Нанотехнологии. 4

3

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………...3

1. История развития нанотехнологии………………………………………………...….4

2. Основные особенности наноматериалов и технологии их получения……………...6

3. Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий……9

4. Проблемы и перспективы развития нанонауки в России…………………………..11

4.1 Перспективы использования нанотехнологий…………………………………11

4.2 Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России…………………….15

Заключение……………………………………………………………………………….18

Список использованной литературы…………………………………………………...19

Введение

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.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быст­рых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать ма­шины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных ато­мов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением та­кими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Цель данной курсовой работы состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалё­ком будущем.

Нанотехнология – совокупность процессов, позволяющих создавать матери­алы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рисунок 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (меха­нические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследо­ваний явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процес­сов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов.

1 История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая тер­минология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в ко­торой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микро­скоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американ­ского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу ком­наты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некото­рые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотех­нологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки ма­териалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, разме­ром менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специаль­ный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Ска­нирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для раз­вития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором вре­мени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать нано­размерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой ра­боты необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано­технологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от­дельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициа­тивы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни чело­вечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии – "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes – "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная ре­волюция".

2 Основные особенности наноматериалов и технологии их

полу­чения

"Обычная" промышленность работает с тоннами и кубометрами, к чему все привыкли. Наноматериалы – продукт нанотехнологий – это нечто особое, что го­раздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого вещества спо­собен решить множество проблем. Это пример современной "гомеопатии", которая поставлена на вполне научную основу и глубоко продумана.

Наноматериалы – не один "универсальный" материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с прак­тически интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что наноматериалы – это просто очень мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными ча­стицами, они могут представлять собой сложные микро и макро объекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик веществ и материалов обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком кри­тическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега элек­тронов, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими уче­ными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм.

Рисунок 1 – Токсичность наночастиц металлов

В настоящее время существуют десятки способов получения металлических наноматериалов, которые условно можно разделить на две группы: химические спо­собы и физические способы.

Металлические наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую "наследственность" исходных химиче­ских соединений, что делает проблемным их использование в отраслях с жесткими требованиями к чистоте используемых материалов, в том числе и в агропромыш­ленном комплексе.

Наиболее приемлемыми для таких отраслей являются металлические нанома­териалы, полученные с помощью нанотехнологий, основанных на использовании физических явлений.

Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, располо­женных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. При этом, как Россия, так и Украина занимают ведущее место в этом направлении полу­чения наноматериалов. Более того, Украина, благодаря разработке целой группы нанотехнологий – эрозионно-взрывных нанотехнологий получения наноматериал­лов, имеет возможности выйти в мировую группу ведущих производителей нанома­териалов в целом. В частности, с помощью эрозионно-взрывных нанотехнологий получены такие новые наноматериалы:

      неионные коллоидные растворы наночастиц металлов;

      анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов;

      гидратированные наночастицы биогенных металлов;

      гидратированные и карботированные наночастицы биогенных металлов;

      электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов;

      электрически нейтральные и электрически заряженные металлические нано­частицы в аморфном состоянии;

      структурированные агломераты наночастиц;

      наногальванические элементы;

      энергоаккумулирующие металлические наноматериалы.

К настоящему времени применительно к большой группе наноматериалов на основе металлов Au, Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отечественным произ­водителем.

3 Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий

В Германии Creavis – исследовательское подразделение корпорации Degussa.

В США центры развития нанотехнологий, финансируемые Национальным научным фондом (NSF):

Национальная сеть нанотехнологической инфраструктуры (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN), включающая 13 организаций, зани­мающихся нанотехнологиями. Ведущей организацией является Корнелльский уни­верситет.

Центр иерархического производства (Center for Hierarchical Manufacturing, CHM) при Университете Массачусетса – Амхерст.

Центр наномасштабных химических, электрических и механических произ­водственных систем(Center for Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems, Nano-CEMMS) при университете Иллинойса.

Центр скоростного нанопроизводства (Center for High Rate Nanomanufacturing, CHN), базирующийся в Северо-Восточном университете.

Центр масштабируемого и интегрированного нанопроизводства (The Center for Scalable and Integrated Nanomanufacturing, SINAM) при Калифорнийском универси­тете в Беркли.

В России: ГК "Роснанотех" Государственная корпорация Российская корпо­рация нанотехнологий создана в Российской Федерации в соответствии с Федераль­ным законом "О Российской корпорации нанотехнологий" № 139-ФЗ от 19 июля 2007. Корпорация содействует реализации государственной политики в сфере нано­технологий, финансируя инвестиционные проекты по производству нанотехнологи­ческой продукции, содействует развитию инфраструктуры в сфере нанотехнологий и поддерживает программы подготовки и переподготовки кадров.

ЗАО "Нанотехнология МДТ" – российская компания, созданная в Зелено­граде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. В настоя­щее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тесто­вые образцы.

ООО "АИСТ-НТ" – российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образо­вания, научных исследований и мелкосерийного производства. [9] В настоящее время компания производит 2 уникальных прибора, а также широкий ассортимент аксес­суаров и расходных материалов.

ООО "Нано Скан Технология" – компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образова­ния.[10] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирую­щих зондовых микроскопов и 3 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ.

4 Проблемы и перспективы развития нанонауки в России

4.1 Перспективы использования нанотехнологий

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 и прецизи­онных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования 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 (до 1,5-4 раз) 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.

В электронике и оптоэлектронике – расширение возможностей радиолокаци­онных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумя­щими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных 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; создание мощных экономичных инжекци­онных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, исполь­зуемых в фемтосекундных системах.

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 (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных нанострук­тур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе про­цессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с разви­той поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран).

В сельском хозяйстве – применение нанопрепаратов стероидного ряда, сов­мещенных с бактериородопсином, 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 (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

В здравоохранении – нанотехнологий 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). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи но­сят гуманитарный характер.

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, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, суще­ственное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на ос­нове бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), пока­зали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиа­ционных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Развитие и становление наноиндустрии в Российской Федерации определяется следующими стратегическими документами:

Президентская инициатива "Стратегия развития наноиндустрии" (№ Пр-688 от 24 апреля 2007 г.),

Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года (Утверждена распоряжением Правительства Рос­сийской Федерации от 17 ноября 2008 г. № 1662-р)

Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года (одобрена Правительством Российской Федерации 18 ноября 2004 г. № МФ-П7-6194),

Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года (одобрена Правительством Российской Федерации 4 мая 2008 года ВЗ-П7-2702) (да­лее – Программа)

Федеральная целевая программа "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы" (постановление Правительства Россий­ской Федерации от 2 августа 2007 г. № 498)

Федеральная целевая программа "Исследования и разработки по приоритет­ным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы" (постановление Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. № 613)

Реализация стратегической цели Программы включает два этапа: первый этап– 2008-2011 годы, второй этап – 2012-2015 годы.

Цель реализации первого этапа − к 2011 формирование году конкурентоспо­собного сектора исследований и разработок в области наноиндустрии для поддер­жания научно-технического паритета Российской Федерации с экономически разви­тыми странами мира по перспективным направлениям науки, определяющим стра­тегию развития наноиндустрии и безопасность применяемых наноматериалов и нанотехнологий для здоровья и жизни человека, рост объемов производства уже выпускаемой и востребованной продукции нанотехнологий безопасной для жизни и здоровья человека, насыщение соответствующих рынков, разработка новых нано­технологий и видов нанотехнологической продукции, которые могут быть доведены до промышленного внедрения и производства в течение последующих двух-трех лет, создание эффективной системы коммерциализации объектов интеллектуальной собственности в области нанотехнологий.

Для ее достижения необходимо решение следующих задач:

- формирование современной инфраструктуры наноиндустрии на уровне эко­номически развитых стран, включая ее приборно-инструментальную, информаци­онно-аналитическую и методическую составляющие;

- формирование условий устойчивого функционирования и развития системы подготовки, переподготовки и закрепления кадров для обеспечения эффективности исследований и разработок в области наноиндустрии;

- опережающее развитие исследований и разработок, обеспечивающих созда­ние новых конкурентоспособных нанотехнологий и видов нанотехнологической продукции, которые могут быть доведены до промышленного внедрения и произ­водства в течение двух-трех лет;

- создание системы содействия продвижению продукции наноиндустрии на внутренний и внешний рынки высокотехнологичной продукции, системы обеспече­ния единства измерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности в наноиндустрии с целью кардинального увеличения объемов производства уже вы­пускаемой и востребованной продукции нанотехнологий, насыщения указанной продукцией нанотехнологий соответствующих рынков.

Максимальное количество объектов инфраструктуры наноиндустрии распо­ложено на балансе организаций г. Москвы – 48 объектов. В Свердловской области находится 16 объектов инфраструктуры наноиндустрии, в Санкт-Петербурге – 6, в Московской области – 5, в других субъектах количество объектов инфраструктуры наноиндустрии варьируется от 0 до 4 единиц.

Рисунок 2 – Регионы лидеры по количеству объектов инфраструктуры нано­индустрии

4.2 Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России

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.

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, 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 НИОКР 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.

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.

Заключение

С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехноло­гии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит рево­люционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор анали­тического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто по­строен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".