Нанотехнологии в решении экологических проблем

Министерство образования, науки и молодежной политики Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Сокольский техникум индустрии сервиса и предпринимательства»

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по экологии

Тема: «Нанотехнологии в решении экологических проблем»

Работу выполнил: Хохлов Максим Александрович

Группа № 12

Специальность: «Управляющий сельской усадьбой»

Руководитель: Кириллова Людмила Михайловна

Рассмотрен и допущен к защите

на заседании МК преподавателей ООД

протокол №__ от «___»________201__ года

председатель МК __________________

Сокольское

2020 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной темы

В наше время о перспективах нанотехнологий не говорит разве что ленивый. Всякий, кто заинтересуется данной темой, моментально найдет информацию о фуллеренах и квантовых точках, о нанотрубках, которые в 60 раз прочней стали и выдерживают температуру в 2500 градусов и давление в 6000 атмосфер.

Каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул?

Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. Будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

Цель: изучить возможности нанотехнологий в решении экологических проблем

Задачи.

Узнать, что такое «нанотехнология»

Познакомится с историей развития нанотехнологии

Выяснить применение этой науки в различных отраслях

Определить возможности применения нанотехнологий в решении экологических проблем.

Определить экологические риски, связанные с применением нанотехнологий

Объект исследования: достижения нанотехнологии в решении экологических проблем

Предмет исследования: современная нанотехнология

Проблема: возможно ли достижения нанотехнлогии использовать для решения экологических проблем?

Методология и методика исследования. В процессе выполнения работы использованы комплексные методы проведения исследований, библиографические методы, методы анализа статистических показателей.

Методы исследования: при проведении исследования использовались основные теоретические методы, а также методы камеральной обработки материалов. Среди теоретических методов можно выделить сравнительный анализ; анализ научной литературы, синтез полученных материалов, исторический и т.д. Из практических (эмпирико-исследовательских) методов - метод анкетирования. Проводилось предварительное изучение литературных источников

Теоретическая значимость: я выясню для себя, что такое  нанотехнологии, в чем  сложность этой науки, её проблематику и новизну, а также её ценность и вред для человечества.

Практическая значимость заключается в том, что работая над этой темой я узнаю много нового из этой сферы науки. Работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники.

Теоретическая часть

Наука «Нанотехнология»

Наука «Нанотехнология» возникла из-за революционных изменений в информатике.

Нанотехнология - это область науки и техники, которая занимается совокупностью теоретических и практических методов исследования, анализом и синтезом и методами изготовления и применения продукции, которая имеет заданную атомную структуру. Название происходит от слова «нанометр» - одна миллиардная часть метра (10-9м).

Наноструктура - упорядоченные фрагменты размером от 1 до 100 нм (атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 нм и менее, свойства материалов существенно изменяются.

Нанотехнологии — это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.

По способам образования свободные (несвязанные) наночастицы делятся на три группы:

природные (взвесь песка в пустынных районах мира, продукты выбросов вулканов, дымовые частицы от лесных пожаров, кристаллики морской соли, вирусы);

антропогенные (сажа, выхлопные газы, летучие частицы красок, пары сварочного припоя);

индустриальные (частицы оксидов титана и кремния для фармакологии или косметической продукции, частицы металлов или соединений для управления химическими реакциями).

1.2 История возникновения нанотехнологии

У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, "китайские чернила" в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Он использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии.

2004–2006 год. Российский исследователь и изобретатель В.И. Петрик с помощью разработанного им же газофазного метода очистки металлов и разделения изотопов получил наноструктуры ряда металлов: платины, железа,никеля
2006 г. в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики) появилсяНАНОклуб.
2007 г. 16 апреля  вышел первый номер клубной газеты НАНОэлектроника.
2007 г. 19 июля. Учреждена государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»).

Таким образом, сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, 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 и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безо­пасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство деше­вых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий.

1.3 Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека

Нанотехнологии в медицине

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК – чипы (создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне.

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Нанотехнологии в биологии

Биологичекие нанотехнологии - биочипы. Чип – это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам – белкам, токсинам, аминокислотам. Они могут мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку.

Нанотехнологии в косметике

При помощи нанотехнологии можно реально выглядеть на 15-20 лет моложе. Их суть заключается в том, что в состав косметических средств включены наносферы, которые обладают способностью проникать в глубокий подкожный слой. При помощи нанотехнологии разглаживаются морщины, рубцы, устраняются прыщи, угри.

Нанотехнологии в пищевой промышленности

Сейчас ведутся исследования по получению пищевых продуктов с использованием нанотехнологий («наноеда») и разработке методов транспортировки и хранения продуктов («наноупаковка»). Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики, полимеров, органических веществ. Наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма, клеткам полезных веществ.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову.

Нанотехнологи в энергетике

Стратегической задачей является разработка батарей высокой емкости.

Нанотехнологи в кибернетике

В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Станет возможным “переселение” человеческого интеллекта в компьютер.

Нанотехнологии в космосе.

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники наноприборы до 20 килограмм. Создана система микроспутников. Она менее уязвима при попытках ее уничтожения.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации

Нанотехнологии в военном деле

Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:

1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.

2. Разрушение макроустройств с наноуровня.

3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.

4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.

5. Наноснаряжение для солдат.

6. Защита от химического и биологического оружия.

7. Наноустройства в системах управления военной техникой.

8. Нанопокрытия для военной техники.

Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире.

1.4 Решение экологических проблем с помощью нанотехнологий.

«Зеленые» нанотехнологии - это технологии, в которых используются безопасные для окружающей среды химические и технологические процессы. В идеале «зеленые» нанотехнологии должны улучшить производственные процессы, предъявляемые к материалам требования, химические процедуры, а также заменить текущие небезопасные вещества и процессы.

Нанотехнологии способны стабилизировать экологическую обстановку. Во-первых, за счет насыщения молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Например, в перспективе наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей. С их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах.

В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды. Использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных нанопрепаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Наномембрана соберет разлитую нефть

Любая утечка нефти может обернуться настоящей катастрофой, устранить последствия которой очень непросто. Поэтому в настоящее время возросла потребность в материалах, которые могут эффективно очищать воду от углеводородов. Для сбора нефти и отделения её от воды можно использовать нанопористые мембраны. В идеале, методы получения таких мембран должны быть максимально просты и дешевы, а сами они должны быть экологически безопасны, стабильны и просты в использовании. 

Мембрана из нанопроводов отлично проявила себя в нелегком деле очистки воды от нефтепродуктов. После помещения в стакан с водой, покрытой слоем углеводорода, происходит полное впитывание последнего. Мембрана может поглотить жидкости в 20 раз больше своего веса. При этом в отличие от других известных материалов новый материал совершенно не впитывает воду. После использования мембрана может быть разбита на отдельные волокна ультразвуком, а потом собрана обратно после отделения нефти. 

Очистка воды

Вода жизненно важна для человечества. Загрязненная отходами вода пагубно влияет на здоровье. Доступ к чистой воде - гораздо большая проблема, чем голод, в развивающихся странах с локальными военными конфликтами и частыми стихийными бедствиями.

Рост населения и интенсивное ведение сельского хозяйства связаны с постоянно растущим потреблением чистой воды, поэтому все более актуальными становятся поиски новых методов ее очистки. Применение наноматериалов может помочь улучшить существующие, а также создать совершенно новые технологии и материалы, используемые для очистки воды. С помощью нанотехнологий можно усовершенствовать способы обработки и доставки воды в удаленные регионы без достаточных запасов электрической энергии. Специально созданные наноматериалы являются новым классом, который относительно мало известен большинству специалистов по охране окружающей среды и водопользования. Однако постепенно ситуация меняется к лучшему. Благодаря дальнейшим исследованиям безопасных, дешевых и эффективных методов обработки воды постепенно меняются прежние традиционные практические способы.

Химическое нанотехноэкологическое решение проблемы

1. Самоочищающиеся поверхность

Такую поверхность называют нанотравой, она представляет собой множество параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса».

Применение:

- самоочищающиеся поверхности и покрытия

2. Молекулярные соединения аллотропных форм углерода.

Молекулярные соединения аллотропных форм углерода в виде замкнутых многогранников. Молекула фуллерена состоит из 60 атомов углерода. Диаметр С 60 составляет около 1 нм.

Применение:

- огнезащитные краски;

- искусственные алмазы;

- новые лекарства;

- аккумуляторы.

3. Оксид титана

Оксид титана имеет сильную каталитическую активность. В присутствии ультрафиолетового излучения расщепляет молекулы воды на свободные радикалы.

Применение:

- очистка воды, воздуха, различных поверхностей от органических соединений;

- самоочищающиеся стекла

1.5. Проблема экологии из-за нанотехнологий

О фантастических преимуществах продуктов наноиндустрии написаны десятки аналитических статей. О непредсказуемых опасностях тоже. В силу своих размеров и уникальных свойств наночастицы в выпускаемых продуктах требуют тщательного изучения – могут ли они попадать в тело человека, и если да, то как долго они будут там оставаться. Кроме того, необходимо исследование поведения и перемещений наночастиц в окружающей среде и, самое главное, повлияют ли эти материалы на здоровье человека и состояние природы.

Вода

Другой проблемой является исследование поведения наночастиц в воде. На данный момент этот вопрос разработан слабо. Вопрос сложен тем, что необходимы комплексные исследования по поводу способности каждого из видов грунтов или искусственных фильтров задерживать те или иные наночастицы. Данным вопросом занимаются в настоящее время ученые из Технологического института Джорджии. Ими проводилась серия опытов, в ходе которых через колбы, заполненные песком, грунтом, микрогранулами стекла и иными материалами пропускалась вода, содержащая фуллерены. Выяснилось, что песок задерживает до 80% наночастиц, однако ученые также пришли к выводу, что на фильтрацию влияет состав воды. Наличие в воде поверхностно-активных веществ позволит наночастицам свободно проходить через песок.

