Кто такие «нанотехнологи»?

Нанотехнологии
Лицей «Дубна» 2009
План:





История нанотехнологий и их место среди
других наук
Некоторые необычные физические
явления, проявляющиеся в наномире
Возможные применения нанотехнологий
Государственные проекты по
нанотехнологиям
Опасности нанотехнологий
Нанотехнологии: место
среди других наук
С чего все начиналось
There’s plenty of room at the bottom
Ричард Фейнманн (1959)
«1000$ тому, кто соорудит электромоторчик
размером 1/64 дюйма (дюйм ~ 2,5 см)»
а) Фейнман рассматривает моторчик под
микроскопом
b) Сам моторчик по сравнению с булавочной
головкой
Кто такие «нанотехнологи»?
специалисты по информатике и
компьютерам
инженеры-электроники
инженеры-механики
физики
химики
нанообъекты
биологи
«материалисты»
«Нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия специалистов
самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества
к прогрессу».
Почему нанотехнологии – это
интересно?
При уменьшении объектов до наноразмеров
их свойства изменяются:






Цвет зависит от размеров
Прочность увеличивается в десятки раз, а
пластичность исчезает
Температура плавления падает на сотни
градусов
Реакционная способность веществ растет
Появляется способность к самосборке,
самоорганизации
...
Наночастицы меняют свой
цвет
Рассмотрим полупроводниковые кристаллы размером в несколько нанометров
(«квантовые точки»):
l ~ 1 10нм
  400  800нм
- размер наночастиц
- длины волн
видимого света
Схематическое изображение
уровней энергии и энергетических
зон электрона в полупроводнике
Полупроводники должны
чувствовать падающий на них
свет, испуская при этом свет
меньшей частоты. Частота
определяется шириной
запрещенной зоны.
Светиться в соответствии с
размером!
Энергия, необходимая для
отрыва валентного электрона
и перевода его в зону
проводимости, зависит также
от того, находится атом на
поверхности или внутри
вещества.
Частота испускаемого света
уменьшается с увеличением размеров
частиц
E  h
Применение «квантовых
точек»:

Флуоресцирующие маркеры

Квантовые приборы (транзисторы, лазеры)
Эксперименты по квантовой механике
Египтяне окрашивали волосы с помощью
квантовых точек www.nkj.ru/news/7015/


Что такое нанопроволоки и
почему они такие прочные?
Нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра (100
размеров атома), изготовленные из металла, проводника или
диэлектрика.
Один из методов изготовления нанопроволок –
эпитаксия, ориентированный рост одного
монокристалла на поверхности другого.
Деформация:
тип
механизм
Упругая деформация,
обратимая
За счет межмолекулярных
связей
Пластическая деформация,
необратимая
Дефекты кристаллической
решетки -> микротрещины,
которые при увеличении нагрузки
приводят к разрушению
В монокристаллах почти нет дефектов кр.решетки =>
увеличение прочности в десятки раз!
Механическая
нагрузка
Почему наночастицы плавятся
при низкой температуре?
Температура
плавления
образца
макроразмеров:
Никель – 1450 С
Медь – 1350 С
Зависимость температур плавления и кристаллизации
от радиуса кластеров никеля и меди.
Почему наночастицы плавятся
при низкой температуре?
Поверхностные атомы в веществе
находятся в особых условиях.
Зависимость поверхностной доли атомов от их
числа в кубике кристаллического вещества
Структурные
изменения
кластера никеля
при нагревании
до различных
температур
Наночастицы золота в
борьбе с раком:
1. Пациенту вводят препарат, содержащий
триллионы наночастиц.
2. Благодаря биополимерной оболочке
имунная система их не «видит», поэтому
они с кровотоком путешествуют по
организму
3. Антитела распознают клетки опухоли и
прикрепляют к ним наночастицу
4. Пациента помещают в высокочастотное
магнитне поле => намагниченные ядра
наночастиц разогреваются
5. Температура убивает раковые клетки
+
Достаточно одной процедуры
Нет вредного воздействия на окружающие ткани
Наночастицы серебра – яд
для бактерий
1. Известно, что серебро не участвует в
большинстве химических реакций
2. Серебро реагирует с клеточной
мембраной бактерии или вируса,
блокируя ее способность передавать
О2 внутрь
3. Бактерии гибнут от «удушья»
4. Клетки млекопитающих имеют
мембрану другого типа, поэтому для
них серебро безвредно
Изображения, полученные с электронного
микроскопа:
а) волокна ткани
b) ткань после нанесения частиц серебра
с) частицы серебра на поверхности
волокна
Самоочищающаяся нанотрава и
«эффект лотоса»
1. Множество одинаковых наностержней на
подложке – «нанотрава»
2. Из-за большого поверхностного натяжения,
капля воды, попав на «нанотраву»,
сворачивается в шарик
Вода и частички грязи не
прилипают к «нанотраве», т.к. 3. Частички грязи, оказавшись на такой
касаются ее только в
поверхности, сваливаются сами или
нескольких точках
увлекаются каплями воды
«Нанотрава» в батарейках
1. Большая площадь электродов батарейки => больший ток даёт => быстрее
заряжается
- «нанотрава» сильно увеличивает площадь поверхности, на которой
находится
2. Основной недостаток современных батареек – после долгого хранения
полностью теряют работоспособность. Причина – электролит и электроды
находятся в постоянном контакте
Схематическое изображение «нанотравы» из
наностержней 300 нм диаметра, растущей на
одном из электродов батарейки. Из-за
гидрофобных свойств материала
нановолосков раствор голубоватого
электролита не может приблизиться к
поверхности «красного» электрода, и
батарейка не теряет своей мощности в
течение многих лет. Взято из Scientific
American
Торжество нанотехнологий





Концепт-телефон от Nokia
Гибкие материалы, прозрачная электроника
Самоочищающиеся поверхности
Солнечные батареи на основе «нанотравы»
Сенсоры позволяют определить чистоту воздуха и
количество хим. добавок в продукте
Сколько стоят
нанотехнологии?





1999г. Япония, «Национальная программа работ по
нанотехнологиям». Лидер по объему инвестиций в
нанотехнологии – 6 млрд.$ до 2010 года.
2000г. США, «National Nanotechnology Initiative» - гос.
программа. 5.6 млрд.$ до 2010 года.
2007г. ЕС, «Nanosciences, nanomaterials and new
technologies». 4.6 млрд.$ до 2010 года.
Россия планирует инвестировать в нанотехнологии 8 млрд.$
до 2011 года. «Российская корпорация нанотехнологий»
(РосНаноТех)
Эксперты полагают, что уже в самые ближайшие годы
специалист по нанотехнологиям станет одной из 10 самых
востребованных профессий в России!
Опасности нанотехнологий

Маленькие размеры:






70нм – могут прониакть в легкие
50нм – в клекти
30 нм – в кровь и клетки мозга
Хорошие адсорбенты -> могут быть носителями
токсинов (TiO вызывает патологию внутренних
органов, exp. на рыбах)
Защитные силы организма не распознают их изза маленького размера
Долговременное действие на организм еще не
исследовано
Нанотехнологии в интернете:

http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях #1 в России

http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»

http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о
нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках

http://www.nanorf.ru/ - журнал «Российские нанотехнологии»

http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал

http://www.nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров

http://kbogdanov5.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научнопопулярный сайт о нанотехнологиях (!!!)
http://www.nanonewsnet.ru/
