Объяснение происхождения термина нанотехнологии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Примером впервые использованной нанотехнологии является изобретение фотографического фильма Джорджа Истмана, основавшего знаменитую кампанию Kodak .

Он предложил вознаграждение в размере 1000 долларов за привлечение первого, кто прочтёт эту страницу, затем снизил начальную сумму до 1/25000 и позволил прочесть текст под электронным микроскопом. В 1985 г. Выпускником Стэнфорда Томом Ньюманом был впервые использован электронный луч, и написана первая страница исторического прошлого двух поселений Чарльза Диккенса на булавочном острие. Итоги своей работы он отправил Фейману, которое тот подтвердил в двухнедельный срок.

Многие ученые знают, насколько точны прогнозы Ричарда Фейнмана.

В 1966 г. американским физиком Расселом Янгом , который работал в Национальном бюро стандартизации, был изобретён пьезоэлектрический двигатель, используемый микроскопами в сканировании туннелей и укладки наноструктур.

Три химика-практика из Америки: профессор, работавший в университета молекулярной физики Райса Р. Смолли, Р. Карл и Г. Карл (награждённый Нобелевской премией в 1996 году) открыли молекулярное строение воздуха, состоявшее из 60 углеродных атомов, располагавшихся в форме шара. Этими учеными впервые была измерена форма с точностью до 1 нанометра.

В 1986 г. Г. Бинниг изобрел оптический микроскоп , работавший на атомном реакторе, и позволявший визуальную манипуляцию с атомными частицами любого размера.

Д. Эглер и Э. Швейцер , которые работали в Калифорнийском научном центре IBM смогли поместить 35 молекул ксенона в кристалл никеля, который они назвали своим детищем.

Чтобы сознательно разместить атомы в отдельном порядке в новом месте, ими использовалась IBM STM . Однако это длилось недолго время-атомы в скором времени растекались по поверхности.

Профессором из Японии С. Легима , сотрудником Nec 1991, в производстве углеродных трубок были использованы фуллерены (или нанотрубки) с размером окружности 0,8 Нм. На базе которого в данное время началось производство материала, который по прочности не уступает стали.

Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.

Темы исследований

Оформление работы

Наш баннер

Сайт Обучонок содержит исследовательские работы и проекты учащихся, темы творческих проектов по предметам и правила их оформления, обучающие программы для детей.

Код баннера:

Исследовательские работы и проекты

История происхождения нанотехнологий

1. История нанотехнологий

Нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны.

Очевидно, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это огромная и всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками.Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений.

Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что мы изучаем в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией.

Примером первого использования Нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джоржем Истменом, который впоследствии основал известную компанию Кодак.Ричард Фейнман – отец нанотехнологий, предположил использовать атомы, как некий строительный материал, в виде мельчайших кирпичиков или крохотных деталек, невидимых вооруженным глазом – наночастиц.

2. Направление нанотехнологий

2.1. Молекулярный дизайн - это звенья общего процесса создания молекулярной системы от замысла до воплощения. С большой долей условности технологию создания молекулярной системы можно отнести либо к биотехнологии, когда речь идет о биомолекулах, либо к нанотехнологии.

2.2. Наноматериаловедение – это материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий , обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.

2.3. Наноприборостроение –это создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийный систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

2.4. Наноэлектроника – конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, полевых транзитов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

2.5. Нанооптика – это создание нанолазеров, синтез многострийных систем с нанолазерами.

2.6. Нанокатализ – это разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

2.7. Наномедицина – это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими уровне, используя наноустройства и наноструктуры.

2.8. Нанотрибология – это направление в трибологии, связанное с теоретическим и экспериментальным изучением процессов адгезии, трения, износа и разрушения в атомных и молекулярных масштабах взаимодействия поверхностей.

2.9. Управляемые ядерные реакции - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

Наноэнергетика - солнечные батареи, компания Toshiba разработала литиевую – ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной.

Наноэлекроника и нанофотоника - Одной из перспективных отраслей является компьютерная техника.

Компании занимающиеся нанофотоникой разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства.

Углеродные нанотрубки - группа учёных из Японии, обнаружила, что при использовании УНТ совместно с морфогенетическими белками кости часто использующегося для облегчения заживления сломанных костей, производство организмом новой костной ткани ускоряется.

На дворе 2014 год, мы вплотную приблизились к миниатюрным машинам, состоящим из отдельных атомов. Уже появились нано-трубки и нашумело создание графена. Конгресс США обещает к 2030 году наступление сингулярности и выпуск антропоморфных роботов на основе наноматериалов.

Но это только так считается, в реальности нанотехнологии берут свое начало лишь в 1989, тогда же попал в научный оборот и доклад Феймана, но обо всем по порядку.

На протяжении второй половины 20 века развивались как технологии миниатюризации (в микроэлектронике), так и средства наблюдения за атомами. Основные вехи микроэлектроники таковы:

Но главное не это. В мире простейших частиц действует квантовая механика, а значит наблюдение невозможно отделить от взаимодействия. Проще говоря очень быстро оказалось, что микроскопом можно цеплять и двигать молекулы, или менять их электрическое сопротивление простым надавливанием.

В конце 1989 года научный мир облетела сенсация: человек научился манипулировать отдельными атомами. Сотрудник IBM Дональд Эйглер, работавший в Калифорнии, написал на поверхности металла название своей фирмы 35 атомами ксенона. Эта картинка, впоследствии растиражированная мировыми СМИ и уже осевшая на страницах школьных учебников, ознаменовала рождение нанотехнологии.

О повторении успеха сразу же (в 1991) отчитались японские ученые, создавшие надпись «PEACE ”91 HCRL” (Мир в 1991 году Центральная исследовательская лаборатория HITACHI). Правда делали они эту надпись целый год и вовсе не методом размещения атомов на поверхности, а наоборот – выковыривали ненужные атомы из золотой подложки.

Реально повторить достижение Эйглера удалось лишь в 1996 году – в цюрихской лаборатории IBM. По состоянию на 1995 год в мире было лишь пять лабораторий занимающихся манипуляцией с атомами. Три в США, одна в Японии и одна в Европе. При этом европейская и японские лаборатории принадлежали IBM, то есть тоже по факту были американскими.

Что оставалось европейским политикам и бюрократам делать в такой ситуации? Только кричать о пагубности прогресса для окружающей среды и опасности новых технологий в американских руках.

Вот здесь и начинается магия.

С одной стороны Национальный научный фонд, ученые и промышленники считали Дрекслера и его нанотехнологии шарлатанством, но с другой – маховик обсуждения инициативы уже был запущен на самом верху и под исследования планировалось выделить значительные суммы.

При этом дело было во второй половины девяностых и все видели как эффективно Гор смог развить другой инновационный проект – Интернет.

1996 год, Клинтон и Гор прокладывают локалку в школе

Неизбежно вставал вопрос – а не сулят ли нанотехнология такие же быстрые прибыли как интернет? Стоило попробовать.

ННИ стартовала в 2000 с выступления Клинтона перед студентами Калтеха. Её государственное финансирование составило $300 млн, и увеличивалось все последующие годы вне зависимости от политической конъюктуры (1.8 млрд. в 2011, примерно 10% от бюджета НАСА).

Клинтон выступил в аудитории, где Фейнман в далёком 1959 сделал свой знаменитый доклад. Речь была введена в научный оборот Дрекслером в 1989, использовавшим ее на полную катушку. Поэтому нанотехнологическое предание незаслуженно приписывает первый толчок Фейнману.

Но сами “нанотехнологии” стали лишь вызывать все больше вопросов. Со старта инициативы прошло 14 лет, выделены десятки миллиардов и где результат? Можно предположить, что он засекречен. Или… просто занимается не тем, что мы ожидаем.

Если допустить существование у ННИ скрытого ядра, типа программы по созданию антропоморфных роботов, то объединение столь разнородных направлений в рамках одной программы выглядит вполне логично. Как и объединение для этого 25 ведомств и агенств, включая ключевые NSF, DOE, DOD, NIH, NASA и NIST. Так и отсутствие проблем с финансированием на протяжении 14 лет.

Можно ещё вспомнить, что Boston Dynamics, впечатлившая публику образцами роботов, вышла из МИТ аккурат в 1992 — сразу после того, как Дрекслер защитил там диссертацию, которая состояла из общих слов, обещаний и прогнозов… С другой стороны, в обзорах открыто говорится о возможном использовании нанотехнологий при производстве самых разных роботов для нужд минобороны – от наномашин до механического человека не отличимого от настоящего.

Под такое определение попадает что угодно. Оно делает нанотехнологом даже домохозяйку капнувшую маслом на поверхность воды. То есть под брендом нанотехнологий может скрываться что угодно.

Нанотехнологии — это направление науки, специализирующееся на разработке и применении объектов, размер которых составляет от единиц до нескольких сотен нанометров (1 нанометр — это одна миллиардная доля метра). В таких масштабах вещества могут приобретать свойства, отличные от характеристик на других уровнях (например, на атомном, молекулярном или макромасштабе).

Современные наноматериалы позволяют создавать сложные электронные устройства нового поколения, которые могут применяться при производстве мощных компьютеров, медицинской диагностике, высокоскоростной передаче данных и др.

Вот лишь некоторые области применения нанотехнологий:

полупроводниковые транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры;
телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии;
видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
топливные элементы и устройства хранения энергии;
робототехника (нанороботы — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой);
нанесение покрытий,
фармацевтика;
авиационная, космическая и оборонная промышленность;
судоремонтная, нефтегазовая, строительная и другие отрасли;
устройства контроля состояния окружающей среды;
заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
выявление канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов;
безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

(Из материала о том, как растения помогают в мониторинге окружающей среды.)

Происхождение термина

Практика

К началу 2020-х годов мировой рынок наноиндустрии составляет около $6 трлн и прирастает на 15% ежегодно.

Няндомский железнодорожный колледж

Цель: Познакомиться с основами нанотехнологий, показать их значимость в современном мире.

1. Адаптировать учащихся к перспективам нанотехнологий.

2. Способствовать формированию познавательного интереса учащихся, расширить и углубить их представления о влиянии размеров атомных структур на разнообразные физические свойства.

3. Способствовать желанию самостоятельно изучать научную информацию в Интернете и умению анализировать получаемую информацию о развитии нанотехнологий.

Основные понятия:

Нано – дольная приставка единиц, обозначающая 10 -9 .

Наночастица – это частица, объект, имеющий размеры 1-100 нанометра.

Нанотехнология – это технология работы с веществом на уровне отдельных атомов.

План лекции:

Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора.Уменьшим слона до размера микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалось бы нам тогда равной… 170 километрам.

Откинем фантазию о крошечных человечках и насекомых. На самом деле нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Сложные молекулы белков, строительные блоки живого, имеют размеры в 10нм. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи В этом особом мире работают свои законы и взаимосвязи, значительно отличающиеся от тех, которые действуют в нашем мире. Мы воспринимаем окружающие нас явления с точки зрения знакомых нам законов. Например, мы можем объяснить, почему может разрушиться строение, или почему набравшее скорость тело движется по инерции еще некоторое время. Однако нас удивляет, почему капля воды, муха, или даже некоторые виды ящериц удерживаются на потолке так, как будто закон гравитации на них не действует. Удивительными являются для нас и такие обычные явления, как несмачиваемость листьев некоторых растений или плодов. Все это заставляет задуматься над тем, какие силы работают в данном случае.

Ещё одно из замечательных изобретений природы – лапки геккона. Геккон – небольшая ящерка, прославилась тем, что может свободно перемещаться по вертикальным стенам или даже потолку. И все потому, что его лапки покрыты до миллиарда тончайшими волосками особой формы. Они тесно соприкасаются с поверхностью и притягиваются к ней за счет так называемой ван-дерваальсовой силы, силы, действующей между молекулами. Нанотехнологи уже создали экспериментальные аналоги таких нанолипучек на основе углеродных нанотрубок – вполне возможно, что скоро каждый сможет попробовать себя в роли человека-паука.

В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами 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.

Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, часто непривычные для нас свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Создание материалов с такими замечательными свойствами стало возможно благодаря тому, что нанотехнологи работают с веществом на атомном и молекулярном уровне.

Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях, самые дорогие из них давали эффективность лишь 34%. Нанотехнологии вплотную взялись за солнечную энергетику. Солнечные батареи нового поколения - это дешевая полимерная пленка, вместо дорогого кристаллического кремния, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотоплёнки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю энергию, используют нанотехнологии: покрытие, содержащее фуллерены. Новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.

Каждый из нас знаком с энергетикой плееров, диктофонов, фонариков, игрушек. Её основа – обычная литий-ионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы и нанопористые материалы – они заряжаются с немыслимой ещё вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Представьте, какое преимущество для электромобилей даст эта новинка!

Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применить виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющее повязки для ожогов и серьёзных ран, содержащие такое наносеребро. В недалёком будущем начнется промышленный выпуск хитозановых повязок, которые ускорят заживление ран в разы. Планируется выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.

Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Толщиной он всего несколько миллиметров и представляет собой органический светодиод. На сегодняшний день есть у него серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. Этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые токи, и получить их можно из окружающей среды, например, из тепла человеческого тела.

При разнице температур всего в 2°C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения: в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.

Перспективы нанотехнологии. По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы. Давайте немного пофантазируем, представим мир недалекого будущего. Электричеством нас будут обеспечивать солнечные батареи, встроенные в стены и крыши домов. Телевизоры, компьютеры будут компактными виде стикеров. Все окружающие нас предметы будут оснащены миниатюрными процессорами, чтобы, например, поддерживать необходимую температуру, давление, влажность, следить за составом воздуха. Микро- и нанодатчики помогут в обнаружении любых угроз, от пожара до атаки террористов. Даже одежда будет самоочищающая и умеющая контролировать эмоциональное состояние того, кто её носит. Наноматериалы ширко будут использоваться в технике и промышленности, они будут защищать от грязи, коррозии, различных повреждений. Однако самое интересное и важное – как повлияет развитие нанотехнологий на частную жизнь человека, на жизнь общества в целом. Уже ясно, что эти технологии сильно изменят мир. Но предвидеть эти изменения в деталях пока не может никто.

Нанотехнологии – это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности человека, которую они бы не затронули. Мир нанотехнологий интересен и доступен не только ученым. Ищите, читайте, анализируйте информацию. Занавес в удивительный мир нанотехнологий приоткрыт! Попробуйте самостоятельно познакомиться, например, с наноартом, космическим лифтом.

Читайте также: