Что такое нанотехнологии
advertisement
Выполнила ученица 9 класса А Гимназии № 125 Бадрутдинова Камила 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. Нанотехноло́гия (греч. nano s — «карлик» + «техно» — искусство, + «логос» — учение, понятие) — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники занимающаяся новаторскими методами (в сферах теоретического обоснования, экспериментальных методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых производств) получения новых материалов с заданными нужными свойствами. Учёным и технологам давно известно, что весьма мелкие частицы различных веществ обладают свойствами не адекватными свойствам этих веществ в относительно больших объёмных фазах. Например, древне римляне применяли сверхмалые частицы золота или серебра для придания различным стеклянным изделиям (бокалам) специфическую окраску. На рисунке изготовлен кубок, имеющий рубиновую окраску. Эффект достигнут за счёт введения в материал наночастиц золота, что придавало стеклу благородные цветовые рубиновые оптические свойства. При этом можно заметить, что здесь полученный эффект нельзя отнести к осознанному явлению. Это неосознанный процесс стеклодувов, полученный в результате многовековой практики. Аналогично можно сказать о коллоидных суспензиях, когда системы с частицами менее микрона в жидкой среде представляют лекарственные препараты и т.д. Истинным же первооткрывателем понятия НТ и первое использование понятий НТ состоялось в докладе, который сделал физик Ричард Фейнман в американском Физическом Обществе, на встрече в Caltech 29 декабря 1959 года. Фейнман описал процесс, который способен управлять индивидуальными атомами и молекулами, который мог быть развит, используя один из наборов точных инструментов для создания другого набора с меньшими размерами и так далее — для управления другими пропорционально меньшими частицами. В ходе доклада Фейнман отметил, что в оценке задачи появления эффекта изменения величин различных физических состояний существует опасность НТ в вопросах влияния поверхностной напряженности создаваемых веществ и др. • • В 1980-ых годах основная идея этого определения исследовалась с намного большей глубиною доктором Эриком Дрекслером, который развил технологическое значение явлений нано-масштаба и устройств в своих устных выступлениях и в книгах. К этому времени уже появились новые материалы, микроскопическая структура которых определяла их существенно новые технологические свойства (керметы, ситаллы, композиционные материалы и композиционные покрытия, и др.). Однако началом эры нанотехнологий и нанонауки можно считать следующие события начала 1980-ых годов: рождение науки о нанопорошках; изобретение сканирующего туннельного микроскопа (STM). Эти достижения, в частности, привели к открытию фуллеренов в 1986 году и углеродных нанотрубок несколько лет спустя. Затем были изучены синтез и свойства полупроводниковых нанокрис таллов. Это приводило к быстрому прогрессу теоретических и прикладных исследований субмикроскопических частиц. В основе нанотехнологий лежит наночастица. Наночастица — изолированный твёрдофазный объект, имеющий отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях составляют от 1 до 100 нм. 1 нм – равен 1 миллиардной части метра. Твердые частицы размером менее 1 нм обычно относят к кластерам, более 100 нм — к субмикронным частицам. Наночастицы различных материалов применяются повсеместно – от лакокрасочной до пищевой промышленности. Наиболее «популярными» наночастицами являются частицы, из углерода (нанотрубки, фуллерены) Фуллерены —- аллотропные молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60 и т. д. атомов С. Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Фуллерены могут быть использованы как “нанокирпичики” для конструирования материалов с заданными параметрами во многих отраслях: новые фуллереновые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости, новые классы полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими, магнитными свойствами для записи и хранения информации новые типы катализаторов и сенсоров для определения состава жидких и газовых сред новые классы антифрикционных покрытий и смазок, в том числе, на основе фторсодержащих соединений фуллеренов Новые виды топлив и добавок к топливам Капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов. Новые классы соединений для фармакологии и медицины, в том числе, противовирусные и нейротропные препараты, сорбенты для гемосорбции. . Открытие фуллеренов относится к важнейшим научным открытиям конца ХХ в. (удостоено Нобелевской премии по химии за 1996 г.) . • • • • • • • • • Углеродные нанотрубки — одна из аллотропных модификаций углерода, протяжённые цилиндрические структуры, сформированные из атомов углерода. Диаметр нанотрубок от одного до нескольких десятков нанометров, длина до нескольких сантиметров. Трубки состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно «полусферической» головкой. Существуют «вложенные» структуры из нескольких нанотрубок. Их применяют в разных сферах: Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы, трос для космического лифта. В настоящее время разработана технология изготовления сверхпрочного текстильного волокна. Нить-диаметр, которой составляет 50 микрометров образована из десятков миллионов нанотрубок. Они скреплены между собой при помощи полимера. Из этого материала изготавливают пуленепробиваемые жилеты, которые способны не только останавливать пулю, но и снижать смертоносное давление. Нанотрубки применяются: в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки Оптические применения: дисплеи, светодиоды Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью и используются для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях. . В обычной жизни мы часто сталкиваемся с порошками: стиральный порошок, зубной порошок, мука, сахар, и т.д. В химии порошками или порошкообразными материалами называют материалы, состоящие из множества индивидуальных частиц, размер которых не превышает нескольких сотен микрометров, и зачастую мы можем различить такие частицы даже невооруженным глазом. А нанопорошок состоит из частиц, размер которых не превышает ~100 нм! Но отличие нанопорошка от обычного порошка состоит не только в размере составляющих его частиц , но и в его свойствах. Нанопорошок рассматривается ,как некое промежуточное состояние между порошком и жидкостью. Особенностью нанопорошков является огромная удельная поверхность, а значит и избыточная поверхностная энергия. Например, если говорят, что нанопорошок обладает удельной поверхностью порядка 100 м2/г — это значит, что поверхность частиц такого порошка с массой 1 г можно сравнивать по площади с трехкомнатной квартирой. Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие, именно поэтому нанопорошки часто применяют в качестве катализаторов. Нанопорошки применяются в качестве исходных материалов для получения твердых сплавов, керамики различного назначения. Например, броня из нанокерамики успешно прошла испытания на боевых машинах и показала более высокую стойкость, по сравнению с обычной броней. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), — вариант сканирующего зондового микроскопа , предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Основным инструментом для работы в области микрочастиц на атомно-молекулярном уровне являются микроскопы. Исторически без микроскопа невозможно рассмотреть и познать микромир. Повышение разрешающей способности микроскопа и расширение знаний об элементарных частицах происходят одновременно с помощью микроскопов :атомносилового микроскопа (АСМ) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Атомно-силовой микроскоп — микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. При использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа сканирующий атомносиловой микроскоп, может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает на атомарном уровне по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Сканирующий атомносиловой микроскоп применяется для фотографирования профиля поверхности и для изменения её рельефа, а также для манипулирования: перемещения, добавления, удаления микроэлементов (атомов и молекул) на поверхности объекта. Сканирующий электронный микроскоп — (СЭМ) — микроскоп, в котором исследуемый образец сканируется сфокусированным электронным пучком в условиях промышленного вакуума. Сканирующий электронный микроскоп позволяет получать изображение поверхности образца с очень большим разрешением. Сканирующие электронные микроскопы предназначены для проведения исследований микро- и нано-структуры поверхности различных образцов. Базовое оснащение сканирующих электронных микроскопов позволяет изучать морфологию поверхности образца, проводить измерения размеров, формы, ориентации и других параметров микро- и нано-объектов в диапазоне размеров от нескольких сантиметров до долей нанометров с увеличениями более 1 млн. крат. . Важнейшей задачей, стоящей перед НТ — как заставить молекулы или атомы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Возлагается надежда на то, что природа действительно имеет подобные системы и в ней осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Молекулярная НТ, иногда называемая молекулярным производством, рассматривает вопросы проектирования наносистем (машин), работающих и управляющих наночастицами на атомномолекулярном уровне. Это особенно важно для создания машин, способных производить другие машины, позволяющие воспроизводить нужную последующую систему, более приспособленную к новым требованиям. Производство должно размежеваться от обычных технологий, например, изготовления углеродных наноматериалов типа фуллеренов и др. Молекулярные роторы — синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии. Нанороботы (на данный момент (2009) фантастика) — 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 самопроизводству, называются репликаторами. Молекулярные пропеллеры — наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта Нанотехнология - без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом. Развитие нанотехнологий в информационных технологиях откроют для нас больше новых возможностей. Будущее за нанотехнологиями!!!!!!!!
