Используя интернет подготовьте сообщение о достижениях нанотехнологии и ее роль в жизни общества
Обновлено: 05.07.2024
Нанотехнологии - это современные разработки на микроуровне. В мире появилось много самых удивительных изобретений в этой сфере. Мы расскажем о самых примечательных.
Плащ-невидимка из графена . Ученые из Университета Далласа в Техасе изобрели плащ-невидимку, использовав известное природное явление – мираж. Новый материал, созданный на базе графена, обладает свойствами, сходными с раскаленным песком в пустыне, что позволяет "отводить глаз" от предмета, делая его невидимым. При этом невидимость можно включать и выключать, пуская по наноматериалу электрический ток.
Мираж в природе появляется при резких скачках температуры на поверхности небольшой площади. Лучи света преломляются и попадают на сетчатку глаза, не отражаясь при этом от поверхности. Поэтому если в пустыне у человека перед глазами возникает образ озера, то это часто оказывается лишь отражением голубого неба, которое отразилось от горячей прослойки воздуха у раскаленного песка.
Наноэлектроника . Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронным устройств. Ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Наноэлектроника получит новый импульс после этой разработки. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью.
В качестве исходного субстрата японцы взяли мономолекулярную пленку из диацетилена, нанесенного на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина. По мнению создателей, данная схема будет функционировать как диод.
Наномозг . Мозг человека по многим параметрам превосходит современные вычислительные системы.
Его структурными элементами, как известно, служат нейроны, количество которых у человека приближается к ста миллиардам. Уникальной характеристикой соединяющих нейроны синапсов является их способность изменять эффективность связи. В это связи ученые уже много лет ведут поиск способа искусственно смоделировать нейронную сеть мозга. Недавно сотрудники Стэнфордского университета (США) заявили о создании функциональной модели синапса на основе материала с лёгким изменением фазового состояния.
В одном прототипе пространство между нанопроводами заполнено пластиком, а вся конструкция находится между двумя пластинами электропроводного материала. При небольшом сжатии он вырабатывает напряжение около 0,24 В. Другой генератор содержит больше нанопроводов и вырабатывает 1,26 В, то есть приближается к напряжению стандартной батарейки или аккумулятора.
Наномедицина и профилактика. Ученым из Университета Айовы удалось с помощью наночастиц пролить свет на сложные процессы, происходящие внутри элементов живой клетки. Все элементы клетки, по сути, можно назвать природными наномеханизмами, однако в настоящее время ученые имеют весьма смутное представление о том, как именно они их выполняют. Американцы выделили и исследовали несколько типов базовых перемещений, происходящих во внутриклеточных наномашинах.
Наномедицина позволяет разработать новые методы диагностики. Поступательное перемещение несложно отследить с помощью современных микроскопов. Однако вращательное движение наблюдать намного сложнее вследствие ограничений наблюдательной техники, вследствие чего многие процессы, в основе которых лежат вращательные молекулярные перемещения, до сих пор слабо изучены.
Затем ученые ввели в клетку наностержни из золота, размеры которых составляют 25 нм в диаметре и 75 нм в длину, которые рассредоточились по клетке. Затем с помощью микроскопии по методу интерференционного контраста они смогли замерить и их положение и перемещение и смоделировать на компьютере полную трехмерную картину происходящих в клетке перемещений. Результаты их исследований могут помочь в лечении различных тяжелых заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера, а также продвинуть исследования в области искусственного моделирования внутриклеточных процессов.
Наносенсор . Ученые из Стенфордского университета разработали инновационный чип-биосенсор, позволяющий диагностировать рак на ранних стадиях. Сенсор, сконструированный профессором Шаном Вонгом и его коллегами основан на технологии магнитного детектирования и способен обнаруживать заданный протеин-биомаркер рака при концентрации один к ста миллиардам (то есть 30 молекул на один кубический миллиметр крови). Такой сенсор почти в тысячу раз чувствительнее, чем применяющиеся в настоящее время технологии диагностики начальных стадий развития опухолей.
Кроме того, его работа одинаково эффективна в любой биологической жидкости, в которой врачам нужно определить нахождение ракового биомаркера – в слюне, плазме и сыворотке крови, моче или лимфе. Эффективность наносенсорного чипа была подтверждена опытами на мышах. При этом, как сообщают ученые, сенсор можно настроить на поиск самых различных протеинов-биомаркеров и, соответственно, обнаруживать не только рак, но и многие другие заболевания.
Нанобот . Корейские ученые заявили о разработке новой технологии управления медицинскими микророботами в теле человека.
О перспективах микроботов писали многие, как ученые, так и фантасты. Перемещаясь с током крови, микромашины могли бы выполнять сложнейшую работу, доставлять лекарственные препараты, убивать раковые клетки и бактерии, разрушать тромбы и другие образования, до которых невозможно добраться никаким другим способом. Однако на настоящее время проблемой остается не только конструирование некоторых узлов микроботов, но и управление ими.
Выращивание органов . Мысль о том, что органы для трансплантации можно выращивать, не нова, однако к ее осуществлению есть ряд препятствий. Органы нельзя вырастить, как кусочек кожи в чашке Петри, им нужна объемная матрица, своего рода каркас для роста. Однако ученые из университета Райса предложили совершенно иной способ – выращивать органы в подвешенном положении с помощью магнитного поля. Осуществлением этого метода занимается лаборатория n3D Biosciences. С помощью вирусов бактериофагов в клетку доставляется запатентованная смесь наночастиц под названием Nanoshuttle. Эти частицы внутри клеток реагируют на воздействие магнитного поля, что позволяет контролировать рост ткани в трех измерениях. В таком подвешенном положении клетки могут жить и размножаться, образуя объёмные структуры, согласно заложенной в ДНК программе. Культура клеток будет развиваться естественно, гораздо лучше, чем на дне плоской чашки Петри. А значит, и функционировать в лабораторных условиях клетки будут как в живой природе. В ходе экспериментов специалистам n3D Biosciences уже удалось вырастить эмбриональные клетки почки (HEK293), которые можно использовать для скорейшего заживления ран и тестирования определенных лекарств.
Восстановление ткани позвоночника . Совместной группе ученых из Италии и США удалось добиться значительных успехов в области восстановления ткани позвоночника после травм. Обычно после переломов в месте повреждения образуется рубец, не передающий биотоки, вследствие чего человек оказывается частично или полностью парализован. Ученые выдвинули идею выращивания с помощью опорных наноструктур множества крошечных параллельных трубочек, в которых нарастала бы новая нервная ткань. Такие конструкции из трубочек 2-3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре удалось сформировать из биоразложимых полимеров, при этом внутренняя поверхность канальцев покрыта молекулами, играющими роль химических зацепов для самосборки пептидов. Действенность терапии уже доказана экспериментами на крысах, которые восстановили подвижность задних лапок после травмы в течение шести месяцев, что возвращает надежду людям с параплегией.
Восстановление сетчатки глаза . Другое достижение из области наномедицины снова из Италии, из института технологий в Милане. Ученые нашли способ восстановления повреждённой сетчатки глаза восстановить с помощью светочувствительного пластика.
Создание нейропротезов является непростой задачей, поскольку биологические ткани обычно плохо совмещаются с электроникой и могут оказывать негативное влияние на работу нервных клеток. Решением проблемы искусственной сетчатки стали гибкие полупроводники: ученые засеяли поверхность светочувствительного полупроводникового полимера нервными клетками, которые выросли и сформировали сложные разветвленные нейронные сети. В ходе экспериментов выяснилось, что покрытый нейронами полимер можно использовать в качестве электрода в светоуправляемой электролитической ячейке, при этом он обладает пространственной избирательностью. Кроме того, по словам исследователей, его можно настроить так, чтобы он реагировал только на световые волны определённой длины, благодаря чему становятся возможными разработки систем лечения поврежденной сетчатки так, что восстановится цветное зрение.
Нетрудно заметить, что большая часть наиболее интересных инноваций связана с наномедициной. Быть может, в этом есть некий символизм, поскольку сложнейшие элементы человеческих клеток, по сути, и есть природные наномашины, и ученые чаще всего не придумывают новое, а копируют подсмотренное у природы. Возможно же, что такое внимание к медицинским разработкам дает надежду на то, что будущее нанотехнологий это все же не военные наноботы, а медицинские роботы, и что новые технологии сделают человека более сильным, ловким и здоровым, а не превратят его в рабочий механизм.
Изобретения, невидимые глазу, но действенные и практичные. Нанотехнологиям пророчат изменение будущего.
А что учёные уже открыли в этой сфере? И можем ли мы этим воспользоваться уже сейчас?
Жидкий металл
Пластыри вместо укола
Очистка воды
Разлив нефти и аварии нефтяных танкеров – катастрофа для океана, сравнимая по масштабам с Хиросимой, а то и хуже. Миллионы литров нефти растекаются на десятки тысяч километров вокруг, делая воду непроницаемой для кислорода. Гибнут водоросли, рыба, птицы. Чтобы подобного не случалось, исследователи работают над плёнкой, толщиной в нанометры, чтобы она, в сочетании с сеткой из нержавейки отталкивала нефть, очищая поверхность воды. Исследователи нашли пример в природе – лисья лотоса отталкивают нефть, именно поверхность этих растений и пытаются воссоздать учёные.
Очистка воздуха для подводных лодок
Один и тот же воздух возвращается в каждые лёгкие всего экипажа подлодки, производя перед тем очистку. Чтобы очистить воздух, задействуют амины, которые пахнут аммиаком. Чтобы облегчить жизнь подводникам, и всем, кому приходиться работать в закрытых помещениях, исследователи создали SAMMS, которая предполагает очистку наночастицами в гранулах из керамики. Пористость вещества поможет поглощать ему углекислый газ. Столовая ложка этого вещества может очистить место, площадью как футбольное поле.
Нанопроводники
Твёрдая наночастица сможет передавать ток в разных направлениях, сможет заместить собой работу выпрямителей тока, переключателей и диодов. Такая частица будет окружена отрицательно заряженными атомами, а электрозаряд будет размещать их в нужном порядке вокруг частицы. Материалы помогут сделать электронику более эффективной и помогут объединять разные технологии.
Нанозарядка
Зарядка будет впитывать из окружающего пространства кинетическую энергию, и будет направлять её в устройство. Пьезоелектрическое вещество, лежащее в основе этой технологии, поможет создавать электричество, используя собственное механическое напряжение. Исследователи Висконсинского университета считают, что этот прибор сможет заряжать всё – от автомобилей, заканчивая производственные препараты и телефоны.
Химический 3D-принтер
Мартин Берк из Иллинойского университета любит создавать удивительные химические вещества, имея в своём арсенале набор разных молекул. Таким образом можно использовать молекулы, которыми пользуются в медицине, чтобы сделать LED-диоды, солнечные батареи и химических элементы. Пока такой принтер создать будет непросто, но однажды, мечтают учёные, они смогут сделать такие принтеры домашними приборами для создания медикаментов.
Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. По определению, данному этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомной структурой". Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомной точностью. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы - основа всех чипов - лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм. Более того, как недавно заявили представители компании "Хьюлетт-Паккард", транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами.
Нанотехнология включат в себя создание, синтез, и применение материалов, устройств и функциональных систем нанометрового масштаба, что означает, что они находятся в масштабе одной миллиардной доли метра. Материя, когда ею манипулируют в нанометровом масштабе, ведет себя неожиданно и принимает совершенно новые свойства. По этой причине ученые используют нанотехнологию для разработки новых и недорогих материалов и систем с уникальными свойствами.
- строительство и сельское хозяйство и т. д.
Вот почему влияние нанотехнологий на наше общество очень велико, и существует консенсус в отношении того, что нанотехнология приведет к промышленной революции 21-го века, как сказал Чарльз М. Вест (бывший президент Массачусетского технологического института).
Нанотехнологии применяются в следующих областях:
1. Окружающая среда: Применение нанотехнологий в окружающей среде включает в себя разработку экологически чистых материалов и процессов, очистку сточных вод, дезинфекцию воды, дезактивацию почвы, обработку отходов, рециркуляцию веществ, наносенсоры для обнаружения химических веществ вредных или токсичных газов.
2. Энергетический сектор: В энергетике нанотехнология стремиться к совершенствованию систем производства и хранения энергии, особенно возобновляемых, таких как солнечная энергия или энергия на основе водорода. Нанотехнологии в энергетике более эффективно сокращают потребление энергии за счет разработки инновационных теплоизоляторов на основе наноматериалов. Нанотехнологии способствуют повышению эффективности солнечных панелей благодаря наноматериалам, специализирующимся на захвате и хранении солнечной энергии.
3. Медицина: В наномедицине происходит разработка наноносителей препаратов, которые могут быть полезны при лечении рака или других заболеваний. Также этими наноносителями являются молекулярные биосенсоры с возможностью обнаружения веществ, таких как глюкоза. С помощью наночастиц можно определять биомаркеры болезни. Наноботы запрограммирован распознавать и убивать опухолевые клетки, восстанавливать костные ткани после перелома. Наночастицы с антисептическим и дезинфицирующим средством также применяются в медицине.
4. Пищевая промышленность: Применение нанотехнологий в пищевой промышленности включает в себя использование наносенсоров и наночипов, полезных для обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов и устройств, которые работают, как электронный нос и язык, оценивая свежесть и срок хранения пищи. Нанороботы обнаруживают в пищевых продуктах патогенные микроорганизмы, добавки, лекарства, тяжелые металлы, токсины и другие загрязняющие вещества. При помощи нанотехнологий идет разработка нанонапарной упаковки и нанопродуктов с функциональными и здоровыми питательными и органолептическими свойствами.
5. Текстильная промышленность: При помощи нанотехнологии происходит разработка тканей, которые отталкивают пятна и не загрязняются, а также самоочищаются, предотвращая появление запаха. Эти ткани включают в себя электронные наночипы, которые дают возможность менять цвет материала или регулировать его температуру.
6. Строительство: При помощи нанотехнологии происходит разработка стройматериалов (наноматериалов) прочных и легких, с большей устойчивостью. Также нанотехнологии позволяют изготавливать стекла, которые отталкивают пыль и краски со специальными свойствами.
7. Электроника: Приложения нанотехнологий в электронике включают в себя:
- разработку электронных компонентов, которые резко увеличивают скорость обработки данных;
- создание полупроводников, квантовых нанопроволок, графеновых схем или углеродных нанотрубок.
8. Коммуникационные и компьютерные технологии: Приложения нанотехнологий в области коммуникационных и компьютерных технологий включают в себя разработку:
- систем хранения данных большей емкости и меньшего размера;
- устройств визуализации на основе материалов с большей гибкостью или с другими свойствами, такими как прозрачность, которые позволяют создавать гибкие экраны. В этой области нанотехнология занимается разработкой систем хранения данных с большей пропускной способностью.
9. Сельское хозяйство: Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве связано с улучшением качества пестицидов, гербицидов, удобрений.
10. Животноводство: Применение нанотехнологий в животноводстве связано с разработкой наночипов для идентификации животных, наночастиц для введения вакцин или лекарств, наносенсоров для обнаружения микроорганизмов и болезней, а также токсичных веществ.
11. Косметическая отрасль: Применение нанотехнологий в косметической отрасле включает в себя разработку кремов против морщин или солнцезащитных кремов с наночастицами.
Читайте также: