Нанотехнологии. 11
Министерство образования и науки РФ
ФБГОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Факультет экономики и управления
Кафедра «Социология и управление персоналом»
Реферат по теме:
«Нанотехнологии»
Выполнила:
студентка группы 12эп1
Мальцева Екатерина
Проверил:
Першенков П.П.
Пенза 2012
Оглавление
Введение |
|
Глава 1. Нанотехнологии |
|
|
|
|
|
Глава 2. Применение нанотехнологий |
|
|
|
|
|
|
|
Глава 3. Перспективы развития нанонауки |
|
Глава 4. Опасности, связанные с нанотехнологиями |
|
|
|
Заключение |
|
Библиографический список литературы |
|
Приложения |
Введение
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Сегодня все ведущие мировые державы развивают новые направления научных исследований, в основе которых лежат нанотехнологии. Такое тотальное внедрение нанотехнологий повлечет за собой значительное улучшение качества и увеличение общей продолжительности жизни людей, быстрое внедрение новых технологий в промышленность, перераспределение ресурсов, снижение социальной напряженности, развитие экологических систем. То есть произойдет качественное изменение экономической, политической жизни мира.
Актуальность данной темы в том, что проблема развития и внедрения нанотехнологий в производственный процесс различных отраслей хозяйства является сейчас очень важной и актуальной, а так же нанотехнология интенсивно развивается, часто освещается в СМИ, является довольно популярной темой в обществе.
Ученые, достигшие сегодня высоких результатов в области нанотехнологий, во многом обязаны двум изобретениям конца прошлого столетия. В 1981 году физики Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM создали сканирующий туннелирующий микроскоп, который позволил им увидеть отдельные атомы. А уже в 1986 году он был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Оба ученых за свои революционные труды были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году увидела свет эпохальная статья двух исследователей из той же лаборатории IBM - Айглера и Швейцера, под названием «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа», и многим стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось - весь мир обошла "нанофотография" удивительной мозаики, образующей символику компании IBM, "выгравированная" отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью.
Цель работы является ознакомление с нанотехнологий.
Объектом исследования являются нанотехнология, а предметом исследования – нанотехнология, её возможности, проблемы и перспективы.
В соответствии с этим выделены следующие задачи:
- ознакомиться с историей возникновения и развития нанотехнологий;
- раскрыть содержание понятия нанотехнологии;
- рассмотреть возможности применения нанотехнологий;
- выявить возможные перспективы развития нанонауки;
- показать возможные последствия, связанные с применением нанотехнологий.
Глава 1. Нанотехнологии
- История возникновения и развития нанотехнологий
Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал слово "атом" для описания самой малой частицы вещества.
1905 Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой он научно доказал, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.
Тогда его слова казались
фантастикой только лишь по одной
причине: еще не существовало технологии,
позволяющей оперировать
1968 Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нано-обработки поверхностей.
1974 Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехника", предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.
1981 Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп - прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.
1985 Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.
1986 Создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1986 Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 год. были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано-технологий.
1998 год. Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию 21-го века.
1999 год. Американские физики
Джеймс Тур и Марк Рид
2000 год. Исследовательская группа фирмы "Хьюлетт-Паккард" создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод.
2000 год. Начало эры гибридной наноэлектроники.
2002 год. С. Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 год. Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован "первый в мире" квантовый компьютер
7 сентября 2006 года Правительство
Российской Федерации одобрило
концепцию Федеральной целевой
программы развития
- Что такое нанотехнологии
Название нового направления в науке возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано»1. «Нано», так же как и «милли», и «микро», – приставки к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ, причем в сторону уменьшения линейных размеров: например, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10-3 м), 1 микрометр (другое название – микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10-6 м), а 1 нанометр (нм) означает одну миллиардную долю метра (1 нм = 10-9 м).
Для наглядности можно указать, что 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра (представим себе любой измеритель длины с делениями – линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если считается, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины. Или еще можно сказать так: величины, измеряемые в нанометрах, на 9 порядков меньше величин, сравнимых по размерам с человеческим телом.
К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм.
Для понятия «нанотехнология», пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии, оперирующие величинами порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переходот «микро» к «нано» – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.
В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, величиной примерно со среднюю молекулу; разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего. Именно поэтому они представляются весьма перспективными для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т. д. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.
Из сказанного ясно, что нанотехнологии объединяют все связанные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках. Тем самым подчеркивается междисциплинарный характер нового направления в естествознании. Наряду с другими междисциплинарными научными направлениями в естествознании – синергетикой, кибернетикой, системным методом – развитие нанотехнологий является очень ценным научным наследием XX в., неким связующим звеном, обеспечивающим преемственность научных направлений в современном естествознании.
Глава 2. Применение нанотехнологий
2.1. Нанотехнологии в космосе
Применение нанотехнологий в космической технике является одним из наиболее важных и перспективных направлений.
Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.2
Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения ( См. приложение А). Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.
