वाई. स्विडिनेंको, इंजीनियर-भौतिक विज्ञानी

नैनोस्ट्रक्चर पारंपरिक ट्रांजिस्टर की जगह लेगा।

कॉम्पैक्ट शैक्षिक नैनोटेक्नोलॉजिकल इंस्टॉलेशन "यूएमकेए" आपको परमाणुओं के व्यक्तिगत समूहों में हेरफेर करने की अनुमति देता है।

"यूएमकेए" इंस्टॉलेशन का उपयोग करके, डीवीडी की सतह की जांच करना संभव है।

भावी नैनोटेक्नोलॉजिस्टों के लिए एक पाठ्यपुस्तक पहले ही प्रकाशित की जा चुकी है।

नैनोटेक्नोलॉजी, जो बीसवीं सदी की आखिरी तिमाही में सामने आई, तेजी से विकसित हो रही है। लगभग हर महीने नई परियोजनाओं के बारे में संदेश आते हैं जो एक या दो साल पहले बिल्कुल कल्पना जैसी लगती थीं। इस क्षेत्र के अग्रणी, एरिक ड्रेक्सलर द्वारा दी गई परिभाषा के अनुसार, नैनोटेक्नोलॉजी "एक अपेक्षित उत्पादन तकनीक है जो पूर्व निर्धारित परमाणु संरचना वाले उपकरणों और पदार्थों के कम लागत वाले उत्पादन पर केंद्रित है।" इसका मतलब यह है कि यह परमाणु परिशुद्धता के साथ संरचनाएं प्राप्त करने के लिए व्यक्तिगत परमाणुओं पर काम करता है। यह नैनोटेक्नोलॉजी और आधुनिक "वॉल्यूमेट्रिक" बल्क प्रौद्योगिकियों के बीच मूलभूत अंतर है जो मैक्रो-ऑब्जेक्ट्स में हेरफेर करता है।

हम पाठक को याद दिला दें कि नैनो 10 -9 को दर्शाने वाला एक उपसर्ग है। एक नैनोमीटर लंबे खंड पर आठ ऑक्सीजन परमाणु स्थित हो सकते हैं।

नैनोऑब्जेक्ट्स (उदाहरण के लिए, धातु नैनोकण) में आमतौर पर भौतिक और रासायनिक गुण होते हैं जो एक ही सामग्री की बड़ी वस्तुओं और व्यक्तिगत परमाणुओं के गुणों से भिन्न होते हैं। मान लीजिए, 5-10 एनएम आकार के सोने के कणों का पिघलने का तापमान 1 सेमी 3 की मात्रा वाले सोने के टुकड़े के पिघलने के तापमान से सैकड़ों डिग्री कम है।

नैनोस्केल रेंज में किए गए अनुसंधान विज्ञान के प्रतिच्छेदन पर होते हैं; सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में अनुसंधान अक्सर जैव प्रौद्योगिकी, ठोस अवस्था भौतिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्रों को प्रभावित करते हैं।

नैनोमेडिसिन के क्षेत्र में दुनिया के अग्रणी विशेषज्ञ, रॉबर्ट फ्रीटास ने कहा: "भविष्य की नैनोमशीनों में अरबों परमाणु शामिल होंगे, इसलिए उनके डिजाइन और निर्माण के लिए विशेषज्ञों की एक टीम के प्रयासों की आवश्यकता होगी। प्रत्येक नैनोरोबोट डिजाइन के लिए कई लोगों के संयुक्त प्रयासों की आवश्यकता होगी अनुसंधान टीमों। बोइंग 777 विमान को दुनिया भर की कई टीमों द्वारा डिजाइन और निर्मित किया गया था। भविष्य का नैनोमेडिकल रोबोट, जिसमें दस लाख (या उससे भी अधिक) काम करने वाले हिस्से होंगे, डिजाइन जटिलता में एक हवाई जहाज से ज्यादा सरल नहीं होगा।

हमारे चारों ओर नैनो उत्पाद

नैनोवर्ल्ड जटिल है और अभी भी अपेक्षाकृत कम अध्ययन किया गया है, और फिर भी यह हमसे उतना दूर नहीं है जितना कुछ साल पहले लगता था। हममें से अधिकांश लोग बिना जाने-समझे नियमित रूप से नैनोटेक्नोलॉजी में किसी न किसी प्रगति का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, आधुनिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स अब माइक्रो नहीं, बल्कि नैनो है: आज उत्पादित ट्रांजिस्टर - सभी चिप्स का आधार - 90 एनएम तक की सीमा में हैं। और 60, 45 और 30 एनएम तक इलेक्ट्रॉनिक घटकों के और लघुकरण की योजना पहले से ही बनाई गई है।

इसके अलावा, जैसा कि हेवलेट-पैकार्ड कंपनी के प्रतिनिधियों ने हाल ही में घोषणा की है, पारंपरिक तकनीक का उपयोग करके निर्मित ट्रांजिस्टर को नैनोस्ट्रक्चर द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा। ऐसा ही एक तत्व कई नैनोमीटर चौड़े तीन कंडक्टर हैं: उनमें से दो समानांतर हैं, और तीसरा उनके समकोण पर स्थित है। कंडक्टर छूते नहीं हैं, बल्कि पुल की तरह एक के ऊपर एक होकर गुजरते हैं। इस मामले में, उन पर लागू वोल्टेज के प्रभाव में नैनोकंडक्टर सामग्री से बनी आणविक श्रृंखलाएं ऊपरी कंडक्टरों से निचले कंडक्टरों तक उतरती हैं। इस तकनीक का उपयोग करके बनाए गए सर्किट पहले ही डेटा संग्रहीत करने और तार्किक संचालन करने, यानी ट्रांजिस्टर को बदलने की क्षमता प्रदर्शित कर चुके हैं।

नई तकनीक के साथ, माइक्रोक्रिकिट भागों के आयाम 10-15 नैनोमीटर के स्तर से काफी नीचे गिर जाएंगे, ऐसे पैमाने पर जहां पारंपरिक अर्धचालक ट्रांजिस्टर केवल शारीरिक रूप से काम नहीं कर सकते हैं। संभवतः, अगले दशक की पहली छमाही में, सीरियल माइक्रोक्रिस्केट्स (अभी भी पारंपरिक, सिलिकॉन) दिखाई देंगे, जिसमें नई तकनीक का उपयोग करके एक निश्चित संख्या में नैनोतत्व बनाए जाएंगे।

2004 में, कोडक ने अल्टिमा इंकजेट प्रिंटर के लिए पेपर जारी किया। इसकी नौ परतें हैं। शीर्ष परत में सिरेमिक नैनोकण होते हैं, जो कागज को सघन और चमकदार बनाते हैं। आंतरिक परतों में 10 एनएम मापने वाले वर्णक नैनोकण होते हैं, जो प्रिंट गुणवत्ता में सुधार करते हैं। और कोटिंग संरचना में शामिल पॉलिमर नैनोकणों द्वारा पेंट के त्वरित निर्धारण की सुविधा प्रदान की जाती है।

यूएस इंस्टीट्यूट ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी के निदेशक, चाड मिर्किन का मानना ​​है कि "नैनोटेक्नोलॉजी सभी सामग्रियों को खरोंच से पुनर्निर्माण करेगी। आणविक उत्पादन के माध्यम से प्राप्त सभी सामग्रियां नई होंगी, क्योंकि अब तक मानवता को नैनोस्ट्रक्चर विकसित करने और उत्पादन करने का अवसर नहीं मिला है।" उद्योग में केवल उसी का उपयोग करें जो प्रकृति हमें देती है। हम पेड़ों से बोर्ड बनाते हैं, और प्रवाहकीय धातु से तार बनाते हैं। नैनोटेक्नोलॉजिकल दृष्टिकोण यह है कि हम लगभग किसी भी प्राकृतिक संसाधन को तथाकथित "बिल्डिंग ब्लॉक्स" में संसाधित करेंगे जो भविष्य का आधार बनेंगे। उद्योग।"

अब हम पहले से ही नैनोक्रांति की शुरुआत देख रहे हैं: ये नए कंप्यूटर चिप्स, और नए कपड़े हैं जो दाग नहीं लगाते हैं, और चिकित्सा निदान में नैनोकणों का उपयोग ("विज्ञान और जीवन" संख्या, 2005 भी देखें)। यहां तक ​​कि सौंदर्य प्रसाधन उद्योग भी नैनोमटेरियल्स में रुचि रखता है। वे सौंदर्य प्रसाधनों में कई नई गैर-मानक दिशाएँ बना सकते हैं जो पहले मौजूद नहीं थीं।

नैनोस्केल रेंज में, लगभग कोई भी सामग्री अद्वितीय गुण प्रदर्शित करती है। उदाहरण के लिए, यह ज्ञात है कि सिल्वर आयनों में एंटीसेप्टिक गतिविधि होती है। चांदी के नैनोकणों के घोल में काफी अधिक सक्रियता होती है। यदि आप इस समाधान के साथ एक पट्टी का इलाज करते हैं और इसे शुद्ध घाव पर लगाते हैं, तो सूजन दूर हो जाएगी और पारंपरिक एंटीसेप्टिक्स का उपयोग करने की तुलना में घाव तेजी से ठीक हो जाएगा।

घरेलू चिंता नैनोइंडस्ट्री ने चांदी के नैनोकणों के उत्पादन के लिए एक तकनीक विकसित की है जो समाधान और अधिशोषित अवस्था में स्थिर हैं। परिणामी दवाओं में व्यापक स्पेक्ट्रम रोगाणुरोधी क्रिया होती है। इस प्रकार, मौजूदा उत्पादों के निर्माताओं द्वारा तकनीकी प्रक्रिया में मामूली बदलाव के साथ रोगाणुरोधी गुणों वाले उत्पादों की एक पूरी श्रृंखला बनाना संभव हो गया।

चांदी के नैनोकणों का उपयोग पारंपरिक को संशोधित करने और नई सामग्री, कोटिंग्स, कीटाणुनाशक और डिटर्जेंट (टूथपेस्ट और सफाई पेस्ट, वाशिंग पाउडर, साबुन सहित) और सौंदर्य प्रसाधन बनाने के लिए किया जा सकता है। सिल्वर नैनोकणों से संशोधित कोटिंग्स और सामग्री (मिश्रित, कपड़ा, पेंट और वार्निश, कार्बन और अन्य) का उपयोग उन स्थानों पर निवारक रोगाणुरोधी संरक्षण के रूप में किया जा सकता है जहां संक्रमण फैलने का खतरा बढ़ जाता है: परिवहन में, सार्वजनिक खानपान प्रतिष्ठानों में, कृषि में और पशुधन भवन, बच्चों, खेल और चिकित्सा संस्थानों में। सिल्वर नैनोकणों का उपयोग एयर कंडीशनिंग सिस्टम फिल्टर, स्विमिंग पूल, शॉवर और अन्य समान सार्वजनिक स्थानों में पानी को शुद्ध करने और रोगजनकों को मारने के लिए किया जा सकता है।

इसी तरह के उत्पाद विदेशों में उत्पादित किए जाते हैं। एक कंपनी पुरानी सूजन और खुले घावों के इलाज के लिए चांदी के नैनोकणों के साथ कोटिंग का उत्पादन करती है।

अन्य प्रकार के नैनोमटेरियल कार्बन नैनोट्यूब हैं, जिनमें अत्यधिक ताकत होती है (देखें "विज्ञान और जीवन" संख्या 5, 2002; संख्या 6, 2003)। ये अजीबोगरीब बेलनाकार बहुलक अणु होते हैं जिनका व्यास लगभग आधा नैनोमीटर और लंबाई कई माइक्रोमीटर तक होती है। इन्हें पहली बार 10 साल से भी कम समय पहले फुलरीन सी60 के संश्लेषण के उप-उत्पादों के रूप में खोजा गया था। फिर भी, कार्बन नैनोट्यूब के आधार पर नैनोमीटर आकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण पहले से ही बनाए जा रहे हैं। यह उम्मीद की जाती है कि निकट भविष्य में वे आधुनिक कंप्यूटर सहित विभिन्न उपकरणों के इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में कई तत्वों को प्रतिस्थापित कर देंगे।

हालाँकि, नैनोट्यूब का उपयोग न केवल इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है। पहले से ही व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टेनिस रैकेट हैं जो मुड़ने को सीमित करने और अधिक मारक शक्ति प्रदान करने के लिए कार्बन नैनोट्यूब के साथ प्रबलित होते हैं। इनका उपयोग स्पोर्ट्स साइकिल के कुछ हिस्सों में भी किया जाता है।

नैनोटेक्नोलॉजी बाजार में रूस

घरेलू कंपनी नैनोटेक्नोलॉजी न्यूज नेटवर्क ने हाल ही में रूस में एक और नया उत्पाद पेश किया - स्व-सफाई नैनोकोटिंग्स। यह कार के शीशे पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड नैनोकणों वाले एक विशेष घोल का छिड़काव करने के लिए पर्याप्त है, और 50,000 किमी तक गंदगी और पानी उस पर चिपक नहीं पाएंगे। कांच पर एक पारदर्शी अति पतली परत बनी रहती है, जिस पर पानी चिपकने के लिए कुछ भी नहीं होता है, और यह गंदगी के साथ लुढ़क जाता है। सबसे पहले, गगनचुंबी इमारतों के मालिकों को नए उत्पाद में दिलचस्पी हो गई - इन इमारतों के मुखौटे को धोने पर भारी मात्रा में पैसा खर्च किया जाता है। सिरेमिक, पत्थर, लकड़ी और यहां तक ​​कि कपड़ों की कोटिंग के लिए ऐसी रचनाएं हैं।

यह कहा जाना चाहिए कि कुछ रूसी संगठन पहले से ही अंतरराष्ट्रीय नैनोटेक्नोलॉजी बाजार में सफलतापूर्वक प्रदर्शन कर रहे हैं।

उदाहरण के लिए, नैनोइंडस्ट्री चिंता के पोर्टफोलियो में उद्योग के विभिन्न क्षेत्रों में लागू होने वाले कई नैनोटेक्नोलॉजिकल उत्पाद हैं। ये जैव प्रौद्योगिकी और चिकित्सा के लिए कम करने वाली संरचना "आरवीएस" और सिल्वर नैनोकण, औद्योगिक नैनोटेक्नोलॉजिकल इंस्टॉलेशन "एलयूसीएच-1,2" और शैक्षिक नैनोटेक्नोलॉजिकल इंस्टॉलेशन "यूएमकेए" हैं।

"आरवीएस" संरचना, जो पहनने से बचा सकती है और लगभग किसी भी रगड़ वाली धातु की सतह को बहाल कर सकती है, अनुकूली नैनोकणों के आधार पर तैयार की जाती है। यह उत्पाद आपको धातु की सतहों के तीव्र घर्षण वाले क्षेत्रों में (उदाहरण के लिए, आंतरिक दहन इंजनों में घर्षण जोड़े में) 0.1-1.5 मिमी की मोटाई के साथ एक संशोधित उच्च-कार्बन आयरन सिलिकेट सुरक्षात्मक परत बनाने की अनुमति देता है। इस तरह की संरचना को तेल क्रैंककेस में डालने से आप लंबे समय तक इंजन खराब होने की समस्या को भूल सकते हैं। ऑपरेशन के दौरान, यांत्रिक हिस्से घर्षण से गर्म हो जाते हैं, इस हीटिंग के कारण धातु के नैनोकण क्षतिग्रस्त क्षेत्रों से चिपक जाते हैं। अत्यधिक वृद्धि के कारण अधिक तीव्र ताप होता है, और नैनोकण अपनी जुड़ने की क्षमता खो देते हैं। इस प्रकार, रगड़ इकाई में संतुलन लगातार बना रहता है, और हिस्से व्यावहारिक रूप से खराब नहीं होते हैं।

विशेष रुचि नैनोटेक्नोलॉजिकल उपकरणों का यूएमकेए कॉम्प्लेक्स है, जिसका उद्देश्य भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, चिकित्सा, आनुवंशिकी और अन्य मौलिक और व्यावहारिक विज्ञान के क्षेत्र में परमाणु-आणविक स्तर पर प्रदर्शन, अनुसंधान और प्रयोगशाला कार्य करना है। उदाहरण के लिए, इसने हाल ही में 0.3 माइक्रोन के रिज़ॉल्यूशन वाली एक डीवीडी की सतह की छवि बनाई है, और यह सीमा नहीं है। पिकोएम्पियर धाराओं पर काम करने की अनूठी तकनीक प्रारंभिक धातु जमाव के बिना भी कमजोर प्रवाहकीय जैविक नमूनों को स्कैन करने की अनुमति देती है (आमतौर पर यह आवश्यक है कि नमूने की शीर्ष परत प्रवाहकीय हो)। "यूएमकेए" में उच्च तापमान स्थिरता है, जो परमाणुओं के अलग-अलग समूहों के साथ दीर्घकालिक हेरफेर की अनुमति देती है, और उच्च स्कैनिंग गति है, जो तेज प्रक्रियाओं के अवलोकन की अनुमति देती है।

यूएमकेए कॉम्प्लेक्स के अनुप्रयोग का मुख्य क्षेत्र नैनो-आकार की संरचनाओं के साथ काम करने के आधुनिक व्यावहारिक तरीकों का प्रशिक्षण है। यूएमकेए कॉम्प्लेक्स में शामिल हैं: एक सुरंग माइक्रोस्कोप, एक कंपन संरक्षण प्रणाली, परीक्षण नमूनों का एक सेट, उपभोग्य सामग्रियों और उपकरणों के सेट। उपकरण एक छोटे केस में फिट होते हैं, कमरे की स्थिति में काम करते हैं और इनकी कीमत 8 हजार डॉलर से कम होती है। आप नियमित पर्सनल कंप्यूटर से प्रयोगों को नियंत्रित कर सकते हैं।

जनवरी 2005 में, नैनोटेक्नोलॉजी उत्पाद बेचने वाला पहला रूसी ऑनलाइन स्टोर खोला गया। इंटरनेट पर स्टोर का स्थायी पता www.nanobot.ru है

सुरक्षा समस्याएं

हाल ही में यह पता चला कि फुलरीन नामक गोलाकार C60 अणु गंभीर बीमारी का कारण बन सकते हैं और पर्यावरण को नुकसान पहुंचा सकते हैं। दो अलग-अलग प्रकार की मानव कोशिकाओं के संपर्क में आने पर पानी में घुलनशील फुलरीन की विषाक्तता राइस और जॉर्जिया विश्वविद्यालयों (यूएसए) के शोधकर्ताओं द्वारा स्थापित की गई थी।

राइस यूनिवर्सिटी के रसायन विज्ञान के प्रोफेसर विकी कोल्विन और उनके सहयोगियों ने पाया कि जब फुलरीन को पानी में घोला जाता है, तो सी 60 कोलाइड बनते हैं, जो मानव त्वचा कोशिकाओं और यकृत कार्सिनोमा कोशिकाओं के संपर्क में आने पर उनकी मृत्यु का कारण बनते हैं। उसी समय, पानी में फुलरीन की सांद्रता बहुत कम थी: प्रति 1 बिलियन पानी के अणुओं में ~ 20 सी 60 अणु। साथ ही, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि अणुओं की विषाक्तता उनकी सतह के संशोधन पर निर्भर करती है।

शोधकर्ताओं का सुझाव है कि सरल C60 फुलरीन की विषाक्तता इस तथ्य के कारण है कि उनकी सतह सुपरऑक्साइड आयनों का उत्पादन करने में सक्षम है। ये कण कोशिका झिल्ली को नुकसान पहुंचाते हैं और कोशिका मृत्यु का कारण बनते हैं।

कोल्विन और उनके सहयोगियों ने कहा कि फुलरीन के इस नकारात्मक गुण का उपयोग अच्छे कार्यों के लिए किया जा सकता है - कैंसर ट्यूमर के उपचार के लिए। केवल ऑक्सीजन रेडिकल्स के निर्माण के तंत्र को विस्तार से स्पष्ट करना आवश्यक है। जाहिर है, फुलरीन पर आधारित अति-प्रभावी जीवाणुरोधी दवाएं बनाना संभव होगा।

साथ ही, उपभोक्ता उत्पादों में फुलरीन के उपयोग का खतरा वैज्ञानिकों को काफी वास्तविक लगता है।

जाहिर है, यही कारण है कि अमेरिकी खाद्य एवं औषधि सुरक्षा आयोग (एफडीए) ने हाल ही में नैनो टेक्नोलॉजी का उपयोग करके और नैनोमटेरियल्स और नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग करके निर्मित उत्पादों (खाद्य, सौंदर्य प्रसाधन, दवाएं, उपकरण और पशु चिकित्सा) की एक विस्तृत श्रृंखला को लाइसेंस और विनियमित करने की आवश्यकता की घोषणा की है।

नैनोटेक्नोलॉजी को सरकारी समर्थन की आवश्यकता है

दुर्भाग्य से, रूस में नैनो प्रौद्योगिकी के विकास के लिए अभी भी कोई राज्य कार्यक्रम नहीं है। (2005 में, अमेरिकी नैनोटेक्नोलॉजी कार्यक्रम, वैसे, पांच साल का हो गया।) इसमें कोई संदेह नहीं है, नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के लिए एक केंद्रीकृत सरकारी कार्यक्रम के अस्तित्व से अनुसंधान परिणामों के व्यावहारिक कार्यान्वयन में काफी मदद मिलेगी। दुर्भाग्य से, हमें विदेशी स्रोतों से पता चलता है कि देश में नैनो टेक्नोलॉजी के क्षेत्र में सफल विकास हुए हैं। उदाहरण के लिए, गर्मियों में अमेरिकी मानक संस्थान ने दुनिया की सबसे छोटी परमाणु घड़ी बनाने की घोषणा की। जैसा कि बाद में पता चला, एक रूसी टीम ने भी उनके निर्माण पर काम किया।

रूस में कोई राज्य कार्यक्रम नहीं है, लेकिन शोधकर्ता और उत्साही लोग हैं: पिछले वर्ष में, यूथ साइंटिफिक सोसाइटी (YSS) ने अपने देश के भविष्य के बारे में सोचने वाले 500 से अधिक युवा वैज्ञानिकों, स्नातक छात्रों और स्नातक छात्रों को एकजुट किया है। नैनोटेक्नोलॉजी मुद्दों के विस्तृत अध्ययन के लिए, फरवरी 2004 में, एमएनओ के आधार पर विश्लेषणात्मक कंपनी "नैनोटेक्नोलॉजी न्यूज नेटवर्क (एनएनएन)" बनाई गई थी, जो इस क्षेत्र में सैकड़ों खुले विश्व स्रोतों की निगरानी करती है और वर्तमान में 4,500 से अधिक सूचना संदेशों को संसाधित कर चुकी है। विदेशी और रूसी मीडिया, लेखों और प्रेस विज्ञप्तियों और विशेषज्ञ टिप्पणियों से। वेबसाइटें www.mno.ru और www.nanonewsnet.ru बनाई गईं, जिन्हें रूस और सीआईएस के 170,000 से अधिक नागरिकों ने देखा।

युवा परियोजना प्रतियोगिता

अप्रैल 2004 में, नैनोइंडस्ट्री चिंता के साथ, यूनियास्ट्रम बैंक के समर्थन से, घरेलू आणविक नैनोटेक्नोलॉजी बनाने के लिए युवा परियोजनाओं की पहली अखिल रूसी प्रतियोगिता सफलतापूर्वक आयोजित की गई, जिससे रूसी वैज्ञानिकों में गहरी रुचि पैदा हुई।

प्रतियोगिता के विजेताओं ने उत्कृष्ट विकास प्रस्तुत किया: पहला स्थान रूसी रासायनिक प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के युवा वैज्ञानिकों की एक टीम को प्रदान किया गया। रासायनिक विज्ञान के उम्मीदवार गैलिना पोपोवा के नेतृत्व में डी.आई. मेंडेलीव, जिन्होंने ऑप्टिकल नैनोसेंसर, आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स और बायोमेडिसिन के लिए बायोमिमेटिक (बायोमिमेटिक्स - प्रकृति में मौजूद संरचनाओं की नकल) सामग्री बनाई। दूसरा स्थान ताशकंद राज्य शैक्षणिक विश्वविद्यालय के स्नातक छात्र ने लिया। निज़ामी मरीना फ़ोमिना, जिन्होंने रोगग्रस्त ऊतकों तक दवाओं की लक्षित डिलीवरी के लिए एक प्रणाली विकसित की, और तीसरे टॉम्स्क के एक स्कूली छात्र एलेक्सी खासानोव हैं, जो अद्वितीय गुणों के साथ नैनोसेरेमिक सामग्री बनाने की तकनीक के लेखक हैं। विजेताओं को बहुमूल्य पुरस्कार मिले।

बैंक के सहयोग से, एक लोकप्रिय विज्ञान पाठ्यपुस्तक "नैनोटेक्नोलॉजीज़ फॉर एवरीवन" विकसित की गई है और प्रकाशन के लिए तैयार की जा रही है, जिसने प्रमुख वैज्ञानिकों से उच्च प्रशंसा अर्जित की है।

एनएनएन कंपनी, जो एक वर्ष के भीतर नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में एक अग्रणी विश्लेषणात्मक एजेंसी बन गई थी, ने दिसंबर 2004 में युवा परियोजनाओं की दूसरी अखिल रूसी प्रतियोगिता की शुरुआत की घोषणा की, जिसका सामान्य प्रायोजक एक बार फिर यूनीस्ट्रम बैंक था, इससे प्रसन्न होकर पहली प्रतियोगिता के परिणाम. इसके अलावा, इस बार निर्बाध बिजली आपूर्ति की अंतरराष्ट्रीय निर्माता कंपनी पावरकॉम भी प्रायोजक बनी। पत्रिका "विज्ञान और जीवन" प्रतियोगिता की तैयारी और कवरेज में सक्रिय भाग लेती है।

प्रतियोगिता का उद्देश्य प्रतिभाशाली युवाओं को विदेशों में नहीं बल्कि अपने देश में ही नैनो टेक्नोलॉजी के विकास के लिए आकर्षित करना है।

प्रतियोगिता के विजेता को नैनोटेक्नोलॉजी प्रयोगशाला "यूएमकेए" प्राप्त होगी। दूसरे और तीसरे स्थान के विजेताओं को आधुनिक लैपटॉप से ​​सम्मानित किया जाएगा; सर्वश्रेष्ठ प्रतिभागियों को साइंस एंड लाइफ पत्रिका की निःशुल्क सदस्यता प्राप्त होगी। पुरस्कारों में नैनोकणों पर आधारित वाहनों की मरम्मत और बहाली किट, यूनिवर्सम पत्रिका की सदस्यता और मासिक सीडी "द वर्ल्ड ऑफ नैनोटेक्नोलॉजीज" शामिल हैं।

परियोजनाओं का फोकस बेहद विविध है: ऑटोमोटिव और विमानन उद्योगों के लिए आशाजनक नैनोमटेरियल से लेकर प्रत्यारोपण और न्यूरोटेक्नोलॉजिकल इंटरफेस तक। प्रतियोगिता की विस्तृत सामग्री वेबसाइट www.nanonewsnet.ru पर है।

दिसंबर 2004 में, नैनोटेक्नोलॉजी के औद्योगिक उपयोग के लिए समर्पित पहला सम्मेलन फ्रायज़िनो (मॉस्को क्षेत्र) शहर में आयोजित किया गया था, जहां वैज्ञानिकों ने उत्पादन में कार्यान्वयन के लिए तैयार दर्जनों विकास प्रस्तुत किए। इनमें नैनोट्यूब, अल्ट्रा-मजबूत कोटिंग्स, घर्षण-रोधी यौगिक, लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए कंडक्टिंग पॉलिमर, उच्च क्षमता वाले कैपेसिटर आदि पर आधारित नई सामग्रियां शामिल हैं।

रूस में नैनो टेक्नोलॉजी गति पकड़ रही है। हालाँकि, जब तक अनुसंधान को राज्य या एक व्यापक संघीय कार्यक्रम द्वारा समन्वित नहीं किया जाता है, तब तक बेहतरी के लिए कुछ भी बदलने की संभावना नहीं है। भावी नैनोटेक्नोलॉजिस्टों के लिए एक पाठ्यपुस्तक पहले ही प्रकाशित की जा चुकी है।

मार्किन किरिल पेट्रोविच

विज्ञान और प्रौद्योगिकी का क्षेत्र, जिसे नैनोटेक्नोलॉजी कहा जाता है, अपेक्षाकृत हाल ही में उभरा है। इस विज्ञान की संभावनाएं बहुत अधिक हैं। कण "नैनो" का अर्थ स्वयं एक मात्रा का एक अरबवां हिस्सा है। उदाहरण के लिए, एक नैनोमीटर एक मीटर का एक अरबवाँ भाग होता है। ये आकार अणुओं और परमाणुओं के आकार के समान हैं। नैनोटेक्नोलॉजी की सटीक परिभाषा इस प्रकार है: नैनोटेक्नोलॉजी एक ऐसी तकनीक है जो परमाणुओं और अणुओं के स्तर पर पदार्थ में हेरफेर करती है (यही कारण है कि नैनोटेक्नोलॉजी को आणविक प्रौद्योगिकी भी कहा जाता है)। नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के लिए प्रेरणा रिचर्ड फेनमैन का एक व्याख्यान था, जिसमें उन्होंने वैज्ञानिक रूप से साबित किया कि भौतिकी के दृष्टिकोण से, परमाणुओं से सीधे चीजें बनाने में कोई बाधा नहीं है। परमाणुओं में प्रभावी ढंग से हेरफेर करने के साधन को नामित करने के लिए, एक असेंबलर की अवधारणा पेश की गई - एक आणविक नैनोमशीन जो किसी भी आणविक संरचना का निर्माण कर सकती है। प्राकृतिक असेंबलर का एक उदाहरण राइबोसोम है, जो जीवित जीवों में प्रोटीन का संश्लेषण करता है। जाहिर है, नैनोटेक्नोलॉजी केवल ज्ञान का एक अलग निकाय नहीं है, यह बुनियादी विज्ञान से संबंधित अनुसंधान का एक बड़े पैमाने पर व्यापक क्षेत्र है। हम कह सकते हैं कि स्कूल में पढ़ा जाने वाला लगभग कोई भी विषय किसी न किसी तरह से भविष्य की प्रौद्योगिकियों से संबंधित होगा। सबसे स्पष्ट "नैनो" और भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान के बीच संबंध प्रतीत होता है। जाहिरा तौर पर, यह ये विज्ञान हैं जिन्हें निकट आने वाली नैनोटेक्नोलॉजिकल क्रांति के संबंध में विकास के लिए सबसे बड़ा प्रोत्साहन मिलेगा।

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पूर्व दर्शन:

नगरपालिका बजटीय शैक्षणिक संस्थान

“माध्यमिक विद्यालय क्रमांक 2 का नाम रखा गया।” ए.ए. अराकांतसेव, सेमीकाराकोर्स्क"

परिचय…………………………………………………………………………………..
1. आधुनिक दुनिया में नैनोटेक्नोलॉजी………………………………
1.1 नैनोटेक्नोलॉजी का इतिहास………………………………
1.2 मानव गतिविधि के विभिन्न क्षेत्रों में नैनोप्रौद्योगिकी…
1.2.1 अंतरिक्ष में नैनो प्रौद्योगिकी……………………………………………………
1.2.2 चिकित्सा में नैनो प्रौद्योगिकी…………………………………….
1.2.3 खाद्य उद्योग में नैनोटेक्नोलॉजी……………………
1.2.4 सैन्य मामलों में नैनोटेक्नोलॉजी………………………………..
निष्कर्ष………………………………………………………………..
ग्रंथ सूची…………………………………………………………. ...

परिचय।

वर्तमान में, बहुत कम लोग जानते हैं कि नैनोटेक्नोलॉजी क्या है, हालाँकि भविष्य इस विज्ञान के पीछे है।

कार्य का लक्ष्य:

पता लगाएं कि नैनोटेक्नोलॉजी क्या है;

विभिन्न उद्योगों में इस विज्ञान के अनुप्रयोग का पता लगाएँ;

पता लगाएं कि क्या नैनोटेक्नोलॉजी इंसानों के लिए खतरनाक हो सकती है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी का क्षेत्र, जिसे नैनोटेक्नोलॉजी कहा जाता है, अपेक्षाकृत हाल ही में उभरा है। इस विज्ञान की संभावनाएं बहुत अधिक हैं। कण "नैनो" का अर्थ स्वयं एक मात्रा का एक अरबवां हिस्सा है। उदाहरण के लिए, एक नैनोमीटर एक मीटर का एक अरबवाँ भाग है। ये आकार अणुओं और परमाणुओं के आकार के समान हैं। नैनोटेक्नोलॉजी की सटीक परिभाषा इस प्रकार है: नैनोटेक्नोलॉजी एक ऐसी तकनीक है जो परमाणुओं और अणुओं के स्तर पर पदार्थ में हेरफेर करती है (यही कारण है कि नैनोटेक्नोलॉजी को आणविक प्रौद्योगिकी भी कहा जाता है)। नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के लिए प्रेरणा रिचर्ड फेनमैन का एक व्याख्यान था, जिसमें उन्होंने वैज्ञानिक रूप से साबित किया कि भौतिकी के दृष्टिकोण से, परमाणुओं से सीधे चीजें बनाने में कोई बाधा नहीं है। परमाणुओं में प्रभावी ढंग से हेरफेर करने के साधन को नामित करने के लिए, एक असेंबलर की अवधारणा पेश की गई - एक आणविक नैनोमशीन जो किसी भी आणविक संरचना का निर्माण कर सकती है। प्राकृतिक असेंबलर का एक उदाहरण राइबोसोम है, जो जीवित जीवों में प्रोटीन का संश्लेषण करता है। जाहिर है, नैनोटेक्नोलॉजी केवल ज्ञान का एक अलग निकाय नहीं है, यह बुनियादी विज्ञान से संबंधित अनुसंधान का एक बड़े पैमाने पर व्यापक क्षेत्र है। हम कह सकते हैं कि स्कूल में पढ़ा जाने वाला लगभग कोई भी विषय किसी न किसी तरह से भविष्य की प्रौद्योगिकियों से संबंधित होगा। सबसे स्पष्ट "नैनो" और भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान के बीच संबंध प्रतीत होता है। जाहिरा तौर पर, यह ये विज्ञान हैं जो निकट आने वाली नैनोटेक्नोलॉजिकल क्रांति के संबंध में विकास के लिए सबसे बड़ा प्रोत्साहन प्राप्त करेंगे।

आज हम लाभ और नए अवसरों का लाभ उठा सकते हैंनैनो प्रौद्योगिकियाँ:

• एयरोस्पेस सहित चिकित्सा;
• औषध विज्ञान;
• जराचिकित्सा;
• बढ़ते पर्यावरणीय संकट और मानव निर्मित आपदाओं के संदर्भ में राष्ट्र के स्वास्थ्य की रक्षा करना;
• वैश्विक कंप्यूटर नेटवर्क और नए भौतिक सिद्धांतों पर सूचना संचार;
• अति-लंबी दूरी की संचार प्रणालियाँ;
• मोटर वाहन, ट्रैक्टर और विमानन उपकरण;
• सड़क सुरक्षा;
• सूचना सुरक्षा प्रणालियाँ;
• मेगासिटी की पर्यावरणीय समस्याओं का समाधान;
• कृषि;
• पेयजल आपूर्ति और अपशिष्ट जल उपचार की समस्याओं का समाधान करना;
• मौलिक रूप से नए नेविगेशन सिस्टम;
• प्राकृतिक खनिज और हाइड्रोकार्बन कच्चे माल का नवीनीकरण।

हमने चिकित्सा, खाद्य उद्योग, सैन्य मामलों और अंतरिक्ष में नैनो टेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया, क्योंकि इन क्षेत्रों ने हमारी रुचि जगाई।

1. आधुनिक दुनिया में नैनोटेक्नोलॉजी।

1.1 नैनोटेक्नोलॉजी का इतिहास।

विज्ञान "नैनोटेक्नोलॉजीज"मैं" कंप्यूटर विज्ञान में क्रांतिकारी परिवर्तन के कारण उत्पन्न हुआ!

1947 में, ट्रांजिस्टर का आविष्कार किया गया था, जिसके बाद अर्धचालक प्रौद्योगिकी का उदय शुरू हुआ, जिसके दौरान निर्मित सिलिकॉन उपकरणों का आकार लगातार घट रहा था।शब्द "नैनोटेक्नोलॉजी"1974 में, जापानी नोरियो तानिगुची द्वारा व्यक्तिगत परमाणुओं के साथ हेरफेर का उपयोग करके नई वस्तुओं और सामग्रियों के निर्माण की प्रक्रिया का वर्णन करने का प्रस्ताव रखा गया था। यह नाम "नैनोमीटर" शब्द से आया है - एक मीटर का एक अरबवां हिस्सा (10-9 मीटर).

आधुनिक शब्दों में, नैनोटेक्नोलॉजी पदार्थ के सबसे छोटे कणों से सुपरमाइक्रोस्कोपिक संरचनाओं के निर्माण की एक तकनीक है, जो सीधे परमाणुओं और अणुओं से संबंधित सभी तकनीकी प्रक्रियाओं को जोड़ती है।

आधुनिक नैनोटेक्नोलॉजी का ऐतिहासिक प्रभाव काफी गहरा है। पुरातात्विक खोज प्राचीन दुनिया में कोलाइडल फॉर्मूलेशन के अस्तित्व का संकेत देती है, उदाहरण के लिए, प्राचीन मिस्र में "चीनी स्याही"। प्रसिद्ध दमिश्क स्टील इसमें नैनोट्यूब की उपस्थिति के कारण बनाया गया था।

नैनोटेक्नोलॉजी के विचार का जनक लगभग 400 ईसा पूर्व यूनानी दार्शनिक डेमोक्रिटस को माना जा सकता है। युग, उन्होंने पहली बार पदार्थ के सबसे छोटे कण का वर्णन करने के लिए "परमाणु" शब्द का उपयोग किया, जिसका ग्रीक में अर्थ "अटूट" होता है।

यहाँ एक अनुमानित विकास पथ है:

• 1905 स्विस भौतिक विज्ञानी अल्बर्ट आइंस्टीन ने एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें उन्होंने साबित किया कि चीनी अणु का आकार लगभग 1 नैनोमीटर है।
• 1931 जर्मन भौतिकविदों मैक्स नॉल और अर्न्स्ट रुस्का ने एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप बनाया, जिससे पहली बार नैनोऑब्जेक्ट्स का अध्ययन करना संभव हो गया।
• 1934 अमेरिकी सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी और नोबेल पुरस्कार विजेता यूजीन विग्नर ने सैद्धांतिक रूप से पर्याप्त संख्या में चालन इलेक्ट्रॉनों के साथ एक अल्ट्राडिस्पर्स धातु बनाने की संभावना की पुष्टि की।
• 1951 जॉन वॉन न्यूमैन ने स्व-प्रतिकृति मशीनों के सिद्धांतों को रेखांकित किया, और वैज्ञानिकों ने आम तौर पर उनकी संभावना की पुष्टि की।
• 1953 में, वॉटसन और क्रिक ने डीएनए की संरचना का वर्णन किया, जिसमें दिखाया गया कि जीवित वस्तुएं कैसे निर्देश देती हैं जो उनके निर्माण का मार्गदर्शन करती हैं।
• 1959 अमेरिकी भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने सबसे पहले लघुकरण की संभावनाओं का आकलन करते हुए एक पेपर प्रकाशित किया था। नोबेल पुरस्कार विजेता आर. फेनमैन ने एक वाक्यांश लिखा था जिसे अब एक भविष्यवाणी के रूप में माना जाता है: "जहाँ तक मैं देख सकता हूँ, भौतिकी के सिद्धांत व्यक्तिगत परमाणुओं के हेरफेर पर रोक नहीं लगाते हैं।" यह विचार तब व्यक्त किया गया था जब उत्तर-औद्योगिक युग की शुरुआत अभी तक साकार नहीं हुई थी; इन वर्षों में कोई एकीकृत सर्किट, कोई माइक्रोप्रोसेसर, कोई पर्सनल कंप्यूटर नहीं थे।
• 1974 जापानी भौतिक विज्ञानी नोरियो तानिगुची ने "नैनोटेक्नोलॉजी" शब्द को वैज्ञानिक प्रचलन में पेश किया, जिसे उन्होंने एक माइक्रोन से कम आकार के तंत्र को कॉल करने का प्रस्ताव दिया। ग्रीक शब्द "नैनोज़" का मोटे तौर पर मतलब "बूढ़ा आदमी" है।
• 1981 ग्लिटर अद्वितीय गुणों वाली सामग्री बनाने की संभावना पर ध्यान आकर्षित करने वाले पहले व्यक्ति थे, जिनकी संरचना नैनोस्केल रेंज में क्रिस्टलाइट्स द्वारा दर्शायी जाती है।

• 27 मार्च 1981 को सीबीएस रेडियो न्यूज ने नासा के लिए काम करने वाले एक वैज्ञानिक के हवाले से कहा कि इंजीनियर अंतरिक्ष या पृथ्वी पर उपयोग के लिए बीस वर्षों के भीतर स्व-प्रतिकृति रोबोट बनाने में सक्षम होंगे। ये मशीनें स्वयं की प्रतियां बनाएंगी, और प्रतियों को उपयोगी उत्पाद बनाने का आदेश दिया जा सकता है।
• 1982 जी. बिएनिंग और जी. रोहरर ने पहला स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप बनाया।
• 1985 अमेरिकी भौतिकविदों रॉबर्ट कर्ल, हेरोल्ड क्रोटेउ और रिचर्ड स्माइली ने ऐसी तकनीक बनाई है जो एक नैनोमीटर के व्यास वाली वस्तुओं को सटीक रूप से मापना संभव बनाती है।
• 1986 नैनोटेक्नोलॉजी आम जनता को ज्ञात हो गई। अमेरिकी वैज्ञानिक एरिक ड्रेक्सलर ने "मशीन ऑफ क्रिएशन: द कमिंग ऑफ द एरा ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी" पुस्तक प्रकाशित की, जिसमें उन्होंने भविष्यवाणी की कि नैनो टेक्नोलॉजी जल्द ही सक्रिय रूप से विकसित होना शुरू हो जाएगी।
• 1991, ह्यूस्टन (यूएसए), रसायन विज्ञान विभाग, रईस विश्वविद्यालय। अपनी प्रयोगशाला में, डॉ. आर. स्माले (1996 के लिए नोबेल पुरस्कार विजेता) ने वैक्यूम के तहत ग्रेफाइट को वाष्पित करने के लिए एक लेजर का उपयोग किया, जिसके गैस चरण में काफी बड़े क्रैकर शामिल थे: प्रत्येक में 60 कार्बन परमाणु थे। 60 परमाणुओं का एक समूह अधिक स्थिर होता है, क्योंकि इसमें बढ़ी हुई मुक्त ऊर्जा होती है। यह क्लस्टर सॉकर बॉल के समान एक संरचनात्मक संरचना है, और उन्होंने इस अणु को फुलरीन कहने का प्रस्ताव दिया।
• 1991, जापान में एनईसी प्रयोगशाला के एक कर्मचारी, सुमियो इजिमा ने पहली बार कार्बन नैनोट्यूब की खोज की, जिसकी भविष्यवाणी कई महीने पहले रूसी भौतिक विज्ञानी एल. चेर्नोज़ातोन्स्की और अमेरिकी जे. मिंटमिर ने की थी।
• 1995 भौतिक विज्ञान और रसायन विज्ञान के वैज्ञानिक अनुसंधान संस्थान में एल.वाई.ए. के नाम पर रखा गया। कारपोव ने फिल्म नैनोकम्पोजिट पर आधारित एक सेंसर विकसित किया जो वायुमंडल में विभिन्न पदार्थों (अमोनिया, अल्कोहल, जल वाष्प) का पता लगाता है।
• 1997 1996 में रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार विजेता, रसायन विज्ञान और भौतिकी के प्रोफेसर रिचर्ड ई. स्माले ने वर्ष 2000 तक परमाणुओं के संयोजन की भविष्यवाणी की थी और उसी समय तक पहले वाणिज्यिक नैनो उत्पादों की उपस्थिति की भविष्यवाणी की थी। यह पूर्वानुमान अनुमानित समय सीमा के भीतर सच हो गया।
• 1998 ज्यामितीय मापदंडों पर नैनोट्यूब के विद्युत गुणों की निर्भरता प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी।
• 1998 डच भौतिक विज्ञानी सीज़ डेकर ने नैनो टेक्नोलॉजी पर आधारित एक ट्रांजिस्टर बनाया।
• 1998 नैनोटेक्नोलॉजी के विकास की गति तेजी से बढ़ने लगी। जापान ने 21वीं सदी के लिए संभावित प्रौद्योगिकी श्रेणी के रूप में नैनोटेक्नोलॉजी की पहचान की है।
• 1999 अमेरिकी भौतिक विज्ञानी जेम्स टूर और मार्क रीड ने निर्धारित किया कि एक व्यक्तिगत अणु आणविक श्रृंखलाओं की तरह ही व्यवहार कर सकता है।
• वर्ष 2000. हेवलेट-पैकार्ड अनुसंधान समूह ने नवीनतम नैनोटेक्नोलॉजिकल सेल्फ-असेंबली विधियों का उपयोग करके एक स्विच अणु या मिनीमाइक्रोडायोड बनाया है।

• वर्ष 2000. हाइब्रिड नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स के युग की शुरुआत।
• 2002 एस. डेकर ने एक नैनोट्यूब को डीएनए के साथ जोड़कर एकल नैनोमैकेनिज्म प्राप्त किया।
• 2003 जापानी वैज्ञानिक एक सॉलिड-स्टेट डिवाइस बनाने वाले दुनिया के पहले वैज्ञानिक बन गए हैं जो क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आवश्यक दो मुख्य तत्वों में से एक को लागू करता है। 2004. "दुनिया का पहला" क्वांटम कंप्यूटर प्रस्तुत किया गया

• 7 सितंबर 2006 को, रूसी संघ की सरकार ने 2007-2010 के लिए नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के लिए संघीय लक्ष्य कार्यक्रम की अवधारणा को मंजूरी दी।

इस प्रकार ऐतिहासिक रूप से विकसित होने के बाद, वर्तमान क्षण तक, नैनोटेक्नोलॉजी, सार्वजनिक चेतना के सैद्धांतिक क्षेत्र पर विजय प्राप्त करते हुए, इसकी रोजमर्रा की परत में प्रवेश करना जारी रखती है।

हालाँकि, नैनोटेक्नोलॉजी को केवल इन क्षेत्रों (इलेक्ट्रॉनिक्स, सूचना प्रौद्योगिकी) में स्थानीय क्रांतिकारी सफलता तक सीमित नहीं किया जाना चाहिए। नैनोटेक्नोलॉजी में कई अत्यंत महत्वपूर्ण परिणाम पहले ही प्राप्त हो चुके हैं, जिससे हमें विज्ञान और प्रौद्योगिकी (चिकित्सा और जीव विज्ञान, रसायन विज्ञान, पारिस्थितिकी, ऊर्जा, यांत्रिकी, आदि) के कई अन्य क्षेत्रों के विकास में महत्वपूर्ण प्रगति की उम्मीद है। उदाहरण के लिए, जब नैनोमीटर रेंज (यानी, लगभग 10 एनएम की विशिष्ट लंबाई वाली वस्तुओं) में जाते हैं, तो पदार्थों और सामग्रियों के कई सबसे महत्वपूर्ण गुण महत्वपूर्ण रूप से बदल जाते हैं। हम विद्युत चालकता, ऑप्टिकल अपवर्तक सूचकांक, चुंबकीय गुण, ताकत, गर्मी प्रतिरोध इत्यादि जैसी महत्वपूर्ण विशेषताओं के बारे में बात कर रहे हैं। सामग्री के आधार परसाथ नए प्रकार के सौर पैनल, ऊर्जा कनवर्टर, पर्यावरण के अनुकूल उत्पाद आदि पहले से ही नई संपत्तियों का उपयोग करके बनाए जा रहे हैं।यह संभव है कि सस्ती, ऊर्जा-बचत और पर्यावरण के अनुकूल सामग्रियों का उत्पादन नैनोटेक्नोलॉजी की शुरूआत का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम होगा।अत्यधिक संवेदनशील जैविक सेंसर और अन्य उपकरण पहले ही बनाए जा चुके हैं जो हमें नैनोबायोटेक्नोलॉजी के एक नए विज्ञान के उद्भव के बारे में बात करने की अनुमति देते हैं और व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए काफी संभावनाएं रखते हैं। नैनोटेक्नोलॉजी सामग्रियों के माइक्रोप्रोसेसिंग और इस आधार पर नई उत्पादन प्रक्रियाओं और नए उत्पादों के निर्माण के लिए नए अवसर प्रदान करती है, जिसका भावी पीढ़ियों के आर्थिक और सामाजिक जीवन पर क्रांतिकारी प्रभाव होना चाहिए।

1.2. मानव गतिविधि के विभिन्न क्षेत्रों में नैनोटेक्नोलॉजीज

मानव गतिविधि के क्षेत्रों में नैनोटेक्नोलॉजी के प्रवेश को नैनोटेक्नोलॉजी वृक्ष के रूप में दर्शाया जा सकता है। अनुप्रयोग एक पेड़ का रूप लेते हैं, जिसमें शाखाएँ अनुप्रयोग के मुख्य क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करती हैं, और प्रमुख शाखाओं की शाखाएँ एक निश्चित समय में अनुप्रयोग के मुख्य क्षेत्रों के भीतर भेदभाव का प्रतिनिधित्व करती हैं।

आज (2000 - 2010) निम्नलिखित चित्र है:

• जैविक विज्ञान में जीन टैग प्रौद्योगिकी, प्रत्यारोपण के लिए सतह, रोगाणुरोधी सतह, लक्षित दवाएं, ऊतक इंजीनियरिंग, ऑन्कोलॉजी थेरेपी का विकास शामिल है।
• सरल रेशों से कागज प्रौद्योगिकी, सस्ती निर्माण सामग्री, हल्के बोर्ड, ऑटो पार्ट्स और भारी-भरकम सामग्री का विकास होता है।
• नैनोक्लिप्स नए कपड़े, कांच की कोटिंग, "स्मार्ट" रेत, कागज, कार्बन फाइबर के उत्पादन का सुझाव देते हैं।
• तांबा, एल्यूमीनियम, मैग्नीशियम, स्टील के लिए नैनोएडिटिव्स का उपयोग करके जंग से सुरक्षा।
• उत्प्रेरक कृषि, गंधहरण और खाद्य उत्पादन में उपयोग के लिए अभिप्रेत हैं।
• साफ करने में आसान सामग्री का उपयोग रोजमर्रा की जिंदगी, वास्तुकला, डेयरी और खाद्य उद्योग, परिवहन उद्योग और स्वच्छता में किया जाता है। यह स्व-सफाई ग्लास, अस्पताल उपकरण और उपकरण, एंटी-मोल्ड कोटिंग और आसानी से साफ होने वाले सिरेमिक का उत्पादन है।
• बायोकोटिंग का उपयोग खेल उपकरण और बियरिंग में किया जाता है।
• नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग के क्षेत्र के रूप में प्रकाशिकी में इलेक्ट्रोक्रोमिक्स और ऑप्टिकल लेंस के उत्पादन जैसे क्षेत्र शामिल हैं। ये नए फोटोक्रोमिक ऑप्टिक्स, साफ करने में आसान ऑप्टिक्स और लेपित ऑप्टिक्स हैं।
• नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में सिरेमिक से इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंस और फोटोल्यूमिनसेंस, प्रिंटिंग पेस्ट, पिगमेंट, नैनोपाउडर, माइक्रोपार्टिकल्स, झिल्ली प्राप्त करना संभव हो जाता है।
• नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग के क्षेत्र के रूप में कंप्यूटर प्रौद्योगिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स इलेक्ट्रॉनिक्स, नैनोसेंसर, घरेलू (एम्बेडेड) माइक्रो कंप्यूटर, विज़ुअलाइज़ेशन टूल और ऊर्जा कन्वर्टर्स के विकास को बढ़ावा देंगे। इसके बाद वैश्विक नेटवर्क, वायरलेस संचार, क्वांटम और डीएनए कंप्यूटर का विकास है।
• नैनोमेडिसिन, नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग के एक क्षेत्र के रूप में, प्रोस्थेटिक्स के लिए नैनोमटेरियल्स, "स्मार्ट" कृत्रिम अंग, नैनोकैप्सूल, डायग्नोस्टिक नैनोप्रोब, प्रत्यारोपण, डीएनए पुनर्निर्माणकर्ता और विश्लेषक, "स्मार्ट" और सटीक उपकरण, लक्षित फार्मास्यूटिकल्स शामिल हैं।
• नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग के क्षेत्र के रूप में अंतरिक्ष अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए मैकेनोइलेक्ट्रिक सौर ऊर्जा कन्वर्टर्स और नैनोमटेरियल्स के लिए संभावनाएं खोलेगा।
• नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग के क्षेत्र के रूप में पारिस्थितिकी ओजोन परत की बहाली, मौसम नियंत्रण है।

1.2.1 अंतरिक्ष में नैनो प्रौद्योगिकी

अंतरिक्ष में एक क्रांति चल रही है. 20 किलोग्राम तक के उपग्रह और नैनो उपकरण बनाए जाने लगे।

सूक्ष्म उपग्रहों की एक प्रणाली बनाई गई है; इसे नष्ट करने के प्रयासों के प्रति यह कम संवेदनशील है। कक्षा में कई सौ किलोग्राम या यहां तक ​​कि टन वजन वाले एक विशालकाय को मार गिराना एक बात है, जिससे सभी अंतरिक्ष संचार या टोही को तुरंत अक्षम कर दिया जाता है, और दूसरी बात जब कक्षा में माइक्रोसैटेलाइट्स का एक पूरा झुंड होता है। इस मामले में उनमें से किसी एक की विफलता समग्र रूप से सिस्टम के संचालन को बाधित नहीं करेगी। तदनुसार, प्रत्येक उपग्रह की परिचालन विश्वसनीयता की आवश्यकताओं को कम किया जा सकता है।

युवा वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि सैटेलाइट माइक्रोमिनिएचराइजेशन की प्रमुख समस्याओं में अन्य चीजों के अलावा, प्रकाशिकी, संचार प्रणाली, बड़ी मात्रा में जानकारी प्रसारित करने, प्राप्त करने और संसाधित करने के तरीकों के क्षेत्र में नई प्रौद्योगिकियों का निर्माण शामिल है। हम नैनोटेक्नोलॉजीज और नैनोमटेरियल्स के बारे में बात कर रहे हैं, जो अंतरिक्ष में लॉन्च किए गए उपकरणों के द्रव्यमान और आयामों को परिमाण के दो आदेशों तक कम करना संभव बनाता है। उदाहरण के लिए, नैनोनिकेल की ताकत पारंपरिक निकल की तुलना में 6 गुना अधिक है, जो रॉकेट इंजन में उपयोग किए जाने पर नोजल के द्रव्यमान को 20-30% तक कम करना संभव बनाती है।अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी के द्रव्यमान को कम करने से कई समस्याओं का समाधान होता है: यह अंतरिक्ष में उपकरण के जीवन को बढ़ाता है, इसे आगे उड़ान भरने और अनुसंधान के लिए अधिक उपयोगी उपकरण ले जाने की अनुमति देता है। साथ ही ऊर्जा आपूर्ति की समस्या का समाधान हो जाता है. लघु उपकरणों का उपयोग जल्द ही कई घटनाओं का अध्ययन करने के लिए किया जाएगा, उदाहरण के लिए, पृथ्वी और निकट-पृथ्वी अंतरिक्ष में प्रक्रियाओं पर सौर किरणों का प्रभाव।

आज, अंतरिक्ष विदेशी नहीं है, और इसकी खोज न केवल प्रतिष्ठा का विषय है। सबसे पहले, यह हमारे राज्य की राष्ट्रीय सुरक्षा और राष्ट्रीय प्रतिस्पर्धात्मकता का मामला है। यह अत्यधिक जटिल नैनोसिस्टम का विकास है जो देश के लिए राष्ट्रीय लाभ बन सकता है। नैनोटेक्नोलॉजी की तरह, नैनोमटेरियल्स हमें सौर मंडल के विभिन्न ग्रहों पर मानवयुक्त उड़ानों के बारे में गंभीरता से बात करने का अवसर देंगे। यह नैनोमटेरियल्स और नैनोमैकेनिज्म का उपयोग है जो मंगल ग्रह पर मानवयुक्त उड़ानों और चंद्र सतह की खोज को वास्तविकता बना सकता है।माइक्रोसैटेलाइट विकास का एक और बेहद लोकप्रिय क्षेत्र अर्थ रिमोट सेंसिंग (ईआरएस) का निर्माण है। रडार रेंज में 1 मीटर और ऑप्टिकल रेंज में 1 मीटर से कम की अंतरिक्ष छवियों के रिज़ॉल्यूशन वाली जानकारी के उपभोक्ताओं के लिए एक बाजार बनना शुरू हुआ (मुख्य रूप से ऐसे डेटा का उपयोग कार्टोग्राफी में किया जाता है)।

1.2.2 चिकित्सा में नैनोटेक्नोलॉजी

वैज्ञानिकों के अनुसार, नैनोटेक्नोलॉजी में हालिया प्रगति कैंसर के खिलाफ लड़ाई में बहुत उपयोगी हो सकती है। एक घातक ट्यूमर से प्रभावित कोशिकाओं में सीधे लक्ष्य के लिए एक कैंसर रोधी दवा विकसित की गई है। बायोसिलिकॉन नामक सामग्री पर आधारित एक नई प्रणाली। नैनोसिलिकॉन में एक छिद्रपूर्ण संरचना (व्यास में दस परमाणु) होती है, जिसमें दवाओं, प्रोटीन और रेडियोन्यूक्लाइड को पेश करना सुविधाजनक होता है। लक्ष्य तक पहुंचने के बाद, बायोसिलिकॉन विघटित होना शुरू हो जाता है, और इसके द्वारा दी जाने वाली दवाएं काम करना शुरू कर देती हैं। इसके अलावा, डेवलपर्स के अनुसार, नई प्रणाली आपको दवा की खुराक को विनियमित करने की अनुमति देती है।

पिछले वर्षों में, सेंटर फॉर बायोलॉजिकल नैनोटेक्नोलॉजीज के कर्मचारी माइक्रोसेंसर के निर्माण पर काम कर रहे हैं जिनका उपयोग शरीर में कैंसर कोशिकाओं का पता लगाने और इस भयानक बीमारी से निपटने के लिए किया जाएगा।

कैंसर कोशिकाओं को पहचानने की एक नई तकनीक सिंथेटिक पॉलिमर से बने छोटे गोलाकार जलाशयों को मानव शरीर में प्रत्यारोपित करने पर आधारित है, जिन्हें डेंड्रिमर्स (ग्रीक डेंड्रोन - लकड़ी से) कहा जाता है। इन पॉलिमर को पिछले दशक में संश्लेषित किया गया था और इनमें मौलिक रूप से नई, गैर-ठोस संरचना है, जो मूंगा या लकड़ी की संरचना से मिलती जुलती है। ऐसे पॉलिमर को हाइपरब्रांच्ड या कैस्केड कहा जाता है। जिनमें शाखाएं नियमित होती हैं उन्हें डेंड्रिमर कहा जाता है। व्यास में, ऐसा प्रत्येक गोला, या नैनोसेंसर, केवल 5 नैनोमीटर - एक मीटर के 5 अरबवें हिस्से तक पहुंचता है, जिससे अंतरिक्ष के एक छोटे से क्षेत्र में अरबों समान नैनोसेंसर रखना संभव हो जाता है।

एक बार शरीर के अंदर, ये छोटे सेंसर लिम्फोसाइटों में प्रवेश करेंगे - सफेद रक्त कोशिकाएं जो संक्रमण और अन्य रोग पैदा करने वाले कारकों के खिलाफ शरीर की रक्षा प्रतिक्रिया प्रदान करती हैं। किसी निश्चित बीमारी या पर्यावरणीय स्थिति के प्रति लिम्फोइड कोशिकाओं की प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के दौरान - उदाहरण के लिए सर्दी या विकिरण के संपर्क में - कोशिका की प्रोटीन संरचना बदल जाती है। विशेष रासायनिक अभिकर्मकों से लेपित प्रत्येक नैनोसेंसर, ऐसे परिवर्तनों के साथ चमकना शुरू कर देगा।

इस चमक को देखने के लिए वैज्ञानिक एक विशेष उपकरण बनाने जा रहे हैं जो आंख की रेटिना को स्कैन करेगा। ऐसे उपकरण के लेजर को लिम्फोसाइटों की चमक का पता लगाना चाहिए जब वे एक के बाद एक फंडस की संकीर्ण केशिकाओं से गुजरते हैं। वैज्ञानिकों का कहना है कि यदि लिम्फोसाइटों में पर्याप्त लेबल वाले सेंसर हैं, तो कोशिका क्षति का पता लगाने के लिए 15 सेकंड के स्कैन की आवश्यकता होती है।

यहीं पर नैनोटेक्नोलॉजी का सबसे बड़ा प्रभाव अपेक्षित है, क्योंकि यह समाज के अस्तित्व के आधार - मनुष्यों - को प्रभावित करता है। नैनोटेक्नोलॉजी भौतिक दुनिया के ऐसे आयामी स्तर तक पहुँचती है, जहाँ सजीव और निर्जीव के बीच का अंतर अस्थिर हो जाता है - ये आणविक मशीनें हैं। यहां तक ​​कि एक वायरस को भी आंशिक रूप से एक जीवित प्रणाली माना जा सकता है, क्योंकि इसमें इसके निर्माण के बारे में जानकारी होती है। लेकिन राइबोसोम, हालांकि इसमें सभी कार्बनिक पदार्थों के समान परमाणु होते हैं, इसमें ऐसी जानकारी नहीं होती है और इसलिए यह केवल एक कार्बनिक आणविक मशीन है। अपने विकसित रूप में नैनोटेक्नोलॉजी में नैनोरोबोट्स, अकार्बनिक परमाणु संरचना की आणविक मशीनों का निर्माण शामिल है, ये मशीनें ऐसे निर्माण के बारे में जानकारी रखते हुए, स्वयं की प्रतियां बनाने में सक्षम होंगी; इसलिए सजीव और निर्जीव के बीच की रेखा धुंधली होने लगती है। आज तक, केवल एक आदिम चलने वाला डीएनए रोबोट बनाया गया है।

नैनोमेडिसिन को निम्नलिखित संभावनाओं द्वारा दर्शाया गया है:

1. एक चिप पर लैब, शरीर में दवाओं की लक्षित डिलीवरी।

2. डीएनए चिप्स (व्यक्तिगत दवाओं का निर्माण)।

3. कृत्रिम एंजाइम और एंटीबॉडी।

4. कृत्रिम अंग, कृत्रिम कार्यात्मक पॉलिमर (कार्बनिक ऊतक विकल्प)। यह दिशा कृत्रिम जीवन के विचार से निकटता से संबंधित है और भविष्य में कृत्रिम चेतना वाले और आणविक स्तर पर स्व-उपचार में सक्षम रोबोट के निर्माण की ओर ले जाती है। यह जैविक से परे जीवन की अवधारणा के विस्तार के कारण है

5. नैनोरोबोट सर्जन (बायोमैकेनिज्म जो कैंसर कोशिकाओं में परिवर्तन और आवश्यक चिकित्सा क्रियाएं, पहचान और विनाश करते हैं)। यह चिकित्सा में नैनोटेक्नोलॉजी का सबसे मौलिक अनुप्रयोग है - आणविक नैनोरोबोट का निर्माण जो संक्रमण और कैंसर ट्यूमर को नष्ट कर सकता है, क्षतिग्रस्त डीएनए, ऊतकों और अंगों की मरम्मत कर सकता है, शरीर के संपूर्ण जीवन समर्थन प्रणालियों की नकल कर सकता है और शरीर के गुणों को बदल सकता है।

एक परमाणु को बिल्डिंग ब्लॉक या "भाग" के रूप में मानते हुए, नैनोटेक्नोलॉजी इन भागों से निर्दिष्ट विशेषताओं के साथ सामग्री बनाने के व्यावहारिक तरीकों की तलाश कर रही है। कई कंपनियां पहले से ही जानती हैं कि परमाणुओं और अणुओं को कुछ संरचनाओं में कैसे इकट्ठा किया जाए।

भविष्य में, किसी भी अणु को बच्चों के निर्माण सेट की तरह इकट्ठा किया जाएगा। इस उद्देश्य के लिए नैनोरोबोट्स (नैनोबॉट्स) का उपयोग करने की योजना बनाई गई है। कोई भी रासायनिक रूप से स्थिर संरचना जिसका वर्णन किया जा सकता है, वास्तव में बनाई जा सकती है. चूँकि एक नैनोबॉट को किसी भी संरचना के निर्माण के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, विशेष रूप से दूसरे नैनोबॉट के निर्माण के लिए, वे बहुत सस्ते होंगे। विशाल समूहों में काम करते हुए, नैनोबॉट कम लागत और उच्च सटीकता के साथ कोई भी वस्तु बनाने में सक्षम होंगे। चिकित्सा में, नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करने की समस्या आणविक स्तर पर कोशिका की संरचना को बदलने की आवश्यकता है, अर्थात। नैनोबॉट्स का उपयोग करके "आणविक सर्जरी" करें। इससे आणविक रोबोट डॉक्टर बनाने की उम्मीद है जो मानव शरीर के अंदर "जीवित" रह सकते हैं, जो होने वाली सभी क्षति को समाप्त कर सकते हैं, या ऐसी घटना को रोक सकते हैं।व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं में हेरफेर करके, नैनोबॉट्स कोशिकाओं की मरम्मत करने में सक्षम होंगे। रोबोट डॉक्टरों के निर्माण की अनुमानित अवधि, 21वीं सदी का पूर्वार्द्ध।

वर्तमान स्थिति के बावजूद, उम्र बढ़ने की समस्या के मौलिक समाधान के रूप में नैनोटेक्नोलॉजी आशाजनक से कहीं अधिक है।

यह इस तथ्य के कारण है कि नैनोटेक्नोलॉजी में कई उद्योगों में व्यावसायिक अनुप्रयोग की काफी संभावनाएं हैं, और तदनुसार, गंभीर सरकारी वित्त पोषण के अलावा, इस दिशा में अनुसंधान कई बड़े निगमों द्वारा किया जाता है।

यह बहुत संभव है कि "अनन्त यौवन" सुनिश्चित करने के लिए सुधार के बाद नैनोबॉट्स की आवश्यकता नहीं रह जाएगी या उन्हें कोशिका द्वारा ही उत्पादित किया जाएगा।

इन लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए, मानवता को तीन मुख्य मुद्दों को हल करने की आवश्यकता है:

1. ऐसे आणविक रोबोट डिज़ाइन करें और बनाएं जो अणुओं की मरम्मत कर सकें।
2. ऐसे नैनो कंप्यूटर डिज़ाइन करें और बनाएं जो नैनो मशीनों को नियंत्रित करेंगे।
3. मानव शरीर के सभी अणुओं का संपूर्ण विवरण बनाएं, दूसरे शब्दों में, परमाणु स्तर पर मानव शरीर का एक मानचित्र बनाएं।

नैनोटेक्नोलॉजी के साथ मुख्य कठिनाई पहला नैनोबॉट बनाने की समस्या है। कई आशाजनक दिशाएँ हैं।

उनमें से एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप या परमाणु बल माइक्रोस्कोप में सुधार करना और स्थितिगत सटीकता और पकड़ बल प्राप्त करना है।
पहला नैनोबॉट बनाने का दूसरा रास्ता रासायनिक संश्लेषण से होकर गुजरता है। चतुर रासायनिक घटकों को डिजाइन और संश्लेषित करना संभव हो सकता है जो समाधान में स्वयं-इकट्ठे हो सकते हैं।
और दूसरा रास्ता जैव रसायन से होकर जाता है। राइबोसोम (कोशिका के अंदर) विशेष नैनोबॉट हैं, और हम उनका उपयोग अधिक बहुमुखी रोबोट बनाने के लिए कर सकते हैं।

ये नैनोबॉट उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को धीमा करने, व्यक्तिगत कोशिकाओं का इलाज करने और व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के साथ बातचीत करने में सक्षम होंगे।

अनुसंधान कार्य अपेक्षाकृत हाल ही में शुरू हुआ, लेकिन इस क्षेत्र में खोजों की गति बहुत अधिक है, कई लोग मानते हैं कि यही चिकित्सा का भविष्य है।

1.2.3 खाद्य उद्योग में नैनो प्रौद्योगिकी

नैनोफूड एक नया शब्द है, अस्पष्ट और भद्दा। नैनो लोगों के लिए भोजन? बहुत छोटे हिस्से? नैनोफैक्ट्रीज़ में संसाधित भोजन? बिल्कुल नहीं। लेकिन फिर भी, खाद्य उद्योग में यह एक दिलचस्प दिशा है। यह पता चला है कि नैनोफ़ूड वैज्ञानिक विचारों का एक पूरा समूह है जो पहले से ही उद्योग में कार्यान्वयन और अनुप्रयोग के रास्ते पर है। सबसे पहले, नैनोटेक्नोलॉजी खाद्य उत्पादकों को उत्पादन प्रक्रिया के दौरान सीधे उत्पादों की गुणवत्ता और सुरक्षा की कुल वास्तविक समय निगरानी के लिए अद्वितीय अवसर प्रदान कर सकती है। हम विभिन्न नैनोसेंसर या तथाकथित क्वांटम डॉट्स का उपयोग करने वाली डायग्नोस्टिक मशीनों के बारे में बात कर रहे हैं, जो उत्पादों में सबसे छोटे रासायनिक संदूषकों या खतरनाक जैविक एजेंटों का जल्दी और विश्वसनीय रूप से पता लगाने में सक्षम हैं। खाद्य उत्पादन, परिवहन और भंडारण के तरीके सभी नैनोटेक्नोलॉजी उद्योग से उपयोगी नवाचारों का अपना हिस्सा प्राप्त कर सकते हैं। वैज्ञानिकों के अनुसार, इस तरह की पहली उत्पादन मशीनें अगले चार वर्षों में बड़े पैमाने पर खाद्य उत्पादन में दिखाई देंगी। लेकिन अधिक कट्टरपंथी विचार भी एजेंडे में हैं। क्या आप ऐसे नैनोकणों को निगलने के लिए तैयार हैं जिन्हें देखा नहीं जा सकता? क्या होगा यदि नैनोकणों का उपयोग विशेष रूप से शरीर के चयनित भागों में उपयोगी पदार्थों और दवाओं को पहुंचाने के लिए किया जाता है? क्या होगा यदि ऐसे नैनोकैप्सूल को खाद्य उत्पादों में शामिल किया जा सके? अभी तक किसी ने भी नैनोफूड का उपयोग नहीं किया है, लेकिन प्रारंभिक विकास पहले से ही चल रहा है। विशेषज्ञों का कहना है कि खाद्य नैनोकणों को सिलिकॉन, सिरेमिक या पॉलिमर से बनाया जा सकता है। और हां - कार्बनिक पदार्थ। और यदि जैविक सामग्रियों की संरचना और संरचना के समान तथाकथित "नरम" कणों की सुरक्षा के संबंध में सब कुछ स्पष्ट है, तो अकार्बनिक पदार्थों से बने "कठोर" कण दो क्षेत्रों - नैनोटेक्नोलॉजी और जीवविज्ञान के चौराहे पर एक बड़ा खाली स्थान हैं। . वैज्ञानिक अभी तक यह नहीं कह सकते हैं कि ऐसे कण शरीर में किन मार्गों से जाएंगे और कहां समाप्त होंगे। यह देखना बाकी है। लेकिन कुछ विशेषज्ञ पहले से ही नैनो खाने वालों के फायदों की भविष्य की तस्वीरें खींच रहे हैं। मूल्यवान पोषक तत्वों को सही कोशिकाओं तक पहुंचाने के अलावा। विचार यह है: हर कोई एक ही पेय खरीदता है, लेकिन फिर उपभोक्ता नैनोकणों को नियंत्रित करने में सक्षम होगा ताकि पेय का स्वाद, रंग, सुगंध और एकाग्रता उसकी आंखों के सामने बदल जाएगी।

1.2.4 सैन्य मामलों में नैनोटेक्नोलॉजी

नैनोटेक्नोलॉजी का सैन्य उपयोग दुनिया में सैन्य-तकनीकी प्रभुत्व का गुणात्मक रूप से नया स्तर खोलता है। नैनोटेक्नोलॉजी पर आधारित नए हथियारों के निर्माण की मुख्य दिशाओं पर विचार किया जा सकता है:

1. नये शक्तिशाली लघु विस्फोटक उपकरणों का निर्माण।

2. नैनोलेवल से मैक्रोडिवाइसेस का विनाश।

3. न्यूरोटेक्नोलॉजी का उपयोग करके जासूसी और दर्द दमन।

4. जैविक हथियार और आनुवंशिक लक्ष्यीकरण नैनोडिवाइस।

5. सैनिकों के लिए नैनो उपकरण.

6. रासायनिक एवं जैविक हथियारों से सुरक्षा.

7. सैन्य उपकरण नियंत्रण प्रणालियों में नैनोडिवाइसेस।

8. सैन्य उपकरणों के लिए नैनोकोटिंग्स।

नैनोटेक्नोलॉजी से शक्तिशाली विस्फोटकों का उत्पादन संभव हो जाएगा। विस्फोटक का आकार दसियों गुना कम किया जा सकता है. परमाणु ईंधन पुनर्जनन संयंत्रों पर नैनो-विस्फोटकों के साथ निर्देशित मिसाइलों का हमला देश को हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम का उत्पादन करने की भौतिक क्षमता से वंचित कर सकता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में छोटे आकार के रोबोटिक उपकरणों का परिचय विद्युत सर्किट और यांत्रिकी के संचालन को बाधित कर सकता है। नियंत्रण केंद्रों और कमांड पोस्टों की विफलता को तब तक नहीं रोका जा सकता जब तक कि नैनोडिवाइसेस को अलग नहीं किया जाता। परमाणु स्तर पर सामग्रियों को नष्ट करने वाले रोबोट शक्तिशाली हथियार बन जाएंगे जो टैंकों के कवच, पिलबॉक्स की कंक्रीट संरचनाओं, परमाणु रिएक्टर आवासों और सैनिकों के शवों को धूल में बदल देंगे। लेकिन यह अभी भी नैनोटेक्नोलॉजी के उन्नत रूप के लिए केवल एक संभावना है। इस बीच, तंत्रिका प्रौद्योगिकियों के क्षेत्र में अनुसंधान किया जा रहा है, जिसके विकास से सैन्य नैनो उपकरणों का उदय होगा जो जासूसी करते हैं, या नैनो उपकरणों के माध्यम से कनेक्शन का उपयोग करके मानव शरीर के कार्यों पर नियंत्रण को रोकते हैं। तंत्रिका तंत्र। नासा प्रयोगशालाओं ने आंतरिक भाषण को रोकने के लिए उपकरणों के कार्यशील नमूने पहले ही बना लिए हैं। नैनोस्ट्रक्चर पर फोटोनिक घटक, बड़ी मात्रा में जानकारी प्राप्त करने और संसाधित करने में सक्षम, अंतरिक्ष निगरानी प्रणाली, जमीनी निगरानी और जासूसी का आधार बन जाएंगे। मस्तिष्क में डाले गए नैनो उपकरणों की मदद से, जैविक दृष्टि की तुलना में धारणा की विस्तारित सीमा के साथ "कृत्रिम" (तकनीकी) दृष्टि प्राप्त करना संभव है। सैनिकों में दर्द को दबाने के लिए एक प्रणाली, शरीर और मस्तिष्क में प्रत्यारोपित की गई और न्यूरोचिप्स विकसित की जा रही हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी का अगला सैन्य अनुप्रयोग आनुवंशिक लक्ष्यीकरण नैनोडिवाइसेस है। आनुवंशिक रूप से लक्षित नैनोडिवाइस को उस कोशिका की आनुवंशिक डीएनए संरचना के आधार पर विशिष्ट विनाशकारी क्रियाएं करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है जिसमें वह खुद को पाता है। डिवाइस को सक्रिय करने की एक शर्त के रूप में, किसी विशिष्ट व्यक्ति के आनुवंशिक कोड का एक अनूठा खंड या लोगों के समूह पर कार्रवाई के लिए एक टेम्पलेट निर्धारित किया जाता है। नैनोरोबोट का पता लगाने वाले उपकरणों के बिना किसी सामान्य महामारी को जातीय सफाए से अलग करना लगभग असंभव होगा। नैनोडिवाइसेस केवल एक निश्चित प्रकार के व्यक्ति के विरुद्ध और कड़ाई से परिभाषित शर्तों के तहत ही काम करेंगे। एक बार शरीर में प्रवेश करने के बाद, सक्रियण आदेश दिए जाने तक नैनोडिवाइस किसी भी तरह से प्रकट नहीं होगा। नैनोटेक्नोलॉजी का अगला अनुप्रयोग सैनिकों के उपकरणों में है। यह एक व्यक्ति, वर्दी और हथियारों से एक प्रकार का हाइब्रिड बनाने का प्रस्ताव है, जिसके तत्व इतने करीब से जुड़े होंगे कि भविष्य के एक पूरी तरह से सुसज्जित सैनिक को एक अलग जीव कहा जा सकता है।

नैनोटेक्नोलॉजी ने कवच और बॉडी कवच ​​के निर्माण में एक सफलता प्रदान की है।

सैन्य उपकरणों को एक विशेष "इलेक्ट्रोमैकेनिकल पेंट" से सुसज्जित माना जाता है जो आपको रंग बदलने और जंग को रोकने की अनुमति देगा। नैनोपेंट कार बॉडी को मामूली क्षति को "ठीक" करने में सक्षम होगा और इसमें बड़ी संख्या में नैनोमैकेनिज्म शामिल होंगे जो इसे उपरोक्त सभी कार्य करने की अनुमति देगा। ऑप्टिकल मैट्रिसेस की एक प्रणाली का उपयोग करके, जो "पेंट" में अलग-अलग नैनोमशीनें होंगी, शोधकर्ता कार या विमान की अदृश्यता के प्रभाव को प्राप्त करना चाहते हैं।

नैनो टेक्नोलॉजी सैन्य क्षेत्र में बदलाव लाएगी। एक नई गुणात्मक रूप से परिवर्तित और अनियंत्रित हथियारों की होड़। नैनोटेक्नोलॉजी पर नियंत्रण केवल वैश्विक सभ्यता में ही वास्तविक रूप से किया जा सकता है। नैनोटेक्नोलॉजी आधुनिक सैनिकों की उपस्थिति को समाप्त करते हुए, क्षेत्र युद्ध के पूर्ण मशीनीकरण की अनुमति देगी।

इस प्रकार, हथियारों के क्षेत्र में नैनोटेक्नोलॉजी के प्रवेश के परिणाम के बारे में मुख्य निष्कर्ष नैनोटेक्नोलॉजी और हथियारों की दौड़ को नियंत्रित करने में सक्षम वैश्विक समाज के गठन की संभावना है। सार्वभौमिकता की यह प्रवृत्ति तकनीकी सभ्यता की तर्कसंगतता से निर्धारित होती है और इसके हितों और मूल्यों को व्यक्त करती है।

निष्कर्ष

नैनोटेक्नोलॉजी की अवधारणा को स्पष्ट करने, इसकी संभावनाओं को रेखांकित करने और संभावित खतरों और धमकियों पर ध्यान देने के बाद, मैं एक निष्कर्ष निकालना चाहूंगा। मेरा मानना ​​है कि नैनोटेक्नोलॉजी एक युवा विज्ञान है, इसके विकास के परिणाम हमारे आसपास की दुनिया को मान्यता से परे बदल सकते हैं। और ये परिवर्तन क्या होंगे - उपयोगी, जीवन को अतुलनीय रूप से आसान बनाने वाले, या हानिकारक, मानवता को खतरे में डालने वाले - लोगों की आपसी समझ और तर्कसंगतता पर निर्भर करते हैं। और आपसी समझ और तर्कसंगतता सीधे तौर पर मानवता के स्तर पर निर्भर करती है, जो किसी व्यक्ति की उसके कार्यों के लिए जिम्मेदारी मानती है। इसलिए, अपरिहार्य नैनोटेक्नोलॉजिकल "बूम" से पहले पिछले वर्षों में सबसे महत्वपूर्ण आवश्यकता परोपकार की खेती है। केवल बुद्धिमान और मानवीय लोग ही ब्रह्मांड और इस ब्रह्मांड में अपने स्थान को समझने के लिए नैनोटेक्नोलॉजी को एक सीढ़ी बना सकते हैं।

ग्रन्थसूची

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रूसी राष्ट्रपति दिमित्री मेदवेदेव को विश्वास है कि देश में नैनो टेक्नोलॉजी के सफल विकास के लिए सभी शर्तें मौजूद हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी विज्ञान और प्रौद्योगिकी की एक नई दिशा है जो हाल के दशकों में सक्रिय रूप से विकसित हो रही है। नैनोटेक्नोलॉजी में सामग्रियों, उपकरणों और तकनीकी प्रणालियों का निर्माण और उपयोग शामिल है, जिनकी कार्यप्रणाली नैनोस्ट्रक्चर द्वारा निर्धारित की जाती है, अर्थात, 1 से 100 नैनोमीटर के आकार के इसके क्रमबद्ध टुकड़े।

उपसर्ग "नैनो", जो ग्रीक भाषा से आया है (ग्रीक में "नैनो" - गनोम), का अर्थ है एक अरबवाँ भाग। एक नैनोमीटर (एनएम) एक मीटर का एक अरबवां हिस्सा है।

शब्द "नैनोटेक्नोलॉजी" 1974 में टोक्यो विश्वविद्यालय के सामग्री वैज्ञानिक नोरियो तानिगुची द्वारा गढ़ा गया था, जिन्होंने इसे "एक विनिर्माण तकनीक के रूप में परिभाषित किया था जो 1 के क्रम पर अल्ट्रा-उच्च परिशुद्धता और अल्ट्रा-छोटे आयाम प्राप्त कर सकता है ... एनएम...''

विश्व साहित्य में, नैनोविज्ञान को नैनोटेक्नोलॉजी से स्पष्ट रूप से अलग किया गया है। नैनोस्केल विज्ञान शब्द का प्रयोग नैनोविज्ञान के लिए भी किया जाता है।

रूसी भाषा में और रूसी कानून और नियामक दस्तावेजों के अभ्यास में, "नैनोटेक्नोलॉजी" शब्द "नैनोविज्ञान", "नैनोटेक्नोलॉजी" और कभी-कभी "नैनोउद्योग" (व्यापार और उत्पादन के क्षेत्र जहां नैनोटेक्नोलॉजीज का उपयोग किया जाता है) को भी जोड़ता है।

नैनोटेक्नोलॉजी के सबसे महत्वपूर्ण घटक हैं नेनो सामग्री, यानी, ऐसी सामग्रियां जिनके असामान्य कार्यात्मक गुण 1 से 100 एनएम तक के आकार के उनके नैनोखंडों की क्रमबद्ध संरचना द्वारा निर्धारित होते हैं।

- नैनोपोरस संरचनाएं;
- नैनोकण;
- नैनोट्यूब और नैनोफाइबर
- नैनोडिस्पर्सन (कोलाइड);
- नैनोसंरचित सतहें और फिल्में;
- नैनोक्रिस्टल और नैनोक्लस्टर।

नैनोसिस्टम प्रौद्योगिकी- नैनोमटेरियल्स और नैनोटेक्नोलॉजीज के आधार पर पूर्ण या आंशिक रूप से बनाए गए कार्यात्मक रूप से पूर्ण सिस्टम और उपकरण, जिनकी विशेषताएं पारंपरिक प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके समान उद्देश्यों के लिए बनाए गए सिस्टम और उपकरणों से मौलिक रूप से भिन्न हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग क्षेत्र

उन सभी क्षेत्रों को सूचीबद्ध करना लगभग असंभव है जिनमें यह वैश्विक तकनीक तकनीकी प्रगति को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है। हम उनमें से कुछ के नाम बता सकते हैं:

- नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और नैनोफोटोनिक्स के तत्व (अर्धचालक ट्रांजिस्टर और लेजर;
- फोटो डिटेक्टर; सौर कोशिकाएं; विभिन्न सेंसर);
- अति-सघन सूचना रिकॉर्डिंग उपकरण;
- दूरसंचार, सूचना और कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियां; सुपर कंप्यूटर;
- वीडियो उपकरण - फ्लैट स्क्रीन, मॉनिटर, वीडियो प्रोजेक्टर;
- आणविक स्तर पर स्विच और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट सहित आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण;
- नैनोलिथोग्राफी और नैनोइम्प्रिंटिंग;
- ईंधन सेल और ऊर्जा भंडारण उपकरण;
- आणविक मोटर्स और नैनोमोटर्स, नैनोरोबोट्स सहित सूक्ष्म और नैनोमैकेनिक्स के उपकरण;
- नैनोकैमिस्ट्री और कैटेलिसिस, जिसमें दहन नियंत्रण, कोटिंग, इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री और फार्मास्यूटिकल्स शामिल हैं;
- विमानन, अंतरिक्ष और रक्षा अनुप्रयोग;
- पर्यावरण निगरानी उपकरण;
- दवाओं और प्रोटीन की लक्षित डिलीवरी, बायोपॉलिमर और जैविक ऊतकों का उपचार, नैदानिक ​​और चिकित्सा निदान, कृत्रिम मांसपेशियों, हड्डियों का निर्माण, जीवित अंगों का आरोपण;
- बायोमैकेनिक्स; जीनोमिक्स; जैव सूचना विज्ञान; जैवयंत्रीकरण;
- कार्सिनोजेनिक ऊतकों, रोगजनकों और जैविक रूप से हानिकारक एजेंटों का पंजीकरण और पहचान;
- कृषि और खाद्य उत्पादन में सुरक्षा।

कंप्यूटर और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स

नैनोकंप्यूटर- कई नैनोमीटर के क्रम पर तर्क तत्वों के आकार के साथ इलेक्ट्रॉनिक (मैकेनिकल, जैव रासायनिक, क्वांटम) प्रौद्योगिकियों पर आधारित एक कंप्यूटिंग डिवाइस। नैनोटेक्नोलॉजी के आधार पर विकसित कंप्यूटर के भी सूक्ष्म आयाम होते हैं।

डीएनए कंप्यूटर- एक कंप्यूटिंग प्रणाली जो डीएनए अणुओं की कंप्यूटिंग क्षमताओं का उपयोग करती है। बायोमोलेक्यूलर कंप्यूटिंग किसी न किसी रूप में डीएनए या आरएनए से संबंधित विभिन्न तकनीकों का सामूहिक नाम है। डीएनए कंप्यूटिंग में, डेटा को शून्य और एक के रूप में नहीं, बल्कि डीएनए हेलिक्स के आधार पर निर्मित आणविक संरचना के रूप में दर्शाया जाता है। डेटा को पढ़ने, कॉपी करने और प्रबंधित करने के लिए सॉफ़्टवेयर की भूमिका विशेष एंजाइमों द्वारा निभाई जाती है।

परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी- अध्ययन के तहत नमूने की सतह के साथ कैंटिलीवर सुई (जांच) की बातचीत के आधार पर एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) के विपरीत, यह तरल की एक परत के माध्यम से भी संचालन और गैर-संचालन दोनों सतहों की जांच कर सकता है, जिससे कार्बनिक अणुओं (डीएनए) के साथ काम करना संभव हो जाता है। परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी का स्थानिक विभेदन ब्रैकट के आकार और उसकी नोक की वक्रता पर निर्भर करता है। रिज़ॉल्यूशन क्षैतिज रूप से परमाणु तक पहुंचता है और लंबवत रूप से इससे अधिक होता है।

ऐन्टेना-थरथरानवाला- 9 फरवरी, 2005 को बोस्टन विश्वविद्यालय की प्रयोगशाला में लगभग 1 माइक्रोन आयाम वाला एक एंटीना-ऑसिलेटर प्राप्त किया गया था। इस उपकरण में 5,000 मिलियन परमाणु हैं और यह 1.49 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर दोलन करने में सक्षम है, जो इसे भारी मात्रा में जानकारी प्रसारित करने की अनुमति देता है।

नैनोमेडिसिन और फार्मास्युटिकल उद्योग

आधुनिक चिकित्सा में एक दिशा जो नैनो-आणविक स्तर पर मानव जैविक प्रणालियों को ट्रैक करने, डिजाइन करने और संशोधित करने के लिए नैनोमटेरियल्स और नैनोऑब्जेक्ट्स के अद्वितीय गुणों के उपयोग पर आधारित है।

डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी- उनके आधार पर स्पष्ट रूप से परिभाषित संरचनाएं बनाने के लिए डीएनए और न्यूक्लिक एसिड अणुओं के विशिष्ट आधारों का उपयोग करें।

स्पष्ट रूप से परिभाषित रूप (बीआईएस-पेप्टाइड्स) की दवा अणुओं और औषधीय तैयारियों का औद्योगिक संश्लेषण।

2000 की शुरुआत में, नैनोकण प्रौद्योगिकी में तेजी से प्रगति ने नैनो प्रौद्योगिकी के एक नए क्षेत्र के विकास को गति दी: nanoplasmonics. प्लास्मोन दोलनों के उत्तेजना का उपयोग करके धातु नैनोकणों की एक श्रृंखला के साथ विद्युत चुम्बकीय विकिरण संचारित करना संभव हो गया।

रोबोटिक

नैनोरोबोट्स- नैनोमटेरियल से निर्मित रोबोट और आकार में एक अणु के बराबर, सूचना के संचालन, प्रसंस्करण और प्रसारण और कार्यक्रमों के निष्पादन के कार्यों के साथ। नैनोरोबोट स्वयं की प्रतियां बनाने में सक्षम हैं, अर्थात। स्व-प्रजनन को प्रतिकृतिक कहा जाता है।

वर्तमान में, सीमित गतिशीलता वाले इलेक्ट्रोमैकेनिकल नैनोडिवाइस पहले ही बनाए जा चुके हैं, जिन्हें नैनोरोबोट्स का प्रोटोटाइप माना जा सकता है।

आणविक रोटार- सिंथेटिक नैनो-आकार के इंजन पर्याप्त ऊर्जा लागू होने पर टॉर्क उत्पन्न करने में सक्षम होते हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी विकसित करने और उत्पादन करने वाले देशों में रूस का स्थान

नैनोटेक्नोलॉजी में कुल निवेश के मामले में विश्व के नेता यूरोपीय संघ के देश, जापान और संयुक्त राज्य अमेरिका हैं। हाल ही में, रूस, चीन, ब्राजील और भारत ने इस उद्योग में निवेश में उल्लेखनीय वृद्धि की है। रूस में, "2008 - 2010 के लिए रूसी संघ में नैनोउद्योग बुनियादी ढांचे का विकास" कार्यक्रम के तहत वित्त पोषण की राशि 27.7 बिलियन रूबल होगी।

लंदन स्थित अनुसंधान फर्म सिएंटिफिका की नवीनतम (2008) रिपोर्ट, जिसे नैनोटेक्नोलॉजी आउटलुक रिपोर्ट कहा जाता है, रूसी निवेश का शब्दशः वर्णन इस प्रकार करती है: “हालांकि यूरोपीय संघ अभी भी निवेश के मामले में पहले स्थान पर है, चीन और रूस पहले ही संयुक्त राज्य अमेरिका से आगे निकल चुके हैं। ”

नैनोटेक्नोलॉजी में ऐसे क्षेत्र हैं जहां रूसी वैज्ञानिक दुनिया में पहले ऐसे परिणाम प्राप्त करने वाले बने, जिन्होंने नए वैज्ञानिक रुझानों के विकास की नींव रखी।

इनमें अल्ट्राडिस्पर्स नैनोमटेरियल्स का उत्पादन, एकल-इलेक्ट्रॉन उपकरणों का डिज़ाइन, साथ ही परमाणु बल और स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी के क्षेत्र में काम शामिल हैं। केवल बारहवीं सेंट पीटर्सबर्ग आर्थिक मंच (2008) के ढांचे के भीतर आयोजित एक विशेष प्रदर्शनी में, 80 विशिष्ट विकास एक साथ प्रस्तुत किए गए थे।

रूस पहले से ही कई नैनो उत्पादों का उत्पादन करता है जिनकी बाजार में मांग है: नैनोमेम्ब्रेंस, नैनोपाउडर, नैनोट्यूब। हालाँकि, विशेषज्ञों के अनुसार, नैनोटेक्नोलॉजिकल विकास के व्यावसायीकरण में रूस संयुक्त राज्य अमेरिका और अन्य विकसित देशों से दस साल पीछे है।

सामग्री खुले स्रोतों से मिली जानकारी के आधार पर तैयार की गई थी

रूसी संघ के शिक्षा और विज्ञान मंत्रालय

नगर शिक्षण संस्थान

व्यापक स्कूल - बोर्डिंग स्कूल नंबर 1 माध्यमिक (पूर्ण)

टॉम्स्क में सामान्य शिक्षा

अमूर्त

इस टॉपिक पर: आधुनिक दुनिया में नैनो टेक्नोलॉजी

प्रदर्शन किया: 8ए कक्षा का छात्र

साखनेंको मारिया

पर्यवेक्षक:पखोरुकोवा डी.पी.

भौतिक विज्ञान के अध्यापक

टॉम्स्क 2010

परिचय

वर्तमान में, बहुत कम लोग जानते हैं कि नैनोटेक्नोलॉजी क्या है, हालाँकि भविष्य इस विज्ञान के पीछे है। मेरे काम का मुख्य लक्ष्य नैनोटेक्नोलॉजी से परिचित होना है। मैं विभिन्न उद्योगों में इस विज्ञान के अनुप्रयोग का भी पता लगाना चाहता हूं और यह पता लगाना चाहता हूं कि क्या नैनो तकनीक मनुष्यों के लिए खतरनाक हो सकती है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी का क्षेत्र, जिसे नैनोटेक्नोलॉजी कहा जाता है, अपेक्षाकृत हाल ही में उभरा है। इस विज्ञान की संभावनाएं बहुत अधिक हैं। कण "नैनो" का अर्थ स्वयं एक मात्रा का एक अरबवां हिस्सा है। उदाहरण के लिए, एक नैनोमीटर एक मीटर का एक अरबवाँ भाग होता है। ये आकार अणुओं और परमाणुओं के आकार के समान हैं। नैनोटेक्नोलॉजी की सटीक परिभाषा इस प्रकार है: नैनोटेक्नोलॉजी एक ऐसी तकनीक है जो परमाणुओं और अणुओं के स्तर पर पदार्थ में हेरफेर करती है (यही कारण है कि नैनोटेक्नोलॉजी को आणविक प्रौद्योगिकी भी कहा जाता है)। नैनोटेक्नोलॉजी के विकास के लिए प्रेरणा रिचर्ड फेनमैन का एक व्याख्यान था, जिसमें उन्होंने वैज्ञानिक रूप से साबित किया कि भौतिकी के दृष्टिकोण से, परमाणुओं से सीधे चीजें बनाने में कोई बाधा नहीं है। परमाणुओं में प्रभावी ढंग से हेरफेर करने के साधन को नामित करने के लिए, एक असेंबलर की अवधारणा पेश की गई - एक आणविक नैनोमशीन जो किसी भी आणविक संरचना का निर्माण कर सकती है। प्राकृतिक असेंबलर का एक उदाहरण राइबोसोम है, जो जीवित जीवों में प्रोटीन का संश्लेषण करता है। जाहिर है, नैनोटेक्नोलॉजी केवल ज्ञान का एक अलग निकाय नहीं है, यह बुनियादी विज्ञान से संबंधित अनुसंधान का एक बड़े पैमाने पर व्यापक क्षेत्र है। हम कह सकते हैं कि स्कूल में पढ़ा जाने वाला लगभग कोई भी विषय किसी न किसी तरह से भविष्य की प्रौद्योगिकियों से संबंधित होगा। सबसे स्पष्ट "नैनो" और भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान के बीच संबंध प्रतीत होता है। जाहिरा तौर पर, यह ये विज्ञान हैं जिन्हें निकट आने वाली नैनोटेक्नोलॉजिकल क्रांति के संबंध में विकास के लिए सबसे बड़ा प्रोत्साहन मिलेगा।

1. आधुनिक दुनिया में नैनोटेक्नोलॉजी

1.1.नैनोटेक्नोलॉजी के उद्भव का इतिहास

नैनोटेक्नोलॉजी का पितामह यूनानी दार्शनिक डेमोक्रिटस को माना जा सकता है। उन्होंने सबसे पहले पदार्थ के सबसे छोटे कण का वर्णन करने के लिए "परमाणु" शब्द का उपयोग किया। बीस से अधिक सदियों से लोग इस कण की संरचना के रहस्य को जानने की कोशिश कर रहे हैं। इस समस्या का समाधान, जो भौतिकविदों की कई पीढ़ियों के लिए असंभव था, बीसवीं शताब्दी के पूर्वार्ध में जर्मन भौतिकविदों मैक्स नॉल और अर्न्स्ट रुस्का द्वारा इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के निर्माण के बाद संभव हो गया, जिसने पहली बार नैनोऑब्जेक्ट्स का अध्ययन करना संभव बनाया। .

कई स्रोत, मुख्य रूप से अंग्रेजी भाषा वाले, उन तरीकों के पहले उल्लेख को जोड़ते हैं जिन्हें बाद में नैनोटेक्नोलॉजी कहा जाएगा रिचर्ड फेनमैन के प्रसिद्ध भाषण "देयर इज़ प्लेंटी ऑफ रू एट द बॉटम", जो उन्होंने 1959 में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में वार्षिक बैठक में दिया था। अमेरिकन फिजिकल सोसायटी के. रिचर्ड फेनमैन ने सुझाव दिया कि उचित आकार के मैनिपुलेटर का उपयोग करके एकल परमाणुओं को यांत्रिक रूप से स्थानांतरित करना संभव है, कम से कम ऐसी प्रक्रिया आज ज्ञात भौतिकी के नियमों का खंडन नहीं करेगी।

उन्होंने इस मैनिपुलेटर को निम्नलिखित तरीके से करने का सुझाव दिया। एक ऐसे तंत्र का निर्माण करना आवश्यक है जो स्वयं की एक प्रतिलिपि बनाएगा, केवल परिमाण के क्रम में छोटा। निर्मित छोटे तंत्र को फिर से स्वयं की एक प्रतिलिपि बनानी होगी, फिर से परिमाण का एक क्रम छोटा करना होगा, और इसी तरह जब तक कि तंत्र के आयाम एक परमाणु के क्रम के आयामों के अनुरूप न हों। इस मामले में, इस तंत्र की संरचना में परिवर्तन करना आवश्यक होगा, क्योंकि स्थूल जगत में कार्य करने वाली गुरुत्वाकर्षण शक्तियों का प्रभाव कम और कम होगा, और अंतर-आणविक अंतःक्रिया की शक्तियां तंत्र के संचालन को तेजी से प्रभावित करेंगी। अंतिम चरण - परिणामी तंत्र अलग-अलग परमाणुओं से इसकी प्रतिलिपि एकत्र करेगा। सिद्धांत रूप में, ऐसी प्रतियों की संख्या असीमित है; कम समय में ऐसी मशीनों की मनमानी संख्या बनाना संभव होगा। ये मशीनें एटॉमिक असेंबली के जरिए मैक्रो-चीजों को उसी तरह असेंबल करने में सक्षम होंगी। इससे चीज़ें बहुत सस्ती हो जाएंगी - ऐसे रोबोटों (नैनोरोबोट्स) को केवल आवश्यक संख्या में अणु और ऊर्जा देने की आवश्यकता होगी, और आवश्यक वस्तुओं को इकट्ठा करने के लिए एक प्रोग्राम लिखना होगा। अभी तक कोई भी इस संभावना का खंडन नहीं कर पाया है, लेकिन अभी तक कोई भी ऐसे तंत्र बनाने में कामयाब नहीं हुआ है। ऐसे रोबोट का मूलभूत नुकसान एक परमाणु से एक तंत्र बनाने की असंभवता है।

इस प्रकार आर. फेनमैन ने अपने कथित जोड़-तोड़कर्ता का वर्णन किया:

मैं के बारे में सोचता हुँ एक विद्युत नियंत्रित प्रणाली बनाना , जिसमें पारंपरिक रूप से निर्मित "सेवा रोबोट" का उपयोग ऑपरेटर के "हाथों" की प्रतियों के रूप में चार गुना कम किया जाता है। ऐसे सूक्ष्म तंत्र कम पैमाने पर संचालन आसानी से करने में सक्षम होंगे। मैं सर्वो मोटर्स और छोटे "हथियारों" से सुसज्जित छोटे रोबोटों के बारे में बात कर रहा हूं जो समान रूप से छोटे बोल्ट और नट को कस सकते हैं, बहुत छोटे छेद ड्रिल कर सकते हैं, आदि। संक्षेप में, वे 1:4 पैमाने पर सभी काम करने में सक्षम होंगे। ऐसा करने के लिए, निश्चित रूप से, आवश्यक तंत्र, उपकरण और हेरफेर करने वाले हथियारों को पहले सामान्य आकार का एक-चौथाई बनाया जाना चाहिए (वास्तव में, यह स्पष्ट है कि इसका मतलब सभी संपर्क सतहों को 16 के कारक से कम करना है)। अंतिम चरण में, ये उपकरण सर्वो मोटर्स (16 गुना कम शक्ति के साथ) से लैस होंगे और पारंपरिक विद्युत नियंत्रण प्रणाली से जुड़े होंगे। इसके बाद, आप 16 गुना छोटे मैनिपुलेटर हथियारों का उपयोग करने में सक्षम होंगे! ऐसे माइक्रोरोबोट्स, साथ ही माइक्रोमशीनों के अनुप्रयोग का दायरा काफी व्यापक हो सकता है - सर्जिकल ऑपरेशन से लेकर रेडियोधर्मी सामग्रियों के परिवहन और प्रसंस्करण तक। मुझे आशा है कि प्रस्तावित कार्यक्रम का सिद्धांत, साथ ही इससे जुड़ी अप्रत्याशित समस्याएं और रोमांचक अवसर स्पष्ट हैं। इसके अलावा, आप पैमाने में और भी महत्वपूर्ण कमी की संभावना के बारे में सोच सकते हैं, जिसके लिए स्वाभाविक रूप से, डिज़ाइन में और बदलाव और संशोधन की आवश्यकता होगी (वैसे, एक निश्चित चरण में, आपको सामान्य आकार के "हाथों" को छोड़ना पड़ सकता है ), लेकिन वर्णित प्रकार के नए, बहुत अधिक उन्नत उपकरणों का उत्पादन करना संभव बना देगा। आपको इस प्रक्रिया को जारी रखने और जितनी चाहें उतनी छोटी मशीनें बनाने से कोई नहीं रोक सकता, क्योंकि मशीनों की नियुक्ति या उनकी सामग्री की खपत से संबंधित कोई प्रतिबंध नहीं है। उनका आयतन हमेशा प्रोटोटाइप के आयतन से बहुत कम होगा। यह गणना करना आसान है कि 1 मिलियन मशीनों की कुल मात्रा 4000 गुना कम हो गई (और इसलिए विनिर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों का द्रव्यमान) सामान्य आयामों की पारंपरिक मशीन की मात्रा और वजन के 2% से कम होगी। स्पष्ट है कि इससे सामग्रियों की लागत की समस्या तुरंत दूर हो जाती है। सिद्धांत रूप में, लाखों समान लघु कारखानों को व्यवस्थित करना संभव होगा, जिसमें छोटी मशीनें लगातार छेद, मोहर भागों आदि को ड्रिल करेंगी। जैसे-जैसे हम छोटे होते जाएंगे, हम लगातार बहुत ही असामान्य भौतिक घटनाओं का सामना करेंगे। जीवन में आपका सामना होने वाली हर चीज़ बड़े पैमाने के कारकों पर निर्भर करती है। इसके अलावा, अंतर-आणविक संपर्क बलों (तथाकथित वैन डेर वाल्स बलों) के प्रभाव में सामग्रियों के "एक साथ चिपकने" की समस्या भी है, जो मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर असामान्य प्रभाव पैदा कर सकती है। उदाहरण के लिए, एक बार पेंच खोलने के बाद नट बोल्ट से अलग नहीं होगा, और कुछ मामलों में सतह पर कसकर "चिपका" जाएगा, आदि। इस प्रकार की कई शारीरिक समस्याएं हैं जिन्हें सूक्ष्म तंत्र को डिजाइन और निर्माण करते समय ध्यान में रखा जाना चाहिए।

1.2. नैनो टेक्नोलॉजी क्या है

हाल ही में सामने आने के बाद, नैनोटेक्नोलॉजी तेजी से वैज्ञानिक अनुसंधान के क्षेत्र में प्रवेश कर रही है, और इससे - हमारे रोजमर्रा के जीवन में। वैज्ञानिकों का विकास तेजी से सूक्ष्म जगत की वस्तुओं, परमाणुओं, अणुओं और आणविक श्रृंखलाओं से निपट रहा है। कृत्रिम रूप से निर्मित नैनोऑब्जेक्ट लगातार शोधकर्ताओं को अपने गुणों से आश्चर्यचकित करते हैं और उनके अनुप्रयोग के लिए सबसे अप्रत्याशित संभावनाओं का वादा करते हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी अनुसंधान में माप की मूल इकाई नैनोमीटर है - एक मीटर का अरबवाँ भाग। अणुओं और वायरस, और अब नई पीढ़ी के कंप्यूटर चिप्स के तत्वों को भी ऐसी इकाइयों में मापा जाता है। यह नैनोस्केल पर है कि मैक्रोइंटरैक्शन निर्धारित करने वाली सभी बुनियादी भौतिक प्रक्रियाएं होती हैं।

प्रकृति ही मनुष्य को नैनो-वस्तुएँ बनाने के विचार के लिए प्रेरित करती है। कोई भी जीवाणु, वास्तव में, नैनोमशीनों से बना एक जीव है: डीएनए और आरएनए सूचना की प्रतिलिपि बनाते हैं और संचारित करते हैं, राइबोसोम अमीनो एसिड से प्रोटीन बनाते हैं, माइटोकॉन्ड्रिया ऊर्जा उत्पन्न करते हैं। जाहिर है, विज्ञान के विकास के इस चरण में, वैज्ञानिकों के मन में इन घटनाओं की नकल करने और उनमें सुधार करने का विचार आता है।

नगर शैक्षणिक संस्थान "मानवतावादी और शैक्षणिक लिसेयुम"

स्कूली बच्चों के लिए नैनो टेक्नोलॉजी

द्वारा पूरा किया गया: सगैदाचनया अनास्तासिया, 10 "बी" वर्ग

परिचय__________________________________________________________________________________________3

नैनोटेक्नोलॉजी का इतिहास__________________________________________________________________4

नैनोटेक्नोलॉजी उपकरण______________________________________________________10

नैनोवर्ल्ड के रहस्य_________________________________________________________________________25

नैनो प्रौद्योगिकी और चिकित्सा_______________________________________________________________________

रोजमर्रा की जिंदगी और उद्योग में नैनोटेक्नोलॉजीज__________________________________________________42

उन लोगों के लिए जो भविष्य को नैनो टेक्नोलॉजी से जोड़ना चाहते हैं__________________________________________________52

सन्दर्भ

परिचय

20वीं सदी में हवाई जहाज, रॉकेट, टेलीविजन और कंप्यूटर ने हमारे आसपास की दुनिया को बदल दिया। वैज्ञानिकों का तर्क है कि आने वाली 21वीं सदी में नई तकनीकी क्रांति का मूल नैनो टेक्नोलॉजी का उपयोग करके बनाई गई सामग्री, दवाएं, उपकरण, संचार और वितरण उपकरण होंगे।

ग्रीक से अनुवादित, "नैनो" शब्द का अर्थ बौना है। एक नैनोमीटर (एनएम) एक मीटर (10 -9 मीटर) का एक अरबवां हिस्सा है। एक नैनोमीटर बहुत, बहुत छोटा होता है। एक नैनोमीटर एक मीटर से उतना ही गुना छोटा होता है जितनी एक उंगली की मोटाई पृथ्वी के व्यास से कम होती है। अधिकांश परमाणुओं का व्यास 0.1 से 0.2 एनएम है, और डीएनए स्ट्रैंड की मोटाई लगभग 2 एनएम है। लाल रक्त कोशिकाओं का व्यास 7000 एनएम है, और मानव बाल की मोटाई 80,000 एनएम है।

हमारी आंखों के सामने, विज्ञान कथा वास्तविकता बन रही है - व्यक्तिगत परमाणुओं को स्थानांतरित करना और उन्हें क्यूब्स की तरह, असामान्य रूप से छोटे आकार के उपकरणों और तंत्रों में रखना संभव हो रहा है और इसलिए सामान्य आंखों के लिए अदृश्य है। भौतिकी, रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान की नवीनतम उपलब्धियों का उपयोग करते हुए नैनोटेक्नोलॉजी, न केवल मात्रात्मक है, बल्कि पदार्थ के साथ काम करने से लेकर व्यक्तिगत परमाणुओं में हेरफेर करने तक की गुणात्मक छलांग है।

नैनोटेक्नोलॉजी के उद्भव और विकास का इतिहास

रिचर्ड फेनमैन - नैनोटेक्नोलॉजी क्रांति के भविष्यवक्ता

यह विचार कि उपकरणों को इकट्ठा करना और नैनोस्केल वाली वस्तुओं के साथ काम करना संभव हो सकता है, पहली बार 1959 में कैलटेक में नोबेल पुरस्कार विजेता रिचर्ड फेनमैन के भाषण में प्रस्तावित किया गया था ("वहां नीचे बहुत जगह है!")। व्याख्यान के शीर्षक में "नीचे" शब्द का अर्थ "बहुत छोटे आयामों की दुनिया" है। तब फेनमैन ने कहा कि किसी दिन, उदाहरण के लिए, 2000 में, लोगों को आश्चर्य होगा कि 19वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध में वैज्ञानिकों ने परमाणु और परमाणु नाभिक के अध्ययन पर अपने सभी प्रयासों को केंद्रित करते हुए, आकार की इस नैनोस्केल सीमा के माध्यम से छलांग क्यों लगाई। फेनमैन के अनुसार, लोग बहुत लंबे समय तक इस बात पर ध्यान दिए बिना रहते थे कि उनके बगल में वस्तुओं की एक पूरी दुनिया रहती थी, जिन्हें देखना असंभव था। खैर, अगर हमने इन वस्तुओं को नहीं देखा, तो हम उनके साथ काम नहीं कर सके।

हालाँकि, हम स्वयं ऐसे उपकरणों से युक्त हैं जिन्होंने नैनो-ऑब्जेक्ट्स के साथ काम करना पूरी तरह से सीख लिया है। ये हमारी कोशिकाएँ हैं - बिल्डिंग ब्लॉक्स जो हमारे शरीर को बनाते हैं। कोशिका अपने पूरे जीवन में नैनोऑब्जेक्ट्स के साथ काम करती है, विभिन्न परमाणुओं से जटिल पदार्थों के अणुओं को इकट्ठा करती है। इन अणुओं को एकत्र करने के बाद, कोशिका उन्हें विभिन्न भागों में रखती है - कुछ नाभिक में, अन्य साइटोप्लाज्म में, और अन्य झिल्ली में। कल्पना कीजिए कि मानवता के लिए कितनी संभावनाएं खुलेंगी यदि वह उसी नैनो तकनीक में महारत हासिल कर ले जो हर मानव कोशिका के पास पहले से ही मौजूद है।

फेनमैन कंप्यूटर के लिए नैनो टेक्नोलॉजी क्रांति के परिणामों का वर्णन करता है। “उदाहरण के लिए, यदि कनेक्टिंग तारों का व्यास 10 से 100 परमाणुओं तक है, तो किसी भी सर्किट का आकार कई हजार एंगस्ट्रॉम से अधिक नहीं होगा। कंप्यूटर प्रौद्योगिकी से जुड़ा हर कोई उन अवसरों के बारे में जानता है जो इसके विकास और जटिलता का वादा करते हैं। यदि उपयोग किए जाने वाले तत्वों की संख्या लाखों गुना बढ़ जाती है, तो कंप्यूटर की क्षमताओं में काफी विस्तार होगा। वे तर्क करना, अनुभव का विश्लेषण करना और अपने कार्यों की गणना करना, नई कम्प्यूटेशनल विधियाँ खोजना आदि सीखेंगे। तत्वों की संख्या में वृद्धि से कंप्यूटर की विशेषताओं में महत्वपूर्ण गुणात्मक परिवर्तन होंगे।

वैज्ञानिकों को नैनोवर्ल्ड में बुलाने के बाद, फेनमैन ने तुरंत केवल 1 मिमी लंबे माइक्रोकार के निर्माण के उदाहरण का उपयोग करते हुए, वहां आने वाली बाधाओं के बारे में चेतावनी दी। चूँकि एक साधारण कार के हिस्से 10 -5 मीटर की सटीकता के साथ बनाए जाते हैं, एक माइक्रोकार के हिस्से 4000 गुना अधिक सटीकता के साथ बनाए जाने चाहिए, यानी। 2.5. 10 -9 मीटर। इस प्रकार, माइक्रोकार भागों के आयाम परमाणुओं की ± 10 परतों की सटीकता के साथ गणना किए गए लोगों के अनुरूप होने चाहिए।

नैनोवर्ल्ड न केवल बाधाओं और समस्याओं से भरा है। नैनोवर्ल्ड में अच्छी खबर हमारा इंतजार कर रही है - नैनोवर्ल्ड के सभी हिस्से बहुत टिकाऊ हैं। यह इस तथ्य के कारण होता है कि नैनोऑब्जेक्ट्स का द्रव्यमान उनके आकार की तीसरी शक्ति के अनुपात में घटता है, और उनका क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र - दूसरी शक्ति के अनुपात में घटता है। इसका मतलब यह है कि वस्तु के प्रत्येक तत्व पर यांत्रिक भार - तत्व के वजन का उसके क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र का अनुपात - वस्तु के आकार के अनुपात में घट जाता है। इस प्रकार, आनुपातिक रूप से कम किए गए नैनोटेबल में नैनोलेग होते हैं जो आवश्यकता से एक अरब गुना अधिक मोटे होते हैं।

एफ आइनमैन का मानना ​​था कि एक व्यक्ति आसानी से नैनोवर्ल्ड में महारत हासिल कर सकता है यदि वह एक ऐसी रोबोटिक मशीन बना ले जो खुद की एक छोटी लेकिन व्यावहारिक प्रतिलिपि बनाने में सक्षम हो। उदाहरण के लिए, आइए हम सीखें कि एक रोबोट कैसे बनाया जाए जो हमारी भागीदारी के बिना 4 गुना कम करके अपनी एक प्रति बना सके। फिर यह छोटा रोबोट मूल की प्रतिलिपि बनाने में सक्षम होगा, 16 गुना कम करके, आदि। जाहिर है कि ऐसे रोबोटों की 10वीं पीढ़ी ऐसे रोबोट बनाएगी जिनके आयाम मूल से लाखों गुना छोटे होंगे (चित्र 3 देखें)।

चित्र 3. आर. फेनमैन की अवधारणा का चित्रण, जिन्होंने नैनोवर्ल्ड में कैसे प्रवेश किया जा सकता है, इसके लिए एक एल्गोरिदम प्रस्तावित किया - रोबोट स्वायत्त रूप से खुद की छोटी प्रतियां बनाते हैं। साइंटिफिक अमेरिकन, 2001, सितंबर, पृष्ठ से अनुकूलित। 84.

बेशक, जैसे-जैसे हम आकार में सिकुड़ते हैं, हम लगातार बहुत ही असामान्य भौतिक घटनाओं का सामना करेंगे। नैनोरोबोट भागों का नगण्य वजन इस तथ्य को जन्म देगा कि वे अंतर-आणविक संपर्क बलों के प्रभाव में एक-दूसरे से चिपक जाएंगे, और, उदाहरण के लिए, एक नट को खोलने के बाद बोल्ट से अलग नहीं किया जाएगा। हालाँकि, हमें ज्ञात भौतिकी के नियम "परमाणु द्वारा परमाणु" वस्तुओं के निर्माण पर रोक नहीं लगाते हैं। परमाणुओं का हेरफेर, सिद्धांत रूप में, काफी वास्तविक है और प्रकृति के किसी भी नियम का उल्लंघन नहीं करता है। इसके कार्यान्वयन की व्यावहारिक कठिनाइयाँ केवल इस तथ्य के कारण हैं कि हम स्वयं बहुत बड़ी और बोझिल वस्तुएं हैं, जिसके परिणामस्वरूप हमारे लिए इस तरह के हेरफेर करना मुश्किल है।

किसी तरह सूक्ष्म-वस्तुओं के निर्माण को प्रोत्साहित करने के लिए, फेनमैन ने 1/64 इंच (1 इंच »2.5 सेमी) मापने वाली इलेक्ट्रिक मोटर बनाने वाले किसी भी व्यक्ति को 1,000 डॉलर का भुगतान करने का वादा किया। और बहुत जल्द ऐसा माइक्रोमोटर बनाया गया (चित्र 4 देखें)। 1993 से, नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में उत्कृष्ट उपलब्धियों के लिए फेनमैन पुरस्कार प्रतिवर्ष प्रदान किया जाता है।

चित्र 4. फोटो (ए) में आर. फेनमैन (दाएं) माइक्रोस्कोप से बनाई गई माइक्रोमोटर की जांच करते हैं, जिसका आकार 380 माइक्रोन है, जो दाईं ओर के चित्र में दिखाया गया है। ऊपर फोटो (बी) एक पिन का सिर दिखाता है।

अपने व्याख्यान में फेनमैन ने नैनोकैमिस्ट्री की संभावनाओं के बारे में भी बताया। रसायनज्ञ अब नए पदार्थों को संश्लेषित करने के लिए जटिल और विविध तकनीकों का उपयोग करते हैं। एक बार जब भौतिक विज्ञानी ऐसे उपकरण बना लेते हैं जो व्यक्तिगत परमाणुओं में हेरफेर कर सकते हैं, तो पारंपरिक रासायनिक संश्लेषण के कई तरीकों को "परमाणु संयोजन" तकनीकों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। उसी समय, जैसा कि फेनमैन का मानना ​​था, भौतिक विज्ञानी, सिद्धांत रूप में, लिखित रासायनिक सूत्र के आधार पर किसी भी पदार्थ को संश्लेषित करना सीख सकते हैं। रसायनज्ञ संश्लेषण का आदेश देंगे, और भौतिक विज्ञानी प्रस्तावित क्रम में परमाणुओं को बस "व्यवस्थित" करेंगे। परमाणु स्तर पर हेरफेर तकनीकों के विकास से रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में कई समस्याएं हल हो जाएंगी।

सृजन की मशीनें ई. ड्रेक्सलर द्वारा

1980 के दशक की शुरुआत में अमेरिकी वैज्ञानिक एरिक ड्रेक्सलर के विस्तृत विश्लेषण और उनकी पुस्तक इंजन्स ऑफ क्रिएशन: द कमिंग एरा ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी के प्रकाशन के बाद नैनोटेक्नोलॉजी अपने आप में विज्ञान का एक क्षेत्र बन गई और एक दीर्घकालिक तकनीकी परियोजना बन गई।

इस तरह उनकी किताब शुरू होती है. “कोयला और हीरे, रेत और कंप्यूटर चिप्स, कैंसर और स्वस्थ ऊतक - पूरे इतिहास में, परमाणुओं के क्रम के आधार पर, सस्ते या कीमती, बीमार या स्वस्थ उत्पन्न हुए। इसी तरह से व्यवस्थित होने पर, परमाणु मिट्टी, हवा और पानी बनाते हैं; दूसरे द्वारा ऑर्डर किया गया, वे पकी हुई स्ट्रॉबेरी हैं। एक तरह से व्यवस्थित होने पर, वे घर और ताजी हवा बनाते हैं; दूसरों के आदेश पर, वे राख और धुआं बनाते हैं।

परमाणुओं को व्यवस्थित करने की हमारी क्षमता प्रौद्योगिकी के केंद्र में है। हम परमाणुओं को व्यवस्थित करने की अपनी क्षमता में बहुत आगे आ गए हैं, तीर के निशानों के लिए चकमक पत्थर को तेज करने से लेकर अंतरिक्ष यान के लिए एल्युमीनियम के प्रसंस्करण तक। हमें अपनी तकनीक, अपनी जीवनरक्षक दवाओं और डेस्कटॉप कंप्यूटर पर गर्व है। हालाँकि, हमारे अंतरिक्ष यान अभी भी कच्चे हैं, हमारे कंप्यूटर अभी भी बेवकूफ हैं, और हमारे ऊतकों में अणु अभी भी धीरे-धीरे अव्यवस्थित हैं, पहले स्वास्थ्य को नष्ट कर रहे हैं और फिर जीवन को। परमाणुओं को क्रमबद्ध करने में हमारी सारी सफलता के लिए, हम अभी भी आदिम क्रमबद्ध तरीकों का उपयोग करते हैं। हमारी वर्तमान तकनीक के साथ, हम अभी भी परमाणुओं के बड़े, खराब नियंत्रित समूहों में हेरफेर करने के लिए मजबूर हैं।

लेकिन प्रकृति के नियम प्रगति के कई अवसर प्रदान करते हैं और वैश्विक प्रतिस्पर्धा का दबाव हमें हमेशा आगे बढ़ाता है। अच्छा हो या बुरा, इतिहास की सबसे बड़ी तकनीकी प्रगति हमारे सामने है।''

ड्रेक्सलर की परिभाषा के अनुसार, नैनोटेक्नोलॉजी "एक अपेक्षित उत्पादन तकनीक है जो पूर्व निर्धारित परमाणु संरचना वाले उपकरणों और पदार्थों के कम लागत वाले उत्पादन पर केंद्रित है।" कई विशेषज्ञों का मानना ​​है कि अगले 50 वर्षों में, कई उपकरण इतने छोटे हो जाएंगे कि इनमें से एक हजार नैनोमशीनें इस वाक्य के अंत में बिंदु के कब्जे वाले क्षेत्र में आसानी से फिट हो सकेंगी। नैनोमशीनें असेंबल करने के लिए, आपको चाहिए:

(1) एकल परमाणुओं के साथ काम करना सीखें - उन्हें लें और सही जगह पर रखें।

(2) असेंबलर विकसित करें - नैनोडिवाइस जो किसी व्यक्ति द्वारा लिखे गए कार्यक्रमों का उपयोग करके, लेकिन उसकी भागीदारी के बिना, (1) में बताए गए तरीके से एकल परमाणुओं के साथ काम कर सकते हैं। चूँकि परमाणु के प्रत्येक हेरफेर के लिए एक निश्चित समय की आवश्यकता होती है, और बहुत सारे परमाणु होते हैं, वैज्ञानिकों का अनुमान है कि ऐसे अरबों या खरबों नैनोअसेम्बलर्स का उत्पादन करना आवश्यक है ताकि संयोजन प्रक्रिया में अधिक समय न लगे।

(3) प्रतिकृतियां विकसित करें - ऐसे उपकरण जो नैनोअसेम्बलर्स द्वारा उत्पादित किए जाएंगे, क्योंकि उन्हें बहुत-बहुत बनाना होगा।

नैनोअसेम्बलर्स और रेप्लिकेटर्स के सामने आने में कई साल लगेंगे, लेकिन उनका दिखना लगभग अपरिहार्य लगता है। इसके अलावा, इस पथ पर प्रत्येक कदम अगले को और अधिक वास्तविक बना देगा। नैनोमशीनें बनाने की दिशा में पहला कदम पहले ही उठाया जा चुका है। ये हैं "जेनेटिक इंजीनियरिंग" और "बायोटेक्नोलॉजी"।

उपचार करने वाली मशीनें

ई. ड्रेक्सलर ने मनुष्यों के इलाज के लिए नैनोमशीनों का उपयोग करने का प्रस्ताव रखा। मानव शरीर अणुओं से बना है, और लोग बीमार और बूढ़े हो जाते हैं क्योंकि "अनावश्यक" अणु प्रकट होते हैं, और "आवश्यक" अणुओं की एकाग्रता कम हो जाती है या उनकी संरचना बदल जाती है। इसका परिणाम लोगों को भुगतना पड़ता है। किसी व्यक्ति को "खराब" अणुओं में परमाणुओं को पुनर्व्यवस्थित करने या उन्हें पुन: संयोजित करने में सक्षम नैनोमशीनों का आविष्कार करने से कोई नहीं रोकता है। यह स्पष्ट है कि ऐसी नैनोमशीनें चिकित्सा में क्रांति ला सकती हैं।

भविष्य में, नैनोमशीनें (नैनोरोबोट्स) बनाई जाएंगी, जिन्हें जीवित कोशिका में प्रवेश करने, उसकी स्थिति का विश्लेषण करने और यदि आवश्यक हो, तो उन अणुओं की संरचना को बदलकर "इलाज" करने के लिए अनुकूलित किया जाएगा, जिनसे यह बना है। कोशिकाओं की मरम्मत के लिए डिज़ाइन की गई ये नैनोमशीनें आकार में बैक्टीरिया के बराबर होंगी और ल्यूकोसाइट्स (श्वेत रक्त कोशिकाओं) जैसे मानव ऊतकों के माध्यम से चलेंगी और वायरस की तरह कोशिकाओं में प्रवेश करेंगी (चित्र 6 देखें)।

कोशिका की मरम्मत के लिए नैनोमशीन के निर्माण के साथ, एक मरीज का इलाज निम्नलिखित ऑपरेशनों के क्रम में बदल जाएगा। सबसे पहले, अणु दर अणु और संरचना दर संरचना काम करते हुए, नैनोमशीनें किसी भी ऊतक या अंग की कोशिका दर कोशिका को पुनर्स्थापित (ठीक) करेंगी। फिर, पूरे शरीर में अंग दर अंग काम करते हुए, वे व्यक्ति के स्वास्थ्य को बहाल करेंगे।

चित्र 6. कोशिका की सतह पर नैनोरोबोट का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। नैनोरोबोट के टेंटेकल्स को कोशिका के अंदर घुसते हुए देखा जा सकता है।

फोटोलिथोग्राफी - नैनोवर्ल्ड का मार्ग: ऊपर से नीचे तक

वैज्ञानिक और प्रौद्योगिकीविद् लंबे समय से छोटे आकार की दुनिया में प्रवेश करने का प्रयास कर रहे हैं, खासकर वे जो नए इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और उपकरण विकसित करते हैं। किसी इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के स्मार्ट और विश्वसनीय होने के लिए, इसमें बड़ी संख्या में ब्लॉक होने चाहिए, जिसका अर्थ है कि इसमें हजारों और कभी-कभी लाखों ट्रांजिस्टर होने चाहिए।

ऑप्टिकल फोटोलिथोग्राफी का उपयोग ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट के निर्माण में किया जाता है। इसका सार इस प्रकार है. ऑक्सीकृत सिलिकॉन सतह पर फोटोरेसिस्ट (एक बहुलक प्रकाश-संवेदनशील सामग्री) की एक परत लगाई जाती है, और फिर उस पर एक फोटोमास्क लगाया जाता है - एकीकृत सर्किट तत्वों के पैटर्न के साथ एक ग्लास प्लेट (चित्र 7 देखें)।

चित्र 7. इलेक्ट्रॉनिक घड़ी के एकीकृत सर्किट के लिए फोटोमास्क।

प्रकाश की एक किरण फोटोमास्क से होकर गुजरती है, और जहां कोई काला रंग नहीं है, प्रकाश फोटोरेसिस्ट से टकराता है और उसे रोशन करता है (चित्र 8 देखें)।

चित्र 8. फोटोलिथोग्राफी (बाएं से दाएं) का उपयोग करके माइक्रोसर्किट बनाने की योजना। सबसे पहले, एक फोटोमास्क बनाया जाता है, जिसके लिए क्रोमियम और फोटोरेसिस्ट की परत से लेपित एक ग्लास प्लेट को लेजर बीम से रोशन किया जाता है, और फिर फोटोरेसिस्ट के प्रबुद्ध हिस्सों को क्रोमियम के साथ हटा दिया जाता है। टेम्पलेट को पराबैंगनी प्रकाश की एक समानांतर किरण में रखा गया है, जो एक लेंस द्वारा केंद्रित है और सिलिकॉन ऑक्साइड और फोटोरेसिस्ट की एक पतली परत के साथ लेपित सिलिकॉन वेफर की सतह पर गिरती है। बाद के थर्मल और रासायनिक उपचार इलेक्ट्रॉनिक सर्किट असेंबली के लिए आवश्यक खांचे के जटिल द्वि-आयामी पैटर्न का निर्माण करते हैं।

इसके बाद, फोटोरेसिस्ट के उन सभी क्षेत्रों को हटा दिया जाता है जिनका प्रकाश से उपचार नहीं किया गया था, और जो रोशन थे उन्हें गर्मी उपचार और रासायनिक नक़्क़ाशी के अधीन किया जाता है। इस प्रकार, सिलिकॉन ऑक्साइड की सतह पर एक पैटर्न बनता है, और सिलिकॉन वेफर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का मुख्य हिस्सा बनने के लिए तैयार है। ट्रांजिस्टर का आविष्कार 1947 में हुआ था, और तब इसका आयाम लगभग 1 सेमी था। फोटोलिथोग्राफ़िक विधियों में सुधार से ट्रांजिस्टर का आकार 100 एनएम तक बढ़ाना संभव हो गया। हालाँकि, फोटोलिथोग्राफी का आधार ज्यामितीय प्रकाशिकी है, जिसका अर्थ है कि इस विधि का उपयोग करके तरंग दैर्ध्य से कम दूरी पर दो समानांतर सीधी रेखाएँ खींचना असंभव है। इसलिए, अब माइक्रो-सर्किट का फोटोलिथोग्राफिक निर्माण छोटी तरंग दैर्ध्य के साथ पराबैंगनी प्रकाश का उपयोग करता है, लेकिन तरंग दैर्ध्य को और कम करना महंगा और कठिन हो जाता है, हालांकि आधुनिक प्रौद्योगिकियां पहले से ही माइक्रो-सर्किट बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन किरणों का उपयोग करती हैं।

नैनोस्केल आयामों की दुनिया में परिचय, जिसका चिप निर्माता अब तक अनुसरण करते आए हैं, को "ऊपर से नीचे" की राह कहा जा सकता है। वे उन तकनीकों का उपयोग करते हैं जिन्होंने वृहद जगत में खुद को साबित किया है और केवल पैमाने को बदलने की कोशिश कर रहे हैं। लेकिन एक और तरीका है - "नीचे से ऊपर"। क्या होगा यदि हम परमाणुओं और अणुओं को कई नैनोमीटर आकार के क्रमबद्ध समूहों और संरचनाओं में स्वयं-संगठित होने के लिए मजबूर करें? नैनोसंरचना बनाने वाले अणुओं के स्व-संगठन के उदाहरण कार्बन नैनोट्यूब, क्वांटम डॉट्स, नैनोवायर और डेंड्रिमर्स हैं, जिन पर अधिक चर्चा की जाएगी। नीचे विवरण.

नैनोटेक्नोलॉजी उपकरण

स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप

पहले उपकरण जिनके साथ नैनोऑब्जेक्ट्स का निरीक्षण करना और उन्हें स्थानांतरित करना संभव हो गया, स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप थे - एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप और एक समान सिद्धांत पर काम करने वाला एक स्कैनिंग सुरंग माइक्रोस्कोप। परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) का विकास जी. बिनिग और जी. रोहरर द्वारा किया गया था, जिन्हें 1986 में इस शोध के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप का निर्माण, जो व्यक्तिगत परमाणुओं के बीच उत्पन्न होने वाले आकर्षण और प्रतिकर्षण की शक्तियों को महसूस करने में सक्षम है, ने अंततः नैनोऑब्जेक्ट्स को "स्पर्श करना और देखना" संभव बना दिया है।

चित्र 9. स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का संचालन सिद्धांत। बिंदीदार रेखा लेज़र किरण का पथ दिखाती है। अन्य स्पष्टीकरण पाठ में हैं.

एएफएम का आधार (चित्र 9 देखें) एक जांच है, जो आमतौर पर सिलिकॉन से बना होता है और एक पतली कैंटिलीवर प्लेट का प्रतिनिधित्व करता है (इसे ब्रैकट कहा जाता है, अंग्रेजी शब्द "कैंटिलीवर" से - कंसोल, बीम)। ब्रैकट के अंत में (लंबाई  500 μm, चौड़ाई  50 μm, मोटाई  1 μm) एक बहुत तेज स्पाइक (लंबाई  10 μm, वक्रता त्रिज्या 1 से 10 एनएम) है, जो एक के समूह में समाप्त होता है या अधिक परमाणु (चित्र 10 देखें)।

चित्र 10. कम (शीर्ष) और उच्च आवर्धन पर ली गई समान जांच के इलेक्ट्रॉन माइक्रोफोटो।

जब माइक्रोप्रोब नमूने की सतह के साथ चलता है, तो स्पाइक की नोक ऊपर उठती है और गिरती है, सतह की सूक्ष्म राहत को रेखांकित करती है, जैसे एक ग्रामोफोन स्टाइलस एक ग्रामोफोन रिकॉर्ड के साथ स्लाइड करता है। ब्रैकट के उभरे हुए सिरे पर (स्पाइक के ऊपर, चित्र 9 देखें) एक दर्पण क्षेत्र है जिस पर लेजर किरण गिरती है और परावर्तित होती है। जब स्पाइक नीचे आती है और सतह की अनियमितताओं पर ऊपर उठती है, तो परावर्तित किरण विक्षेपित हो जाती है, और यह विचलन एक फोटोडिटेक्टर द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है, और जिस बल के साथ स्पाइक पास के परमाणुओं की ओर आकर्षित होता है, उसे एक पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है।

फोटोडिटेक्टर और पीज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर से डेटा का उपयोग फीडबैक सिस्टम में किया जाता है जो उदाहरण के लिए, माइक्रोप्रोब और नमूना सतह के बीच इंटरैक्शन बल का निरंतर मूल्य प्रदान कर सकता है। परिणामस्वरूप, वास्तविक समय में नमूना सतह की एक बड़ी राहत का निर्माण करना संभव है। एएफएम विधि का रिज़ॉल्यूशन क्षैतिज रूप से लगभग 0.1-1 एनएम और लंबवत रूप से 0.01 एनएम है। स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का उपयोग करके प्राप्त एस्चेरिचिया कोली बैक्टीरिया की एक छवि चित्र में दिखाई गई है। ग्यारह।

चित्र 11. एस्चेरिचिया कोली जीवाणु ( इशरीकिया कोली). छवि एक स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का उपयोग करके प्राप्त की गई थी। जीवाणु की लंबाई 1.9 माइक्रोन, चौड़ाई 1 माइक्रोन होती है। फ्लैगेल्ला और सिलिया की मोटाई क्रमशः 30 एनएम और 20 एनएम है।

स्कैनिंग जांच सूक्ष्मदर्शी का एक अन्य समूह सतह राहत के निर्माण के लिए तथाकथित क्वांटम मैकेनिकल "सुरंग प्रभाव" का उपयोग करता है। सुरंग प्रभाव का सार यह है कि एक तेज धातु सुई और लगभग 1 एनएम की दूरी पर स्थित सतह के बीच विद्युत प्रवाह इस दूरी पर निर्भर करना शुरू कर देता है - दूरी जितनी छोटी होगी, धारा उतनी ही अधिक होगी। यदि सुई और सतह के बीच 10 V का वोल्टेज लगाया जाता है, तो यह "सुरंग" धारा 10 pA से 10 nA तक हो सकती है। इस धारा को मापकर और इसे स्थिर बनाए रखकर सुई और सतह के बीच की दूरी को भी स्थिर रखा जा सकता है। यह आपको सतह का एक बड़ा प्रोफ़ाइल बनाने की अनुमति देता है (चित्र 12 देखें)। परमाणु बल माइक्रोस्कोप के विपरीत, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप केवल धातुओं या अर्धचालकों की सतहों का अध्ययन कर सकता है।

चित्र 12. स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप की सुई अध्ययन के तहत सतह के परमाणुओं की परतों के ऊपर एक स्थिर दूरी (तीर देखें) पर स्थित है।

एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग किसी परमाणु को ऑपरेटर द्वारा चुने गए बिंदु पर ले जाने के लिए भी किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि माइक्रोस्कोप सुई और नमूने की सतह के बीच वोल्टेज इस सतह का अध्ययन करने के लिए आवश्यक से थोड़ा अधिक बना दिया जाता है, तो इसके निकटतम नमूना परमाणु एक आयन में बदल जाता है और सुई पर "कूद" जाता है। इसके बाद, सुई को थोड़ा हिलाकर और वोल्टेज को बदलकर, आप बचे हुए परमाणु को नमूने की सतह पर वापस "कूदने" के लिए मजबूर कर सकते हैं। इस तरह, परमाणुओं में हेरफेर करना और नैनोस्ट्रक्चर बनाना संभव है, यानी। नैनोमीटर के क्रम पर आयामों वाली सतह पर संरचनाएँ। 1990 में, आईबीएम कर्मचारियों ने दिखाया कि निकेल प्लेट पर 35 क्सीनन परमाणुओं से उनकी कंपनी का नाम मिलाकर यह संभव था (चित्र 13 देखें)।

चित्र 13. आईबीएम कंपनी का नाम निकेल प्लेट पर 35 क्सीनन परमाणुओं से बना है, जिसे इस कंपनी के कर्मचारियों ने 1990 में एक स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का उपयोग करके बनाया था।

एक जांच माइक्रोस्कोप का उपयोग करके, आप न केवल परमाणुओं को स्थानांतरित कर सकते हैं, बल्कि उनके स्व-संगठन के लिए पूर्वापेक्षाएँ भी बना सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि किसी धातु की प्लेट पर थायोल आयन युक्त पानी की एक बूंद है, तो माइक्रोस्कोप जांच इन अणुओं को उन्मुख करने में मदद करेगी ताकि उनकी दो हाइड्रोकार्बन पूंछ प्लेट से दूर रहें। परिणामस्वरूप, धातु की प्लेट से जुड़े थिओल अणुओं की एक मोनोलेयर बनाना संभव है (चित्र 14 देखें)। धातु की सतह पर अणुओं की एक मोनोलेयर बनाने की इस विधि को "पेन नैनोलिथोग्राफी" कहा जाता है।

चित्र 14. ऊपर बाईं ओर - धातु की प्लेट के ऊपर स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का कैंटिलीवर (स्टील ग्रे)। दाईं ओर कैंटिलीवर टिप के नीचे क्षेत्र (बाईं ओर की आकृति में सफेद रंग में उल्लिखित) का एक बड़ा दृश्य है, जो योजनाबद्ध रूप से जांच की नोक पर एक मोनोलेयर में व्यवस्थित बैंगनी हाइड्रोकार्बन पूंछ के साथ थियोल अणुओं को दिखाता है।

ऑप्टिकल चिमटी

ऑप्टिकल (या लेजर) चिमटी ऐसे उपकरण हैं जो सूक्ष्म वस्तुओं को स्थानांतरित करने या उन्हें एक विशिष्ट स्थान पर रखने के लिए एक केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करते हैं। लेज़र बीम के केंद्र बिंदु के पास, प्रकाश अपने चारों ओर की हर चीज़ को फोकस की ओर खींचता है (चित्र 15 देखें)।

चित्र 15. ऑप्टिकल चिमटी का योजनाबद्ध चित्रण। ऊपर से लेंस पर आपतित लेजर किरण ड्रॉप के अंदर केंद्रित होती है। इस मामले में, पानी में प्रत्येक कण बलों (नारंगी तीर) के अधीन होता है, जिसका परिणाम (हरा तीर) हमेशा फोकस की ओर निर्देशित होता है।

वह बल जिसके साथ प्रकाश आसपास की वस्तुओं पर कार्य करता है वह छोटा है, लेकिन यह लेजर बीम के फोकस में नैनोकणों को पकड़ने के लिए पर्याप्त है। एक बार जब कण फोकस में आ जाता है, तो इसे लेजर बीम के साथ स्थानांतरित किया जा सकता है। ऑप्टिकल चिमटी का उपयोग करके, आप 10 एनएम से 10 माइक्रोन तक के आकार के कणों को स्थानांतरित कर सकते हैं और उनसे विभिन्न संरचनाएं जोड़ सकते हैं (चित्र 16 देखें)। यह विश्वास करने का हर कारण है कि भविष्य में लेजर चिमटी नैनोटेक्नोलॉजी के सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक बन जाएगी।

चित्र 16. लेजर चिमटी का उपयोग करके मोड़े गए जेल नैनोकणों के विभिन्न पैटर्न।

कुछ कण, एक बार लेजर बीम में, उस क्षेत्र की ओर क्यों जाते हैं जहां प्रकाश की तीव्रता अधिकतम होती है, यानी? फोकस में (चित्र 17 देखें)? इसके कम से कम दो कारण हैं.

चित्र 17. एक लाल किरण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व, जो फोकस की ओर अभिसरित होती है और उसके बाद अपसरित होती है। उस बिंदु पर एक ग्रे गोलाकार कण दिखाई देता है जहां किरण केंद्रित होती है।

कारणमैं - ध्रुवीकृत कण विद्युत क्षेत्र में खींचे जाते हैं

कणों की ध्यान केंद्रित करने की प्रवृत्ति को समझाने से पहले, याद रखें कि प्रकाश की किरण एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, और प्रकाश की तीव्रता जितनी अधिक होगी, किरण के क्रॉस सेक्शन में विद्युत क्षेत्र की ताकत उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, फोकस पर, विद्युत क्षेत्र की ताकत का मूल-माध्य-वर्ग मान कई गुना बढ़ सकता है। इस प्रकार, केंद्रित प्रकाश किरण का विद्युत क्षेत्र असमान हो जाता है, जैसे-जैसे यह फोकस के करीब पहुंचता है, इसकी तीव्रता बढ़ती जाती है।

मान लीजिए कि जिस कण को ​​हम ऑप्टिकल चिमटी से पकड़ना चाहते हैं वह ढांकता हुआ बना हो। यह ज्ञात है कि एक बाहरी विद्युत क्षेत्र एक ढांकता हुआ अणु पर कार्य करता है, इसके अंदर विपरीत आवेशों को अलग-अलग दिशाओं में ले जाता है, जिसके परिणामस्वरूप यह अणु एक द्विध्रुवीय बन जाता है, जो क्षेत्र रेखाओं के साथ उन्मुख होता है। इस घटना को कहा जाता है ध्रुवीकरणढांकता हुआ. जब किसी ढांकता हुआ को ध्रुवीकृत किया जाता है, तो उसकी सतहों पर बाहरी क्षेत्र के विपरीत और समान परिमाण वाले विद्युत आवेश दिखाई देते हैं, जिसे कहा जाता है संबंधित.

चित्र 18. तीव्रता के एक सजातीय विद्युत क्षेत्र में स्थित एक गोलाकार कण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व इ. चिह्न "+" और "-" ध्रुवीकरण के दौरान कण की सतह पर उत्पन्न होने वाले संबद्ध आवेशों को दर्शाते हैं। धनात्मक (F+) और ऋणात्मक (F-) बाध्य आवेशों पर कार्य करने वाली विद्युत शक्तियाँ समान होती हैं।

मान लीजिए कि हमारा ढांकता हुआ कण फोकस से दूर एक प्रकाश किरण में स्थित है। तब हम मान सकते हैं कि यह एक समान विद्युत क्षेत्र में है (चित्र 18 देखें)। चूंकि कण के बायीं और दायीं ओर विद्युत क्षेत्र की ताकत समान है, इसलिए विद्युत बल सकारात्मक पर कार्य कर रहे हैं ( एफ+) और नकारात्मक ( एफ-) संबंधित शुल्क भी वही हैं. परिणामस्वरूप, एक सजातीय विद्युत क्षेत्र में स्थित एक कण स्थिर रहता है।

अब हमारे कण को ​​फोकस क्षेत्र के बगल में स्थित होने दें, जहां बाएं से दाएं जाने पर विद्युत क्षेत्र की ताकत (क्षेत्र रेखाओं का घनत्व) धीरे-धीरे बढ़ती है (चित्र 19 में सबसे बायां कण)। इस बिंदु पर कण भी ध्रुवीकृत हो जाएगा, लेकिन विद्युत बल सकारात्मक ( एफ+) और नकारात्मक ( एफ-) इससे जुड़े शुल्क अलग-अलग होंगे, क्योंकि कण के बाईं ओर की क्षेत्र शक्ति दाईं ओर की तुलना में कम है। इसलिए, कण फोकल क्षेत्र की ओर दाईं ओर निर्देशित एक शुद्ध बल के अधीन होगा।

चित्र 19. फोकस क्षेत्र के पास एक केंद्रित प्रकाश किरण के गैर-समान विद्युत क्षेत्र में स्थित तीन गोलाकार कणों का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। चिन्ह "+" और "-" बाध्य आवेशों को दर्शाते हैं जो कणों के ध्रुवीकरण के दौरान उनकी सतह पर दिखाई देते हैं। धनात्मक (F+) और ऋणात्मक (F-) बाध्य आवेशों पर कार्य करने वाले विद्युत बल कणों को फोकल क्षेत्र की ओर बढ़ने का कारण बनते हैं।

यह अनुमान लगाना आसान है कि फोकस के दूसरी ओर स्थित सबसे दाहिने कण (चित्र 19 देखें) पर फोकस क्षेत्र की ओर बाईं ओर निर्देशित परिणामी कण द्वारा कार्य किया जाएगा। इस प्रकार, प्रकाश की एक केंद्रित किरण में पकड़े गए सभी कण उसके फोकस की ओर प्रवृत्त होंगे, जैसे एक पेंडुलम अपनी संतुलन स्थिति की ओर प्रवृत्त होता है।

कारणद्वितीय - प्रकाश का अपवर्तन कण को ​​किरण के केंद्र में रखता है

यदि कण का व्यास प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बहुत बड़ा है, तो ऐसे कण के लिए ज्यामितीय प्रकाशिकी के नियम मान्य हो जाते हैं, अर्थात कण प्रकाश को अपवर्तित कर सकता है, अर्थात। इसकी दिशा बदलो. वहीं, संवेग संरक्षण के नियम के अनुसार प्रकाश (फोटॉन) और कण के स्पंदों का योग स्थिर रहना चाहिए। दूसरे शब्दों में, यदि कोई कण प्रकाश को, उदाहरण के लिए, दाईं ओर अपवर्तित करता है, तो उसे स्वयं बाईं ओर जाना होगा।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि लेजर बीम में प्रकाश की तीव्रता अपनी धुरी पर अधिकतम होती है और इससे दूरी के साथ धीरे-धीरे कम होती जाती है। इसलिए, यदि कोई कण प्रकाश किरण की धुरी पर स्थित है, तो उसके द्वारा बाईं और दाईं ओर विक्षेपित फोटॉनों की संख्या समान है। परिणामस्वरूप, कण अक्ष पर बना रहता है (चित्र 20 देखें)। बी).

चित्र 20. अपनी धुरी (ए) के बाईं ओर और अपनी धुरी (बी) पर प्रकाश की एक केंद्रित किरण में स्थित एक गोलाकार कण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। लाल छाया की तीव्रता किरण के किसी दिए गए क्षेत्र में प्रकाश की तीव्रता से मेल खाती है। 1 और 2 - किरणें, जिनका अपवर्तन चित्र में दिखाया गया है, और मोटाई उनकी तीव्रता से मेल खाती है। एफ 1 और एफ 2 क्रमशः किरण 1 और 2 के अपवर्तन के दौरान गति के संरक्षण के नियम के अनुसार कण पर कार्य करने वाले बल हैं। एफ नेट - परिणामी एफ 1 और एफ 2।

ऐसे मामलों में जहां कण प्रकाश किरण की धुरी के सापेक्ष बाईं ओर विस्थापित होता है (चित्र 20 ए देखें), बाईं ओर विक्षेपित फोटॉनों की संख्या (चित्र 20 ए में बीम 2 देखें) विक्षेपित फोटॉनों की संख्या से अधिक है दाईं ओर (चित्र 20ए में बीम 1 देखें)। इसलिए, एक बल घटक एफ नेट उत्पन्न होता है, जो बीम अक्ष की ओर दाईं ओर निर्देशित होता है।

यह स्पष्ट है कि किरण की धुरी से दाईं ओर विस्थापित कण बाईं ओर निर्देशित परिणामी कण से प्रभावित होगा, और फिर इस किरण की धुरी की ओर। इस प्रकार, वे सभी कण जो किरण की धुरी पर नहीं हैं, एक पेंडुलम की तरह संतुलन स्थिति की ओर उसकी धुरी की ओर झुकेंगे।

नियमों के अपवाद

ऑप्टिकल चिमटी के लिए "कारण" में ऊपर वर्णित बलों का उपयोग करने के लिए मैं", यह आवश्यक है कि कण एक बाहरी विद्युत क्षेत्र में ध्रुवीकृत हो, और बाध्य आवेश उसकी सतह पर दिखाई दें। इस मामले में, बाध्य आवेशों को विपरीत दिशा में निर्देशित एक क्षेत्र बनाना होगा। केवल इस मामले में कण तेजी से आगे बढ़ेंगे फोकस क्षेत्र। यदि माध्यम का ढांकता हुआ स्थिरांक, जिसमें कण तैरता है, कण के पदार्थ के ढांकता हुआ स्थिरांक से अधिक है, तो कण का ध्रुवीकरण उलट जाएगा, और कण फोकस से बाहर निकल जाएगा। क्षेत्र, उदाहरण के लिए, ग्लिसरीन में तैरते हवा के बुलबुले इसी प्रकार व्यवहार करते हैं।

वही प्रतिबंध "कारण" पर लागू होते हैं द्वितीय"यदि कण के पदार्थ का निरपेक्ष अपवर्तनांक उस माध्यम के अपवर्तनांक से कम है जिसमें वह स्थित है, तो कण प्रकाश को दूसरी दिशा में विक्षेपित कर देगा, और इसलिए किरण की धुरी से दूर चला जाएगा इसका एक उदाहरण ग्लिसरीन में समान हवा के बुलबुले होंगे, इसलिए यदि कण सामग्री का सापेक्ष अपवर्तनांक अधिक हो तो ऑप्टिकल चिमटी बेहतर काम करती है।

ग्राफीन, कार्बन नैनोट्यूब और फुलरीन

नैनोस्ट्रक्चर को न केवल व्यक्तिगत परमाणुओं या एकल अणुओं से, बल्कि आणविक ब्लॉकों से भी इकट्ठा किया जा सकता है। नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए ऐसे ब्लॉक या तत्व ग्राफीन, कार्बन नैनोट्यूब और फुलरीन हैं।

ग्राफीन

ग्राफीन एक एकल सपाट शीट है जिसमें कार्बन परमाणु एक साथ जुड़कर एक जाली बनाते हैं, जिसकी प्रत्येक कोशिका एक छत्ते के समान होती है (चित्र 21)। ग्राफीन में निकटतम कार्बन परमाणुओं के बीच की दूरी लगभग 0.14 एनएम है।

चित्र 21. ग्राफीन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। प्रकाश के गोले कार्बन परमाणु हैं, और उनके बीच की छड़ें वे बंधन हैं जो ग्राफीन शीट में परमाणुओं को पकड़ते हैं।

ग्रेफाइट, जिससे साधारण पेंसिलों की लीड बनाई जाती है, ग्राफीन की शीटों का ढेर है (चित्र 22)। ग्रेफाइट में ग्रेफीन बहुत खराब तरीके से जुड़े होते हैं और एक-दूसरे से फिसल सकते हैं। इसलिए, यदि आप कागज पर ग्रेफाइट चलाते हैं, तो इसके संपर्क में आने वाली ग्राफीन की शीट ग्रेफाइट से अलग हो जाती है और कागज पर बनी रहती है। यह बताता है कि ग्रेफाइट का उपयोग लिखने के लिए क्यों किया जा सकता है।

चित्र 22. ग्रेफाइट में एक दूसरे के ऊपर स्थित तीन ग्राफीन शीटों का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।

कार्बन नैनोट्यूब

नैनोटेक्नोलॉजी में कई आशाजनक क्षेत्र कार्बन नैनोट्यूब से जुड़े हैं। कार्बन नैनोट्यूब ढांचागत संरचनाएं या विशाल अणु हैं जिनमें केवल कार्बन परमाणु होते हैं। कार्बन नैनोट्यूब की कल्पना करना आसान है यदि आप कल्पना करते हैं कि आप ग्रेफाइट - ग्राफीन - की आणविक परतों में से एक को एक ट्यूब में रोल कर रहे हैं (चित्र 23)।

चित्र 23. ग्रेफाइट (बाएं) की आणविक परत से नैनोट्यूब (दाएं) बनाने की कल्पना करने का एक तरीका।

नैनोट्यूब को मोड़ने की विधि - ग्राफीन के समरूपता अक्ष (मोड़ कोण) के सापेक्ष नैनोट्यूब अक्ष की दिशा के बीच का कोण - काफी हद तक इसके गुणों को निर्धारित करता है। बेशक, कोई भी ग्रेफाइट की शीट से नैनोट्यूब को रोल करके नहीं बनाता है। उदाहरण के लिए, नैनोट्यूब कार्बन इलेक्ट्रोड की सतह पर उनके बीच एक आर्क डिस्चार्ज के दौरान स्वयं बनते हैं। निर्वहन के दौरान, कार्बन परमाणु सतह से वाष्पित हो जाते हैं और, एक दूसरे से जुड़कर, विभिन्न प्रकार के नैनोट्यूब बनाते हैं - एकल-परत, बहु-परत और मोड़ के विभिन्न कोणों के साथ (चित्र 24)।

चित्र 24. बाईं ओर एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है; दाईं ओर (ऊपर से नीचे) - दो-परत, सीधे और सर्पिल नैनोट्यूब।

एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब का व्यास आमतौर पर लगभग 1 एनएम होता है, और उनकी लंबाई हजारों गुना अधिक होती है, जो लगभग 40 माइक्रोन होती है। वे कैथोड पर उसके सिरे की सपाट सतह के लंबवत बढ़ते हैं। कार्बन परमाणुओं से कार्बन नैनोट्यूब का तथाकथित स्व-संयोजन होता है। मोड़ के कोण के आधार पर, नैनोट्यूब में धातुओं की तरह उच्च चालकता हो सकती है, या अर्धचालक गुण हो सकते हैं।

कार्बन नैनोट्यूब ग्रेफाइट से अधिक मजबूत होते हैं, हालांकि वे एक ही कार्बन परमाणुओं से बने होते हैं, क्योंकि ग्रेफाइट में कार्बन परमाणु शीट में होते हैं (चित्र 22)। और हर कोई जानता है कि ट्यूब में लपेटी गई कागज की एक शीट को एक नियमित शीट की तुलना में मोड़ना और फाड़ना अधिक कठिन होता है। इसीलिए कार्बन नैनोट्यूब इतने मजबूत होते हैं। नैनोट्यूब का उपयोग बहुत मजबूत सूक्ष्म छड़ और धागे के रूप में किया जा सकता है, क्योंकि एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब का यंग मापांक 1-5 टीपीए के क्रम के मान तक पहुंचता है, जो स्टील की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है! इसलिए, नैनोट्यूब से बना एक धागा, जो मानव बाल जितना मोटा है, सैकड़ों किलोग्राम का भार उठा सकता है।

सच है, वर्तमान में नैनोट्यूब की अधिकतम लंबाई आमतौर पर लगभग सौ माइक्रोन है - जो, निश्चित रूप से, रोजमर्रा के उपयोग के लिए बहुत कम है। हालाँकि, प्रयोगशाला में उत्पादित नैनोट्यूब की लंबाई धीरे-धीरे बढ़ रही है - अब वैज्ञानिक पहले ही मिलीमीटर के निशान के करीब आ चुके हैं। इसलिए, यह आशा करने का हर कारण है कि निकट भविष्य में वैज्ञानिक सेंटीमीटर और यहां तक ​​कि मीटर लंबे नैनोट्यूब विकसित करना सीखेंगे!

फुलरीन

ग्रेफाइट की गर्म सतह से वाष्पित हुए कार्बन परमाणु, एक दूसरे से जुड़कर, न केवल नैनोट्यूब बना सकते हैं, बल्कि अन्य अणु भी बना सकते हैं जो उत्तल बंद पॉलीहेड्रा हैं, उदाहरण के लिए, एक गोले या दीर्घवृत्त के रूप में। इन अणुओं में, कार्बन परमाणु नियमित षट्कोण और पंचकोण के शीर्ष पर स्थित होते हैं, जो एक गोले या दीर्घवृत्त की सतह बनाते हैं।

कार्बन परमाणुओं के इन सभी आणविक यौगिकों का नाम दिया गया है फुलरीनइसका नाम अमेरिकी इंजीनियर, डिजाइनर और वास्तुकार आर. बकमिनस्टर फुलर के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने अपनी इमारतों के गुंबदों के निर्माण के लिए पेंटागन और हेक्सागोन (चित्र 25) का उपयोग किया था, जो सभी फुलरीन के आणविक ढांचे के मुख्य संरचनात्मक तत्व हैं।

चित्र 25. फुलर्स बायोस्फीयर (यूएस पैवेलियन)। एक्सपो 67, अब बायोस्फीयर संग्रहालय में मॉन्ट्रियल, कनाडा.

सबसे सममित और सबसे अधिक अध्ययन किए गए फुलरीन के अणु, जिसमें 60 कार्बन परमाणु (सी 60) शामिल हैं, बनाते हैं बहुतल, जिसमें 20 षट्कोण और 12 पंचकोण हैं और एक सॉकर बॉल जैसा दिखता है (चित्र 26)। सी 60 फुलरीन का व्यास लगभग 1 एनएम है।

चित्र 26. फुलरीन सी 60 का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।

फुलरीन की खोज के लिए अमेरिकी भौतिक विज्ञानी आर. स्मोले के साथ-साथ अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी एच. क्रोटो और आर. कर्ल को भी धन्यवाद। 1996 प्रदान की गई है नोबेल पुरस्कार. फुलरीन सी 60 की छवि को कई लोग नैनोटेक्नोलॉजी का प्रतीक मानते हैं।

डेनड्रीमर

नैनोवर्ल्ड के तत्वों में से एक डेंड्रिमर (पेड़ जैसे पॉलिमर) हैं - 1 से 10 एनएम तक के आकार के नैनोस्ट्रक्चर, एक शाखा संरचना के साथ अणुओं के संयोजन से बनते हैं। डेंड्रिमर्स का संश्लेषण नैनोटेक्नोलॉजीज में से एक है जो रसायन विज्ञान-बहुलक रसायन विज्ञान से निकटता से संबंधित है। सभी पॉलिमर की तरह, डेंड्रिमर मोनोमर्स से बने होते हैं, लेकिन इन मोनोमर्स के अणुओं में एक शाखित संरचना होती है। एक डेंड्रिमर एक गोलाकार मुकुट वाले पेड़ के समान हो जाता है यदि, एक बहुलक अणु के विकास के दौरान, बढ़ती शाखाएं एक साथ नहीं जुड़ती हैं (जैसे एक पेड़ की शाखाएं, या आसन्न पेड़ों के मुकुट, एक साथ नहीं बढ़ते हैं)। चित्र 27 दिखाता है कि गोलाकार संरचनाओं के समान ऐसे डेंड्रिमर कैसे बनाए जा सकते हैं।

चित्र 27. एक शाखित Z-X-Z अणु (ऊपर) और विभिन्न प्रकार के डेंड्रिमर (नीचे) से डेंड्रिमर संयोजन।

जिस पदार्थ की उपस्थिति में डेंड्रिमर का निर्माण हुआ था, उससे भरी हुई गुहाएं डेंड्रिमर के अंदर बन सकती हैं। यदि एक डेंड्रिमर को किसी दवा युक्त घोल में संश्लेषित किया जाता है, तो यह डेंड्रिमर इस दवा के साथ एक नैनोकैप्सूल बन जाता है। इसके अलावा, डेंड्रिमर के अंदर की गुहाओं में विभिन्न रोगों के निदान के लिए उपयोग किए जाने वाले रेडियोधर्मी लेबल वाले पदार्थ हो सकते हैं।

वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि डेंड्रिमर्स की गुहाओं को आवश्यक पदार्थों से भरकर, उदाहरण के लिए, स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोप का उपयोग करके विभिन्न डेंड्रिमर्स से नैनोइलेक्ट्रॉनिक सर्किट को इकट्ठा करना संभव है। इस मामले में, तांबे से भरा डेंड्रिमर कंडक्टर आदि के रूप में काम कर सकता है।

बेशक, डेंड्रिमर्स के उपयोग में एक आशाजनक दिशा नैनोकैप्सूल के रूप में उनका संभावित उपयोग है जो दवाओं को सीधे उन कोशिकाओं तक पहुंचाते हैं जिन्हें इन दवाओं की आवश्यकता होती है। ऐसे डेंड्रिमर्स का केंद्रीय भाग, जिसमें दवा होती है, एक आवरण से घिरा होना चाहिए जो दवा के रिसाव को रोकता है, जिसकी बाहरी सतह पर अणुओं (एंटीबॉडी) को संलग्न करना आवश्यक होता है जो विशेष रूप से लक्ष्य कोशिकाओं की सतह का पालन कर सकते हैं . एक बार जब ऐसे डेंड्रिमर नैनोकैप्सूल रोगग्रस्त कोशिकाओं तक पहुंच जाते हैं और चिपक जाते हैं, तो डेंड्रिमर के बाहरी आवरण को नष्ट करना आवश्यक होता है, उदाहरण के लिए, लेजर का उपयोग करके या इस खोल को स्व-विघटित करना।

डेंड्रिमर नैनोवर्ल्ड में "नीचे से ऊपर" दिशा में जाने वाले रास्तों में से एक हैं।

नैनोवायर

नैनोवायर एक नैनोमीटर के क्रम के व्यास वाले तार होते हैं, जो धातु, अर्धचालक या ढांकता हुआ से बने होते हैं। नैनोवायरों की लंबाई अक्सर उनके व्यास से 1000 गुना या उससे भी अधिक हो सकती है। इसलिए, नैनोवायरों को अक्सर एक-आयामी संरचनाएं कहा जाता है, और उनका बेहद छोटा व्यास (लगभग 100 परमाणु आकार) विभिन्न क्वांटम यांत्रिक प्रभावों को प्रकट करना संभव बनाता है। यह बताता है कि क्यों नैनोवायर को कभी-कभी "क्वांटम वायर" कहा जाता है।

नैनोवायर प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। प्रयोगशालाओं में, नैनोवायर सबसे अधिक बार प्राप्त किये जाते हैं एपिटैक्सीजब किसी पदार्थ का क्रिस्टलीकरण केवल एक ही दिशा में होता है। उदाहरण के लिए, एक सिलिकॉन नैनोवायर को चित्र (बाएं) में दिखाए अनुसार उगाया जा सकता है।

चित्र 28. बाएँ - SiH 4 वातावरण में एक सोने के नैनोकण का उपयोग करके एपिटेक्सी द्वारा सिलिकॉन नैनोवायर (गुलाबी) का उत्पादन। दाईं ओर एपिटेक्सी द्वारा प्राप्त ZnO नैनोवायरों का एक "जंगल" है। यांग एट अल से अनुकूलित। (केम. यूरो. जे., वी.8, पृ.6, 2002)

एक सोने के नैनोकण को ​​सिलेन गैस (SiH 4) के वातावरण में रखा जाता है, और यह नैनोकण सिलेन के हाइड्रोजन और तरल सिलिकॉन में अपघटन के लिए उत्प्रेरक बन जाता है। तरल सिलिकॉन नैनोकण से लुढ़कता है और उसके नीचे क्रिस्टलीकृत हो जाता है। यदि नैनोकण के चारों ओर सिलेन की सांद्रता अपरिवर्तित बनी रहती है, तो एपिटेक्सी प्रक्रिया जारी रहती है, और तरल सिलिकॉन की अधिक से अधिक नई परतें इसकी पहले से ही ठोस परतों पर क्रिस्टलीकृत हो जाती हैं। परिणामस्वरूप, सिलिकॉन नैनोवायर बढ़ता है, जिससे सोने के नैनोकण ऊंचे और ऊंचे उठते जाते हैं। इस मामले में, जाहिर है, नैनोकण का आकार नैनोवायर का व्यास निर्धारित करता है। चित्र में दाईं ओर। चित्र 28 इसी तरह से तैयार किए गए ZnO नैनोवायरों के जंगल को दर्शाता है।

नैनोवायरों के अद्वितीय विद्युत और यांत्रिक गुण भविष्य के नैनोइलेक्ट्रॉनिक और नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल उपकरणों के साथ-साथ नए मिश्रित सामग्रियों और बायोसेंसर के तत्वों में उनके उपयोग के लिए आवश्यक शर्तें बनाते हैं।

नैनोमोरल के रहस्य

सूक्ष्मदर्शी के नीचे घर्षण

हमें हर कदम पर घर्षण का सामना करना पड़ता है, लेकिन घर्षण के बिना हम एक भी कदम नहीं चल पाएंगे। घर्षण बलों के बिना दुनिया की कल्पना करना असंभव है। घर्षण के अभाव में, कई अल्पकालिक आंदोलन अनिश्चित काल तक जारी रहेंगे। लगातार भूकंपों से धरती हिलती रहेगी क्योंकि टेक्टोनिक प्लेटें लगातार एक-दूसरे से टकराती रहती हैं। सभी ग्लेशियर तुरंत पहाड़ों से नीचे लुढ़क जाएंगे, और पिछले साल की हवा से धूल पृथ्वी की सतह पर उड़ जाएगी। यह कितनी अच्छी बात है कि संसार में अभी भी घर्षण की शक्ति मौजूद है!

दूसरी ओर, मशीन के हिस्सों के बीच घर्षण से घिसाव होता है और अतिरिक्त लागत आती है। मोटे अनुमान से पता चलता है कि ट्राइबोलॉजी - घर्षण का विज्ञान - में अनुसंधान राष्ट्रीय सकल उत्पाद का लगभग 2 से 10% बचा सकता है।

मनुष्य के दो सबसे महत्वपूर्ण आविष्कार - पहिया और आग बनाना - घर्षण बल से जुड़े हैं। पहिये के आविष्कार ने गति को बाधित करने वाले बल को काफी हद तक कम करना संभव बना दिया, और आग के उत्पादन ने घर्षण के बल को मनुष्य की सेवा में डाल दिया। हालाँकि, वैज्ञानिक अभी भी घर्षण बल के भौतिक आधार को पूरी तरह से समझने से दूर हैं। और बिल्कुल नहीं, क्योंकि कुछ समय से लोगों की इस घटना में रुचि होना बंद हो गई है।

घर्षण के नियमों का पहला सूत्रीकरण महान लियोनार्डो (1519) का है, जिन्होंने तर्क दिया कि जब कोई पिंड दूसरे पिंड की सतह के संपर्क में आता है तो उत्पन्न होने वाला घर्षण बल दबाव बल के समानुपाती होता है, जो गति की दिशा के विरुद्ध निर्देशित होता है और संपर्क क्षेत्र पर निर्भर नहीं है. इस कानून को 180 साल बाद जी. अमोन्टन द्वारा फिर से खोजा गया और फिर सी. कूलम्ब (1781) के कार्यों में इसे परिष्कृत किया गया। एमोंटन और कूलम्ब ने घर्षण बल और भार के अनुपात के रूप में घर्षण गुणांक की अवधारणा पेश की, इसे एक भौतिक स्थिरांक का मूल्य दिया जो संपर्क सामग्री की किसी भी जोड़ी के लिए घर्षण बल को पूरी तरह से निर्धारित करता है। अब तक यही फॉर्मूला है

एफटीआर = μ एन, (1)

कहाँ एफटीआर - घर्षण बल, एनसंपर्क सतह के लिए सामान्य दबाव बल का घटक है, और μ घर्षण गुणांक है, यह एकमात्र सूत्र है जो स्कूल भौतिकी पाठ्यपुस्तकों में पाया जा सकता है (चित्र 29 देखें)।

चित्र 29. घर्षण के शास्त्रीय नियम के निर्माण की ओर।

दो शताब्दियों से, कोई भी प्रयोगात्मक रूप से सिद्ध कानून (1) का खंडन नहीं कर पाया है, और यह अभी भी वैसा ही लगता है जैसा 200 साल पहले लगता था:

 घर्षण बल फिसलने वाले पिंडों की सतहों को संपीड़ित करने वाले बल के सामान्य घटक के सीधे आनुपातिक होता है, और हमेशा गति की दिशा के विपरीत दिशा में कार्य करता है।

 घर्षण बल संपर्क सतह के आकार पर निर्भर नहीं करता है।

 घर्षण बल फिसलने की गति पर निर्भर नहीं करता है।

 स्थैतिक घर्षण बल हमेशा फिसलने वाले घर्षण बल से अधिक होता है।

 घर्षण बल केवल एक दूसरे के विरुद्ध फिसलने वाली दो सामग्रियों पर निर्भर करते हैं।

क्या घर्षण का शास्त्रीय नियम हमेशा वैध होता है?

पहले से ही 19वीं शताब्दी में, यह स्पष्ट हो गया कि अमोन्टन-कूलम्ब कानून (1) हमेशा घर्षण के बल का सही वर्णन नहीं करता है, और घर्षण गुणांक किसी भी तरह से सार्वभौमिक विशेषताएं नहीं हैं। सबसे पहले, यह ध्यान दिया गया कि घर्षण गुणांक न केवल इस पर निर्भर करता है कि कौन सी सामग्री संपर्क में है, बल्कि इस पर भी निर्भर करती है कि संपर्क सतहों को कितनी आसानी से संसाधित किया जाता है। उदाहरण के लिए, यह पता चला कि निर्वात में घर्षण गुणांक हमेशा सामान्य परिस्थितियों की तुलना में अधिक होता है (नीचे तालिका देखें)।

इन विसंगतियों पर टिप्पणी करते हुए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेता आर. फेनमैन ने अपने व्याख्यान में लिखा - ... वे तालिकाएँ जो घर्षण के गुणांकों को "स्टील पर स्टील", "ताँबे पर तांबा" इत्यादि सूचीबद्ध करती हैं, वे सभी पूर्ण घोटाला हैं, क्योंकि वे इन छोटी चीज़ों की उपेक्षा करते हैं, लेकिन वे μ का मान निर्धारित करते हैं। घर्षण "तांबे पर तांबा", आदि। - यह वास्तव में तांबे से चिपके हुए प्रदूषकों पर घर्षण है".

बेशक, आप एक अलग रास्ता अपना सकते हैं और, "तांबे पर तांबे के घर्षण" का अध्ययन करके, वैक्यूम में पूरी तरह से पॉलिश और क्षीण सतहों की गति के दौरान बलों को माप सकते हैं। लेकिन फिर तांबे के दो ऐसे टुकड़े बस एक साथ चिपक जाएंगे, और सतहों के संपर्क की शुरुआत के बाद से गुजरे समय के साथ स्थैतिक घर्षण का गुणांक बढ़ना शुरू हो जाएगा। उन्हीं कारणों से, स्लाइडिंग घर्षण गुणांक गति पर निर्भर करेगा (घटते ही बढ़ेगा)। इसका मतलब यह है कि शुद्ध धातुओं के लिए घर्षण बल का सटीक निर्धारण करना भी असंभव है।

हालाँकि, शुष्क मानक सतहों के लिए शास्त्रीय घर्षण कानून लगभग सटीक है, हालाँकि इस प्रकार के कानून का कारण हाल तक स्पष्ट नहीं था। आख़िरकार, कोई भी सैद्धांतिक रूप से दो सतहों के बीच घर्षण के गुणांक का अनुमान लगाने में सक्षम नहीं है।

परमाणु एक दूसरे से कैसे "रगड़ते" हैं?

घर्षण का अध्ययन करने में कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि जिस स्थान पर यह प्रक्रिया होती है वह शोधकर्ता से हर तरफ से छिपा होता है। इसके बावजूद, वैज्ञानिक लंबे समय से इस निष्कर्ष पर पहुंचे हैं कि घर्षण बल इस तथ्य के कारण है कि सूक्ष्म स्तर पर (अर्थात, यदि आप माइक्रोस्कोप से देखते हैं) तो संपर्क सतहें बहुत खुरदरी होती हैं, भले ही उन्हें पॉलिश किया गया हो। इसलिए, दो सतहों का एक दूसरे के ऊपर फिसलना एक शानदार मामले जैसा हो सकता है जब उल्टे काकेशस पर्वत, उदाहरण के लिए, हिमालय के खिलाफ रगड़ते हैं (चित्र 30)।

चित्र 30. छोटे (ऊपर) और बड़े (नीचे) संपीड़न बल के साथ फिसलने वाली सतहों के संपर्क के स्थान का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।

पहले, यह सोचा गया था कि घर्षण तंत्र सरल था: सतह अनियमितताओं से ढकी हुई थी, और घर्षण फिसलने वाले भागों के क्रमिक "चढ़ाई-उतर" चक्रों का परिणाम था। लेकिन यह गलत है, क्योंकि तब कोई ऊर्जा हानि नहीं होगी, लेकिन घर्षण से ऊर्जा की खपत होती है।

निम्नलिखित घर्षण मॉडल को वास्तविकता के करीब माना जा सकता है। जैसे-जैसे रगड़ने वाली सतहें खिसकती हैं, उनकी सूक्ष्म अनियमितताएं संपर्क में आती हैं, और संपर्क के बिंदुओं पर, एक-दूसरे का विरोध करने वाले परमाणु एक-दूसरे की ओर आकर्षित होते हैं, जैसे कि वे "एक साथ बंद हो जाते हैं।" पिंडों की आगे की सापेक्ष गति के साथ, ये युग्मन टूट जाते हैं, और परमाणु कंपन उत्पन्न होते हैं, उसी तरह जो तब होता है जब एक फैला हुआ स्प्रिंग छोड़ा जाता है। समय के साथ, ये कंपन ख़त्म हो जाते हैं, और उनकी ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है, जो दोनों शरीरों में फैल जाती है। नरम पिंडों के फिसलने की स्थिति में, सूक्ष्म-अनियमितताओं का विनाश, तथाकथित "जुताई" भी संभव है, इस मामले में, यांत्रिक ऊर्जा अंतर-आणविक या अंतर-परमाणु बंधों के विनाश पर खर्च की जाती है;

इस प्रकार, यदि हम घर्षण का अध्ययन करना चाहते हैं, तो हमें सतह से बहुत कम दूरी पर कई परमाणुओं से युक्त रेत के एक दाने को सतह के साथ स्थानांतरित करने का प्रबंधन करना होगा, जबकि सतह से रेत के इस दाने पर कार्य करने वाले बलों को मापना होगा। यह परमाणु बल माइक्रोस्कोपी के आविष्कार के बाद ही संभव हो सका। व्यक्तिगत परमाणुओं के बीच उत्पन्न होने वाले आकर्षण और प्रतिकर्षण की शक्तियों को महसूस करने में सक्षम परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) के निर्माण ने अंततः घर्षण बलों को "महसूस" करना संभव बना दिया, जिससे घर्षण विज्ञान का एक नया क्षेत्र खुल गया - nanotribology.

1990 के दशक की शुरुआत से, एएफएम का उपयोग करते हुए, माइक्रोप्रोब के घर्षण बल पर व्यवस्थित अध्ययन किए गए हैं क्योंकि वे विभिन्न सतहों पर स्लाइड करते हैं और दबाव बल पर इन बलों की निर्भरता। यह पता चला कि सिलिकॉन से बने आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले जांच के लिए, सूक्ष्म स्लाइडिंग घर्षण बल दबाव बल का लगभग 60-80% है, जो 10 एनएन से अधिक नहीं है (चित्र 31, शीर्ष देखें)। जैसा कि कोई उम्मीद कर सकता है, स्लाइडिंग घर्षण बल माइक्रोप्रोब के आकार के साथ बढ़ता है, क्योंकि एक साथ इसे आकर्षित करने वाले परमाणुओं की संख्या बढ़ जाती है (चित्र 31, नीचे देखें)।

चित्र 31. बाहरी बल पर माइक्रोप्रोब के फिसलने वाले घर्षण बल की निर्भरता, एन, इसे ग्रेफाइट सतह पर दबाते हुए। शीर्ष - जांच की वक्रता की त्रिज्या, 17 एनएम; निचला - जांच की वक्रता की त्रिज्या, 58 एनएम। इसे छोटे के लिए देखा जा सकता है एननिर्भरता वक्रीय है, और बड़े मूल्यों पर यह बिंदीदार रेखा द्वारा इंगित सीधी रेखा तक पहुंचती है। होल्शर और श्वार्ट्ज (2002) से लिया गया डेटा।

इस प्रकार, माइक्रोप्रोब का फिसलने वाला घर्षण बल सतह के साथ उसके संपर्क के क्षेत्र पर निर्भर करता है, जो घर्षण के शास्त्रीय नियम का खंडन करता है। यह भी पता चला कि माइक्रोप्रोब को सतह पर दबाने वाले बल की अनुपस्थिति में स्लाइडिंग घर्षण बल शून्य नहीं होता है। हां, यह समझ में आता है, क्योंकि माइक्रोप्रोब के आसपास की सतह के परमाणु इसके इतने करीब स्थित होते हैं कि बाहरी संपीड़न बल की अनुपस्थिति में भी वे इसे आकर्षित करते हैं। इसलिए, शास्त्रीय कानून की मुख्य धारणा - संपीड़न बल पर घर्षण बल की प्रत्यक्ष आनुपातिक निर्भरता के बारे में - नैनोट्राइबोलॉजी में भी नहीं देखी जाती है।

हालाँकि, एएफएम का उपयोग करके प्राप्त शास्त्रीय कानून (1) और नैनोट्राइबोलॉजी डेटा के बीच इन सभी विसंगतियों को आसानी से समाप्त किया जा सकता है। जैसे-जैसे फिसलने वाले शरीर पर दबाव बढ़ता है, सूक्ष्म संपर्कों की संख्या बढ़ती है, जिसका अर्थ है कि कुल फिसलने वाला घर्षण बल बढ़ता है। इसलिए, अभी प्राप्त वैज्ञानिकों के डेटा और पुराने कानून के बीच कोई विरोधाभास नहीं है।

लंबे समय तक, यह आम तौर पर स्वीकार किया गया था कि एक पिंड को दूसरे पिंड पर फिसलने के लिए मजबूर करके, हम एक पिंड की छोटी-छोटी विषमताओं को तोड़ते हैं, जो दूसरे की सतह की विषमताओं से चिपकी रहती हैं, और इन विषमताओं को तोड़ने के लिए, घर्षण बल का उपयोग किया जाता है। ज़रूरी है। इसलिए, पुराने विचार अक्सर घर्षण बल की घटना को रगड़ने वाली सतहों के माइक्रोप्रोट्रेशन्स को नुकसान, उनके तथाकथित पहनने से जोड़ते हैं। एएफएम और अन्य आधुनिक तकनीकों का उपयोग करके नैनोट्राइबोलॉजिकल अध्ययनों से पता चला है कि सतहों के बीच घर्षण बल उन मामलों में भी मौजूद हो सकते हैं जहां वे क्षतिग्रस्त नहीं हैं। इस घर्षण बल का कारण घर्षण करने वाले परमाणुओं के बीच लगातार उत्पन्न होने और टूटने वाले बंधन हैं।

नैनोकण कम तापमान पर क्यों पिघलते हैं?

जैसे-जैसे कण का आकार घटता है, न केवल इसके यांत्रिक गुण बदलते हैं, बल्कि इसकी थर्मोडायनामिक विशेषताएं भी बदलती हैं। उदाहरण के लिए, इसका गलनांक नियमित आकार के नमूनों की तुलना में बहुत कम हो जाता है। चित्र 35 दिखाता है कि एल्यूमीनियम नैनोकणों का पिघलने का तापमान उनके आकार में कमी के साथ कैसे बदलता है। यह देखा जा सकता है कि 4 एनएम कण का पिघलने का तापमान सामान्य आकार के एल्यूमीनियम नमूने की तुलना में 140 डिग्री सेल्सियस कम है।

चित्र 35. एंगस्ट्रॉम (Å) 1 Å=0.1 एनएम में एल्यूमीनियम नैनोकणों टी मीटर के पिघलने के तापमान की उनकी त्रिज्या आर पर निर्भरता।

चित्र में दिखाई गई निर्भरता के समान। अनेक धातुओं के लिए 35 प्राप्त हुए हैं। इस प्रकार, जब टिन के नैनोकणों का व्यास 8 एनएम तक कम हो जाता है, तो उनका गलनांक 100°C (230°C से 130°C) तक गिर जाता है। उसी समय, सोने के नैनोकणों के पिघलने के तापमान में सबसे बड़ी गिरावट (500 डिग्री सेल्सियस से अधिक) पाई गई।

नैनोकणों की सतह पर लगभग सभी परमाणु होते हैं!

नैनोकणों के पिघलने के तापमान में कमी का कारण यह है कि सभी क्रिस्टल की सतह पर परमाणु विशेष परिस्थितियों में होते हैं, और नैनोकणों में ऐसे "सतह" परमाणुओं का अनुपात बहुत बड़ा हो जाता है। आइए एल्यूमीनियम के लिए इस "सतह" अंश का अनुमान लगाएं।

यह गणना करना आसान है कि 1 सेमी 3 एल्युमीनियम में लगभग 6 होता है। 10 22 परमाणु. सरलता के लिए, हम मान लेंगे कि परमाणु एक घन क्रिस्टल जाली के नोड्स पर स्थित हैं, तो इस जाली में पड़ोसी परमाणुओं के बीच की दूरी लगभग 4 होगी। 10 -8 सेमी इसका मतलब है कि सतह पर परमाणुओं का घनत्व 6 होगा। 10 14 सेमी -2 .

अब 1 सेमी किनारे वाला एल्युमीनियम का एक घन लें, सतह पर परमाणुओं की संख्या 36 के बराबर होगी। 10 14, और अंदर परमाणुओं की संख्या 6 है। 10 22. इस प्रकार, "नियमित" आकार के ऐसे एल्यूमीनियम क्यूब में सतह परमाणुओं का अंश केवल 6 है। 10 -8.

यदि आप 5 एनएम एल्यूमीनियम क्यूब के लिए समान गणना करते हैं, तो यह पता चलता है कि इसके सभी परमाणुओं में से 12% पहले से ही ऐसे "नैनोक्यूब" की सतह पर स्थित हैं। खैर, 1 एनएम आकार के घन की सतह पर, सामान्य तौर पर, सभी परमाणुओं के आधे से अधिक होते हैं! परमाणुओं की संख्या पर "सतह" अंश की निर्भरता चित्र 36 में दिखाई गई है।

चित्र 36. क्रिस्टलीय पदार्थ के घन में परमाणुओं के "सतह" अंश (ऑर्डिनेट अक्ष) की उनकी संख्या N के घनमूल पर निर्भरता।

क्रिस्टल सतह पर कोई क्रम नहीं है

पिछली शताब्दी के शुरुआती 60 के दशक से, वैज्ञानिकों का मानना ​​​​है कि क्रिस्टल की सतह पर स्थित परमाणु विशेष परिस्थितियों में होते हैं। जो बल उन्हें क्रिस्टल जाली के नोड्स पर रहने के लिए मजबूर करते हैं वे केवल नीचे से उन पर कार्य करते हैं। इसलिए, सतह के परमाणुओं (या अणुओं) के लिए जाली में स्थित अणुओं की "सलाह से बचना और गले लगाना" आसान होता है, और यदि ऐसा होता है, तो परमाणुओं की कई सतह परतें एक ही बार में एक ही निर्णय पर आती हैं। परिणामस्वरूप, सभी क्रिस्टलों की सतह पर एक तरल फिल्म बन जाती है। वैसे, बर्फ के क्रिस्टल कोई अपवाद नहीं हैं। इसीलिए बर्फ फिसलन भरी है (चित्र 37 देखें)।

चित्र 37. बर्फ के एक क्रॉस सेक्शन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। सतह पर पानी के अणुओं की यादृच्छिक व्यवस्था एक तरल फिल्म से मेल खाती है, और मोटाई में हेक्सागोनल संरचना बर्फ से मेल खाती है। लाल घेरे - ऑक्सीजन परमाणु; सफेद - हाइड्रोजन परमाणु (के.यू. बोगदानोव की पुस्तक "अंडे की भौतिकी पर...और न केवल", मॉस्को, 2008 से)।

क्रिस्टल की सतह पर तरल फिल्म की मोटाई तापमान के साथ बढ़ती है, क्योंकि अणुओं की उच्च तापीय ऊर्जा क्रिस्टल जाली से अधिक सतह परतों को फाड़ देती है। सैद्धांतिक अनुमान और प्रयोगों से पता चलता है कि जैसे ही क्रिस्टल की सतह पर तरल फिल्म की मोटाई क्रिस्टल आकार के 1/10 से अधिक होने लगती है, संपूर्ण क्रिस्टल जाली नष्ट हो जाती है और कण तरल हो जाता है। इसलिए, कणों का पिघलने का तापमान उनके आकार में कमी के साथ धीरे-धीरे कम हो जाता है (चित्र 35 देखें)।

जाहिर है, किसी भी नैनोप्रोडक्शन में नैनोकणों की "फ्यूजिबिलिटी" को ध्यान में रखा जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, यह ज्ञात है कि आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक माइक्रोक्रिकिट तत्वों के आयाम नैनोस्केल रेंज में हैं। इसलिए, क्रिस्टलीय नैनोऑब्जेक्ट्स के पिघलने के तापमान को कम करने से आधुनिक और भविष्य के माइक्रोसर्किट के ऑपरेटिंग तापमान की स्थिति पर कुछ प्रतिबंध लग जाते हैं।

नैनोकणों का रंग उनके आकार पर निर्भर क्यों हो सकता है?

नैनोवर्ल्ड में, पदार्थ की कई यांत्रिक, थर्मोडायनामिक और विद्युत विशेषताएँ बदल जाती हैं। उनके ऑप्टिकल गुण कोई अपवाद नहीं हैं। वे नैनोवर्ल्ड में भी बदलते हैं।

हम सामान्य आकार की वस्तुओं से घिरे हुए हैं, और हम इस तथ्य के आदी हैं कि किसी वस्तु का रंग केवल उस पदार्थ के गुणों पर निर्भर करता है जिससे वह बनाई गई है या जिस रंग से उसे रंगा गया है। नैनोवर्ल्ड में, यह विचार अनुचित साबित होता है, और यह नैनोऑप्टिक्स को पारंपरिक प्रकाशिकी से अलग करता है।

लगभग 20-30 साल पहले, "नैनोप्टिक्स" बिल्कुल भी अस्तित्व में नहीं था। और नैनो-ऑप्टिक्स कैसे हो सकते हैं, यदि पारंपरिक प्रकाशिकी के पाठ्यक्रम से यह पता चलता है कि प्रकाश नैनो-वस्तुओं को "महसूस" नहीं कर सकता है, क्योंकि उनका आकार प्रकाश तरंग दैर्ध्य λ = 400 - 800 एनएम से काफी छोटा है। प्रकाश के तरंग सिद्धांत के अनुसार नैनो वस्तुओं की छाया नहीं होनी चाहिए और उनसे प्रकाश परावर्तित नहीं हो सकता। किसी नैनोऑब्जेक्ट के अनुरूप क्षेत्र पर दृश्य प्रकाश को केंद्रित करना भी असंभव है। इसका मतलब यह है कि नैनोकणों को देखना असंभव है।

हालाँकि, दूसरी ओर, प्रकाश तरंग को अभी भी किसी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की तरह, नैनोऑब्जेक्ट्स पर कार्य करना चाहिए। उदाहरण के लिए, अर्धचालक नैनोकण पर पड़ने वाला प्रकाश, अपने विद्युत क्षेत्र के साथ, इसके परमाणु से वैलेंस इलेक्ट्रॉनों में से एक को फाड़ सकता है। यह इलेक्ट्रॉन कुछ समय के लिए एक चालन इलेक्ट्रॉन बन जाएगा, और फिर "निषिद्ध बैंड" की चौड़ाई के अनुरूप प्रकाश की मात्रा उत्सर्जित करते हुए "घर" लौट आएगा - वैलेंस इलेक्ट्रॉन के मुक्त होने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा (चित्र देखें)। 40).

इस प्रकार, नैनो-आकार के अर्धचालकों को भी कम आवृत्ति का प्रकाश उत्सर्जित करते हुए, उन पर पड़ने वाले प्रकाश को महसूस करना चाहिए। दूसरे शब्दों में, प्रकाश में अर्धचालक नैनोकण फ्लोरोसेंट बन सकते हैं, जो "बैंड गैप" की चौड़ाई के अनुरूप कड़ाई से परिभाषित आवृत्ति का प्रकाश उत्सर्जित करते हैं।

चित्र 40. अर्धचालक में एक इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा स्तर और ऊर्जा बैंड का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। नीली रोशनी के प्रभाव में, एक इलेक्ट्रॉन (सफेद वृत्त) परमाणु से अलग हो जाता है, चालन बैंड में चला जाता है। कुछ समय बाद, यह इस क्षेत्र के निम्नतम ऊर्जा स्तर तक उतर जाता है और, लाल प्रकाश की मात्रा उत्सर्जित करते हुए, वैलेंस बैंड में वापस चला जाता है।

साइज़ के अनुसार चमकें!

यद्यपि अर्धचालक नैनोकणों की फ्लोरोसेंट क्षमता 19वीं शताब्दी के अंत में ज्ञात हुई थी, इस घटना का विस्तार से वर्णन पिछली शताब्दी के अंत में ही किया गया था। और सबसे दिलचस्प बात यह है कि इन कणों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की आवृत्ति इन कणों के बढ़ते आकार के साथ कम हो गई (चित्र 41)।

चित्र 41. कोलाइडल कणों के निलंबन की प्रतिदीप्ति सीडीटीईविभिन्न आकार (2 से 5 एनएम तक, बाएं से दाएं)। सभी फ्लास्क ऊपर से समान तरंग दैर्ध्य की नीली रोशनी से प्रकाशित होते हैं। एच. वेलर (भौतिक रसायन विज्ञान संस्थान, हैम्बर्ग विश्वविद्यालय) से लिया गया।

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 41, नैनोकणों के निलंबन (निलंबन) का रंग उनके व्यास पर निर्भर करता है। प्रतिदीप्ति रंग की निर्भरता, अर्थात्। इसकी आवृत्ति, नैनोकण के आकार पर ν का अर्थ है कि "गैप बैंड" की चौड़ाई कण के आकार पर भी निर्भर करती है इ. चित्र 40 और 41 को देखते हुए, यह तर्क दिया जा सकता है कि बढ़ते नैनोकणों के आकार के साथ, "अंतर" की चौड़ाई, Δ इकम होना चाहिए, क्योंकि ΔE = एचν. इस निर्भरता को इस प्रकार समझाया जा सकता है।

अगर आस-पास बहुत सारे पड़ोसी हों तो अलग होना आसान होता है

एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन को हटाने और इसे चालन बैंड में स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा न केवल परमाणु नाभिक के चार्ज और परमाणु में इलेक्ट्रॉन की स्थिति पर निर्भर करती है। जितने अधिक परमाणु होंगे, इलेक्ट्रॉन को तोड़ना उतना ही आसान होगा, क्योंकि पड़ोसी परमाणुओं के नाभिक भी इसे अपनी ओर आकर्षित करते हैं। यही निष्कर्ष परमाणुओं के आयनीकरण के लिए भी सत्य है (चित्र 42 देखें)।

चित्र 42. एंगस्ट्रॉम (एब्सिस्सा) में प्लैटिनम कण के व्यास पर क्रिस्टल जाली (ऑर्डिनेट) में निकटतम पड़ोसियों की औसत संख्या की निर्भरता। 1 Å=0.1 एनएम. फ्रेनकेल एट अल से अनुकूलित। (जे. फिज. केम., बी, वी. 105:12689, 2001)।

चित्र में. 42. दर्शाता है कि प्लैटिनम परमाणु के निकटतम पड़ोसियों की औसत संख्या बढ़ते कण व्यास के साथ कैसे बदलती है। जब किसी कण में परमाणुओं की संख्या कम होती है, तो उनका एक महत्वपूर्ण हिस्सा सतह पर स्थित होता है, जिसका अर्थ है कि निकटतम पड़ोसियों की औसत संख्या प्लैटिनम क्रिस्टल जाली (11) के अनुरूप बहुत कम है। जैसे-जैसे कण का आकार बढ़ता है, निकटतम पड़ोसियों की औसत संख्या किसी दिए गए क्रिस्टल जाली के अनुरूप सीमा तक पहुंचती है। चित्र से. 42 इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि यदि कोई परमाणु एक छोटे कण में है तो उसे आयनित करना (एक इलेक्ट्रॉन को हटाना) कठिन होता है, क्योंकि औसतन, ऐसे परमाणु के कुछ निकटतम पड़ोसी होते हैं।

चित्र 43. लोहे के नैनोकण में एन परमाणुओं की संख्या पर आयनीकरण क्षमता (कार्य फ़ंक्शन, ईवी में) की निर्भरता। ई. रोडुनर (स्टटगार्ट, 2004) के एक व्याख्यान से लिया गया।

चित्र में. चित्र 43 दिखाता है कि विभिन्न संख्या में लौह परमाणुओं वाले नैनोकणों के लिए आयनीकरण क्षमता (कार्य फ़ंक्शन, ईवी में) कैसे बदलती है एन. इसे विकास के साथ देखा जा सकता है एनकार्य फ़ंक्शन कम हो जाता है, सामान्य आकार के नमूनों के लिए कार्य फ़ंक्शन के अनुरूप एक सीमित मूल्य की ओर रुझान होता है। यह पता चला कि परिवर्तन एकण व्यास के साथ आउटपुट डीसूत्र द्वारा काफी अच्छी तरह से वर्णित किया जा सकता है:

एबाहर = एआउटपुट0 + 2 जेडई 2 / डी , (6)

कहाँ एआउटपुट0 - सामान्य आकार के नमूनों के लिए कार्य फ़ंक्शन, जेडपरमाणु नाभिक का प्रभार है, और इ-इलेक्ट्रॉन चार्ज.

यह स्पष्ट है कि "निषिद्ध क्षेत्र" की चौड़ाई Δ है इअर्धचालक कण के आकार पर उसी तरह निर्भर करता है जैसे धातु कणों का कार्य कार्य (सूत्र 6 देखें) - यह बढ़ते कण व्यास के साथ घटता है। इसलिए, सेमीकंडक्टर नैनोकणों की प्रतिदीप्ति तरंग दैर्ध्य बढ़ते कण व्यास के साथ बढ़ती है, जैसा कि चित्र 41 में दिखाया गया है।

क्वांटम डॉट्स मानव निर्मित परमाणु हैं

सेमीकंडक्टर नैनोकणों को अक्सर "क्वांटम डॉट्स" कहा जाता है। अपने गुणों से वे परमाणुओं से मिलते जुलते हैं - नैनो आकार के "कृत्रिम परमाणु"। आख़िरकार, परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन, एक कक्षा से दूसरी कक्षा में जाते हुए, एक कड़ाई से परिभाषित आवृत्ति के प्रकाश की मात्रा का उत्सर्जन भी करते हैं। लेकिन वास्तविक परमाणुओं के विपरीत, जिनकी आंतरिक संरचना और उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को हम बदल नहीं सकते हैं, क्वांटम डॉट्स के पैरामीटर उनके रचनाकारों, नैनोटेक्नोलॉजिस्ट पर निर्भर करते हैं।

जीवित कोशिकाओं के अंदर विभिन्न संरचनाओं को समझने की कोशिश कर रहे जीवविज्ञानियों के लिए क्वांटम डॉट्स पहले से ही एक उपयोगी उपकरण हैं। तथ्य यह है कि विभिन्न सेलुलर संरचनाएं समान रूप से पारदर्शी होती हैं और रंगीन नहीं होती हैं। इसलिए, यदि आप माइक्रोस्कोप के माध्यम से किसी कोशिका को देखते हैं, तो आपको इसके किनारों के अलावा कुछ भी दिखाई नहीं देगा। कुछ कोशिका संरचनाओं को दृश्यमान बनाने के लिए, क्वांटम डॉट्स बनाए गए जो कुछ इंट्रासेल्युलर संरचनाओं का पालन कर सकते हैं (चित्र 44)।

चित्र में सेल को रंगने के लिए। अलग-अलग रंगों में 44, तीन आकारों में क्वांटम डॉट्स बनाए गए। सबसे छोटे, चमकते हुए हरे, अणुओं से चिपके हुए थे जो कोशिका के आंतरिक कंकाल को बनाने वाली सूक्ष्मनलिकाएं से चिपकने में सक्षम थे। मध्यम आकार के क्वांटम बिंदु गोल्गी तंत्र की झिल्लियों से चिपक सकते हैं, और सबसे बड़े बिंदु कोशिका नाभिक से चिपक सकते हैं। जब कोशिका को इन सभी क्वांटम बिंदुओं वाले घोल में डुबोया गया और कुछ समय के लिए उसमें रखा गया, तो वे अंदर घुस गए और जहां भी संभव हो सके चिपक गए। इसके बाद, सेल को बिना क्वांटम डॉट वाले घोल से धोया गया और माइक्रोस्कोप के नीचे रखा गया। जैसा कि कोई उम्मीद करेगा, उपर्युक्त सेलुलर संरचनाएं बहुरंगी और स्पष्ट रूप से दिखाई देने लगीं (चित्र 44)।

चित्र 44. क्वांटम डॉट्स का उपयोग करके विभिन्न इंट्रासेल्युलर संरचनाओं को विभिन्न रंगों में रंगना। लाल - कोर; हरा - सूक्ष्मनलिकाएं; पीला - गॉल्जी उपकरण।

कैंसर के खिलाफ लड़ाई में नैनो टेक्नोलॉजी

13% मामलों में लोग कैंसर से मरते हैं। इस बीमारी से हर साल दुनिया भर में करीब 80 लाख लोगों की मौत हो जाती है। कई प्रकार के कैंसर अभी भी लाइलाज माने जाते हैं। वैज्ञानिक शोध से पता चलता है कि नैनोटेक्नोलॉजी इस बीमारी के खिलाफ लड़ाई में एक शक्तिशाली उपकरण हो सकती है।

नैनोटेक्नोलॉजी और चिकित्सा

सोने के नैनोकण कैंसर कोशिकाओं के लिए हीट बम हैं

लगभग 100 एनएम व्यास वाला एक गोलाकार सिलिकॉन नैनोकण 10 एनएम मोटी सोने की परत से लेपित है। इस तरह के सोने के नैनोकण में 820 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ अवरक्त विकिरण को अवशोषित करने की क्षमता होती है, जबकि इसके चारों ओर तरल की एक पतली परत कई दसियों डिग्री तक गर्म होती है।

820 एनएम की तरंग दैर्ध्य वाला विकिरण व्यावहारिक रूप से हमारे शरीर के ऊतकों द्वारा अवशोषित नहीं होता है। इसलिए, यदि आप सोने के नैनोकण बनाते हैं जो केवल कैंसर कोशिकाओं से चिपकते हैं, तो मानव शरीर के माध्यम से इस तरंग दैर्ध्य के विकिरण को पारित करके, आप शरीर में स्वस्थ कोशिकाओं को नुकसान पहुंचाए बिना इन कोशिकाओं को गर्म और नष्ट कर सकते हैं।

वैज्ञानिकों ने पाया कि सामान्य कोशिकाओं की झिल्ली कैंसर कोशिकाओं की झिल्लियों से भिन्न होती है, और उन्होंने सोने के नैनोकणों की सतह पर अणुओं को लगाने का प्रस्ताव रखा जो कैंसर कोशिकाओं के साथ उनके चिपकने की सुविधा प्रदान करते हैं। कैंसर कोशिकाओं से चिपकने की क्षमता वाले ऐसे नैनोकण कई प्रकार के कैंसर के लिए तैयार किए गए हैं।

चूहों पर प्रयोगों में, कैंसर कोशिकाओं को नष्ट करने में सोने के नैनोकणों की प्रभावशीलता साबित हुई थी। सबसे पहले, चूहों में कैंसर पैदा किया गया, फिर उन्हें उपयुक्त नैनोकणों के साथ इंजेक्ट किया गया, और फिर एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के विकिरण के संपर्क में लाया गया। यह पता चला कि इस तरह के विकिरण के कई मिनटों के बाद, अधिकांश कैंसर कोशिकाएं ज़्यादा गरम होने से मर गईं, जबकि सामान्य कोशिकाएं क्षतिग्रस्त नहीं रहीं। कैंसर से लड़ने की इस पद्धति से वैज्ञानिकों को काफी उम्मीदें हैं।

डेंड्रिमर्स - कैंसर कोशिकाओं के लिए जहर वाले कैप्सूल

कैंसर कोशिकाओं को विभाजित होने और बढ़ने के लिए बड़ी मात्रा में फोलिक एसिड की आवश्यकता होती है। इसलिए, फोलिक एसिड अणु कैंसर कोशिकाओं की सतह पर बहुत अच्छी तरह से चिपकते हैं, और यदि डेंड्रिमर्स के बाहरी आवरण में फोलिक एसिड अणु होते हैं, तो ऐसे डेंड्रिमर चुनिंदा रूप से केवल कैंसर कोशिकाओं का पालन करेंगे। ऐसे डेंड्रिमर की मदद से, कैंसर कोशिकाओं को दृश्यमान बनाया जा सकता है यदि कुछ अन्य अणु डेंड्रिमर के खोल से जुड़े होते हैं, उदाहरण के लिए, पराबैंगनी प्रकाश के तहत चमकते हुए। डेंड्रिमर के बाहरी आवरण में कैंसर कोशिकाओं को मारने वाली दवा जोड़कर, आप न केवल उनका पता लगा सकते हैं, बल्कि उन्हें मार भी सकते हैं (चित्र 45)।

चित्र 45. बाहरी आवरण से जुड़ा फोलिक एसिड अणुओं (बैंगनी) वाला डेंड्रिमर केवल कैंसर कोशिकाओं से चिपकता है। चमकते फ़्लोरेसिन अणु (हरा) इन कोशिकाओं का पता लगाना संभव बनाते हैं, मेथोट्रेक्सेट अणु (लाल) कैंसर कोशिकाओं को मारते हैं। इससे केवल कैंसर कोशिकाओं को चुनिंदा रूप से मारना संभव हो जाता है।

चांदी के नैनोकण बैक्टीरिया के लिए जहर हैं

कई पदार्थों के भौतिक गुण नमूने के आकार पर निर्भर करते हैं। किसी पदार्थ के नैनोकणों में अक्सर ऐसे गुण होते हैं जो आम तौर पर सामान्य आकार के इन पदार्थों के नमूनों में नहीं पाए जाते हैं।

यह ज्ञात है कि सोना और चाँदी अधिकांश रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं। हालाँकि, चांदी या सोने के नैनोकण न केवल रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए बहुत अच्छे उत्प्रेरक बनते हैं (उनकी घटना को तेज करते हैं), बल्कि सीधे रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भी भाग लेते हैं। उदाहरण के लिए, सामान्य चांदी के नमूने हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया नहीं करते हैं, लेकिन चांदी के नैनोकण हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, और यह प्रतिक्रिया निम्नलिखित योजना के अनुसार आगे बढ़ती है: 2Ag + 2HCl® 2AgCl + H 2।

चांदी के नैनोकणों की उच्च प्रतिक्रियाशीलता इस तथ्य को स्पष्ट करती है कि उनके पास एक मजबूत जीवाणुनाशक प्रभाव होता है - वे कुछ प्रकार के रोगजनक बैक्टीरिया को मारते हैं। सिल्वर आयन बैक्टीरिया के अंदर कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं को असंभव बना देते हैं, और इसलिए, सिल्वर नैनोकणों की उपस्थिति में, कई बैक्टीरिया प्रजनन नहीं करते हैं। तथाकथित ग्राम-नकारात्मक बैक्टीरिया जिन्हें ग्राम विधि (एस्चेरिचिया कोली, साल्मोनेला, आदि) का उपयोग करके दाग नहीं किया जा सकता है, वे सिल्वर नैनोकणों की क्रिया के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होते हैं (चित्र 47)।

चित्र 47. एस्चेरिचिया कोलाई बैक्टीरिया के प्रसार पर 10-15 एनएम आकार के चांदी के नैनोकणों की विभिन्न सांद्रता का प्रभाव ( इशरीकिया कोली) – (ए) और साल्मोनेला ( साल्मोनेला टाइफस) – (बी). बाएं से दाएं, दोनों पैनल 0, 5, 10, 25 और 35 μg/ml की चांदी के नैनोकणों की सांद्रता वाले पेट्री डिश की तस्वीरें दिखाते हैं। बैक्टीरिया प्लेटों के पोषक तत्व के घोल को पीला कर देते हैं (सबसे बाईं ओर की तीन प्लेटें देखें)। बैक्टीरिया की अनुपस्थिति में, सिल्वर नैनोकणों की उपस्थिति के कारण पेट्री डिश गहरे भूरे रंग की होती है। श्रीवास्तव एट अल से अनुकूलित। (नैनोटेक्नोलॉजी, 18:225103, 2007)।

चांदी के नैनोकणों के जीवाणुनाशक गुणों का लाभ उठाने के लिए, उन्हें बिस्तर के कपड़े जैसी पारंपरिक सामग्रियों में शामिल किया जाने लगा। चांदी के नैनोकणों वाले कपड़ों से बने मोज़े पैरों में फंगल संक्रमण को रोकने में मददगार पाए गए हैं।

चांदी के नैनोकणों की एक परत ने कटलरी, दरवाज़े के हैंडल और यहां तक ​​कि कीबोर्ड और कंप्यूटर चूहों को ढंकना शुरू कर दिया, जो रोगजनक बैक्टीरिया के लिए प्रजनन स्थल के रूप में काम करते पाए गए। चांदी के नैनोकणों का उपयोग नए कोटिंग्स, कीटाणुनाशक और डिटर्जेंट (टूथपेस्ट, सफाई पेस्ट और वाशिंग पाउडर सहित) बनाने के लिए किया गया है।

बैक्टीरिया और लाल रक्त कोशिकाएं दवाओं के साथ नैनोकैप्सूल का परिवहन करती हैं

एक मानव रोग, एक नियम के रूप में, सभी की बीमारी से नहीं, बल्कि अक्सर उसकी कोशिकाओं के एक छोटे से हिस्से से जुड़ा होता है। लेकिन जब हम गोलियाँ लेते हैं, तो दवा रक्त में घुल जाती है, और फिर रक्तप्रवाह के माध्यम से यह सभी कोशिकाओं - बीमार और स्वस्थ - को प्रभावित करती है। साथ ही, स्वस्थ कोशिकाओं में, अनावश्यक दवाएं तथाकथित दुष्प्रभाव पैदा कर सकती हैं, उदाहरण के लिए, एलर्जी प्रतिक्रियाएं। इसलिए, डॉक्टरों का लंबे समय से सपना केवल रोगग्रस्त कोशिकाओं का चयनात्मक उपचार था, जिसमें दवा लक्षित और बहुत छोटे हिस्से में वितरित की जाती है। ऐसी दवा के साथ नैनोकैप्सूल जो केवल कुछ कोशिकाओं तक ही चिपक सकती है, इस चिकित्सा समस्या का समाधान हो सकती है।

रोगग्रस्त कोशिकाओं तक लक्षित डिलीवरी के लिए दवाओं के साथ नैनोकैप्सूल के उपयोग को रोकने वाली मुख्य बाधा हमारी प्रतिरक्षा प्रणाली है। जैसे ही प्रतिरक्षा प्रणाली कोशिकाएं दवाओं के साथ नैनोकैप्सूल सहित विदेशी निकायों का सामना करती हैं, वे रक्तप्रवाह से उनके अवशेषों को नष्ट करने और निकालने का प्रयास करते हैं। और वे इसे जितना सफलतापूर्वक करेंगे, हमारी रोग प्रतिरोधक क्षमता उतनी ही बेहतर होगी। इसलिए, यदि हम रक्त में कोई नैनोकैप्सूल डालते हैं, तो हमारी प्रतिरक्षा प्रणाली लक्ष्य कोशिकाओं तक पहुंचने से पहले ही नैनोकैप्सूल को नष्ट कर देगी।

हमारी प्रतिरक्षा प्रणाली को धोखा देने के लिए, नैनोकैप्सूल वितरित करने के लिए लाल रक्त कोशिकाओं (एरिथ्रोसाइट्स) का उपयोग करने का प्रस्ताव है। हमारी प्रतिरक्षा प्रणाली आसानी से "अपने" को पहचान लेती है और कभी भी लाल रक्त कोशिकाओं पर हमला नहीं करती है। इसलिए, यदि आप नैनोकैप्सूल को लाल रक्त कोशिकाओं से जोड़ते हैं, तो प्रतिरक्षा प्रणाली की कोशिकाएं, रक्त वाहिका के माध्यम से तैरती हुई अपनी लाल रक्त कोशिका को "देखकर", इसकी सतह का "निरीक्षण" नहीं करेंगी, और नैनोकैप्सूल के साथ लाल रक्त कोशिका चिपका हुआ आगे उन कोशिकाओं तक तैर जाएगा जिनके लिए ये नैनोकैप्सूल संबोधित हैं। लाल रक्त कोशिकाएं औसतन लगभग 120 दिन जीवित रहती हैं। प्रयोगों से पता चला है कि लाल रक्त कोशिकाओं से जुड़े नैनोकैप्सूल का जीवनकाल रक्त में इंजेक्ट किए जाने की तुलना में 100 गुना अधिक होता है।

एक साधारण जीवाणु को भी दवाओं से युक्त नैनोकणों से भरा जा सकता है, और फिर यह इन दवाओं को रोगग्रस्त कोशिकाओं तक पहुंचाने के लिए ट्रांसपोर्टर के रूप में कार्य कर सकता है। नैनोकणों का आकार 40 से 200 नैनोमीटर तक होता है; वैज्ञानिकों ने विशेष अणुओं का उपयोग करके उन्हें बैक्टीरिया की सतह से जोड़ना सीख लिया है। एक जीवाणु पर विभिन्न प्रकार के कई सौ नैनोकण रखे जा सकते हैं (चित्र 59)।

चित्र 59. कोशिका उपचार के लिए दवाओं या डीएनए टुकड़े (जीन) के साथ नैनोकणों को वितरित करने की विधि।

बैक्टीरिया में जीवित कोशिकाओं पर आक्रमण करने की प्राकृतिक क्षमता होती है, जो उन्हें दवा वितरण के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाती है। यह जीन थेरेपी में विशेष रूप से मूल्यवान है, जहां एक स्वस्थ कोशिका को मारे बिना डीएनए टुकड़ों को उनके गंतव्य तक पहुंचाना आवश्यक है। एक बार जब जीन कोशिका नाभिक में प्रवेश करते हैं, तो यह विशिष्ट प्रोटीन का उत्पादन शुरू कर देता है, इस प्रकार आनुवंशिक रोग को ठीक करता है। इससे जीन थेरेपी के क्षेत्र में नई संभावनाएं खुलती हैं। इसके अलावा, बैक्टीरिया को जहर के साथ नैनोकणों को पते पर ले जाने के लिए मजबूर करना संभव है, उदाहरण के लिए, कैंसर कोशिकाओं को मारने के लिए।

नैनोफाइबर - रीढ़ की हड्डी की बहाली के लिए एक मचान

यह ज्ञात है कि वर्तमान में, रीढ़ की हड्डी की क्षति का इलाज अक्सर नहीं किया जा सकता है। इन मामलों में, रीढ़ की हड्डी की चोट व्यक्ति को जीवन भर के लिए व्हीलचेयर पर ला देती है। रीढ़ की हड्डी की चोट के लाइलाज होने का कारण हमारे शरीर का सुरक्षात्मक कार्य है - कठोर संयोजी ऊतक के निशान का तेजी से बनना, जो रीढ़ की हड्डी के साथ चलने वाली क्षतिग्रस्त और अप्रकाशित नसों के बीच एक सीमा के रूप में कार्य करता है।

निशान हमेशा जीवित कोशिकाओं को आस-पास की मृत कोशिकाओं से बचाता है और यह तब बनता है जब शरीर के सभी ऊतक क्षतिग्रस्त हो जाते हैं। हालाँकि, जब रीढ़ की हड्डी क्षतिग्रस्त हो जाती है, तो परिणामी निशान नसों के विकास और रीढ़ की हड्डी के मुख्य कार्य की बहाली को रोकता है - मस्तिष्क से शरीर के विभिन्न हिस्सों और पीठ तक तंत्रिका आवेगों का संचालन करना।

घाव और खाली गुहाओं के माध्यम से नसें विकसित नहीं हो सकतीं। एक घर की तरह बढ़ने के लिए, उन्हें एक फ्रेम या गाइड (मचान) की आवश्यकता होती है, साथ ही बाधाओं की अनुपस्थिति भी होती है। इस प्रकार, रीढ़ की हड्डी की चोट को तेजी से ठीक करने के लिए, यह आवश्यक है कि (1) निशान बनने से रोका जाए और (2) क्षतिग्रस्त और क्षतिग्रस्त तंत्रिका तंतुओं के बीच की जगह को एक मचान से भरा जाए। नैनोटेक्नोलॉजी उपरोक्त दोनों समस्याओं का समाधान करती है।

यह ज्ञात है कि उभयचर अणु, अर्थात्। जिन अणुओं में हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक क्षेत्र स्थानिक रूप से अलग होते हैं उनमें स्व-संयोजन की क्षमता होती है। ये अणु अंततः बेलनाकार नैनोफाइबर में एकत्रित होते हैं। साथ ही, इन नैनोफाइबर की सतह पर विभिन्न अणुओं को रखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, निशान के गठन को रोकना और तंत्रिका ऊतक के विकास को उत्तेजित करना। ऐसे नैनोफाइबर जालीदार संरचनाएं बनाते हैं, जो तंत्रिका विकास के लिए एक रूपरेखा तैयार करते हैं (चित्र 61)। यदि आप रीढ़ की हड्डी की चोट वाली जगह को ऐसे स्वयं-संयोजन वाले तंतुओं से भर देते हैं, तो क्षतिग्रस्त नसें चोट वाली जगह से होकर बढ़ने लगेंगी, जिससे चोट का प्रभाव खत्म हो जाएगा।

चित्र 61. दाईं ओर रासायनिक संरचनाओं वाले एम्फीफिलिक अणुओं से बने नैनोफाइबर का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है जो निशान वृद्धि को रोकता है और तंत्रिका विकास को सक्रिय करता है (विभिन्न रंगों में दर्शाया गया है)। बाईं ओर रीढ़ की हड्डी की चोट के स्थान पर नैनोफाइबर से बने एक मचान का माइक्रोग्राफ है; अंशांकन, 200 एनएम. हार्टगेरिंक एट अल., विज्ञान, 294, 1684 (2001) से अनुकूलित।

यदि आप चोट लगने के 24 घंटों के भीतर ऐसे एम्फीफिलिक अणुओं के घोल को चोट वाली जगह पर इंजेक्ट करने के लिए एक सिरिंज (चित्र 62) का उपयोग करते हैं, तो वे नैनोफाइबर के त्रि-आयामी नेटवर्क में एकत्रित होकर, एक के गठन को रोक देंगे। निशान, और तंत्रिका तंतु बढ़ने में सक्षम होंगे, रीढ़ की हड्डी के माध्यम से आवेगों के संचालन को बहाल करेंगे और चोट के परिणामों को समाप्त करेंगे। ऐसे प्रयोग चूहों पर किये गये और सफल रहे।

आर चित्र 62. रीढ़ की हड्डी (तीर) के क्षतिग्रस्त क्षेत्र का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व और एक सिरिंज जिसके साथ एम्फीफिलिक अणुओं के साथ तरल को इस क्षेत्र में इंजेक्ट किया जाता है। सिल्वा एट अल, विज्ञान, 303, 1352 (2004) से अनुकूलित।

रोजमर्रा की जिंदगी और उद्योग में नैनो टेक्नोलॉजी

नैनोट्यूब सबसे स्वच्छ ईंधन हाइड्रोजन के भंडारण के लिए कंटेनर हैं।

पृथ्वी पर कोयला, तेल और गैस के भंडार सीमित हैं। इसके अलावा, पारंपरिक ईंधन के दहन से वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य हानिकारक अशुद्धियाँ जमा हो जाती हैं और इसके परिणामस्वरूप ग्लोबल वार्मिंग होती है, जिसके संकेत मानवता पहले से ही अनुभव कर रही है। इसलिए, आज मानवता के सामने एक बहुत ही महत्वपूर्ण कार्य है - भविष्य में पारंपरिक प्रकार के ईंधन को कैसे बदला जाए?

ईंधन के रूप में ब्रह्मांड में सबसे आम रासायनिक तत्व - हाइड्रोजन का उपयोग करना सबसे अधिक लाभदायक है। हाइड्रोजन के ऑक्सीकरण (दहन) के दौरान, पानी बनता है, और यह प्रतिक्रिया बहुत बड़ी मात्रा में गर्मी (120 kJ/kg) के निकलने के साथ होती है। तुलना के लिए, गैसोलीन और प्राकृतिक गैस के दहन की विशिष्ट ऊष्मा हाइड्रोजन की तुलना में तीन गुना कम है। यह भी ध्यान में रखा जाना चाहिए कि हाइड्रोजन के दहन से नाइट्रोजन, कार्बन और सल्फर के पर्यावरणीय रूप से हानिकारक ऑक्साइड उत्पन्न नहीं होते हैं।

हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए काफी सस्ते और पर्यावरण के अनुकूल तरीके प्रस्तावित किए गए हैं, हालांकि, हाइड्रोजन का भंडारण और परिवहन अब तक हाइड्रोजन ऊर्जा की अनसुलझी समस्याओं में से एक रहा है। इसका कारण हाइड्रोजन अणु का बहुत छोटा आकार है। इस वजह से, हाइड्रोजन सामान्य सामग्रियों में पाई जाने वाली सूक्ष्म दरारों और छिद्रों के माध्यम से प्रवेश कर सकता है और वायुमंडल में इसके रिसाव से विस्फोट हो सकता है। इसलिए, ऑक्सीजन भंडारण सिलेंडर की दीवारें अधिक मोटी होनी चाहिए, जिससे वे भारी हो जाएं। सुरक्षा कारणों से, हाइड्रोजन सिलेंडरों को कई दसियों K तक ठंडा करना बेहतर होता है, जिससे इस ईंधन के भंडारण और परिवहन की लागत और बढ़ जाती है।

हाइड्रोजन के भंडारण और परिवहन की समस्या का समाधान एक ऐसा उपकरण हो सकता है जो "स्पंज" की भूमिका निभाए, जिसमें हाइड्रोजन को अवशोषित करने और इसे अनिश्चित काल तक धारण करने की क्षमता हो। जाहिर है, ऐसे हाइड्रोजन "स्पंज" में हाइड्रोजन के लिए एक बड़ा सतह क्षेत्र और रासायनिक आकर्षण होना चाहिए। ये सभी गुण कार्बन नैनोट्यूब में मौजूद हैं।

जैसा कि ज्ञात है, कार्बन नैनोट्यूब की सतह पर सभी परमाणु होते हैं। नैनोट्यूब द्वारा हाइड्रोजन के अवशोषण के लिए तंत्रों में से एक रसायन अवशोषण है, यानी, ट्यूब की सतह पर हाइड्रोजन एच 2 का सोखना, इसके बाद पृथक्करण और सी-एच रासायनिक बांड का निर्माण होता है। इस तरह से बंधे हाइड्रोजन को नैनोट्यूब से निकाला जा सकता है, उदाहरण के लिए, 600 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके। इसके अलावा, हाइड्रोजन अणु वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन के माध्यम से भौतिक सोखना द्वारा नैनोट्यूब की सतह से जुड़ते हैं।

ऐसा माना जाता है कि ईंधन के रूप में हाइड्रोजन का सबसे प्रभावी उपयोग ईंधन सेल में इसका ऑक्सीकरण है (चित्र 46), जिसमें रासायनिक ऊर्जा सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस प्रकार, एक ईंधन सेल एक गैल्वेनिक सेल के समान होता है, लेकिन इससे भिन्न होता है कि प्रतिक्रिया में शामिल पदार्थ लगातार बाहर से इसमें डाले जाते हैं।

चित्र 46. एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किए गए दो इलेक्ट्रोडों से युक्त ईंधन सेल का योजनाबद्ध चित्रण। एनोड को हाइड्रोजन की आपूर्ति की जाती है, जो इलेक्ट्रोड सामग्री में बहुत छोटे छिद्रों के माध्यम से इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश करती है और रसायन अवशोषण प्रतिक्रिया में भाग लेती है, सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों में परिवर्तित हो जाती है। कैथोड को ऑक्सीजन की आपूर्ति की जाती है और पानी, प्रतिक्रिया उत्पाद, हटा दिया जाता है। प्रतिक्रिया को तेज़ करने के लिए उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है। ईंधन सेल के इलेक्ट्रोड लोड (लैंप) से जुड़े होते हैं।

शोधकर्ताओं के अनुसार, एक प्रभावी ईंधन सेल बनाने के लिए एक हाइड्रोजन "स्पंज" बनाना आवश्यक है, जिसके प्रत्येक घन मीटर में कम से कम 63 किलोग्राम हाइड्रोजन हो। दूसरे शब्दों में, "स्पंज" में संग्रहीत हाइड्रोजन का द्रव्यमान "स्पंज" के द्रव्यमान का कम से कम 6.5% होना चाहिए। वर्तमान में, नैनोटेक्नोलॉजी की मदद से, प्रायोगिक स्थितियों के तहत, हाइड्रोजन "स्पंज" बनाना संभव हो गया है, जिसमें हाइड्रोजन का द्रव्यमान 18% से अधिक है, जो हाइड्रोजन ऊर्जा के विकास के लिए व्यापक संभावनाएं खोलता है।

नैनोफ़ेज़ सामग्रियाँ अधिक टिकाऊ होती हैं

पर्याप्त रूप से बड़े भार के साथ, सभी सामग्रियां टूट जाती हैं और फ्रैक्चर स्थल पर, परमाणुओं की पड़ोसी परतें स्थायी रूप से एक दूसरे से दूर चली जाती हैं। हालाँकि, कई सामग्रियों की ताकत इस बात पर निर्भर नहीं करती है कि परमाणुओं की दो आसन्न परतों को अलग करने के लिए कितना बल लगाया जाना चाहिए। वास्तव में, यदि किसी सामग्री में दरारें हों तो उसे फाड़ना बहुत आसान होता है। इसलिए, ठोस पदार्थों की ताकत इस बात पर निर्भर करती है कि उसमें कितने माइक्रोक्रैक हैं और किस प्रकार के हैं, और दरारें इस सामग्री के माध्यम से कैसे फैलती हैं। उन स्थानों पर जहां दरार होती है, सामग्री की ताकत का परीक्षण करने वाला बल पूरी परत पर नहीं, बल्कि दरार के शीर्ष पर स्थित परमाणुओं की श्रृंखला पर लगाया जाता है, और इसलिए परतों को अलग करना बहुत आसान होता है (चित्र 48 देखें)।

चित्र 48. बलों (लाल तीर) की कार्रवाई के तहत विस्तार करने वाले परमाणुओं की दो परतों के बीच दरार का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।

दरारों का प्रसार अक्सर ठोस की सूक्ष्म संरचना के कारण बाधित होता है। यदि शरीर में धातु जैसे माइक्रोक्रिस्टल होते हैं, तो एक दरार, उनमें से एक को दो भागों में विभाजित करते हुए, आसन्न माइक्रोक्रिस्टल की बाहरी सतह से टकरा सकती है और रुक सकती है। इस प्रकार, जिस कण से सामग्री को ढाला जाता है उसका आकार जितना छोटा होता है, दरारों का उसमें फैलना उतना ही कठिन होता है।

नैनोकणों से बनी सामग्री को नैनोफ़ेज़ कहा जाता है। नैनोफ़ेज़ सामग्री का एक उदाहरण नैनोफ़ेज़ तांबा हो सकता है, जिसके उत्पादन के तरीकों में से एक चित्र 49 में दिखाया गया है।

चित्र 49. नैनोफेज तांबे का निर्माण।

नैनोफ़ेज़ तांबा बनाने के लिए, नियमित तांबे की एक शीट को उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है, जिस पर तांबे के परमाणु इसकी सतह से वाष्पित होने लगते हैं। संवहन प्रवाह के साथ, ये परमाणु ठंडी नली की सतह पर चले जाते हैं, जिस पर वे जमा हो जाते हैं, जिससे नैनोकणों का समूह बनता है। ठंडी ट्यूब की सतह पर तांबे के नैनोकणों की एक घनी परत होती है nanophaseताँबा।

नैनोफ़ेज़ सामग्री, जिसे अक्सर कहा जाता है nanostructured, विभिन्न तरीकों से उत्पादित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ऊंचे तापमान पर नैनोकण पाउडर को संपीड़ित करके (गर्म दबाव)।

नैनोकणों से "ढाले गए" सामग्रियों के नमूने पारंपरिक नमूनों की तुलना में अधिक मजबूत होते हैं। एक पारंपरिक सामग्री की तरह, नैनोफ़ेज़ सामग्री का यांत्रिक भार, इसमें माइक्रोक्रैक की उपस्थिति का कारण बनता है। हालाँकि, इस माइक्रोक्रैक का रैखिक प्रसार और मैक्रोक्रैक में इसका परिवर्तन इस सामग्री को बनाने वाले नैनोकणों की कई सीमाओं से बाधित होता है। इसलिए, माइक्रोक्रैक नैनोकणों में से एक की सीमा का सामना करता है और रुक जाता है, और नमूना बरकरार रहता है।

चित्र 50 दिखाता है कि तांबे की ताकत उन माइक्रोक्रिस्टल या नैनोकणों के आकार पर कैसे निर्भर करती है जिनसे यह बना है। यह देखा जा सकता है कि नैनोफेज तांबे के नमूने की ताकत साधारण तांबे की ताकत से 10 गुना अधिक हो सकती है, जिसमें एक नियम के रूप में, लगभग 50 माइक्रोन आकार के क्रिस्टल होते हैं।

चित्र 50. दानों (कणों) के आकार पर तांबे की ताकत की निर्भरता। साइंटिफिक अमेरिकन, 1996, दिसंबर, पृष्ठ से अनुकूलित। 74.

छोटे कतरनी विकृतियों पर, नैनोफ़ेज़ सामग्री के कण एक दूसरे के सापेक्ष थोड़ा स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं। इसलिए, नैनोफ़ेज़ सामग्रियों की बारीक-कोशिका संरचना न केवल तन्य विरूपण के दौरान, बल्कि झुकने के दौरान भी मजबूत होती है, जब नमूने की आसन्न परतें अपनी लंबाई अलग-अलग बदलती हैं।

TiO 2 नैनोकण - नैनो साबुन और पराबैंगनी जाल

टाइटेनियम डाइऑक्साइड, TiO2 पृथ्वी पर सबसे आम टाइटेनियम यौगिक है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड पाउडर का रंग शानदार सफेद होता है और इसलिए इसका उपयोग पेंट, कागज, टूथपेस्ट और प्लास्टिक के उत्पादन में डाई के रूप में किया जाता है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड पाउडर की सफेदी का कारण इसका अत्यधिक उच्च अपवर्तनांक (n=2.7) है।

टाइटेनियम ऑक्साइड TiO2 में बहुत मजबूत उत्प्रेरक गतिविधि होती है - यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं की घटना को तेज करता है। पराबैंगनी विकिरण की उपस्थिति में, टाइटेनियम डाइऑक्साइड पानी के अणुओं को मुक्त कणों - हाइड्रॉक्सिल समूह OH - और सुपरऑक्साइड आयनों O 2 - (छवि 51) में विभाजित करता है।

चित्र 51. सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में टाइटेनियम डाइऑक्साइड की सतह पर पानी के उत्प्रेरण के दौरान मुक्त कणों OH - और O 2 - के गठन का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।

परिणामी मुक्त कणों की गतिविधि इतनी अधिक है कि टाइटेनियम डाइऑक्साइड की सतह पर, कोई भी कार्बनिक यौगिक कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में विघटित हो जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह केवल सूर्य के प्रकाश में होता है, जिसमें पराबैंगनी घटक होता है।

टाइटेनियम डाइऑक्साइड की उत्प्रेरक गतिविधि घटते कण आकार के साथ बढ़ती है, क्योंकि कण की सतह और उनकी मात्रा का अनुपात बढ़ता है। इसलिए, टाइटेनियम नैनोकण बहुत प्रभावी हो जाते हैं, और उनका उपयोग कार्बनिक यौगिकों से पानी, हवा और विभिन्न सतहों को शुद्ध करने के लिए किया जाता है, जो आमतौर पर मनुष्यों के लिए हानिकारक होते हैं।

टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों के आधार पर बने फोटोकैटलिस्ट को राजमार्ग कंक्रीट की संरचना में शामिल किया जा सकता है। प्रयोगों से पता चलता है कि ऐसी सड़कों पर परिचालन करते समय, नाइट्रोजन मोनोऑक्साइड की सांद्रता पारंपरिक सड़कों की तुलना में बहुत कम होती है। इस प्रकार, कंक्रीट में टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों को शामिल करने से राजमार्गों के आसपास के वातावरण में सुधार हो सकता है। इसके अलावा, इन नैनोकणों से पाउडर को ऑटोमोबाइल ईंधन में जोड़ने का प्रस्ताव है, जिससे निकास गैसों में हानिकारक अशुद्धियों की सामग्री भी कम होनी चाहिए।

कांच पर लगाई गई टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों की एक फिल्म पारदर्शी और आंखों के लिए अदृश्य होती है। हालाँकि, ऐसा ग्लास, जब सूरज की रोशनी के संपर्क में आता है, तो कार्बनिक संदूषकों से स्वयं-सफाई करने में सक्षम होता है, जिससे किसी भी कार्बनिक गंदगी को कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में बदल दिया जाता है। टाइटेनियम ऑक्साइड नैनोकणों से उपचारित ग्लास चिकना दाग से मुक्त होता है और इसलिए पानी से अच्छी तरह गीला हो जाता है। परिणामस्वरूप, ऐसे कांच पर धुंध कम बनती है, क्योंकि पानी की बूंदें तुरंत कांच की सतह पर फैल जाती हैं, जिससे एक पतली पारदर्शी फिल्म बन जाती है।

दुर्भाग्य से, टाइटेनियम डाइऑक्साइड बंद स्थानों में काम करना बंद कर देता है, क्योंकि... कृत्रिम प्रकाश में व्यावहारिक रूप से कोई पराबैंगनी नहीं होती है। हालांकि, वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि टाइटेनियम डाइऑक्साइड की संरचना में थोड़ा बदलाव करके इसे सौर स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग के प्रति संवेदनशील बनाना संभव होगा। ऐसे टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों के आधार पर, उदाहरण के लिए, शौचालय के कमरों के लिए एक कोटिंग बनाना संभव होगा, जिसके परिणामस्वरूप शौचालय की सतहों पर बैक्टीरिया और अन्य कार्बनिक पदार्थों की सामग्री को कई गुना कम किया जा सकता है।

पराबैंगनी विकिरण को अवशोषित करने की अपनी क्षमता के कारण, टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग पहले से ही क्रीम जैसे सनस्क्रीन के निर्माण में किया जाता है। क्रीम निर्माताओं ने नैनोकणों के रूप में टाइटेनियम डाइऑक्साइड का उपयोग करना शुरू कर दिया है, जो इतने छोटे हैं कि वे सनस्क्रीन को लगभग पूर्ण पारदर्शिता प्रदान करते हैं।

स्व-सफाई नैनोग्रास और "कमल प्रभाव"

नैनोटेक्नोलॉजी मसाज माइक्रोब्रश के समान सतह बनाना संभव बनाती है। ऐसी सतह को नैनोग्रास कहा जाता है, और इसमें समान लंबाई के कई समानांतर नैनोवायर (नैनोरोड) होते हैं, जो एक दूसरे से समान दूरी पर स्थित होते हैं (चित्र 52)।

चित्र 52. एक नैनोग्रास का इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ जिसमें सिलिकॉन की छड़ें होती हैं जिनका व्यास 350 एनएम और ऊंचाई 7 माइक्रोमीटर होती है, जो 1 माइक्रोमीटर की दूरी पर होती हैं।

नैनोग्रास पर गिरने वाली पानी की एक बूंद नैनोग्रास के बीच प्रवेश नहीं कर सकती है, क्योंकि तरल के उच्च सतह तनाव से इसे रोका जाता है। आख़िरकार, नैनोग्रास के बीच घुसने के लिए, एक बूंद को अपनी सतह बढ़ाने की ज़रूरत होती है, और इसके लिए अतिरिक्त ऊर्जा लागत की आवश्यकता होती है। इसलिए, बूंद "नुकीले जूतों पर तैरती है", जिसके बीच हवा के बुलबुले होते हैं। परिणामस्वरूप, बूंद और नैनोग्रास के बीच आसंजन बल बहुत छोटा हो जाता है। इसका मतलब यह है कि बूंद के लिए "स्पाइकी" नैनोग्रास को फैलाना और गीला करना प्रतिकूल हो जाता है, और यह एक गेंद में बदल जाता है, जो एक बहुत ही उच्च संपर्क कोण क्यू प्रदर्शित करता है, जो कि वेटेबिलिटी का एक मात्रात्मक माप है (चित्र 53)।

चित्र 53. नैनोग्रास पर पानी की एक बूंद।

नैनोग्रास की वेटेबिलिटी को और भी कम करने के लिए, इसकी सतह को कुछ हाइड्रोफोबिक पॉलिमर की एक पतली परत से ढक दिया जाता है। और फिर न केवल पानी, बल्कि कोई भी कण नैनोग्रास से कभी नहीं चिपकेगा, क्योंकि इसे केवल कुछ बिंदुओं पर ही स्पर्श करें। इसलिए, गंदगी के कण जो खुद को नैनोविली से ढकी सतह पर पाते हैं, या तो खुद ही गिर जाते हैं या पानी की लुढ़कती बूंदों के साथ बह जाते हैं।

गंदगी के कणों से ऊनी सतह की स्व-सफाई को "कमल प्रभाव" कहा जाता है, क्योंकि कमल के फूल और पत्ते तब भी शुद्ध होते हैं जब आसपास का पानी गंदा और गंदा हो। यह इस तथ्य के कारण होता है कि पत्तियां और फूल पानी से गीले नहीं होते हैं, इसलिए पानी की बूंदें पारे की गेंदों की तरह उन पर लुढ़क जाती हैं, कोई निशान नहीं छोड़ती हैं और सारी गंदगी को धो देती हैं। गोंद और शहद की बूँदें भी कमल के पत्तों की सतह पर नहीं टिक पातीं।

यह पता चला कि कमल के पत्तों की पूरी सतह लगभग 10 माइक्रोन ऊंचाई के माइक्रोपिंपल्स से घनी रूप से ढकी हुई है, और पिंपल्स, बदले में, और भी छोटे माइक्रोविली (चित्र 54) से ढके हुए हैं। शोध से पता चला है कि ये सभी माइक्रोपिंपल्स और विली मोम से बने होते हैं, जो हाइड्रोफोबिक गुणों के लिए जाना जाता है, जिससे कमल के पत्तों की सतह नैनोग्रास जैसी दिखती है। यह कमल के पत्तों की सतह की दानेदार संरचना है जो उनकी गीलेपन को काफी कम कर देती है। तुलना के लिए, चित्र 54 मैगनोलिया पत्ती की अपेक्षाकृत चिकनी सतह को दर्शाता है, जिसमें स्वयं-साफ़ करने की क्षमता नहीं है।

चित्र 54. कमल और मैगनोलिया पत्तियों की सतह का माइक्रोग्राफ़। नीचे बाईं ओर एक माइक्रोपिम्पल का एक योजनाबद्ध आरेख है। से लिया प्लांटा (1997), 202: 1-8.

इस प्रकार, नैनोटेक्नोलॉजी स्वयं-सफाई कोटिंग्स और सामग्री बनाना संभव बनाती है जिसमें जल-विकर्षक गुण भी होते हैं। ऐसे कपड़ों से बनी सामग्री हमेशा साफ रहती है। स्व-सफाई विंडशील्ड का उत्पादन पहले से ही किया जा रहा है, जिसकी बाहरी सतह नैनोविली से ढकी हुई है। ऐसे ग्लास पर वाइपर के करने को कुछ नहीं होता। बिक्री पर कार के पहियों के लिए स्थायी रूप से साफ रिम उपलब्ध हैं जो "कमल प्रभाव" का उपयोग करके स्वयं साफ हो जाते हैं, और अब आप अपने घर के बाहरी हिस्से को ऐसे पेंट से पेंट कर सकते हैं जिस पर गंदगी नहीं चिपकेगी।

नैनोबैटरी - शक्तिशाली और टिकाऊ

ट्रांजिस्टर के विपरीत, बैटरियों का लघुकरण बहुत धीरे-धीरे होता है। बिजली की एक इकाई तक कम हो गई गैल्वेनिक बैटरियों का आकार पिछले 50 वर्षों में केवल 15 गुना कम हुआ है, और उसी समय के दौरान ट्रांजिस्टर का आकार 1000 गुना से अधिक कम हो गया है और अब लगभग 100 एनएम है। यह ज्ञात है कि एक स्वायत्त इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का आकार अक्सर उसके इलेक्ट्रॉनिक भरने से नहीं, बल्कि वर्तमान स्रोत के आकार से निर्धारित होता है। इसके अलावा, डिवाइस का इलेक्ट्रॉनिक्स जितना स्मार्ट होगा, उतनी ही बड़ी बैटरी की आवश्यकता होगी। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को और अधिक लघु बनाने के लिए नई प्रकार की बैटरियां विकसित करना आवश्यक है। और यहां फिर से नैनोटेक्नोलॉजी मदद करती है

नैनोकण इलेक्ट्रोड की सतह को बढ़ाते हैं

बैटरियों और संचायकों के इलेक्ट्रोड का क्षेत्रफल जितना बड़ा होगा, वे उतनी ही अधिक धारा उत्पन्न कर सकते हैं। इलेक्ट्रोड का क्षेत्रफल बढ़ाने के लिए उनकी सतह को प्रवाहकीय नैनोकणों, नैनोट्यूब आदि से लेपित किया जाता है।

2005 में, तोशिबा ने लिथियम-आयन बैटरी का एक प्रोटोटाइप बनाया, जिसके नकारात्मक इलेक्ट्रोड को लिथियम टाइटेनेट नैनोक्रिस्टल के साथ लेपित किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड क्षेत्र कई दसियों गुना बढ़ गया। नई बैटरी केवल एक मिनट की चार्जिंग में अपनी 80% क्षमता हासिल करने में सक्षम है, जबकि पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी 2-3% प्रति मिनट की दर से चार्ज होती है और पूरी तरह से चार्ज होने में एक घंटा लगता है।

उच्च रिचार्जिंग गति के अलावा, नैनोकण इलेक्ट्रोड युक्त बैटरी में विस्तारित सेवा जीवन होता है: 1000 चार्ज/डिस्चार्ज चक्रों के बाद, इसकी क्षमता का केवल 1% खो जाता है, और नई बैटरी की कुल सेवा जीवन 5 हजार चक्र से अधिक है। इसके अलावा, ये बैटरियां -40 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर काम कर सकती हैं, जिससे उनका चार्ज केवल 20% कम हो जाता है, जबकि सामान्य आधुनिक बैटरियां -25 डिग्री सेल्सियस पर पहले से ही 100% चार्ज हो जाती हैं।

2007 से, प्रवाहकीय नैनोकणों से बनी इलेक्ट्रोड वाली बैटरियां बिक्री के लिए उपलब्ध हैं, जिन्हें इलेक्ट्रिक वाहनों में स्थापित किया जा सकता है। ये लिथियम-आयन बैटरियां 35 किलोवाट तक ऊर्जा भंडारण करने में सक्षम हैं। घंटा, केवल 10 मिनट में अधिकतम क्षमता तक चार्ज। अब ऐसी बैटरियों वाली इलेक्ट्रिक कार की रेंज 200 किमी है, लेकिन इन बैटरियों का अगला मॉडल पहले ही विकसित किया जा चुका है, जो इलेक्ट्रिक कार की रेंज को 400 किमी तक बढ़ाने की अनुमति देता है, जो गैसोलीन कारों की अधिकतम रेंज के बराबर है। (ईंधन भरने से लेकर ईंधन भरने तक)।

बैटरी के लिए नैनो स्विच

आधुनिक बैटरियों का एक मुख्य नुकसान यह है कि वे कुछ ही वर्षों में पूरी तरह से अपनी शक्ति खो देती हैं, भले ही वे काम नहीं करतीं, लेकिन गोदाम में पड़ी रहती हैं (हर साल 15% ऊर्जा नष्ट हो जाती है)। समय के साथ बैटरी ऊर्जा में कमी का कारण यह है कि गैर-कार्यशील बैटरियों के साथ भी, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट हमेशा एक दूसरे के संपर्क में रहते हैं, और इसलिए इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक संरचना और इलेक्ट्रोड की सतह धीरे-धीरे बदलती है, जिसके कारण बैटरियों की शक्ति में कमी.

एच बैटरी को संग्रहीत करते समय इलेक्ट्रोड के साथ इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क से बचने के लिए, उनकी सतह को नैनोहेयर से संरक्षित किया जा सकता है जो पानी से गीला नहीं होता है (चित्र 55 देखें), ऊपर वर्णित "कमल प्रभाव" का अनुकरण करते हुए।

चित्र 55. बैटरी इलेक्ट्रोड में से एक पर बढ़ते हुए 300 एनएम व्यास वाले नैनोरोड्स के "नैनोग्रास" का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। नैनोहेयर सामग्री के हाइड्रोफोबिक गुणों के कारण, नीला इलेक्ट्रोलाइट समाधान "लाल" इलेक्ट्रोड की सतह तक नहीं पहुंच सकता है, और बैटरी कई वर्षों तक अपनी शक्ति नहीं खोती है। साइंटिफिक अमेरिकन, 2006, फरवरी, पृष्ठ से अनुकूलित। 73.

यह ज्ञात है कि बाहरी विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके आसंजन (चिपकना) को नियंत्रित किया जा सकता है। सभी ने देखा है कि कैसे कागज के छोटे-छोटे टुकड़े, टुकड़े, धूल आदि विद्युतीकृत प्लास्टिक की कंघी से चिपक जाते हैं। वेटेबिलिटी आसंजन द्वारा निर्धारित की जाती है, और इसलिए एक तरल और ठोस की सतह के बीच लागू एक विद्युत क्षेत्र हमेशा बाद वाले की वेटेबिलिटी को बढ़ाता है।

नैनोहेयर की हाइड्रोफोबिक कोटिंग बैटरी इलेक्ट्रोड में से एक की सतह को इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क से बचाती है (चित्र 55)। हालाँकि, यदि हम बैटरी का उपयोग करना चाहते हैं, तो नैनोहेयर पर एक छोटा वोल्टेज लागू करना पर्याप्त है, और वे हाइड्रोफिलिक बन जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइट इलेक्ट्रोड के बीच की पूरी जगह को भर देता है, जिससे बैटरी चालू हो जाती है।

ऐसा माना जाता है कि ऊपर वर्णित स्विच ऑन और ऑफ की नैनोटेक्नोलॉजी विभिन्न प्रकार के सेंसरों में बैटरी की मांग में होगी, उदाहरण के लिए, दुर्गम क्षेत्रों में हवाई जहाज से गिराई गई, जिनका उपयोग केवल कुछ ही में करने की योजना है वर्षों या कुछ विशेष मामलों में संकेत द्वारा।

नैनोट्यूब प्लेटों के साथ कैपेसिटर

शोधकर्ताओं का मानना ​​​​है कि लगभग 300 साल पहले आविष्कार किया गया विद्युत संधारित्र, यदि नैनो तकनीक का उपयोग करके सुधार किया जाए तो यह एक उत्कृष्ट बैटरी बन सकता है। गैल्वेनिक वर्तमान स्रोतों के विपरीत, एक संधारित्र अनिश्चित काल तक विद्युत ऊर्जा के संचायक के रूप में कार्य कर सकता है। वहीं, कैपेसिटर को किसी भी बैटरी की तुलना में बहुत तेजी से चार्ज किया जा सकता है।

गैल्वेनिक वर्तमान स्रोतों की तुलना में विद्युत संधारित्र का एकमात्र दोष इसकी कम विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता (संग्रहीत ऊर्जा और आयतन का अनुपात) है। वर्तमान में, कैपेसिटर की विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता बैटरी और संचायक की तुलना में लगभग 25 गुना कम है।

यह ज्ञात है कि किसी संधारित्र की धारिता और ऊर्जा तीव्रता उसकी प्लेटों के सतह क्षेत्र के सीधे आनुपातिक होती है। संधारित्र प्लेटों के क्षेत्र को बढ़ाने के लिए नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करके, उनकी सतह पर नैनोट्यूब के संचालन का जंगल उगाना संभव है (चित्र 56)। परिणामस्वरूप, ऐसे संधारित्र की ऊर्जा क्षमता हजारों गुना बढ़ सकती है। ऐसा माना जाता है कि ऐसे कैपेसिटर निकट भविष्य में सामान्य वर्तमान स्रोत बन जाएंगे।

चित्र 56. संधारित्र प्लेटों में से एक की सतह, जो एक जंगल और लंबवत उन्मुख कार्बन नैनोट्यूब है।

उन लोगों के लिए जो भविष्य को नैनो टेक्नोलॉजी से जोड़ना चाहते हैं

अब कई रूसी विश्वविद्यालय नैनोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में विशेषज्ञों को प्रशिक्षित कर रहे हैं। कई प्रतिष्ठित विश्वविद्यालयों में नैनोटेक्नोलॉजी संकाय और विभाग दिखाई दे रहे हैं। हर कोई इस दिशा के वादे को समझता है, इसकी प्रगतिशीलता को समझता है... और शायद, इसके लाभों को भी समझता है। हाल के वर्षों में नैनोटेक्नोलॉजी में रुचि तेजी से बढ़ी है और दुनिया भर में इसमें निवेश बढ़ा है। और यह काफी समझने योग्य है, यह देखते हुए कि नैनोटेक्नोलॉजी आर्थिक विकास के लिए उच्च क्षमता प्रदान करती है, जिस पर जनसंख्या के जीवन की गुणवत्ता, तकनीकी और रक्षा सुरक्षा, संसाधन और ऊर्जा संरक्षण निर्भर करते हैं। आजकल लगभग सभी विकसित देशों में नैनो टेक्नोलॉजी के क्षेत्र में राष्ट्रीय कार्यक्रम हैं। वे प्रकृति में दीर्घकालिक हैं, और उनका वित्तपोषण सरकारी स्रोतों और अन्य निधियों से आवंटित धन से किया जाता है।

उन विश्वविद्यालयों की सूची जहां आप नैनोटेक्नोलॉजी में अध्ययन कर सकते हैं

1. मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी का नाम रखा गया। एम.वी. लोमोनोसोव,

2. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी (स्टेट यूनिवर्सिटी)",

3. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "मॉस्को राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय का नाम एन.ई. बाउमन के नाम पर रखा गया है,

4. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "मॉस्को स्टेट इंस्टीट्यूट ऑफ स्टील एंड अलॉयज (टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी)",

5. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "मॉस्को स्टेट इंस्टीट्यूट ऑफ इलेक्ट्रॉनिक टेक्नोलॉजी (तकनीकी विश्वविद्यालय)",

6. संघीय राज्य उच्च व्यावसायिक शिक्षा संस्थान "सेंट पीटर्सबर्ग स्टेट यूनिवर्सिटी",

7. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "टैगान्रोग स्टेट रेडियो इंजीनियरिंग यूनिवर्सिटी" (दक्षिणी संघीय विश्वविद्यालय के हिस्से के रूप में),

8. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "निज़नी नोवगोरोड स्टेट यूनिवर्सिटी का नाम एन.आई. लोबचेव्स्की के नाम पर रखा गया",

9. संघीय राज्य उच्च व्यावसायिक शिक्षा संस्थान "टॉम्स्क स्टेट यूनिवर्सिटी"।

10. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "सुदूर पूर्वी राज्य विश्वविद्यालय",

11. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "समारा राज्य एयरोस्पेस विश्वविद्यालय का नाम शिक्षाविद् एस.पी. कोरोलेव के नाम पर रखा गया",

12. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "सेंट पीटर्सबर्ग राज्य खनन संस्थान का नाम जी.वी. प्लेखानोव (तकनीकी विश्वविद्यालय) के नाम पर रखा गया",

13. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "टॉम्स्क स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ़ कंट्रोल सिस्टम्स एंड रेडियोइलेक्ट्रॉनिक्स",

14. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "टॉम्स्क पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी",

15. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "नोवोसिबिर्स्क स्टेट यूनिवर्सिटी",

16. राष्ट्रीय अनुसंधान परमाणु विश्वविद्यालय "एमईपीएचआई",

17. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "सेंट पीटर्सबर्ग स्टेट पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी",

18. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "मॉस्को एनर्जी इंस्टीट्यूट (तकनीकी विश्वविद्यालय)",

19. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "सेंट पीटर्सबर्ग स्टेट इलेक्ट्रोटेक्निकल यूनिवर्सिटी "एलईटीआई" का नाम वी.आई. उल्यानोव (लेनिन)" के नाम पर रखा गया है।

20. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "सेंट पीटर्सबर्ग स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ़ इंफॉर्मेशन टेक्नोलॉजीज, मैकेनिक्स एंड ऑप्टिक्स",

21. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "बेलगोरोड स्टेट यूनिवर्सिटी",

22. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "रूसी पीपुल्स फ्रेंडशिप यूनिवर्सिटी",

23. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "यूराल स्टेट यूनिवर्सिटी का नाम ए.एम. गोर्की के नाम पर रखा गया",

24. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "सेराटोव राज्य विश्वविद्यालय का नाम एन.जी. चेर्नशेव्स्की के नाम पर रखा गया",

25. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "व्लादिमीर स्टेट यूनिवर्सिटी",

26. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी ऑफ़ सिविल इंजीनियरिंग",

27. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "सुदूर पूर्वी राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय (वी.वी. कुइबिशेव के नाम पर एफईपीआई)",

28. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "नोवोसिबिर्स्क राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय",

29. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "साउथ यूराल स्टेट यूनिवर्सिटी",

30. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "पर्म राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय",

31. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "कज़ान राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय का नाम ए.एन. टुपोलेव के नाम पर रखा गया",

32. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षणिक संस्थान "ऊफ़ा राज्य विमानन तकनीकी विश्वविद्यालय",

33. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "ट्युमेन स्टेट यूनिवर्सिटी",

34. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "यूराल राज्य तकनीकी विश्वविद्यालय - यूपीआई का नाम रूस के पहले राष्ट्रपति बी.एन. येल्तसिन के नाम पर रखा गया",

35. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "याकूत राज्य विश्वविद्यालय का नाम एम.के. अमोसोव के नाम पर रखा गया",

36. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "व्याटका स्टेट यूनिवर्सिटी",

37. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के संघीय राज्य शैक्षिक संस्थान "रूसी राज्य विश्वविद्यालय का नाम इमैनुएल कांट के नाम पर रखा गया",

38. उच्च व्यावसायिक शिक्षा का राज्य शैक्षिक संस्थान "मॉस्को पेडागोगिकल स्टेट यूनिवर्सिटी",

39. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "रूसी राज्य तेल और गैस विश्वविद्यालय का नाम आई.एम. गुबकिन के नाम पर रखा गया",

40. उच्च व्यावसायिक शिक्षा के राज्य शैक्षिक संस्थान "तांबोव राज्य विश्वविद्यालय का नाम जी.आर. डेरझाविन के नाम पर रखा गया"।

ग्रन्थसूची

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