Применение нанотехнологий
Вертушкие Иван, МОУ Вареговская сош,11 класс, Ярославская область (руководитель: Виноградова Елена Анатольевна, учитель физики, МОУ Вареговская сош)
ВВЕДЕНИЕ
Андрей Александрович Фурсенко, помощник президента РФ: «Нанотехнологии несут переворот в мышлении… Нанотехнологии позволяют манипулировать частицами на уровне атомов и строить, как из кубиков, принципиально новый мир».
Наночастицы открывают удивительный мир из-за своих необыкновенных свойств: механических, физических, тепловых, оптических, электрических, химических. Мир нанотехнологий выходит за рамки известных нам законов классической физики, даже таких, как широко известные законы гравитации и скорости. Любая технология имеет две стороны медали и направления научно-технического прогресса первоначально заявляют только одни преимущества и блестящие результаты, но отдельные последствия могут оказаться негативными. Нанотехнология это не только междисциплинарная, но с точки зрения проблем безопасности, важнее – межотраслевая технология, продукция, которая проникает во все сферы деятельности человека, оказывая влияние на человека и окружающую среду.
Что такое нанотехнологии
Первое упоминание нанотехнологии было сделано в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте Ричардом Фейнманом. Он предложил механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора. Подобная идея совпадает с фантастическим рассказом известного писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованного в 1931г.
Нанотехнология — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Один нанометр в 50 000 раз меньше обыкновенного человеческого волоска.
Во-первых: нанотехнологии – это миниатюризация (плотность записи на жесткий диск удваивается каждые 18 месяцев). На одной полупроводниковой пластине, а это площадь в 10 см2, можно разместить более 10 млрд компонентов. Во-вторых: при использовании наноматериалы проявляют новые свойства. Например: на наноуровне углерод в 100 раз прочнее, чем сталь. Происходят и другие изменения: золото плавится при более низких температурах, (при обычных условиях температура плавления золота выше 1000 С).
Вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Одной из главных причин изменения физических и химических свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является рост относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях, нежели атомы внутри объемной фазы. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии.
В настоящее время уникальные физические свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований.
За последние годы в области магнитных наноматериалов произошли изменения, которые, без преувеличения, можно назвать революционными. Стало возможным получение нанометровых металлических или оксидных частиц не только в виде феррожидкостей, но и внедрёнными в различные «жесткие» матрицы (полимеры, цеолиты и др.). На базе таких материалов обнаружен ряд необычных явлений, таких как гигантское магнитосопротивление, аномально большой магнитокалорический эффект и др. Стандартные характеристики магнитных материалов (намагниченность насыщения, коэрцитивная сила и т.п.) в случае наночастиц как правило не хуже, а часто и превосходят, аналогичные параметры объемных материалов.
Рис. 1. Основные физические свойства наночастиц (наноматериалов).
Гипотеза: нанотехнологии оказывают влияние на человека и окружающую среду.
Метод исследования: теоретический, сравнительный анализ научной литературы.
Планирование исследования:
Обзор литературы по теме
Применение нанотехнологий в различных областях.
Примеры использования нанотехнологий
Опасности, связанные с нанотехнологиями
Причины рисков и угроз
Выводы
Применение нанотехнологий в различных областях
Биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.
Простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов. Наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, "умных" песков, бумаги, углеродных волокон. Защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали. Катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания.
Легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики.
Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.
Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.
Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран.
Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров.
Наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, "умные" протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, "умные" и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия.
Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения.
Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.
Примеры использования нанотехнологий
Солнечные батареи нового поколения. Ученые разработали пластиковые солнечные батареи, способные превращать энергию Солнца в электричество даже в пасмурный день.
Пластиковые солнечные батареи нового поколения можно наносить как краску, или наклеивать как пленку. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Новый материал использует нанотехнологии и содержит первые солнечные батареи, способные улавливать невидимое инфракрасное излучение Солнца. Открытие привело ученых к предположению, что пластиковые солнечные батареи могут со временем стать в 5 раз более эффективными, чем уже существующие.
Наномедицина – это направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.
ДНК-нанотехнологии — используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.
В химической промышленности используется промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).
К
омпьютеры. 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и опытные образцы на 22 нм.
В 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации.
Микроэлектроника. 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации.
Плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.
Робототехника. Молекулярные роторы — синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.
Нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Вопросы разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных международных конференциях.
М
олекулярные пропеллеры — наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.
Сотовые телефоны. Nokia Morph — проект сотового телефона будущего, созданный совместно научно-исследовательским подразделением Nokia и Кембриджским университетом на основе использования нанотехнологических материалов. Уникальность концепта заключается в том, что он предполагает использование нанотехнологий. А потенциальных покупателей он должен гибким корпусом. Гибкость Nokia Morph позволит трансформировать его во всевозможные формы, в том числе сгибать, растягивать и складывать.
Опасности, связанные с нанотехнологиями
При всех преимуществах нанотехнологий, они могут представлять и угрозу здоровью человека. Некоторые учёные, например Билл Джой, призывают к тому, чтобы исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству. Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года, после выхода в свет произведения Дрекслера «Машины созидания», где он не только нарисовал утопическую картину нанотехнологического будущего, но и затронул «обратную», нелицеприятную сторону этой медали.
Известно, что крошечные частички углерода могут попасть в мозг человека через дыхательные пути и оказать на организм разрушительное воздействие. Речь идёт о C60 — одной из трёх основных форм чистого углерода. Чтобы определить токсичность молекул, американский ученый-биолог Ева Обердёрстер для начала испытала C60 на водяных блоках — добавила эти молекулы в 10-литровые резервуары с этими маленькими ракообразными. По прошествии 48 часов биолог заглянула к дафниям и увидела в аквариуме повышающуюся смертность. Выявленный эффект делает наноматериал "умеренным ядом": он немного более ядовит, чем никель, но всё же не так опасен, как химикалии, который содержатся в сигаретном дыме и автомобильных выхлопах.
На сегодняшний день военные нанотехнологи заняты поиском новых материалов, улучшением систем управления военной техникой и разработкой систем защиты от бактериологического и химического оружия. Причина этому - участившиеся террористические акции. Теперь от врага сначала необходимо защититься, а потом поразить его высокоточным оружием.
Молекулярное производство – без сомнения, одна из самых опасных ветвей нанотехнологий. Возможность конструировать устройства "снизу-вверх" с атомарной точностью, используя автоматизированное управление с помощью персонального компьютера на установке настольных размеров повлечет за собой революцию в производстве. Молекулярное производство позволит сократить срок между дизайном, прототипом и массовым производством в несколько десятков раз, поэтому военная мощь страны, использующей нанофабрики, будет расти не по годам, а по часам. Как только образец будет испытан, массовое автоматизированное молекулярное производство выпустит миллионы рабочих военных устройств за считанные часы.
Потенциальную опасность нанотехнологий отмечают многие известные эксперты. Эрик Дрекслер, директор Института предвидения (Foresight Institute –- ведущая нанотехнологическая организация США, финансирующая исследования и активно занимающаяся пропагандой данного направления), выдвинул концепцию серой слизи, завершающую существование человечества. Согласно этой концепции универсальные молекулярные самосборщики, обученные делать из подручных материалов себе подобные копии, едва будучи созданными, тут же примутся за окружающую среду, начнут штамповать свои клоны из доступных молекул и в конце концов всю Вселенную превратят в однообразную серую массу, состоящую только из нанороботов.
А если работу саморепликаторов удастся контролировать, то тогда они окажутся идеальным оружием. Но в любом случае из-за того, что функционирование всех устройств микромира носит вероятностный характер, всегда возможны мутации микроавтоматов под влиянием непредсказуемых внешних воздействий, приводящие к отказу от выполнения заданной программы и разрушительному поведению.
Причины рисков и угроз:
- сверхмалые габариты наночастиц, их высокая проникающая (вплоть до клеточного уровня) способность при отсутствии у человека, животных и растений эволюционно выработанных механизмов защиты (наночастицы - незнакомые «невидимки» для живого);
- многообразие состава нанобъектов и сложность их идентификации;
- отсутствие должной нанотехнологической культуры у разработчиков, производителей, пользователей, органов сертификации и санэпидемстанций (новая область, дефицит специалистов);
- возможность быстрого достижения практических, коммерчески выгодных результатов без объективной оценки последствий (риски);
- малые энергетические затраты и миниатюрность продукции, что позволяет производить ее в «домашних» условиях при известном «ноу хау» технологии.
Выводы
В условиях перенаселенности нашей планеты и истощения ее природных запасов выходом является использование высоких технологий, в том числе нанотехнологий в разных областях жизни человека.
Сначала человек превратил в цифру информацию, что привело к появлению компьютеров. Ученые, которые работают в области нанотехнологий, неизбежно уйдут от узкой специализации и станут натурфилософами, как во времена Ньютона.
Однако нельзя забывать и об опасностях, связанных с не до конца изученными последствиями использования наночастиц. Решение проблем, связанных с развитием нанотехнологий вместе с био- и информационными технологиями нельзя доверять только политикам, только бизнесу, только ученым, только «зеленым». Эта задача представителей всех стран и социумов, поскольку от решения этой проблемы зависит судьба земной цивилизации.
ЛИТЕРАТУРА И ССЫЛКИ
Роко М. К., Уильямс Р. С. и Аливисатос П. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития. Пер. с англ. — М.: «Мир», 2002 г.
С.П.Губин, Ю.А.Кокшаров, Г.Б.Хомутов, Г.Ю.Юрков Магнитные наночастицы: методы получения,строение, свойства. http://magneticliquid.narod.ru/autority/437.htm, 2012
С.Л.Лесков «Живая инновация. Мышление XXI века, Москава, Просвещение, 2010 г.
http://www.rusnano.com
Ю.Д.Дружкина Проблемы внедрения нанотехнологий в РФ. http://легпромбизнес.рф/index.php/2011-06-09-15-59-27/ro-2012/158-rabochaya-odezhda-3-2012/552-problemy-vnedreniya-nanotekhnologij-v-rf, 2012 г.
Г.Е.Кричевский Опасности и риски нанотехнологий и принципы контроля за нанотехнологиями и наноматериалами.http://do.gendocs.ru/docs/index-282415.html?page=2, 2011г.
http://www.rusnanonet.ru/
Майк Тредер Как сделать нанотехнологии надежными?
http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=6&pid=69, 2005 г.
http://www.portalnano.ru/news/read/2464, 2013 г.
Ефимова Л. А. Курсовая работа по дисциплине
«Нанотехнологии», http://otherreferats.allbest.ru/international/d00144767.html
2009 г.
9
