Наноматериалы в быту реферат

Обновлено: 07.07.2024

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время относят к ключевым аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая 1 курс.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Уральский Государственный Университет им. А.М. Горького

Кафедра неорганической химии

НАНОМАТЕРИАЛЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, СВОЙСТВА

Студентки 1-го курса

Астафьевой Юлии Дмитриевны

доц., к.х.н. Кочетова Н.А.

обработки поверхности 26

Технологии, основанные на физических процессах 26
Технологии, основанные на химических процессах 28

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;
развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и внедрение наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;
развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Начало XXI века ознаменовалось масштабным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых

странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения

фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том,

что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов

будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического

и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI века будет веком нанотехнологий (по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век – веком атома и компьютера).

Таким образом, тема наноматериалов в наше время очень актуальна. Поэтому я и взяла ее для своей курсовой. Цель моей работы - рассмотреть основные представления о наноматериалах, их структуре, свойствах и технологиях их получения.

1. Наноматериалы: прошлое и настоящее

Научные исследования нанообъектов берут свое начало в XIX веке, когда в 1856-1857-е годы М. Фарадей впервые получил и изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Но свое основное развитие наноматериалы получили в ХХ веке. Этот термин ввел в научный обиход Глейтер в 80-х годах XX века. Он же первый и сформулировал концепцию наноматериалов. Глейтер указал на возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами.

В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как

фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено такими причинами, как:

- стремление к миниатюризации изделий;

- уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии;

- необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

- развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

- практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, рентгеновские методы, нанотвердость);

- развитие и внедрение новых технологий (ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения и формования нанопорошков и т.п.).

Развитие фундаментальных и прикладных представлений о наноматериалах и нанотехнологиях уже в ближайшие годы может привести

к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности: в

материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении,

медицине, сельском хозяйстве, экологии. Наряду с компьютерно- информационными технологиями и биотехнологиями, нанотехнологии являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке.

2. Понятие о наноматериалах. Классификация и типы структур наноматериалов

Так что же такое наноматериалы? В общем, это материалы, обладающие каким-либо уникальным свойством, полученным благодаря использованию наночастиц и нанотехнологий в целом. Размер наночастиц лежит в диапазоне от 1 до 100 нм. Однако в настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1–2 нм и менее. Но необходимо понять, что размеры частиц, из которых состоят наноматериалы, ничего не значат. Суть в том, что эти наночастицы позволяют получить какие-то ранее недосягаемые свойства (например, текучесть одновременно с возможностью притягиваться к магнитам). Наночастицы в руках нанотехнологов это всего лишь инструмент. Например, можно взять много наночастиц слепить их в комок, но это не будет наноматериалом, это будет просто комком наночастиц.

2.1. Классификация наноматериалов

Существует несколько типов классификаций наноматериалов (НМ). Одна из них - классификация по Глейтеру. Немецкий ученый разделил наноматериалы на следующие типы:

1. материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу;

материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет создания в них наноструктуры;
массивные НМ, которые можно разделить на два класса:
1. НМ, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объему материала на атомном уровне. К таким материалам относятся стекла, гели, пересыщенные твердые растворы или имплантированные материалы получаемые;
б. НМ, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).

Но более обширное и четкое представление о наноматериалах дает классификация по структурным признакам (рис.1). Согласно ей все наноматериалы подразделяются на наночастицы и наноструктурные материалы.

Рис.1. Классификация наноматериалов по структурным признакам.

Наночастицы представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул. К ним относятся:

Наноструктурные материалы представляют собой ансамбли наночастиц. В таких материалах наночастицы играют роль структурных элементов. Нано-структурные материалы подразделяются по характеру взаимосвязи наноча-стиц на консолидированные наноматериалы и нанодисперсии.

Консолидированные наноматериалы – это компактные твердофазные материалы, состоящие из наночастиц, которые имеют фиксированное пространственное положение в объеме материала и жестко связаны непосредственно друг с другом. К консолидированным наноматериалам относятся:
1. нанокристаллические материалы, состоящие из нанокристаллов, которые обычно называют нанозернами, или нанокристаллитами;
2. фуллериты, состоящие из фуллеренов;
3. фотонные кристаллы, состоящие из пространственно упорядоченных элементов, которые сравнимы по размеру в одном, двух или трех направлениях с полудлиной световой волны;
4. слоистые нанокомпозиты (сверхрешетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины;
5. матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной основы – матрицы - в объеме которой распределены наночастицы (или нанопроволоки);
6. нанопористые материалы, характеризующиеся наличием нанопор;
7. наноаэрогели, содержащие прослойки наноразмерной толщины - разделяющие поры.
Нанодисперсии представляют собой дисперсные системы с наноразмерной дисперсной фазой. К нанодисперсиям относятся указанные выше матричные нанокомпозиты и нанопористые материалы, а также:
1. нанопорошки, состоящие из соприкасающихся друг с другом наночастиц;
2. наносуспензии, состоящие из наночастиц, свободно распределенных в объеме жидкости;
3. наноэмульсии, состоящие из нанокапель жидкости, свободно распределенных в объеме другой жидкости;
4. наноаэрозоли, состоящие из наночастиц или нанокапель, свободно рас-пределенных в объеме газообразной среды.
Особой разновидностью наноструктурных материалов являются биомолекулярные комплексы, которые, так же как и биомолекулы, имеют биологическую природу.

Еще одна классификация делит наноматериалы по количеству измерений. Согласно ей НМ бывают:

Нанотехнологии… Звучит футуристично. Но истина в том, что, очевидно, вы их использовали трижды, выйдя сегодня утром из дома. Более 800 бытовых коммерческих изделий современности основаны на нанотехнологиях. Где же они прячутся? Давайте посмотрим. (Поверьте, вы никогда больше не сможете воспринимать зубную пасту или презервативы, как раньше.)

Лейкопластырь

Кусочек лейкопластыря, которым вы заклеиваете порез на ручке вашего ребенка, имеет нанослой серебра, помогающий быстрее залечивать рану. Это потому, что серебро имеет антибактериальные свойства, которые действуют лучше с повышением площади поверхности, что обеспечивается наночастицами.

Зубная паста

Почистьте свои белоснежные зубы определенной пастой, и наночастицы минералов на основе гидроксиапатитов кальция заполнят микротрещины в эмали и сохранят зубы от кариозных полостей.

В смартфонах используются самые разные нанотехнологии, и одной из самых гениальных является нанодатчик вибраций, фиксирующий движения телефона в игровых целях и для безопасности. Да, ваш iPhone знает, когда вы его уронили, и закрывает части своей системы для защиты. Даже если лопнет стекло с повышенной сопротивляемостью к ударам и царапинам, наночипы внутри продолжат работать. Один аппарат в 2011 году даже пережил падение в кармане скайдайвера.

Шоколадный коктейль

Представьте шоколадный коктейль без сахара с усиленным вкусом шоколада. Такой напиток уже есть. Содержащиеся в нем наноразмерные кластеры какао имеют большую площадь поверхности, и как только они сталкиваются с вкусовыми сосочками на языке, то производят громадное вкусовое воздействие. При этом нет необходимости добавлять подсластители.

Теннисные мячи

Теннисные мячи теряют упругость, так как их резиновая основа пористая и пропускает газ, вследствие чего они со временем выпускают воздух (кстати, именно потому сдуваются шарики). Чтобы решить эту проблему, ученые покрывают резиновую основу нанослоем глиняного композита, что делает мячики герметичнее и позволяет им дольше оставаться на корте.

Автомобильная краска

Владельцам мерседесов больше не нужно бояться царапин на кузове автомобиля, так как наночастицы краски действуют, как слой микроскопических шариков, заполняя любые полости на поверхности.

Грязезащитная одежда

Даже самые неаккуратные люди могут легко решить проблему пятен на одежде при помощи специального нанопокрытия. Оно представляет собой совершенно невидимое грязе- и водоотталкивающее средство для одежды из шерсти, шелка или синтетики. При этом воздухопроницаемость ткани остается прежней, на вид и на ощупь она остается совершенно без изменений.

Оксид алюминия – активный ингредиент в солнцезащитных средствах, поглощающих ультрафиолетовые лучи – распадается при смешивании с другими молекулами, такими как пот на коже. Поместите эти активные ингредиенты в наноэмульсию, и они останутся отделенными от окружающей среды и смогут выполнять свою поглощающую функцию.

Каноловое масло

Многие белки и витамины не растворяются в воде, а потому их сложно добавлять в еду. Но если разбить их на нанокапли, проблема будет решена. Каноловое масло содержит нанокапли фитостеролов, которые позволяют держать на низком уровне содержание холестерина, а потому можно есть жареных цыплят круглые сутки и при этом не страдать от последствий накопления холестерина в организме.

Презервативы

Да, нанотехнологии попали и в спальню, на этот раз в форме нанопены в презервативах. Наночастицы серебра в пене разрушают бактерии и препятствуют в распространении инфекций, передаваемых половым путем.

Теперь современные изобретения нанотехнологии в быту у всех на устах. О них говорят по телевизору, рассказывают в газетах. Но обычному человеку не совсем понятно, что значит нанотехнологии в быту, где же их применяют. Оказывается, во многих повседневных делах люди сталкиваются с наночастицами.

Быт и нано – все под рукой!

Нанотехнологии в быту используются очень широко. Даже в лейкопластыре, который наклеивают на мозоль или на самый мелкий порез, есть нанослой серебра. Он увеличивает скорость заживления. Ведь у серебра есть свойство антибактериальности. И чем больше площадь поверхности, с которой частицы соприкоснутся, тем быстрее пойдёт заживление, с чем помогают мельчайшие наночастицы.

Чтобы зубы были белоснежными, их нужно почистить той пастой, в составе которой есть наночастицы минералов. Они наполнят эмаль и её микротрещинки, защищая зубы от кариеса.

В современных телефонах, в том числе в смартфонах, самые разные нанотехнологии используются. Это покажется удивительным, но есть даже такая гениальная разработка, как нанодатчик вибраций. Когда смартфон падает, наночастицы закрывают наиболее важные части системы, защищая их. А если разобьется стекло, у которого повышена устойчивость к ударам, то все равно наночипы не ломаются, продолжая работать. Несколько лет назад, в 2011 году, один смартфон продолжил работать после падения парашютиста, который положил его в свой карман.

Сейчас даже есть такие шоколадные коктейли, которые не нуждаются в сахаре и других подсластителях. Ведь в этих коктейлях содержатся наноразмерные кластеры какао. У них большая площадь соприкосновения с вкусовыми рецепторами языка человека, поэтому у коктейля, содержащего такие частицы, будет более выраженный шоколадный вкус.

Для того, чтобы теннисные мячики были упругими долгое время, не выпускали воздух, ученые придумали их резиновую часть, которая пористая и может пропускать газ, покрывать нанослоем глиняного композита. Это придаст мячикам герметичность, они не будут сдуваться.

Наночастицы автомобильной краски могут заполнить любые царапины на кузовах автомобилей, действуя как слой очень маленьких шариков.

В кремах, лосьонах от солнечного воздействия активным ингредиентом является оксид алюминия. Он поглощает вредную часть солнечных лучей – ультрафиолет, но когда оксид алюминия смешивается с другими частицами, к примеру, с потом на коже, происходит распад. Если же активные элементы солнцезащитного крема поместить в наноэмульсию, то это даст им возможность не смешиваться с окружающей средой, и тогда солнцезащитное средство останется эффективным.

И даже в спальне!

Нанотехнологии в доме, они, оказывается, проникли и в спальню! Наночастички содержатся в нанопене презервативов. Те же наночастицы серебра, что и в лейкопластырях, предотвращают распространение инфекций, что передаются через половые связи. Наночастицы серебра могут разрушать разные бактерии.

Нанотехнологии в пищевой промышленности

Нанотехнологии не обошли и пищевую промышленность. Необычные продукты питания изготавливают, используя наночастицы. К примеру, наночастицы селена добавляют в китайский чай, а наночастицы жира тунца – в австралийский хлеб.

Некоторые витамины и различные белки не могут соединятся с водой, растворяясь в ней. Их почти невозможно добавить в еду. Однако, стоит разделить их на нанокапли, и решение найдено! Так, в каноловом масле есть нанокапли фитостеролов, благодаря которым можно контролировать высокий уровень холестерина, снижая его.

И конечно же, нанотехнологии используют в технике. С их помощью увеличивают параметры памяти. Нанотехнологии позволили создать ноутбуки и смартфоны, и многое другое. Детали, покрытые наночастицами служат намного дольше. Это используют и в автомобилестроении. Ещё в автомобилях можно установить зеркала или специальные стёкла, что не будут промерзать или запотевать. Это может сделать жизнь автомобилистов намного комфортнее.

Нанотехнологии в одежде

Нанотехнологии позволили создать грязезащитную одежду. Все люди, которые не могут аккуратно носить одежду, постоянно сажают пятна и кляксы, могут расслабиться. Специальное невидимое отталкивающее грязь и воду средство наносят на многие виды тканей. Это никак не влияет на проникание воздуха, внешне и тактильно одежда кажется такой же, какой она была.

Итак, нанотехнологии для дома, для техники, для питания, для одежды помогают решить многие проблемы, что казались раньше неразрешимыми. Чем больше открытий совершают ученые о наночастицах, тем больше у людей становится возможностей для комфортной жизни.

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: