Нанотехнологии в химии кратко
Обновлено: 02.07.2024
Нанотехнологии благодаря недавним открытиям ученых получают все большее распространение, и вполне вероятно, что в скором времени они будут внедрены в жизнь каждого человека на Земле. Одним из таких революционных открытий является наноалмаз. Это особая форма материи, получаемая при синтезе карбида кремния с газами хлора и водорода. Ранее такую реакцию удавалось получать лишь в специальных капсулах в результате синтеза сверхвысокого давления и плазмы большой температуры. Теперь же все станет намного проще, так как ученые из Иллинойса во главе с Юрием Гогоци нашли новый, более доступный способ добывания искусственных алмазов, что открывает новые перспективы применения нанотехнологий в науке и технике.
Так, синтез наноалмазов позволяет создавать объекты, на которых при минимально занятом пространстве можно хранить максимальные объемы памяти, например, десятки тысяч Тбайт. Действие происходит по принципу средоточия магнитного поля в специальном кольце, созданном из проводников электричества. Ток проходит через конструкцию, приводя ее в действие. Для создания функции записи или удаления образуется еще одно магнитное поле. Устройства, которые будут работать по данной технологии, имеют ряд преимуществ, так как при небольших габаритах обладают очень высокой производительностью.
Нейрохирурги уже тоже умеют использовать нанотехнологии в своих целях. Для лечения мозга они научились заменять электроды из металла на специальные приспособления, изготовленные при особом синтезе материалов кожи морского огурца. Этот элемент на разных стадиях имеет консистенцию резины или компакт-диска.
Очень часто современные смартфоны или планшеты страдают проблемой перегрева, а все из-за того, что между ядрами процессора для их связи между собой используются медные провода, которые имеют свойство нагреваться. Чтобы устранить данный недостаток, ученые решили использовать специальный переключатель на основе фотонов. Таким образом, нанотехнологии из-за своих крошечных размеров выводят способ передачи информации на совершенно новый уровень.
На сегодняшний день некоторые компании уже объявили о запуске технологий серийного производства нанонитей. Многие могут спросить: а для чего они вообще нужны? Ответ есть: для создания революционных цифровых наноустройств на их базе. Нанонити лягут в основу разработок сверхчувствительных сенсоров, которые получат широкое применение в современных планшетах и смартфонах. Также транзисторы смогут выполняться по данной технологии, что сделает их чрезвычайно технологичными элементами.
Подводя итог, можно сказать, что человечество совсем недавно перешагнуло через порог революционного открытия. Очень скоро миллиарды людей по всему миру беспрепятственно смогут пользоваться его благами, так как современные носители информации, основанные на новой технологии, позволят на чрезвычайно малом участке размещать терабайты информации. Нанокристаллы смогут успешно транспортировать нужные лекарства к определенным органам, что значительно облегчит процедуру введения препаратов. А новейший революционный наномотор в скором будущем будет широко применяться в жизни каждого человека.
С этой научной работой Развин Александр участвовал в Международной заочной конференции "Актуальные вопросы биомедицинской инженерии" в СГТУ имени Гагарина Ю.А. Его работа была опубликована в электронном сборнике конференции.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| nanotehnologii_v_himicheskoy_promyshlennosti.docx | 32.2 КБ |
Предварительный просмотр:
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Научный руководитель - учитель химии и биологии МБОУ «СОШ №2
*Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
С материалами, содержащими в себе нанообъекты, человечество познакомилось много веков тому назад. В Сирии (в ее столице Дамаске и других городах) в средние века научились делать прочные, острые и звонкие клинки и сабли. Секрет приготовления дамасской стали долгие годы мастера передавали друг другу в глубокой тайне. Оружейную сталь, не уступающую по свойствам дамасской, готовили и в других странах – в Индии, Японии. Качественный и количественный анализ таких сталей не позволял ученым объяснить уникальные свойства этих материалов. Как и в обычной стали, в них наряду с железом присутствует углерод в количестве около 1,5 % по массе. В составе дамасской стали обнаружили также примеси металлов, например марганца, который сопутствует железу в некоторых рудах, и цементита – карбида железа Fe 3 C, образующегося при взаимодействии железа с углем в процессе его восстановления из руды. Однако, приготовив стали точно такого же количественного состава, как дамасская, ученые не смогли добиться свойств, которые присущи оригиналу.
Как мы видим, свойства нановещества и наноматериала существенно отличаются от свойств объектов с таким же качественным и количественным составом, но не содержащих наночастиц.
Достижения нанонауки служат основой для развития нанотехнологий – технологических процессов производства и применения нанообъектов. Нанотехнологии имеют мало общего с теми примерами химических производств, которые рассматриваются в школьном курсе химии. Это и неудивительно – ведь нанотехнологам приходится манипулировать объектами величиной в 1–100 нм, т.е. имеющими размер отдельных крупных молекул [3].
Отдельные наночастицы, содержащие не более 1000 атомов, называют нанокластерами . Свойства таких частиц значительно отличаются от свойств кристалла, в котором содержится огромное число атомов. Это объясняется особой ролью поверхности. Действительно, реакции с участием твердых тел происходят не в объеме, а на поверхности. Примером может служить взаимодействие цинка с соляной кислотой. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что пузырьки водорода образуются на поверхности цинка, а атомы, находящиеся в глубине, не участвуют в реакции. Лежащие на поверхности атомы обладают большей энергией, т.к. у них меньше соседей в кристаллической решетке. Постепенное уменьшение размера частиц приводит к увеличению общей площади поверхности, росту доли атомов на поверхности и возрастанию роли поверхностной энергии.
Особенно велика она у нанокластеров, где на поверхности находится большинство атомов. Поэтому неудивительно, что, например, нанозолото по химической активности во много раз превосходит обычное. Так, например, наночастицы золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанесенные на поверхность TiO 2 , служат хорошими катализаторами селективного окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида:
C 6 H 5 –CH=CH 2 + O 2 —> C 6 H 5 –CH=O + H 2 O,
тогда как частицы диаметром более 2 нм, а тем более обычное золото совсем не проявляют каталитической активности.
Алюминий устойчив на воздухе, а наночастицы алюминия мгновенно окисляются кислородом воздуха, превращаясь в оксид Al 2 O 3 . Исследования показали, что наночастицы алюминия диаметром 80 нм на воздухе обрастают слоем оксида толщиной от 3 до 5 нм. Другой пример: хорошо известно, что обычное серебро не растворимо в разбавленных кислотах (кроме азотной). Однако совсем маленькие наночастицы серебра (не больше 5 атомов) будут растворяться с выделением водорода даже в слабых кислотах типа уксусной, для этого достаточно создать кислотность раствора pH = 5 [4].
Профессор Хатчингс использует золото в качестве катализатора. Но чтобы выполнять эту функцию, металл должен образовывать соединения, пусть и непрочные, то есть ненадолго, с другими участниками реакции. А на это, как всем известно, золото неспособно – по крайней мере, до тех пор, пока оно находится в виде слитка, или монеты, или пластины.
Но если продолжать делить кусок золота на всё более мелкие фрагменты с тем, чтобы получить наночастицы размером всего в несколько атомов, то золото становится химически чрезвычайно активным. И перед нами открывается совершенно новый, неведомый мир реакций, которые оно способно ускорять .
Эсбен Торнинг (Esben Taarning), сотрудник химического факультета Технического университета в датском городе Люнгбю, пошёл ещё дальше – он использует не только золото в качестве экологичного катализатора, но ещё и биомассу в качестве экологичного сырья. В частности, глюкозу из картофельного или кукурузного крахмала, которую он сначала обезвоживает.
Таким образом, можно сформировать молекулы вещества, именуемого гидроксиметилфурфурал. А из него методом окисления в присутствии золотого катализатора можно получить один из основных компонентов для производства биопластмасс.
Такая технология позволит изготовлять, скажем, бутылки для минеральной воды из пластика на основе растительного сырья. Сегодня большая часть таких бутылок производится из полиэтилентерефталата – пластмассы на основе терефталевой кислоты.
В процессе её производства используются нефтепродукты, а между тем, всё идёт к тому, что некоторые их этих нефтепродуктов могут стать очень дефицитными, а значит, непомерно дорогими. Поэтому представляется разумным, уже сегодня позаботиться об альтернативе. Химикаты, которые получают из биомассы с помощью наночастиц золота в качестве катализатора, вполне могут претендовать на то, чтобы стать такой альтернативой.
Понятно, впрочем, что одним лишь превращением инертного золота в химически активное роль нанотехнологий в химии не исчерпывается. Особое значение они обретают, например, в пищевой промышленности. Как известно, жиры в воде нерастворимы, поэтому при мытье посуды в воду обязательно добавляют специальные поверхностно-активные вещества – так называемые тензиды. Типичным примером может служить мыло. Эти вещества состоят из удлинённых молекул, один конец которых обладает сродством к воде, другой легко сцепляется с жирами. В результате в воде образуется множество мельчайших капелек жира, поверхность которых, если посмотреть на неё в микроскоп, щетинится молекулами тензидов, словно ёж колючками. Без тензидов получить такую эмульсию, состоящую из взвешенных в воде капелек жира, то есть перемешать жир с водой, было бы невозможно.
Аскорбиновая кислота является природным антиоксидантом, однако до сих пор её не удавалось ввести в масло. И вот теперь мы именно это и сделали. То есть сегодня мы можем предложить растительные масла, обогащённые витамином С с целью защиты от прогоркания. Сходные технологии фирма разработала и для целого рада других промышленных консервантов, которые иначе внедрить, скажем, в молоко и некоторые кисломолочные продукты невозможно.
В тех случаях, когда при смешивании несмешиваемых веществ можно не обращать внимание на такие показатели как прозрачность – например, при изготовлении майонеза, – сегодня всё чаще используется другой метод, также базирующийся на нанотехнологиях. Каждый из компонентов, подлежащих смешиванию, пропускаются под давлением сквозь очень мелкопористое сито. Образующаяся в результате эмульсия достаточно стабильна – если только поры не слишком сильно отличаются размерами. В противном случае эмульсия норовит расслоиться, что придаёт, скажем, тому же майонезу мало аппетитный вид. Всё дело в том, что среди образующих эмульсию капель действует звериный закон: большие и сильные пожирают маленьких и слабых. Поэтому важнейшими условиями стабильности эмульсии являются её гомогенность и тонкодисперсность, которые достигаются за счёт применения сит с нанопорами строго одинакового размера. Технология производства таких сит во многом сходна с технологией производства микропроцессоров: и те, и другие изготовляются из тончайших пластин кремния, которые подвергаются фототравлению. Наиболее совершенные сита такого рода могут выполнять роль фильтров: они способны задерживать патогенные микроорганизмы и даже вирус [5]…
В перспективе нанотехнологии могут заменить принятые сегодня методы производства. Запрограммированные нанороботы смогут собирать по заказу любые объекты непосредственно из атомов и молекул. А в далеком будущем не исключено, что у каждого человека будет свой наносинтезатор, позволяющий создавать различные предметы и вещества.
Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов[ 5 ].
Нанонаука еще очень молода – ей всего лишь около 20 лет! И как любой молодой организм, она очень быстро развивается и только еще начинает приносить пользу. Пока лишь небольшая часть достижений нанонауки доведена до уровня нанотехнологий, однако процент реализации все время растет, и через несколько десятков лет наши потомки будут недоумевать – как же мы могли существовать без нанотехнологий!
С этой научной работой Развин Александр участвовал в Международной заочной конференции "Актуальные вопросы биомедицинской инженерии" в СГТУ имени Гагарина Ю.А. Его работа была опубликована в электронном сборнике конференции.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| nanotehnologii_v_himicheskoy_promyshlennosti.docx | 32.2 КБ |
Предварительный просмотр:
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Научный руководитель - учитель химии и биологии МБОУ «СОШ №2
*Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
С материалами, содержащими в себе нанообъекты, человечество познакомилось много веков тому назад. В Сирии (в ее столице Дамаске и других городах) в средние века научились делать прочные, острые и звонкие клинки и сабли. Секрет приготовления дамасской стали долгие годы мастера передавали друг другу в глубокой тайне. Оружейную сталь, не уступающую по свойствам дамасской, готовили и в других странах – в Индии, Японии. Качественный и количественный анализ таких сталей не позволял ученым объяснить уникальные свойства этих материалов. Как и в обычной стали, в них наряду с железом присутствует углерод в количестве около 1,5 % по массе. В составе дамасской стали обнаружили также примеси металлов, например марганца, который сопутствует железу в некоторых рудах, и цементита – карбида железа Fe 3 C, образующегося при взаимодействии железа с углем в процессе его восстановления из руды. Однако, приготовив стали точно такого же количественного состава, как дамасская, ученые не смогли добиться свойств, которые присущи оригиналу.
Как мы видим, свойства нановещества и наноматериала существенно отличаются от свойств объектов с таким же качественным и количественным составом, но не содержащих наночастиц.
Достижения нанонауки служат основой для развития нанотехнологий – технологических процессов производства и применения нанообъектов. Нанотехнологии имеют мало общего с теми примерами химических производств, которые рассматриваются в школьном курсе химии. Это и неудивительно – ведь нанотехнологам приходится манипулировать объектами величиной в 1–100 нм, т.е. имеющими размер отдельных крупных молекул [3].
Отдельные наночастицы, содержащие не более 1000 атомов, называют нанокластерами . Свойства таких частиц значительно отличаются от свойств кристалла, в котором содержится огромное число атомов. Это объясняется особой ролью поверхности. Действительно, реакции с участием твердых тел происходят не в объеме, а на поверхности. Примером может служить взаимодействие цинка с соляной кислотой. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что пузырьки водорода образуются на поверхности цинка, а атомы, находящиеся в глубине, не участвуют в реакции. Лежащие на поверхности атомы обладают большей энергией, т.к. у них меньше соседей в кристаллической решетке. Постепенное уменьшение размера частиц приводит к увеличению общей площади поверхности, росту доли атомов на поверхности и возрастанию роли поверхностной энергии.
Особенно велика она у нанокластеров, где на поверхности находится большинство атомов. Поэтому неудивительно, что, например, нанозолото по химической активности во много раз превосходит обычное. Так, например, наночастицы золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанесенные на поверхность TiO 2 , служат хорошими катализаторами селективного окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида:
C 6 H 5 –CH=CH 2 + O 2 —> C 6 H 5 –CH=O + H 2 O,
тогда как частицы диаметром более 2 нм, а тем более обычное золото совсем не проявляют каталитической активности.
Алюминий устойчив на воздухе, а наночастицы алюминия мгновенно окисляются кислородом воздуха, превращаясь в оксид Al 2 O 3 . Исследования показали, что наночастицы алюминия диаметром 80 нм на воздухе обрастают слоем оксида толщиной от 3 до 5 нм. Другой пример: хорошо известно, что обычное серебро не растворимо в разбавленных кислотах (кроме азотной). Однако совсем маленькие наночастицы серебра (не больше 5 атомов) будут растворяться с выделением водорода даже в слабых кислотах типа уксусной, для этого достаточно создать кислотность раствора pH = 5 [4].
Профессор Хатчингс использует золото в качестве катализатора. Но чтобы выполнять эту функцию, металл должен образовывать соединения, пусть и непрочные, то есть ненадолго, с другими участниками реакции. А на это, как всем известно, золото неспособно – по крайней мере, до тех пор, пока оно находится в виде слитка, или монеты, или пластины.
Но если продолжать делить кусок золота на всё более мелкие фрагменты с тем, чтобы получить наночастицы размером всего в несколько атомов, то золото становится химически чрезвычайно активным. И перед нами открывается совершенно новый, неведомый мир реакций, которые оно способно ускорять .
Эсбен Торнинг (Esben Taarning), сотрудник химического факультета Технического университета в датском городе Люнгбю, пошёл ещё дальше – он использует не только золото в качестве экологичного катализатора, но ещё и биомассу в качестве экологичного сырья. В частности, глюкозу из картофельного или кукурузного крахмала, которую он сначала обезвоживает.
Таким образом, можно сформировать молекулы вещества, именуемого гидроксиметилфурфурал. А из него методом окисления в присутствии золотого катализатора можно получить один из основных компонентов для производства биопластмасс.
Такая технология позволит изготовлять, скажем, бутылки для минеральной воды из пластика на основе растительного сырья. Сегодня большая часть таких бутылок производится из полиэтилентерефталата – пластмассы на основе терефталевой кислоты.
В процессе её производства используются нефтепродукты, а между тем, всё идёт к тому, что некоторые их этих нефтепродуктов могут стать очень дефицитными, а значит, непомерно дорогими. Поэтому представляется разумным, уже сегодня позаботиться об альтернативе. Химикаты, которые получают из биомассы с помощью наночастиц золота в качестве катализатора, вполне могут претендовать на то, чтобы стать такой альтернативой.
Понятно, впрочем, что одним лишь превращением инертного золота в химически активное роль нанотехнологий в химии не исчерпывается. Особое значение они обретают, например, в пищевой промышленности. Как известно, жиры в воде нерастворимы, поэтому при мытье посуды в воду обязательно добавляют специальные поверхностно-активные вещества – так называемые тензиды. Типичным примером может служить мыло. Эти вещества состоят из удлинённых молекул, один конец которых обладает сродством к воде, другой легко сцепляется с жирами. В результате в воде образуется множество мельчайших капелек жира, поверхность которых, если посмотреть на неё в микроскоп, щетинится молекулами тензидов, словно ёж колючками. Без тензидов получить такую эмульсию, состоящую из взвешенных в воде капелек жира, то есть перемешать жир с водой, было бы невозможно.
Аскорбиновая кислота является природным антиоксидантом, однако до сих пор её не удавалось ввести в масло. И вот теперь мы именно это и сделали. То есть сегодня мы можем предложить растительные масла, обогащённые витамином С с целью защиты от прогоркания. Сходные технологии фирма разработала и для целого рада других промышленных консервантов, которые иначе внедрить, скажем, в молоко и некоторые кисломолочные продукты невозможно.
В тех случаях, когда при смешивании несмешиваемых веществ можно не обращать внимание на такие показатели как прозрачность – например, при изготовлении майонеза, – сегодня всё чаще используется другой метод, также базирующийся на нанотехнологиях. Каждый из компонентов, подлежащих смешиванию, пропускаются под давлением сквозь очень мелкопористое сито. Образующаяся в результате эмульсия достаточно стабильна – если только поры не слишком сильно отличаются размерами. В противном случае эмульсия норовит расслоиться, что придаёт, скажем, тому же майонезу мало аппетитный вид. Всё дело в том, что среди образующих эмульсию капель действует звериный закон: большие и сильные пожирают маленьких и слабых. Поэтому важнейшими условиями стабильности эмульсии являются её гомогенность и тонкодисперсность, которые достигаются за счёт применения сит с нанопорами строго одинакового размера. Технология производства таких сит во многом сходна с технологией производства микропроцессоров: и те, и другие изготовляются из тончайших пластин кремния, которые подвергаются фототравлению. Наиболее совершенные сита такого рода могут выполнять роль фильтров: они способны задерживать патогенные микроорганизмы и даже вирус [5]…
В перспективе нанотехнологии могут заменить принятые сегодня методы производства. Запрограммированные нанороботы смогут собирать по заказу любые объекты непосредственно из атомов и молекул. А в далеком будущем не исключено, что у каждого человека будет свой наносинтезатор, позволяющий создавать различные предметы и вещества.
Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов[ 5 ].
Нанонаука еще очень молода – ей всего лишь около 20 лет! И как любой молодой организм, она очень быстро развивается и только еще начинает приносить пользу. Пока лишь небольшая часть достижений нанонауки доведена до уровня нанотехнологий, однако процент реализации все время растет, и через несколько десятков лет наши потомки будут недоумевать – как же мы могли существовать без нанотехнологий!
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.
Читайте также: