Где применяются нанотехнологии кратко

Обновлено: 16.05.2024

Глоссарий по теме:

Техника – это совокупность средств труда и производства, а также, приёмов, служащих для создания материальных ценностей.

Нанотехнология – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами.

Наноматериалы представляют собой материалы, созданные на основе или с использованием наночастиц или/и путем применения нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами за счет присутствия этих частиц. К наноматериалам относятся объекты, размеры которых в интервале от 1 до 100 нм.

Наночастицы – общий термин для обозначения ультрадисперсных изолированных объектов, обозначающий частицы вещества, размерами до 1 нанометра.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

2. Аль-Ани, Н. М. Философия техники: очерки истории и теории: учебное пособие / Н. М. Аль-Ани. – СПб, 2004. – 184 с.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Нанотехнологии сегодня можно назвать одним из этапов и одновременно направлений развития техники. Техника – это совокупность средств труда и производства, а также, приёмов, служащих для создания материальных ценностей.

На современном этапе скорость развития техники настолько велика, что трудно предсказать направление ее развития, а так же и то, во благо или во зло будут использованы новые и новые технические изобретения. А одним из новых направлений совершенствования техники является развитие нанотехнологий.

Нанотехнология – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами.

Нанотехнологии сегодня используются в медицине, строительстве, промышленном производстве, а сама область исследования нанотехнологий – одна из наиболее интенсивно развивающихся на современном этапе.

Эрик К. Дрекслер в 1980-х годах называл нанотехнологиями новую область прикладной и теоретической науки. На современном этапе нанотехнологии получают практическое развитие и применение в различных областях.

Одним из ключевых направлений в развитии нанотехеологий выступает создание и получение продукции с совершенно новыми свойствами – наноматериалов и ее применение.

Наноматериалы представляют собой материалы, созданные на основе или с использованием наночастиц или/и путем применения нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами за счет присутствия этих частиц. К наноматериалам относятся объекты, размеры которых в интервале от 1 до 100 нм.

К наиболее популярным объектам исследования в области нанотехнологий относят наночастицы, нановолокна, нанопорошки, нанопленки.

Наночастицы – общий термин для обозначения ультрадисперсных изолированных объектов, обозначающий частицы вещества, размерами до 1 нанометра.

Часто наночастициы образуют скопления, выстроенные по определенной схеме. Наиболее характерным примером являются фуллерены – структурированные соединения углерода. В молекулах фуллеренов атомы углерода располагаются в вершинах шести- и пятиугольников, из которых состоит поверхность шара или эллипсоида. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – фуллерен C₆₀, в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, напоминающий футбольный мяч.

На основе фуллеренов синтезируются углеродные нанотрубки. Углеродная нанотрубка – это аллотропная модификация атомов углерода, в виде пустой цилиндрической структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от микрометра до нескольких сантиметров. Углеродные нанотрубки применимы в разных областях – в технике, в качестве прочных материалов, сверхпроводников тока, основы кабелей, в медицине – в качестве искусственных мышц и нервов, в информационной технике – как компоненты компьютерных матриц и т.д.

Основными направлениями в развитии нанотехнологий являются:

- получение прочных и легких материалов, которые используют в технике, биотехнологии, медицине, охране окружающей среды, космосе;

- создание датчиков и индикаторов на производстве;

- создание лекарственных препаратов и новых средств их доставки в организм;

- формирование новых средств и методов исследований и мониторинга в разных областях;

- разработка методов очистки окружающей среды – воды, воздуха, почв и т.д.;

- разработка миниатюрных космических аппаратов для запуска и глубокого изучения космоса.

В области нанохимии из реагентов, созданных на основе упорядоченных наночастиц, создают различные композитные и сенсорные материалы, твёрдые электролиты.

Применение нанотехнологий в области коммуникации позволяет улучшать качество каналов связи и систем отображения информации. В практической медицине наночастицы используют в качестве лекарств, контейнеров для их доставки, медицинских нанороботов, искусственных геномов, регенерации тканей тела.

Особую роль наноматериалы играют в области энергетики, особенно на современном этапе, когда необходима разработка альтернативных источников энергии. Нанотехнологии в сфере энергетики направлены на совершенствование топливных конструкционных материалов, охраны природной среды при генерации энергии (создание тонких нанофильтров), развитие безопасной атомной энергетики, развитие мониторинга с помощью нанодатчиков.

Большое значение имеют наноструктуированные металлы, полимеры и керамика в строительстве и промышленности. В компьютерной технике сегодня разрабатываются наномикросхемы.

Нановолокнистые материалы сегодня используют при создании различных типов стрелкового оружия, ракет и самолётов.

На современном этапе можно выделить ряд проблем развития нанотехнологий, в частности:

3. Необходимость определения того круга наноматериалов, который следует переводит в масштаб промышленного производства – это наиболее часто используемые, наиболее востребованные материалы.

4. Выявление определенного круга направлений исследований в области нанотехнологий, которые являются приоритетными, требуют финансирования, разработки программ и поддержки государства.

5. Сложность работы с наноматериалами – исследования наноматериалов, их создание возможно при использовании специальных сканирующих микроскопов, которые позволяют зрительно увеличивать объекты в тысячи раз.

Решение перечисленных проблем лежит на стыке исследований множества наук – физики, химии, биологии, технических дисциплин и т.д.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой это:

1) биосферная функция;

Правильный ответ: 2) нанотехнология.

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.

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.

Что такое нанотехнология?

Почему маленькие объекты приобретают столь специфические свойства на уровне наномасштабов? К примеру, небольшие группы (их называют кластерами) атомов золота и серебра демонстрируют уникальные каталитические свойства, в то время как большие по размеру образцы обычно инертны. А наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства и потому обычно используются в новых типах перевязочных материалов.

При уменьшении размера частиц возрастает отношение поверхности к объему. По этой причине наночастицы существенно легче вступают в химические реакции. В дополнение к этому на уровне менее 100 нм появляются эффекты квантовой физики. Квантовые эффекты могут влиять на оптические, электрические или магнитные свойства материалов непредсказуемым образом.

Маленькие кристаллические образцы некоторых веществ становятся прочнее, поскольку они просто достигают состояния, при котором не могут раскалываться так, как это происходит у больших кристаллов, когда на них воздействуют с усилием. Металлы становятся похожими в некотором отношении на пластмассу.

Каковы перспективы применения нанотехнологий?

Еще в 1986 году футуролог Эрик Дресслер нарисовал образ утопического будущего, в котором самореплицирующиеся (то есть воспроизводящие сами себя) нанороботы выполняют всю необходимую обществу работу. Эти крошечные устройства способны ремонтировать человеческий организм изнутри, делая людей виртуально бессмертными. Нанороботы могут также свободно перемещаться в окружающей среде, что делает их незаменимыми в борьбе с загрязнением этой среды.

Исследователи из финансируемого армией США Института армейских нанотехнологий в Кембридже (США) используют нанотехнологии для создания принципиально нового типа обмундирования. Их цель — создать ткань, которая может менять окраску, отклонять в сторону пули и энергию взрывной волны и даже склеивать кости.

Где применяются нанотехнологии в настоящее время?

Нанотехнологии уже используются при производстве жестких дисков персональных компьютеров, каталитических конвертеров — элементов двигателей внутреннего сгорания, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно легких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, обеспечивающих их самоочистку.

Как создаются наноустройства?

В настоящее время используется два основных способа изготовления наноустройств.

Можно создавать наноустройства, перетаскивая отдельные атомы с помощью так называемого атомного силового микроскопа (либо сканирующего туннельного микроскопа), достаточно чувствительного для выполнения подобных процедур. Впервые эта методика была продемонстрирована специалистами IBM — с помощью сканирующего туннельного микроскопа они выложили аббревиатуру IBM, расположив соответствующим образом 35 атомов ксенона на поверхности никелевого образца.

Сверху вниз. Эта методика предполагает, что мы используем макроскопический образец и, к примеру, с помощью травления создаем на его поверхности обычные компоненты микроэлектронных устройств с параметрами, характерными для наномасштабов.

Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?

Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма.

Президент России Дмитрий Медведев уверен, что в стране есть все условия для успешного развития нанотехнологий.

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

Области применения нанотехнологий

‑ 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

ДНК‑нанотехнологии ‑ используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

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.

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

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Читайте также: