Влияние нанотехнологий на развитие техники кратко

Обновлено: 08.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное бюджетное образовательное

Выполнил ученик

Руководитель Ульянченко В.Т

1. Нанотехнологии в современном мире ……………………4

1.1. История возникновения нанотехнологий……………….4-5

1.2. Что такое нанотехнологии………………………………..6

2. Применение нанотехнологий ……………………………..7-8

2.1. Нанотехнологии в космосе……………………………….9-10

2.2. Нанотехнологии в медицине…………………………….11-14

2.3. Нанотехнологии в сельском хозяйстве

2.4. Нанотехнологии в электронике, искусстве ……………16

3. Опасности, связанные с нанотехнологиями ……………17

3.1. Биологическая угроза……………………………………18

3.2. Вывод о плюсах и минусах……………………………. 19

Список литературы …………………………………………. 25

Объект исследования: нанотехнология как область науки и техники.

Предмет исследования: применение нанотехнологий в различных сферах.

Цель: Исследование нанотехнологий в современном мире.

1.Изучить историю возникновения нанотехнологий.

2. Рассмотреть применение нанотехнологий в космосе, медицине, в сельском хозяйстве и промышленности, в электронике и искусстве.

3. Сделать вывод о плюсах и минусах.

1. НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

1.1.История возникновений нанотехнологий

1.2. Что такое нанотехнологии

Нанотехнология — это междисциплинарная 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. Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками.

Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.

Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности. Это явление используется в современной технике. Растет энтузиазм ученых по поводу приближения эры воплощения самых фантастических идей, например, полного контроля над всеми природными процессами или нанофабрик, собирающих любые предметы непосредственно из атомов. Создано множество сценариев развития будущего нанотехнологий, включая и те, которые не сулят человечеству ничего хорошего. Однако можно сказать, что интерес к нанотехнолгиям сейчас очень велик.

2. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

На сегодняшний день имеется следующая картина:

- 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.

2.1 Нанотехнологии в космосе

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).

2.2 Нанотехнологии в медицине

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

Наноробот на борьбе с клетками рака

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров. Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться. Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

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.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить . Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.

2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.

3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.

Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.

Приставка "нано", пришедшая из греческого языка ("нанос" по‑гречески ‑ гном), означает одну миллиардную долю. Один нанометр (нм) – одна миллиардная доля метра.

Термин "нанотехнология" (nanotechnology) был введен в 1974 году профессором‑материаловедом из Токийского университета Норио Танигучи (Norio Taniguchi), который определил его как "технология производства, позволяющая достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры . порядка 1 нм . ".

В мировой литературе четко отличают нанонауку (nanoscience) от нанотехнологий (nanotechnology). Для нанонауки используется также термин ‑ nanoscale science (наноразмерная наука).

На русском языке и в практике российского законодательства и нормативных документов термин "нанотехнологии" объединяет "нанонауку", "нанотехнологии", и иногда даже "наноиндустрию" (направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии).

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7‑ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:

нанопористые структуры;
наночастицы;
нанотрубки и нановолокна;
нанодисперсии (коллоиды);
наноструктурированные поверхности и пленки;
нанокристаллы и нанокластеры.

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры;
фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
устройства сверхплотной записи информации;
телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;
видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
нанолитография и наноимпринтинг;
топливные элементы и устройства хранения энергии;
устройства микро‑ и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;
авиационные, космические и оборонные приложения;
устройства контроля состояния окружающей среды;
целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;
регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов;
безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Компьютеры и микроэлектроника

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры.

ДНК‑компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Атомно‑силовой микроскоп ‑ сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), 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 атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна‑осциллятор ‑ 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 ее помощью огромные объемы информации.

Наномедицина и фармацевтическая промышленность

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.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

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

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, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами.

В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.

Молекулярные роторы ‑ синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 ‑ 2010 годы" составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется "Отчет о перспективах нанотехнологий", о российских вложениях написано дословно следующее: "Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США".

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

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.

История

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.

На что способны нанотехнологии?

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

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.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.

ДНК‑компьютер– вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
Атомно‑силовой микроскоп– сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), 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 атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
Антенна‑осциллятор– 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 ее помощью огромные объемы информации.

10 нанотехнологий с удивительным потенциалом

Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.

Электропроводимый жидкий металл

Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.

Нанопластыри

Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.

Нанофильтр для воды

При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.

Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.

Очиститель воздуха для подводных лодок

Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.

Нанопроводники

Нанотехнологическое зарядное устройство

Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.

Искусственная сетчатка

Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.

Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.

Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.

Светящаяся одежда

Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.

Наноиглы для восстановления внутренних органов

Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.

Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.

Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.

Трехмерная химическая печать

Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.

Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.

Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

Добрый день! Спасибо за статью. Данная проблема имеет под собой особую актуальность. Как Вы считаете, в чем состоит проблема конфликтов, агрессии по отношению к друг-другу между детьми в семье?

Добрый день! Спасибо за статью. Подскажите, чем обусловлена тема статьи?

Здравствуйте! Спасибо за познавательную статью. Обозревание таких проблем очень важно. Считаете ли Вы, что уменьшение аддиктивной зависимости является участие в группах взаимопомощи?

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Более точное определение нанотехнологий звучит так, что это технологии, которые манипулируют элементом на уровне молекул и атомов, по - другому нанотехнологии можно назвать молекулярной технологией. Большой толчок к формированию нано технологий оказала лекция Ричарда Фейнмана, где он научно подтверждает, что сточки зрения физики отсутствуют все преграды к тому, чтобы формировать вещи прямо из атомов.

Для указания ресурса результативного манипулирования атомами был установлен термин – ассемблера молекулярной наномашины, который способен создать любую молекулярную структуру. Образец естественного ассемблера – рибосома, синтезирующая протеин в живых организмах.

Несомненно, нанотехнологии – это не просто отдельная часть познаний, а глубокая, многосторонняя сфера исследований, сопряженных с базовыми науками. Можно отметить, что почти любой предмет, который изучается в школе, университете, так или иначе будет связан с предстоящими технологиями [1].

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЙ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Данный манипулятор философ предложил сделать следующим методом. Следует создать систему, которая создавала бы свою копию, но на порядок меньше. Сформированный меньший механизм обязан вновь сформировать копию, в очередной раз на порядок меньше и так до тех пор, пока масштабы системы не будут пропорциональны с размерами порядка одного атома. В то же время здесь следует совершать перемены в устройстве данного механизма, потому что силы гравитации, функционирующие в макромире, станут оказывать наименьшее воздействие, а силы межмолекулярных взаимодействий станут оказывать значительное влияние на работу устройства.

Завершающий этап – приобретенная система соберет собственную копию из отдельных атомов. Очевидно, количество схожих копий безгранично, можно будет за непродолжительный период создать случайное количество подобных машин. Иные машины сумеют таким же способом собирать макровещи. Это даст возможность сделать вещи более экономичными – подобным нанороботам необходимо будет дать нужное число молекул и энергию, и составить план, с целью установки необходимых вещей. Вплоть до наших времен ни один человек не сумел оспорить данную вероятность, также никому не удалось сформировать подобные механизмы. Главный минус такого робота составляет неосуществимость создания устройства из одного атома [2].

На последней стадии данные приборы станут, оборудованы серводвигателями и будут присоединены к обыкновенной концепции гальванического управления. Область использования таких микророботов и микромашин способна являться достаточно обширной – от хирургических операций – транспортирования радиоактивных используемых материалов. Думаю, что принцип предлагаемого проекта и связанные с ним внезапные трудности достаточно понятны. Можно задуматься о возможности последующего значимого уменьшения масштабов, что, безусловно, потребует конструкционных перемен и вариантов, однако даст возможность сделать новейшие, более совершенные приборы описанного вида. Так размышлял философ Ричард Фейнман.

ЧТО ТАКОЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Возникнув совсем недавно, нанотехнологии все без исключения энергично вступают в сферу академических исследований, а затем и в нашу настоящую жизнь. Исследования экспертов все чаще имеют дела с предметами микромира, молекулами, атомами и молекулярными цепочками. Неестественные сформированные нанообъекты регулярно восхищают экспертов собственными свойствами и заверяют наиболее внезапные перспективы собственного использования.

Главной единицей замеров в нанотехнологических изучениях считается нанометр – миллиардная часть метра. В подобных единицах фиксируются значения молекул и атомов, а сейчас и компоненты компьютерных чипов новейшего поколения. Только в нано-масштабе проходят все фундаментальные физические развития, которые характеризуют макровзаимодействия [3].

Мир самостоятельно подсказывает людей на мысль формирования нанообъектов. Каждый микроб, согласно сущности, представляет собой тело, которое состоит из наномашин: ДНК(рис.1) и РНК (рис.2) воспроизводят и передают сведения, рибосомы формируют коллаген из аминокислот, хондриосома добывают энергию. Несомненно, именно на этой стадии формирования науки ученым поступает в голову повторять и улучшать данные явления.

Рис.2. Структура ДНК

Рис.2. Структура РНК

Составление сканирующего микроскопа разрешило гелертерам отличать единичные атомы (рис.3), передвигать их, собирать из них схемы, в частности, элементы предстоящих нано-машин: манипуляторы, моторы, компоненты управления и источники питания.

Создаются нанокапсулы, с целью непосредственной доставки медикаментов в организме, эластичные солнечные компоненты и большинство подобных поразительных приборов.

Одним из ключевых разновидностей нанообъектов считаются наночастицы. При делении элемента на частички величиной в десятки нанометров общая суммарная плотность частиц в материале возрастает в сотни раз, а из-за этого усиливается связь атомов материала с наружной сферой, так как они практически уже на плоскости. Данное явление применяется в нынешние техники. К примеру, в медицине используется нано-порошок серебра, который владеет дезинфицирующими свойствами. Нано – порошок алюминия стимулирует сгорание твердого ракетного карболеина. Ещё одним ярким примером считаются – фуллерены, конструкции которых напоминают мячи, которые состоят из атомов углерода.

Иным, хорошо популярным наноэлементом считается углеродная нанотрубка (рис.4). Это одноатомный слой углерода, сжатый в цилиндр диаметров в несколько нанометров.

В первый раз эти предметы были разработаны в 1952г, а в 1941г заинтересовали внимание экспертов. Надёжность этих трубок превосходит прочность стали в несколько десятков раз, они выдерживают нагревание вплоть до 2500 градусов и p (давление) в тысячи атмосфер. Эта надежность характерна и произведенным на их базе материалам. В электронике нанотрубки имеют все шансы использоваться в роль хороших проводников и полупроводников [4].

Ещё одним наноматериалом считается углерод (рис.5) – двухмерный слой, область, которая состоит из атомов органогена. Исходная проба впервые была получена в Англии. Многие эксперты считают, что этот материал обладает редкими особенностями, что в перспективе станет базой микропроцессоров, вытеснив инновационные полупроводники. Помимо этого, данный материал невероятно прочен.

Выше перечисленные элементы все больше находят область применения, к примеру, от медицины и до космических изучений.

Рис.5. Строение атома углерода

Конечно, самой известной, считается область медицины. Эксперты всегда анализируют, работают над вопросом доставки фармацевтических препаратов напрямую к клеткам, которые поражены какой- либо инфекцией. Главная система транспорта такая, мембрана с биоматериала, в которой пребывают молекулы лекарства. Внешне капсула обтянута полимерными цепочками, с помощью которой обуславливается, когда мембрана дойдёт до целевых тканей, и уже после этого случится вбрасывание медицинских препаратов и расщепление оболочки. Последний этап можно отложить, а осуществлять контроль по мере их наступления, например, дистанционно (нагревом или ультразвуком).

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В одной из сфер, где нанотехнологии формируются усиленно, считается строительная индустрия. Главные исследования в этом секторе должны быть ориентированы на создание новых, наиболее крепких, простых и недорогих строительных материалов. В этой сфере раннее достигнут конкретный рост.

К примеру, Отечественные эксперты с Москвы, Санкт-Петербурга и Новочеркасска создают нанобетон. Специализированные добавки – нано-инициаторы – существенно совершенствуют его механические свойства. Если сравнивать обычный бетон с нанобетоном, то можно сказать, что порог стабильности нанобетона в 1,5 раза выше, морозоустойчивость на ½ от 100% выше и возможность растекания в 3 раза ниже. Причем вес бетонных конструкций, созданных с применением наноматериалов, уменьшается в 6 раз. Создатели заявляют, что применение подобного бетона уменьшает конечную цену систем в 3 раза.

Иным курсом фактического использования нанотехнологий в строительстве считаются разнообразные виды защитных покрытий на базе осуществления лотосного эффекта и фунгицидных материалов. В Испании проходила выставка, где был показан ещё один продукт – покрытие для плитки, которое создано вследствие стратегического партнерства с испанской командой. Одним из основных всемирных производителей удобрения (фритт) глиняных сплавов и глазурей для керамической индустрии. В настоящий период разрабатывается продукт для душевых кабин.

В сфере красок появились современные материалы, которые разработаны на базе нанотехнологий - фронтальная силикатная краска с неповторимыми свойствами. Впервые она была показана в Кельне на выставке 2005 года. Материал с наноструктурой гарантирует значительную адгезию покрытия, как к минеральным, так и органическим формированиям. Вследствие весьма малого размера частиц покрытие также доходит до высокой стабильности к наружным воздействиям [5].

Одним из ярких примеров применения нанотехнологий считается разработка новых эмульсионных материалов для поездов, которые предусмотрены для защиты поверхности вагонов от краски и граффити, а также предания ей такой гладкости, что практически никакая иная краска не сумеет пристать к ней.

НАНОТЕХНОЛОГИИ В КОСМОСЕ

Создана система микроспутников, она не в такой мере уязвима при попытках её ликвидирования. Юные учёные полагают, что к основным вопросам микроминиатюризации спутников из прочих необходимо отнести формирование новых технологий в сфере оптики, методов передачи, концепций связи, получение и обрабатывания информации. Мысль идёт о нанотехнологиях и наноматериалах, которые дают возможность на 2 порядка снизить массу и размеры устройств, выводимых в космическое пространство. К примеру, если сравнивать обычный никель с наноникелем, то прочность наноникеля в 6 раз выше, что позволяет при его применении в ракетных двигателях сократить массу на 25-30%. Снижение массы космической техники решает много задач: продлевает период нахождения агрегата в космосе, даёт возможность улететь намного дальше и утащить на себе большей полезной аппаратуры с целью выполнения исследования. В тоже время решается вопрос энергообеспечения. Маленькие устройства скоро станут использоваться для исследования множества явлений, такие как, влияние солнечных лучей на Земле и приземном пространстве.

На сегодняшний день, космос – это вопрос государственной защищенности и национальной конкурентоспособности нашей страны. Только формирование сверхсложных наносистем способно стать национальным превосходством государства. Наноматериалы ровно, как и нанотехнологии предоставляют нам возможность всерьез говорить о пилотируемых полетах к разным планетам СС (солнечной системы).

Предвидится, что скоро возникнут ведущие программы, которые созданы на базе нанотехнологий. Абстрактно вероятно, что они будут иметь возможность проектировать из готовых атомов абсолютно любой предмет. Стоит только спланировать на компьютере какой - либо продукт, и он будет собран и скопирован сборочным комплексом нанороботов. Это ещё не самые сложные возможности нанотехнологий. Из доктрины известно, что ракетные двигатели работали бы лучше, если бы имели возможность изменять свою форму в зависимости от режима. Данное станет реальностью только с помощью нанотехнологий. Структура более прочная, по сравнению со сталью, более невесомая, чем дерево, сможет увеличиваться, сжиматься и гнуться, меняя силу и курс тяги. Например, космический корабль сможет видоизмениться за какой-то час. Нанотехника, встроенная в комический скафандр и снабжающая вихрь веществ, разрешит синантропу присутствовать в нём безграничный период. Нанороботы способны материализовать мысли мечтателей о заселении иных планет. Данные устройства осилят сформировать на них среду обитания, которая необходима для жизни человека. Эксперты выяснили, что всё это случится в 2025 году [6].

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ

Нанотехнологии разрешат изготавливать сильные взрывчатые вещества. Величину взрывчатки можно урезать в десятки раз. Налёт координируемых снарядов с нанозрывчаткой на заводы по восстановлению ядерного гидразина способно отнять в стране физическую возможность производства оружейного актинида. Инъекция малоразмерных роботизированных устройств в электронную технику, возможно, сорвать работу электрических контуров и механики. Повреждение работы центров управления и групповых станций невозможно предотвратить, если не отграничить наноустройства.

Роботы для разработки материалов, станут сильным оружием, превращающим в пылинку броню танков, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Это пока лишь будущее нанотехнологий. На данный момент ведется анализ в сфере нейронных технологий, прогресс которых приведёт к возникновению боевых наноустройств, которые будут следить или перехватывать контроль над функциями человеческого организма, применяя подключение с помощью наноустройств к системе нервных тканей.

В лабораториях NASA уже основаны действующие модели оборудования для перехвата внутреннего голоса. Фотонные элементы на наноструктурах практичные получать и обрабатывать большое количество информации, станут главной концепцией космического мониторинга, наземного шпионажа. При помощи наноустройств внедренных в мозг человека можно получить техническое зрение с широким спектром восприятия, а сравнении с биологическим зрением. Теория подавления боли у солдат, имплантируемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы [7].

Нанотехнология – юная дисциплина, оценка прогресса которой могут до неузнаваемости поменять Вселенную. И какие именно они будут, пригодными или сокрушительными, упрощающие жизнь, или опасные для всего человечества, зависит только от разумности публики. А разумность начистую подчиняется уровню гуманности. Только рассудительные и цивилизованные личности смогут превратить НТ в ступеньку к изучению всего мира.

Список литературы

1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси. – М.:Бином, 2005 - 134с

4. Третьякова Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. 2-е изд. М..Физматлит. 2010 368с.

Читайте также: