Нанотехнологии и области на тяхното приложение. справка. Нанотехнологиите в нашия живот Нанотехнологиите, които използваме в живота

31.03.2024 Баня

Ю. СВИДИНЕНКО, инженер-физик

Наноструктурите ще заменят традиционните транзистори.

Компактната образователна нанотехнологична инсталация "UMKA" ви позволява да манипулирате отделни групи от атоми.

С помощта на инсталацията "UMKA" е възможно да се изследва повърхността на DVD.

Вече има издаден учебник за бъдещите нанотехнолози.

Нанотехнологиите, които се появиха през последната четвърт на ХХ век, се развиват бързо. Почти всеки месец има съобщения за нови проекти, които само преди година-две изглеждаха като абсолютна фантазия. Според дефиницията, дадена от пионера в тази област Ерик Дрекслър, нанотехнологията е „очаквана производствена технология, фокусирана върху евтиното производство на устройства и вещества с предварително определена атомна структура“. Това означава, че той работи върху отделни атоми, за да получи структури с атомна точност. Това е фундаменталната разлика между нанотехнологиите и съвременните „обемни“ технологии за насипно състояние, които манипулират макрообекти.

Нека напомним на читателя, че нано е префикс, обозначаващ 10 -9. Осем кислородни атома могат да бъдат разположени на сегмент с дължина един нанометър.

Нанообектите (например метални наночастици) обикновено имат физични и химични свойства, които са различни от тези на по-големите обекти от същия материал и от свойствата на отделните атоми. Да кажем, че температурата на топене на златни частици с размер 5-10 nm е стотици градуси по-ниска от температурата на топене на парче злато с обем 1 cm 3.

Изследванията, извършвани в наномащаба, се намират в пресечната точка на науките; често изследванията в областта на науката за материалите засягат областите на биотехнологиите, физиката на твърдото тяло и електрониката.

Водещият световен експерт в областта на наномедицината, Робърт Фрейтас, каза: „Бъдещите наномашини трябва да се състоят от милиарди атоми, така че тяхното проектиране и конструиране ще изискват усилията на екип от специалисти. Всеки дизайн на наноробот ще изисква комбинираните усилия на няколко Изследователски екипи. Самолетът Boeing 777 е проектиран и построен от много наномедицински роботи на бъдещето, състоящ се от милион (или дори повече) работни части, няма да бъде по-прост като дизайн от самолет.

НАНОПРОДУКТИ ОКОЛО НАС

Наносветът е сложен и все още сравнително малко проучен и въпреки това не толкова далеч от нас, колкото изглеждаше преди няколко години. Повечето от нас редовно използват едни или други постижения на нанотехнологиите, без дори да го знаят. Например съвременната микроелектроника вече не е микро, а нано: произведените днес транзистори - основата на всички чипове - са в диапазона до 90 nm. И вече е планирана по-нататъшна миниатюризация на електронни компоненти до 60, 45 и 30 nm.

Освен това, както наскоро съобщиха представители на компанията Hewlett-Packard, транзисторите, произведени по традиционна технология, ще бъдат заменени от наноструктури. Един такъв елемент са три проводника с ширина няколко нанометра: два от тях са успоредни, а третият е разположен под прав ъгъл спрямо тях. Проводниците не се докосват, а минават като мостове, един над друг. В този случай молекулярните вериги, образувани от нанопроводников материал под въздействието на приложеното към тях напрежение, се спускат от горните проводници към долните. Схемите, изградени с помощта на тази технология, вече демонстрираха способността да съхраняват данни и да извършват логически операции, тоест да заменят транзистори.

С новата технология размерите на частите на микросхемите ще паднат значително под нивото от 10-15 нанометра, до мащаб, при който традиционните полупроводникови транзистори просто физически не могат да работят. Вероятно още през първата половина на следващото десетилетие ще се появят серийни микросхеми (все още традиционни, силициеви), в които ще бъдат вградени определен брой наноелементи, създадени с помощта на нова технология.

През 2004 г. Kodak пусна хартия за мастиленоструйни принтери Ultima. Има девет слоя. Най-горният слой се състои от керамични наночастици, които правят хартията по-плътна и блестяща. Вътрешните слоеве съдържат пигментни наночастици с размери 10 nm, които подобряват качеството на печат. И бързото фиксиране на боята се улеснява от полимерни наночастици, включени в състава на покритието.

Директорът на Института по нанотехнологии на САЩ Чад Миркин смята, че „нанотехнологиите ще възстановят всички материали от нулата. Всички материали, получени чрез молекулярно производство, ще бъдат нови, тъй като досега човечеството не е имало възможност да разработва и произвежда наноструктури използвайте само това в промишлеността "Какво ни дава природата. Ние правим дъски от дървета и тел от проводящ метал. Нанотехнологичният подход е, че ще преработим почти всеки природен ресурс в така наречените "градивни елементи", които ще формират основата на бъдещето индустрия."

Сега вече виждаме настъпването на нанореволюцията: това са нови компютърни чипове и нови тъкани, които не цапат, и използването на наночастици в медицинската диагностика (виж също „Наука и живот” №, , 2005). Дори козметичната индустрия се интересува от наноматериали. Те могат да създадат много нови нестандартни направления в козметиката, които не са съществували преди.

В наномащабния диапазон почти всеки материал проявява уникални свойства. Например, известно е, че сребърните йони имат антисептично действие. Разтвор на сребърни наночастици има значително по-висока активност. Ако третирате превръзка с този разтвор и я нанесете върху гнойна рана, възпалението ще изчезне и раната ще заздравее по-бързо, отколкото при използване на конвенционални антисептици.

Вътрешният концерн Nanoindustry разработи технология за производство на сребърни наночастици, които са стабилни в разтвори и в адсорбирано състояние. Получените лекарства имат широк спектър на антимикробно действие. По този начин стана възможно създаването на цяла гама от продукти с антимикробни свойства с незначителни промени в технологичния процес от производителите на съществуващи продукти.

Сребърните наночастици могат да се използват за модифициране на традиционни и създаване на нови материали, покрития, дезинфектанти и детергенти (включително пасти за зъби и почистващи пасти, прахове за пране, сапуни) и козметика. Покрития и материали (композитни, текстилни, лакови, карбонови и други), модифицирани със сребърни наночастици, могат да се използват като превантивна антимикробна защита на места, където рискът от разпространение на инфекции се увеличава: в транспорта, в заведенията за обществено хранене, в селскостопанските и животновъдни сгради, в детски, спортни и лечебни заведения. Сребърните наночастици могат да се използват за пречистване на вода и убиване на патогени във филтри на климатични системи, плувни басейни, душове и други подобни обществени места.

Подобни продукти се произвеждат в чужбина. Една компания произвежда покрития със сребърни наночастици за лечение на хронични възпаления и отворени рани.

Друг вид наноматериали са въглеродните нанотръби, които имат колосална здравина (вж. „Наука и живот” № 5, 2002; № 6, 2003). Това са особени цилиндрични полимерни молекули с диаметър приблизително половин нанометър и дължина до няколко микрометра. Те са открити за първи път преди по-малко от 10 години като странични продукти от синтеза на фулерен C60. Въпреки това електронни устройства с нанометрови размери вече се създават на базата на въглеродни нанотръби. Очаква се в обозримо бъдеще те да заменят много елементи в електронните схеми на различни устройства, включително съвременни компютри.

Нанотръбите обаче се използват не само в електрониката. Вече има налични в търговската мрежа тенис ракети, които са подсилени с въглеродни нанотръби, за да ограничат усукването и да осигурят по-голяма сила на удара. Те се използват и в някои части на спортни велосипеди.

РУСИЯ НА ПАЗАРА НА НАНОТЕХНОЛОГИИ

Местната компания Nanotechnology News Network наскоро представи още един нов продукт в Русия - самопочистващи се нанопокрития. Достатъчно е да напръскате стъклото на автомобила със специален разтвор, съдържащ наночастици силициев диоксид, и мръсотията и водата няма да полепнат по него в продължение на 50 000 км. Върху стъклото остава прозрачен ултратънък слой, върху който водата просто няма какво да полепне и се търкаля заедно с мръсотията. На първо място, собствениците на небостъргачи се заинтересуваха от новия продукт - много пари се харчат за измиване на фасадите на тези сгради. Има такива състави за покриване на керамика, камък, дърво и дори дрехи.

Трябва да се каже, че някои руски организации вече успешно се представят на международния пазар на нанотехнологии.

Концернът „Наноиндустрия“ например има в портфолиото си редица нанотехнологични продукти, приложими в различни сфери на индустрията. Това са редуциращият състав „РВС” и сребърни наночастици за биотехнологиите и медицината, индустриалната нанотехнологична инсталация „ЛУЧ-1,2” и образователната нанотехнологична инсталация „УМКА”.

Съставът "RVS", който може да предпази от износване и да възстанови почти всички триещи се метални повърхности, се приготвя на базата на адаптивни наночастици. Този продукт ви позволява да създадете модифициран високовъглероден железен силикатен защитен слой с дебелина 0,1-1,5 mm в зони на интензивно триене на метални повърхности (например в триещи се двойки в двигатели с вътрешно горене). Изливайки такъв състав в картера на маслото, можете да забравите за проблема с износването на двигателя за дълго време. По време на работа механичните части се нагряват от триене, това нагряване кара металните наночастици да се придържат към повредените зони. Прекомерният растеж причинява по-силно нагряване и наночастиците губят способността си да се прикрепят. По този начин постоянно се поддържа баланс в триещия възел и частите практически не се износват.

Особен интерес представлява комплексът от нанотехнологично оборудване UMKA, който е предназначен за извършване на демонстрационни, изследователски и лабораторни работи на атомно-молекулярно ниво в областта на физиката, химията, биологията, медицината, генетиката и други фундаментални и приложни науки. Например, наскоро изобрази повърхността на DVD с разделителна способност от 0,3 микрона и това не е ограничението. Уникалната технология на работа при пикоамперни токове позволява сканиране дори на слабо проводими биологични проби без предварително отлагане на метал (обикновено е необходимо горният слой на пробата да е проводящ). "УМКА" има висока температурна стабилност, позволяваща продължителни манипулации с отделни групи атоми и висока скорост на сканиране, позволяваща наблюдение на бързи процеси.

Основната област на приложение на комплекса UMKA е обучението по съвременни практически методи за работа с наноразмерни структури. Комплексът УМКА включва: тунелен микроскоп, система за защита от вибрации, комплект тестови проби, комплекти консумативи и инструменти. Устройствата се побират в малък корпус, работят в стайни условия и струват под 8 хиляди долара. Можете да контролирате експериментите от обикновен персонален компютър.

През януари 2005 г. беше открит първият руски онлайн магазин за продажба на нанотехнологични продукти. Постоянният адрес на магазина в Интернет е www.nanobot.ru

ПРОБЛЕМИ СЪС СИГУРНОСТТА

Наскоро беше открито, че сферичните молекули C60, наречени фулерени, могат да причинят сериозни заболявания и да навредят на околната среда. Токсичността на водоразтворимите фулерени, когато са изложени на два различни вида човешки клетки, е установена от изследователи от университетите Райс и Джорджия (САЩ).

Професорът по химия Вики Колвин от университета Райс и колегите му откриха, че когато фулерените се разтварят във вода, се образуват колоиди C 60, които, когато са изложени на човешки кожни клетки и клетки на чернодробен карцином, причиняват тяхната смърт. В същото време концентрацията на фулерени във вода беше много ниска: ~ 20 C 60 молекули на 1 милиард водни молекули. В същото време изследователите показаха, че токсичността на молекулите зависи от модификацията на тяхната повърхност.

Изследователите предполагат, че токсичността на простите C60 фулерени се дължи на факта, че тяхната повърхност е способна да произвежда супероксидни аниони. Тези радикали увреждат клетъчните мембрани и водят до клетъчна смърт.

Колвин и колегите му заявиха, че това отрицателно свойство на фулерените може да се използва за добро - за лечение на ракови тумори. Необходимо е само да се изясни подробно механизмът на образуване на кислородните радикали. Очевидно ще бъде възможно да се създадат супер ефективни антибактериални лекарства на базата на фулерени.

В същото време опасността от използването на фулерени в потребителски продукти изглежда съвсем реална за учените.

Очевидно това е причината Американската комисия за безопасност на храните и лекарствата (FDA) наскоро обяви необходимостта от лицензиране и регулиране на широка гама от продукти (храни, козметика, лекарства, оборудване и ветеринарна медицина), произведени с помощта на нанотехнологии и с използване на наноматериали и наноструктури.

НАНОТЕХНОЛОГИИТЕ СЕ НУЖДАЯТ ОТ ДЪРЖАВНА ПОДКРЕПА

За съжаление в Русия все още няма държавна програма за развитие на нанотехнологиите. (През 2005 г. програмата на САЩ за нанотехнологии, между другото, навърши пет години.) Без съмнение наличието на централизирана правителствена програма за развитие на нанотехнологиите би помогнало значително за практическото прилагане на резултатите от изследванията. За съжаление от чужди източници научаваме, че в страната има успешни разработки в областта на нанотехнологиите. Например през лятото Институтът по стандартизация на САЩ обяви създаването на най-малкия атомен часовник в света. Както се оказа, по създаването им е работил и руски екип.

В Русия няма държавна програма, но има изследователи и ентусиасти: през изминалата година Младежкото научно общество (YSS) обедини повече от 500 млади учени, докторанти и студенти, които мислят за бъдещето на своята страна. За подробно проучване на проблемите на нанотехнологиите през февруари 2004 г. на базата на MNO беше създадена аналитичната компания „Nanotechnology News Network (NNN)“, която следи стотици отворени световни източници в тази област и в момента е обработила над 4500 информационни съобщения от чужди и руски медии, статии и прессъобщения и експертни коментари. Бяха създадени сайтовете www.mno.ru и www.nanonewsnet.ru, които бяха разгледани от повече от 170 000 граждани на Русия и ОНД.

КОНКУРС ЗА МЛАДЕЖКИ ПРОЕКТИ

През април 2004 г., съвместно с концерна за наноиндустрия с подкрепата на Uniastrum Bank, успешно се проведе първият общоруски конкурс за младежки проекти за създаване на вътрешни молекулярни нанотехнологии, който предизвика голям интерес от руски учени.

Победителите в състезанието представиха изключителни разработки: първо място бе присъдено на екип от млади учени от Руския химико-технологичен университет. Д. И. Менделеев под ръководството на кандидата на химическите науки Галина Попова, която създаде биомиметични (биомиметика - имитация на структури, съществуващи в природата) материали за оптични наносензори, молекулярна електроника и биомедицина. Второто място зае студент от Ташкентския държавен педагогически университет. Низами Марина Фомина, която разработи система за целенасочена доставка на лекарства към болните тъкани, а третият е ученикът от Томск Алексей Хасанов, автор на технология за създаване на нанокерамични материали с уникални свойства. Победителите получиха ценни награди.

С подкрепата на банката е разработен и се подготвя за издаване научнопопулярен учебник „Нанотехнологии за всеки“, който получи висока оценка от водещи учени.

Компанията NNN, която за една година се превърна във водеща аналитична агенция в областта на нанотехнологиите, през декември 2004 г. обяви началото на Втория общоруски конкурс за младежки проекти, чийто генерален спонсор отново беше Uniastrum Bank, доволен от резултатите от първото състезание. Освен това този път спонсор стана и Powercom, международен производител на непрекъсваеми токозахранващи устройства. Списание "Наука и живот" взема активно участие в подготовката и отразяването на състезанието.

Целта на конкурса е да привлече талантливи младежи към развитието на нанотехнологиите в своята страна, а не в чужбина.

Победителят в конкурса ще получи нанотехнологична лаборатория "УМКА". Класираните на второ и трето място ще бъдат наградени с модерни лаптопи; Най-добрите участници ще получат безплатен абонамент за списание „Наука и живот“. Наградите включват комплекти за ремонт и възстановяване на превозни средства, базирани на наночастици, абонамент за списание Universum и месечни компактдискове „Светът на нанотехнологиите“.

Фокусът на проектите е изключително разнообразен: от обещаващи наноматериали за автомобилната и авиационната индустрия до импланти и невротехнологични интерфейси. Подробни материали за конкурса са на уебсайта www.nanonewsnet.ru.

През декември 2004 г. в град Фрязино (Московска област) се проведе първата конференция, посветена на индустриалното използване на нанотехнологиите, където учените представиха десетки разработки, готови за внедряване в производството. Сред тях са нови материали на базата на нанотръби, свръхздрави покрития, антифрикционни съединения, проводими полимери за гъвкава електроника, кондензатори с голям капацитет и др.

Нанотехнологиите в Русия набират скорост. Въпреки това, освен ако изследванията не се координират от държавата или цялостна федерална програма, нищо вероятно няма да се промени към по-добро. Вече има издаден учебник за бъдещите нанотехнолози.

Маркин Кирил Петрович

Областта на науката и технологиите, наречена нанотехнология, се появи сравнително наскоро. Перспективите пред тази наука са огромни. Самата частица „нано“ означава една милиардна част от количеството. Например един нанометър е една милиардна от метъра. Тези размери са подобни на размерите на молекулите и атомите. Точната дефиниция на нанотехнологията е следната: нанотехнологията е технология, която манипулира материята на ниво атоми и молекули (затова нанотехнологията се нарича още молекулярна технология). Импулсът за развитието на нанотехнологиите беше лекция на Ричард Файнман, в която той научно доказва, че от гледна точка на физиката няма пречки да се създават неща директно от атоми. За да се обозначи средство за ефективно манипулиране на атоми, беше въведена концепцията за асемблер - молекулярна наномашина, която може да изгради всяка молекулярна структура. Пример за естествен монтажник е рибозомата, която синтезира протеин в живите организми. Очевидно нанотехнологиите не са просто отделен набор от знания, те са широкомащабна, всеобхватна област на изследване, свързана с основните науки. Можем да кажем, че почти всеки предмет, изучаван в училище, по един или друг начин ще бъде свързан с технологиите на бъдещето. Най-очевидна изглежда връзката между „нано“ и физиката, химията и биологията. Очевидно именно тези науки ще получат най-голям тласък за развитие във връзка с наближаващата нанотехнологична революция.

Изтегли:

Преглед:

Общинско бюджетно учебно заведение

„Средно училище № 2 на името на. А.А. Араканцев, Семикаракорск"

Въведение…………………………………………………………………………………..
1. Нанотехнологиите в съвременния свят………………………………...
1.1 История на нанотехнологиите……………………………...
1.2 Нанотехнологиите в различни сфери на човешката дейност….
1.2.1 Нанотехнологии в космоса………………………………………………………………
1.2.2 Нанотехнологии в медицината………………………………………….
1.2.3 Нанотехнологиите в хранително-вкусовата промишленост…………………...
1.2.4 Нанотехнологиите във военните дела…………………………………..
Заключение…………………………………………………………………..
Библиография…………………………….................................. . ...

Въведение.

В момента малко хора знаят какво е нанотехнология, въпреки че бъдещето е зад тази наука.

Цел на работата:

Разберете какво представляват нанотехнологиите;

Разберете приложението на тази наука в различни индустрии;

Разберете дали нанотехнологиите могат да бъдат опасни за хората.

Днес можем да се възползваме от предимствата и новите възможностинано технологии в:

медицина, включително аерокосмическа;
фармакология;
гериатрия;
защита на здравето на нацията в условията на нарастваща екологична криза и предизвикани от човека бедствия;
глобални компютърни мрежи и информационни комуникации на нови физически принципи;
комуникационни системи на свръхдалечни разстояния;
автомобилна, тракторна и авиационна техника;
безопасност на пътя;
системи за информационна сигурност;
решаване на екологични проблеми на мегаполисите;
селско стопанство;
решаване на проблемите на питейното водоснабдяване и пречистването на отпадъчни води;
фундаментално нови навигационни системи;
възобновяване на естествени минерални и въглеводородни суровини.

Решихме да се съсредоточим върху приложението на нанотехнологиите в медицината, хранително-вкусовата промишленост, военното дело и космоса, тъй като тези области предизвикаха нашия интерес.

1. Нанотехнологиите в съвременния свят.

1.1 История на нанотехнологиите.

Наука "Нанотехнологии"аз" възникна поради революционни промени в компютърните науки!

През 1947 г. е изобретен транзисторът, след което започва разцветът на полупроводниковата технология, по време на който размерът на създадените силициеви устройства непрекъснато намалява.Терминът "нанотехнология"през 1974 г. японецът Норио Танигучи предлага да опише процеса на конструиране на нови обекти и материали, използвайки манипулации с отделни атоми. Името идва от думата "нанометър" - една милиардна част от метъра (10-9 м).

Съвременно казано, нанотехнологията е технология за производство на свръхмикроскопични структури от най-малките частици материя, съчетаваща всички технически процеси, свързани пряко с атомите и молекулите.

Съвременните нанотехнологии имат доста дълбок исторически отпечатък. Археологическите находки показват съществуването на колоидни формулировки в древния свят, например „китайско мастило“ в Древен Египет. Известната дамаска стомана е направена поради наличието на нанотръби в нея.

Бащата на идеята за нанотехнологиите може да се счита за гръцкия философ Демокрит около 400 г. пр.н.е. ера, той за първи път използва думата „атом“, което означава „нечуплив“ на гръцки, за да опише най-малката частица материя.

Ето приблизителен път на развитие:

1905 г Швейцарският физик Алберт Айнщайн публикува статия, в която доказва, че размерът на една захарна молекула е приблизително 1 нанометър.
1931 г Германските физици Макс Нол и Ернст Руска създадоха електронен микроскоп, който за първи път направи възможно изследването на нанообекти.
1934 г Американският физик-теоретик и лауреат на Нобелова награда Юджийн Вигнер теоретично обоснова възможността за създаване на ултрадисперсен метал с достатъчно малък брой електрони на проводимост.
1951 г Джон фон Нойман очерта принципите на самовъзпроизвеждащите се машини и учените като цяло потвърдиха тяхната възможност.
През 1953 г. Уотсън и Крик описват структурата на ДНК, която показва как живите обекти предават инструкции, които ръководят тяхното изграждане.
1959 г Американският физик Ричард Файнман за първи път публикува статия, в която оценява перспективите за миниатюризация. Нобеловият лауреат Р. Фейнман написа фраза, която сега се възприема като пророчество: „Доколкото мога да видя, принципите на физиката не забраняват манипулирането на отделни атоми.“ Тази идея беше изразена, когато началото на постиндустриалната ера все още не беше осъзнато; в тези години нямаше интегрални схеми, микропроцесори, персонални компютри.
1974 г Японският физик Норио Танигучи въвежда думата „нанотехнология“ в научната циркулация, която предлага да нарича механизми с размер под един микрон. Гръцката дума "nanos" означава грубо "стар човек".
1981 г Gleiter беше първият, който обърна внимание на възможността за създаване на материали с уникални свойства, чиято структура е представена от кристалити в наномащабния диапазон.

На 27 март 1981 г. CBS Radio News цитира учен, работещ за НАСА, който казва, че инженерите ще могат да изградят самовъзпроизвеждащи се роботи в рамките на двадесет години, за използване в космоса или на Земята. Тези машини ще създават копия на самите себе си и на копията може да се нареди да създават полезни продукти.
1982 г. G. Biening и G. Rohrer създават първия сканиращ тунелен микроскоп.
1985 г Американските физици Робърт Кърл, Харолд Крото и Ричард Смайли създадоха технология, която прави възможно точното измерване на обекти с диаметър един нанометър.
1986 г Нанотехнологиите станаха известни на широката общественост. Американският учен Ерик Дрекслер публикува книгата „Машини за създаване: идването на ерата на нанотехнологиите“, в която прогнозира, че нанотехнологиите скоро ще започнат да се развиват активно.
1991 г., Хюстън (САЩ), Катедра по химия, Rais University. В своята лаборатория д-р Р. Смолей (носител на Нобелова награда за 1996 г.) използва лазер за изпаряване на графит под вакуум, чиято газова фаза се състои от доста големи крекери: всеки с 60 въглеродни атома. Клъстер от 60 атома е по-стабилен, тъй като има увеличена свободна енергия. Този клъстер е структурна формация, подобна на футболна топка, и той предложи тази молекула да се нарече фулерен.
1991 г., Служител на лабораторията на NEC в Япония, Сумио Иджима, за първи път открива въглеродни нанотръби, които преди това бяха предсказани няколко месеца по-рано от руския физик Л. Чернозатински и американеца Дж. Минтмир.
1995 г В Научноизследователския институт по физика и химия на името на L.Ya. Карпов разработи сензор, базиран на филмов нанокомпозит, който открива различни вещества в атмосферата (амоняк, алкохол, водни пари).
1997 г Richard E. Smalley, носител на Нобелова награда за химия за 1996 г., професор по химия и физика, предсказа сглобяването на атомите до 2000 г. и по същото време предсказа появата на първите търговски нанопродукти. Тази прогноза се сбъдна в предвидения срок.
1998 г Експериментално е потвърдена зависимостта на електрическите свойства на нанотръбите от геометричните параметри.
1998 г Холандският физик Seez Dekker създаде транзистор, базиран на нанотехнологии.
1998 г Темпът на развитие на нанотехнологиите започна рязко да се увеличава. Япония определи нанотехнологиите като вероятна технологична категория за 21 век.
1999 г Американските физици Джеймс Тур и Марк Рийд установиха, че отделна молекула може да се държи по същия начин като молекулярните вериги.
2000 година. Изследователска група на Hewlett-Packard създаде превключваща молекула или минимикродиод, използвайки най-новите нанотехнологични методи за самосглобяване.

2000 година. Началото на ерата на хибридната наноелектроника.
2002 г S. Dekker комбинира нанотръба с ДНК, получавайки единичен наномеханизъм.
2003 г Японски учени станаха първите в света, които създадоха твърдотелно устройство, което реализира един от двата основни елемента, необходими за създаването на квантов компютър. 2004 г. Представиха "първия в света" квантов компютър

На 7 септември 2006 г. правителството на Руската федерация одобри концепцията на Федералната целева програма за развитие на нанотехнологиите за 2007-2010 г.

По този начин Сформирайки се исторически до настоящия момент, нанотехнологиите, завладявайки теоретичната област на общественото съзнание, продължават да навлизат в неговия битов пласт.

Нанотехнологиите обаче не трябва да се свеждат само до местен революционен пробив в тези области (електроника, информационни технологии). В нанотехнологиите вече са получени редица изключително важни резултати, които ни позволяват да се надяваме на значителен напредък в развитието на много други области на науката и технологиите (медицина и биология, химия, екология, енергетика, механика и др.). Например, когато се премине към нанометровия диапазон (т.е. към обекти с характерни дължини около 10 nm), много от най-важните свойства на веществата и материалите се променят значително. Говорим за такива важни характеристики като електрическа проводимост, оптичен индекс на пречупване, магнитни свойства, якост, устойчивост на топлина и др. Въз основа на материалис Вече се създават нови видове слънчеви панели, преобразуватели на енергия, екологично чисти продукти и др., използващи нови свойства.Възможно е производството на евтини, енергоспестяващи и екологично чисти материали да бъде най-важната последица от въвеждането на нанотехнологиите.Вече са създадени високочувствителни биологични сензори и други устройства, които ни позволяват да говорим за появата на нова наука на нанобиотехнологиите и имат големи перспективи за практическо приложение. Нанотехнологиите предлагат нови възможности за микрообработка на материали и създаване на нови производствени процеси и нови продукти на тази основа, които трябва да имат революционно въздействие върху икономическия и социален живот на бъдещите поколения.

1.2. Нанотехнологиите в различни сфери на човешката дейност

Навлизането на нанотехнологиите в сферите на човешката дейност може да бъде представено под формата на нанотехнологично дърво. Приложенията са под формата на дърво, с клонове, представляващи основните области на приложение, и клонове от основните клонове, представляващи диференциация в рамките на основните области на приложение в даден момент.

Днес (2000 - 2010) има следната картина:

биологичните науки включват разработването на технология за генни етикети, повърхности за импланти, антимикробни повърхности, целеви лекарства, тъканно инженерство, онкологична терапия.
простите влакна предполагат развитието на хартиената технология, евтините строителни материали, леките плоскости, автомобилните части и тежките материали.
nanoclips предполагат производството на нови тъкани, покритие от стъкло, "умни" пясъци, хартия, въглеродни влакна.
защита от корозия с помощта на нанодобавки за мед, алуминий, магнезий, стомана.
Катализаторите са предназначени за използване в селското стопанство, дезодориране и производство на храни.
Лесните за почистване материали се използват в ежедневието, архитектурата, млечната и хранително-вкусовата промишленост, транспортната индустрия и канализацията. Това е производство на самопочистващи се стъкла, болнично оборудване и инструменти, антиплесенни покрития и лесна за почистване керамика.
Биопокритията се използват в спортно оборудване и лагери.
Оптиката като област на приложение на нанотехнологиите включва области като електрохромия и производство на оптични лещи. Това са нова фотохромна оптика, лесна за почистване оптика и оптика с покритие.
Керамиката в областта на нанотехнологиите дава възможност за получаване на електролуминесценция и фотолуминесценция, пасти за печат, пигменти, нанопрахове, микрочастици, мембрани.
Компютърните технологии и електрониката като област на приложение на нанотехнологиите ще доведат до развитието на електроника, наносензори, битови (вградени) микрокомпютри, инструменти за визуализация и преобразуватели на енергия. Следва развитието на глобалните мрежи, безжичните комуникации, квантовите и ДНК компютрите.
Наномедицината, като област на приложение на нанотехнологиите, включва наноматериали за протезиране, „умни“ протези, нанокапсули, диагностични наносонди, импланти, ДНК реконструктори и анализатори, „умни“ и прецизни инструменти, таргетни фармацевтични продукти.
Космосът като поле на приложение на нанотехнологиите ще отвори перспективи за механоелектрически преобразуватели на слънчева енергия и наноматериали за космически приложения.
Екологията като област на приложение на нанотехнологиите е възстановяването на озоновия слой, контролът на времето.

1.2.1 Нанотехнологии в космоса

В космоса бушува революция. Започнаха да се създават сателити и наноустройства до 20 килограма.

Създадена е система от микросателити, тя е по-малко уязвима от опити за нейното унищожаване. Едно нещо е да свалите колос с тегло няколкостотин килограма или дори тонове в орбита, незабавно дезактивирайки всички космически комуникации или разузнаване, и друго нещо, когато в орбита има цял рояк микросателити. Отказът на един от тях в този случай няма да наруши работата на системата като цяло. Съответно изискванията за надеждност на работа на всеки сателит могат да бъдат намалени.

Младите учени смятат, че ключовите проблеми на сателитната микроминиатюризация включват, наред с други неща, създаването на нови технологии в областта на оптиката, комуникационните системи, методите за предаване, получаване и обработка на големи количества информация. Говорим за нанотехнологии и наноматериали, които позволяват да се намалят масата и размерите на устройствата, изстреляни в космоса, с два порядъка. Например, якостта на наноникела е 6 пъти по-висока от тази на конвенционалния никел, което позволява да се намали масата на дюзата с 20-30%, когато се използва в ракетни двигатели.Намаляването на масата на космическите технологии решава много проблеми: удължава живота на устройството в космоса, позволява му да лети по-далеч и да носи повече полезно оборудване за изследвания. В същото време се решава проблемът с енергоснабдяването. Миниатюрни устройства скоро ще бъдат използвани за изследване на много явления, например въздействието на слънчевите лъчи върху процесите на Земята и в околоземното пространство.

Днес космосът не е екзотика и неговото изследване не е само въпрос на престиж. На първо място, това е въпрос на национална сигурност и национална конкурентоспособност на нашата държава. Именно разработването на изключително сложни наносистеми може да се превърне в национално предимство за страната. Подобно на нанотехнологиите, наноматериалите ще ни дадат възможност сериозно да говорим за пилотирани полети до различни планети в Слънчевата система. Именно използването на наноматериали и наномеханизми може да направи реалност пилотираните полети до Марс и изследването на лунната повърхност.Друга изключително популярна област на развитие на микросателитите е създаването на дистанционно наблюдение на Земята (ERS). Започва да се формира пазар за потребители на информация с разделителна способност на космически изображения от 1 m в радарния обхват и по-малко от 1 m в оптичния обхват (предимно такива данни се използват в картографията).

1.2.2 Нанотехнологии в медицината

Последните постижения в нанотехнологиите, според учените, могат да бъдат много полезни в борбата с рака. Противораково лекарство е разработено директно към целта - в клетки, засегнати от злокачествен тумор. Нова система, базирана на материал, известен като биосилиций. Наносиликонът има пореста структура (десет атома в диаметър), в която е удобно да се въвеждат лекарства, протеини и радионуклиди. Достигайки целта, биосиликонът започва да се разпада и лекарствата, които доставя, започват да действат. Освен това, според разработчиците, новата система ви позволява да регулирате дозировката на лекарството.

През последните години служителите на Центъра за биологични нанотехнологии работят върху създаването на микросензори, които ще се използват за откриване на ракови клетки в тялото и борба с тази ужасна болест.

Нова техника за разпознаване на ракови клетки се основава на имплантиране в човешкото тяло на малки сферични резервоари от синтетични полимери, наречени дендримери (от гръцки dendron - дърво). Тези полимери са синтезирани през последното десетилетие и имат принципно нова, нетвърда структура, която наподобява структурата на корал или дърво. Такива полимери се наричат хиперразклонени или каскадни. Тези, при които разклоняването е редовно, се наричат дендримери. В диаметър всяка такава сфера, или наносензор, достига само 5 нанометра - 5 милиардни от метъра, което прави възможно поставянето на милиарди подобни наносензори в малък участък от пространството.

Веднъж попаднали в тялото, тези малки сензори ще проникнат в лимфоцитите - бели кръвни клетки, които осигуряват защитната реакция на тялото срещу инфекция и други фактори, причиняващи заболяване. По време на имунния отговор на лимфоидните клетки към определено заболяване или състояние на околната среда - настинка или излагане на радиация, например - протеиновата структура на клетката се променя. Всеки наносензор, покрит със специални химически реагенти, ще започне да свети с такива промени.

За да видят това сияние, учените ще създадат специално устройство, което сканира ретината на окото. Лазерът на такова устройство трябва да разпознава блясъка на лимфоцитите, когато те един след друг преминават през тесните капиляри на фундуса. Ако има достатъчно маркирани сензори в лимфоцитите, тогава е необходимо 15-секундно сканиране, за да се открие увреждане на клетките, казват учените.

Тук се очаква най-голямо въздействие на нанотехнологиите, тъй като те засягат самата основа на съществуването на обществото – човека. Нанотехнологиите достигат такова размерно ниво на физическия свят, където разликата между живо и неживо става нестабилна - това са молекулярни машини. Дори вирусът може отчасти да се счита за жива система, тъй като съдържа информация за нейното изграждане. Но рибозомата, въпреки че се състои от същите атоми като всички органични вещества, не съдържа такава информация и следователно е само органична молекулярна машина. Нанотехнологиите в своята развита форма включват изграждането на нанороботи, молекулярни машини с неорганичен атомен състав; тези машини ще могат да изграждат свои копия, разполагайки с информация за такава конструкция. Следователно границата между живото и неживото започва да се размива. Към днешна дата е създаден само един примитивен ходещ ДНК робот.

Наномедицината е представена от следните възможности:

1. Лаборатории на чип, насочена доставка на лекарства в тялото.

2. ДНК чипове (създаване на индивидуални лекарства).

3. Изкуствени ензими и антитела.

4. Изкуствени органи, изкуствени функционални полимери (органични тъканни заместители). Тази посока е тясно свързана с идеята за изкуствен живот и в бъдеще води до създаването на роботи с изкуствено съзнание и способни да се самолекуват на молекулярно ниво. Това се дължи на разширяването на концепцията за живота отвъд органичното

5. Нанороботи хирурзи (биомеханизми, които извършват промени и необходими медицински действия, разпознаване и унищожаване на ракови клетки). Това е най-радикалното приложение на нанотехнологиите в медицината - създаването на молекулярни нанороботи, които могат да унищожават инфекции и ракови тумори, да възстановяват увредена ДНК, тъкани и органи, да дублират цели системи за поддържане на живота на тялото и да променят свойствата на тялото.

Разглеждайки единичен атом като градивен елемент или „част“, нанотехнологиите търсят практически начини за конструиране на материали с определени характеристики от тези части. Много компании вече знаят как да сглобяват атоми и молекули в определени структури.

В бъдеще всякакви молекули ще се сглобяват като детски конструктор. За целта се предвижда използването на нанороботи (нанороботи). Всяка химически стабилна структура, която може да бъде описана, всъщност може да бъде изградена. Тъй като един нанобот може да бъде програмиран да изгради всяка структура, по-специално да изгради друг нанобот, те ще бъдат много евтини. Работейки в огромни групи, наноботите ще могат да създават всякакви обекти с ниска цена и висока точност. В медицината проблемът с използването на нанотехнологиите е необходимостта от промяна на структурата на клетката на молекулярно ниво, т.е. извършват „молекулярна хирургия“, използвайки наноботове. Очаква се да бъдат създадени молекулярни роботи лекари, които могат да „живеят“ в човешкото тяло, елиминирайки всички възникнали щети или предотвратявайки появата на такива.Чрез манипулиране на отделни атоми и молекули наноботите ще могат да поправят клетките. Прогнозиран период за създаване на роботи лекари, първата половина на 21 век.

Въпреки сегашното състояние на нещата, нанотехнологиите като фундаментално решение на проблема със стареенето са повече от обещаващи.

Това се дължи на факта, че нанотехнологиите имат голям потенциал за комерсиално приложение в много индустрии и съответно освен сериозното държавно финансиране, изследванията в тази посока се извършват от много големи корпорации.

Напълно възможно е след подобрение за осигуряване на „вечна младост“ наноботите вече да не са необходими или да се произвеждат от самата клетка.

За да постигне тези цели, човечеството трябва да реши три основни проблема:

1. Проектирайте и създайте молекулярни роботи, които могат да поправят молекули.
2. Проектирайте и създайте нанокомпютри, които ще контролират наномашини.
3. Създайте пълно описание на всички молекули в човешкото тяло, с други думи, създайте карта на човешкото тяло на атомно ниво.

Основната трудност с нанотехнологиите е проблемът за създаването на първия нанобот. Има няколко обещаващи посоки.

Един от тях е да се подобри сканиращият тунелен микроскоп или микроскопът за атомна сила и да се постигне позиционна точност и сила на захващане.
Друг път към създаването на първия нанобот води през химическия синтез. Възможно е да се проектират и синтезират умни химически компоненти, които могат да се сглобяват сами в разтвор.
И друг път води през биохимията. Рибозомите (вътре в клетката) са специализирани наноботи и можем да ги използваме за създаване на по-гъвкави роботи.

Тези наноботи ще могат да забавят процеса на стареене, да лекуват отделни клетки и да взаимодействат с отделни неврони.

Изследователската работа започна сравнително наскоро, но темпът на открития в тази област е изключително висок, мнозина смятат, че това е бъдещето на медицината.

1.2.3 Нанотехнологиите в хранително-вкусовата промишленост

Нанохраните са нов термин, неясен и неестетичен. Храна за нанохора? Много малки порции? Храна, произведена в нанофабрики? Разбира се, че не. Но все пак това е интересна посока в хранителната индустрия. Оказва се, че нанохраните са цял набор от научни идеи, които вече са на път да се реализират и приложат в индустрията. Първо, нанотехнологиите могат да предоставят на производителите на храни уникални възможности за цялостен мониторинг в реално време на качеството и безопасността на продуктите директно по време на производствения процес. Говорим за диагностични машини, използващи различни наносензори или така наречените квантови точки, способни бързо и надеждно да откриват най-малките химически замърсители или опасни биологични агенти в продуктите. Методите за производство, транспортиране и съхранение на храни могат да получат своя дял от полезни иновации от нанотехнологичната индустрия. Според учените първите производствени машини от този вид ще се появят в масовото производство на храни през следващите четири години. Но на дневен ред са и по-радикалните идеи. Готови ли сте да погълнете наночастици, които не се виждат? Ами ако наночастиците се използват специално за доставяне на полезни вещества и лекарства до точно избрани части от тялото? Какво ще стане, ако такива нанокапсули могат да бъдат въведени в хранителни продукти? Все още никой не е използвал нанохраната, но предварителните разработки вече са в ход. Експерти казват, че годни за консумация наночастици могат да бъдат направени от силиций, керамика или полимери. И разбира се – органични вещества. И ако всичко е ясно по отношение на безопасността на така наречените „меки“ частици, подобни по структура и състав на биологичните материали, то „твърдите“ частици, съставени от неорганични вещества, са голямо бяло петно на пресечната точка на две територии – нанотехнологиите и биологията . Учените все още не могат да кажат по какви пътища ще пътуват такива частици в тялото и къде ще попаднат. Това предстои да видим. Но някои експерти вече рисуват футуристични картини на предимствата на наноядците. В допълнение към доставянето на ценни хранителни вещества до правилните клетки. Идеята е следната: всеки купува една и съща напитка, но тогава потребителят ще може да контролира наночастиците, така че вкусът, цветът, ароматът и концентрацията на напитката да се променят пред очите му.

1.2.4 Нанотехнологиите във военното дело

Военното използване на нанотехнологиите открива качествено ново ниво на военно-техническо господство в света. Основните направления в създаването на нови оръжия, базирани на нанотехнологиите, могат да бъдат разгледани:

1. Създаване на нови мощни миниатюрни взривни устройства.

2. Унищожаване на макроустройства от нанониво.

3. Шпионаж и потискане на болката чрез невротехнологии.

4. Биологични оръжия и наноустройства за генетично насочване.

5. Нано оборудване за войници.

6. Защита от химически и биологични оръжия.

7. Наноустройства в системите за управление на военна техника.

8. Нанопокрития за военна техника.

Нанотехнологиите ще направят възможно производството на мощни експлозиви. Размерът на експлозива може да бъде намален десетки пъти. Атака с управляеми ракети с наноексплозиви срещу инсталации за регенерация на ядрено гориво може да лиши страната от физическата способност да произвежда оръжеен плутоний. Въвеждането на малки по размери роботизирани устройства в електронното оборудване може да наруши работата на електрическите вериги и използването на механика. Отказът на контролните центрове и командните пунктове не може да бъде предотвратен, освен ако наноустройствата не са изолирани. Роботите за разглобяване на материали на атомно ниво ще се превърнат в мощни оръжия, които превръщат в прах бронята на танковете, бетонните конструкции на контейнерите, корпусите на ядрените реактори и телата на войниците. Но това все още е само перспектива за напреднала форма на нанотехнология. Междувременно се провеждат изследвания в областта на невронните технологии, чието развитие ще доведе до появата на военни наноустройства, които извършват шпионаж или прихващат контрол върху функциите на човешкото тяло, използвайки връзка чрез наноустройства с нервна система. Лабораториите на НАСА вече са създали работещи образци на оборудване за прихващане на вътрешна реч. Фотонните компоненти на наноструктури, способни да приемат и обработват огромни количества информация, ще станат основата на системите за наблюдение на космоса, наземно наблюдение и шпионаж. С помощта на наноустройства, въведени в мозъка, е възможно да се получи „изкуствено“ (техническо) зрение с разширен диапазон на възприятие в сравнение с биологичното зрение. Разработват се система за потискане на болката при войници, имплантирана в тялото и мозъка и неврочипове.

Следващото военно приложение на нанотехнологиите са наноустройствата за генетично насочване. Генетично насочено наноустройство може да бъде програмирано да извършва специфични разрушителни действия в зависимост от генетичната структура на ДНК на клетката, в която се намира. Като условие за активиране на устройството се задава уникален участък от генетичния код на конкретно лице или шаблон за действия върху група хора. Ще бъде почти невъзможно да се разграничи обикновена епидемия от етническо прочистване без инструменти за откриване на нанороботи. Наноустройствата ще работят само срещу даден тип хора и при строго определени условия. Веднъж попаднало в тялото, наноустройството няма да се прояви по никакъв начин, докато не бъде дадена команда за активиране. Следващото приложение на нанотехнологиите е в екипировката на войниците. Предлага се да се направи нещо като хибрид от човек, униформи и оръжия, чиито елементи ще бъдат толкова тясно свързани помежду си, че напълно екипиран войник на бъдещето може да се нарече отделен организъм.

Нанотехнологията осигури пробив в производството на брони и бронежилетки.

Военното оборудване трябва да бъде оборудвано със специална „електромеханична боя“, която ще ви позволи да промените цвета си и да предотвратите корозия. Nanopaint ще може да „лекува“ леки щети по тялото на автомобила и ще се състои от голям брой наномеханизми, които ще му позволят да изпълнява всички горепосочени функции. Използвайки система от оптични матрици, които ще бъдат отделни наномашини в „боята“, изследователите искат да постигнат ефекта на невидимостта на автомобил или самолет.

Нанотехнологиите ще донесат промени във военната сфера. Нова, качествено трансформирана и неконтролирана надпревара във въоръжаването. Контролът върху нанотехнологиите може да бъде реалистично упражнен само в една глобална цивилизация. Нанотехнологиите ще позволят пълна механизация на полевата война, елиминирайки присъствието на модернизирани войници.

По този начин основният извод за резултата от навлизането на нанотехнологиите в сферата на оръжията е перспективата за формиране на глобално общество, способно да контролира нанотехнологиите и надпреварата във въоръжаването. Тази тенденция на универсализъм се определя от рационалността на техногенната цивилизация и изразява нейните интереси и ценности.

Заключение

След като изяснихме концепцията за нанотехнологиите, очертахме нейните перспективи и се спряхме на възможните опасности и заплахи, бих искал да направя заключение. Вярвам, че нанотехнологиите са млада наука, резултатите от нейното развитие могат да променят света около нас до неузнаваемост. И какви ще бъдат тези промени - полезни, улесняващи несравнимо живота, или вредни, заплашващи човечеството - зависи от взаимното разбирателство и рационалността на хората. А взаимното разбирателство и рационалността пряко зависят от нивото на хуманност, което предполага отговорност на човека за действията му. Затова най-важната необходимост през последните години преди неизбежния нанотехнологичен „бум” е култивирането на филантропия. Само интелигентни и хуманни хора могат да превърнат нанотехнологиите в стъпало към разбирането на Вселената и тяхното място в тази Вселена.

Библиография

Основи на обектно-ориентираното програмиране в Delphi: Учебник. ръководство / V.V. Kuznetsov, I.V.Abdrashitova; Ед. Т. Б. Корнеева. – изд. 3-то, преработено и допълнителни – Томск, 2008. – 120 с.
Kimmel P. Създаване на приложение в Delphi./P. Kimel – M: Williams, 2003. – 114 p.
Кобаяши Н. Въведение в нанотехнологиите/Н. Кобаяши. – М.: Бином, 2005 – 134s
Chaplygin A. “нанотехнологии в електрониката” / A. Chaplygin. - 2005 М.: техносфера
http:// www.delphi.com
Преглед:
За да използвате визуализации на презентации, създайте акаунт в Google и влезте:

Руският президент Дмитрий Медведев е уверен, че в страната има всички условия за успешното развитие на нанотехнологиите.

Нанотехнологиите са ново направление в науката и технологиите, което се развива активно през последните десетилетия. Нанотехнологиите включват създаването и използването на материали, устройства и технически системи, чието функциониране се определя от наноструктурата, тоест нейните подредени фрагменти с размери от 1 до 100 нанометра.

Префиксът "нано", който идва от гръцки език ("нанос" на гръцки - гном), означава една милиардна част. Един нанометър (nm) е една милиардна от метъра.

Терминът „нанотехнология“ е измислен през 1974 г. от Норио Танигучи, учен по материали в Токийския университет, който го дефинира като „технология за производство, която може да постигне ултра-висока прецизност и ултра-малки размери... от порядъка на 1 nm...” .

В световната литература нанонауката се разграничава ясно от нанотехнологията. Терминът наномащабна наука се използва и за нанонаука.

На руски език и в практиката на руското законодателство и нормативни документи терминът „нанотехнологии“ съчетава „нанонаука“, „нанотехнология“, а понякога дори „наноиндустрия“ (области на бизнеса и производството, където се използват нанотехнологии).

Най-важните компоненти на нанотехнологиите са наноматериали, тоест материали, чиито необичайни функционални свойства се определят от подредената структура на техните нанофрагменти с размер от 1 до 100 nm.

- нанопорести структури;
- наночастици;
- нанотръби и нановлакна
- нанодисперсии (колоиди);
- наноструктурирани повърхности и филми;
- нанокристали и нанокластери.

Наносистемна технология- функционално завършени системи и устройства, създадени изцяло или частично на базата на наноматериали и нанотехнологии, чиито характеристики са коренно различни от тези на системи и устройства за подобни цели, създадени с помощта на традиционни технологии.

Области на приложение на нанотехнологиите

Почти невъзможно е да се изброят всички области, в които тази глобална технология може значително да повлияе на технологичния прогрес. Можем да назовем само няколко от тях:

- елементи на наноелектрониката и нанофотониката (полупроводникови транзистори и лазери);
- фотодетектори; Слънчеви клетки; различни сензори);
- свръхплътни устройства за запис на информация;
- телекомуникации, информационни и изчислителни технологии; суперкомпютри;
- видео техника - плоски екрани, монитори, видео проектори;
- молекулярни електронни устройства, включително ключове и електронни схеми на молекулярно ниво;
- нанолитография и наноотпечатване;
- горивни клетки и устройства за съхранение на енергия;
- устройства на микро- и наномеханика, включително молекулярни двигатели и наномотори, нанороботи;
- нанохимия и катализа, включително контрол на горенето, покритие, електрохимия и фармацевтични продукти;
- авиационни, космически и отбранителни приложения;
- устройства за мониторинг на околната среда;
- целенасочена доставка на лекарства и протеини, биополимери и заздравяване на биологични тъкани, клинична и медицинска диагностика, създаване на изкуствени мускули, кости, имплантиране на живи органи;
- биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментация;
- регистриране и идентифициране на канцерогенни тъкани, патогени и биологично вредни агенти;
- безопасност в селското стопанство и производството на храни.

Компютри и микроелектроника

Нанокомпютър— изчислително устройство, базирано на електронни (механични, биохимични, квантови) технологии с размер на логическите елементи от порядъка на няколко нанометра. Самият компютър, разработен на базата на нанотехнологиите, също е с микроскопични размери.

ДНК компютър- изчислителна система, която използва изчислителните възможности на ДНК молекулите. Биомолекулярното изчисление е сборно наименование за различни техники, свързани по един или друг начин с ДНК или РНК. В ДНК изчисленията данните се представят не под формата на нули и единици, а под формата на молекулярна структура, изградена на базата на спиралата на ДНК. Ролята на софтуер за четене, копиране и управление на данни се изпълнява от специални ензими.

Атомно-силов микроскоп- микроскоп със сканираща сонда с висока разделителна способност, базиран на взаимодействието на конзолна игла (сонда) с повърхността на изследваната проба. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп (STM), той може да изследва както проводими, така и непроводими повърхности дори през слой течност, което прави възможна работата с органични молекули (ДНК). Пространствената разделителна способност на атомно-силовия микроскоп зависи от размера на конзолата и кривината на нейния връх. Разделителната способност достига атомна хоризонтално и значително я надвишава вертикално.

Антена-осцилатор- На 9 февруари 2005 г. в лабораторията на Бостънския университет е получена антена-осцилатор с размери около 1 микрон. Това устройство има 5000 милиона атома и е в състояние да осцилира с честота от 1,49 гигахерца, което му позволява да предава огромни количества информация.

Наномедицина и фармацевтична индустрия

Направление в съвременната медицина, основано на използването на уникалните свойства на наноматериалите и нанообектите за проследяване, проектиране и модифициране на човешки биологични системи на наномолекулно ниво.

ДНК нанотехнология- използват специфични бази на ДНК и молекули на нуклеинова киселина, за да създадат ясно дефинирани структури на тяхна основа.

Промишлен синтез на лекарствени молекули и фармакологични препарати с ясно определена форма (бис-пептиди).

В началото на 2000 г. бързият напредък в технологията за наночастици даде тласък на развитието на нова област на нанотехнологиите: наноплазмоника. Оказа се, че е възможно да се предава електромагнитно излъчване по верига от метални наночастици, като се използва възбуждането на плазмонни трептения.

роботика

Нанороботи- роботи, създадени от наноматериали и сравними по размер с молекула, с функции за движение, обработка и предаване на информация и изпълнение на програми. Нанороботи, способни да създават свои копия, т.е. самовъзпроизвеждане се наричат репликатори.

В момента вече са създадени електромеханични наноустройства с ограничена подвижност, които могат да се считат за прототипи на нанороботи.

Молекулярни ротори- синтетични наноразмерни двигатели, способни да генерират въртящ момент, когато към тях се приложи достатъчно енергия.

Мястото на Русия сред страните, разработващи и произвеждащи нанотехнологии

Световните лидери по общи инвестиции в нанотехнологиите са страните от ЕС, Япония и САЩ. Напоследък Русия, Китай, Бразилия и Индия значително увеличиха инвестициите в тази индустрия. В Русия размерът на финансирането по програмата „Развитие на инфраструктурата на наноиндустрията в Руската федерация за 2008 - 2010 г.“ ще възлиза на 27,7 милиарда рубли.

Последният (2008) доклад на базираната в Лондон изследователска фирма Cientifica, наречен Доклад за перспективите на нанотехнологиите, описва руските инвестиции дословно по следния начин: „Въпреки че ЕС все още е на първо място по отношение на инвестициите, Китай и Русия вече изпревариха Съединените щати. ”

Има области в нанотехнологиите, в които руските учени станаха първите в света, като получиха резултати, които поставиха основата за развитието на нови научни направления.

Сред тях са производството на ултрадисперсни наноматериали, проектирането на едноелектронни устройства, както и работата в областта на атомната сила и сканиращата сондова микроскопия. Само на специална изложба, проведена в рамките на XII Санкт Петербургски икономически форум (2008 г.), бяха представени наведнъж 80 конкретни разработки.

Русия вече произвежда редица нанопродукти, които се търсят на пазара: наномембрани, нанопрахове, нанотръби. Въпреки това, според експерти, в комерсиализацията на нанотехнологичните разработки Русия изостава от САЩ и други развити страни с десет години.

Материалът е изготвен въз основа на информация от открити източници

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Общинско учебно заведение

общообразователно училище – интернат №1 средно (пълно)

общо образование в Томск

РЕЗЮМЕ

по тази тема: Нанотехнологиите в съвременния свят

Изпълнено:Ученик от 8А клас

Сахненко Мария

Ръководител:Пахорукова Д.П.

Учител по физика

Томск 2010 г

ВЪВЕДЕНИЕ

В момента малко хора знаят какво е нанотехнология, въпреки че бъдещето е зад тази наука. Основната цел на моята работа е да се запозная с нанотехнологиите. Също така искам да открия приложението на тази наука в различни индустрии и да разбера дали нанотехнологиите могат да бъдат опасни за хората.

1. НАНОТЕХНОЛОГИИТЕ В СЪВРЕМЕННИЯ СВЯТ

1.1.История на възникването на нанотехнологиите

Дядото на нанотехнологиите може да се счита за гръцкия философ Демокрит. Той пръв използва думата „атом“, за да опише най-малката частица материя. Повече от двадесет века хората се опитват да проникнат в тайната на структурата на тази частица. Решението на този проблем, невъзможен за много поколения физици, стана възможно през първата половина на ХХ век след създаването на електронен микроскоп от немските физици Макс Кнол и Ернст Руска, който за първи път направи възможно изследването на нанообекти. .

Много източници, предимно англоезични, свързват първото споменаване на методи, които по-късно ще бъдат наречени нанотехнологии, с известната реч на Ричард Файнман „There’s Plenty of Roo at the Bottom“, направена от него през 1959 г. в Калифорнийския технологичен институт на годишната среща. на Американското физическо дружество. Ричард Фейнман предположи, че е възможно механично да се движат единични атоми с помощта на манипулатор с подходящ размер, поне такъв процес няма да противоречи на законите на физиката, известни днес.

Той предложи този манипулатор да се направи по следния начин. Необходимо е да се изгради механизъм, който да създаде копие на себе си, само с порядък по-малко. Създаденият по-малък механизъм трябва отново да създаде копие на себе си, отново с порядък по-малък, и така нататък, докато размерите на механизма станат съизмерими с размерите от порядъка на един атом. В този случай ще е необходимо да се направят промени в структурата на този механизъм, тъй като гравитационните сили, действащи в макрокосмоса, ще имат все по-малко влияние, а силите на междумолекулните взаимодействия ще влияят все повече върху работата на механизма. Последният етап - полученият механизъм ще сглоби своето копие от отделни атоми. По принцип броят на такива копия е неограничен, ще бъде възможно да се създаде произволен брой такива машини за кратко време. Тези машини ще могат да сглобяват макро-неща по същия начин, чрез атомно сглобяване. Това ще направи нещата много по-евтини - на такива роботи (нанороботи) ще трябва да се даде само необходимия брой молекули и енергия и да се напише програма за сглобяване на необходимите елементи. Досега никой не е успял да опровергае тази възможност, но все още никой не е успял да създаде подобни механизми. Основният недостатък на такъв робот е невъзможността да се създаде механизъм от един атом.

Ето как Р. Файнман описва своя предполагаем манипулатор:

мисля си за създаване на електрически управлявана система , в който се използват конвенционално произведени „обслужващи роботи” под формата на четирикратно намалени копия на „ръцете” на оператора. Такива микромеханизми ще могат лесно да извършват операции в намален мащаб. Говоря за миниатюрни роботи, оборудвани със серво мотори и малки "ръце", които могат да затягат еднакво малки болтове и гайки, да пробиват много малки дупки и т.н. Накратко, те ще могат да вършат цялата работа в мащаб 1:4. За да направите това, разбира се, необходимите механизми, инструменти и манипулиращи рамена първо трябва да бъдат направени до една четвърт от обичайния размер (всъщност е ясно, че това означава намаляване на всички контактни повърхности с фактор 16). В последния етап тези устройства ще бъдат оборудвани със сервомотори (с 16 пъти намалена мощност) и свързани към конвенционална електрическа система за управление. След това ще можете да използвате манипулаторни ръце, които са 16 пъти по-малки! Обхватът на приложение на такива микророботи, както и микромашините, може да бъде доста широк - от хирургически операции до транспортиране и обработка на радиоактивни материали. Надявам се, че принципът на предложената програма, както и неочакваните проблеми и вълнуващите възможности, свързани с нея, са ясни. Освен това можете да помислите за възможността за по-нататъшно значително намаляване на мащаба, което, естествено, ще изисква допълнителни промени и модификации на дизайна (между другото, на определен етап може да се наложи да се откажете от „ръцете“ на обичайната форма ), но ще направи възможно производството на нови, много по-модерни устройства от описания тип. Нищо не ви пречи да продължите този процес и да създадете колкото искате малки машини, тъй като няма ограничения, свързани с разположението на машините или разхода на материали. Техният обем винаги ще бъде много по-малък от обема на прототипа. Лесно е да се изчисли, че общият обем на 1 милион машини, намален с 4000 пъти (и следователно масата на материалите, използвани за производство), ще бъде по-малко от 2% от обема и теглото на конвенционална машина с нормални размери. Ясно е, че това веднага премахва проблема с цената на материалите. По принцип би било възможно да се организират милиони еднакви миниатюрни фабрики, в които миниатюрни машини непрекъснато да пробиват дупки, да щамповат части и т.н. Тъй като ставаме по-малки, постоянно ще се сблъскваме с много необичайни физически явления. Всичко, което срещате в живота, зависи от мащабни фактори. Освен това съществува и проблемът със „слепването“ на материалите под въздействието на сили на междумолекулно взаимодействие (така наречените сили на Ван дер Ваалс), което може да доведе до ефекти, които са необичайни в макроскопичен мащаб. Например, една гайка няма да се отдели от болта, след като бъде развита, а в някои случаи ще "прилепне" плътно към повърхността и т.н. Има няколко физически проблема от този тип, които трябва да се имат предвид при проектирането и изграждането на микроскопични механизми.

1.2. Какво е нанотехнология

Появили се съвсем наскоро, нанотехнологиите все повече навлизат в сферата на научните изследвания, а оттам – и в нашето ежедневие. Разработките на учените все повече се занимават с обекти на микросвета, атоми, молекули и молекулни вериги. Изкуствено създадените нанообекти постоянно изненадват изследователите със своите свойства и обещават най-неочаквани перспективи за тяхното приложение.

Основната мерна единица в изследванията в областта на нанотехнологиите е нанометърът – една милиардна част от метъра. В такива единици се измерват молекули и вируси, а сега и елементи от ново поколение компютърни чипове. В наномащаба се случват всички основни физически процеси, които определят макровзаимодействията.

Самата природа подтиква човека към идеята за създаване на нанообекти. Всяка бактерия всъщност е организъм, състоящ се от наномашини: ДНК и РНК копират и предават информация, рибозомите образуват протеини от аминокиселини, митохондриите произвеждат енергия. Очевидно на този етап от развитието на науката на учените им хрумва да копират и подобряват тези явления.

Общинско учебно заведение "Хуманитарно-педагогически лицей"

Нанотехнологии за ученици

Изпълнител: Сагайдачная Анастасия, 10 “Б” клас

Въведение________________________________________________________________________________3

История на нанотехнологиите________________________________________________________________4

Нанотехнологични инструменти_________________________________________________10

Загадките на наносвета________________________________________________________________25

Нанотехнологии и медицина________________________________________________________________36

Нанотехнологиите в ежедневието и в промишлеността_________________________________42

За тези, които искат да свържат бъдещето с нанотехнологиите_______________________________________52

Литература_________________________________________________________________56

Въведение

Самолети, ракети, телевизори и компютри промениха света около нас през 20 век. Учените твърдят, че през идващия 21-ви век ядрото на новата техническа революция ще бъдат материалите, лекарствата, устройствата, комуникациите и устройствата за доставка, направени с помощта на нанотехнологии.

В превод от гръцки думата "нано" означава джудже. Един нанометър (nm) е една милиардна от метър (10 -9 m). Един нанометър е много, много малко. Един нанометър е толкова пъти по-малък от един метър, колкото дебелината на един пръст е по-малка от диаметъра на Земята. Повечето атоми имат диаметър от 0,1 до 0,2 nm, а дебелината на нишките на ДНК е около 2 nm. Диаметърът на червените кръвни клетки е 7000 nm, а дебелината на човешкия косъм е 80 000 nm.

Пред очите ни научната фантастика се превръща в реалност - става възможно да се движат отделни атоми и да се сглобяват, като кубчета, в устройства и механизми с необичайно малки размери и следователно невидими за обикновеното око. Нанотехнологиите, използващи най-новите постижения на физиката, химията и биологията, са не само количествен, но и качествен скок от работа с материя към манипулиране на отделни атоми.

История на възникването и развитието на нанотехнологиите

Ричард Файнман – пророкът на нанотехнологичната революция

Идеята, че може да е възможно да се сглобяват устройства и да се работи с обекти, които са в наномащаб, беше предложена за първи път в реч от 1959 г. на Нобеловия лауреат Ричард Файнман в Калтек („Има много място там долу!“). Думата „долу“ в заглавието на лекцията означава в „свят с много малки измерения“. Тогава Фейнман каза, че някой ден, например през 2000 г., хората ще се чудят защо учените през първата половина на 19-ти век са прескочили този наномащабен диапазон от размери, концентрирайки всичките си усилия върху изучаването на атома и атомното ядро. Според Фейнман хората са живели много дълго време, без да забелязват, че до тях живее цял свят от предмети, които е невъзможно да се видят. Е, ако не виждахме тези обекти, тогава не бихме могли да работим с тях.

Ние обаче се състоим от устройства, които перфектно са се научили да работят с нано-обекти. Това са нашите клетки – градивните елементи, които изграждат тялото ни. Клетката работи с нанообекти през целия си живот, сглобявайки молекули от сложни вещества от различни атоми. След като е събрала тези молекули, клетката ги поставя в различни части – някои попадат в ядрото, други в цитоплазмата, а трети в мембраната. Представете си възможностите, които ще се открият пред човечеството, ако овладее същата нанотехнология, която всяка човешка клетка вече притежава.

Фейнман описва последствията от нанотехнологичната революция за компютрите. „Ако, например, диаметърът на свързващите проводници варира от 10 до 100 атома, тогава размерът на която и да е верига няма да надвишава няколко хиляди ангстрьома. Всеки, който е свързан с компютърните технологии, знае за възможностите, които обещава тяхното развитие и усложняване. Ако броят на използваните елементи се увеличи милиони пъти, възможностите на компютрите ще се разширят значително. Те ще се научат да разсъждават, да анализират опита и да изчисляват собствените си действия, да намерят нови изчислителни методи и т.н. Увеличаването на броя на елементите ще доведе до важни качествени промени в характеристиките на компютъра.

След като извика учените в наносвета, Файнман веднага предупреждава за препятствията, които ги очакват там, като използва примера за производство на микроавтомобил с дължина само 1 мм. Тъй като частите на обикновения автомобил се изработват с точност 10 -5 m, частите на микроавтомобила трябва да се изработват с точност 4000 пъти по-висока, т.е. 2.5. 10 -9 м. Така размерите на частите на микроавтомобила трябва да съответстват на изчислените с точност ± 10 слоя атоми.

Наносветът е не само пълен с препятствия и проблеми. В наносвета ни очакват добри новини - всички части на наносвета се оказват много издръжливи. Това се дължи на факта, че масата на нанообектите намалява пропорционално на трета степен на техния размер, а площта на напречното им сечение - пропорционално на втора степен. Това означава, че механичното натоварване върху всеки елемент от обекта - съотношението на теглото на елемента към неговата площ на напречното сечение - намалява пропорционално на размера на обекта. Така една пропорционално намалена наноплоча има нанокрака, които са милиард пъти по-дебели от необходимото.

Е Айнман вярваше, че човек може лесно да овладее наносвета, ако създаде роботизирана машина, способна да направи по-малко, но работещо копие на себе си. Нека например да се научим как да направим робот, който може да създаде свое копие, намалено 4 пъти без наше участие. Тогава този малък робот ще може да направи копие на оригинала, намален 16 пъти и т.н. Очевидно е, че 10-то поколение такива роботи ще създаде роботи, чиито размери ще бъдат милиони пъти по-малки от оригиналните (виж фиг. 3).

Фигура 3. Илюстрация на концепцията на Р. Файнман, който предлага един от алгоритмите за влизане в наносвета - роботите автономно правят по-малки копия на себе си. Адаптирано от Scientific American, 2001, септември, стр. 84.

Разбира се, докато намаляваме по размер, непрекъснато ще се сблъскваме с много необичайни физически явления. Незначителното тегло на частите на наноробота ще доведе до факта, че те ще се залепят една за друга под въздействието на сили на междумолекулно взаимодействие и например гайката няма да се отдели от болта след отвиване. Познатите ни закони на физиката обаче не забраняват създаването на обекти „атом по атом“. Манипулирането на атомите по принцип е съвсем реално и не нарушава никакви закони на природата. Практическите трудности при прилагането му се дължат само на факта, че ние самите сме твърде големи и тромави обекти, в резултат на което ни е трудно да извършваме подобни манипулации.

За да стимулира по някакъв начин създаването на микрообекти, Фейнман обеща да плати 1000 долара на всеки, който може да построи електрически мотор с размери 1/64 инча (1 инч » 2,5 см). И много скоро беше създаден такъв микромотор (виж фиг. 4). От 1993 г. наградата "Файнман" се присъжда ежегодно за изключителни постижения в областта на нанотехнологиите.

Фигура 4. На снимка (а) Р. Фейнман (вдясно) разглежда с микроскоп направения микромотор с размери 380 микрона, показан на фигурата вдясно. Снимка (b) по-горе показва главата на карфица.

В своята лекция Файнман говори и за перспективите на нанохимията. Сега химиците използват сложни и разнообразни техники за синтезиране на нови вещества. След като физиците създадат устройства, които могат да манипулират отделни атоми, много методи на традиционния химичен синтез могат да бъдат заменени от техники за „атомно сглобяване“. В същото време, както смята Фейнман, физиците по принцип наистина могат да се научат да синтезират всяко вещество въз основа на писмена химическа формула. Химиците ще поръчат синтеза, а физиците просто ще „подредят“ атомите в предложения ред. Развитието на техники за манипулиране на атомно ниво ще разреши много проблеми в химията и биологията.

Машини за създаване от Е. Дрекслер

Нанотехнологиите се превърнаха в научна област сама по себе си и се превърнаха в дългосрочен технически проект след подробен анализ от американския учен Ерик Дрекслър в началото на 80-те години на миналия век и публикуването на неговата книга Двигатели на сътворението: Настъпващата ера на нанотехнологиите.

Така започва книгата му. „ВЪГЛИЩА и ДИАМАНТИ, пясък и компютърни чипове, рак и здрави тъкани – през цялата история, в зависимост от подреждането на атомите, възникваха евтини или скъпоценни, болни или здрави. Подредени по същия начин, атомите изграждат почвата, въздуха и водата; поръчани от друг, те представляват зрели ягоди. Подредени по един начин, те образуват къщи и чист въздух; поръчани от други, те образуват пепел и дим.

Нашата способност да подреждаме атоми е в основата на технологията. Стигнахме далеч в способността си да подреждаме атоми, от заточване на кремък за върхове на стрели до обработка на алуминий за космически кораби. Гордеем се с нашата технология, нашите животоспасяващи лекарства и настолни компютри. Въпреки това, нашите космически кораби все още са груби, нашите компютри са все още глупави и молекулите в нашите тъкани все още постепенно се разстройват, първо унищожавайки здравето, а след това и самия живот. Въпреки целия ни успех в подреждането на атомите, ние все още използваме примитивни методи за подреждане. С настоящата ни технология все още сме принудени да манипулираме големи, слабо контролирани групи от атоми.

Но законите на природата предоставят много възможности за напредък и натискът на глобалната конкуренция винаги ни тласка напред. За добро или лошо, най-големият технологичен напредък в историята е пред нас.“

Според дефиницията на Drexler нанотехнологиите са „очаквана производствена технология, фокусирана върху евтиното производство на устройства и вещества с предварително определена атомна структура“. Много експерти смятат, че през следващите 50 години много устройства ще станат толкова малки, че хиляда от тези наномашини биха могли лесно да се поберат в зоната, заета от точката в края на това изречение. За да сглобите наномашини, имате нужда от:

(1) научете се да работите с единични атоми - вземете ги и ги поставете на правилното място.

(2) разработване на асемблери - наноустройства, които биха могли да работят с единични атоми по начина, описан в (1), използвайки програми, написани от човек, но без негово участие. Тъй като всяка манипулация на атом изисква определено време, а атомите са много, учените смятат, че е необходимо да се произвеждат милиарди или дори трилиони такива наноасемблери, така че процесът на сглобяване да не отнема много време.

(3) разработете репликатори - устройства, които биха били произведени от наноасемблери, т.к те ще трябва да бъдат направени много, много много.

Ще минат години, преди да се появят наноасемблери и репликатори, но появата им изглежда почти неизбежна. Освен това всяка стъпка по този път ще направи следващата по-реална. Първите стъпки към създаването на наномашини вече са направени. Това са „генно инженерство” и „биотехнология”.

Лечебни машини

Е. Дрекслер предложи използването на наномашини за лечение на хора. Човешкото тяло е изградено от молекули и хората се разболяват и стареят, защото се появяват „ненужни“ молекули, а концентрацията на „нужните“ намалява или структурата им се променя. В резултат на това хората страдат. Нищо не пречи на човек да измисли наномашини, способни да пренареждат атоми в „развалени“ молекули или да ги сглобяват отново. Очевидно е, че подобни наномашини могат да революционизират медицината.

В бъдеще ще бъдат създадени наномашини (нанороботи), пригодени да проникнат в жива клетка, да анализират нейното състояние и, ако е необходимо, да я „лекуват“, като променят структурата на молекулите, от които се състои. Тези наномашини, предназначени да възстановяват клетките, ще бъдат сравними по размер с бактериите и ще се движат през човешка тъкан като левкоцити (бели кръвни клетки) и ще навлизат в клетките като вирусите (вижте Фигура 6).

Със създаването на наномашини за възстановяване на клетки, лечението на пациент ще се превърне в последователност от следните операции. Първо, работейки молекула по молекула и структура по структура, наномашините ще възстановяват (излекуват) клетка по клетка на всяка тъкан или орган. Тогава, работейки орган по орган в цялото тяло, те ще възстановят здравето на човека.

Фигура 6. Схематично представяне на наноробот върху повърхността на клетка. Виждат се как пипалата на наноробота проникват вътре в клетката.

Фотолитографията – пътят към наносвета: отгоре надолу

Учените и технолозите отдавна се стремят да навлязат в света на малките размери, особено тези, които разработват нови електронни устройства и устройства. За да бъде едно електронно устройство интелигентно и надеждно, то трябва да се състои от огромен брой блокове, което означава, че трябва да съдържа хиляди, а понякога и милиони транзистори.

Оптичната фотолитография се използва при производството на транзистори и интегрални схеми. Същността му е следната. Върху повърхността на окисления силиций се нанася слой от фоторезист (полимерен светлочувствителен материал), след което върху него се нанася фотомаска - стъклена плоча с шаблон от елементи на интегрална схема (виж фиг. 7).

Фигура 7. Фотомаска за интегрална схема на електронен часовник.

Светлинен лъч преминава през фотомаската и там, където няма черен цвят, светлината попада върху фоторезиста и го осветява (виж фиг. 8).

Фигура 8. Схема за производство на микросхеми с помощта на фотолитография (отляво надясно). Първо се прави фотомаска, за която стъклена пластина, покрита със слой хром и фоторезист, се осветява с лазерен лъч, след което осветените части на фоторезиста се отстраняват заедно с хрома. Шаблонът се поставя в паралелен лъч ултравиолетова светлина, който се фокусира от леща и пада върху повърхността на силиконова пластина, покрита с тънък слой силициев оксид и фоторезист. Последващите термични и химически обработки създават сложния двуизмерен модел на жлебове, необходими за сглобяване на електронни схеми.

След това всички онези участъци от фоторезиста, които не са били третирани със светлина, се отстраняват, а тези, които са били осветени, се подлагат на термична обработка и химическо ецване. Така върху повърхността на силициевия оксид се формира шарка и силиконовата пластина е готова да се превърне в основна част от електронната схема. Транзисторът е изобретен през 1947 г. и тогава неговите размери са около 1 см. Подобренията във фотолитографските методи позволяват увеличаването на размера на транзистора до 100 nm. Основата на фотолитографията обаче е геометричната оптика, което означава, че с помощта на този метод е невъзможно да се начертаят две успоредни прави линии на разстояние, по-малко от дължината на вълната. Следователно сега фотолитографското производство на микросхеми използва ултравиолетова светлина с къса дължина на вълната, но по-нататъшното намаляване на дължината на вълната става скъпо и трудно, въпреки че съвременните технологии вече използват електронни лъчи за създаване на микросхеми.

Въвеждането в света на наномащабните измерения, което производителите на чипове са следвали досега, може да се нарече път „отгоре надолу“. Те използват технологии, които са се доказали в макро света и се опитват само да променят мащаба. Но има и друг начин - „отдолу нагоре“. Какво ще стане, ако принудим самите атоми и молекули да се самоорганизират в подредени групи и структури с размери няколко нанометра. Примери за самоорганизация на молекули, които образуват наноструктури, са въглеродни нанотръби, квантови точки, нанопроводници и дендримери, които ще бъдат обсъдени в повече? подробности по-долу.

НАНОТЕХНОЛОГИЧНИ ИНСТРУМЕНТИ

Сканиращ сондов микроскоп

Първите устройства, които позволяват да се наблюдават нанообекти и да се движат, са сканиращи сондови микроскопи - атомно-силов микроскоп и сканиращ тунелен микроскоп, работещи на подобен принцип. Атомно-силовата микроскопия (AFM) е разработена от G. Binnig и G. Rohrer, които са удостоени с Нобелова награда за това изследване през 1986 г. Създаването на атомно-силов микроскоп, способен да усети силите на привличане и отблъскване, които възникват между отделните атоми, направи възможно най-накрая да се „докоснат и видят“ нанообектите.

Фигура 9. Принцип на работа на сканиращ сондов микроскоп. Пунктираната линия показва пътя на лазерния лъч. Други пояснения има в текста.

Основата на AFM (виж фиг. 9) е сонда, обикновено изработена от силиций и представляваща тънка конзолна плоча (нарича се кантилевър, от английската дума "cantilever" - конзола, лъч). В края на конзолата (дължина  500 μm, ширина  50 μm, дебелина  1 μm) има много остър шип (дължина  10 μm, радиус на кривина от 1 до 10 nm), завършващ в група от един или повече атоми (виж фиг. 10).

Фигура 10. Електронни микроснимки на същата сонда, направени при ниско (отгоре) и голямо увеличение.

Когато микросондата се движи по повърхността на образеца, върхът на шипа се издига и спуска, очертавайки микрорелефа на повърхността, точно както стилусът за грамофон се плъзга по грамофонна плоча. В изпъкналия край на конзолата (над шипа, виж фиг. 9) има огледална зона, върху която пада и се отразява лазерният лъч. Когато шипът се спуска и издига върху повърхностни неравности, отразеният лъч се отклонява и това отклонение се записва от фотодетектор, а силата, с която шипът се привлича към близките атоми, се записва от пиезоелектричен сензор.

Данните от фотодетектора и пиезоелектричния сензор се използват в система за обратна връзка, която може да осигури например постоянна стойност на силата на взаимодействие между микросондата и повърхността на пробата. В резултат на това е възможно да се конструира обемен релеф на повърхността на пробата в реално време. Разделителната способност на метода AFM е приблизително 0,1-1 nm хоризонтално и 0,01 nm вертикално. Изображение на бактерии Escherichia coli, получено с помощта на сканиращ сондов микроскоп, е показано на фиг. единадесет.

Фигура 11. Бактерията Ешерихия коли ( Ешерихия коли). Изображението е получено с помощта на сканиращ сонда микроскоп. Дължината на бактерията е 1,9 микрона, ширината е 1 микрон. Дебелината на камшичетата и ресничките е съответно 30 nm и 20 nm.

Друга група сканиращи сондови микроскопи използва така наречения квантов механичен „тунелен ефект“ за изграждане на повърхностен релеф. Същността на тунелния ефект е, че електрическият ток между остра метална игла и повърхност, разположена на разстояние около 1 nm, започва да зависи от това разстояние - колкото по-малко е разстоянието, толкова по-голям е токът. Ако се приложи напрежение от 10 V между иглата и повърхността, тогава този „тунелен“ ток може да варира от 10 pA до 10 nA. Чрез измерване на този ток и поддържането му постоянно, разстоянието между иглата и повърхността също може да се поддържа постоянно. Това ви позволява да изградите обемен профил на повърхността (вижте фиг. 12). За разлика от атомно-силовия микроскоп, сканиращият тунелен микроскоп може да изследва само повърхностите на метали или полупроводници.

Фигура 12. Иглата на сканиращ тунелен микроскоп, разположен на постоянно разстояние (вижте стрелките) над слоевете от атоми на изследваната повърхност.

Сканиращият тунелен микроскоп може също да се използва за преместване на атом до точка, избрана от оператора. Например, ако напрежението между иглата на микроскопа и повърхността на пробата е малко по-високо от това, което е необходимо за изследване на тази повърхност, тогава атомът на пробата, който е най-близо до нея, се превръща в йон и „скача“ към иглата. След това, чрез леко преместване на иглата и промяна на напрежението, можете да принудите избягалия атом да „скочи“ обратно към повърхността на пробата. По този начин е възможно да се манипулират атоми и да се създават наноструктури, т.е. структури на повърхността с размери от порядъка на нанометър. Още през 1990 г. служителите на IBM показаха, че това е възможно, като комбинираха името на тяхната компания от 35 ксенонови атома върху никелова плоча (виж фиг. 13).

Фигура 13. Името на компанията IBM, съставено от 35 атома ксенон върху никелова плоча, направена от служители на тази компания с помощта на сканиращ сонда микроскоп през 1990 г.

С помощта на сондов микроскоп можете не само да премествате атоми, но и да създавате предпоставки за тяхната самоорганизация. Например, ако върху метална плоча има капка вода, съдържаща тиолови йони, тогава сондата на микроскопа ще помогне да се ориентират тези молекули така, че двете им въглеводородни опашки да са обърнати настрани от плочата. В резултат на това е възможно да се изгради монослой от тиолни молекули, залепени към метална плоча (виж Фиг. 14). Този метод за създаване на монослой от молекули върху метална повърхност се нарича "писалка нанолитография".

Фигура 14. Горе вляво – конзола (стоманено сиво) на сканиращ сондов микроскоп над метална пластина. Вдясно е увеличен изглед на зоната (очертана в бяло на фигурата вляво) под върха на конзолата, която схематично показва тиолови молекули с лилави въглеводородни опашки, подредени в монослой на върха на сондата.

Оптични пинсети

Оптичните (или лазерните) пинсети са устройства, които използват фокусиран лазерен лъч, за да движат микроскопични обекти или да ги задържат на определено място. Близо до фокусната точка на лазерния лъч светлината дърпа всичко около себе си към фокуса (вижте фиг. 15).

Фигура 15. Схематична илюстрация на оптични пинсети. Лазерният лъч, падащ върху лещата отгоре, се фокусира вътре в капката. В този случай всяка частица във водата е подложена на сили (оранжеви стрелки), чийто резултат (зелена стрелка) винаги е насочен към фокуса.

Силата, с която светлината действа върху околните обекти, е малка, но достатъчна, за да улови наночастиците във фокуса на лазерния лъч. След като частицата е на фокус, тя може да се движи заедно с лазерния лъч. С помощта на оптични пинсети можете да премествате частици с размери от 10 nm до 10 μm и да сглобявате различни структури от тях (вижте фиг. 16). Има всички основания да се смята, че в бъдеще лазерните пинсети ще се превърнат в един от най-мощните инструменти на нанотехнологиите.

Фигура 16. Различни модели на наночастици от гел, сгънати с помощта на лазерни пинсети.

Защо някои частици, попаднали в лазерен лъч, се стремят към областта, където интензитетът на светлината е максимален, т.е. на фокус (вижте фиг. 17)? Има поне ДВЕ причини за това.

Фигура 17. Схематично представяне на червен лъч, който се събира към фокуса и се разминава след него. В точката, където е фокусиран лъчът, се вижда сива сферична частица.

причинааз - поляризираните частици се изтеглят в електрическото поле

Преди да обясните тенденцията на частиците да се фокусират, не забравяйте, че светлинният лъч е електромагнитна вълна и колкото по-голям е интензитетът на светлината, толкова по-голяма е силата на електрическото поле в напречното сечение на лъча. Следователно във фокуса средноквадратичната стойност на напрегнатостта на електрическото поле може да се увеличи многократно. По този начин електрическото поле на фокусирания светлинен лъч става неравномерно, увеличавайки интензитета си с приближаването му към фокуса.

Нека частицата, която искаме да задържим с оптични пинсети, е направена от диелектрик. Известно е, че външно електрическо поле действа върху диелектрична молекула, движейки противоположни заряди вътре в нея в различни посоки, в резултат на което тази молекула се превръща в дипол, който е ориентиран по линиите на полето. Това явление се нарича поляризациядиелектрик. Когато един диелектрик е поляризиран, върху противоположните на външното поле повърхности се появяват противоположни и еднакви по големина електрически заряди, т.нар. свързани.

Фигура 18. Схематично представяне на сферична частица, разположена в ХОМОГЕННО електрическо поле с интензитет д. Знаците "+" и "-" показват съответните заряди, които възникват на повърхността на частицата по време на нейната поляризация. Електрическите сили, действащи върху положителните (F +) и отрицателните (F -) свързани заряди, са еднакви.

Нека нашата диелектрична частица е разположена в светлинен лъч далеч от фокуса. Тогава можем да приемем, че е в еднородно електрическо поле (виж Фиг. 18). Тъй като напрегнатостта на електрическото поле отляво и отдясно на частицата е еднаква, електрическите сили, действащи върху положителния, също са еднакви ( Е+) и отрицателен ( Е-) свързаните такси също са същите. В резултат на това частица, намираща се в ХОМОГЕННО електрическо поле, остава неподвижна.

Сега нека нашата частица да бъде разположена до зоната на фокусиране, където напрегнатостта на електрическото поле (плътността на линиите на полето) постепенно се увеличава (най-лявата частица на Фиг. 19) при движение отляво надясно. В този момент частицата също ще бъде поляризирана, но електрическите сили, действащи върху положителния ( Е+) и отрицателен ( Е-) свързаните такси ще бъдат различни, защото Силата на полето отляво на частицата е по-малка, отколкото отдясно. Следователно частицата ще бъде подложена на обща сила, насочена надясно, към фокалната област.

Фигура 19. Схематично представяне на ТРИ сферични частици, разположени в нееднородно електрическо поле на фокусиран светлинен лъч близо до зоната на фокусиране. Знаците "+" и "-" показват свързаните заряди, които се появяват на повърхността на частиците по време на тяхната поляризация. Електрическите сили, действащи върху положителни (F+) и отрицателни (F-) свързани заряди, карат частиците да се движат към фокалната област.

Лесно е да се досетите, че крайната дясна частица (виж фиг. 19), разположена от другата страна на фокуса, ще бъде въздействана от получена частица, насочена наляво, към зоната на фокуса. По този начин всички частици, уловени от фокусиран лъч светлина, ще се стремят към неговия фокус, точно както махалото се стреми към своето равновесно положение.

причинаII - пречупването на светлината задържа частицата в центъра на лъча

Ако диаметърът на частицата е много по-голям от дължината на вълната на светлината, тогава законите на геометричната оптика стават валидни за такава частица, а именно, частицата може да пречупва светлината, т.е. смени посоката си. В същото време, според закона за запазване на импулса, сумата от импулсите на светлината (фотоните) и частицата трябва да остане постоянна. С други думи, ако една частица пречупва светлината например надясно, то самата тя трябва да се движи наляво.

Трябва да се отбележи, че интензитетът на светлината в лазерния лъч е максимален по неговата ос и постепенно намалява с отдалечаване от нея. Следователно, ако една частица е разположена на оста на светлинния лъч, тогава броят на фотоните, които тя отклонява наляво и надясно, е еднакъв. В резултат на това частицата остава на оста (виж Фиг. 20 b).

Фигура 20. Схематично представяне на сферична частица, разположена във фокусиран лъч светлина вляво от нейната ос (a) и на нейната ос (b). Интензитетът на червеното оцветяване съответства на интензитета на светлината в дадена област на лъча. 1 и 2 - лъчи, чието пречупване е показано на фигурата, а дебелината съответства на техния интензитет. F 1 и F 2 са силите, действащи върху частицата съгласно закона за запазване на импулса по време на пречупването на лъчите 1 и 2, съответно. F net - получените F 1 и F 2.

В случаите, когато частицата е изместена наляво спрямо оста на светлинния лъч (виж Фиг. 20а), броят на фотоните, отклонени наляво (виж лъч 2 на Фиг. 20а), надвишава броя на фотоните, отклонени към вдясно (вижте лъч 1 на Фиг. 20а). Следователно възниква силов компонент F net, насочен към оста на лъча, надясно.

Очевидно е, че частица, изместена надясно от оста на лъча, ще бъде засегната от получена частица, насочена наляво и отново към оста на този лъч. Така всички частици, които не са на оста на лъча, ще се стремят към неговата ос, като махало към равновесното положение.

Изключения от правилата

За да могат оптичните пинсети да използват силите, описани по-горе в „разум аз", необходимо е частицата да е поляризирана във външно електрическо поле и на нейната повърхност да се появят свързани заряди. В този случай свързаните заряди трябва да създадат поле, насочено в обратна посока. Само в този случай частиците ще се втурнат към зоната на фокусиране. Ако диелектричната константа на средата, в която плава частицата, е по-голяма от диелектричната константа на веществото на частицата, тогава поляризацията на частицата ще бъде обърната и частицата ще се стреми да излезе от фокуса. Ето как се държат например въздушните мехурчета, плаващи в глицерин.

Същите ограничения важат и за „причината II„Ако абсолютният индекс на пречупване на материала на частицата е по-малък от този на средата, в която се намира, тогава частицата ще отклони светлината в другата посока и следователно има тенденция да се движи по-далеч от оста на лъча. Пример за това са същите въздушни мехурчета в глицерин. Следователно, оптичните пинсети работят по-добре, ако относителният индекс на пречупване на материала на частиците е по-висок.

Графен, въглеродни нанотръби и фулерени

Наноструктурите могат да бъдат сглобени не само от отделни атоми или отделни молекули, но и от молекулни блокове. Такива блокове или елементи за създаване на наноструктури са графен, въглеродни нанотръби и фулерени.

Графен

Графенът е единичен плосък лист, състоящ се от въглеродни атоми, свързани заедно, за да образуват решетка, всяка клетка от която прилича на пчелна пита (фиг. 21). Разстоянието между най-близките въглеродни атоми в графена е около 0,14 nm.

Фигура 21. Схематично представяне на графен. Светлинните топки са въглеродни атоми, а пръчките между тях са връзките, които държат атомите в графеновия лист.

Графитът, от който са направени върховете на обикновените моливи, представлява купчина листове графен (фиг. 22). Графените в графита са много слабо свързани и могат да се плъзгат един покрай друг. Следователно, ако прекарате графит върху хартия, листът графен в контакт с него се отделя от графита и остава върху хартията. Това обяснява защо графитът може да се използва за писане.

Фигура 22. Схематично представяне на три графенови листа, разположени един върху друг в графит.

Въглеродни нанотръби

Много обещаващи области в нанотехнологиите са свързани с въглеродните нанотръби. Въглеродните нанотръби са рамкови структури или гигантски молекули, състоящи се само от въглеродни атоми. Лесно е да си представите въглеродна нанотръба, ако си представите, че навивате един от молекулярните слоеве графит - графен - в тръба (фиг. 23).

Фигура 23. Един от начините да си представим направата на нанотръба (вдясно) от молекулярен слой графит (вляво).

Методът на сгъване на нанотръбите - ъгълът между посоката на оста на нанотръбата спрямо осите на симетрия на графена (ъгъл на усукване) - до голяма степен определя неговите свойства. Разбира се, никой не прави нанотръби, като ги разточва от лист графит. Нанотръбите се образуват сами, например, върху повърхността на въглеродните електроди по време на дъгов разряд между тях. По време на разряда въглеродните атоми се изпаряват от повърхността и, свързвайки се помежду си, образуват нанотръби от различни видове - еднослойни, многослойни и с различни ъгли на усукване (фиг. 24).

Фигура 24. Вляво е схематично представяне на едностенна въглеродна нанотръба; вдясно (отгоре надолу) – двуслойни, прави и спираловидни нанотръби.

Диаметърът на едностенните нанотръби обикновено е около 1 nm, а дължината им е хиляди пъти по-голяма, възлизаща на около 40 микрона. Те растат върху катода перпендикулярно на плоската повърхност на неговия край. Възниква така нареченото самосглобяване на въглеродни нанотръби от въглеродни атоми. В зависимост от ъгъла на усукване, нанотръбите могат да имат висока проводимост, като металите, или да имат полупроводникови свойства.

Въглеродните нанотръби са по-здрави от графита, въпреки че са направени от същите въглеродни атоми, тъй като в графита въглеродните атоми са в листове (фиг. 22). И всеки знае, че лист хартия, навит на тръба, е много по-труден за огъване и разкъсване от обикновения лист. Ето защо въглеродните нанотръби са толкова здрави. Нанотръбите могат да се използват като много здрави микроскопични пръчки и нишки, тъй като модулът на Йънг на едностенна нанотръба достига стойности от порядъка на 1-5 TPa, което е с порядък по-висок от този на стоманата! Следователно нишка от нанотръби, дебела колкото човешки косъм, може да издържи товар от стотици килограми.

Вярно е, че в момента максималната дължина на нанотръбите обикновено е около сто микрона - което, разбира се, е твърде кратко за ежедневна употреба. Въпреки това, дължината на нанотръбите, произведени в лабораторията, постепенно се увеличава - сега учените вече са се доближили до милиметъра. Следователно има всички основания да се надяваме, че в близко бъдеще учените ще се научат да отглеждат нанотръби с дължина сантиметри и дори метри!

Фулерени

Въглеродните атоми, изпарени от нагрятата повърхност на графит, свързвайки се помежду си, могат да образуват не само нанотръби, но и други молекули, които са изпъкнали затворени полиедри, например под формата на сфера или елипсоид. В тези молекули въглеродните атоми са разположени във върховете на правилни шестоъгълници и петоъгълници, които изграждат повърхността на сфера или елипсоид.

Всички тези молекулни съединения на въглеродни атоми са наименувани фулеренина името на американския инженер, дизайнер и архитект Р. Бъкминстър Фулър, който използва петоъгълници и шестоъгълници (фиг. 25), които са основните структурни елементи на молекулярните рамки на всички фулерени, за изграждане на куполите на своите сгради.

Фигура 25. Биосферата на Фулър (Павилион на САЩ в Експо 67, сега Музеят на биосферата в Монреал, Канада.

Молекулите на най-симетричния и най-изследвания фулерен, състоящ се от 60 въглеродни атома (C 60), образуват полиедър, състоящ се от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника и наподобяващ футболна топка (фиг. 26). Диаметърът на C 60 фулерена е около 1 nm.

Фигура 26. Схематично представяне на фулерен C 60.

За откриването на фулерените на американския физик Р. Смоли, както и на английските физици Х. Крото и Р. Кърл през г. 1996 беше награден Нобелова награда. Изображението на фулерен C 60 се смята от мнозина за символ на нанотехнологиите.

Дендримери

Един от елементите на наносвета са дендримерите (дървовидни полимери) - наноструктури с размери от 1 до 10 nm, образувани от комбиниране на молекули с разклонена структура. Синтезът на дендримери е една от нанотехнологиите, тясно свързани с химията - химията на полимерите. Както всички полимери, дендримерите са съставени от мономери, но молекулите на тези мономери имат разклонена структура. Дендримерът става подобен на дърво със сферична корона, ако по време на растежа на полимерна молекула растящите клони не се съединяват (точно както клоните на едно дърво или короните на съседни дървета не растат заедно). Фигура 27 показва как могат да се образуват такива дендримери, подобни на сферични структури.

Фигура 27. Сглобка на дендример от разклонена Z-X-Z молекула (отгоре) и различни видове дендримери (отдолу).

Вътре в дендримера могат да се образуват кухини, пълни с веществото, в присъствието на което са се образували дендримерите. Ако дендример се синтезира в разтвор, съдържащ някакво лекарство, тогава този дендример се превръща в нанокапсула с това лекарство. В допълнение, кухините вътре в дендримера може да съдържат радиоактивно белязани вещества, използвани за диагностициране на различни заболявания.

Учените смятат, че чрез запълване на кухините на дендримерите с необходимите вещества е възможно например с помощта на сканиращ сондов микроскоп да се сглобяват наноелектронни вериги от различни дендримери. В този случай дендример, пълен с мед, може да служи като проводник и т.н.

Разбира се, обещаваща посока в използването на дендримери е възможното им използване като нанокапсули, които доставят лекарства директно до клетките, които се нуждаят от тези лекарства. Централната част на такива дендримери, съдържащи лекарството, трябва да бъде заобиколена от обвивка, която предотвратява изтичането на лекарството, към външната повърхност на която е необходимо да се прикрепят молекули (антитела), които могат да се придържат специфично към повърхността на целевите клетки . След като такива дендримерни нанокапсули достигнат и се придържат към болните клетки, е необходимо да се разруши външната обвивка на дендримера, например с помощта на лазер или да се направи тази обвивка саморазграждаща се.

Дендримерите са един от пътищата към наносвета в посока „отдолу нагоре“.

Нанопроводници

Нанопроводниците са проводници с диаметър от порядъка на нанометър, направени от метал, полупроводник или диелектрик. Дължината на нанопроводниците често може да надвишава диаметъра им 1000 пъти или повече. Поради това нанопроводниците често се наричат едномерни структури и техният изключително малък диаметър (около 100 атомни размера) прави възможно проявяването на различни квантово-механични ефекти. Това обяснява защо нанопроводниците понякога се наричат "квантови проводници".

Нанопроводниците не съществуват в природата. В лабораториите нанопроводниците най-често се получават чрез епитаксиякогато кристализацията на дадено вещество се извършва само в една посока. Например, силиконова наножица може да бъде отгледана, както е показано на фигурата (вляво).

