду сканирующего туннельного микроскопа соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Позднее, в 1991 году из этого выросла методика перемещения атомов вверх-вниз относительно поверхности, названная атомным переключением. В целом, описанная техника создает много возможностей, как на уровне отдельных атомов, так и для изучения их структур и поведения.

После изобретения  в 1947 году транзистора, началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых  устройств постоянно уменьшались (интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы и т.д.).

С  другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В частности, плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках в настоящее время достигает уже 1 гигабит/кв.дюйм. Без преувеличения можно сказать, что в полупроводниковых технологиях вот уже более полувека происходит непрерывная революция.

 И по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 микрону, в них начинают проявляться квантово-механические свойства вещества, т.е. необычные физические явления. Можно с уверенностью предположить, что при сохранении нынешних типов развития вся кремниевая технология примерно через 5-10 лет столкнется с проблемами принципиального характера, т.к. быстродействие и степень интеграции информационных технологий достигнут некоторых принципиальных границ, определяемых известными нам законами физики [11, с.38].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что дальнейший прогресс науки и  техники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым  принципам работы и новым технологическим приемам. 

Такой революционный  прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии, которая позволяет создавать  целый ряд принципиально новых  производственных процессов, материалов и устройств на их основе. Расчеты ученых показывают, что использование нанотехнологий может повысить основные характеристики полупроводниковых вычислительных и запоминающих устройств на три порядка, т.е. в тысячу раз! Это станет, безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет  огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных  областях (электрика, 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, биология, энергетика, механика). Например, при переходе к нанометровому диапазону многие важнейшие свойства веществ  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.д.

Возможно, что  именно производство дешевых, энергосберегающих  и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий [8, с.53].

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.

2. Проблемы и перспективы развития нанонауки в России

Использование возможностей нанотехнологий может  уже в недалекой перспективе  принести резкое увеличение стоимости  валового внутреннего продукта и  значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

В машиностроении - увеличение ресурса режущих и  обрабатывающих инструментов с помощью  специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических  разработок в модернизацию парка высокоточных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках [18, с.79].

В электронике  и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и лазеров на структурах с квантовыми точками. Совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением.

В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

В энергетике, в том числе атомной, наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (увеличение эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой структурой).

В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного  ряда показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям  и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза [14 с.38].

В здравоохранении - нанотехнологии обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов).

В экологии - перспективными направлениями являются использование  фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, создание новых методов утилизации и переработки отходов.

Однако, анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий [19, с.129].

Первая проблема - формирование круга наиболее перспективных  их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, культуру, оборону и безопасность государства

Вторая проблема - повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций.

Третья проблема - собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить  некоторые приоритеты в науке  и производстве.

Четвертая проблема - обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики.

Пятая проблема - широкомасштабное развитие фундаментальных  исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.

Шестая проблема - создание исследовательской инфраструктуры.

Седьмая проблема - создание финансово-экономического механизма  формирования оборотных средств  у институтов и предприятий-разработчиков  наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях - от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции.

Восьмая проблема - привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации [19, с.138].

Поэтому, исходя из всего вышесказанного можно сделать  вывод о том, что для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться как часть государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов.

ГЛАВА 2. НАНОТЕХНОЛОГИИ В РАБОТЕ БИБЛИОТЕК:     ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

2.1.Роль нанотехнологий в новой реальности

Из школьного  курса физики мы знаем, что приставка «нано» обозначает 10 в минус девятой степени, или одну миллиардную часть числа. В нанотехнологиях используются материалы на молекулярном и атомарном уровне, размеры которых меньше 100 нанометров, то есть столь малые, что увидеть их можно только через мощнейшие микроскопы. Этот «минимализм» позволяет делать поистине уникальные изобретения. Кроме того, в созданных искусственно наноструктурах изменяются некоторые физические свойства вещества, что позволяет изготовлять новые материалы  с неожиданными параметрами.

Самым важным открытием в  этой области считаются нанотрубки, обнаруженные совершенно случайно. В 1991 году японский физик Иджима занимался  изучением свойств графита при воздействии на него электричеством. Осадок, полученный в результате, показался ему необычным. Когда его рассмотрели в мощный микроскоп, обнаружилось, что он состоит из микроскопических нитей и волокон, причем их диаметр не превышает нескольких нанометров. Эти волокна ученые назвали нанотрубками и занялись их исследованием и изготовлением различными  способами. Оказалось, что свойства у нанотрубок весьма неожиданны. При столь малых размерах они обладают огромным запасом прочности и упругости. Кроме этого,  нанотрубки способны выдерживать действия высоких и низких температур, сырость и влажность. Если соединить несколько нанотрубок, то получится совершенно уникальный материал. Листы, образованные из многослойных нанотрубок, отличаются очень большой гибкостью и прочностью, какие недостижимы для обычных материалов. Создатели говорят, что эта лента прочнее стали и пластмасс, при этом прозрачная и гибкая. Кроме того, под воздействием солнечных лучей она аккумулирует энергию. При всех своих уникальных свойствах, материал отличается сверхлегкостью.  Естественно, что подобный материал незаменим в любой отрасли хозяйства [6, с.140].

Нанотрубки  являются незаменимыми элементами  для электроники, где очень важен  малый вес и большая прочность  механизмов. Исследователи давно уже начали работать над созданием практически невидимой «начинки» для телевизоров или мобильных телефонов на основе нанотрубок. Само собой, это существенно изменит внешний вид техники, а кроме того, и ее внутренние свойства - значительно уменьшится вес и объем, и в то же время изделие станет более мощным и долговечным. Естественно, что нанотрубки заинтересовали и создателей компьютеров. Все чаще говорят, что вскоре произойдет полная революция в программном обеспечении - появятся новые супермощные компьютеры нового поколения на основе нанотехнологий. Ученые утверждают, что нанотехнологии  –  прямой путь для создания компьютеров с искусственным интеллектом. Также специалисты обещают, что вскоре, благодаря нанотехнологиям, появятся уникальные новинки для мобильной связи, способные распознавать запахи, звуки и визуальные образы так же, как и человек. Это поможет людям полноценно общаться, находясь друг от друга даже на расстоянии. При этом телефоны, созданные при помощи нанотехнологий, будут очень малы и легки [13, с.58].

Но уже сейчас существуют наноизобретения, которые  изменяют привычный нам мир. Например, на рынке появились компьютерные дисплеи, которые вскоре сменят жидко-кристаллические мониторы. Толщина дисплея, сделанного при помощи нанотрубок, составляет всего 0,29 мм! А в США  при помощи нанотехнологий создали новый материал, который позволяет усилить скорость передачи данных в 100 раз.

 Появились  в магазинах и нано-аккумуляторы, которые заряжаются буквально  за минуту и работают в любых  условиях, причем гораздо большее  время, чем обычные. 

Уже существуют лекарства на основе нанотрубок. Их уникальность состоит в том, что  они доставляются непосредственно в больную клетку. Некоторые врачи смело заверяют, что вскоре можно будет вылечить страшные и смертельные болезни.

Нанотехнологии  помогают и в промышленности. В  Японии, например, создан термометр, представляющий собой  одну-единственную нанотрубку, заполненную жидким гелием. Естественно, наблюдать за ним можно только в микроскоп. Чувствительность термометра так высока, что им можно пользоваться для измерений температуры при реакции небольших групп молекул между собой или изучать воздействие лазерного луча на материалы.

Недавно в Техасе был сделан смелый опыт, в результате которого удалось нарастить живые  клетки на нанотрубки. Это значительный прорыв в науке, который  может  привести к созданию биороботов…