Молодые ученые считают, что
к ключевым проблемам микроминиатюризации
спутников среди прочего
Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).
Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).
2.2. Нанотехнологии в медицине
От нанотехнологических разработок в медицине ждут революционных достижений в борьбе с раком, с особо опасными инфекциями, в ранней диагностике, в протезировании. По всем этим направлениям ведутся интенсивные исследования. Некоторые их результаты уже пришли в медицинскую практику. Вот лишь два ярких примера.3
Убивая микробов и разрушая опухоль, лекарства обычно наносят удар и по здоровым органам и клеткам организма. Именно из-за этого некоторые тяжелейшие болезни до сих пор не удается надежно вылечить – лекарства приходится использовать в слишком малых дозах. Выход - доставлять нужное вещество прямо в пораженную клетку, не задевая остальные.
Для этого создаются нанокапуслы, чаще всего биологические частицы (например, липосомы), внутрь которых помещается нанодоза препарата. Ученые пытаются «настроить» капсулы на определенные виды клеток, которые они должны уничтожить, проникая через мембраны. Совсем недавно появились первые промышленные препараты такого типа для борьбы с некоторыми видами рака, другими заболеваниями.
Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организме. Так, человеческий мозг серьезно защищен природой от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам. Однако эта защита неидеальна. Ее легко преодолевают молекулы алкоголя, кофеина, никотина и антидепрессантов, но она блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы их ввести, приходится делать сложные операции. Сейчас испытывается новый способ доставки лекарств в мозг с помощью наночастиц. Белок, который свободно проходит «мозговой барьер», играет роль «троянского коня»: к молекулам этого белка «пристегивается» квантовая точка (нанокристалл полупроводника) и вместе с ним проникает к клеткам мозга. Пока квантовые точки лишь сигнализируют о преодолении барьера – в будущем планируется использовать их и другие наночастицы для диагностики и лечения.
Давно завершился всемирный проект расшифровки генома человека – полное определение структуры молекул ДНК, которые находятся во всех клетках нашего организма и непрерывно управляют их развитием, делением, обновлением. Однако для индивидуального назначения лекарств, для диагностики и прогноза наследственных болезней нужно расшифровать не геном вообще, а геном данного пациента. Но процесс расшифровки пока очень длителен и дорог. Нанотехнологии предлагают интересные пути к решению этой задачи. Например, использование нанопор – когда молекула проходит через такую пору, помещенную в раствор, датчик регистрирует ее по изменению электрического сопротивления. Впрочем, очень многое можно сделать и не дожидаясь полного решения такой сложной проблемы. Уже существуют биочипы, распознающие у пациента за один анализ более двухсот «генетических синдромов», отвечающих за различные болезни.
Диагностика состояния индивидуальных живых клеток прямо в организме – еще одно поле приложения нанотехнологий. Сейчас испытываются зонды, состоящие из оптоволкна толщиной в десятки нанометров, к которому присоединен химически чувствительный наноэлемент. Зонд вводится в клетку, и по оптоволкну передает информацию о реакции чувствительного элемента. Таким путем можно исследовать в реальном времени состояние различных зон внутри клетки, получать очень важную информацию о нарушениях ее тонкой биохимии. А это – ключ к диагностике серьезных болезней на этапе, когда внешних проявлений еще нет – и когда вылечить болезнь гораздо проще.
Интересным примером является создание новых технологий секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) молекул ДНК. Из числа таких методик следует назвать, в первую очередь, секвенирование при помощи нанопор – технологию, использующую поры для подсчета частиц от субмикронного до миллиметрового размера, суспендированных в растворе электролита. При проходе молекулы через пору изменяется электрическое сопротивление в контуре датчика. И по изменению тока регистрируется каждая новая молекула. Основная цель, которую пытаются достигнуть ученые, разрабатывающие этот метод – научиться распознавать отдельные нуклеотиды в составе РНК и ДНК.
2.3. Нанотехнологии в сельском хозяйстве и наноеда
Нанотехнологии в сельском хозяйстве.4
В настоящее время нанотехнологии начали внедрять в различные направления сельского хозяйства. Так, получены новые накокомпозиционные материалы, улучшающие качество сельскохозяйственной техники, повышающие ее прочность, износоустойчивость и устойчивость к коррозии.
Применение нанокомпозитов в растениеводстве и животноводстве является очень ответственным мероприятием, так как связано с живыми организмами.
Необходимо тщательно
исследовать влияние
На ряде моделей доказана биологическая активность высокодисперсных порошков и слабость их токсичности по сравнению с солями при введении их в виде водной суспензии в организм животных. Однако вопрос о механизме окисления и превращения нейтральной формы нанопорошка в ионную остается открытым.
Л.В. Коваленко и Г.Э. Фолманис (2006 г.) предложили модель влияния нанопорошков металлов на объекты живой природы. Разработанная модель положена в основу создания новой нанотехнологии управления производством сельскохозяйственной продукции. При разработке модели учитывались новые теоретические положения.
Нанотехнология применяет особые материалы, являющиеся «ультрадисперсными» или «нанокристаллическими» системами. В таких системах протекают особые, нелинейные процессы. Свойства наносистем отличаются от свойств традиционных неорганических материалов. Чтобы применять наносистемы, нужно учитывать их особенности. Если в традиционных неорганических материалах упорядоченность структуры достигается за счет упорядоченного расположения их атомов, то в наноносителях (от 1 до 100 нм) – за счет их кластеров. Кластер образуется из такого количества атомов, которое обеспечивает целиком заполненные электронные оболочки (магические числа).
Размеры наносистем соответствуют золотой пропорции, которая является кодом устойчивости систем и структур (спектр золотых чисел: 0,618; 0,465; 0,389; 0,324; 0,285; 0,232; 0,213, обладающих свойством золотой пропорции). Золотое сечение представляет гармоничность организации систем и в то же время постоянство и изменчивость структур.
Объекты наномира обладают классическими, квантовыми и принципиально новыми свойствами.
Наномир – это мир чередующихся волновых функций, возникающих и исчезающих состояний, где существует возможность выбора (бифуркации). Частицы существуют в сильно неравновесных условиях, в которых проявляют способность к самоорганизации адаптации к внешнему воздействию; самовыбору оптимальной структуры; самосборке устойчивых наночастиц. Это обеспечивается информационным обменом о структурном состоянии системы в каждой точке состояния наночастиц.
При введении наночастиц в воду она становится средой с заданным кодом, в которой повышается адаптивность к окружающей среде, происходит самоорганизация структур, обеспечивающая оптимальное развитие растения в данных конкретных условиях. Для поддержания такого состояния требуется подвод энергии, источником которой являются наночастицы.
В институте металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова разработан химико-металлургический метод получения нанопорошков железа. На их основе получают биопрепараты нового поколения, которые испытываются в животноводстве и растениеводстве. В животноводстве суспензия нанодисперсного железа в дистиллированной воде вводилась как с кормом, так и внутримышечно. Результаты исследования свидетельствуют о перспективности использования ультрадисперсного железа в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве. В растениеводстве предложен новый метод предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур суспензиями нанокристаллических (ультрадисперсных) порошков металлов.
Прибавка к урожаю свеклы, картофеля, пшеницы составила 20–35 %, повысилась адаптация к стрессовым условиям (неблагоприятные погодные условия, засуха), улучшилось качество растительного сырья. Подтверждена пролонгированность действия нанопорошков металлов на биосистемы, которая влияет на рост, развитие растений и показатели урожая.
Результаты исследований были представлены в материалах Первой (2006 г.) и Второй Всероссийской конференции по наноматериалам (2007 г.).
Однако не отработаны точные
методики проведения лабораторных опытов,
не установлены оптимальные
Нанотехнологии и еда (см. приложение Б)
Если такое понятие как нанотехнологии и завоевывает сейчас все большую известность в силу своего применения во многих важных сферах человеческой деятельности, то такой термин как наноеда еще практически никому не известен. Однако, и в этой сфере нанотехнологии являются очень востребованными. Особенно учитывая то, что непрекращающийся рост населения Земли наряду с ростом потребления в последние годы становится одной из наиболее острых глобальных проблем. Знаете ли вы, что значительная часть биологически активных добавок, применяемых в животноводстве, попросту не усваивается животными? И здесь, как и в случае с косметикой, на помощь приходят нанотехнологии – биологически активные добавки и витамины, заключенные в мицеллы диаметром в несколько десятков нанометров, усваиваются организмом гораздо лучше, чем растворенные в воде или жидкой пище. А раз витамины и биологически активные добавки усваиваются лучше, рост мышечной массы происходит быстрее, и на прилавки магазинов мясо поступает гораздо раньше, чем обычно.
Кстати, и сам процесс доставки продуктов питания к потребителям претерпевает существенные изменения с широким внедрением нанотехнологий. Наибольший интерес у крупных пищевых компаний вызывают технологии упаковки, в частности, массовое применение находят наночастицы серебра, используемые в качестве антибактериального покрытия. Также нанотехнологии предоставляют пищевикам уникальные возможности для всестороннего наблюдения за качеством и безопасностью продуктов непосредственно в процессе производства, т.е. в реальном времени. Речь идет о диагностических машинах с применением наносенсоров различного типа, способных быстро и надежно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. Впрочем, замыслы ученых относительно применения этих технологий в производстве пищи носят куда более масштабный и амбициозный характер. Они надеются, что их применение в фермерских хозяйствах (при выращивании зерна, овощей, растений и животных), и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса продуктов, которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированную еду. Произойдет это или нет – вопрос весьма скорого будущего.
2.4. Нанотехнологии в военном деле
Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:
1. Создание новых мощных
миниатюрных взрывных