Фигура 28. Вляво - производство на силициева наножица (розова) чрез епитаксия с помощта на златна наночастица в SiH 4 атмосфера. Вдясно е "гора" от ZnO нанопроводници, получени чрез епитаксия. Адаптирано от Yang et al. (Chem. Eur. J., v.8, p.6, 2002)

Златна наночастица се поставя в атмосфера от силанов газ (SiH 4) и тази наночастица се превръща в катализатор за разлагането на силан във водород и течен силиций. Течният силиций се търкаля от наночастицата и кристализира под нея. Ако концентрацията на силан около наночастицата се поддържа непроменена, тогава процесът на епитаксия продължава и все повече и повече нови слоеве течен силиций кристализират върху неговите вече втвърдени слоеве. В резултат на това силиконовата наножица расте, повдигайки златната наночастица все по-високо и по-високо. В този случай очевидно размерът на наночастицата определя диаметъра на нанонитата. Вдясно на фиг. Фигура 28 показва гора от ZnO нанопроводници, приготвени по подобен начин.

Уникалните електрически и механични свойства на нанопроводниците създават предпоставки за използването им в бъдещи наноелектронни и наноелектромеханични устройства, както и като елементи на нови композитни материали и биосензори.

ЗАГАДКИ НА НАНОМОРАЛНОТО

Триене под микроскоп

На всяка крачка срещаме триене, но без триене не бихме направили нито една крачка. Невъзможно е да си представим свят без сили на триене. При липса на триене много краткотрайни движения биха продължили безкрайно дълго. Земята ще бъде разтърсена от непрекъснати земетресения, тъй като тектоничните плочи постоянно се сблъскват една с друга. Всички ледници незабавно ще се спуснат от планините и прах от миналогодишния вятър ще полети по повърхността на земята. Колко е хубаво, че все още има сила на триене в света!

От друга страна, триенето между машинните части води до износване и допълнителни разходи. Грубите оценки показват, че изследванията в трибологията - науката за триенето - биха могли да спестят около 2 до 10% от националния брутен продукт.

Двете най-важни изобретения на човека - колелото и правенето на огън - са свързани със силата на триене. Изобретяването на колелото направи възможно значително намаляване на силата, която възпрепятства движението, а производството на огън постави силата на триене в услуга на човека. Учените обаче все още са далеч от пълното разбиране на физическата основа на силата на триене. И изобщо не защото хората от известно време са престанали да се интересуват от това явление.

Първата формулировка на законите на триенето принадлежи на великия Леонардо (1519), който твърди, че силата на триене, възникваща при контакт на тялото с повърхността на друго тяло, е пропорционална на силата на натиск, насочена срещу посоката на движение и не зависи от контактната площ. Този закон е преоткрит 180 години по-късно от G. Amonton и след това усъвършенстван в трудовете на C. Coulomb (1781). Амонтон и Кулон въвеждат понятието коефициент на триене като съотношението на силата на триене към натоварването, давайки му стойността на физическа константа, която напълно определя силата на триене за всяка двойка контактуващи материали. До сега това е формулата

Е tr = μ н, (1)

Където Е tr - сила на триене, не компонентът на силата на натиск, нормална към контактната повърхност, а μ е коефициентът на триене, е единствената формула, която може да се намери в училищните учебници по физика (виж фиг. 29).

Фигура 29. Към формулирането на класическия закон на триенето.

В продължение на два века никой не е успял да опровергае експериментално доказания закон (1) и той все още звучи по същия начин, както преди 200 години:

 силата на триене е право пропорционална на нормалната компонента на силата, свиваща повърхностите на плъзгащите се тела, и винаги действа в посока, обратна на посоката на движение.

 силата на триене не зависи от големината на контактната повърхност.

 силата на триене не зависи от скоростта на плъзгане.

 силата на статичното триене винаги е по-голяма от силата на триене при плъзгане.

 силите на триене зависят само от плъзгането на двата материала един срещу друг.

Винаги ли е валиден класическият закон на триенето?

Още през 19 век става ясно, че законът на Амонтон-Кулон (1) не винаги правилно описва силата на триене, а коефициентите на триене в никакъв случай не са универсални характеристики. На първо място, беше отбелязано, че коефициентите на триене зависят не само от това какви материали са в контакт, но и от това колко гладко се обработват контактните повърхности. Оказа се например, че коефициентите на триене във вакуум винаги са по-големи, отколкото при нормални условия (виж таблицата по-долу).

Коментирайки тези несъответствия, лауреатът на Нобелова награда по физика Р. Файнман пише в своите лекции - … Таблиците, които изброяват коефициентите на триене „стомана върху стомана“, „мед върху мед“ и така нататък, са пълна измама, защото пренебрегват тези малки неща, но те определят стойността на μ. Триене "мед върху мед" и др. – това всъщност е триене „върху замърсители, полепнали по медта".

Можете, разбира се, да поемете по различен път и чрез изучаване на триенето на „мед върху мед“ да измерите силите по време на движението на идеално полирани и дегазирани повърхности във вакуум. Но тогава две такива парчета мед просто ще се слепят и коефициентът на статично триене ще започне да се увеличава с времето, изминало от началото на контакта на повърхностите. По същите причини коефициентът на триене при плъзгане ще зависи от скоростта (увеличете, докато намалява). Това означава, че също така е невъзможно да се определи точно силата на триене за чистите метали.

Въпреки това, за сухи стандартни повърхности класическият закон на триене е почти точен, въпреки че причината за този тип закон остава неясна до съвсем скоро. В крайна сметка никой не е успял теоретично да оцени коефициента на триене между две повърхности.

Как атомите се "търкат" един в друг?

Трудността при изучаването на триенето се крие във факта, че мястото, където се случва този процес, е скрито от изследователя от всички страни. Въпреки това учените отдавна са стигнали до извода, че силата на триене се дължи на факта, че на микроскопично ниво (т.е. ако погледнете през микроскоп) контактните повърхности са много грапави, дори и да са полирани. Следователно плъзгането на две повърхности една върху друга може да прилича на фантастичен случай, когато обърнатите Кавказки планини се трият, например, в Хималаите (фиг. 30).

Фигура 30. Схематично представяне на мястото на контакт на плъзгащи се повърхности с малка (отгоре) и голяма (отдолу) сила на натиск.

Преди това се смяташе, че механизмът на триене е прост: повърхността е покрита с неравности и триенето е резултат от последователни цикли на "изкачване-спускане" на плъзгащите се части. Но това е грешно, защото тогава няма да има загуба на енергия, но триенето консумира енергия.

Следният модел на триене може да се счита за по-близък до реалността. Докато триещите се повърхности се плъзгат, техните микронеравности влизат в контакт и в точките на контакт атомите, които се противопоставят един на друг, се привличат един към друг, сякаш се „заключват заедно“. При по-нататъшно относително движение на телата тези връзки се разрушават и възникват атомни вибрации, подобни на тези, които възникват при освобождаване на опъната пружина. С течение на времето тези вибрации изчезват и тяхната енергия се превръща в топлина, разпространяваща се върху двете тела. При плъзгане на меки тела е възможно и разрушаването на микронеравностите, т.нар.

По този начин, ако искаме да изследваме триенето, трябва да успеем да преместим песъчинка, състояща се от няколко атома, по повърхността на много малко разстояние от нея, като същевременно измерваме силите, действащи върху тази песъчинка от повърхността. Това стана възможно едва след изобретяването на атомно-силовата микроскопия. Създаването на микроскоп за атомна сила (AFM), способен да усети силите на привличане и отблъскване, възникващи между отделните атоми, направи възможно най-накрая да се „усети“ какви са силите на триене, отваряйки нова област на науката за триенето - нанотрибология.

От началото на 90-те години на миналия век, използвайки АСМ, са проведени систематични изследвания върху силата на триене на микросондите, докато се плъзгат по различни повърхности и зависимостта на тези сили от силата на натиск. Оказа се, че за често използвани сонди, изработени от силиций, микроскопичната сила на триене при плъзгане е около 60-80% от силата на натиск, което е не повече от 10 nN (виж Фиг. 31, отгоре). Както може да се очаква, силата на триене при плъзгане се увеличава с размера на микросондата, тъй като броят на атомите, които едновременно я привличат, се увеличава (виж Фиг. 31, отдолу).

Фигура 31. Зависимост на силата на триене при плъзгане на микросондата от външната сила, н, притискайки го към графитната повърхност. Отгоре – радиус на кривина на сондата, 17 nm; отдолу – радиус на кривина на сондата, 58 nm. Вижда се, че за малки нзависимостта е криволинейна и при големи стойности се доближава до правата линия, обозначена с пунктирана линия. Данните са взети от Holscher and Schwartz (2002).

По този начин силата на триене на плъзгане на микросондата зависи от площта на нейния контакт с повърхността, което противоречи на класическия закон на триенето. Оказа се също, че силата на триене при плъзгане не става нула при липса на сила, притискаща микросондата към повърхността. Да, това е разбираемо, тъй като повърхностните атоми, заобикалящи микросондата, са разположени толкова близо до нея, че я привличат дори при липса на външна сила на компресия. Следователно основното допускане на класическия закон - за пряко пропорционалната зависимост на силата на триене от силата на компресия - също не се наблюдава в нанотрибологията.

Въпреки това, всички тези несъответствия между класическия закон (1) и нанотрибологичните данни, получени с помощта на AFM, могат лесно да бъдат елиминирани. С увеличаването на силата на притискане към плъзгащото тяло се увеличава броят на микроконтактите, което означава, че общата сила на триене при плъзгане се увеличава. Следователно няма противоречия между току-що получените данни на учените и стария закон.

Дълго време беше общоприето, че принуждавайки едно тяло да се плъзне върху друго, ние разбиваме малките нееднородности на едното тяло, които се придържат към нееднородностите на повърхността на другото и за да се разбият тези нееднородности, силата на триене е необходимо. Следователно старите идеи често свързват появата на сила на триене с увреждане на микроиздатините на триещите се повърхности, така нареченото им износване. Нанотрибологичните изследвания, използващи AFM и други съвременни техники, показват, че силите на триене между повърхностите могат да съществуват дори в случаите, когато те не са повредени. Причината за тази сила на триене са постоянно възникващите и разкъсващи се връзки между триещите се атоми.

Защо наночастиците се топят при ниски температури?

С намаляването на размера на частиците се променят не само механичните свойства, но и термодинамичните характеристики. Например, точката му на топене става много по-ниска от тази на проби с нормален размер. Фигура 35 показва как температурата на топене на алуминиевите наночастици се променя с намаляване на размера им. Може да се види, че температурата на топене на 4 nm частица е със 140 o C по-ниска от тази на алуминиева проба с нормален размер.

Фигура 35. Зависимост на температурата на топене на алуминиеви наночастици T m от техния радиус R в ангстрьоми (Å) 1 Å=0,1 nm.

Зависимости, подобни на показаните на фиг. 35 са получени за много метали. Така, когато диаметърът на калаените наночастици се намали до 8 nm, тяхната точка на топене пада със 100°C (от 230°C на 130°C). В същото време най-голям спад в температурата на топене (с повече от 500°C) е установен за златните наночастици.

Наночастиците имат почти всички атоми на повърхността!

Причината за намаляването на температурата на топене на наночастиците е, че атомите на повърхността на всички кристали са в специални условия и делът на такива „повърхностни“ атоми в наночастиците става много голям. Нека изчислим тази "повърхностна" фракция за алуминий.

Лесно е да се изчисли, че 1 cm3 алуминий съдържа приблизително 6. 10 22 атома. За простота ще приемем, че атомите са разположени във възлите на кубична кристална решетка, тогава разстоянието между съседните атоми в тази решетка ще бъде около 4. 10 -8 cm Това означава, че плътността на атомите на повърхността ще бъде 6. 10 14 cm -2.

Сега да вземем куб от алуминий с ръб 1 см, който ще бъде равен на 36 атома. 10 14, а броят на атомите вътре е 6. 10 22. По този начин частта от повърхностни атоми в такъв алуминиев куб с „обикновени“ размери е само 6. 10 -8.

Ако направите същите изчисления за 5 nm алуминиев куб, се оказва, че 12% от всичките му атоми вече са разположени на повърхността на такъв „нанокуб“. Е, на повърхността на куб с размер 1 nm, като цяло, има повече от половината от всички атоми! Зависимостта на "повърхностната" фракция от броя на атомите е показана на фигура 36.

Фигура 36. Зависимост на "повърхностната" фракция на атомите (ординатната ос) от кубичния корен на техния брой N в куб кристална материя.

На повърхността на кристала няма ред

От началото на 60-те години на миналия век учените смятат, че атомите, разположени на повърхността на кристалите, са в специални условия. Силите, които ги принуждават да бъдат във възлите на кристалната решетка, действат върху тях само отдолу. Следователно за повърхностните атоми (или молекули) е лесно да „избегнат съвета и прегръдката“ на молекулите, разположени в решетката, и ако това се случи, тогава няколко повърхностни слоя атоми стигат до едно и също решение наведнъж. В резултат на това върху повърхността на всички кристали се образува течен филм. Между другото, ледените кристали не са изключение. Ето защо ледът е хлъзгав (виж фиг. 37).

Фигура 37. Схематично представяне на напречно сечение на лед. Случайното разположение на водните молекули на повърхността съответства на течен филм, а шестоъгълната структура в дебелина съответства на лед. Червените кръгове са кислородни атоми; бели - водородни атоми (от книгата на К. Ю. Богданов „За физиката на яйцата... и не само”, Москва, 2008 г.).

Дебелината на течния филм върху повърхността на кристала се увеличава с температурата, тъй като по-високата топлинна енергия на молекулите разкъсва повече повърхностни слоеве от кристалната решетка. Теоретичните оценки и експериментите показват, че веднага щом дебелината на течния филм върху повърхността на кристала започне да надвишава 1/10 от размера на кристала, цялата кристална решетка се разрушава и частицата става течна. Следователно температурата на топене на частиците постепенно намалява с намаляване на техния размер (виж фиг. 35).

Очевидно е, че „топимостта“ на наночастиците трябва да се вземе предвид при всяко нанопроизводство. Известно е например, че размерите на съвременните елементи на електронни микросхеми са в наномащабния диапазон. Следователно понижаването на температурата на топене на кристалните нанообекти налага определени ограничения върху работните температурни условия на съвременните и бъдещите микросхеми.

Защо цветът на наночастиците може да зависи от техния размер?

В наносвета много механични, термодинамични и електрически характеристики на материята се променят. Техните оптични свойства не са изключение. Те се променят и в наносвета.

Заобиколени сме от предмети с нормални размери и сме свикнали, че цветът на даден предмет зависи само от свойствата на веществото, от което е направен, или от боята, с която е боядисан. В наносвета тази идея се оказва несправедлива и това отличава нанооптиката от конвенционалната оптика.

Преди около 20-30 години "наноптиците" изобщо не съществуваха. И как би могла да съществува нанооптика, ако от курса на конвенционалната оптика следва, че светлината не може да „усеща” нанообектите, т.к. размерите им са значително по-малки от дължината на светлинната вълна λ = 400 – 800 nm. Според вълновата теория на светлината нанообектите не трябва да имат сенки и светлината не може да се отразява от тях. Също така е невъзможно видимата светлина да се фокусира върху област, съответстваща на нанообект. Това означава, че е невъзможно да се видят наночастици.

Но от друга страна, светлинната вълна все още трябва да действа върху нанообектите, както всяко електромагнитно поле. Например, светлината, падаща върху полупроводникова наночастица, може със своето електрическо поле да откъсне един от валентните електрони от нейния атом. Този електрон ще се превърне в електрон на проводимост за известно време и след това ще се върне отново „у дома“, излъчвайки квант светлина, съответстващ на ширината на „забранената зона“ - минималната енергия, необходима на валентния електрон, за да стане свободен (виж Фиг. 40).

По този начин дори полупроводниците с нано размери трябва да усещат светлина, падаща върху тях, като същевременно излъчват светлина с по-ниска честота. С други думи, полупроводниковите наночастици в светлината могат да станат флуоресцентни, излъчвайки светлина със строго определена честота, съответстваща на ширината на "забранената лента".

Фигура 40. Схематично представяне на енергийни нива и енергийни ленти на електрон в полупроводник. Под въздействието на синя светлина електрон (бял кръг) се отделя от атома, премествайки се в зоната на проводимост. След известно време тя се спуска до най-ниското енергийно ниво на тази зона и, излъчвайки квант червена светлина, се връща обратно във валентната лента.

Свети според размера!

Въпреки че флуоресцентната способност на полупроводниковите наночастици е известна в края на 19 век, това явление е описано подробно едва в самия край на миналия век. И най-интересното е, че се оказа, че честотата на светлината, излъчвана от тези частици, намалява с увеличаване на размера на тези частици (фиг. 41).

Фигура 41. Флуоресценция на суспензии от колоидни частици CdTeразлични размери (от 2 до 5 nm, отляво надясно). Всички колби се осветяват отгоре със синя светлина с еднаква дължина на вълната. Взето от H. Weller (Институт по физикохимия, Университет в Хамбург).

Както е показано на фиг. 41, цветът на суспензията (суспензията) на наночастиците зависи от техния диаметър. Зависимостта на цвета на флуоресценцията, т.е. неговата честота, ν върху размера на наночастицата означава, че ширината на „пролуката“ Δ също зависи от размера на частицата д. Разглеждайки фигури 40 и 41, може да се твърди, че с увеличаване на размерите на наночастиците, ширината на „пролуката“, Δ дтрябва да намалее, т.к ΔE = чν. Тази зависимост може да се обясни по следния начин.

По-лесно е да се откъснете, ако наоколо има много съседи

Минималната енергия, необходима за отстраняване на валентния електрон и прехвърлянето му в зоната на проводимост, зависи не само от заряда на атомното ядро и позицията на електрона в атома. Колкото повече атоми има, толкова по-лесно е да се откъсне електрон, защото ядрата на съседните атоми също го привличат към себе си. Същото заключение важи и за йонизацията на атомите (виж фиг. 42).

Фигура 42. Зависимост на средния брой най-близки съседи в кристалната решетка (ордината) от диаметъра на частица платина в ангстрьоми (абсциса). 1 Å=0,1 nm. Адаптирано от Frenkel et al. (J. Phys. Chem., B, v. 105:12689, 2001).

На фиг. 42. показва как средният брой на най-близките съседи на платинов атом се променя с увеличаване на диаметъра на частиците. Когато броят на атомите в една частица е малък, значителна част от тях е разположена на повърхността, което означава, че средният брой на най-близките съседи е много по-малък от този, съответстващ на кристалната решетка на платината (11). С увеличаване на размера на частиците средният брой на най-близките съседи се доближава до границата, съответстваща на дадена кристална решетка. От фиг. 42 следва, че е по-трудно да се йонизира (отстрани електрон) атом, ако е в малка частица, т.к. средно такъв атом има няколко най-близки съседи.

Фигура 43. Зависимост на йонизационния потенциал (работна работа, в eV) от броя на N атомите в желязна наночастица. Взето от лекция на Е. Родунер (Щутгарт, 2004 г.).

На фиг. Фигура 43 показва как йонизационният потенциал (функция на работа, в eV) се променя за наночастици, съдържащи различен брой железни атоми н. Вижда се, че с растежа нработната функция намалява, клонейки към гранична стойност, съответстваща на работната функция за проби с нормални размери. Оказа се, че промяната Аизход с диаметър на частиците дможе да се опише доста добре с формулата:

Аизвън = Аизход0 + 2 З e 2 / д , (6)

Където А output0 - работна функция за проби с нормални размери, Зе зарядът на атомното ядро и д– заряд на електрона.

Очевидно е, че ширината на „забранената зона“ Δ дзависи от размера на полупроводниковата частица по същия начин, както работата на изхода на металните частици (вижте формула 6) - тя намалява с увеличаване на диаметъра на частиците. Следователно, дължината на вълната на флуоресценцията на полупроводниковите наночастици се увеличава с увеличаване на диаметъра на частиците, както е показано на Фигура 41.

Квантовите точки са създадени от човека атоми

Полупроводниковите наночастици често се наричат „квантови точки“. По своите свойства те наподобяват атоми - „изкуствени атоми“ с наноразмер. В крайна сметка електроните в атомите, движейки се от една орбита в друга, също излъчват квант светлина със строго определена честота. Но за разлика от реалните атоми, чиято вътрешна структура и спектър на излъчване не можем да променим, параметрите на квантовите точки зависят от техните създатели, нанотехнологиите.

Квантовите точки вече са полезен инструмент за биолози, които се опитват да различат различни структури в живите клетки. Факт е, че различните клетъчни структури са еднакво прозрачни и неоцветени. Следователно, ако погледнете клетка през микроскоп, няма да видите нищо друго освен нейните ръбове. За да направят някои клетъчни структури видими, бяха създадени квантови точки, които могат да се придържат към определени вътреклетъчни структури (фиг. 44).

За да оцветите клетката на фиг. 44 в различни цветове, квантовите точки бяха направени в три размера. Най-малките, светещи в зелено, бяха залепени за молекули, способни да се придържат към микротубулите, които изграждат вътрешния скелет на клетката. Средно големи квантови точки биха могли да се залепят към мембраните на апарата на Голджи, а най-големите – към клетъчното ядро. Когато клетката беше потопена в разтвор, съдържащ всички тези квантови точки и държана в него известно време, те проникнаха вътре и се залепиха там, където можеха. След това клетката се изплаква в разтвор, който не съдържа квантови точки, и се поставя под микроскоп. Както може да се очаква, гореспоменатите клетъчни структури станаха многоцветни и ясно видими (фиг. 44).

Фигура 44. Оцветяване на различни вътреклетъчни структури в различни цветове с помощта на квантови точки. Червено – ядро; зелено – микротубули; жълто – апарат на Голджи.

Нанотехнологиите в борбата с рака

В 13% от случаите хората умират от рак. Това заболяване убива около 8 милиона души по света всяка година. Много видове рак все още се считат за нелечими. Научните изследвания показват, че нанотехнологиите могат да бъдат мощен инструмент в борбата срещу това заболяване.

Нанотехнологии и медицина

Златните наночастици са топлинни бомби за раковите клетки

Сферична силициева наночастица с диаметър около 100 nm е покрита със слой злато с дебелина 10 nm. Такава златна наночастица има способността да абсорбира инфрачервено лъчение с дължина на вълната 820 nm, като същевременно нагрява тънък слой течност около себе си с няколко десетки градуса.

Лъчението с дължина на вълната 820 nm практически не се абсорбира от тъканите на нашето тяло. Следователно, ако направите златни наночастици, които се придържат само към раковите клетки, тогава чрез преминаване на радиация с тази дължина на вълната през човешкото тяло, можете да нагреете и унищожите тези клетки, без да увреждате здравите клетки в тялото.

Учените откриха, че мембраната на нормалните клетки се различава от мембраните на раковите клетки и предложиха да се прилагат молекули върху повърхността на златни наночастици, които улесняват адхезията им към раковите клетки. Такива наночастици със способността да се прилепват към раковите клетки са произведени за няколко вида рак.

При експерименти върху мишки е доказана ефективността на златните наночастици за унищожаване на раковите клетки. Първо, ракът е индуциран в мишки, след това те са инжектирани с подходящи наночастици и след това са изложени на радиация с определена дължина на вълната. Оказа се, че след няколко минути такова облъчване повечето ракови клетки умират от прегряване, докато нормалните клетки остават неувредени. Учените възлагат големи надежди на този метод за борба с рака.

Дендримери – капсули с отрова за раковите клетки

Раковите клетки се нуждаят от големи количества фолиева киселина, за да се делят и растат. Следователно, молекулите на фолиевата киселина се прилепват много добре към повърхността на раковите клетки и ако външната обвивка на дендримерите съдържа молекули на фолиева киселина, тогава такива дендримери ще се прилепват избирателно само към раковите клетки. С помощта на такива дендримери раковите клетки могат да станат видими, ако към обвивката на дендримерите са прикрепени други молекули, светещи например под ултравиолетова светлина. Като прикрепите към външната обвивка на дендримера лекарство, което убива раковите клетки, можете не само да ги откриете, но и да ги убиете (фиг. 45).

Фигура 45. Дендример с молекули на фолиева киселина (лилаво), прикрепени към външната му обвивка, се залепва само за раковите клетки. Светещите флуоресцеинови молекули (зелени) правят възможно откриването на тези клетки, молекулите на метотрексат (червени) убиват раковите клетки. Това прави възможно селективното унищожаване само на раковите клетки.

Сребърните наночастици са отрова за бактериите

Физичните свойства на много вещества зависят от размера на пробата. Наночастиците от дадено вещество често имат свойства, които обикновено не се срещат в проби от тези вещества с нормален размер.

Известно е, че златото и среброто не участват в повечето химични реакции. Сребърните или златните наночастици обаче не само стават много добри катализатори на химичните реакции (ускоряват протичането им), но и директно участват в химичните реакции. Например обикновените сребърни проби не реагират със солна киселина, но сребърните наночастици реагират със солна киселина и тази реакция протича по следната схема: 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H 2 .

Високата реактивност на сребърните наночастици обяснява факта, че имат силно бактерицидно действие – убиват някои видове патогенни бактерии. Сребърните йони правят невъзможно протичането на много химични реакции вътре в бактериите и следователно в присъствието на сребърни наночастици много бактерии не се възпроизвеждат. Най-чувствителни към действието на сребърните наночастици са така наречените грам-отрицателни бактерии, които не могат да бъдат оцветени по метода на Грам (Ешерихия коли, салмонела и др.) (Фиг. 47).

Фигура 47. Ефектът на различни концентрации на сребърни наночастици с размер 10-15 nm върху пролиферацията на бактерии Escherichia coli ( Ешерихия коли) – (а) и салмонела ( Салмонела тиф) – (b). Отляво надясно и двата панела показват снимки на петриеви панички с концентрации на сребърни наночастици от 0, 5, 10, 25 и 35 μg/ml. Бактериите оцветяват хранителния разтвор на плочите в жълтеникаво (виж трите най-леви плочи). При липса на бактерии петриевите панички са тъмнокафяви поради наличието на сребърни наночастици. Адаптирано от Shrivastava et al. (Нанотехнология, 18:225103, 2007).

За да се възползват от бактерицидните свойства на сребърните наночастици, те започнаха да се включват в традиционни материали, като спално бельо. Установено е, че чорапите, изработени от тъкани, съдържащи сребърни наночастици, предотвратяват гъбични инфекции на краката.

Слой от сребърни наночастици започна да покрива прибори за хранене, дръжки на врати и дори клавиатури и компютърни мишки, за които беше установено, че служат като място за размножаване на патогенни бактерии. Сребърните наночастици са използвани за създаване на нови покрития, дезинфектанти и детергенти (включително пасти за зъби, почистващи пасти и прахове за пране)

Бактериите и червените кръвни клетки транспортират нанокапсули с лекарства

Човешкото заболяване, като правило, е свързано с заболяване не на всички, а често на малка част от неговите клетки. Но когато приемаме хапчета, лекарството се разтваря в кръвта и след това чрез кръвообращението засяга всички клетки – болни и здрави. В същото време в здравите клетки ненужните лекарства могат да причинят така наречените странични ефекти, например алергични реакции. Затова дългогодишната мечта на лекарите беше селективно лечение само на болни клетки, при което лекарството се доставя насочено и на много малки порции. Нанокапсули с лекарство, което може да се залепи само за определени клетки, биха могли да бъдат решение на този медицински проблем.

Основната пречка пред използването на нанокапсули с лекарства за насочено доставяне до болните клетки е нашата имунна система. Веднага щом клетките на имунната система срещнат чужди тела, включително нанокапсули с лекарства, те се опитват да унищожат и отстранят остатъците им от кръвния поток. И колкото по-успешно правят това, толкова по-добър е имунитетът ни. Следователно, ако въведем някакви нанокапсули в кръвта, нашата имунна система ще унищожи нанокапсулите, преди да достигнат целевите клетки.

За да се измами нашата имунна система, се предлага да се използват червени кръвни клетки (еритроцити) за доставяне на нанокапсули. Нашата имунна система лесно разпознава „нашите“ и никога не атакува червените кръвни клетки. Следователно, ако прикрепите нанокапсули към червените кръвни клетки, тогава клетките на имунната система, „виждайки“ „своите“ червени кръвни клетки, плаващи през кръвоносен съд, няма да „инспектират“ повърхността му, а червените кръвни клетки с нанокапсулите залепени ще плават по-нататък към клетките, към които са адресирани тези нанокапсули. Червените кръвни клетки живеят средно около 120 дни. Експериментите показват, че животът на нанокапсулите, прикрепени към червените кръвни клетки, е 100 пъти по-дълъг, отколкото когато просто се инжектират в кръвта.

Една обикновена бактерия също може да бъде заредена с наночастици, съдържащи лекарства, и след това може да действа като транспортер, за да достави тези лекарства до болните клетки. Размерите на наночастиците варират от 40 до 200 нанометра; учените са се научили да ги прикрепят към повърхността на бактериите с помощта на специални молекули. Върху една бактерия могат да се поставят до няколкостотин наночастици от различни видове (фиг. 59).

Фигура 59. Метод за доставяне на наночастици с лекарства или ДНК фрагменти (гени) за клетъчно лечение.

Бактериите имат естествена способност да нахлуват в живите клетки, което ги прави идеални кандидати за доставяне на лекарства. Това е особено ценно в генната терапия, където е необходимо да се доставят ДНК фрагменти до местоназначението им, без да се убива здрава клетка. След като гените навлязат в клетъчното ядро, то започва да произвежда специфични протеини, като по този начин коригира генетичното заболяване. Това разкрива нови възможности в областта на генната терапия. Освен това е възможно да се принудят бактериите да транспортират наночастици с отрова до адреса, например, за да убият раковите клетки.

Нановлакна – скеле за възстановяване на гръбначния мозък

Известно е, че понастоящем увреждането на гръбначния мозък често не може да бъде лекувано. В тези случаи нараняването на гръбначния мозък поставя човека в инвалидна количка за цял живот. Причината за нелечимостта на увреждането на гръбначния мозък е защитната функция на тялото ни - бързото образуване на белег от твърда съединителна тъкан, която служи като граница между увредените и неувредените нерви, преминаващи по гръбначния мозък.

Белегът винаги предпазва живите клетки от близките мъртви клетки и се образува, когато всички тъкани на тялото са увредени. Въпреки това, когато гръбначният мозък е увреден, полученият белег предотвратява растежа на нервите и възстановяването на основната функция на гръбначния мозък - да провежда нервните импулси от мозъка към различни части на тялото и обратно.

Нервите не могат да растат през белег и празни кухини. За да растат, като къща, те се нуждаят от рамка или водачи (скеле), както и липсата на прегради. По този начин, за бързо възстановяване на увреждане на гръбначния мозък, е необходимо (1) да се предотврати образуването на белег и (2) да се запълни пространството между увредените и неувредените нервни влакна със скеле. Нанотехнологиите решават и двата горни проблема.

Известно е, че амфифилните молекули, т.е. молекулите, в които хидрофилните и хидрофобните области са пространствено разделени, имат способността да се самосглобяват. Тези молекули в крайна сметка се събират в цилиндрични нановлакна. В същото време върху повърхността на тези нановлакна могат да се поставят различни молекули, като например потискат образуването на белези и стимулират растежа на нервната тъкан. Такива нановлакна образуват решетъчни структури, създавайки рамка за растеж на нервите (фиг. 61). Ако запълните мястото на нараняване на гръбначния мозък с такива самосглобяващи се влакна, увредените нерви ще започнат да растат през мястото на нараняване, елиминирайки ефектите от нараняването.

Фигура 61. Вдясно е схематично представяне на нановлакно, образувано от амфифилни молекули, носещи химически структури, които блокират растежа на белег и активират растежа на нервите (обозначени в различни цветове). Отляво е микроснимка на скеле, образувано от нановлакна на мястото на увреждане на гръбначния мозък; калибриране, 200 nm. Адаптирано от Hartgerink et al., Science, 294, 1684 (2001).

Ако използвате спринцовка (фиг. 62), за да инжектирате разтвор на такива амфифилни молекули в мястото на нараняване в рамките на 24 часа след нараняването, тогава те, след като се събраха в триизмерна мрежа от нановлакна, ще предотвратят образуването на белег и нервните влакна ще могат да растат, възстановявайки провеждането на импулси през гръбначния мозък и елиминирайки последствията от нараняване. Такива експерименти са проведени върху плъхове и се оказват успешни.

Р Фигура 62. Схематично представяне на увредената област на гръбначния мозък (стрелка) и спринцовка, с която се инжектира течност с амфифилни молекули в тази област. Адаптирано от Silva et al, Science, 303, 1352 (2004).

Нанотехнологиите в бита и индустрията

Нанотръбите са контейнери за съхранение на водород, най-чистото гориво.

Запасите от въглища, нефт и газ на Земята са ограничени. Освен това изгарянето на конвенционални горива води до натрупване на въглероден диоксид и други вредни примеси в атмосферата, а това от своя страна води до глобално затопляне, чиито признаци човечеството вече усеща. Ето защо днес човечеството е изправено пред много важна задача - как да замени традиционните видове гориво в бъдеще?

Най-изгодно е като гориво да се използва най-разпространеният химичен елемент във Вселената – водородът. При окисляването (изгарянето) на водорода се образува вода, като тази реакция протича с отделяне на много голямо количество топлина (120 kJ/kg). За сравнение, специфичната топлина на изгаряне на бензина и природния газ е три пъти по-малка от тази на водорода. Трябва също така да се има предвид, че при изгарянето на водород не се образуват вредни за околната среда оксиди на азот, въглерод и сяра.

Предложени са доста сравнително евтини и екологично чисти методи за производство на водород, но съхранението и транспортирането на водород досега е един от нерешените проблеми на водородната енергия. Причината за това е много малкият размер на водородната молекула. Поради това водородът може да проникне през микроскопични пукнатини и пори, открити в обикновените материали, и изтичането му в атмосферата може да доведе до експлозии. Следователно стените на бутилките за съхранение на кислород трябва да са по-дебели, което ги прави по-тежки. От съображения за безопасност е по-добре да охладите водородните бутилки до няколко десетки K, което допълнително увеличава разходите за съхранение и транспортиране на това гориво.

Решение на проблема със съхранението и транспортирането на водород може да бъде устройство, което играе ролята на „гъба“, която да има способността да абсорбира водород и да го задържа за неопределено време. Очевидно такава водородна „гъба“ трябва да има голяма повърхност и химически афинитет към водорода. Всички тези свойства присъстват в въглеродните нанотръби.

Както е известно, въглеродните нанотръби имат всички атоми на повърхността. Един от механизмите за абсорбция на водород от нанотръбите е хемосорбцията, т.е. адсорбцията на водород H2 върху повърхността на тръбата, последвана от дисоциация и образуване на C-H химични връзки. Водородът, свързан по този начин, може да бъде извлечен от нанотръбата, например, чрез нагряване до 600 o C. В допълнение, водородните молекули се свързват с повърхността на нанотръбите чрез физическа адсорбция чрез взаимодействие на Ван дер Ваалс.

Смята се, че най-ефективното използване на водорода като гориво е окисляването му в горивна клетка (фиг. 46), при което химическата енергия директно се преобразува в електрическа. По този начин горивната клетка е подобна на галванична клетка, но се различава от нея по това, че веществата, участващи в реакцията, непрекъснато се подават в нея отвън.

Фигура 46. Схематична илюстрация на горивна клетка, състояща се от два електрода, разделени от електролит. Водородът се подава към анода, който, прониквайки в електролита през много малки пори в електродния материал и участвайки в реакцията на хемосорбция, се превръща в положително заредени йони. Кислородът се подава към катода и водата, продуктът на реакцията, се отстранява. За ускоряване на реакцията се използват катализатори. Електродите на горивната клетка са свързани към товара (лампа).

Според изследователите, за да се създаде ефективна горивна клетка, е необходимо да се създаде водородна „гъба“, всеки кубичен метър от която съдържа най-малко 63 кг водород. С други думи, масата на водорода, съхраняван в „гъбата“, трябва да бъде най-малко 6,5% от масата на „гъбата“. Понастоящем с помощта на нанотехнологиите при експериментални условия е възможно да се създадат водородни „гъби“, масата на водорода в която надвишава 18%, което отваря широки перспективи за развитието на водородната енергия.

Нанофазните материали са по-издръжливи

При достатъчно голямо натоварване всички материали се счупват и на мястото на счупване съседните слоеве атоми трайно се отдалечават един от друг. Силата на много материали обаче не зависи от това колко сила трябва да се приложи, за да се разделят два съседни слоя от атоми. Всъщност е много по-лесно да разкъсате всеки материал, ако има пукнатини. Следователно здравината на твърдите материали зависи от това колко микропукнатини има в него и какъв вид, и как пукнатините се разпространяват през този материал. В тези места, където има пукнатина, силата, изпитваща здравината на материала, се прилага не към целия слой, а към веригата от атоми, разположени в горната част на пукнатината, и следователно е много лесно да се раздалечат слоевете (виж Фиг. 48).

Фигура 48. Схематично представяне на пукнатина между два слоя атоми, разширяващи се под действието на сили (червени стрелки).

Разпространението на пукнатини често се възпрепятства от микроструктурата на твърдото тяло. Ако тялото се състои от микрокристали, като метали, тогава пукнатина, разделяща един от тях на две, може да срещне външната повърхност на съседен микрокристал и да спре. По този начин, колкото по-малък е размерът на частиците, от които е формован материалът, толкова по-трудно е пукнатините да се разпространяват през него.

Материалите, съставени от наночастици, се наричат нанофаза. Пример за нанофазен материал може да бъде нанофазна мед, един от производствените методи на който е показан на фигура 49.

Фигура 49. Производство на нанофазна мед.

За да се получи нанофазна мед, лист от обикновена мед се нагрява до висока температура, при която медните атоми започват да се изпаряват от повърхността му. С конвективния поток тези атоми се придвижват към повърхността на студената тръба, върху която се отлагат, образувайки конгломерати от наночастици. Плътен слой от медни наночастици върху повърхността на студена тръба е нанофазамед.

Нанофазни материали, често наричани наноструктуриран, могат да бъдат произведени по различни начини, например чрез компресиране на прах от наночастици при повишени температури (горещо пресоване).

Образци от материали, „формовани“ от наночастици, се оказват много по-здрави от конвенционалните. Механичното натоварване на нанофазния материал, подобно на конвенционалния, причинява появата на микропукнатини в него. Въпреки това, линейното разпространение на тази микропукнатина и превръщането й в макропукнатина е възпрепятствано от многобройните граници на наночастиците, които изграждат този материал. Следователно микропукнатината се натъква на границата на една от наночастиците и спира, а пробата остава непокътната.

Фигура 50 показва как силата на медта зависи от размера на микрокристалите или наночастиците, от които се състои. Вижда се, че якостта на проба от нанофазна мед може да бъде 10 пъти по-висока от якостта на обикновената мед, която по правило се състои от кристали с размер около 50 микрона.

Фигура 50. Зависимост на якостта на медта от размера на гранулите (частиците). Адаптирано от Scientific American, 1996, декември, стр. 74.

При малки деформации на срязване частиците от нанофазни материали могат леко да се движат една спрямо друга. Следователно финоклетъчната структура на нанофазните материали е по-силна не само по време на деформация на опън, но и по време на огъване, когато съседните слоеве на пробата променят дължината си по различен начин.

Наночастици TiO 2 - наносапун и ултравиолетов капан

Титанов диоксид, TiO 2 е най-разпространеното титаново съединение на земята. Прахът от титанов диоксид има брилянтен бял цвят и затова се използва като багрило при производството на бои, хартия, пасти за зъби и пластмаси. Причината за белотата на праха от титанов диоксид е неговият много висок индекс на пречупване (n=2,7).

Титановият оксид TiO 2 има много силна каталитична активност - ускорява протичането на химичните реакции. В присъствието на ултравиолетово лъчение титановият диоксид разделя водните молекули на свободни радикали - хидроксилни групи OH - и супероксидни аниони O 2 - (фиг. 51).

Фигура 51. Схематично представяне на образуването на свободни радикали OH - и O 2 - по време на катализа на вода върху повърхността на титанов диоксид в присъствието на слънчева светлина.

Активността на получените свободни радикали е толкова висока, че на повърхността на титановия диоксид всички органични съединения се разлагат на въглероден диоксид и вода. Трябва да се отбележи, че това се случва само при слънчева светлина, за която е известно, че съдържа ултравиолетов компонент.

Каталитичната активност на титановия диоксид се увеличава с намаляване на размера на частиците, тъй като съотношението на повърхността на частиците към техния обем се увеличава. Поради това титановите наночастици стават много ефективни и се използват за пречистване на вода, въздух и различни повърхности от органични съединения, които обикновено са вредни за хората.

Фотокатализатори, направени на базата на наночастици от титанов диоксид, могат да бъдат включени в състава на магистрален бетон. Експериментите показват, че при експлоатацията на такива пътища концентрацията на азотен оксид е много по-ниска, отколкото над конвенционалните. По този начин, включването на наночастици от титанов диоксид в бетона може да подобри околната среда около магистралите. Освен това се предлага да се добави прах от тези наночастици към автомобилното гориво, което също трябва да намали съдържанието на вредни примеси в отработените газове.

Филм от наночастици титанов диоксид, нанесен върху стъкло, е прозрачен и невидим за окото. Въпреки това, такова стъкло, когато е изложено на слънчева светлина, е способно да се самопочиства от органични замърсители, превръщайки всяка органична мръсотия във въглероден диоксид и вода. Стъклото, обработено с наночастици от титанов оксид, е без мазни петна и следователно е добре намокрено от вода. В резултат на това такова стъкло се замъглява по-малко, тъй като водните капки веднага се разпространяват по повърхността на стъклото, образувайки тънък прозрачен филм.

За съжаление, титановият диоксид спира да работи в затворени пространства, защото... В изкуствената светлина практически няма ултравиолет. Въпреки това учените смятат, че чрез лека промяна на структурата на титановия диоксид ще бъде възможно да се направи чувствителен към видимата част от слънчевия спектър. Въз основа на такива наночастици от титанов диоксид ще бъде възможно да се направи покритие, например, за тоалетни помещения, в резултат на което съдържанието на бактерии и други органични вещества върху тоалетните повърхности може да бъде намалено няколко пъти.

Поради способността си да абсорбира ултравиолетовото лъчение, титановият диоксид вече се използва в производството на слънцезащитни продукти, като кремове. Производителите на кремове започнаха да използват титанов диоксид под формата на наночастици, които са толкова малки, че осигуряват почти абсолютна прозрачност на слънцезащитния крем.

Самопочистваща се нанотрева и "лотосов ефект"

Нанотехнологията дава възможност да се създаде повърхност, подобна на масажна микрочетка. Такава повърхност се нарича нанотрева и се състои от множество успоредни нанонижи (нанопръчки) с еднаква дължина, разположени на равни разстояния една от друга (фиг. 52).

Фигура 52. Електронна микроснимка на нанотрева, състояща се от силициеви пръчици с диаметър 350 nm и височина 7 μm, разположени на 1 μm една от друга.

Капка вода, падаща върху нанотревата, не може да проникне между нанотревата, тъй като това се предотвратява от високото повърхностно напрежение на течността. В крайна сметка, за да проникне между нанотревите, една капка трябва да увеличи повърхността си, а това изисква допълнителни енергийни разходи. Следователно капката „плува върху пантофки“, между които има въздушни мехурчета. В резултат на това силите на сцепление между капката и нанотревата стават много малки. Това означава, че става неблагоприятно за капката да се разпространява и намокря „острата“ нанотрева и тя се свива на топка, демонстрирайки много висок контактен ъгъл q, който е количествена мярка за омокряемост (фиг. 53).

Фигура 53. Капка вода върху нанотрева.

За да се намали омокряемостта на нанотревата, повърхността й е покрита с тънък слой от някакъв хидрофобен полимер. И тогава не само водата, но и всякакви частици никога няма да се придържат към нанотревата, т.к докоснете го само в няколко точки. Следователно частиците мръсотия, които се озовават върху повърхност, покрита с нановорси, или падат от нея сами, или се отнасят от търкалящите се капки вода.

Самопочистването на пухкава повърхност от частици мръсотия се нарича „ефект на лотос“, т.к Цветовете и листата на лотоса са чисти, дори когато водата наоколо е мътна и мръсна. Това се дължи на факта, че листата и цветята не се намокрят от вода, така че капки вода се търкалят от тях като живачни топки, не оставят следи и измиват цялата мръсотия. Дори капки лепило и мед не могат да останат на повърхността на листата на лотоса.

Оказа се, че цялата повърхност на листата на лотоса е плътно покрита с микропъпки с височина около 10 микрона, а самите пъпки от своя страна са покрити с още по-малки микровили (фиг. 54). Изследванията показват, че всички тези микропъпки и власинки са направени от восък, за който е известно, че има хидрофобни свойства, което прави повърхността на листата на лотоса да изглежда като нанотрева. Това е пъпчатата структура на повърхността на листата на лотоса, която значително намалява тяхната омокряемост. За сравнение, фиг. 54 показва сравнително гладката повърхност на лист от магнолия, която няма способността да се самопочиства.

Фигура 54. Микроснимка на повърхността на листа от лотос и магнолия. Долу вляво е схематична диаграма на една микропъпка. Взето от Планта (1997), 202: 1-8.

Така нанотехнологиите правят възможно създаването на самопочистващи се покрития и материали, които имат и водоотблъскващи свойства. Материалите, изработени от такива тъкани, винаги остават чисти. Вече се произвеждат и самопочистващи се предни стъкла, чиято външна повърхност е покрита с нановили. Няма какво да правят чистачките на такова стъкло. В продажба има постоянно чисти джанти за автомобилни джанти, които се самопочистват с помощта на „ефекта на лотос“ и сега можете да боядисате отвън къщата си с боя, по която няма да полепне мръсотия.

Нанобатерии – мощни и издръжливи

За разлика от транзисторите, миниатюризацията на батериите става много бавно. Размерът на галваничните батерии, намален до единица мощност, е намалял през последните 50 години само 15 пъти, а размерът на транзистора през същото време е намалял повече от 1000 пъти и сега е около 100 nm. Известно е, че размерът на автономната електронна схема често се определя не от нейното електронно запълване, а от размера на източника на ток. Освен това, колкото по-умна е електрониката на устройството, толкова по-голяма батерия изисква. Следователно, за по-нататъшно миниатюризиране на електронните устройства, е необходимо да се разработят нови видове батерии. И тук отново помагат нанотехнологиите

Наночастиците увеличават повърхността на електродите

Колкото по-голяма е площта на електродите на батериите и акумулаторите, толкова по-голям ток могат да произведат. За да се увеличи площта на електродите, тяхната повърхност е покрита с проводими наночастици, нанотръби и др.

През 2005 г. Toshiba създаде прототип на литиево-йонна батерия, чийто отрицателен електрод беше покрит с нанокристали от литиев титанат, в резултат на което площта на електрода се увеличи няколко десетки пъти. Новата батерия е в състояние да набере 80% от капацитета си само за една минута зареждане, докато конвенционалните литиево-йонни батерии се зареждат със скорост 2-3% на минута и им отнема един час, за да се заредят напълно.

В допълнение към високата скорост на презареждане, батериите, съдържащи електроди от наночастици, имат удължен експлоатационен живот: след 1000 цикъла на зареждане/разреждане се губи само 1% от капацитета им, а общият експлоатационен живот на новите батерии е повече от 5 хиляди цикъла. Освен това тези батерии могат да работят при температури до -40 o C, губейки само 20% от заряда си срещу 100% за типичните съвременни батерии вече при -25 o C.

От 2007 г. в продажба се предлагат батерии с електроди от проводими наночастици, които могат да се монтират в електрически превозни средства. Тези литиево-йонни батерии могат да съхраняват енергия до 35 kW. час, като се зарежда до максимален капацитет само за 10 минути. Сега пробегът на електрически автомобил с такива батерии е 200 км, но вече е разработен следващият модел на тези батерии, който позволява увеличаване на пробега на електрически автомобил до 400 км, което е почти сравнимо с максималния пробег на бензиновите автомобили (от зареждане до зареждане).

Нано ключ за батерия

Един от основните недостатъци на съвременните батерии е, че те напълно губят мощността си в рамките на няколко години, дори ако не работят, а лежат в склад (15% от енергията се губи всяка година). Причината за намаляването на енергията на батерията с течение на времето е, че дори и при неработещи батерии, електродите и електролита винаги са в контакт един с друг и следователно йонният състав на електролита и повърхността на електродите постепенно се променят, което причинява намаляване на мощността на батериите.

з За да се избегне контакт на електролита с електродите при съхранение на батерията, тяхната повърхност може да бъде защитена с нанокосми, които не се намокрят с вода (вижте Фигура 55), симулирайки описания по-горе „ефект на лотос“.

Фигура 55. Схематично представяне на „нанотрева“ от нанопръчки с диаметър 300 nm, растящи върху един от електродите на батерията. Поради хидрофобните свойства на нанокосмения материал, синкавият електролитен разтвор не може да се доближи до повърхността на „червения“ електрод и батерията не губи мощността си в продължение на много години. Адаптирано от Scientific American, 2006, февруари, стр. 73.

Известно е, че адхезията (залепването) може да се контролира с помощта на външно електрическо поле. Всеки е виждал как по електрифициран пластмасов гребен полепват малки парченца хартия, трохи, прах и др. Омокряемостта се определя от адхезията и следователно електрическо поле, приложено между течността и повърхността на твърдото тяло, винаги увеличава омокряемостта на последното.

Хидрофобното покритие на нанокосмите предпазва повърхността на един от електродите на батерията от контакт с електролита (фиг. 55). Ако обаче искаме да използваме батерия, тогава е достатъчно да приложим малко напрежение към нанокосмите и те стават хидрофилни, в резултат на което електролитът запълва цялото пространство между електродите, правейки батерията работоспособна.

Смята се, че нанотехнологията за включване и изключване, описана по-горе, ще бъде търсена за батерии в различни сензори, например, изпуснати от самолет в труднодостъпни райони, които се планира да се използват само в няколко години или в някои специални случаи по сигнал.

Кондензатори с пластини от нанотръби

Изследователите вярват, че електрическият кондензатор, изобретен преди около 300 години, може да се превърне в отлична батерия, ако бъде подобрен с помощта на нанотехнологии. За разлика от източниците на галваничен ток, кондензаторът може да служи като акумулатор на електрическа енергия за неопределено време. В същото време един кондензатор може да се зарежда много по-бързо от всяка батерия.

Единственият недостатък на електрическия кондензатор в сравнение с източниците на галваничен ток е неговата ниска специфична енергийна интензивност (съотношението на съхранената енергия към обема). В момента специфичната енергийна интензивност на кондензаторите е приблизително 25 пъти по-малка от тази на батериите и акумулаторите.

Известно е, че капацитетът и енергийната интензивност на кондензатора са право пропорционални на повърхността на неговите плочи. Използвайки нанотехнология за увеличаване на площта на кондензаторните пластини, е възможно да се отгледа гора от проводящи нанотръби на тяхната повърхност (фиг. 56). В резултат на това енергийният капацитет на такъв кондензатор може да се увеличи хиляди пъти. Смята се, че такива кондензатори ще станат обичайни източници на ток в много близко бъдеще.

Фигура 56. Повърхността на една от плочите на кондензатора, която представлява гора и вертикално ориентирани въглеродни нанотръби.

За тези, които искат да свържат бъдещето с нанотехнологиите

Сега много руски университети обучават специалисти в областта на нанотехнологиите. В много престижни университети се появяват факултети и катедри по нанотехнологии. Всички разбират обещанието на тази посока, разбират нейната прогресивност... и дори, може би, ползите от нея. Последните години бяха белязани от бързо нарастване на интереса към нанотехнологиите и увеличаване на инвестициите в тях в целия свят. И това е съвсем разбираемо, като се има предвид, че нанотехнологиите предоставят висок потенциал за икономически растеж, от който зависи качеството на живот на населението, технологичната и отбранителната сигурност, ресурсо- и енергоспестяването. Днес почти всички развити страни имат национални програми в областта на нанотехнологиите. Те имат дългосрочен характер, а финансирането им се осъществява със средства, отпускани както от държавни източници, така и от други фондове.

Списък на университетите, в които можете да учите нанотехнологии

1. Московски държавен университет на името на. М.В. Ломоносов,

2. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски физико-технологичен институт (държавен университет)",

3. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски държавен технически университет на името на N.E. Бауман,

4. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски държавен институт за стомана и сплави (Технологичен университет)",

5. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски държавен институт по електронни технологии (Технически университет)",

6. Федерална държавна институция за висше професионално образование "Санкт Петербургски държавен университет",

7. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Таганрогски държавен радиотехнически университет" (като част от Южния федерален университет),

8. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Нижегородски държавен университет на името на Н. И. Лобачевски",

9. Федерална държавна институция за висше професионално образование "Томски държавен университет".

10. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Далекоизточен държавен университет",

11. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Самарски държавен аерокосмически университет на името на академик S.P. Королев",

12. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Санкт-Петербургски държавен минен институт на името на Г. В. Плеханов (Технически университет)",

13. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Томски държавен университет по системи за управление и радиоелектроника",

14. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Томски политехнически университет",

15. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Новосибирски държавен университет",

16. Национален изследователски ядрен университет "МИФИ",

17. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Санкт Петербургски държавен политехнически университет",

18. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски енергиен институт (Технически университет)",

19. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Санкт-Петербургски държавен електротехнически университет "LETI" на името на V.I. Ulyanov (Lenin)",

20. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Санкт Петербургски държавен университет по информационни технологии, механика и оптика",

21. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Белгородски държавен университет",

22. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Руски университет за дружба с народите",

23. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Уралски държавен университет на името на А. М. Горки",

24. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Саратовски държавен университет на името на Н. Г. Чернишевски",

25. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Владимирски държавен университет",

26. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски държавен строителен университет",

27. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Далекоизточен държавен технически университет (FEPI на името на V.V. Kuibyshev)",

28. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Новосибирски държавен технически университет",

29. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Южен Уралски държавен университет",

30. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Пермски държавен технически университет",

31. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Казански държавен технически университет на име A.N. Tupolev",

32. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Уфимски държавен авиационен технически университет",

33. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Тюменски държавен университет",

34. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Уралски държавен технически университет - UPI на името на първия президент на Русия Б. Н. Елцин",

35. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Якутски държавен университет на името на М. К. Амосов",

36. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Вятски държавен университет",

37. Федерална държавна образователна институция за висше професионално образование "Руски държавен университет на името на Имануил Кант",

38. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Московски педагогически държавен университет",

39. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Руски държавен университет за нефт и газ на името на I.M. Gubkin",

40. Държавна образователна институция за висше професионално образование "Тамбовски държавен университет на името на G.R. Державин".

Библиография

http://abitur.nica.ru/

http://www.med.umich.edu/opm/newspage/2005/nanoparticles.htm.

http://probes.invitrogen.com/servlets/photo?fileid=g002765&company=probes

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers.

http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#

budivel.ru За изолацията и отоплението на къщата.

Нанотехнологии и области на тяхното приложение. справка. Нанотехнологиите в нашия живот Нанотехнологиите, които използваме в живота

Изтегли:

Преглед:

Преглед:

Машини за създаване от Е. Дрекслер

Лечебни машини

Фотолитографията – пътят към наносвета: отгоре надолу

НАНОТЕХНОЛОГИЧНИ ИНСТРУМЕНТИ

Сканиращ сондов микроскоп

Оптични пинсети

причинааз - поляризираните частици се изтеглят в електрическото поле

причинаII - пречупването на светлината задържа частицата в центъра на лъча

Изключения от правилата

Графен, въглеродни нанотръби и фулерени

Графен

Въглеродни нанотръби

Фулерени

ЗАГАДКИ НА НАНОМОРАЛНОТО

Винаги ли е валиден класическият закон на триенето?

Как атомите се "търкат" един в друг?

Защо наночастиците се топят при ниски температури?

Наночастиците имат почти всички атоми на повърхността!

На повърхността на кристала няма ред

Защо цветът на наночастиците може да зависи от техния размер?

По-лесно е да се откъснете, ако наоколо има много съседи

Квантовите точки са създадени от човека атоми

Нанотехнологиите в борбата с рака

Златните наночастици са топлинни бомби за раковите клетки

Дендримери – капсули с отрова за раковите клетки

Наночастици TiO 2 - наносапун и ултравиолетов капан

Нанобатерии – мощни и издръжливи

Наночастиците увеличават повърхността на електродите

Нано ключ за батерия

Кондензатори с пластини от нанотръби

Свързани публикации

Нанотехнологии и области на тяхното приложение. справка. Нанотехнологиите в нашия живот Нанотехнологиите, които използваме в живота

Изтегли:

Преглед:

Преглед:

Машини за създаване от Е. Дрекслер

Лечебни машини

Фотолитографията – пътят към наносвета: отгоре надолу

НАНОТЕХНОЛОГИЧНИ ИНСТРУМЕНТИ

Сканиращ сондов микроскоп

Оптични пинсети

причинааз - поляризираните частици се изтеглят в електрическото поле

причинаII - пречупването на светлината задържа частицата в центъра на лъча

Изключения от правилата

Графен, въглеродни нанотръби и фулерени

Графен

Въглеродни нанотръби

Фулерени

ЗАГАДКИ НА НАНОМОРАЛНОТО

Винаги ли е валиден класическият закон на триенето?

Как атомите се "търкат" един в друг?

Защо наночастиците се топят при ниски температури?

Наночастиците имат почти всички атоми на повърхността!

На повърхността на кристала няма ред

Защо цветът на наночастиците може да зависи от техния размер?

По-лесно е да се откъснете, ако наоколо има много съседи

Квантовите точки са създадени от човека атоми

Нанотехнологиите в борбата с рака

Златните наночастици са топлинни бомби за раковите клетки

Дендримери – капсули с отрова за раковите клетки

Наночастици TiO 2 - наносапун и ултравиолетов капан

Нанобатерии – мощни и издръжливи

Наночастиците увеличават повърхността на електродите

Нано ключ за батерия

Кондензатори с пластини от нанотръби

Свързани публикации

Таро за отношението на мъжа към мен

Пилаф със свинско в тиган, как да готвя ронлив свински пилаф в тиган, рецепта със снимка

Сладко по всички правила