Анализ данных проведенных исследований позволяет придти к выводу, что нанотехнологии не настолько вредны, как можно было бы предположить: наночастицы не отравляют землю и воду, а попадание их в организм не фатально и может быть ограничено системами фильтрации.

Правильное понимание нанопроцессов и побочных эффектов, создание систем фильтрации нового поколения, ограничение недобросовестных производителей и террористов – лишь некоторые пункты из списка задач, которые предстоит решать. Однако следует понимать, что выгоды от применения нанотехнологий будут перевешивать возможные трудности на пути их внедрения.

Почва

Ученые пришли к выводу, что наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виды почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества.. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показывают, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.

Воздух

Еще одной глобальной проблемой может стать наличие наночастиц в атмосфере. По мнению ученых эти частицы, отражая солнечные лучи, способны изменить климат на планете, спровоцировав очередной ледниковый период. Уже сейчас есть сведения об их значительном влиянии на метеоусловия, причем не всегда положительные. Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств. Картина мира, в котором, чтобы не умереть от рака легких в 30 лет нужно дышать через фильтр, становится не такой уж фантастикой.

2. Практическая часть

2.1 Социологический опрос «Что такое нанотехнологии?»

Цель: Выяснить знают ли обучающиеся техникума, что такое нанотехнологии, какое значение они имеют в современном мире.

Методика: Анкетирование проводилось анонимно среди обучающихся 1 курса 111 учебной группы. Всего респондентов - 25 человек.

Вопросы анкеты:

1.Вы знакомы с понятием «Нанотехнология»

2. Что такое наука «Нанотехнология»

3. В каких сферах жизни человека можно применять нанотехнологии?

4.Следует ли развивать науку «Нанотехнологию»

Выводы:

1. Из 25 опрошенных слышали это понятие -52%, 48%- не встречались с таким понятием.

2.Внятное определение науки «Нанотехнология» смогли дать лишь 16% респондентов.

3.Нанотехнологии можно использовать: в медицине – 20%, косметологии – 8%, водоочистке – 24%, «не знаю» - 48%

4. «Данную науку нужно развивать» – 72%, «Нет смысла тратить деньги государства» - 28%

Заключение

Нанотехнологии - символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации.

Возможности использования нанотехнологий практически неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

Большие перспективы несут в себе и большие опасности. В этом отношении человек должен с максимальной осторожностью отнестись к небывалым возможностям нанотехнологий, направляя свои исследования на мирные цели. В противном случае он может подставить под удар свое собственное существование. Еще страшнее, если эти технологии попадут в грязные руки. История показывает, как могут использоваться самые лучшие научные достижения для уничтожения друг друга. Тех, кто разделяет эти тревоги, стали именовать "наноапокалиптиками". Наноапокалиптики упорно говорят о неминуемости войн, которые могут вести сами нанороботы-дизассемблеры, разрушая все на своем пути и размножаясь при этом разрушении. Вполне возможно, что у этих нанороботов могут появиться свои собственные интересы, которые не будут иметь ничего общего с интересами человека. Потому уже всерьез рассматриваются и ставятся задачи по созданию защитных средств для уничтожения вышедших из повиновения нанороботов на манер борьбы с вирусами и бактериями, представляющими по существу живые аналоги нанороботов.

Развитие нанотехнологий продолжается и вполне возможно, что человечество действительно решит глобальные проблемы с их помощью

Одним словом, нас ожидает наномир, о котором мы знаем пока еще очень мало. Почти ничего не знаем. Но будем надеяться, что и ученые и правительства всего мира найдут достаточно сил и средств, чтобы направить достижения нанотехологий на добрые дела без выхода за рамки благоразумия.

Список использованной литературы

Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П.Аливисатоса. М., 2015.

Галченко Ю. П. Техногенные наночастицы как непериодический фактор окружающей среды / Ю. П. Галченко //Экол. системы и приборы. – 2016. – № 1. – С. 18-22. – Библиогр.: 5 назв.

Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2015.

Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров ХХ1 века //Природа. 2014. № 11. С.23-30.

Дугин Г. С. Нанотехнология и ее возможное негативное влияние на окружающую среду / Г.С. Дугин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – 2015. – № 5. – С. 33-37. – Библиогр.: 7 назв

Крутько В. Н. Проблема оценки рисков нанотехнологий: методологические аспекты / В. Н. Крутько, Е. В. Пуцилло, А. Я. Чижов // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экология и безопасность жизне-деятельности. – 2016. – № 4. – С. 55-61. – Библиогр.: 5 назв.

Ибрагимов И. М. Применение нанотехнологии для защиты окружающей среды / И. М. Ибрагимов, Е. А. Перфилова //Изв. Акад. пром. экологии. – 2015. – № 3. – С. 76.

Интернет ресурсы.

http://korrespondent.ru

http://ria.ru/science/20081203/156376525.html#ixzz2orCoTJVk

https://www.nps.gov/index.htm National Park Service

ПРИЛОЖЕНИЕ

Анкета «Что такое нанотехнологии?»