Разработка новых веществ и материалов реферат

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 P_max возрастает при переходе в нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Исследовательская работа

«Нанотехнологии -

Человек и природа в отечественной науке.

Работу выполнила ученица 10 класса

Комсомольского района ЧР

Сорокина Татьяна Дмитриевна

Сорокина Ольга Григорьевна

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее.

Цель работы:

-узнать что такое нанотехнологии;

- выяснить применение этой науки в различных отраслях;

-узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.

Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями нано технологий в: медицине, в том числе авиационно-космической; защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф; автомобильной, тракторной и авиационной технике; безопасности дорожного движения;

системах информационной безопасности;решении экологических проблем мегаполисов;сельском хозяйстве; и т.д.

Мы решили остановиться на применении нанотехнологии в медицине, пищевой промышленности, военном деле и космосе, так как эти области у нас вызвали интерес.

1. Нанотехнологии в современном мире.

В современном звучании нанотехнологии - это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.

У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, "китайские чернила" в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.

Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита приблизительно в 400 г.д.н. эры он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

В 2003 году японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован "первый в мире" квантовый компьютер, а 7 сентября 2006 года Правительство Российской Федерации одобрило концепцию Федеральной целевой программы развития нанотехнологий на 2007-2010 годы.

Таким образом , сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.

На сегодняшний день науке известно 110 химических элементов, но по удельному весу они распределены крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в Земле в два

раза меньше, чем алюминия. Однако для более 95% всех металлических изделий изготавливаются из железорудного сырья. Поэтому для современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

Сегодня на смену старым материалам приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, чем старые. Кроме того, нужно искать заменители традиционным видам сырья. Поэтому исследования ученых направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике не случайно, именно они составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно выплавляется около 600 млн. т металла — более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того, их изготовление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Однако благодаря развитию химии открывается все больше возможностей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов. Это позволяет соответственно снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А используя в производстве керамики такие химические элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами.

Так, стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений, из него изготавливались бусины. Затем из стекла стали изготавливать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. научились уже выплавлять стекло более 800 разновидностей, из него делали около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недостатком — оно было хрупким, изделия из него легко бились и ломались. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла. Это стало возможным после того, как в 20—30-е гг. XX в. была выяснена его структура. После этого появилась возможность делать стекло не только небьющимся, но и жаропрочным, способным выдерживать перепады температур от 1000°С до комнатной температуры. Кроме того, было получено стек-

ло, которое можно обрабатывать, как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло). Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Кроме того, стекловолокно используется в качестве светопровода, по которому можно передать большое количество информации.

Если традиционное стекло является хорошим изолятором, то в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойствами, которое изготавливается методом тонкопленочной технологии. Таким образом, область применения стекла постоянно расширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства и силикатные и керамические материалы, также давно известные человеку. 90% всех производимых в мире строительных материалов приходится на силикаты. К ним относятся давно известные человеку (со времен этрусков) бетон и цемент, а также современные материалы — высокопрочный полимер-бетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800°С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолирующими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.

Традиционная керамика — это фаянс, фарфор, каменная керамика, которую получают из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из керамики изготавливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой термической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые керамические материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить металлы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х гг. XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводимости — он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые — полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных и синтетических полимеров получают пластмассы — материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Области применения полимеров весьма разнообразны — от текстильной промышленности до микроэлектроники. Главное достоинство этих материалов — их дешевизна и легкость в переработке.

Кроме того, созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве — пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, т.е. доля пластмасс по сравнению с металлами становится все больше.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленности, в которой увеличивается доля искусственных тканей и синтетических материалов. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние полвека, — вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натуральных волокон — обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшение усадки материала и придание ему несминаемости, обеспечение антистатических, антимикробных и гря-зеотталкивающих свойств.

В настоящее время химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Производятся ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые волокна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном — веществом, останавливающим размножение микробов. Одной из разновидностей синтетических тканей является кевлар — материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров — также заслуга химиков. В ткань скафандра встроены миллионы микроскопических капсул с парафином, которые при нагревании плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаждении отвердевают и выделяют тепло, согревающее космонавта.

Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для производства новых материалов.

Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Получение новых материалов с заданными свойствами. Презентация на заданную тему содержит 33 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!

Применение нанотехнологических разработок Медицина Применение нанотехнологий сделает медицину неузнаваемой. 1.Наночастицы будут использоваться для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. 2.В ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку.

Наномашины В нанотехнологии используются специальные наномашины – ассемблеры. Ассемблеры – это своеобразный сборщик атомов и молекул. Они должны захватывать их , соединять между собой и с базовой поверхностью, а также выполнять другие манипуляции с заданным алгоритмом.

Нанотехнологии в пищевой промышленности Термин наноеда никому не известен. Учитывая то, что непрекращающийся рост населения Земли, наряду с ростом потребления, в последние годы становится одной из наиболее острых глобальных проблем.. На помощь приходят нанотехнологии – БАДы и витамины, заключённые в мицеллы диаметром в несколько десятков нанометров, усваиваются организмом гораздо лучше.

Искусство Перспективы развития науки и техники также определяют пути искусства. В 2001 году японские учёные, используя передовые лазерные технологии, создали самую маленькую в мире скульптуру размерами 10 микрон в длину и 7 микрон в высоту. Она изображает разъярённого быка, разворачивающегося для атаки.

Электроника и компьютерные технологии С появлением новых средств наноманипулирования возможно создание нанороботов размером всего 1-2 микрон, оснащенных бортовыми механокомпьютерами и источниками энергии, которые будут полностью автономны и смогут выполнять разнообразные функции.

Компьютеры и микроэлектроника Центральные процессоры Жёсткие диски Сканирующий зондовый микроскоп Квантовый компьютер

Материаловедение Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные материалы. Появятся материалы, способные изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие, которые могут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Экология Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожить последствия старых загрязнений.

Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана. Космический лифт – это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана.

Опасности, связанные с нанотехнологиями Биологическая угроза Нанотехнологии могут представлять угрозу здоровью человека. Крошечные частички углерода могут попасть в мозг человека через дыхательные пути и оказать на организм разрушительное воздействие. Речь идёт о C60 — одной из трёх основных форм чистого углерода.

Польза нанотехнологий Нанотехнологии помогут создать новое поколение лекарств. Благодаря им появятся новые методы лечения. Многие неизлечимые болезни будут побеждены. На основе нанотехнологий будут созданы новые образцы вооружений, новые системы защиты, что в итоге улучшит существенным образом обороноспособность страны. Благодаря развитию нанотехнологий произойдет революция в компьютерных технологиях. В настоящий момент наноматериалы являются наименее токсичными и наиболее биосовместимыми с живой клеткой (человека, растения, животного). Нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы, их внедрение позволит более эффективно использовать традиционные и откроет путь к новым источникам энергии.

Вред нанотехнологий Нанотехнологии станут причиной новых болезней, от которых не спасут даже новые нанолекарства. Новое вооружение на основе нанотехнологий может попасть в руки террористов, что приведет к хаосу и войне. Разработка наносенсоров, нанодатчиков и прочих систем отображения и передачи информации в итоге поставит крест на неприкосновенности частной жизни. Развитие индустрии производства наноматериалов приведет к еще более серьезному загрязнению окружающей среды.

Вывод Общество, как изменяющаяся структура не должно стоять на месте. Человечество постоянно должно прогрессировать, развиваться, стремиться к лучшему. Нанотехнологии – это путь к успеху! Они необходимы для улучшения комфорта жизни человечества.

Заключение Нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. Каковы будут эти изменения, полезными, несравненно облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству, зависит от взаимопонимания и разумности людей.

Читайте также: