презентация нано проект

Научная конференция
Эпоха нанотехнологий
– третья
научно-техническая
революция
«технология»
с греч.
«techne» – искусство,
мастерство, умение
«logos» – наука
Задача технологии – превратить
знания человека о мире и природе в
продукт, необходимый и полезный
для человека
Макроскопические («macro» –
большой) - объекты, видимые
невооруженным глазом (чашка, топор,
автомобиль)
Микроскопические («micro» –
маленький) - объекты, размер которых лежит
в диапазоне 1-100 мкм (Биологическая клетка,
эритроцит крови )
Нанометровые - объекты размером от
1 до 100 нм (миллиардная доля метра)
«Там внизу много места.
Приглашение в новый
мир физики»
Ричард Фейнман:
«Насколько я вижу, принципы
физики не запрещают
манипулировать отдельными
атомами».
«nanotechnolog»нанотехнология
Наноматериалы –
это материалы, обладающие
структурой нанометрового
размера (1-100 нм)
виды наноматериалов:
наночастицы
нанокластеры
фуллерены
нанотрубки и нановолокна
нанопористые структуры
нанодисперсии
наноструктурированные
поверхности и пленки
 нанокристаллические материалы







Образцы формы нанокластеров,
похожих на объекты живой природы:
а) наноструктура (элементы
«цветка», в тысячи раз меньшего,
чем диаметр человеческого
волоса, выращены на кремниевой
поверхности с участием
мельчайших капелек жидкого
галлия и потоков газа)
в) наноцветы
б) живое растение
Н.Н. Леденцов :
«Стало ясно, что не нужно пытаться
бороться с природой, а надо эту
природу изучать, радоваться ей и
просто следовать тому, что она
сама хочет сделать. А сама она как
раз очень хочет сделать
наноструктуры, правда, размеры,
плотности, относительное
расположение нанообъектов она
хочет определять сама».
Физические и химические свойства
кластера можно целенаправленно
изменять, вводя в него атомы других
элементов.
Подобные кластеры
считаются
перспективными для
получения эффективных
катализаторов, для
использования в
квантовых компьютерах
Кластер из 12 атомов кремния
и так называемого «гостя» –
атома вольфрама
Квантовые точки-основа технологии
нового поколения полупроводниковых
приборов, лазеров, диодов, ячеек солнечных
батарей
Изображение квантовых точек InAs
в матрице GaAs (вид сверху),
полученное с помощью
просвечивающей электронной
микроскопии
Углерод - основа живой природы
модификации углерода:
алмаз, графит, карбин, фуллерены,
углеродные нанотрубки, графен
модификации углерода:
графены
фуллерены
Углеродные нанотрубки
Выращенные монокристаллы
различных веществ
Технология получения
наноматериалов
технология
«Сверху вниз»
технология
«Снизу вверх»
Технология «Сверху вниз»
- уменьшение размеров
тел механической или
иной обработкой до
получения нанометровых
объектов
В основе технологии -
литография
Литография – создание наноструктур
на поверхности твёрдого тела
С греческого:
«литос»- камень,
«графо» - пишу
Структура, полученная
с помощью
литографии
Этапы литографии:
1.Фоторезист
2. Экспонирование
3. Травление
процесс
Фоторезист
Суть процесса
Что происходит
Нанесение на
поверхность образца
светочувствительного
вещества
Экспонирование Облучение оптическим
источником излучения
(лампа или лазер)
образца с нанесенным
фоторезистом и
наложенным сверху
фотошаблоном
Изменение
структуры
поверхности
образца, вызванное
действием
фоторезиста
Травление
Часть поверхности,
изменённая
фоторезистом,
удаляется вместе с
ним
Растворение
химическими
веществами
поверхности,
изменившую структуру
под действием
облучённого
Технология «Снизу вверх»
- получение наноразмерного
объекта путём сборки из
отдельных атомов и
молекул
В основе технологии Эпитаксия
ЭпитаксияС греческого:
«epi» - на, над;
«taxis» расположение,
порядок
Эпитаксия
кристаллов рутила
на гематите:
а) сам кристалл
б) отдельная
структура кристалла
Последовательность эпитаксии:
1. Испарение отдельных атомов из
макроскопического тела за счёт
термического или лазерного
подогрева
2. перевод испарённых атомов в
область низких температур
3. Конденсация атомов в
наночастицы
4. Наложение этих атомов на
кристалл
Применение эпитаксии
получение:




фуллеренов
углеродных трубок
нанокластеров
наночастиц различного
размера
В основе технологий получения
наноматериалов лежит самоорганизация
и самосборка из отдельных атомов и
молекул
Пример самосборки
в природе – это
пчелиные соты
пример самосборки в
нанотехнологии
ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛГИИ
Полевая
ионная
микроскопия
Электронная
просвечивающая
микроскопия
Сканирующая
зондовая
микроскопия
Сканирующая
туннельная
микроскопия
Электронная
сканирующая
микроскопия
Близкопольная
сканирующая
оптическая
микроскопия
Зондовая
нанотехнология
(нанолитография)
Атомно-силовая
микроскопия
Схема работы просвечивающего
электронного микроскопа
В 1932 г. немецкие учёные
М. Кнолль и Э. Руска
построили первый
просвечивающий
электронный микроскоп,
использующий для
построения изображения
вместо световой волны
поток электронов.
Микрофотография
наночастиц CeO2,
полученная при
помощи
электронного
микроскопа Titan с
максимальным
разрешением
0,05 нм
РАСТРОВЫЙ (СКАНИРУЮЩИЙ)
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Схема растрового электронного
микроскопа была предложена
М. Кноллем в 1935 г., а первая
реальная установка была
создана М. фон Арденне в
1936г.
ПОЛЕВОЙ ИОННЫЙ МИКРОСКОП
Изображение
поверхности
вольфрамового
острия радиусом
950 Å при увеличении
в 106 раз в гелиевом
ионном проекторе при
температуре 22 К.
Острие вольфрама
СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ
МИКРОСКОП
Данные,
собранные при
сканировании,
обрабатываются
компьютером.
.
СКАНИРУЮЩИЙ ТУНЕЛЬНЫЙ
МИКРОСКОП
Рисунок поверхности,
на котором видно
расположение
отдельных атомов
Поатомное изображение
поверхности
монокристаллического кремния
ЗОНДОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ
(НАНОЛИТОГРАФИЯ)
Метод использования
сканирующей зондовой
микроскопии –
инструмент создания
нанообъектов -
нанолитография.
При этом возникает
возможность
поатомной сборки
любых молекул и
наноструктур
В 1985 году в США был получен патент, в
котором описывалась возможность
переноса атомов с острия зонда СТМ на
образец. Так был получен портрет
Жореса Алфёрова, Российского
Нобелевского лауреата по физике 2000г.
Литография
портрета учёного
Наноэлектроника – область современной
электроники, занимающаяся разработкой
физических и технологических основ
создания интегральных электронных схем
и устройств на их основе с размерами
элементов менее 100 нм.
Оптоэлектроника
Оптоэлектроника –
раздел физики и техники,
занимающийся преобразованием
оптического излучения в электрический
ток и обратно.
Преимущества света перед током:
 не возбуждаются дополнительные электрические и
магнитные поля (помехи)
 возможность сгибать световод под любым углом, что
позволяет уменьшать его объём
 более широкий диапазон частот, что позволяет
увеличить поток информации
 в фотонных проводниках не выделяется тепло
Фотонно-кристаллические световоды
– перспективный элемент различных сенсоров.
Оптические характеристики изменяются при
механическом, тепловом и других воздействиях.
При этом возможен прием сигнала на
значительном расстоянии от места измерения, а
высокая радиационная и коррозионная стойкость
делают систему надежной.
LASER (англ.) – Light
Amplification by
Stimulated Emission of
Radiation - усиление света
с помощью вынужденного
излучения
В будущем нанотехнологии войдут
во все сферы повседневной жизни
Рисунок из брошюры Европейской комиссии «Нанотехнологии.
Новинки завтрашнего дня»
Успехи применения нанотехнологий
связаны в основном с новыми
материалами
Теплоизолирующий материал
(температура факела газовой горелки внизу –
1000ºС )
Нанотехнологии в
медицине
Наномедицина – это
слежение, исправление,
конструирование и контроль
над биологическими системами
человека на молекулярном
уровне,используя разработанные
нанороботы и наноструктуры
(Р. Фрейтас)
Области применения
нанотехнологий в медицине:
•технологии диагностики
•лекарственные аппараты
•Протезирование и имплантаты
Подходы в наномедицине
Диагностика и лечение
на уровнях
клеточном
субклеточном
молекулярном
Лекарственные аппараты
• наночастицы, которые содержат
лекарства и могут доставлять их в клетки;
• микроконтейнеры – «умные
таблетки»;
• липосомы и клоттоциты-
сферические двухслойные мембраны,
содержащие внутри лекарственные
вещества
Клоттоциты - искусственный
аналог тромбоцитов.
Красные кровяные тельца
попадают в кровь и
кровотечение
останавливается.
Расчеты показывают, что при
ране длиной 1 см и глубиной
3 мм кровопотеря составит
~ 6 мм3,
что составляет всего 1/10
одной кровяной капли.
Протезирование и имплантаты.
Применение чипов
Профессор Типу Азиз,
известный английский
ученый и практик.
Основоположник научных основ современных
методов воздействия на структуры мозга
Владеет всеми современными методами
функциональной нейрохирургии.
Протезирование (чипы)
Биочип – небольшая
пластинка с
нанесенными на
нее в определенном
порядке молекулами
ДНК или белка.
Импланты
Нейро - импланты
позволят вернуть
зрение многим
слепым людям.
Выключатель боли:
электроды-имплантаты стимулируют
мозг
Электроды,
внедрённые в мозг,
помогают
пациентам
справиться с
непрекращающейся
болью.
Наночастицы серебра
В увеличении
Сегодня серебро и золото широко
используются в наномедицине:
- выпущены повязки для обеззараживания ран,
содержащие наночастицы серебра
- ионы серебра вводятся в одежду и постельное белье,
которые рекомендуют использовать при экземе и
других нарушениях кожного покрова.
Современное состояние и тенденции
развития наномедицины
 Работают наножидкостные и наноэлектронные
системы, в "лаборатории-на-чипе",
проводящие экспресс-анализ ДНК, РНК, белка.
• Производятся наноматериалы для
искусственных протезов конечностей с
хорошей совместимостью с живыми тканями.
• Внедряются наноустройства, выполняющие
определенные медицинские операции.
• Разработано программное обеспечение для
моделирования поведения нанороботов в теле
человека.
Перспективы развития
наномедицины
 Создание молекулярных роботов-
врачей, которые могут “жить” внутри
человеческого организма, устраняя все
возникающие повреждения, или
предотвращая их возникновение
 Ремонт клеток нанороботами,
которые манипулируют отдельными
атомами и молекулами.
нанопокрытия
Нанопокрытие, состоящее из полимерных слоев
и наночастиц кварца, позволяет сделать
лобовые стекла машин устойчивыми к
появлению царапин, при этом стекла
остаются прозрачными.
Нанопокрытие для автомобильного стекла (на левом рисунке
обработана левая половина лобового стекла, на правом –
55
правая)
Краска для внешней окраски домов,
которая «отталкивает» грязь и
влагу и надолго сохраняет свои
качества
Самоочищающиеся покрытия
для тканей
Водонепроницаемая бумага с
защитным слоем из
наночастиц
Фирма Kodak представила
многослойную (9 слоев) бумагу для
струйных принтеров. В каждом слое –
свой сорт наночастиц, обеспечивающий
определенную функцию.
59
Нанотехнологии позволяют применять
золото в нетрадиционных для него областях:
катализатор в автомобилях, для предотвращения
запахов, в керамических мембранах с
нанопорами и других
областях
Наночастицы золота
С применением нанотехнологий
возможно создание «умной одежды» для
опасных, экстремальных условий
Использование нанотехнологий в
создании «умной » одежды :
 терморегулирующая одежда: охлаждает тело в жару, а




при понижении внешней температуры излучает тепло
самый лёгкий материал из аэрогеля («абсолютный
холод»), который на 99,8% состоит из воздуха. Одежда из
него предназначена для работ при температуре до –80
костюмы, отгоняющие комаров и москитов, в жаркое
время создающие охлаждающий эффект за счет
выделения наночастиц ментола,
носки, содержащие абсорбенты и благоухающие
цветочным ароматом
самоочищающиеся ткани: покрытие из наночастиц
диоксида титана на свету расщепляет органические
загрязнители.
Косметика, улучшенная с помощью
наночастиц, стала не только
эффективнее, но и вошла в моду.
Нанокапсулы легко проникают
внутрь эпидермиса.
В пищевой промышленности
нанотехнология поможет с помощью
различных сенсоров контролировать
качество и безопасность пищи.
Нанотехнологии в
военном деле
Одним из направлений применения
нанотехнологий в военном деле
является разработка «мягкой брони»,
которая может
быть применена
для изготовления
экипировки
солдата будущего.
Костюм солдата
будущего
«Облако» микророботов, несущих
заряд, окутывает бронированную
машину и взрывается. Такое «облако»
может использоваться и в интересах
разведки.
Оружие
будущих войн
Основные усилия военных
нанотехнологов направлены
на:
 поиск новых материалов
 улучшение систем боевой техникой
 создание самовосстанавливающихся
систем
 обеспечение связи
 разработка защиты от
бактериологического и химического
оружия