Наномир его особенности и перспективы кратко
Обновлено: 07.07.2024
История развития нанотехнологии
Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне (1981 г.), Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп еще больше расширил типы исследуемых материалов (1986 г.).
В 1985 году Роберт Керл, Харольд Крото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены (Нобелевская премия, 1996 год).
В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) (в 2007г. присуждена Нобелевская премия по физике), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной информации на основе ГМС размерами 10-100 нм.
ГМС, или, иначе, гигантское магнетосопротивление (англ. giant magnetoresistance сокр., GMR) — представляет собой эффект изменения электрического сопротивления образца под действием магнитного поля (преимущественно в гетероструктурах и сверхрешетках), отличающееся от магнетосопротивления масштабом эффекта (возможно изменение сопротивления на десятки процентов, в отличие от магнетосопротивления, когда изменение сопротивления не превышает единиц процентов). Его открытие сделало возможным разработку современных носителей информации для компьютеров — накопителей на жестком магнитном диске (HDD)
1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем Сумио Ииджимою.
В 1998 году впервые создан транзистор на основе нанотрубок Сизом Деккером (голландский физик). А в 2004 году он соединил углеродную нанотрубку с ДНК, впервые получив полноценный наномеханизм, открыв тем самым путь к развитию бионанотехнологии.
2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Известные фирмы IBM, Samsung финансируют научные проекты с целью разработки новых электронных устройств, смогли бы заменить кремниевые технологии.
Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов
1 нанометр (нм) = 10 -9 метра.
На сегодня основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.
- получения наноматериалов с заданной структурой и свойствами;
- применения наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств;
- контроль (исследования) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.
Существует два основных подхода к нанопроизводства: сверху вниз и снизу вверх . Технология сверху вниз заключается в измельчении материала, имеющего большие размеры (массивный материал), до наноразмерных частиц. При подходе снизу вверх продукты нанопроизводства создаются путем выращивания (создания) их из атомного и молекулярного масштабов.
Производство на наноуровне известно как нанопроизводств — предусматривает масштабные мероприятия, создание надежного и экономически эффективного производства наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Оно предусматривает исследования, разработки и интеграции технологий сверху вниз и более сложную — снизу вверх или процессы самоорганизации.
Наноматериалы — это дисперсные или массивные материалы (структурные элементы — зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и имеющие качественно новые свойства, функциональные и эксплуатационные характеристики, которые проявляются вследствие наномасштабных размеров.
Все вещества в начальном состоянии или после определенного обработки (измельчения) имеют разную степень дисперсности, размер составляющих частиц можно не увидеть невооруженным глазом.
Объекты с размерами в пределах 1-100 нм принято считать нанообъектами , но такие ограничения являются весьма условными. При этом данные размеры могут касаться как всего образца (нанообъектом является весь образец), так и его структурных элементов (нанообъектом является его структура). Геометрические размеры некоторых веществ приведены в таблице.
Основные преимущества нанообъектов и наноматериалов состоит в том, что за малых размеров в них проявляются новые особые свойства, не характерные этим веществам в массивном состоянии.
Классификация вещества в зависимости от степени дисперсности
| состояние вещества | раздробленность вещества | Степень дисперсности, см -1 | Число атомов в частице, шт. |
| макроскопическое | грубодисперсная | 10 0 -10 2 | > 10 18 |
| Средство наблюдения: невооруженный глаз | |||
| микроскопическое | тонкодисперсная | 10 2 -10 5 | > 10 9 |
| Средство наблюдения: оптический микроскоп | |||
| коллоидное | ультрадисперсных | 10 5 -10 7 | 10 9 -10 2 |
| Средство наблюдения: оптический ультрамикроскоп, электронный и сканирующий зондовый микроскоп | |||
| Молекулярное, атомное и ионное | Молекулярная, атомная и ионная | > 10 7 | 2 |
| Средство наблюдения: микроскоп с высоким разрешением ( | |||
| пример | геометрический размер | ||
| наномир | атом водорода | 0,18 нм | |
| Сечение молекулы ДНК | 2 нм | ||
| Длина видимого света | 400-700 нм | ||
| микромир | пыль | 800 нм | |
| Эритроцит (диаметр) | 7,2 мкм | ||
| макромир | Толщина компакт-диска | 1,2 мм | |
| насекомые | 4-10 мм |
Нанообъекты одномерные (1D) — углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода, то есть цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере на порядок превышает два других.
Нанообъекты двумерные (2D) — покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности массивного материала (подложке). В этом случае только одно измерение — толщина должна нанометровые размеры, два других являются макроскопическими.
Особые свойства наноматериалов
В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. Температура плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.
Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.
Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).
Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная энергия воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва Pmax возрастает при переходе в нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Описание презентации по отдельным слайдам:
ВОКРУГ НАС
© Составитель: Демидова Г.Л.
Особенностью нанопродуктов является их инновационность (новизна для производителя и потребителя).
В условиях низкой информированности разных групп населения и, в том числе, молодежи о практическом использовании особенностей наноструктурированных веществ в технике, на транспорте, в строительстве, в радиоэлектронике, в медицине и т.д. предлагаем статьи, которые опубликованы в научно-популярных и научно-технических журналах за последние годы.
Журналы имеются в фонде научно-технической библиотеки РГУПС.
НАНОТЕХНОЛОГИЕЙ называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
НАНОТЕХНОЛОГИИ – это технологии, направленные на создание и использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками.
Возможно нанотехнологии окажутся ответом на глобальные вызовы человечеству ХХI века : истощение традиционных энергоресурсов, глобальное потепление, нарастающий дефицит чистой питьевой воды, загрязнение окружающей среды.
Свидиненко, Ю. Нанотехнологии в нашей жизни / Ю. Свидиненко // Наука и жизнь. - 2005. - №7. - С. 2-6.
Статья дает представление о существующем наномире. Что такое нанообъекты, какие исследования проводятся в наноразмерном диапазоне, какими достижениями нанотехнологий мы уже пользуемся, не подозревая об этом.
Фильтры, применяемые в фильтрационных установках, имеют средний размер пор 30 нм
Гранулированные сорбенты с наноструктурными мембранами
В середине 90-х годов прошлого века началось бурное развитие исследований и разработок светодиодов (СД) на основе наноструктур. Сегодня светодиодные технологии завоевывают рынок освещения, вытесняя другие осветительные приборы. Они не только намного экономичнее обычных и энергосберегающих ламп, но и предлагают разнообразные варианты источников освещения (плоские, прозрачные, гибкие).
Наноматериал поглощает практически 100% падающего света
Работа светодиодов основана на испускании фотонов, которое возникает при контакте полупроводниковых материалов и сопровождается свечением
Светильники на светодиодах
Светодиодные гирлянды. Светодиодное освещение
Светодиодная лента –
незаменимый помощник дизайнеров
Постоянный рост количества информации, передаваемой по каналам связи, требует повышения их пропускной способности. Наибольшими возможностями обладают волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). В основе современной элементной базы ВОСП лежит наноэлектроника. Ее развитие, а также совершенствование методов кодирования и модуляции позволяют повысить эффективность волоконно-оптической связи. Информационные технологии помогают повысить пропускную способность за счет различных способов сжатия сигналов, уменьшения шумов квантования, уменьшения искажений и улучшения соотношения сигнал/шум, а нанотехнологии, в свою очередь, повышают канальную скорость, число каналов в системах с волновым уплотнением.
Журавлева, Л. Нанотехнологии и волоконно-оптическая связь / Л. Журавлева, А. Змеева, А. Новожилов // Мир транспорта. - 2011. - № 4. - С. 30-37.
Новая отрасль полупроводниковой промышленности – наноэлектроника приходит на смену микроэлектронике. Устройства микроэлектроники (кремниевые микропроцессоры) производят путем ядерного легирования с помощью нейтронов. При нейтронном облучении изменяется изотопный состав исходного материала. Ядерное направление нанотехнологий возможно применять в волноводной технике, использовать при изготовлении полупроводниковых лазеров, фотодетекторов использовать в устройствах хранения информации на низкоразмерных структурах. А это позволит достигнуть максимальных возможностей при передаче и обработке информации, снизить потери мощности до минимальных, повысить быстродействие и обеспечить высокую степень интеграции элементов.
Журавлева, Л.М. Нанотехнологии в оптической связи /
Л.М. Журавлева // Автоматика. Связь. Информатика. - 2009. - № 6. - С. 20-21.
Одно из важнейших направлений нанотехнологий – это получение наночастиц (нанопорошков) и их применение. К наночастицам, как правило, относят такие объекты, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм.
Используя нанопорошки можно значительно улучшать свойства различных материалов и продуктов: строительных композиций, смазочных материалов, присадок к смазочным материалам, топлив, полимеров, лекарств.
Размер кристаллитов в нанопорошке
от 20 до 100 нм.
В минерально-сырьевой базе стройиндустрии широко используется техногенное сырье - шламы водоочистки, водоподготовки, водоумягчения, отходы гальванического производства щелочного травления алюминия. Нанотехногенное сырье применяется в качестве нанодисперсного наполнителя для цементных композиций, бетонов, штукатурных растворов; при использовании карбонатного шлама формируется водонепроницаемость структуры цементного камня, что снижает образование высолов и уменьшает солевую коррозию на поверхности кирпичной кладки; при введении тонкомолотой добавки шлама щелочного травления алюминия возрастает огнеупорность бетона.
Чумаченко, Н. Г. Перспективы развития нанотехнологий в производстве строительных материалов на основе шламовых отходов / Н.Г. Чумаченко, С.Ф. Коренькова, А.И. Хлыстов // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - № 8. - С. 20-22.
Введение в сварной шов порошка тугоплавкого соединения с наноразмерными частицами позволяет управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Структура сварного шва меняется, и повышаются механические свойства: прочность и пластичность. Применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки. При индукционной наплавке нанопорошки используются для повышения твердости наплавленного слоя.
Кузнецов М.А. Нанотехнологии и наноматериалы в сварочном производстве (обзор) / М.А. Кузнецов, Е.А. Зернин // Сварочное производство. – 2010 - № 12. - С. 23-26.
Одним из потребителей наноматериалов является железнодорожный транспорт, перспективным направлением применения наноматериалов являются разработки новых антифрикционных и антикоррозионных покрытий.
Гарустович, И. В. Полимерные покрытия защитят поверхности вагонов / И.В. Гарустович, В.А. Фомин, А.О. Иванов // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2012. - № 1. - С. 28.
При перевозке минеральных удобрений, серы, соды, других аналогичных материалов поверхности грузовых вагонов, вагонов-хопперов, цистерн и других специальных транспортных средств- подвергаются интенсивному коррозионному разрушению. Применение современных нанотехнологий и наноматериалов (эпоксидные смолы с добавлением наноразмерных порошков) позволяет минимизировать воздействие коррозионных процессов, а также возрастает износостойкость и ударопрочность покрытий при широком диапазоне температур.
Макеты, представленные в выставочном поезде демонстрируют эволюцию железнодорожной техники – от паровоза Черепановых до транспортных средств наших дней. Экспозиция показывает примеры эффективного использования нанотехнологий на железнодорожном транспорте.
Наноматериалы, уже разработанные и использующиеся в различных приборах и процессах, поражают воображение исследователей и разработчиков. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, нанокристаллы находят применение в различных отраслях. Перспективы применения нанотехнологий безграничны.
Реализовывать открытия в наномире предстоит нынешнему поколению, людям XXI века – века нанотехнологий!
Презентация на тему: " НАНОМИР ВОКРУГ НАС © Составитель: Демидова Г.Л.. Особенностью нанопродуктов является их инновационность (новизна для производителя и потребителя). В условиях." — Транскрипт:
1 НАНОМИР ВОКРУГ НАС © Составитель: Демидова Г.Л.
2 Особенностью нанопродуктов является их инновационность (новизна для производителя и потребителя). В условиях низкой информированности разных групп населения и, в том числе, молодежи о практическом использовании особенностей наноструктурированных веществ в технике, на транспорте, в строительстве, в радиоэлектронике, в медицине и т.д. предлагаем статьи, которые опубликованы в научно- популярных и научно-технических журналах за последние годы. Журналы имеются в фонде научно- технической библиотеки РГУПС.
4 Свидиненко, Ю. Нанотехнологии в нашей жизни / Ю. Свидиненко // Наука и жизнь С Статья дает представление о существующем наномире. Что такое нанообъекты, какие исследования проводятся в наноразмерном диапазоне, какими достижениями нанотехнологий мы уже пользуемся, не подозревая об этом.
7 В середине 90-х годов прошлого века началось бурное развитие исследований и разработок светодиодов (СД) на основе наноструктур. Сегодня светодиодные технологии завоевывают рынок освещения, вытесняя другие осветительные приборы. Они не только намного экономичнее обычных и энергосберегающих ламп, но и предлагают разнообразные варианты источников освещения (плоские, прозрачные, гибкие). Наноматериал поглощает практически 100% падающего света Работа светодиодов основана на испускании фотонов, которое возникает при контакте полупроводниковых материалов и сопровождается свечением Светильники на светодиодах Светодиодные гирлянды. Светодиодное освещение Светодиодная лента – незаменимый помощник дизайнеров
9 Постоянный рост количества информации, передаваемой по каналам связи, требует повышения их пропускной способности. Наибольшими возможностями обладают волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). В основе современной элементной базы ВОСП лежит наноэлектроника. Ее развитие, а также совершенствование методов кодирования и модуляции позволяют повысить эффективность волоконно- оптической связи. Информационные технологии помогают повысить пропускную способность за счет различных способов сжатия сигналов, уменьшения шумов квантования, уменьшения искажений и улучшения соотношения сигнал/шум, а нанотехнологии, в свою очередь, повышают канальную скорость, число каналов в системах с волновым уплотнением. Журавлева, Л. Нанотехнологии и волоконно-оптическая связь / Л. Журавлева, А. Змеева, А. Новожилов // Мир транспорта С
10 Новая отрасль полупроводниковой промышленности – наноэлектроника приходит на смену микроэлектронике. Устройства микроэлектроники (кремниевые микропроцессоры) производят путем ядерного легирования с помощью нейтронов. При нейтронном облучении изменяется изотопный состав исходного материала. Ядерное направление нанотехнологий возможно применять в волноводной технике, использовать при изготовлении полупроводниковых лазеров, фотодетекторов использовать в устройствах хранения информации на низкоразмерных структурах. А это позволит достигнуть максимальных возможностей при передаче и обработке информации, снизить потери мощности до минимальных, повысить быстродействие и обеспечить высокую степень интеграции элементов. Журавлева, Л.М. Нанотехнологии в оптической связи / Л.М. Журавлева // Автоматика. Связь. Информатика С
11 Одно из важнейших направлений нанотехнологий – это получение наночастиц (нанопорошков) и их применение. К наночастицам, как правило, относят такие объекты, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм. Используя нанопорошки можно значительно улучшать свойства различных материалов и продуктов: строительных композиций, смазочных материалов, присадок к смазочным материалам, топлив, полимеров, лекарств. Размер кристаллитов в нанопорошке от 20 до 100 нм.
12 В минерально-сырьевой базе стройиндустрии широко используется техногенное сырье - шламы водоочистки, водоподготовки, водоумягчения, отходы гальванического производства щелочного травления алюминия. Нанотехногенное сырье применяется в качестве нанодисперсного наполнителя для цементных композиций, бетонов, штукатурных растворов; при использовании карбонатного шлама формируется водонепроницаемость структуры цементного камня, что снижает образование высолов и уменьшает солевую коррозию на поверхности кирпичной кладки; при введении тонкомолотой добавки шлама щелочного травления алюминия возрастает огнеупорность бетона. Чумаченко, Н. Г. Перспективы развития нанотехнологий в производстве строительных материалов на основе шламовых отходов / Н.Г. Чумаченко, С.Ф. Коренькова, А.И. Хлыстов // Промышленное и гражданское строительство С
13 Введение в сварной шов порошка тугоплавкого соединения с наноразмерными частицами позволяет управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Структура сварного шва меняется, и повышаются механические свойства: прочность и пластичность. Применение наномодификаторов позволяет повысить скорость сварки. При индукционной наплавке нанопорошки используются для повышения твердости наплавленного слоя. Кузнецов М.А. Нанотехнологии и наноматериалы в сварочном производстве (обзор) / М.А. Кузнецов, Е.А. Зернин // Сварочное производство. – С
14 Одним из потребителей наноматериалов является железнодорожный транспорт, перспективным направлением применения наноматериалов являются разработки новых антифрикционных и антикоррозионных покрытий. Трошкин, Б. И. Наноматериалы увеличат срок службы бандажей колесных пар / Б.И. Трошкин // Локомотив С Для восстановления изношенных гребней бандажей колесных пар рельсовых транспортных средств разработаны высокоэффективные наносодержащие модифицирующие смеси. Смеси применяют для повышения качества сварки. В состав смеси входят порошки размером от 30 до 60 нм (оксиды алюминия, оксиды редких металлов и др.). Особо высокие результаты были достигнуты при восстановлении и упрочнении гребней бандажей колесных пар электрошлаковым способом. Высокое качество достигается за счет непрерывности сварочного процесса и соблюдения режимов наплавки.
15 Гарустович, И. В. Полимерные покрытия защитят поверхности вагонов / И.В. Гарустович, В.А. Фомин, А.О. Иванов // Вагоны и вагонное хозяйство С. 28. При перевозке минеральных удобрений, серы, соды, других аналогичных материалов поверхности грузовых вагонов, вагонов-хопперов, цистерн и других специальных транспортных средств- подвергаются интенсивному коррозионному разрушению. Применение современных нанотехнологий и наноматериалов (эпоксидные смолы с добавлением наноразмерных порошков) позволяет минимизировать воздействие коррозионных процессов, а также возрастает износостойкость и ударопрочность покрытий при широком диапазоне температур.
17 Наноматериалы, уже разработанные и использующиеся в различных приборах и процессах, поражают воображение исследователей и разработчиков. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, нанокристаллы находят применение в различных отраслях. Перспективы применения нанотехнологий безграничны. Реализовывать открытия в наномире предстоит нынешнему поколению, людям XXI века – века нанотехнологий!
Но обо всем по-порядку.
Наверное, наш юный читатель хорошо знаком с историей открытия Северной Америки (ну хотя бы понаслышке эту историю должен знать каждый). Как известно, испанский мореплаватель Христофор Колумб со своей командой отправился в плавание по Атлантическому Океану, чтобы приплыть из Испании в Индию (тогда в Индию добирались только сухопутным путем). Но вместо Индии Колумб приплыл на другой материк, о существовании которого он даже не подозревал (поэтому правильнее было бы сказать, что Колумб не открыл Америку, а случайно нашел ее). Этот никому в то время не известный материк назвали Америкой, (также его называли Новым Светом), а аборигенов, населявших его – индейцами (поскольку первое время Колумб считал, что приплыл он все-таки в Индию). И таким образом Америка, преспокойно просуществовавшая себе в неведении вплоть до XV века, после экспедиции Колумба сразу же попала в центр всеобщего внимания, что привело к ее активному освоению и колонизации.
История открытия наномира очень похожа на историю открытия Америки, только в отличии от Америки о наномире, также существовавшем на протяжении всей истории развития Земли, люди узнали еще позже – лишь в 30-х годах XX столетия (то есть чуть более 60–70 лет назад). А уж активное изучение его законов началось совсем недавно, так что человечеству предстоит еще ой как много открытий!
Итак, что же представляет собой этот таинственный наномир? Наномир – это часть реального, привычного нам мира, только часть эта настолько малых размеров, что увидеть ее с помощью обычного человеческого зрения совершенно невозможно. Впервые объекты наномира – нанообъекты – обнаружили в 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска – создатели первого электронного микроскопа (специального прибора для получения увеличенных в миллионы раз предметов). Что это были за нанообъекты, вы узнаете дальше.
Путешествуя по незнакомой стране, люди часто пользуются услугами гида-проводника. Гид сопровождает туристов при осмотре достопримечательностей, помогает им общаться с местными жителями, дает нужные советы о том, какие исторические места лучше посетить и т.д. Можно, конечно, путешествовать и без гида, но тогда вы вряд ли узнаете о новой стране много (особенно, если вам не знакомы ее язык, культура и законы). Поэтому в нашем путешествии по наномиру нам будет сопровождать один из самых умных и вежливых его обитателей – нанобот по имени Наннос (о том, кто такие наноботы и историю их появления Наннос расскажет нам потом. Уверяю вас, история наноботов – это очень интересная история).
Все объекты в наномире имеют нанометровый размер (поэтому они и называются нанообъектами). Средний рост наноботов также около нанометра. Для сравнения, человеческий волос приблизительно в шестьдесят тысяч раз! толще одного нанообъекта. Если мы с трудом можем разглядеть один волосок на одежде, то становится понятно, почему люди так долго ничего не знали о наномире – до изобретения сверхмощного микроскопа его просто невозможно было увидеть. Но для Нанноса это совсем несложная задача – ведь он такой же маленький, как и все предметы, его окружающие. И поэтому Наннос с удовольствием поделиться с нами своими знаниями о наномире. Итак, давайте все-таки послушаем, что расскажет нам наш замечательный гид:
Теперь давайте рассмотрим один из компонентов теста, например, яйцо. Яйцо, всем известно, также состоит из различных частей: в нем можно выделить скорлупу, желток и белок. Если теперь взять отдельный белок, то можно ли разбить его на еще меньшие части? Оказывается, можно. Биологи скажут вам, что яичный белок состоит из различных аминокислот, аминокислоты, в свою очередь, состоят из других более простых химических веществ и т.д.
Если бы все атомы были одинаковыми, в мире существовал бы лишь один вид материи. Однако существует более ста разновидностей атомов, которые могут соединяться между собой. Если соединяются несколько атомов одного рода, они образуют простейшие химические элементы. Каждый простейший элемент имеет свое название и обладает уникальными свойствами, например всем хорошо известны химические элементы – это золото, кислород, йод, сера и др.
Материя, построенная из комбинации атомов разных видов, называется веществом, а малейшая частица вещества называется молекулой.
Например, вода – это вещество, так как молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Рис1. Молекула воды
После открытия наномира ученые увидели, что молекулы в природе могут очень сильно отличаться друг от друга, что и обеспечивает такое разнообразие материи в мире. Простые молекулы состоят из двух-трех атомов, однако, существуют и такие, которые имеют в своем составе тысячи атомов, соединенных друг с другом в сложной последовательности (например, молекула каучука, из которого получают резину, состоит примерно из 75 тысяч атомов углерода и 100 000 атомов водорода). Форма молекул может быть так же самой разнообразной: одни из них представляют собой длинные нити, другие – закрученные спирали, а третьи свернуты в клубочек, напоминающий футбольный мяч.
Рис 2. Молекулы а) белка б)ДНК с)фуллерена
Каким же образом атомы соединяются между собой? Чтобы наглядно представить это, мы можем изобразить атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, соединённые между собой кусочками нитки. Атомы имеют круглую форму подобно бусинам, и хотя молекулярные связи – не кусочки нитки, они также могут быть порваны и восстановлены.
Если вы каким-то образом разрушите связи в молекуле и она распадется на составляющие ее элементы, то они уже не будут обладать свойствами первоначального вещества. Например, если вы каким-то образом разделите молекулу сахара, разрушив межатомные связи, то получившиеся при этом простейшие элементы уже не будут обладать ни вкусом, ни цветом сахара.
Но, оказывается, молекулярные связи действуют не только в молекулах. Сейчас Наннос расскажет вам об одном из удивительнейших явлений природы, которое, он уверен, не оставит вас равнодушными. Итак, первая достопримечательность наномира, с которой мы познакомимся –это…
Речь идет о гекконе – безобидной красивой ящерке, давно привлекающей внимание ученых своей уникальной способностью лазать как угодно и где угодно. Гекконы не только запросто взбираются по отвесным стенам – они с такой же легкостью ходят по потолку или передвигаются по оконному стеклу террариума.
Долгое время ученые никак не могли понять, каким же образом геккон может бегать по совершенно гладкому вертикальному стеклу, не падая и не соскальзывая (хотя для наноботов здесь нет ничего непонятного). Сначала ученые полагали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапки животного. Но выяснилось, что в строении лап геккона нет ничего, похожего на присоски, которые могли бы присасываться к стеклу и обеспечивать ящерице хорошее сцепление. Потом решили, что геккон бегает по стеклу, приклеиваясь к его поверхности с помощью клейкой жидкости, подобно тому, как держится на разных предметах улитка. Но в этом случае на стекле должны были бы оставаться следы от его лап, а никаких следов геккон не оставляет. Кроме того, никаких природных желез, способных выделять такую жидкость, на лапах геккона обнаружено не было.
Разгадка этого явления пришла вместе с открытием наномира и буквально поразила общественность. Оказалось, что при движении геккончик использует законы молекулярных связей!
Ученые внимательно изучили лапку геккона под микроскопом, и при этом выяснилось, что она покрыта мельчайшими волосками, диаметр которых в десять раз меньше, чем диаметр человеческого волоса.
На кончике каждого волоска находятся тысячи мельчайших подушечек размером всего двести миллионных долей сантиметра. Снизу подушечки прикрыты листочками ткани, и при большом увеличении видно, что каждый листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щетинок. Но и это еще не все. Щетинки, в свою очередь, делятся на сотни нанометровых лопатообразных кончиков! То есть, их поверхность сравнима по размеру с атомами и молекулами, и, таким образом, они могут вступать в молекулярное взаимодействие с атомами, находящимися на поверхностях любых даже совершенно гладких, на наш взгляд, поверхностей (подобно молекулярному взаимодействию между атомами в молекулах).
Данное открытие побудило исследователей к попыткам создать подобные искусственные наношерстинки для разных целей. Например, сотрудники американской компании iRobot сконструировали робота, который может передвигаться вертикально по стенкам аквариума. А если еще удастся прикрепить к нему хвост, такой же, как у геккона, он сможет запросто бегать по любым острым граням. Если эксперименты по созданию ящерицеподобных роботов будут успешными, эти механизмы можно будет использовать в самых разных областях – от мытья окон в высотных зданиях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.
Автор: Мария Рыбалкина
Новые понятия, которые должен усвоить ребенок: нанотрубки, космический лифт
В прошлом номере мы познакомились с маленьким наноботом Нанносом, который рассказал нам про атомы и молекулы – объекты окружающего его наномира.
Мы продолжаем наше путешествие по наномиру и следующая достопримечательность, о которой нам расскажет Наннос – это… А впрочем, он сам знает, как лучше все рассказать по-порядку.
В прошлом номере мы познакомились с атомами и молекулами, и узнали, что они могут образовывать различные вещества и простейшие химические элементы. Сегодня ученым хорошо известны свойства более ста химических элементов, среди которых есть элементы, обладающие некоторыми общими признаками. Например, одни элементы в обычных условиях являются твердыми веществами, другие – жидкостями, третьи – газами. Некоторые элементы растворяются в воде (например, сахар), другие, такие как золото, медь – в воде не растворимы. Одни элементы могут проводить электричество (их называют проводники), другие – нет (диэлектрики или изоляторы).
В соответствии со своими свойствами, все элементы разделены на несколько химических групп, которые все вместе составляют периодическую таблицу элементов Д.И. Менделеева, названную так в честь русского химика Дмитрия Ивановича Менделеева, который первым придумал классифицировать все элементы по группам.
Как неодинаковы свойства каждого из элементов, так неодинаковы и их истории. Одни элементы, такие, как медь, железо, сера, углерод, известны с доисторических времен. Возраст других измеряется только веками, несмотря на то, что ими, даже не открытыми, человечество пользовалось всегда (тот же кислород, к примеру, был открыт лишь в XVIII веке). Третьи были открыты 100–200 лет тому назад – к ним относятся уран, алюминий, бор, литий, бериллий.
Настоящий бум в среде ученых, занимающихся исследованием наномира, произвело недавнее открытие нового элемента с уникальнейшими свойствами. В 1991 году, японский ученый Сумио Иидзима обнаружил длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок.
Молекула нанотрубки содержит более 1 миллиона атомов углерода и представляют собой трубку с диаметром около нанометра (то есть толщина такой трубки в 50–100 тысяч раз тоньше человеческого волоса!).
Рис1. Молекула нанотрубки
Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко, а небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!
Планируется, что энергию для своего перемещения кабинки будут получать от Солнца с помощью солнечных батарей (что очень дешево, по сравнению со сжигаемым топливом ракеты). А на самом верху, уже в космосе можно будет построить стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам!
Рис. 2. Космический лифт
Идее космического подъемника более века, и первым о нем заговорил еще в 1895 году русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики. Но в то время о нанотрубках еще не знали, а единственным прочным материалом, из которого можно было бы изготовить трос считалась сталь. Но использовать для этой цели сталь было невозможно, поскольку предварительные расчеты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км. Однако теперь, с открытием сверхлегких и сверхпрочных нанотрубок, это стало возможно. По прогнозам исследователей первый такой космический лифт будет построен уже через 10–15 лет.
(В следующем номере мы отправимся наблюдать достопримечательности наномира… внутри человеческого организма)
Читайте также: