Y. SVIDINEKO, inženieris-fiziķis

Nanostruktūras aizstās tradicionālos tranzistorus.

Kompaktā izglītojošā nanotehnoloģiskā instalācija "UMKA" ļauj manipulēt ar atsevišķām atomu grupām.

Izmantojot "UMKA" instalāciju, ir iespējams izpētīt DVD virsmu.

Jau izdota mācību grāmata topošajiem nanotehnologiem.

Nanotehnoloģijas, kas parādījās divdesmitā gadsimta pēdējā ceturksnī, strauji attīstās. Gandrīz katru mēnesi nāk ziņas par jauniem projektiem, kas vēl pirms gada vai diviem šķita kā absolūta fantāzija. Saskaņā ar definīciju, ko sniedz šīs jomas pionieris Ēriks Drekslers, nanotehnoloģijas ir "paredzama ražošanas tehnoloģija, kas vērsta uz zemu izmaksu ierīču un vielu ar iepriekš noteiktu atomu struktūru ražošanu". Tas nozīmē, ka tas darbojas uz atsevišķiem atomiem, lai iegūtu struktūras ar atomu precizitāti. Šī ir galvenā atšķirība starp nanotehnoloģiju un modernajām “volumetriskām” lielapjoma tehnoloģijām, kas manipulē ar makroobjektiem.

Atgādināsim lasītājam, ka nano ir prefikss, kas apzīmē 10 -9. Uz viena nanometra gara segmenta var atrasties astoņi skābekļa atomi.

Nanoobjektiem (piemēram, metāla nanodaļiņām) parasti ir fizikālās un ķīmiskās īpašības, kas atšķiras no tā paša materiāla lielākiem objektiem un atsevišķu atomu īpašībām. Teiksim, 5–10 nm lielu zelta daļiņu kušanas temperatūra ir par simtiem grādu zemāka nekā zelta gabala kušanas temperatūra ar tilpumu 1 cm 3.

Pētījumi, kas veikti nanomēroga diapazonā, atrodas zinātņu krustpunktā, bieži vien pētījumi materiālzinātnes jomā skar biotehnoloģijas, cietvielu fizikas un elektronikas jomas.

Pasaulē vadošais nanomedicīnas jomas eksperts Roberts Freitass sacīja: “Nākotnes nanomašīnām jāsastāv no miljardiem atomu, tāpēc to projektēšana un uzbūve prasīs speciālistu komandas pūles Katrai nanorobota konstrukcijai būs vajadzīgas vairāku cilvēku kopīgas pūles pētnieku komandas. Boeing 777 lidmašīnu projektēja un uzbūvēja daudzas komandas visā pasaulē.

NANOPRODUKTI MUMS

Nanopasaule ir sarežģīta un joprojām salīdzinoši maz pētīta, tomēr tā nav tik tālu no mums, kā šķita pirms dažiem gadiem. Lielākā daļa no mums regulāri izmanto vienus vai citus nanotehnoloģiju sasniegumus, paši to nezinot. Piemēram, mūsdienu mikroelektronika vairs nav mikro, bet gan nano: mūsdienās ražotie tranzistori - visu mikroshēmu pamatā - atrodas diapazonā līdz 90 nm. Un jau tiek plānota elektronisko komponentu tālāka miniaturizācija līdz 60, 45 un 30 nm.

Turklāt, kā nesen paziņoja kompānijas Hewlett-Packard pārstāvji, tranzistori, kas ražoti pēc tradicionālās tehnoloģijas, tiks aizstāti ar nanostruktūrām. Viens no šādiem elementiem ir trīs vairāku nanometru plati vadītāji: divi no tiem ir paralēli, bet trešais atrodas taisnā leņķī pret tiem. Vadītāji nesaskaras, bet iet kā tilti viens virs otra. Šajā gadījumā molekulārās ķēdes, kas veidojas no nanovadītāju materiāla uz tām pieliktā sprieguma ietekmē, nolaižas no augšējiem vadītājiem uz apakšējiem. Izmantojot šo tehnoloģiju, izveidotās shēmas jau ir pierādījušas spēju uzglabāt datus un veikt loģiskas darbības, tas ir, nomainīt tranzistorus.

Izmantojot jauno tehnoloģiju, mikroshēmu detaļu izmēri ievērojami samazināsies zem 10-15 nanometru līmeņa, līdz tādam mērogam, kurā tradicionālie pusvadītāju tranzistori vienkārši fiziski nevar darboties. Iespējams, jau nākamās desmitgades pirmajā pusē parādīsies sērijveida mikroshēmas (joprojām tradicionālās, silīcija), kurās tiks iebūvēts noteikts skaits nanoelementu, kas izveidoti, izmantojot jaunas tehnoloģijas.

2004. gadā Kodak izlaida papīru Ultima tintes printeriem. Tam ir deviņi slāņi. Augšējais slānis sastāv no keramikas nanodaļiņām, kas padara papīru blīvāku un spīdīgāku. Iekšējie slāņi satur pigmenta nanodaļiņas ar izmēru 10 nm, kas uzlabo drukas kvalitāti. Un ātru krāsas fiksāciju veicina pārklājuma sastāvā iekļautās polimēru nanodaļiņas.

ASV Nanotehnoloģiju institūta direktors Čads Mirkins uzskata, ka “nanotehnoloģijas no jauna atjaunos visus materiālus, kas iegūti, izmantojot molekulāro ražošanu, jo līdz šim cilvēcei nav bijusi iespēja izstrādāt un ražot nanostruktūras izmanto tikai to rūpniecībā "Ko mums dod daba. Mēs izgatavojam dēļus no kokiem, bet stiepli no vadoša metāla. Nanotehnoloģiskā pieeja ir tāda, ka mēs pārstrādāsim gandrīz jebkuru dabas resursu tā saucamajos "būvblokos", kas būs nākotnes pamats. nozare."

Tagad mēs jau redzam nanorevolūcijas sākumu: tās ir jaunas datoru mikroshēmas, un jauni audumi, kas nekrāsojas, un nanodaļiņu izmantošana medicīniskajā diagnostikā (sk. arī “Zinātne un dzīve” Nr., , 2005). Pat kosmētikas rūpniecība interesējas par nanomateriāliem. Viņi var radīt daudz jaunu nestandarta virzienu kosmētikā, kas agrāk nepastāvēja.

Nanomēroga diapazonā gandrīz jebkuram materiālam ir unikālas īpašības. Piemēram, ir zināms, ka sudraba joniem piemīt antiseptiska iedarbība. Sudraba nanodaļiņu šķīdumam ir ievērojami lielāka aktivitāte. Ja ar šo šķīdumu apstrādāsiet pārsēju un uzliksiet ar to strutojošu brūci, iekaisums izzudīs un brūce sadzīs ātrāk nekā lietojot parastos antiseptiskos līdzekļus.

Iekšzemes koncerns Nanoindustry ir izstrādājis tehnoloģiju sudraba nanodaļiņu ražošanai, kas ir stabilas šķīdumos un adsorbētā stāvoklī. Iegūtajām zālēm ir plašs pretmikrobu iedarbības spektrs. Tādējādi radās iespēja izveidot veselu produktu klāstu ar pretmikrobu īpašībām ar nelielām izmaiņām tehnoloģiskajā procesā, ko veica esošo produktu ražotāji.

Sudraba nanodaļiņas var izmantot, lai modificētu tradicionālos un radītu jaunus materiālus, pārklājumus, dezinfekcijas un mazgāšanas līdzekļus (tostarp zobu pastas un tīrīšanas pastas, veļas pulverus, ziepes) un kosmētiku. Ar sudraba nanodaļiņām modificētos pārklājumus un materiālus (kompozītu, tekstila, krāsas un lakas, oglekli un citus) kā profilaktisko pretmikrobu aizsardzību var izmantot vietās, kur palielinās infekciju izplatīšanās risks: transportā, sabiedriskās ēdināšanas iestādēs, lauksaimniecības un lopkopības ēkās, bērnu, sporta un medicīnas iestādēs. Sudraba nanodaļiņas var izmantot, lai attīrītu ūdeni un iznīcinātu patogēnus gaisa kondicionēšanas sistēmu filtros, peldbaseinos, dušās un citās līdzīgās sabiedriskās vietās.

Līdzīgi produkti tiek ražoti ārzemēs. Viens uzņēmums ražo pārklājumus ar sudraba nanodaļiņām hronisku iekaisumu un vaļēju brūču ārstēšanai.

Cits nanomateriālu veids ir oglekļa nanocaurules, kurām ir milzīgs stiprums (sk. “Zinātne un dzīve” Nr. 5, 2002; Nr. 6, 2003). Tās ir savdabīgas cilindriskas polimēru molekulas, kuru diametrs ir aptuveni pusnanometrs un garums līdz vairākiem mikrometriem. Pirmo reizi tie tika atklāti mazāk nekā pirms 10 gadiem kā fullerēna C60 sintēzes blakusprodukti. Neskatoties uz to, jau tiek radītas nanometru izmēra elektroniskās ierīces, kuru pamatā ir oglekļa nanocaurules. Paredzams, ka pārskatāmā nākotnē tie aizstās daudzus elementus dažādu ierīču, tostarp mūsdienu datoru, elektroniskajās shēmās.

Tomēr nanocaurules izmanto ne tikai elektronikā. Jau tagad ir tirdzniecībā pieejamas tenisa raketes, kas ir pastiprinātas ar oglekļa nanocaurulēm, lai ierobežotu griešanos un nodrošinātu lielāku sitienu jaudu. Tos izmanto arī atsevišķās sporta velosipēdu daļās.

KRIEVIJA NANOTEHNOLOĢIJAS TIRGŪ

Pašmāju uzņēmums Nanotechnology News Network nesen Krievijā prezentēja vēl vienu jaunu produktu - pašattīrošos nanopārklājumus. Pietiek apsmidzināt auto stiklu ar speciālu silīcija dioksīda nanodaļiņas saturošu šķīdumu, un netīrumi un ūdens tam nepielīps 50 000 km. Uz stikla paliek caurspīdīga ultraplāna kārtiņa, uz kuras vienkārši nav pie kā pielipt ūdenim, un tas noripo kopā ar netīrumiem. Pirmkārt, par jauno produktu sāka interesēties debesskrāpju īpašnieki - šo ēku fasāžu mazgāšanai tiek tērēta milzīga naudas summa. Ir šādas kompozīcijas keramikas, akmens, koka un pat apģērbu pārklāšanai.

Jāteic, ka dažas Krievijas organizācijas jau veiksmīgi darbojas starptautiskajā nanotehnoloģiju tirgū.

Piemēram, Nanoindustry koncerna portfelī ir vairāki nanotehnoloģiju produkti, kas izmantojami dažādās rūpniecības jomās. Tās ir reducējošā sastāva "RVS" un sudraba nanodaļiņas biotehnoloģijas un medicīnas vajadzībām, industriālā nanotehnoloģiskā instalācija "LUCH-1,2" un izglītojošā nanotehnoloģiskā instalācija "UMKA".

“RVS” sastāvs, kas spēj aizsargāt pret nodilumu un atjaunot gandrīz jebkuras berzes metāla virsmas, ir sagatavots uz adaptīvo nanodaļiņu bāzes. Šis produkts ļauj izveidot modificētu augsta oglekļa satura dzelzs silikāta aizsargslāni ar biezumu 0,1-1,5 mm metāla virsmu intensīvas berzes zonās (piemēram, berzes pāros iekšdedzes dzinējos). Ielejot šādu sastāvu eļļas karterī, jūs varat aizmirst par dzinēja nodiluma problēmu uz ilgu laiku. Darbības laikā mehāniskās detaļas uzkarst no berzes, šī karsēšana liek metāla nanodaļiņām pielipt bojātajām vietām. Pārmērīga augšana izraisa spēcīgāku karsēšanu, un nanodaļiņas zaudē spēju piesaistīties. Tādējādi berzes vienībā tiek pastāvīgi uzturēts līdzsvars, un detaļas praktiski nenolietojas.

Īpaši interesants ir nanotehnoloģisko iekārtu komplekss UMKA, kas paredzēts demonstrējumu, pētniecības un laboratorijas darbu veikšanai atommolekulārā līmenī fizikas, ķīmijas, bioloģijas, medicīnas, ģenētikas un citu fundamentālo un lietišķo zinātņu jomā. Piemēram, tas nesen attēloja DVD virsmu ar 0,3 mikronu izšķirtspēju, un tas nav ierobežojums. Unikālā tehnoloģija darbam ar pikoampēru strāvām ļauj skenēt pat vāji vadošus bioloģiskos paraugus bez iepriekšējas metāla nogulsnēšanas (parasti ir nepieciešams, lai parauga augšējais slānis būtu vadošs). "UMKA" ir augsta temperatūras stabilitāte, kas ļauj veikt ilgstošas ​​manipulācijas ar atsevišķām atomu grupām, un liels skenēšanas ātrums, kas ļauj novērot ātrus procesus.

Galvenā UMKA kompleksa pielietojuma joma ir apmācība mūsdienu praktiskajās metodēs darbam ar nano izmēra konstrukcijām. UMKA kompleksā ietilpst: tuneļa mikroskops, vibrācijas aizsardzības sistēma, testa paraugu komplekts, palīgmateriālu un instrumentu komplekti. Ierīces ietilpst nelielā korpusā, darbojas istabas apstākļos un maksā nepilnus 8 tūkstošus dolāru. Jūs varat kontrolēt eksperimentus no parastā personālā datora.

2005. gada janvārī tika atvērts pirmais Krievijas interneta veikals, kas pārdod nanotehnoloģiju produktus. Veikala pastāvīgā adrese internetā ir www.nanobot.ru

DROŠĪBAS JAUTĀJUMI

Nesen tika atklāts, ka sfēriskas C60 molekulas, ko sauc par fullerēniem, var izraisīt nopietnas slimības un kaitēt videi. Pētnieki no Rīsas un Džordžijas universitātēm (ASV) konstatēja ūdenī šķīstošo fullerēnu toksicitāti, ja tie ir pakļauti divu dažādu veidu cilvēka šūnām.

Ķīmijas profesore Vikija Kolvina no Raisa universitātes un viņa kolēģi atklāja, ka, fullerēnus izšķīdinot ūdenī, veidojas C 60 koloīdi, kas, saskaroties ar cilvēka ādas šūnām un aknu karcinomas šūnām, izraisa to nāvi. Tajā pašā laikā fullerēnu koncentrācija ūdenī bija ļoti zema: ~ 20 C 60 molekulas uz 1 miljardu ūdens molekulu. Tajā pašā laikā pētnieki parādīja, ka molekulu toksicitāte ir atkarīga no to virsmas modifikācijas.

Pētnieki norāda, ka vienkāršu C60 fullerēnu toksicitāte ir saistīta ar to, ka to virsma spēj ražot superoksīda anjonus. Šie radikāļi bojā šūnu membrānas un izraisa šūnu nāvi.

Kolvins un viņa kolēģi paziņoja, ka šo fullerēnu negatīvo īpašību var izmantot labam - vēža audzēju ārstēšanai. Ir tikai nepieciešams detalizēti noskaidrot skābekļa radikāļu veidošanās mehānismu. Acīmredzot uz fullerēnu bāzes būs iespējams izveidot superefektīvas antibakteriālas zāles.

Tajā pašā laikā fullerēnu izmantošanas briesmas patēriņa precēs zinātniekiem šķiet diezgan reālas.

Acīmredzot tieši tāpēc Amerikas Pārtikas un zāļu drošības komisija (FDA) nesen paziņoja par nepieciešamību licencēt un regulēt plašu produktu klāstu (pārtika, kosmētika, zāles, aprīkojums un veterinārās zāles), kas ražoti, izmantojot nanotehnoloģiju un izmantojot nanomateriālus un nanostruktūras.

NANOTEHNOLOĢIJĀM NEPIECIEŠAMS VALDĪBAS ATBALSTS

Diemžēl Krievijā joprojām nav valsts programmas nanotehnoloģiju attīstībai. (2005. gadā ASV nanotehnoloģiju programmai, starp citu, apritēja pieci gadi.) Bez šaubām, centralizētas valdības programmas esamība nanotehnoloģiju attīstībai ļoti palīdzētu pētniecības rezultātu praktiskā ieviešanā. Diemžēl no ārzemju avotiem uzzinām, ka nanotehnoloģiju jomā valstī notiek veiksmīga attīstība. Piemēram, vasarā ASV Standartu institūts paziņoja par pasaulē mazākā atompulksteņa izveidi. Kā izrādījās, pie to izveides strādāja arī Krievijas komanda.

Krievijā nav valsts programmas, taču ir pētnieki un entuziasti: pēdējā gada laikā Jaunatnes zinātniskā biedrība (JSS) ir apvienojusi vairāk nekā 500 jaunos zinātniekus, maģistrantus un studentus, kuri domā par savas valsts nākotni. Detalizētai nanotehnoloģiju jautājumu izpētei 2004. gada februārī uz MNO bāzes tika izveidots analītiskais uzņēmums "Nanotechnology News Network (NNN)", kas uzrauga simtiem atvērto pasaules avotu šajā jomā un šobrīd ir apstrādājis vairāk nekā 4500 informācijas ziņojumu. no ārzemju un Krievijas medijiem, rakstiem un preses relīzēm un ekspertu komentāriem. Tika izveidotas interneta vietnes www.mno.ru un www.nanonewsnet.ru, kuras apskatīja vairāk nekā 170 000 Krievijas un NVS valstu pilsoņu.

JAUNIEŠU PROJEKTU KONKURSS

2004. gada aprīlī kopā ar Nanoindustry koncernu ar Uniastrum Bank atbalstu tika veiksmīgi aizvadīts pirmais Viskrievijas jauniešu projektu konkurss pašmāju molekulāro nanotehnoloģiju radīšanai, kas izraisīja lielu Krievijas zinātnieku interesi.

Konkursa uzvarētāji prezentēja izcilus sasniegumus: pirmo vietu ieguva jauno zinātnieku komanda no Krievijas Ķīmiskās tehnoloģijas universitātes. D.I. Mendeļejevs ķīmijas zinātņu kandidātes Gaļinas Popovas vadībā, kurš radīja biomimētiskos (biomimētikas - dabā esošo struktūru imitācijas) materiālus optiskajiem nanosensoriem, molekulārajai elektronikai un biomedicīnai. Otrajā vietā ierindojās Taškentas Valsts pedagoģiskās universitātes aspirants. Nizami Marina Fomina, kas izstrādāja sistēmu mērķtiecīgai zāļu piegādei slimiem audiem, un trešais ir skolnieks no Tomskas Aleksejs Khasanovs, nanokeramikas materiālu ar unikālām īpašībām radīšanas tehnoloģijas autors. Uzvarētāji saņēma vērtīgas balvas.

Ar bankas atbalstu ir izstrādāta un izdošanai tiek gatavota populārzinātniska mācību grāmata “Nanotehnoloģijas ikvienam”, kas izpelnījusies augstu vadošo zinātnieku atzinību.

Uzņēmums NNN, kas gada laikā kļuva par vadošo analītisko aģentūru nanotehnoloģiju jomā, 2004. gada decembrī paziņoja par Otrā Viskrievijas jaunatnes projektu konkursa sākumu, kura ģenerālsponsors atkal bija Uniastrum Bank, priecājoties par pirmo sacensību rezultātus. Turklāt šoreiz par sponsoru kļuva arī starptautisks nepārtrauktās barošanas avotu ražotājs Powercom. Žurnāls "Zinātne un Dzīve" aktīvi piedalās konkursa sagatavošanā un atspoguļošanā.

Konkursa mērķis ir piesaistīt talantīgus jauniešus nanotehnoloģiju attīstībai savā valstī, nevis ārzemēs.

Konkursa uzvarētājs balvā saņems nanotehnoloģiju laboratoriju "UMKA". Otrās un trešās vietas ieguvēji tiks apbalvoti ar moderniem portatīvajiem datoriem; Labākie dalībnieki saņems žurnāla Zinātne un Dzīve bezmaksas abonementu. Balvās ietilpst transportlīdzekļu remonta un restaurācijas komplekti uz nanodaļiņu bāzes, žurnāla Universum abonements un ikmēneša kompaktdiski "Nanotehnoloģiju pasaule".

Projektu fokuss ir ārkārtīgi daudzveidīgs: no perspektīviem nanomateriāliem automobiļu un aviācijas nozarēm līdz implantiem un neirotehnoloģiskām saskarnēm. Detalizēti konkursa materiāli ir mājaslapā www.nanonewsnet.ru.

2004. gada decembrī Fryazino pilsētā (Maskavas apgabals) notika pirmā konference, kas bija veltīta nanotehnoloģiju rūpnieciskai izmantošanai, kurā zinātnieki prezentēja desmitiem izstrādņu, kas bija gatavi ieviešanai ražošanā. To vidū ir jauni materiāli, kuru pamatā ir nanocaurules, īpaši spēcīgi pārklājumi, pretberzes savienojumi, vadoši polimēri elastīgai elektronikai, lieljaudas kondensatori utt.

Nanotehnoloģijas Krievijā uzņem apgriezienus. Tomēr, ja vien pētījumus nekoordinēs valsts vai visaptveroša federāla programma, nekas, visticamāk, nemainīsies uz labo pusi. Jau izdota mācību grāmata topošajiem nanotehnologiem.

Markins Kirils Petrovičs

Zinātnes un tehnoloģiju joma, ko sauc par nanotehnoloģiju, ir radusies salīdzinoši nesen. Šīs zinātnes izredzes ir milzīgas. Pati daļiņa “nano” nozīmē vienu miljardo daļu no daudzuma. Piemēram, nanometrs ir viena miljardā daļa no metra. Šie izmēri ir līdzīgi molekulu un atomu izmēriem. Precīza nanotehnoloģijas definīcija ir šāda: nanotehnoloģija ir tehnoloģija, kas manipulē ar vielu atomu un molekulu līmenī (tāpēc nanotehnoloģiju sauc arī par molekulāro tehnoloģiju). Nanotehnoloģiju attīstības stimuls bija Ričarda Feinmena lekcija, kurā viņš zinātniski pierāda, ka no fizikas viedokļa nav nekādu šķēršļu radīt lietas tieši no atomiem. Lai apzīmētu līdzekli efektīvai manipulācijai ar atomiem, tika ieviests montētāja jēdziens - molekulāra nanomašīna, kas var izveidot jebkuru molekulāro struktūru. Dabiskā montētāja piemērs ir ribosoma, kas sintezē olbaltumvielas dzīvos organismos. Acīmredzot nanotehnoloģija nav tikai atsevišķs zināšanu kopums, tā ir liela mēroga, visaptveroša pētniecības joma, kas saistīta ar fundamentālajām zinātnēm. Var teikt, ka gandrīz jebkurš skolā apgūtais priekšmets tā vai citādi būs saistīts ar nākotnes tehnoloģijām. Šķiet, ka visredzamākā ir saikne starp “nano” un fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Acīmredzot tieši šīs zinātnes saņems vislielāko impulsu attīstībai saistībā ar tuvojošos nanotehnoloģisko revolūciju.

Lejupielādēt:

Priekšskatījums:

Pašvaldības budžeta izglītības iestāde

“Vārdā nosauktā 2. vidusskola. A.A. Arakancevs, Semikarakorska"

Ievads…………………………………………………………………………………..
1. Nanotehnoloģijas mūsdienu pasaulē…………………………………
1.1 Nanotehnoloģiju vēsture………………………………
1.2. Nanotehnoloģijas dažādās cilvēka darbības jomās….
1.2.1. Nanotehnoloģijas kosmosā……………………………………………………………
1.2.2. Nanotehnoloģijas medicīnā……………………………………….
1.2.3. Nanotehnoloģijas pārtikas rūpniecībā……………………
1.2.4. Nanotehnoloģijas militārajās lietās……………………………………..
Secinājums……………………………………………………………….
Bibliogrāfija…………………………………………………………………………………… ...

Ievads.

Pašlaik tikai daži cilvēki zina, kas ir nanotehnoloģija, lai gan aiz šīs zinātnes slēpjas nākotne.

Darba mērķis:

Uzziniet, kas ir nanotehnoloģija;

Izzināt šīs zinātnes pielietojumu dažādās nozarēs;

Uzziniet, vai nanotehnoloģijas var būt bīstamas cilvēkiem.

Zinātnes un tehnoloģiju joma, ko sauc par nanotehnoloģiju, ir radusies salīdzinoši nesen. Šīs zinātnes izredzes ir milzīgas. Pati daļiņa “nano” nozīmē vienu miljardo daļu no daudzuma. Piemēram, nanometrs ir viena miljardā daļa no metra. Šie izmēri ir līdzīgi molekulu un atomu izmēriem. Precīza nanotehnoloģijas definīcija ir šāda: nanotehnoloģija ir tehnoloģija, kas manipulē ar vielu atomu un molekulu līmenī (tāpēc nanotehnoloģiju sauc arī par molekulāro tehnoloģiju). Nanotehnoloģiju attīstības stimuls bija Ričarda Feinmena lekcija, kurā viņš zinātniski pierāda, ka no fizikas viedokļa nav nekādu šķēršļu radīt lietas tieši no atomiem. Lai apzīmētu līdzekli efektīvai manipulācijai ar atomiem, tika ieviests montētāja jēdziens - molekulāra nanomašīna, kas var izveidot jebkuru molekulāro struktūru. Dabiskā montētāja piemērs ir ribosoma, kas sintezē olbaltumvielas dzīvos organismos. Acīmredzot nanotehnoloģijas nav tikai atsevišķs zināšanu kopums, tā ir liela mēroga, visaptveroša pētniecības joma, kas saistīta ar fundamentālajām zinātnēm. Var teikt, ka gandrīz jebkurš skolā apgūtais priekšmets tā vai citādi būs saistīts ar nākotnes tehnoloģijām. Šķiet, ka visredzamākā ir saikne starp “nano” un fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Acīmredzot tieši šīs zinātnes saņems vislielāko impulsu attīstībai saistībā ar tuvojošos nanotehnoloģisko revolūciju.

Šodien mēs varam izmantot priekšrocības un jaunas iespējasnano tehnoloģijas:

• medicīna, tostarp aviācija;
• farmakoloģija;
• geriatrija;
• nācijas veselības aizsardzība pieaugošās vides krīzes un cilvēka izraisīto katastrofu kontekstā;
• globālie datortīkli un informācijas sakari uz jauniem fiziskiem principiem;
• īpaši tālsatiksmes sakaru sistēmas;
• automobiļu, traktoru un aviācijas aprīkojums;
• ceļu drošība;
• informācijas drošības sistēmas;
• megapilsētu vides problēmu risināšana;
• lauksaimniecība;
• dzeramā ūdens apgādes un notekūdeņu attīrīšanas problēmu risināšana;
• principiāli jaunas navigācijas sistēmas;
• dabisko minerālu un ogļūdeņražu izejvielu atjaunošana.

Mēs nolēmām koncentrēties uz nanotehnoloģiju pielietojumu medicīnā, pārtikas rūpniecībā, militārajās lietās un kosmosā, jo šīs jomas izraisīja mūsu interesi.

1. Nanotehnoloģijas mūsdienu pasaulē.

1.1. Nanotehnoloģiju vēsture.

Zinātne "Nanotehnoloģijas" es" radās revolucionāru pārmaiņu dēļ datorzinātnēs!

1947. gadā tika izgudrots tranzistors, pēc kura sākās pusvadītāju tehnikas ziedu laiki, kuru laikā izveidoto silīcija ierīču izmēri nepārtraukti samazinājās.Termins "nanotehnoloģijas"1974. gadā japānis Norjo Taniguči ierosināja aprakstīt jaunu objektu un materiālu konstruēšanas procesu, izmantojot manipulācijas ar atsevišķiem atomiem. Nosaukums cēlies no vārda "nanometrs" - viena miljardā daļa no metra (10-9 m).

Mūsdienu izpratnē nanotehnoloģijas ir supermikroskopisku struktūru izgatavošanas tehnoloģija no mazākajām vielas daļiņām, apvienojot visus tehniskos procesus, kas ir tieši saistīti ar atomiem un molekulām.

Mūsdienu nanotehnoloģijai ir diezgan dziļa vēsturiskā pēda. Arheoloģiskie atradumi liecina par koloidālu formulējumu esamību senajā pasaulē, piemēram, “ķīniešu tinte” Senajā Ēģiptē. Slavenais Damaskas tērauds tika izgatavots, jo tajā bija nanocaurules.

Par nanotehnoloģiju idejas tēvu var uzskatīt grieķu filozofu Demokritu ap 400. gadu pirms mūsu ēras. laikmetā viņš pirmo reizi izmantoja vārdu “atoms”, kas grieķu valodā nozīmē “nesalaužams”, lai aprakstītu mazākās matērijas daļiņas.

Šeit ir aptuvens attīstības ceļš:

• 1905. gads Šveices fiziķis Alberts Einšteins publicēja rakstu, kurā viņš pierādīja, ka cukura molekulas izmērs ir aptuveni 1 nanometrs.
• 1931. gads Vācu fiziķi Makss Knolls un Ernsts Ruska izveidoja elektronu mikroskopu, kas pirmo reizi ļāva pētīt nanoobjektus.
• 1934. gads Amerikāņu teorētiskais fiziķis un Nobela prēmijas laureāts Eugene Wigner teorētiski pamatoja iespēju izveidot ultradispersu metālu ar pietiekami mazu vadītspējas elektronu skaitu.
• 1951. gads Džons fon Neimans izklāstīja pašreplicēšanas mašīnu principus, un zinātnieki kopumā apstiprināja to iespējamību.
• 1953. gadā Vatsons un Kriks aprakstīja DNS struktūru, kas parādīja, kā dzīvi objekti nodod norādījumus, kas vada to uzbūvi.
• 1959. gads Amerikāņu fiziķis Ričards Feinmens pirmo reizi publicēja rakstu, kurā novērtēja miniaturizācijas izredzes. Nobela prēmijas laureāts R. Feinmans uzrakstīja frāzi, kas tagad tiek uztverta kā pareģojums: "Cik es redzu, fizikas principi neaizliedz manipulēt ar atsevišķiem atomiem." Šī ideja izskanēja, kad postindustriālā laikmeta sākums vēl nebija realizēts; šajos gados nebija ne integrālo shēmu, ne mikroprocesoru, ne personālo datoru.
• 1974. gads Japāņu fiziķis Norio Taniguči zinātniskajā apritē ieviesa vārdu "nanotehnoloģija", ko viņš ierosināja saukt par mehānismiem, kuru izmērs ir mazāks par vienu mikronu. Grieķu vārds "nanos" aptuveni nozīmē "vecais vīrs".
• 1981. gads Gleiters pirmais pievērsa uzmanību iespējai radīt materiālus ar unikālām īpašībām, kuru struktūru attēlo nanomēroga diapazonā esošie kristalīti.

• 1981. gada 27. martā CBS Radio News citēja NASA strādājoša zinātnieka teikto, ka inženieri divdesmit gadu laikā spēs uzbūvēt pašreplicējošus robotus izmantošanai kosmosā vai uz Zemes. Šīs mašīnas veidotu paši sev kopijas, un kopijām varētu likt radīt noderīgus produktus.
• 1982 G. Biening un G. Rohrer izveidoja pirmo skenējošo tunelēšanas mikroskopu.
• 1985. gads Amerikāņu fiziķi Roberts Kērls, Harolds Kroteau un Ričards Smailijs radījuši tehnoloģiju, kas ļauj precīzi izmērīt objektus ar viena nanometra diametru.
• 1986. gads Nanotehnoloģijas kļuva zināmas plašākai sabiedrībai. Amerikāņu zinātnieks Ēriks Drekslers publicēja grāmatu “Machines of Creation: The Coming of the Era of Nanotechnology”, kurā viņš prognozēja, ka nanotehnoloģijas drīz sāks aktīvi attīstīties.
• 1991, Hjūstona (ASV), Raisa Universitātes Ķīmijas nodaļa. Dr. R. Smalley (Nobela prēmijas laureāts 1996. gadā) savā laboratorijā izmantoja lāzeru, lai vakuumā iztvaicētu grafītu, kura gāzes fāze sastāvēja no diezgan lieliem krekeriem: katrā ar 60 oglekļa atomiem. 60 atomu kopa ir stabilāka, jo tai ir palielināta brīvā enerģija. Šis klasteris ir strukturāls veidojums, kas līdzīgs futbola bumbai, un viņš ierosināja šo molekulu saukt par fullerēnu.
• 1991. gads, Japānas NEC laboratorijas darbinieks Sumio Ijima pirmo reizi atklāja oglekļa nanocaurules, ko pirms vairākiem mēnešiem bija paredzējuši krievu fiziķis L. Černozonskis un amerikānis J. Mintmirs.
• 1995. gads L.Ya vārdā nosauktajā Fizikas un ķīmijas zinātniskās pētniecības institūtā. Karpovs izstrādāja sensoru, kura pamatā ir plēves nanokompozīts, kas nosaka dažādas vielas atmosfērā (amonjaku, spirtu, ūdens tvaikus).
• 1997. gads Richard E. Smalley, 1996. gada Nobela prēmijas ieguvējs ķīmijā, ķīmijas un fizikas profesors, paredzēja atomu salikšanu līdz 2000. gadam un tajā pašā laikā paredzēja pirmo komerciālo nanoproduktu parādīšanos. Šī prognoze piepildījās paredzētajā laika posmā.
• 1998. gads Eksperimentāli tika apstiprināta nanocauruļu elektrisko īpašību atkarība no ģeometriskajiem parametriem.
• 1998. gads Holandiešu fiziķis Zēzs Dekers radīja tranzistoru, kura pamatā ir nanotehnoloģija.
• 1998. gads Nanotehnoloģiju attīstības temps sāka strauji pieaugt. Japāna ir identificējusi nanotehnoloģiju kā iespējamu tehnoloģiju kategoriju 21. gadsimtā.
• 1999. gads Amerikāņu fiziķi Džeimss Tūrs un Marks Rīds konstatēja, ka atsevišķa molekula var uzvesties tāpat kā molekulārās ķēdes.
• 2000. gads. Hewlett-Packard pētnieku grupa, izmantojot jaunākās nanotehnoloģiskās pašsavienošanās metodes, ir izveidojusi slēdža molekulu jeb minikrodiodu.

• 2000. gads. Hibrīdās nanoelektronikas ēras sākums.
• 2002. gads S. Dekers apvienoja nanocauruli ar DNS, iegūstot vienotu nanomehānismu.
• 2003. gads Japānas zinātnieki ir kļuvuši par pirmajiem pasaulē, kas radījuši cietvielu ierīci, kas īsteno vienu no diviem galvenajiem elementiem, kas nepieciešami kvantu datora izveidei. 2004. gads. Tika prezentēts "pasaulē pirmais" kvantu dators

• 2006. gada 7. septembrī Krievijas Federācijas valdība apstiprināja Nanotehnoloģiju attīstības federālās mērķprogrammas 2007.-2010. gadam koncepciju.

Tādējādi Nanotehnoloģijas, kas veidojušās vēsturiski, līdz pat mūsdienām, iekarojušas sabiedrības apziņas teorētisko jomu, turpina iekļūt savā ikdienas slānī.

Tomēr nanotehnoloģiju nevajadzētu reducēt tikai līdz lokālam revolucionāram izrāvienam šajās jomās (elektronika, informācijas tehnoloģijas). Nanotehnoloģijās jau ir iegūti vairāki ārkārtīgi svarīgi rezultāti, kas ļauj cerēt uz ievērojamu progresu daudzu citu zinātnes un tehnoloģiju jomu (medicīnas un bioloģijas, ķīmijas, ekoloģijas, enerģētikas, mehānikas u.c.) attīstībā. Piemēram, pārejot uz nanometru diapazonu (t.i., uz objektiem ar raksturīgo garumu aptuveni 10 nm), daudzas no svarīgākajām vielu un materiālu īpašībām būtiski mainās. Mēs runājam par tādām svarīgām īpašībām kā elektrovadītspēja, optiskais laušanas koeficients, magnētiskās īpašības, izturība, karstumizturība utt. Pamatojoties uz materiāliem Ar Izmantojot jaunas īpašības, jau tiek radīti jauni saules paneļu veidi, enerģijas pārveidotāji, videi draudzīgi produkti utt.Iespējams, ka nanotehnoloģiju ieviešanas svarīgākās sekas būs lētu, enerģiju taupošu un videi draudzīgu materiālu ražošana.Jau ir izveidoti īpaši jutīgi bioloģiskie sensori un citas ierīces, kas ļauj runāt par jaunas nanobiotehnoloģijas zinātnes rašanos un kurām ir lielas perspektīvas praktiskai pielietošanai. Nanotehnoloģijas piedāvā jaunas iespējas materiālu mikroapstrādei un jaunu ražošanas procesu un jaunu produktu radīšanai uz šī pamata, kam vajadzētu revolucionāri ietekmēt nākamo paaudžu ekonomisko un sociālo dzīvi.

1.2. Nanotehnoloģijas dažādās cilvēka darbības sfērās

Nanotehnoloģiju iekļūšanu cilvēka darbības sfērās var attēlot nanotehnoloģiju koka formā. Lietojumprogrammas ir koka formā, kur zari atspoguļo galvenās pielietojuma jomas, un zari no galvenajiem zariem atspoguļo diferenciāciju galvenajās lietošanas jomās noteiktā laikā.

Šodien (2000 - 2010) ir šāds attēls:

• bioloģijas zinātnes ietver gēnu tagu tehnoloģiju, implantu virsmu, pretmikrobu virsmu, mērķpreparātu, audu inženierijas, onkoloģijas terapijas izstrādi.
• vienkāršas šķiedras nozīmē papīra tehnoloģiju, lētu būvmateriālu, vieglu plātņu, auto detaļu un lieljaudas materiālu attīstību.
• nanoklipi liecina par jaunu audumu ražošanu, stikla pārklājumu, “gudrajām” smiltīm, papīru, oglekļa šķiedras.
• aizsardzība pret koroziju, izmantojot nanopiedevas vara, alumīnija, magnija, tērauda.
• katalizatori ir paredzēti izmantošanai lauksaimniecībā, dezodorācijā un pārtikas ražošanā.
• Viegli tīrāmi materiāli tiek izmantoti ikdienas dzīvē, arhitektūrā, piena un pārtikas rūpniecībā, transporta nozarē un sanitārijā. Tā ir pašattīrošā stikla, slimnīcu iekārtu un instrumentu, pretpelējuma pārklājuma un viegli tīrāmas keramikas ražošana.
• Biopārklājumus izmanto sporta ekipējumā un gultņos.
• Optika kā nanotehnoloģiju pielietojuma joma ietver tādas jomas kā elektrohromika un optisko lēcu ražošana. Tā ir jauna fotohromiskā optika, viegli tīrāma optika un pārklāta optika.
• Keramika nanotehnoloģiju jomā dod iespēju iegūt elektroluminiscenci un fotoluminiscenci, apdrukas pastas, pigmentus, nanopulverus, mikrodaļiņas, membrānas.
• Datortehnoloģijas un elektronika kā nanotehnoloģiju pielietojuma joma ļaus attīstīt elektroniku, nanosensorus, sadzīves (iegultos) mikrodatorus, vizualizācijas rīkus un enerģijas pārveidotājus. Nākamais ir globālo tīklu, bezvadu sakaru, kvantu un DNS datoru attīstība.
• Nanomedicīna kā nanotehnoloģiju pielietojuma joma ietver nanomateriālus protezēšanai, “gudrās” protēzes, nanokapsulas, diagnostikas nanozondes, implantus, DNS rekonstruktorus un analizatorus, “viedos” un precīzijas instrumentus, mērķtiecīgus medikamentus.
• Kosmoss kā nanotehnoloģiju pielietojuma joma pavērs perspektīvas mehāniskiem saules enerģijas pārveidotājiem un nanomateriāliem kosmosa lietojumiem.
• Ekoloģija kā nanotehnoloģiju pielietojuma joma ir ozona slāņa atjaunošana, laikapstākļu kontrole.

1.2.1. Nanotehnoloģijas kosmosā

Kosmosā plosās revolūcija. Sāka radīt satelītus un nanoierīces līdz 20 kilogramiem.

Ir izveidota mikrosatelītu sistēma, kas ir mazāk neaizsargāta pret mēģinājumiem to iznīcināt. Viena lieta ir notriekt vairākus simtus kilogramu vai pat tonnu smagu kolosu orbītā, nekavējoties atspējojot visus kosmosa sakarus vai izlūkošanu, un cita lieta, ja orbītā atrodas vesels mikrosatelītu bars. Viena no tām neveiksme šajā gadījumā netraucēs visas sistēmas darbību. Attiecīgi var samazināt prasības katra satelīta darbības uzticamībai.

Jaunie zinātnieki uzskata, ka satelītu mikrominiaturizācijas galvenās problēmas cita starpā ietver jaunu tehnoloģiju radīšanu optikas jomā, sakaru sistēmas, liela apjoma informācijas pārraidīšanas, saņemšanas un apstrādes metodes. Runa ir par nanotehnoloģijām un nanomateriāliem, kas dod iespēju par divām kārtām samazināt kosmosā palaistu ierīču masu un izmērus. Piemēram, nanoniķeļa izturība ir 6 reizes lielāka nekā parastajam niķelim, kas ļauj samazināt sprauslas masu par 20-30%, ja to izmanto raķešu dzinējos.Kosmosa tehnoloģiju masas samazināšana atrisina daudzas problēmas: pagarina ierīces kalpošanas laiku kosmosā, ļauj tai lidot tālāk un pārvadāt pētniecībai noderīgāku aprīkojumu. Tajā pašā laikā tiek atrisināta energoapgādes problēma. Drīzumā ar miniatūrām ierīcēm tiks pētītas daudzas parādības, piemēram, Saules staru ietekme uz procesiem uz Zemes un Zemei tuvajā kosmosā.

Mūsdienās kosmoss nav eksotisks, un tā izpēte nav tikai prestiža jautājums. Pirmkārt, tas ir mūsu valsts nacionālās drošības un nacionālās konkurētspējas jautājums. Tā ir ļoti sarežģītu nanosistēmu izstrāde, kas var kļūt par valsts priekšrocību. Tāpat kā nanotehnoloģijas, arī nanomateriāli dos mums iespēju nopietni runāt par pilotētiem lidojumiem uz dažādām Saules sistēmas planētām. Tieši nanomateriālu un nanomehānismu izmantošana var padarīt cilvēku lidojumus uz Marsu un Mēness virsmas izpēti par realitāti.Vēl viena ļoti populāra mikrosatelītu attīstības joma ir Zemes attālās uzrādes (ERS) izveide. Sāka veidoties tirgus informācijas patērētājiem ar kosmosa attēlu izšķirtspēju 1 m radara diapazonā un mazāku par 1 m optiskajā diapazonā (galvenokārt šādus datus izmanto kartogrāfijā).

1.2.2. Nanotehnoloģijas medicīnā

Jaunākie sasniegumi nanotehnoloģiju jomā, pēc zinātnieku domām, var būt ļoti noderīgi cīņā pret vēzi. Pretvēža zāles ir izstrādātas tieši mērķim – ļaundabīga audzēja skartajās šūnās. Jauna sistēma, kuras pamatā ir materiāls, kas pazīstams kā biosilīcijs. Nanosilikonam ir poraina struktūra (desmit atomi diametrā), kurā ir ērti ievadīt zāles, olbaltumvielas un radionuklīdus. Sasniedzot mērķi, biosilikons sāk sadalīties, un tā piegādātās zāles sāk darboties. Turklāt, pēc izstrādātāju domām, jaunā sistēma ļauj regulēt zāļu devu.

Pēdējo gadu laikā Bioloģisko nanotehnoloģiju centra darbinieki ir strādājuši pie mikrosensoru izveides, kas tiks izmantoti vēža šūnu noteikšanai organismā un cīņai pret šo briesmīgo slimību.

Jauna metode vēža šūnu atpazīšanai ir balstīta uz sīku sfērisku rezervuāru, kas izgatavoti no sintētiskiem polimēriem, ko sauc par dendrimeriem (no grieķu dendron — koks), implantēšanu cilvēka ķermenī. Šie polimēri tika sintezēti pēdējā desmitgadē, un tiem ir principiāli jauna, necieta struktūra, kas atgādina koraļļu vai koka struktūru. Šādus polimērus sauc par hiperzaru vai kaskādi. Tos, kuros zarošanās ir regulāra, sauc par dendrimeriem. Katras šādas sfēras jeb nanosensora diametrs sasniedz tikai 5 nanometrus - 5 miljarddaļas no metra, kas ļauj nelielā kosmosa laukumā novietot miljardus līdzīgu nanosensoru.

Nokļūstot ķermenī, šie sīkie sensori iekļūs limfocītos - balto asins šūnu, kas nodrošina ķermeņa aizsardzības reakciju pret infekciju un citiem slimību izraisošiem faktoriem. Limfoīdo šūnu imūnās atbildes reakcijas laikā uz noteiktu slimību vai vides stāvokli – piemēram, saaukstēšanos vai starojuma iedarbību – mainās šūnas proteīna struktūra. Katrs nanosensors, kas pārklāts ar īpašiem ķīmiskiem reaģentiem, sāks spīdēt ar šādām izmaiņām.

Lai redzētu šo mirdzumu, zinātnieki gatavojas izveidot īpašu ierīci, kas skenē acs tīkleni. Šādas ierīces lāzeram vajadzētu noteikt limfocītu mirdzumu, kad tie viens pēc otra iziet cauri fundusa šaurajiem kapilāriem. Ja limfocītos ir pietiekami daudz marķētu sensoru, tad, lai noteiktu šūnu bojājumus, ir nepieciešama 15 sekunžu skenēšana, norāda zinātnieki.

Tieši šeit sagaidāma vislielākā nanotehnoloģiju ietekme, jo tā ietekmē pašu sabiedrības pastāvēšanas pamatu – cilvēkus. Nanotehnoloģijas sasniedz tādu fiziskās pasaules dimensiju līmeni, kad atšķirība starp dzīvo un nedzīvo kļūst nestabila - tās ir molekulārās mašīnas. Pat vīrusu daļēji var uzskatīt par dzīvu sistēmu, jo tajā ir informācija par tā uzbūvi. Bet ribosoma, lai gan tā sastāv no tiem pašiem atomiem kā visas organiskās vielas, nesatur šādu informāciju un tāpēc ir tikai organiska molekulārā mašīna. Nanotehnoloģijas tās izstrādātajā formā ietver nanorobotu konstruēšanu, neorganiskā atomu sastāva molekulārās mašīnas, kurām ir informācija par šādu konstrukciju, būs iespēja izveidot paši sev kopijas. Tāpēc robeža starp dzīvo un nedzīvo sāk izplūst. Līdz šim ir izveidots tikai viens primitīvs staigājošs DNS robots.

Nanomedicīnu pārstāv šādas iespējas:

1. Laboratorijas mikroshēmā, mērķtiecīga zāļu ievadīšana organismā.

2. DNS mikroshēmas (individuālu zāļu izveide).

3. Mākslīgie enzīmi un antivielas.

4. Mākslīgie orgāni, mākslīgie funkcionālie polimēri (organiskie audu aizstājēji). Šis virziens ir cieši saistīts ar mākslīgās dzīves ideju un nākotnē noved pie robotu radīšanas ar mākslīgu apziņu un spēj pašatveseļoties molekulārā līmenī. Tas ir saistīts ar dzīves jēdziena paplašināšanos ārpus organiskā

5. Nanorobot ķirurgi (biomehānismi, kas veic izmaiņas un nepieciešamās medicīniskās darbības, vēža šūnu atpazīšanu un iznīcināšanu). Šis ir radikālākais nanotehnoloģiju pielietojums medicīnā – molekulāro nanorobotu radīšana, kas spēj iznīcināt infekcijas un vēža audzējus, labot bojāto DNS, audus un orgānus, dublēt veselas organisma dzīvības atbalsta sistēmas un mainīt organisma īpašības.

Uzskatot vienu atomu kā celtniecības bloku vai “daļu”, nanotehnoloģijas meklē praktiskus veidus, kā no šīm daļām izgatavot materiālus ar noteiktām īpašībām. Daudzi uzņēmumi jau zina, kā montēt atomus un molekulas noteiktās struktūrās.

Nākotnē jebkuras molekulas tiks montētas kā bērnu konstrukcijas komplekts. Šim nolūkam plānots izmantot nanorobotus (nanobotus). Jebkuru ķīmiski stabilu struktūru, ko var aprakstīt, faktiski var uzbūvēt. Tā kā nanobotu var ieprogrammēt, lai izveidotu jebkuru struktūru, jo īpaši, lai izveidotu citu nanobotu, tie būs ļoti lēti. Strādājot milzīgās grupās, nanoboti varēs izveidot jebkurus objektus ar zemām izmaksām un augstu precizitāti. Medicīnā nanotehnoloģiju izmantošanas problēma ir nepieciešamība mainīt šūnas struktūru molekulārā līmenī, t.i. veikt “molekulāro ķirurģiju”, izmantojot nanobotus. Paredzams, ka tiks radīti molekulārie roboti ārsti, kas var “dzīvot” cilvēka ķermenī, novēršot visus radušos bojājumus vai novēršot to rašanos.Manipulējot ar atsevišķiem atomiem un molekulām, nanoboti varēs salabot šūnas. Prognozētais robotu ārstu radīšanas periods, 21. gadsimta pirmā puse.

Neskatoties uz pašreizējo situāciju, nanotehnoloģijas kā fundamentāls risinājums novecošanas problēmai ir vairāk nekā daudzsološs.

Tas ir saistīts ar faktu, ka nanotehnoloģijām ir liels komerciāla pielietojuma potenciāls daudzās nozarēs, un attiecīgi papildus nopietnam valsts finansējumam pētījumus šajā virzienā veic daudzas lielas korporācijas.

Pilnīgi iespējams, ka pēc uzlabojumiem, lai nodrošinātu “mūžīgo jaunību”, nanoboti vairs nebūs vajadzīgi vai arī tos ražos pati šūna.

Lai sasniegtu šos mērķus, cilvēcei ir jāatrisina trīs galvenie jautājumi:

1. Izstrādājiet un izveidojiet molekulāros robotus, kas spēj salabot molekulas.
2. Izstrādāt un izveidot nanodatorus, kas vadīs nanomašīnas.
3. Izveidojiet pilnīgu visu cilvēka ķermeņa molekulu aprakstu, citiem vārdiem sakot, izveidojiet cilvēka ķermeņa karti atomu līmenī.

Galvenās grūtības ar nanotehnoloģiju ir pirmā nanobota izveides problēma. Ir vairāki daudzsološi virzieni.

Viens no tiem ir uzlabot skenēšanas tunelēšanas mikroskopu vai atomu spēka mikroskopu un sasniegt pozicionēšanas precizitāti un satveršanas spēku.
Vēl viens ceļš uz pirmā nanobota izveidi ved caur ķīmisko sintēzi. Var būt iespējams izstrādāt un sintezēt gudrus ķīmiskos komponentus, kas var paši savākties šķīdumā.
Un cits ceļš ved caur bioķīmiju. Ribosomas (šūnas iekšpusē) ir specializēti nanoboti, un mēs varam tos izmantot, lai izveidotu daudzpusīgākus robotus.

Šie nanoboti spēs palēnināt novecošanās procesu, apstrādāt atsevišķas šūnas un mijiedarboties ar atsevišķiem neironiem.

Pētniecības darbs sākās salīdzinoši nesen, taču atklājumu temps šajā jomā ir ārkārtīgi augsts, daudzi uzskata, ka tā ir medicīnas nākotne.

1.2.3. Nanotehnoloģijas pārtikas rūpniecībā

Nanofood ir jauns termins, neskaidrs un neizskatīgs. Ēdiens nanocilvēkiem? Ļoti mazas porcijas? Nanorūpnīcās ražota pārtika? Protams, nē. Bet tomēr tas ir interesants virziens pārtikas rūpniecībā. Izrādās, nanopārtika ir vesels zinātnisku ideju kopums, kas jau ir ceļā uz ieviešanu un pielietošanu rūpniecībā. Pirmkārt, nanotehnoloģija var nodrošināt pārtikas ražotājiem unikālas iespējas produktu kvalitātes un drošības pilnīgai uzraudzībai reāllaikā tieši ražošanas procesā. Runa ir par diagnostikas iekārtām, kurās izmanto dažādus nanosensorus jeb tā sauktos kvantu punktus, kas spēj ātri un droši noteikt vismazākos ķīmiskos piesārņotājus vai bīstamos bioloģiskos aģentus produktos. Pārtikas ražošanas, transportēšanas un uzglabāšanas metodes var saņemt savu daļu noderīgu inovāciju no nanotehnoloģiju nozares. Pēc zinātnieku domām, pirmās šāda veida ražošanas iekārtas masveida pārtikas ražošanā parādīsies nākamo četru gadu laikā. Taču dienaskārtībā ir arī radikālākas idejas. Vai esat gatavs norīt nanodaļiņas, kuras nevar redzēt? Ko darīt, ja nanodaļiņas tiek īpaši izmantotas, lai piegādātu noderīgas vielas un zāles precīzi izvēlētām ķermeņa daļām? Kā būtu, ja šādas nanokapsulas varētu ieviest pārtikas produktos? Neviens vēl nav izmantojis nanopārtiku, taču jau notiek sākotnējā izstrāde. Eksperti saka, ka ēdamās nanodaļiņas varētu izgatavot no silīcija, keramikas vai polimēriem. Un protams - organiskās vielas. Un, ja viss ir skaidrs attiecībā uz tā saukto “mīksto” daļiņu drošību, kuras pēc struktūras un sastāva ir līdzīgas bioloģiskajiem materiāliem, tad “cietās” daļiņas, kas sastāv no neorganiskām vielām, ir liela tukša vieta divu teritoriju – nanotehnoloģijas un bioloģijas – krustpunktā. . Zinātnieki vēl nevar pateikt, pa kādiem ceļiem šādas daļiņas ceļos organismā un kur tās nonāks. Tas vēl jāredz. Taču daži eksperti jau zīmē futūristiskus attēlus par nanoēdāju priekšrocībām. Papildus vērtīgu uzturvielu piegādei pareizajās šūnās. Ideja ir tāda: visi pērk vienu un to pašu dzērienu, bet tad patērētājs varēs kontrolēt nanodaļiņas, lai viņa acu priekšā mainītos dzēriena garša, krāsa, aromāts un koncentrācija.

1.2.4. Nanotehnoloģijas militārajās lietās

Nanotehnoloģiju militārā izmantošana paver kvalitatīvi jaunu militāri tehniskās dominances līmeni pasaulē. Var apsvērt galvenos virzienus jaunu, uz nanotehnoloģiju balstītu ieroču radīšanā:

1. Jaunu jaudīgu miniatūru sprāgstvielu izveide.

2. Makroierīču iznīcināšana no nanolīmeņa.

3. Spiegošana un sāpju apspiešana, izmantojot neirotehnoloģijas.

4. Bioloģiskie ieroči un ģenētiskās mērķēšanas nanoierīces.

5. Nano tehnika karavīriem.

6. Aizsardzība pret ķīmiskajiem un bioloģiskajiem ieročiem.

7. Nanoierīces militārā aprīkojuma vadības sistēmās.

8. Nanopārklājumi militārajam aprīkojumam.

Nanotehnoloģijas ļaus ražot spēcīgas sprāgstvielas. Sprāgstvielas izmēru var samazināt desmitiem reižu. Uzbrukums ar vadāmām raķetēm ar nanosprāgstvielām kodoldegvielas reģenerācijas iekārtām varētu atņemt valstij fizisko spēju ražot ieročiem piemērotu plutoniju. Maza izmēra robotu ierīču ieviešana elektroniskajās iekārtās var traucēt elektrisko ķēžu un mehānikas darbību, izmantojot. Vadības centru un komandpunktu atteici nevar novērst, ja nanoierīces nav izolētas. Roboti materiālu demontāžai atomu līmenī kļūs par spēcīgiem ieročiem, kas pārvērš putekļos tanku bruņas, kārbu betona konstrukcijas, kodolreaktoru korpusus un karavīru ķermeņus. Bet tas joprojām ir tikai progresīvas nanotehnoloģijas formas izredzes. Tikmēr tiek veikti pētījumi neironu tehnoloģiju jomā, kuru izstrāde novedīs pie militāru nanoierīču parādīšanās, kas veic spiegošanu jeb pārtver cilvēka ķermeņa funkciju kontroli, izmantojot nanoierīču savienojumu ar nervu sistēma. NASA laboratorijas jau ir izveidojušas iekšējās runas pārtveršanas iekārtu darba paraugus. Nanostruktūru fotoniskie komponenti, kas spēj uztvert un apstrādāt milzīgu informācijas daudzumu, kļūs par kosmosa uzraudzības sistēmu, zemes novērošanas un spiegošanas pamatu. Ar smadzenēs ievadīto nanoierīču palīdzību iespējams iegūt “mākslīgo” (tehnisko) redzi ar paplašinātu uztveres diapazonu, salīdzinot ar bioloģisko redzi. Tiek izstrādāta sistēma sāpju nomākšanai karavīriem, implantēta ķermenī un smadzenēs, un neiročipi.

Nākamais nanotehnoloģiju militārais pielietojums ir ģenētiski mērķētas nanoierīces. Ģenētiski mērķētu nanoierīci var ieprogrammēt, lai tā veiktu īpašas destruktīvas darbības atkarībā no tās šūnas ģenētiskās DNS struktūras, kurā tā atrodas. Kā nosacījums ierīces aktivizēšanai tiek iestatīta unikāla konkrētas personas ģenētiskā koda sadaļa vai veidne darbībām ar cilvēku grupu. Būs gandrīz neiespējami atšķirt parastu epidēmiju no etniskās tīrīšanas bez nanorobotu noteikšanas instrumentiem. Nanoierīces darbosies tikai pret noteikta veida personām un stingri noteiktos apstākļos. Nokļūstot ķermenī, nanoierīce nekādā veidā neizpaudīsies, kamēr netiks dota aktivizēšanas komanda. Nākamais nanotehnoloģiju pielietojums ir karavīru ekipējumā. Tiek piedāvāts no cilvēka, formas tērpiem un ieročiem izgatavot sava veida hibrīdu, kura elementi būs tik cieši saistīti, ka pilnībā ekipētu nākotnes karavīru var saukt par atsevišķu organismu.

Nanotehnoloģijas ir nodrošinājušas izrāvienu bruņuvestu un bruņuvestu ražošanā.

Militārais aprīkojums ir paredzēts aprīkot ar īpašu "elektromehānisko krāsu", kas ļaus mainīt krāsu un novērst koroziju. Nanopaint spēs “sadziedēt” nelielus auto virsbūves bojājumus un sastāvēs no liela skaita nanomehānismu, kas tai ļaus veikt visas iepriekš minētās funkcijas. Izmantojot optisko matricu sistēmu, kas būs atsevišķas nanomašīnas "krāsojumā", pētnieki vēlas panākt automašīnas vai lidmašīnas neredzamības efektu.

Nanotehnoloģijas ienesīs pārmaiņas militārajā jomā. Jaunas kvalitatīvi pārveidotas un nekontrolētas bruņošanās sacensības. Kontroli pār nanotehnoloģiju var reāli īstenot tikai globālā civilizācijā. Nanotehnoloģijas ļaus pilnībā mehanizēt lauka karadarbību, likvidējot modernizēto karavīru klātbūtni.

Tādējādi galvenais secinājums par nanotehnoloģiju iespiešanās rezultātu ieroču sfērā ir tādas globālas sabiedrības veidošanās perspektīva, kas spēj kontrolēt nanotehnoloģiju un bruņošanās sacensību. Šo universālisma tendenci nosaka tehnogēnās civilizācijas racionalitāte un pauž tās intereses un vērtības.

Secinājums

Noskaidrojot nanotehnoloģijas jēdzienu, iezīmējot tās perspektīvas un pakavējoties pie iespējamām briesmām un draudiem, es vēlos izdarīt secinājumu. Uzskatu, ka nanotehnoloģijas ir jauna zinātne, tās attīstības rezultāti var līdz nepazīšanai mainīt apkārtējo pasauli. Un kādas šīs pārmaiņas būs – noderīgas, dzīvi nesalīdzināmi atvieglojot vai kaitīgas, cilvēcei apdraudošas – ir atkarīgs no cilvēku savstarpējās sapratnes un racionalitātes. Un savstarpēja sapratne un racionalitāte ir tieši atkarīga no cilvēcības līmeņa, kas paredz cilvēka atbildību par savu rīcību. Līdz ar to svarīgākā nepieciešamība pēdējos gados pirms neizbēgamā nanotehnoloģiskā “buma” ir filantropijas kultivēšana. Tikai inteliģenti un humāni cilvēki var pārvērst nanotehnoloģiju par atspēriena punktu, lai izprastu Visumu un savu vietu šajā Visumā.

Bibliogrāfija

1. Objektorientētās programmēšanas pamati Delphi: mācību grāmata. rokasgrāmata / V.V.Kuzņecovs, I.V.Abdrašitova; Ed. T. B. Korņejeva. – red. 3., pārskatīts un papildu – Tomska, 2008. – 120 lpp.
2. Kimmel P. Lietojumprogrammas izveide Delfos./P. Kimel - M: Williams, 2003. - 114 lpp.
3. Kobajaši N. Ievads nanotehnoloģijā/N. Kobajaši. – M.:Binom, 2005 - 134s
4. Čaplygins A. “nanotehnoloģijas elektronikā” / A. Čaplygins. - 2005 M.: tehnosfēra
5. http:// www.delphi.com

   Priekšskatījums:

   Lai izmantotu prezentāciju priekšskatījumus, izveidojiet Google kontu un pierakstieties:

Krievijas prezidents Dmitrijs Medvedevs ir pārliecināts, ka valstī ir visi nosacījumi veiksmīgai nanotehnoloģiju attīstībai.

Nanotehnoloģijas ir jauns zinātnes un tehnoloģiju virziens, kas pēdējās desmitgadēs ir aktīvi attīstījies. Nanotehnoloģijas ietver materiālu, ierīču un tehnisko sistēmu izveidi un izmantošanu, kuru darbību nosaka nanostruktūra, tas ir, tās sakārtotie fragmenti, kuru izmērs ir no 1 līdz 100 nanometriem.

Prefikss "nano", kas nāk no grieķu valodas ("nanos" grieķu valodā - rūķis), nozīmē vienu miljardo daļu. Viens nanometrs (nm) ir viena miljardā daļa no metra.

Terminu “nanotehnoloģija” 1974. gadā ieviesa Tokijas universitātes materiālu zinātnieks Norio Taniguči, kurš to definēja kā “ražošanas tehnoloģiju, kas var sasniegt īpaši augstu precizitāti un īpaši mazus izmērus... apmēram 1 nm...”.

Pasaules literatūrā nanozinātne ir skaidri nošķirta no nanotehnoloģijas. Termins nanomēroga zinātne tiek lietots arī nanozinātnei.

Krievu valodā un Krievijas tiesību aktu un normatīvo dokumentu praksē termins "nanotehnoloģijas" apvieno "nanozinātni", "nanotehnoloģijas" un dažreiz pat "nanorūpniecību" (uzņēmējdarbības un ražošanas jomas, kurās tiek izmantotas nanotehnoloģijas).

Svarīgākās nanotehnoloģiju sastāvdaļas ir nanomateriāli, tas ir, materiāli, kuru neparastās funkcionālās īpašības nosaka to nanofragmentu sakārtotā struktūra, kuru izmērs ir no 1 līdz 100 nm.

- nanoporainas struktūras;
- nanodaļiņas;
- nanocaurules un nanošķiedras
- nanodispersijas (koloīdi);
- nanostrukturētas virsmas un plēves;
- nanokristāli un nanoklasteri.

Nanosistēmas tehnoloģija- funkcionāli pilnīgas sistēmas un ierīces, kas pilnībā vai daļēji izveidotas, pamatojoties uz nanomateriāliem un nanotehnoloģijām un kuru īpašības būtiski atšķiras no tām sistēmām un ierīcēm, kas paredzētas līdzīgiem mērķiem, kas radītas, izmantojot tradicionālās tehnoloģijas.

Nanotehnoloģiju pielietojuma jomas

Ir gandrīz neiespējami uzskaitīt visas jomas, kurās šī globālā tehnoloģija var būtiski ietekmēt tehnoloģisko progresu. Mēs varam nosaukt tikai dažus no tiem:

- nanoelektronikas un nanofotonikas elementi (pusvadītāju tranzistori un lāzeri;
- foto detektori; Saules baterijas; dažādi sensori);
- īpaši blīvas informācijas ierakstīšanas ierīces;
- telekomunikācijas, informācijas un skaitļošanas tehnoloģijas; superdatori;
- video tehnika - plakanie ekrāni, monitori, video projektori;
- molekulārās elektroniskās ierīces, tostarp slēdži un elektroniskās shēmas molekulārā līmenī;
- nanolitogrāfija un nanoimprintings;
- kurināmā elementi un enerģijas uzglabāšanas ierīces;
- mikro- un nanomehānikas ierīces, tai skaitā molekulārie motori un nanomotori, nanoroboti;
- nanoķīmija un katalīze, tostarp degšanas kontrole, pārklāšana, elektroķīmija un farmaceitiskie līdzekļi;
- aviācijas, kosmosa un aizsardzības lietojumi;
- vides monitoringa ierīces;
- mērķtiecīga medikamentu un olbaltumvielu piegāde, biopolimēri un bioloģisko audu sadzīšana, klīniskā un medicīniskā diagnostika, mākslīgo muskuļu, kaulu veidošana, dzīvo orgānu implantācija;
- biomehānika; genomika; bioinformātika; bioinstrumentācija;
- kancerogēnu audu, patogēnu un bioloģiski kaitīgu aģentu reģistrācija un identificēšana;
- drošība lauksaimniecībā un pārtikas ražošanā.

Datori un mikroelektronika

Nanodators— uz elektroniskām (mehāniskām, bioķīmiskām, kvantu) tehnoloģijām balstīta skaitļošanas iekārta ar loģisko elementu izmēriem vairāku nanometru kārtu. Arī pašam datoram, kas izstrādāts uz nanotehnoloģiju bāzes, ir mikroskopiski izmēri.

DNS dators- skaitļošanas sistēma, kas izmanto DNS molekulu skaitļošanas iespējas. Biomolekulārā skaitļošana ir kopīgs nosaukums dažādām metodēm, kas vienā vai otrā veidā saistītas ar DNS vai RNS. DNS skaitļošanā dati tiek attēloti nevis nulles un vieninieku formā, bet gan molekulārās struktūras veidā, kas veidota uz DNS spirāles bāzes. Programmatūras lomu datu lasīšanai, kopēšanai un pārvaldībai veic īpaši fermenti.

Atomu spēka mikroskops- augstas izšķirtspējas skenējošās zondes mikroskops, kura pamatā ir konsoles adatas (zondes) mijiedarbība ar pētāmā parauga virsmu. Atšķirībā no skenējošā tunelēšanas mikroskopa (STM), tas var pārbaudīt gan vadošas, gan nevadošas virsmas pat caur šķidruma slāni, kas ļauj strādāt ar organiskajām molekulām (DNS). Atomu spēka mikroskopa telpiskā izšķirtspēja ir atkarīga no konsoles izmēra un tā gala izliekuma. Izšķirtspēja sasniedz atomu horizontāli un ievērojami pārsniedz to vertikāli.

Antena-oscilators- 2005. gada 9. februārī Bostonas Universitātes laboratorijā tika iegūta antena-oscilators, kura izmēri ir aptuveni 1 mikrons. Šai ierīcei ir 5000 miljoni atomu un tā spēj svārstīties ar 1,49 gigahercu frekvenci, kas ļauj tai pārraidīt milzīgus informācijas apjomus.

Nanomedicīna un farmācijas rūpniecība

Mūsdienu medicīnas virziens, kas balstīts uz nanomateriālu un nanoobjektu unikālo īpašību izmantošanu, lai izsekotu, izstrādātu un modificētu cilvēka bioloģiskās sistēmas nanomolekulārā līmenī.

DNS nanotehnoloģija- izmantot specifiskas DNS bāzes un nukleīnskābju molekulas, lai uz to pamata izveidotu skaidri noteiktas struktūras.

Zāļu molekulu un skaidri noteiktas formas farmakoloģisko preparātu (bispeptīdu) rūpnieciskā sintēze.

2000. gada sākumā straujais nanodaļiņu tehnoloģijas progress deva impulsu jaunas nanotehnoloģijas jomas attīstībai: nanoplazmonika. Izrādījās, ka elektromagnētisko starojumu iespējams pārraidīt pa metāla nanodaļiņu ķēdi, izmantojot plazmona svārstību ierosmi.

Robotika

Nanorobots- roboti, kas izveidoti no nanomateriāliem un pēc izmēra salīdzināmi ar molekulu, ar pārvietošanās, informācijas apstrādes un pārraides un programmu izpildes funkcijām. Nanoroboti, kas spēj izveidot paši sev kopijas, t.i. pašreprodukciju sauc par replikatoriem.

Šobrīd jau ir izveidotas elektromehāniskās nanoierīces ar ierobežotu mobilitāti, kuras var uzskatīt par nanorobotu prototipiem.

Molekulārie rotori- sintētiskie nanoizmēra dzinēji, kas spēj radīt griezes momentu, kad tiem tiek pievadīts pietiekami daudz enerģijas.

Krievijas vieta starp valstīm, kas izstrādā un ražo nanotehnoloģijas

Pasaules līderi kopējo investīciju ziņā nanotehnoloģijās ir ES valstis, Japāna un ASV. Pēdējā laikā Krievija, Ķīna, Brazīlija un Indija ir ievērojami palielinājušas investīcijas šajā nozarē. Krievijā programmas "Nanoindustrijas infrastruktūras attīstība Krievijas Federācijā 2008. - 2010. gadam" finansējuma apjoms būs 27,7 miljardi rubļu.

Londonā bāzētās pētījumu firmas Cientifica jaunākajā (2008. gada) ziņojumā, ko sauc par Nanotechnology Outlook Report, Krievijas investīcijas ir aprakstītas burtiski šādi: “Lai gan ES joprojām ieņem pirmo vietu investīciju ziņā, Ķīna un Krievija jau ir apsteigušas ASV. ”

Nanotehnoloģijā ir jomas, kurās Krievijas zinātnieki kļuva par pirmajiem pasaulē, iegūstot rezultātus, kas lika pamatu jaunu zinātnes virzienu attīstībai.

To vidū ir ultradisperso nanomateriālu ražošana, viena elektrona ierīču projektēšana, kā arī darbs atomspēka un skenējošās zondes mikroskopijas jomā. Tikai īpašā izstādē, kas notika XII Sanktpēterburgas ekonomikas foruma (2008) ietvaros, vienlaikus tika prezentētas 80 konkrētas norises.

Krievija jau ražo vairākus nanoproduktus, kas ir pieprasīti tirgū: nanomembrānas, nanopulverus, nanocaurules. Taču, pēc ekspertu domām, nanotehnoloģiju izstrādņu komercializēšanā Krievija par desmit gadiem atpaliek no ASV un citām attīstītajām valstīm.

Materiāls sagatavots, pamatojoties uz informāciju no atklātajiem avotiem

Krievijas Federācijas Izglītības un zinātnes ministrija

Pašvaldības izglītības iestāde

vispārizglītojošā skola – internātskola Nr.1 ​​vidusskola (pilna)

vispārējā izglītība Tomskā

KOPSAVILKUMS

par šo tēmu: Nanotehnoloģijas mūsdienu pasaulē

Izpildīts: 8.A klases skolnieks

Sahņenko Marija

Pārraugs: Pakhorukova D.P.

Fizikas skolotājs

Tomska 2010

IEVADS

Pašlaik tikai daži cilvēki zina, kas ir nanotehnoloģija, lai gan aiz šīs zinātnes slēpjas nākotne. Mana darba galvenais mērķis ir iepazīties ar nanotehnoloģiju. Vēlos arī noskaidrot šīs zinātnes pielietojumu dažādās nozarēs un noskaidrot, vai nanotehnoloģijas var būt bīstamas cilvēkiem.

Zinātnes un tehnoloģiju joma, ko sauc par nanotehnoloģiju, ir radusies salīdzinoši nesen. Šīs zinātnes izredzes ir milzīgas. Pati daļiņa “nano” nozīmē vienu miljardo daļu no daudzuma. Piemēram, nanometrs ir viena miljardā daļa no metra. Šie izmēri ir līdzīgi molekulu un atomu izmēriem. Precīza nanotehnoloģijas definīcija ir šāda: nanotehnoloģija ir tehnoloģija, kas manipulē ar vielu atomu un molekulu līmenī (tāpēc nanotehnoloģiju sauc arī par molekulāro tehnoloģiju). Nanotehnoloģiju attīstības stimuls bija Ričarda Feinmena lekcija, kurā viņš zinātniski pierāda, ka no fizikas viedokļa nav nekādu šķēršļu radīt lietas tieši no atomiem. Lai apzīmētu līdzekli efektīvai manipulācijai ar atomiem, tika ieviests montētāja jēdziens - molekulāra nanomašīna, kas var izveidot jebkuru molekulāro struktūru. Dabiskā montētāja piemērs ir ribosoma, kas sintezē olbaltumvielas dzīvos organismos. Acīmredzot nanotehnoloģija nav tikai atsevišķs zināšanu kopums, tā ir liela mēroga, visaptveroša pētniecības joma, kas saistīta ar fundamentālajām zinātnēm. Var teikt, ka gandrīz jebkurš skolā apgūtais priekšmets tā vai citādi būs saistīts ar nākotnes tehnoloģijām. Šķiet, ka visredzamākā ir saikne starp “nano” un fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Acīmredzot tieši šīs zinātnes saņems vislielāko impulsu attīstībai saistībā ar tuvojošos nanotehnoloģisko revolūciju.

1. NANOTEHNOLOĢIJA MODERNĀ PASAULĒ

1.1.Nanotehnoloģiju rašanās vēsture

Par nanotehnoloģiju vectēvu var uzskatīt grieķu filozofu Demokritu. Viņš pirmo reizi izmantoja vārdu "atoms", lai aprakstītu mazākās matērijas daļiņas. Vairāk nekā divdesmit gadsimtus cilvēki ir mēģinājuši iekļūt šīs daļiņas struktūras noslēpumā. Šīs daudzām fiziķu paaudzēm neiespējamās problēmas risinājums kļuva iespējams divdesmitā gadsimta pirmajā pusē pēc tam, kad vācu fiziķi Makss Knolls un Ernsts Ruska izveidoja elektronu mikroskopu, kas pirmo reizi ļāva pētīt nanoobjektus. .

Daudzos avotos, galvenokārt angļu valodā, pirmā pieminēšana par metodēm, kuras vēlāk tiks sauktas par nanotehnoloģiju, saista Ričarda Feinmena slaveno runu “There’s Plenty of Roo at the Bottom”, ko viņš teica 1959. gadā Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā ikgadējā sanāksmē. Amerikas Fizikas biedrības. Ričards Feinmens ierosināja, ka ir iespējams mehāniski pārvietot atsevišķus atomus, izmantojot atbilstoša izmēra manipulatoru, vismaz šāds process nebūtu pretrunā ar mūsdienās zināmajiem fizikas likumiem.

Viņš ieteica veikt šo manipulatoru šādā veidā. Ir nepieciešams izveidot mehānismu, kas radītu sev kopiju, tikai par kārtu mazāku. Izveidotajam mazākajam mehānismam atkal jārada sevis kopija, atkal par kārtu mazāka un tā tālāk, līdz mehānisma izmēri ir samērojami ar viena atoma kārtas izmēriem. Tādā gadījumā būs jāveic izmaiņas šī mehānisma struktūrā, jo makrokosmosā darbojošos gravitācijas spēku ietekme būs arvien mazāka, un starpmolekulārās mijiedarbības spēki arvien vairāk ietekmēs mehānisma darbību. Pēdējais posms - iegūtais mehānisms saliks savu kopiju no atsevišķiem atomiem. Principā šādu kopiju skaits ir neierobežots, īsā laikā būs iespējams izveidot patvaļīgu skaitu šādu iekārtu. Šīs mašīnas varēs montēt makro lietas tādā pašā veidā, ar atomu montāžu. Tas padarīs lietas daudz lētākas – šādiem robotiem (nanorobotiem) vajadzēs dot tikai nepieciešamo molekulu skaitu un enerģiju, un uzrakstīt programmu nepieciešamo priekšmetu salikšanai. Pagaidām šo iespēju neviens nav spējis atspēkot, taču arī šādus mehānismus nevienam vēl nav izdevies izveidot. Šāda robota galvenais trūkums ir neiespējamība izveidot mehānismu no viena atoma.

Šādi R. Feinmans aprakstīja savu iespējamo manipulatoru:

ES domāju par izveidojot elektriski vadāmu sistēmu , kurā tiek izmantoti tradicionāli ražotie “servisa roboti” četras reizes samazinātu operatora “roku” kopiju veidā. Šādi mikromehānismi varēs viegli veikt darbības samazinātā mērogā. Es runāju par sīkiem robotiem, kas aprīkoti ar servomotoriem un maziem "ieročiem", kas spēj pievilkt tikpat mazas skrūves un uzgriežņus, urbt ļoti mazus caurumus utt. Īsāk sakot, tie spēs veikt visu darbu mērogā 1:4. Lai to izdarītu, protams, vispirms ir jāsagatavo nepieciešamie mehānismi, instrumenti un manipulācijas rokas līdz vienai ceturtdaļai no ierastā izmēra (patiesībā ir skaidrs, ka tas nozīmē visu saskares virsmu samazināšanu 16 reizes). Pēdējā posmā šīs ierīces tiks aprīkotas ar servomotoriem (ar 16 reizes samazinātu jaudu) un savienotas ar parasto elektrisko vadības sistēmu. Pēc tam jūs varēsiet izmantot 16 reizes mazākas manipulatora rokas! Šādu mikrorobotu, kā arī mikromašīnu pielietojuma joma var būt diezgan plaša – no ķirurģiskām operācijām līdz radioaktīvo materiālu transportēšanai un apstrādei. Ceru, ka piedāvātās programmas princips, kā arī ar to saistītās negaidītās problēmas un aizraujošās iespējas ir skaidras. Turklāt jūs varat padomāt par turpmāku būtisku mēroga samazinājumu, kas, protams, prasīs turpmākas dizaina izmaiņas un modifikācijas (starp citu, noteiktā posmā jums var nākties atteikties no ierastās formas “rokas” ), bet dos iespēju ražot jaunas, daudz modernākas aprakstītā tipa ierīces. Nekas neliedz jums turpināt šo procesu un izveidot tik daudz sīku mašīnu, cik vēlaties, jo nav nekādu ierobežojumu attiecībā uz iekārtu izvietojumu vai to materiālu patēriņu. To apjoms vienmēr būs daudz mazāks par prototipa tilpumu. Ir viegli aprēķināt, ka 1 miljona mašīnu kopējais tilpums, kas samazināts par 4000 reižu (un līdz ar to ražošanā izmantoto materiālu masa), būs mazāks par 2% no parastās normālu izmēru mašīnas tilpuma un svara. Ir skaidrs, ka tas nekavējoties novērš materiālu izmaksu problēmu. Principā būtu iespējams organizēt miljoniem identisku miniatūru rūpnīcu, kurās sīkas mašīnas nepārtraukti urbtu caurumus, štancētu detaļas utt. Kļūstot mazākiem, mēs pastāvīgi saskarsimies ar ļoti neparastām fiziskām parādībām. Viss, ar ko saskaraties dzīvē, ir atkarīgs no liela mēroga faktoriem. Turklāt pastāv arī materiālu “salipšanas” problēma starpmolekulāro mijiedarbības spēku (tā saukto van der Vālsa spēku) ietekmē, kas var izraisīt makroskopiskā mērogā neparastus efektus. Piemēram, uzgrieznis neatdalīsies no skrūves, kad tas ir atskrūvēts, un atsevišķos gadījumos "pielips" cieši pie virsmas utt. Ir vairākas šāda veida fiziskas problēmas, kas jāņem vērā, projektējot un būvējot mikroskopiskus mehānismus.

1.2. Kas ir nanotehnoloģija

Parādījušās pavisam nesen, nanotehnoloģijas arvien vairāk ienāk zinātniskās pētniecības jomā un no tās arī mūsu ikdienā. Zinātnieku attīstība arvien vairāk attiecas uz mikropasaules objektiem, atomiem, molekulām un molekulu ķēdēm. Mākslīgi radītie nanoobjekti pastāvīgi pārsteidz pētniekus ar savām īpašībām un sola visnegaidītākās to pielietojuma perspektīvas.

Mērvienība nanotehnoloģiju pētniecībā ir nanometrs – miljardā daļa no metra. Šādās mērvienībās tiek mērītas molekulas un vīrusi, tagad arī jaunās paaudzes datoru mikroshēmu elementi. Tieši nanomērogā notiek visi pamata fizikālie procesi, kas nosaka makromijiedarbību.

Pati daba mudina cilvēku uz domu par nanoobjektu radīšanu. Jebkura baktērija faktiski ir organisms, kas sastāv no nanomašīnām: DNS un RNS kopē un pārraida informāciju, ribosomas veido olbaltumvielas no aminoskābēm, mitohondriji ražo enerģiju. Acīmredzot šajā zinātnes attīstības posmā zinātniekiem ienāk prātā šīs parādības kopēt un uzlabot.

Pašvaldības izglītības iestāde "Humanitārais un pedagoģiskais licejs"

Nanotehnoloģijas skolēniem

Pabeidza: Sagaidachnaya Anastasija, 10 “B” klase

Ievads_____________________________________________________________________________________3

Nanotehnoloģiju vēsture___________________________________________________________________4

Nanotehnoloģiju instrumenti__________________________________________________________10

Nanopasaules noslēpumi_________________________________________________________________________25

Nanotehnoloģijas un medicīna_________________________________________________________________________36

Nanotehnoloģijas sadzīvē un rūpniecībā____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________42

Tiem, kuri vēlas saistīt nākotni ar nanotehnoloģiju_______________________________________________52

Literatūra_________________________________________________________________________56

Ievads

Lidmašīnas, raķetes, televizori un datori 20. gadsimtā mainīja pasauli mums apkārt. Zinātnieki apgalvo, ka nākamajā 21. gadsimtā jaunās tehniskās revolūcijas kodols būs materiāli, medikamenti, ierīces, sakari un piegādes ierīces, kas izgatavotas, izmantojot nanotehnoloģiju.

Tulkojumā no grieķu valodas vārds "nano" nozīmē punduris. Viens nanometrs (nm) ir viena miljardā daļa no metra (10-9 m). Nanometrs ir ļoti, ļoti mazs. Nanometrs ir tikpat reižu mazāks par vienu metru, cik pirksta biezums ir mazāks par Zemes diametru. Lielākajai daļai atomu diametrs ir no 0,1 līdz 0,2 nm, un DNS virkņu biezums ir aptuveni 2 nm. Sarkano asinsķermenīšu diametrs ir 7000 nm, un cilvēka matu biezums ir 80 000 nm.

Mūsu acu priekšā zinātniskā fantastika kļūst par realitāti – kļūst iespējams pārvietot atsevišķus atomus un salikt tos kopā kā kubus neparasti maza izmēra un tāpēc parastai acij neredzamās ierīcēs un mehānismos. Nanotehnoloģijas, izmantojot jaunākos fizikas, ķīmijas un bioloģijas sasniegumus, ir ne tikai kvantitatīvs, bet kvalitatīvs lēciens no darba ar vielu uz manipulācijām ar atsevišķiem atomiem.

Nanotehnoloģiju rašanās un attīstības vēsture

Ričards Feinmens - nanotehnoloģiju revolūcijas pravietis

Ideju, ka varētu būt iespējams salikt ierīces un strādāt ar nanomēroga objektiem, pirmo reizi 1959. gadā runāja Nobela prēmijas laureāts Ričards Feinmens Kaltech (“Tur lejā ir daudz vietas!”). Vārds “apakšā” lekcijas nosaukumā nozīmēja “ļoti mazu izmēru pasauli”. Tad Feinmens teica, ka kādreiz, piemēram, 2000. gadā, cilvēki brīnīsies, kāpēc zinātnieki 19. gadsimta pirmajā pusē izlēca cauri šim nanomēroga izmēru diapazonam, visus savus spēkus koncentrējot atoma un atoma kodola izpētei. Pēc Feinmena domām, cilvēki dzīvoja ļoti ilgu laiku, nepamanot, ka viņiem blakus dzīvoja vesela priekšmetu pasaule, kuras nebija iespējams redzēt. Nu, ja mēs neredzējām šos objektus, tad mēs nevarētu ar tiem strādāt.

Taču mēs paši sastāvam no ierīcēm, kas lieliski mācījušās strādāt ar nanoobjektiem. Tās ir mūsu šūnas – ķieģeļi, kas veido mūsu ķermeni. Šūna visu mūžu strādā ar nanoobjektiem, saliekot no dažādiem atomiem kompleksu vielu molekulas. Savācot šīs molekulas, šūna tās ievieto dažādās daļās - dažas nonāk kodolā, citas citoplazmā, bet citas - membrānā. Iedomājieties iespējas, kas pavērsies cilvēcei, ja tā apgūs to pašu nanotehnoloģiju, kas jau ir katrai cilvēka šūnai.

Feinmens apraksta nanotehnoloģiju revolūcijas sekas datoriem. “Ja, piemēram, savienojošo vadu diametrs svārstās no 10 līdz 100 atomiem, tad nevienas ķēdes izmērs nepārsniegs vairākus tūkstošus angstremu. Ikviens, kurš ir saistīts ar datortehnoloģiju, zina par iespējām, ko sola to attīstība un sarežģījumi. Ja izmantoto elementu skaits palielināsies miljoniem reižu, datoru iespējas ievērojami paplašināsies. Viņi iemācīsies spriest, analizēt pieredzi un aprēķināt savas darbības, atrast jaunas skaitļošanas metodes utt. Elementu skaita pieaugums radīs būtiskas kvalitatīvas izmaiņas datora īpašībās.

Izsaucis zinātniekus nanopasaulē, Feinmens nekavējoties brīdina par šķēršļiem, kas viņus tur sagaida, izmantojot tikai 1 mm gara mikroauto izgatavošanas piemēru. Tā kā parastas automašīnas detaļas ir izgatavotas ar precizitāti 10 -5 m, tad mikroauto detaļas būtu jāizgatavo ar 4000 reižu lielāku precizitāti, t.i. 2.5. 10 -9 m Tātad mikroauto detaļu izmēriem jāatbilst aprēķinātajiem ar precizitāti ± 10 atomu slāņu.

Nanopasaule ir ne tikai pilna ar šķēršļiem un problēmām. Labas ziņas mūs sagaida nanopasaulē – visas nanopasaules daļas izrādās ļoti izturīgas. Tas notiek tāpēc, ka nanoobjektu masa samazinās proporcionāli to izmēra trešajai pakāpei, bet šķērsgriezuma laukums - proporcionāli otrajai pakāpei. Tas nozīmē, ka katra objekta elementa mehāniskā slodze - elementa svara attiecība pret tā šķērsgriezuma laukumu - samazinās proporcionāli objekta izmēram. Tādējādi proporcionāli samazinātam nanotabletam ir nanokājas, kas ir miljards reižu biezākas nekā nepieciešams.

F Einmans uzskatīja, ka cilvēks var viegli apgūt nanopasauli, ja viņš radīs robotu mašīnu, kas spēj izgatavot mazāku, bet darbināmu viņa kopiju. Ļaujiet, piemēram, iemācīties izveidot robotu, kas bez mūsu līdzdalības var izveidot sev kopiju, kas samazināta 4 reizes. Tad šis mazais robots varēs izgatavot oriģināla kopiju, samazinātu par 16 reizēm utt. Ir acīmredzams, ka 10. šādu robotu paaudze radīs robotus, kuru izmēri būs miljoniem reižu mazāki par oriģinālajiem (skat. 3. att.).

3. attēls. R. Feinmena koncepcijas ilustrācija, kurš piedāvāja vienu no algoritmiem, kā varētu iekļūt nanopasaulē - roboti autonomi veido mazākas sevis kopijas. Pielāgots no Scientific American, 2001, septembris, lpp. 84.

Protams, sarūkot izmēram, mēs nepārtraukti saskarsimies ar ļoti neparastām fiziskām parādībām. Nenozīmīgais nanorobota detaļu svars novedīs pie tā, ka starpmolekulāro mijiedarbības spēku ietekmē tās pielips viena pie otras un, piemēram, uzgrieznis pēc atskrūvēšanas netiks atdalīts no skrūves. Tomēr mums zināmie fizikas likumi neaizliedz radīt objektus “atomu pēc atoma”. Manipulācijas ar atomiem principā ir diezgan reālas un nepārkāpj nekādus dabas likumus. Praktiskās grūtības tās īstenošanā ir saistītas tikai ar to, ka mēs paši esam pārāk lieli un smagnēji objekti, kā rezultātā mums ir grūti veikt šādas manipulācijas.

Lai kaut kādā veidā stimulētu mikroobjektu izveidi, Feinmens apsolīja maksāt 1000 USD ikvienam, kurš varētu uzbūvēt elektromotoru, kura izmērs ir 1/64 collas (1 colla »2,5 cm). Un pavisam drīz šāds mikromotors tika izveidots (skat. 4. att.). Kopš 1993. gada Feynman balvu katru gadu piešķir par izciliem sasniegumiem nanotehnoloģiju jomā.

4. attēls. Fotoattēlā (a) R. Feinmans (pa labi) pēta ar mikroskopu izgatavoto mikromotoru, kura izmērs ir 380 mikroni, kas parādīts attēlā pa labi. Fotoattēlā (b) ir redzama tapas galva.

Feinmens savā lekcijā runāja arī par nanoķīmijas perspektīvām. Ķīmiķi tagad izmanto sarežģītas un dažādas metodes, lai sintezētu jaunas vielas. Kad fiziķi ir izveidojuši ierīces, kas var manipulēt ar atsevišķiem atomiem, daudzas tradicionālās ķīmiskās sintēzes metodes var aizstāt ar "atomu montāžas" metodēm. Tajā pašā laikā, kā uzskatīja Feinmens, fiziķi principā patiešām var iemācīties sintezēt jebkuru vielu, pamatojoties uz rakstisku ķīmisko formulu. Ķīmiķi pasūtīs sintēzi, un fiziķi vienkārši “sakārtos” atomus piedāvātajā secībā. Manipulācijas tehnikas attīstība atomu līmenī atrisinās daudzas problēmas ķīmijā un bioloģijā.

E. Drekslera radīšanas mašīnas

Nanotehnoloģijas kļuva par atsevišķu zinātnes jomu un kļuva par ilgtermiņa tehnisku projektu pēc amerikāņu zinātnieka Ērika Drekslera detalizētas analīzes 80. gadu sākumā un viņa grāmatas “Radīšanas dzinēji: Nanotehnoloģiju ēra” publicēšanas.

Tā sākas viņa grāmata. “OGLES un DIMANTI, smiltis un datoru mikroshēmas, vēzis un veseli audi - visā vēsturē, atkarībā no atomu secības, radās lēti vai dārgi, slimi vai veseli. Tādā pašā veidā atomi veido augsni, gaisu un ūdeni; tās ir nogatavojušās zemenes. Vienā veidā izkārtoti tie veido mājas un svaigu gaisu; pēc citu pasūtījuma tie veido pelnus un dūmus.

Mūsu spēja sakārtot atomus ir tehnoloģiju pamatā. Mēs esam tikuši tālu savā spējā sakārtot atomus, sākot no krama asināšanas bultu uzgaļiem līdz alumīnija apstrādei kosmosa kuģiem. Mēs lepojamies ar mūsu tehnoloģijām, mūsu dzīvības glābšanas zālēm un galddatoriem. Tomēr mūsu kosmosa kuģi joprojām ir neapstrādāti, mūsu datori joprojām ir stulbi, un molekulas mūsu audos joprojām ir pakāpeniski nesakārtotas, vispirms iznīcinot veselību un pēc tam pašu dzīvību. Visiem mūsu panākumiem atomu sakārtošanā mēs joprojām izmantojam primitīvas sakārtošanas metodes. Izmantojot mūsu pašreizējo tehnoloģiju, mēs joprojām esam spiesti manipulēt ar lielām, slikti kontrolētām atomu grupām.

Taču dabas likumi sniedz daudz iespēju progresam, un globālās konkurences spiediens mūs vienmēr dzen uz priekšu. Labāk vai sliktāk, bet mums priekšā ir lielākais tehnoloģiskais sasniegums vēsturē.

Saskaņā ar Drekslera definīciju nanotehnoloģija ir "paredzama ražošanas tehnoloģija, kas vērsta uz zemu izmaksu ierīču un vielu ražošanu ar iepriekš noteiktu atomu struktūru". Daudzi eksperti uzskata, ka nākamo 50 gadu laikā daudzas ierīces kļūs tik mazas, ka tūkstotis šo nanomašīnu varētu viegli ietilpt zonā, ko aizņem punkts šī teikuma beigās. Lai saliktu nanomašīnas, jums ir nepieciešams:

(1) iemācieties strādāt ar atsevišķiem atomiem - paņemiet tos un novietojiet tos pareizajā vietā.

(2) izstrādāt montētājus - nanoierīces, kas varētu strādāt ar atsevišķiem atomiem tādā veidā, kā aprakstīts (1), izmantojot programmas, kuras rakstījis cilvēks, bet bez viņa līdzdalības. Tā kā katra manipulācija ar atomu prasa noteiktu laiku un atomu ir ļoti daudz, zinātnieki lēš, ka šādu nanomontētāju ir nepieciešams saražot miljardiem vai pat triljoniem, lai montāžas process neaizņemtu daudz laika.

(3) izstrādāt replikatorus – ierīces, kuras ražotu nanomontieri, jo tās būs jātaisa ļoti, ļoti daudz.

Paies gadi, līdz parādīsies nanomontieri un replikatori, taču to parādīšanās šķiet gandrīz neizbēgama. Turklāt katrs solis šajā ceļā padarīs nākamo reālāku. Pirmie soļi nanomašīnu radīšanā jau ir sperti. Tās ir “ģenētiskā inženierija” un “biotehnoloģija”.

Dziedināšanas mašīnas

E. Drekslers ierosināja izmantot nanomašīnas cilvēku ārstēšanai. Cilvēka ķermenis sastāv no molekulām, un cilvēki kļūst slimi un veci, jo parādās “nevajadzīgās” molekulas, un samazinās “vajadzīgo” koncentrācija vai mainās to struktūra. Tā rezultātā cilvēki cieš. Nekas neliedz cilvēkam izgudrot nanomašīnas, kas spēj pārkārtot atomus “sabojātās” molekulās vai salikt tās no jauna. Ir skaidrs, ka šādas nanomašīnas var radīt revolūciju medicīnā.

Nākotnē tiks radītas nanomašīnas (nanoroboti), kas pielāgotas, lai iekļūtu dzīvā šūnā, analizētu tās stāvokli un nepieciešamības gadījumā to “ārstētu”, mainot molekulu, no kurām tā sastāv, struktūru. Šīs nanomašīnas, kas paredzētas šūnu remontam, pēc izmēra būs salīdzināmas ar baktērijām un pārvietosies pa cilvēka audiem, piemēram, leikocītiem (baltajām asins šūnām) un iekļūs šūnās tāpat kā vīrusi (sk. 6. attēlu).

Izveidojot nanomašīnas šūnu remontam, pacienta ārstēšana pārvērtīsies par sekojošu darbību secību. Pirmkārt, strādājot molekulu pēc molekulas un struktūru pēc struktūras, nanomašīnas atjaunos (izārstēs) jebkura audu vai orgāna šūnu pa šūnai. Tad, strādājot orgānu pēc orgāna visā ķermenī, tie atjaunos cilvēka veselību.

6. attēls. Shematisks nanorobota attēlojums uz šūnas virsmas. Var redzēt, ka nanorobota taustekļi iekļūst šūnas iekšpusē.

Fotolitogrāfija – ceļš uz nanopasauli: no augšas uz leju

Zinātnieki un tehnologi jau sen ir centušies iekļūt mazo izmēru pasaulē, īpaši tie, kas izstrādā jaunas elektroniskās ierīces un ierīces. Lai elektroniskā ierīce būtu gudra un uzticama, tai jāsastāv no milzīga skaita bloku, kas nozīmē, ka tajā ir jābūt tūkstošiem un dažreiz miljoniem tranzistoru.

Optisko fotolitogrāfiju izmanto tranzistoru un integrālo shēmu ražošanā. Tās būtība ir šāda. Uz oksidētā silīcija virsmas tiek uzklāts fotorezista slānis (polimēra gaismas jutīgs materiāls), un pēc tam uz tā tiek uzklāta fotomaska ​​- stikla plāksne ar integrālās shēmas elementu zīmējumu (skat. 7. att.).

7. attēls. Elektroniskā pulksteņa integrālās shēmas fotomaska.

Caur fotomasku iziet gaismas stars, un tur, kur nav melnās krāsas, gaisma ietriecas fotorezistā un izgaismo to (sk. 8. att.).

8. attēls. Mikroshēmu izgatavošanas shēma, izmantojot fotolitogrāfiju (no kreisās uz labo). Vispirms tiek izgatavota fotomaska, kurai ar lāzera staru tiek izgaismota stikla plāksne, kas pārklāta ar hroma un fotorezista kārtu, un pēc tam kopā ar hromu tiek noņemtas izgaismotās fotorezista daļas. Veidne tiek novietota paralēlā ultravioletās gaismas starā, ko fokusē ar objektīvu un nokrīt uz silīcija vafeles virsmas, kas pārklāta ar plānu silīcija oksīda un fotorezista kārtu. Sekojošā termiskā un ķīmiskā apstrāde rada sarežģītu divdimensiju rievu modeli, kas nepieciešams elektroniskās shēmas montāžai.

Pēc tam visi fotorezista apgabali, kas nebija apstrādāti ar gaismu, tiek noņemti, un tie, kas tika izgaismoti, tiek pakļauti termiskai apstrādei un ķīmiskai kodināšanai. Tādējādi uz silīcija oksīda virsmas veidojas raksts, un silīcija vafele ir gatava kļūt par elektroniskās shēmas galveno daļu. Tranzistors tika izgudrots 1947. gadā, un tad tā izmēri bija aptuveni 1 cm Fotolitogrāfijas metožu uzlabojumi ļāva palielināt tranzistora izmēru līdz 100 nm. Taču fotolitogrāfijas pamatā ir ģeometriskā optika, kas nozīmē, ka, izmantojot šo metodi, nav iespējams novilkt divas paralēlas taisnes attālumā, kas ir mazāks par viļņa garumu. Tāpēc tagad mikroshēmu fotolitogrāfiskajā ražošanā tiek izmantota ultravioletā gaisma ar īsu viļņa garumu, bet tālāka viļņa garuma samazināšana kļūst dārga un sarežģīta, lai gan modernās tehnoloģijas jau izmanto elektronu starus mikroshēmu izveidošanai.

Ievadīšanu nanomēroga izmēru pasaulē, kurai mikroshēmu ražotāji ir sekojuši līdz šim, var saukt par “no augšas uz leju” ceļu. Viņi izmanto tehnoloģijas, kas sevi pierādījušas makro pasaulē, un tikai cenšas mainīt mērogu. Bet ir vēl viens veids - “no apakšas uz augšu”. Ko darīt, ja piespiestu pašus atomus un molekulas pašorganizēties vairāku nanometru lielās sakārtotās grupās un struktūrās. Nanostruktūras veidojošo molekulu pašorganizēšanās piemēri ir oglekļa nanocaurules, kvantu punkti, nanovadi un dendrimēri, kas tiks apspriesti plašāk? sīkāk zemāk.

NANOTEHNOLOĢIJAS RĪKI

Skenējošās zondes mikroskops

Pirmās ierīces, kas ļāva novērot nanoobjektus un tos pārvietot, bija skenējošās zondes mikroskopi - atomu spēka mikroskops un skenējošais tuneļmikroskops, kas darbojās pēc līdzīga principa. Atomu spēka mikroskopiju (AFM) izstrādāja G. Binnig un G. Rohrer, kuriem par šo pētījumu 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija. Atomu spēka mikroskopa izveide, kas spēj sajust pievilkšanās un atgrūšanas spēkus, kas rodas starp atsevišķiem atomiem, ir ļāvusi beidzot "pieskarties un redzēt" nanoobjektus.

9. attēls. Skenējošās zondes mikroskopa darbības princips. Punktētā līnija parāda lāzera stara ceļu. Citi skaidrojumi ir tekstā.

AFM (sk. 9. att.) pamatā ir zonde, kas parasti ir izgatavota no silīcija un attēlo plānu konsoles plāksni (to sauc par konsoles, no angļu vārda “console” - konsole, sija). Konsoles galā (garums  500 μm, platums  50 μm, biezums  1 μm) ir ļoti asa smaile (garums  10 μm, izliekuma rādiuss no 1 līdz 10 nm), kas beidzas ar vienu grupu. vai vairāk atomu (skat. 10. att.).

10. attēls. Tās pašas zondes elektronu mikrofotogrāfijas, kas uzņemtas ar mazu (augšpusē) un lielu palielinājumu.

Kad mikrozonde pārvietojas pa parauga virsmu, tapas gals paceļas un nokrīt, iezīmējot virsmas mikroreljefu, tāpat kā gramofona irbulis slīd pa gramofona ierakstu. Konsoles izvirzītajā galā (virs tapas, sk. 9. att.) ir spoguļa laukums, uz kura krīt un atstarojas lāzera stars. Kad smaile nolaižas un paceļas uz virsmas nelīdzenumiem, atstarotais stars tiek novirzīts, un šo novirzi reģistrē fotodetektors, un spēku, ar kādu smaile tiek piesaistīta blakus esošajiem atomiem, reģistrē ar pjezoelektrisko sensoru.

Dati no fotodetektora un pjezoelektriskā sensora tiek izmantoti atgriezeniskās saites sistēmā, kas var nodrošināt, piemēram, pastāvīgu mijiedarbības spēka vērtību starp mikrozondi un parauga virsmu. Rezultātā ir iespējams reāllaikā konstruēt parauga virsmas tilpuma reljefu. AFM metodes izšķirtspēja ir aptuveni 0,1-1 nm horizontāli un 0,01 nm vertikāli. Attēlā parādīts Escherichia coli baktēriju attēls, kas iegūts, izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu. vienpadsmit.

11. attēls. Escherichia coli baktērija ( Escherichia coli). Attēls tika iegūts, izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu. Baktērijas garums ir 1,9 mikroni, platums ir 1 mikrons. Ziedu un skropstu biezums ir attiecīgi 30 nm un 20 nm.

Cita skenēšanas zondes mikroskopu grupa izmanto tā saukto kvantu mehānisko "tuneļa efektu", lai izveidotu virsmas reljefu. Tuneļa efekta būtība ir tāda, ka elektriskā strāva starp asu metāla adatu un virsmu, kas atrodas aptuveni 1 nm attālumā, sāk būt atkarīga no šī attāluma - jo mazāks attālums, jo lielāka strāva. Ja starp adatu un virsmu tiek pielikts 10 V spriegums, šī "tuneļa" strāva var svārstīties no 10 pA līdz 10 nA. Izmērot šo strāvu un uzturot to nemainīgu, attālumu starp adatu un virsmu var arī saglabāt nemainīgu. Tas ļauj izveidot virsmas tilpuma profilu (skat. 12. att.). Atšķirībā no atomu spēka mikroskopa, skenējošs tunelēšanas mikroskops var pētīt tikai metālu vai pusvadītāju virsmas.

12. attēls. Skenējošā tuneļmikroskopa adata, kas atrodas nemainīgā attālumā (sk. bultiņas) virs pētāmās virsmas atomu slāņiem.

Skenējošo tunelēšanas mikroskopu var izmantot arī, lai pārvietotu atomu uz operatora izvēlētu punktu. Piemēram, ja spriegums starp mikroskopa adatu un parauga virsmu ir izveidots nedaudz augstāks nekā nepieciešams šīs virsmas pētīšanai, tad tai tuvākais parauga atoms pārvēršas par jonu un “lec” uz adatas. Pēc tam, nedaudz pakustinot adatu un mainot spriegumu, jūs varat piespiest izplūdušo atomu “lēkt” atpakaļ uz parauga virsmu. Tādā veidā iespējams manipulēt ar atomiem un veidot nanostruktūras, t.i. struktūras uz virsmas ar izmēriem nanometra kārtībā. Vēl 1990. gadā IBM darbinieki parādīja, ka tas ir iespējams, apvienojot sava uzņēmuma nosaukumu no 35 ksenona atomiem uz niķeļa plāksnes (skat. 13. att.).

13. attēls. Uzņēmuma IBM nosaukums, kas sastāv no 35 ksenona atomiem uz niķeļa plāksnes, ko 1990. gadā izgatavoja šī uzņēmuma darbinieki, izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu.

Izmantojot zondes mikroskopu, jūs varat ne tikai pārvietot atomus, bet arī radīt priekšnoteikumus to pašorganizācijai. Piemēram, ja uz metāla plāksnes ir ūdens piliens, kas satur tiola jonus, tad mikroskopa zonde palīdzēs orientēt šīs molekulas tā, lai to divas ogļūdeņraža astes būtu vērstas prom no plāksnes. Rezultātā ir iespējams uzbūvēt tiola molekulu monoslāni, kas pielīmētas pie metāla plāksnes (sk. 14. att.). Šo metodi molekulu monoslāņa izveidošanai uz metāla virsmas sauc par "pildspalvas nanolitogrāfiju".

14. attēls. Augšējā kreisajā pusē – skenējošās zondes mikroskopa konsoles (tērauda pelēkā krāsā) virs metāla plāksnes. Labajā pusē ir palielināts skats uz apgabalu (attēlā pa kreisi iezīmēts baltā krāsā) zem konsoles gala, kurā shematiski parādītas tiola molekulas ar purpursarkanām ogļūdeņraža astēm, kas zondes galā ir sakārtotas monoslānī.

Optiskās pincetes

Optiskās (vai lāzera) pincetes ir ierīces, kas izmanto fokusētu lāzera staru, lai pārvietotu mikroskopiskus objektus vai turētu tos noteiktā vietā. Lāzera stara fokusa punkta tuvumā gaisma velk visu, kas ir ap to fokusa virzienā (skat. 15. att.).

15. attēls. Optisko pincetes shematisks attēls. Lāzera stars, kas krīt uz objektīvu no augšas, tiek fokusēts piliena iekšpusē. Šajā gadījumā katra daļiņa ūdenī ir pakļauta spēkiem (oranžām bultiņām), kuru rezultāts (zaļā bultiņa) vienmēr ir vērsts uz fokusu.

Spēks, ar kādu gaisma iedarbojas uz apkārtējiem objektiem, ir mazs, taču ar to pietiek, lai lāzera stara fokusā noķertu nanodaļiņas. Kad daļiņa ir fokusā, to var pārvietot kopā ar lāzera staru. Izmantojot optiskās pincetes, var pārvietot daļiņas, kuru izmērs ir no 10 nm līdz 10 μm, un no tām salikt dažādas struktūras (skat. 16. att.). Ir pamats uzskatīt, ka nākotnē lāzera pincetes kļūs par vienu no spēcīgākajiem nanotehnoloģiju instrumentiem.

16. attēls. Dažādi gēla nanodaļiņu modeļi, kas salocīti, izmantojot lāzera pinceti.

Kāpēc dažas daļiņas, nonākot lāzera starā, tiecas uz vietu, kur gaismas intensitāte ir maksimāla, t.i. fokusā (skat. 17. att.)? Tam ir vismaz DIVI iemesli.

17. attēls. Sarkanā stara shematisks attēlojums, kas saplūst pret fokusu un novirzās pēc tā. Punktā, kur ir fokusēts stars, ir redzama pelēka sfēriska daļiņa.

Cēlonises - polarizētās daļiņas tiek ievilktas elektriskajā laukā

Pirms izskaidrot daļiņu tendenci fokusēties, atcerieties, ka gaismas stars ir elektromagnētiskais vilnis, un jo lielāka ir gaismas intensitāte, jo lielāks ir elektriskā lauka stiprums stara šķērsgriezumā. Tāpēc fokusā elektriskā lauka intensitātes vidējā kvadrātiskā vērtība var palielināties vairākas reizes. Tādējādi fokusētā gaismas stara elektriskais lauks kļūst nevienmērīgs, palielinoties intensitātei, tuvojoties fokusam.

Lai daļiņa, kuru vēlamies noturēt ar optiskajām pincetēm, ir izgatavota no dielektriķa. Zināms, ka uz dielektrisku molekulu iedarbojas ārējs elektriskais lauks, kas tās iekšienē dažādos virzienos pārvieto pretējus lādiņus, kā rezultātā šī molekula kļūst par dipolu, kas orientējas pa lauka līnijām. Šo fenomenu sauc polarizācija dielektrisks. Kad dielektriķis ir polarizēts, uz tā virsmām, kas ir pretējas ārējam laukam, parādās pretēji un vienāda lieluma elektriskie lādiņi, t.s. saistīti.

18. attēls. Sfēriskas daļiņas, kas atrodas HOMOGĒNĀ intensitātes elektriskajā laukā, shematisks attēlojums E. Zīmes “+” un “-” norāda saistītos lādiņus, kas rodas uz daļiņas virsmas tās polarizācijas laikā. Elektriskie spēki, kas iedarbojas uz pozitīvajiem (F +) un negatīvajiem (F -) saistītajiem lādiņiem, ir vienādi.

Lai mūsu dielektriskā daļiņa atrodas gaismas starā prom no fokusa. Tad varam pieņemt, ka tas atrodas vienmērīgā elektriskajā laukā (skat. 18. att.). Tā kā elektriskā lauka stiprums pa kreisi un pa labi no daļiņas ir vienāds, arī elektriskie spēki, kas iedarbojas uz pozitīvo ( F+) un negatīvs ( F-) arī saistītās maksas ir vienādas. Rezultātā daļiņa, kas atrodas HOMOGĒNĀ elektriskajā laukā, paliek nekustīga.

Tagad ļaujiet mūsu daļiņai atrasties blakus fokusa apgabalam, kur, virzoties no kreisās puses uz labo, pakāpeniski palielinās elektriskā lauka stiprums (lauka līniju blīvums) (19. attēlā vistālāk kreisā daļiņa). Šajā brīdī daļiņa arī būs polarizēta, bet elektriskie spēki, kas iedarbojas uz pozitīvo ( F+) un negatīvs ( F-) saistītās maksas būs atšķirīgas, jo Lauka stiprums pa kreisi no daļiņas ir mazāks nekā pa labi. Tāpēc daļiņa tiks pakļauta neto spēkam, kas vērsts pa labi, uz fokusa reģionu.

19. attēls. TRĪS sfērisku daļiņu shematisks attēlojums, kas atrodas fokusēta gaismas stara nevienmērīgā elektriskajā laukā netālu no fokusa apgabala. Zīmes “+” un “-” norāda uz saistītiem lādiņiem, kas parādās uz daļiņu virsmas to polarizācijas laikā. Elektriskie spēki, kas iedarbojas uz pozitīviem (F+) un negatīviem (F-) saistītiem lādiņiem, liek daļiņām virzīties uz fokusa apgabalu.

Ir viegli uzminēt, ka uz galējo labo daļiņu (skat. 19. att.), kas atrodas fokusa otrā pusē, iedarbosies rezultējošā daļiņa, kas vērsta pa kreisi, fokusa apgabala virzienā. Tādējādi visas daļiņas, kas noķertas fokusētā gaismas kūlī, tiecas uz fokusu, tāpat kā svārsts tiecas uz savu līdzsvara stāvokli.

CēlonisII - gaismas laušana notur daļiņu stara centrā

Ja daļiņas diametrs ir daudz lielāks par gaismas viļņa garumu, tad šādai daļiņai stājas spēkā ģeometriskās optikas likumi, proti, daļiņa var lauzt gaismu, t.i. mainīt tā virzienu. Tajā pašā laikā saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu gaismas impulsu (fotonu) un daļiņas summai jāpaliek nemainīgai. Citiem vārdiem sakot, ja daļiņa lauž gaismu, piemēram, pa labi, tad tai pašai jāpārvietojas pa kreisi.

Jāņem vērā, ka gaismas intensitāte lāzera starā ir maksimāla gar tās asi un pakāpeniski samazinās līdz ar attālumu no tā. Tāpēc, ja daļiņa atrodas uz gaismas stara ass, tad fotonu skaits, ko tā novirza pa kreisi un pa labi, ir vienāds. Rezultātā daļiņa paliek uz ass (skat. 20. att.). b).

20. attēls. Sfēriskas daļiņas shematisks attēlojums, kas atrodas fokusētā gaismas kūlī pa kreisi no tās ass (a) un uz tās ass (b). Sarkanā ēnojuma intensitāte atbilst gaismas intensitātei noteiktā staru kūļa zonā. 1 un 2 - stari, kuru refrakcija ir parādīta attēlā, un biezums atbilst to intensitātei. F 1 un F 2 ir spēki, kas iedarbojas uz daļiņu saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu, attiecīgi 1. un 2. staru laušanas laikā. F net - iegūtais F 1 un F 2.

Gadījumos, kad daļiņa ir nobīdīta pa kreisi attiecībā pret gaismas stara asi (sk. 20.a att.), pa kreisi novirzīto fotonu skaits (sk. 2. staru 20.a attēlā) pārsniedz to fotonu skaitu, kas novirzīti pret gaismas kūļa asi. pa labi (skat. staru 1 20.a attēlā). Tāpēc rodas spēka komponents F tīkls, kas vērsts pret staru asi, pa labi.

Ir acīmredzams, ka daļiņu, kas pārvietota pa labi no stara ass, ietekmēs rezultējošā daļiņa, kas vērsta pa kreisi un atkal pret šī stara asi. Tādējādi visas daļiņas, kas neatrodas uz staru kūļa ass, tiecas uz savu asi, tāpat kā svārsts līdzsvara stāvoklī.

Izņēmumi no noteikumiem

Lai optiskās pincetes izmantotu spēkus, kas aprakstīti iepriekš "iemeslā es", nepieciešams, lai daļiņa būtu polarizēta ārējā elektriskā laukā, un uz tās virsmas parādās saistītie lādiņi. Šajā gadījumā saistītajiem lādiņiem jārada lauks, kas vērsts pretējā virzienā. Tikai šajā gadījumā daļiņas metīsies pretī fokusa apgabals, ja vides, kurā daļiņa peld, dielektriskā konstante ir lielāka par daļiņas vielas dielektrisko konstanti, tad daļiņas polarizācija tiks apgriezta un daļiņai būs tendence izkļūt no fokusa. Tā, piemēram, uzvedas glicerīnā peldošie gaisa burbuļi.

Tie paši ierobežojumi attiecas uz “iemeslu II"Ja daļiņas materiāla absolūtais refrakcijas koeficients ir mazāks nekā videi, kurā tā atrodas, tad daļiņa novirzīs gaismu citā virzienā un tāpēc tiecas attālināties no stara ass Piemēram, tie paši gaisa burbuļi glicerīnā. Tāpēc optiskās pincetes darbojas labāk, ja daļiņu materiāla relatīvais refrakcijas indekss ir lielāks.

Grafēns, oglekļa nanocaurules un fullerēni

Nanostruktūras var salikt ne tikai no atsevišķiem atomiem vai atsevišķām molekulām, bet arī no molekulāriem blokiem. Šādi bloki vai elementi nanostruktūru veidošanai ir grafēns, oglekļa nanocaurules un fullerēni.

Grafēns

Grafēns ir viena plakana loksne, kas sastāv no oglekļa atomiem, kas savienoti kopā, veidojot režģi, kura katra šūna atgādina šūnveida šūnu (21. att.). Attālums starp tuvākajiem oglekļa atomiem grafēnā ir aptuveni 0,14 nm.

21. attēls. Grafēna shematisks attēlojums. Gaismas bumbiņas ir oglekļa atomi, un stieņi starp tām ir saites, kas satur atomus grafēna loksnē.

Grafīts, no kura izgatavoti parasto zīmuļu vadi, ir grafēna lokšņu kaudze (22. att.). Grafēni grafītā ir ļoti vāji saistīti un var slīdēt viens otram garām. Tāpēc, ja grafītu laiž virs papīra, grafēna loksne, kas ar to saskaras, tiek atdalīta no grafīta un paliek uz papīra. Tas izskaidro, kāpēc rakstīšanai var izmantot grafītu.

22. attēls. Trīs grafēna loksnes, kas atrodas viena virs otras grafītā, shematisks attēlojums.

Oglekļa nanocaurules

Daudzas daudzsološas nanotehnoloģiju jomas ir saistītas ar oglekļa nanocaurulēm. Oglekļa nanocaurules ir karkasa struktūras vai milzu molekulas, kas sastāv tikai no oglekļa atomiem. Ir viegli iedomāties oglekļa nanocauruli, ja iedomājaties, ka vienu no grafīta molekulārajiem slāņiem - grafēnu - sarullējat caurulē (23. att.).

23. attēls. Viens no veidiem, kā iztēloties nanocaurules izgatavošanu (pa labi) no molekulārā grafīta slāņa (pa kreisi).

Nanocauruļu locīšanas metode — leņķis starp nanocaurules ass virzienu attiecībā pret grafēna simetrijas asīm (griešanās leņķis) — lielā mērā nosaka tās īpašības. Protams, neviens neizgatavo nanocaurules, izrullējot tās no grafīta loksnes. Nanocaurules veidojas, piemēram, uz oglekļa elektrodu virsmas loka izlādes laikā starp tām. Izlādes laikā oglekļa atomi iztvaiko no virsmas un, savstarpēji savienojoties, veido dažāda veida nanocaurules - vienslāņainas, daudzslāņainas un ar dažādiem vērpes leņķiem (24. att.).

24. attēls. Kreisajā pusē ir shematisks vienas sienas oglekļa nanocaurules attēls; labajā pusē (no augšas uz leju) – divslāņu, taisnas un spirālveida nanocaurules.

Vienas sienas nanocaurules diametrs parasti ir aptuveni 1 nm, un to garums ir tūkstošiem reižu lielāks, sasniedzot aptuveni 40 mikronus. Tie aug uz katoda perpendikulāri tā gala plakanajai virsmai. Notiek tā sauktā oglekļa nanocauruļu pašsavienošanās no oglekļa atomiem. Atkarībā no pagrieziena leņķa nanocaurulēm var būt augsta vadītspēja, piemēram, metāliem, vai tām var būt pusvadītāju īpašības.

Oglekļa nanocaurules ir stiprākas par grafītu, lai gan ir izgatavotas no vieniem un tiem pašiem oglekļa atomiem, jo ​​grafītā oglekļa atomi atrodas loksnēs (22. att.). Un visi zina, ka papīra loksni, kas velmēta caurulē, ir daudz grūtāk saliekt un saplēst nekā parasto loksni. Tāpēc oglekļa nanocaurules ir tik spēcīgas. Nanocaurules var izmantot kā ļoti spēcīgus mikroskopiskus stieņus un vītnes, jo vienas sienas nanocaurules Janga modulis sasniedz 1-5 TPa lielumu, kas ir par kārtu vairāk nekā tēraudam! Tāpēc vītne, kas izgatavota no nanocaurulēm, bieza kā cilvēka mati, var izturēt simtiem kilogramu smagu slodzi.

Tiesa, šobrīd maksimālais nanocauruļu garums parasti ir aptuveni simts mikroni – kas, protams, ir par īsu ikdienas lietošanai. Taču laboratorijā ražoto nanocauruļu garums pamazām palielinās – tagad zinātnieki jau pietuvojušies milimetru atzīmei. Tāpēc ir pamats cerēt, ka jau tuvākajā nākotnē zinātnieki iemācīsies izaudzēt centimetrus un pat metrus garas nanocaurules!

Fullerēni

No grafīta uzkarsētās virsmas iztvaicētie oglekļa atomi, savstarpēji savienojoties, var veidot ne tikai nanocaurules, bet arī citas molekulas, kas ir izliekti slēgti daudzskaldņi, piemēram, sfēras vai elipsoīda formā. Šajās molekulās oglekļa atomi atrodas regulāru sešstūru un piecstūru virsotnēs, kas veido sfēras vai elipsoīda virsmu.

Visi šie oglekļa atomu molekulārie savienojumi ir nosaukti fullerēni nosaukts amerikāņu inženiera, dizainera un arhitekta R. Bakminstera Fullera vārdā, kurš savu ēku kupolu būvniecībā izmantoja piecstūrus un sešstūrus (25. att.), kas ir visu fullerēnu molekulāro karkasu galvenie konstrukcijas elementi.

25. attēls. Fullera biosfēra (ASV paviljons plkst Expo 67, tagad Biosfēras muzejs Monreāla, Kanāda.

Simetriskākā un visvairāk pētītā fullerēna molekulas, kas sastāv no 60 oglekļa atomiem (C 60), veidojas daudzskaldnis, kas sastāv no 20 sešstūriem un 12 piecstūriem un atgādina futbola bumbu (26. att.). C 60 fullerēna diametrs ir aptuveni 1 nm.

26. attēls. Fullerēna C 60 shematisks attēlojums.

Par fullerēnu atklāšanu amerikāņu fiziķim R. Smolijam, kā arī angļu fiziķiem H. Kroto un R. Kērlai g. 1996 bija apbalvots Nobela prēmija. Fullerēna C 60 attēlu daudzi uzskata par nanotehnoloģiju simbolu.

Dendrimeri

Viens no nanopasaules elementiem ir dendrimēri (kokiem līdzīgi polimēri) - nanostruktūras, kuru izmērs ir no 1 līdz 10 nm, kas veidojas, apvienojot molekulas ar sazarotu struktūru. Dendrimeru sintēze ir viena no nanotehnoloģijām, kas ir cieši saistīta ar ķīmiju — polimēru ķīmiju. Tāpat kā visi polimēri, arī dendrimēri sastāv no monomēriem, taču šo monomēru molekulām ir sazarota struktūra. Dendrimers kļūst līdzīgs kokam ar sfērisku vainagu, ja polimēra molekulas augšanas laikā augošie zari nesavienojas kopā (tāpat kā viena koka zari vai blakus esošo koku vainagi neaug kopā). 27. attēlā parādīts, kā var veidoties šādi sfēriskām struktūrām līdzīgi dendrimēri.

27. attēls. Dendrimeru komplekts no sazarotas Z-X-Z molekulas (augšā) un dažāda veida dendrimeriem (apakšā).

Dendrimera iekšpusē var veidoties dobumi, kas piepildīti ar vielu, kuras klātbūtnē veidojās dendrimeri. Ja dendrimers tiek sintezēts šķīdumā, kas satur jebkuru medikamentu, tad šis dendrimers ar šīm zālēm kļūst par nanokapsulu. Turklāt dobumos dendrimera iekšpusē var būt radioaktīvi iezīmētas vielas, ko izmanto dažādu slimību diagnosticēšanai.

Zinātnieki uzskata, ka, piepildot dendrimeru dobumus ar nepieciešamajām vielām, iespējams, piemēram, izmantojot skenējošās zondes mikroskopu no dažādiem dendrimeriem salikt nanoelektroniskās shēmas. Šajā gadījumā ar varu pildīts dendrimers varētu kalpot kā vadītājs utt.

Protams, daudzsološs virziens dendrimeru izmantošanā ir to iespējamā izmantošana kā nanokapsulas, kas piegādā zāles tieši šūnām, kurām šīs zāles ir vajadzīgas. Šādu dendrimeru centrālajai daļai, kas satur zāles, jābūt ieskautai ar apvalku, kas novērš zāļu noplūdi, pie kura ārējās virsmas nepieciešams piestiprināt molekulas (antivielas), kas var specifiski pielipt mērķa šūnu virsmai. . Kad šādas dendrimera nanokapsulas sasniedz un pielīp slimām šūnām, ir nepieciešams iznīcināt dendrimera ārējo apvalku, piemēram, izmantojot lāzeru vai padarīt šo apvalku pašdegradējošu.

Dendrimeri ir viens no ceļiem uz nanopasauli virzienā “no apakšas uz augšu”.

Nanovadi

Nanovadi ir vadi, kuru diametrs ir aptuveni nanometrs, kas izgatavoti no metāla, pusvadītāja vai dielektriķa. Nanovadu garums bieži var pārsniegt to diametru 1000 vai vairāk reižu. Tāpēc nanovadus mēdz dēvēt par viendimensionālām struktūrām, un to ārkārtīgi mazais diametrs (apmēram 100 atomu izmēri) ļauj izpaust dažādus kvantu mehāniskos efektus. Tas izskaidro, kāpēc nanovadus dažreiz sauc par "kvantu vadiem".

Nanovadi dabā nepastāv. Laboratorijās nanovadus visbiežāk iegūst ar epitaksija kad vielas kristalizācija notiek tikai vienā virzienā. Piemēram, silīcija nanovadu var audzēt, kā parādīts attēlā (pa kreisi).

28. attēls. Pa kreisi - silīcija nanovadu (rozā) ražošana ar epitaksiju, izmantojot zelta nanodaļiņu SiH 4 atmosfērā. Labajā pusē ir ZnO nanovadu “mežs”, kas iegūts ar epitaksiju. Pielāgots no Yang et al. (Chem. Eur. J., v.8, 6. lpp., 2002)

Zelta nanodaļiņu ievieto silāna gāzes (SiH 4) atmosfērā, un šī nanodaļiņa kļūst par katalizatoru silāna sadalīšanai ūdeņradī un šķidrā silīcijā. Šķidrais silīcijs noripo no nanodaļiņas un kristalizējas zem tās. Ja silāna koncentrācija ap nanodaļiņu tiek saglabāta nemainīga, tad epitaksijas process turpinās, un uz tā jau sacietējušajiem slāņiem kristalizējas arvien jauni šķidrā silīcija slāņi. Rezultātā silīcija nanovads aug, paceļot zelta nanodaļiņu arvien augstāk un augstāk. Šajā gadījumā, protams, nanodaļiņas izmērs nosaka nanovada diametru. Labajā pusē attēlā. 28. attēlā parādīts ZnO nanovadu mežs, kas sagatavots līdzīgā veidā.

Nanovadu unikālās elektriskās un mehāniskās īpašības rada priekšnoteikumus to izmantošanai nākotnes nanoelektroniskajās un nanoelektromehāniskajās ierīcēs, kā arī jaunu kompozītmateriālu elementos un biosensoros.

NANOMORĀLA MISTĒRIJI

Berze zem mikroskopa

Mēs sastopamies ar berzi ik uz soļa, bet bez berzes mēs nespertu nevienu soli. Nav iespējams iedomāties pasauli bez berzes spēkiem. Ja nebūtu berzes, daudzas īslaicīgas kustības turpinātos bezgalīgi. Zemi satricinātu nepārtrauktas zemestrīces, jo tektoniskās plāksnes pastāvīgi saduras viena ar otru. Visi ledāji nekavējoties ripotu lejā no kalniem, un putekļi no pagājušā gada vēja lidotu pa zemes virsmu. Cik labi, ka pasaulē joprojām pastāv berzes spēks!

No otras puses, berze starp mašīnas daļām rada nodilumu un papildu izmaksas. Aptuvenās aplēses liecina, ka pētījumi triboloģijā - berzes zinātnē - varētu ietaupīt aptuveni 2 līdz 10% no valsts kopprodukta.

Divi svarīgākie cilvēka izgudrojumi – ritenis un uguns kurināšana – ir saistīti ar berzes spēku. Riteņa izgudrojums ļāva ievērojami samazināt spēku, kas kavē kustību, un uguns radīšana nodeva berzes spēku cilvēka rīcībā. Tomēr zinātnieki joprojām nav pilnībā izpratuši berzes spēka fizisko pamatu. Un nepavisam ne tāpēc, ka cilvēki kādu laiku ir pārstājuši interesēties par šo parādību.

Pirmais berzes likumu formulējums pieder lielajam Leonardo (1519), kurš apgalvoja, ka berzes spēks, kas rodas, ķermenim saskaroties ar cita ķermeņa virsmu, ir proporcionāls spiedes spēkam, kas vērsts pret kustības virzienu un nav atkarīgs no kontakta zonas. Šo likumu 180 gadus vēlāk no jauna atklāja G. Amontons, un pēc tam to pilnveidoja K. Kulona darbos (1781). Amontons un Kulons ieviesa berzes koeficienta jēdzienu kā berzes spēka attiecību pret slodzi, piešķirot tai fizikālās konstantes vērtību, kas pilnībā nosaka berzes spēku jebkuram saskares materiālu pārim. Līdz šim šī ir formula

F tr = μ N, (1)

Kur F tr - berzes spēks, N ir spiedes spēka komponente, kas ir normāls saskares virsmai, un μ ir berzes koeficients, ir vienīgā formula, kas atrodama skolas fizikas mācību grāmatās (sk. 29. att.).

29. attēls. Ceļā uz klasiskā berzes likuma formulēšanu.

Divus gadsimtus neviens nav spējis atspēkot eksperimentāli pierādīto likumu (1), un tas joprojām skan tāpat kā pirms 200 gadiem:

 berzes spēks ir tieši proporcionāls normālajai spēka komponentei, kas saspiež slīdošo ķermeņu virsmas, un vienmēr darbojas virzienā, kas ir pretējs kustības virzienam.

 berzes spēks nav atkarīgs no saskares virsmas izmēra.

 berzes spēks nav atkarīgs no slīdēšanas ātruma.

 statiskās berzes spēks vienmēr ir lielāks par slīdēšanas berzes spēku.

 berzes spēki ir atkarīgi tikai no diviem materiāliem, kas slīd viens pret otru.

Vai klasiskais berzes likums vienmēr ir spēkā?

Jau 19. gadsimtā kļuva skaidrs, ka Amontona-Kulona likums (1) ne vienmēr pareizi apraksta berzes spēku, un berzes koeficienti nebūt nav universāli raksturlielumi. Pirmkārt, tika atzīmēts, ka berzes koeficienti ir atkarīgi ne tikai no tā, kādi materiāli saskaras, bet arī no tā, cik gludi tiek apstrādātas saskares virsmas. Izrādījās, piemēram, ka berzes koeficienti vakuumā vienmēr ir lielāki nekā normālos apstākļos (skat. tabulu zemāk).

Komentējot šīs neatbilstības, Nobela prēmijas laureāts fizikā R. Feinmens savās lekcijās rakstīja: …Tabulas, kurās uzskaitīti berzes koeficienti “tērauds pret tēraudu”, “varš uz varu” un tā tālāk, visas ir pilnīga krāpniecība, jo tās ignorē šīs mazās lietas, bet nosaka μ vērtību. Berze "varš uz vara" utt. – patiesībā tā ir berze uz piesārņotājiem, kas pielipuši pie vara".

Jūs, protams, varat izvēlēties citu ceļu un, pētot “vara uz vara” berzi, izmērīt spēkus perfekti pulētu un degazētu virsmu kustības laikā vakuumā. Bet tad divi šādi vara gabali vienkārši salips kopā, un statiskās berzes koeficients sāks palielināties ar laiku, kas pagājis kopš virsmu saskares sākuma. To pašu iemeslu dēļ slīdēšanas berzes koeficients būs atkarīgs no ātruma (palielināsies, kad tas samazinās). Tas nozīmē, ka arī tīriem metāliem nav iespējams precīzi noteikt berzes spēku.

Tomēr sausām standarta virsmām klasiskais berzes likums ir gandrīz precīzs, lai gan šāda veida likuma iemesls vēl pavisam nesen bija neskaidrs. Galu galā, neviens nav spējis teorētiski novērtēt berzes koeficientu starp divām virsmām.

Kā atomi "berzē" viens pret otru?

Grūtības berzes pētīšanā slēpjas apstāklī, ka vieta, kur šis process notiek, no pētnieka no visām pusēm ir paslēpta. Neskatoties uz to, zinātnieki jau sen ir nonākuši pie secinājuma, ka berzes spēks ir saistīts ar faktu, ka mikroskopiskā līmenī (tas ir, ja skatās caur mikroskopu) saskares virsmas ir ļoti raupjas, pat ja tās ir pulētas. Tāpēc divu virsmu slīdēšana viena pāri var atgādināt fantastisku gadījumu, kad apgrieztie Kaukāza kalni berzē, piemēram, pret Himalajiem (30. att.).

30. attēls. Slīdošo virsmu saskares vietas shematisks attēlojums ar nelielu (augšējo) un lielu (apakšējo) spiedes spēku.

Iepriekš tika uzskatīts, ka berzes mehānisms ir vienkāršs: virsma bija klāta ar nelīdzenumiem, un berze radās secīgu bīdāmo daļu “pacelšanās-nolaišanās” ciklu rezultāts. Bet tas ir nepareizi, jo tad nebūtu enerģijas zudumu, bet berze patērē enerģiju.

Sekojošo berzes modeli var uzskatīt par tuvāku realitātei. Slīdot berzes virsmām, saskaras to mikronelīdzenumi, un saskares punktos viens otram pretī esošie atomi tiek piesaistīti viens otram, it kā tie “saslēdzas kopā”. Ar turpmāku ķermeņu relatīvo kustību šie savienojumi saplīst, un rodas atomu vibrācijas, līdzīgas tām, kas rodas, atbrīvojot izstieptu atsperi. Laika gaitā šīs vibrācijas izzūd, un to enerģija pārvēršas siltumā, izplatoties pār abiem ķermeņiem. Mīksto ķermeņu slīdēšanas gadījumā iespējama arī mikronelīdzenumu iznīcināšana, tā sauktā “aršana”, šajā gadījumā mehāniskā enerģija tiek tērēta starpmolekulāro vai starpatomisko saišu iznīcināšanai.

Tādējādi, ja mēs vēlamies pētīt berzi, mums ir jāpaspēj pārvietot smilšu graudu, kas sastāv no vairākiem atomiem, pa virsmu ļoti nelielā attālumā no tās, vienlaikus mērot spēkus, kas iedarbojas uz šo smilšu graudu no virsmas. Tas kļuva iespējams tikai pēc atomu spēka mikroskopijas izgudrošanas. Atomu spēka mikroskopa (AFM) izveide, kas spēj sajust pievilkšanās un atgrūšanas spēkus, kas rodas starp atsevišķiem atomiem, ļāva beidzot “sajust”, kas ir berzes spēki, atverot jaunu berzes zinātnes jomu - nanotriboloģija.

Kopš 90. gadu sākuma, izmantojot AFM, ir veikti sistemātiski pētījumi par mikrozondu berzes spēku, tām slīdot pa dažādām virsmām, un šo spēku atkarību no spiedes spēka. Izrādījās, ka parasti izmantotajām zondēm, kas izgatavotas no silīcija, mikroskopiskais slīdēšanas berzes spēks ir aptuveni 60-80% no presēšanas spēka, kas nav lielāks par 10 nN (sk. 31. att. augšpusē). Kā jau varētu sagaidīt, slīdošais berzes spēks palielinās līdz ar mikrozondes izmēru, jo palielinās atomu skaits, kas vienlaikus to pievelk (sk. 31. att. apakšā).

31. attēls. Mikrozondes slīdošā berzes spēka atkarība no ārējā spēka, N, piespiežot to pie grafīta virsmas. Augšpusē – zondes izliekuma rādiuss, 17 nm; apakšā – zondes izliekuma rādiuss, 58 nm. Var redzēt, ka mazajiem N atkarība ir izliekta, un pie lielām vērtībām tā tuvojas taisnei, kas norādīta ar punktētu līniju. Dati ņemti no Holscher un Schwartz (2002).

Tādējādi mikrozondes slīdošais berzes spēks ir atkarīgs no tā saskares laukuma ar virsmu, kas ir pretrunā ar klasisko berzes likumu. Izrādījās arī, ka slīdēšanas berzes spēks nekļūst par nulli, ja nav spēka, kas nospiež mikrozondi uz virsmu. Jā, tas ir saprotams, jo virsmas atomi, kas ieskauj mikrozondi, atrodas tik tuvu tai, ka piesaista to pat tad, ja nav ārēja saspiešanas spēka. Tāpēc galvenais klasiskā likuma pieņēmums - par berzes spēka tiešo proporcionālo atkarību no saspiešanas spēka - arī nanotriboloģijā nav ievērots.

Tomēr visas šīs neatbilstības starp klasisko likumu (1) un nanotriboloģijas datiem, kas iegūti, izmantojot AFM, var viegli novērst. Palielinoties spēkam, kas nospiež pret slīdošo korpusu, palielinās mikrokontaktu skaits, kas nozīmē, ka palielinās kopējais slīdošās berzes spēks. Tāpēc starp tikko iegūtajiem zinātnieku datiem un veco likumu nav pretrunu.

Ilgu laiku bija vispārpieņemts, ka, liekot vienam ķermenim slīdēt pāri citam, mēs salaužam viena ķermeņa mazās neviendabības, kas pieķeras otra virsmas neviendabībām, un, lai šīs neviendabības izjauktu, tiek radīts berzes spēks. ir vajadzīgs. Tāpēc vecie priekšstati berzes spēka rašanos bieži saista ar berzes virsmu mikroizvirzījumu bojājumiem, to tā saukto nodilumu. Nanotriboloģiskie pētījumi, izmantojot AFM un citas modernas metodes, ir parādījuši, ka berzes spēki starp virsmām var pastāvēt pat gadījumos, kad tās nav bojātas. Šī berzes spēka iemesls ir nepārtraukti radušās un pārrautās saites starp berzes atomiem.

Kāpēc nanodaļiņas kūst zemā temperatūrā?

Daļiņu izmēram samazinoties, mainās ne tikai to mehāniskās īpašības, bet arī termodinamiskās īpašības. Piemēram, tā kušanas temperatūra kļūst daudz zemāka nekā parasta izmēra paraugiem. 35. attēlā parādīts, kā mainās alumīnija nanodaļiņu kušanas temperatūra, samazinoties to izmēram. Redzams, ka 4 nm daļiņas kušanas temperatūra ir par 140 o C zemāka nekā normāla izmēra alumīnija paraugam.

35. attēls. Alumīnija nanodaļiņu kušanas temperatūras T m atkarība no to rādiusa R angstromos (Å) 1 Å=0,1 nm.

Atkarības, kas līdzīgas tai, kas parādīta attēlā. 35 ir iegūti daudziem metāliem. Tādējādi, samazinot alvas nanodaļiņu diametru līdz 8 nm, to kušanas temperatūra pazeminās par 100°C (no 230°C līdz 130°C). Tajā pašā laikā lielākais kušanas temperatūras kritums (par vairāk nekā 500°C) tika konstatēts zelta nanodaļiņām.

Nanodaļiņām ir gandrīz visi atomi uz virsmas!

Nanodaļiņu kušanas temperatūras pazemināšanās iemesls ir tas, ka atomi uz visu kristālu virsmas atrodas īpašos apstākļos, un šādu “virsmas” atomu īpatsvars nanodaļiņās kļūst ļoti liels. Novērtēsim šo “virsmas” daļu alumīnijam.

Ir viegli aprēķināt, ka 1 cm 3 alumīnija satur aptuveni 6. 1022 atomi. Vienkāršības labad pieņemsim, ka atomi atrodas kubiskā kristāla režģa mezglos, tad attālums starp blakus esošajiem atomiem šajā režģī būs aptuveni 4. 10-8 cm Tas nozīmē, ka atomu blīvums uz virsmas būs 6. 10 14 cm -2.

Tagad ņemsim alumīnija kubu ar 1 cm malu. Virsmas atomu skaits būs vienāds ar 36. 10 14, un iekšpusē esošo atomu skaits ir 6. 10 22. Tādējādi virsmas atomu daļa šādā “regulāra” izmēra alumīnija kubā ir tikai 6. 10 -8.

Ja veicat tādus pašus aprēķinus 5 nm alumīnija kubam, izrādās, ka 12% no visiem tā atomiem jau atrodas uz šāda “nanokuba” virsmas. Nu, uz 1 nm liela kuba virsmas kopumā ir vairāk nekā puse no visiem atomiem! “Virsmas” frakcijas atkarība no atomu skaita parādīta 36. attēlā.

36. attēls. Atomu “virsmas” daļas (ordinātu ass) atkarība no to skaitļa N kubiskās saknes kristāliskās vielas kubā.

Uz kristāla virsmas nav kārtības

Kopš pagājušā gadsimta 60. gadu sākuma zinātnieki ir uzskatījuši, ka atomi, kas atrodas uz kristālu virsmas, atrodas īpašos apstākļos. Spēki, kas liek viņiem atrasties kristāla režģa mezglos, iedarbojas uz tiem tikai no apakšas. Tāpēc virsmas atomiem (vai molekulām) ir viegli “izvairīties no režģī esošo molekulu padoma un apskaut”, un, ja tas notiek, tad vairāki atomu virsmas slāņi nonāk pie viena lēmuma uzreiz. Tā rezultātā uz visu kristālu virsmas veidojas šķidra plēve. Starp citu, ledus kristāli nav izņēmums. Tāpēc ledus ir slidens (skat. 37. att.).

37. attēls. Ledus šķērsgriezuma shematisks attēlojums. Nejaušais ūdens molekulu izvietojums uz virsmas atbilst šķidruma plēvei, un sešstūra struktūra biezumā atbilst ledus. Sarkani apļi – skābekļa atomi; balts - ūdeņraža atomi (no K.Ju.Bogdanova grāmatas “Par olu fiziku...un ne tikai”, Maskava, 2008).

Šķidrās plēves biezums uz kristāla virsmas palielinās līdz ar temperatūru, jo lielāka molekulu siltumenerģija izrauj vairāk virsmas slāņu no kristāla režģa. Teorētiskās aplēses un eksperimenti liecina, ka, tiklīdz šķidrās plēves biezums uz kristāla virsmas sāk pārsniegt 1/10 no kristāla izmēra, viss kristāla režģis tiek iznīcināts un daļiņa kļūst šķidra. Tāpēc daļiņu kušanas temperatūra pakāpeniski samazinās, samazinoties to izmēram (sk. 35. att.).

Acīmredzot jebkurā nanoražošanā jāņem vērā nanodaļiņu “kausējamība”. Ir zināms, piemēram, ka mūsdienu elektronisko mikroshēmu elementu izmēri ir nanomēroga diapazonā. Tāpēc kristālisko nanoobjektu kušanas temperatūras pazemināšana uzliek zināmus ierobežojumus mūsdienu un nākotnes mikroshēmu darbības temperatūras apstākļiem.

Kāpēc nanodaļiņu krāsa var būt atkarīga no to izmēra?

Nanopasaulē mainās daudzas vielas mehāniskās, termodinamiskās un elektriskās īpašības. To optiskās īpašības nav izņēmums. Tie mainās arī nanopasaulē.

Mūs ieskauj normāla izmēra priekšmeti, un esam pieraduši, ka priekšmeta krāsa ir atkarīga tikai no vielas, no kuras tas izgatavots, vai krāsas, ar kuru tas ir krāsots, īpašībām. Nanopasaulē šī ideja izrādās negodīga, un tas atšķir nanooptiku no parastās optikas.

Apmēram pirms 20-30 gadiem “nanoptika” vispār nepastāvēja. Un kā gan var būt nanooptika, ja no parastās optikas kursa izriet, ka gaisma nevar “sajust” nanoobjektus, jo to izmēri ir ievērojami mazāki par gaismas viļņa garumu λ = 400 – 800 nm. Saskaņā ar gaismas viļņu teoriju nanoobjektos nedrīkst būt ēnas, un gaisma no tiem nevar atstaroties. Nav iespējams arī fokusēt redzamo gaismu uz nanoobjektam atbilstošu apgabalu. Tas nozīmē, ka nav iespējams redzēt nanodaļiņas.

Tomēr, no otras puses, gaismas vilnim tāpat kā jebkuram elektromagnētiskajam laukam ir jāiedarbojas uz nanoobjektiem. Piemēram, gaisma, kas krīt uz pusvadītāju nanodaļiņu, ar savu elektrisko lauku var noraut vienu no valences elektroniem no tās atoma. Šis elektrons kādu laiku kļūs par vadītspējas elektronu un pēc tam atkal atgriezīsies “mājās”, izstarojot gaismas kvantu, kas atbilst “aizliegtās joslas” platumam - minimālajai enerģijai, kas nepieciešama, lai valences elektrons kļūtu brīvs (sk. 40).

Tādējādi pat nano izmēra pusvadītājiem vajadzētu sajust uz tiem krītošu gaismu, vienlaikus izstarojot zemākas frekvences gaismu. Citiem vārdiem sakot, pusvadītāju nanodaļiņas gaismā var kļūt fluorescējošas, izstarot gaismu ar stingri noteiktu frekvenci, kas atbilst "joslas spraugas" platumam.

40. attēls. Pusvadītāja elektrona enerģijas līmeņu un enerģijas joslu shematisks attēlojums. Zilās gaismas ietekmē no atoma atdalās elektrons (balts aplis), kas virzās uz vadīšanas joslu. Pēc kāda laika tas nolaižas līdz šīs zonas zemākajam enerģijas līmenim un, izstarojot sarkanās gaismas kvantu, atgriežas valences joslā.

Mirdz atbilstoši izmēram!

Lai gan pusvadītāju nanodaļiņu fluorescējošā spēja bija zināma 19. gadsimta beigās, šī parādība sīkāk tika aprakstīta tikai pagājušā gadsimta pašās beigās. Un pats interesantākais, ka izrādījās, ka šo daļiņu izstarotās gaismas frekvence samazinājās, palielinoties šo daļiņu izmēram (41. att.).

41. attēls. Koloidālo daļiņu suspensiju fluorescence CdTe dažādi izmēri (no 2 līdz 5 nm, no kreisās puses uz labo). Visas kolbas no augšas tiek apgaismotas ar tāda paša viļņa garuma zilu gaismu. Pārņemts no H. Vellera (Hamburgas Universitātes Fizikālās ķīmijas institūts).

Kā parādīts attēlā. 41, nanodaļiņu suspensijas (suspensijas) krāsa ir atkarīga no to diametra. Fluorescences krāsas atkarība, t.i. tā frekvence ν uz nanodaļiņas lieluma nozīmē, ka “atstarpes joslas” platums Δ ir atkarīgs arī no daļiņu izmēra E. Aplūkojot 40. un 41. attēlu, var apgalvot, ka, palielinoties nanodaļiņu izmēram, “atstarpes” platums Δ E vajadzētu samazināties, jo ΔE = hν. Šo atkarību var izskaidrot šādi.

Vieglāk atrauties, ja apkārt ir daudz kaimiņu

Minimālā enerģija, kas nepieciešama valences elektrona noņemšanai un pārnešanai uz vadīšanas joslu, ir atkarīga ne tikai no atoma kodola lādiņa un elektrona stāvokļa atomā. Jo vairāk ir atomu, jo vieglāk ir noplēst elektronu, jo arī blakus esošo atomu kodoli to pievelk pie sevis. Tas pats secinājums attiecas arī uz atomu jonizāciju (sk. 42. att.).

42. attēls. Vidējā tuvāko kaimiņu skaita kristāla režģī (ordinātā) atkarība no platīna daļiņas diametra angstremos (abscisās). 1 Å = 0,1 nm. Adaptēts no Frenkel et al. (J. Phys. Chem., B, v. 105:12689, 2001).

Attēlā 42. parāda, kā mainās platīna atoma vidējais tuvāko kaimiņu skaits, palielinoties daļiņu diametram. Kad atomu skaits daļiņā ir mazs, ievērojama to daļa atrodas uz virsmas, kas nozīmē, ka vidējais tuvāko kaimiņu skaits ir daudz mazāks nekā platīna kristālrežģim atbilstošs (11). Daļiņu izmēram palielinoties, vidējais tuvāko kaimiņu skaits tuvojas robežai, kas atbilst noteiktajam kristāliskajam režģim. No att. 42 no tā izriet, ka atomu ir grūtāk jonizēt (noņemt elektronu), ja tas atrodas mazā daļiņā, jo vidēji šādam atomam ir maz tuvāko kaimiņu.

43. attēls. Jonizācijas potenciāla (darba funkcija, eV) atkarība no N atomu skaita dzelzs nanodaļiņā. Ņemts no E. Roduner lekcijas (Štutgarte, 2004).

Attēlā 43. attēlā parādīts, kā mainās jonizācijas potenciāls (darba funkcija, izteikts eV) nanodaļiņām, kas satur dažādu skaitu dzelzs atomu N. To var redzēt ar izaugsmi N darba funkcija samazinās, tiecoties uz robežvērtību, kas atbilst darba funkcijai normālu izmēru paraugiem. Izrādījās, ka izmaiņas A izeja ar daļiņu diametru D diezgan labi var aprakstīt ar formulu:

Aārā = A izvade0 + 2 Z e 2 / D , (6)

Kur A output0 - darba funkcija normāla izmēra paraugiem, Z ir atoma kodola lādiņš, un e- elektronu lādiņš.

Ir skaidrs, ka “aizliegtās zonas” platums Δ E ir atkarīga no pusvadītāja daļiņas izmēra tāpat kā metāla daļiņu darba funkcija (skat. 6. formulu) - tā samazinās, palielinoties daļiņu diametram. Tāpēc pusvadītāju nanodaļiņu fluorescences viļņa garums palielinās, palielinoties daļiņu diametram, kā parādīts 41. attēlā.

Kvantu punkti ir cilvēka radīti atomi

Pusvadītāju nanodaļiņas bieži sauc par "kvantu punktiem". Ar savām īpašībām tie atgādina atomus - nanoizmēra “mākslīgos atomus”. Galu galā elektroni atomos, pārvietojoties no vienas orbītas uz otru, arī izstaro stingri noteiktas frekvences gaismas kvantu. Bet atšķirībā no īstiem atomiem, kuru iekšējo struktūru un emisijas spektru mēs nevaram mainīt, kvantu punktu parametri ir atkarīgi no to radītājiem nanotehnologiem.

Kvantu punkti jau ir noderīgs instruments biologiem, kas mēģina saskatīt dažādas struktūras dzīvās šūnās. Fakts ir tāds, ka dažādas šūnu struktūras ir vienlīdz caurspīdīgas un nav krāsainas. Tāpēc, ja paskatās uz šūnu caur mikroskopu, jūs neredzēsit neko citu kā tikai tās malas. Lai padarītu redzamas noteiktas šūnu struktūras, tika izveidoti kvantu punkti, kas var pielipt noteiktām intracelulārām struktūrām (44. att.).

Lai krāsotu šūnu attēlā. 44 dažādās krāsās, tika izgatavoti kvantu punkti trīs izmēros. Mazākās, mirdzoši zaļā krāsā, tika pielīmētas pie molekulām, kas spēj pielipt pie mikrotubulām, kas veido šūnas iekšējo skeletu. Vidēja izmēra kvantu punkti varētu pielipt pie Golgi aparāta membrānām, bet lielākie – pie šūnas kodola. Kad šūna tika iegremdēta šķīdumā, kas satur visus šos kvantu punktus, un kādu laiku tajā tika turēta, tie iekļuva iekšā un pielipa tur, kur varēja. Pēc tam šūna tika izskalota šķīdumā, kas nesatur kvantu punktus, un novietota zem mikroskopa. Kā jau varēja gaidīt, iepriekš minētās šūnu struktūras kļuva daudzkrāsainas un skaidri saskatāmas (44. att.).

44. attēls. Dažādu intracelulāru struktūru iekrāsošana dažādās krāsās, izmantojot kvantu punktus. Sarkans – kodols; zaļš – mikrocaurulītes; dzeltens – Golgi aparāts.

Nanotehnoloģijas cīņā pret vēzi

13% gadījumu cilvēki mirst no vēža. Šī slimība katru gadu nogalina aptuveni 8 miljonus cilvēku visā pasaulē. Daudzi vēža veidi joprojām tiek uzskatīti par neārstējamiem. Zinātniskie pētījumi liecina, ka nanotehnoloģijas var būt spēcīgs līdzeklis cīņā pret šo slimību.

Nanotehnoloģijas un medicīna

Zelta nanodaļiņas ir siltuma bumbas vēža šūnām

Sfēriska silīcija nanodaļiņa ar diametru aptuveni 100 nm ir pārklāta ar 10 nm biezu zelta slāni. Šādai zelta nanodaļiņai piemīt spēja absorbēt infrasarkano starojumu ar viļņa garumu 820 nm, vienlaikus apsildot plānu šķidruma kārtiņu ap sevi par vairākiem desmitiem grādu.

Radiāciju ar viļņa garumu 820 nm mūsu ķermeņa audi praktiski neuzsūc. Tāpēc, ja jūs veidojat zelta nanodaļiņas, kas pielīp tikai vēža šūnām, tad, izlaižot šāda viļņa garuma starojumu caur cilvēka ķermeni, jūs varat sasildīt un iznīcināt šīs šūnas, nesabojājot veselās ķermeņa šūnas.

Zinātnieki atklāja, ka normālu šūnu membrāna atšķiras no vēža šūnu membrānām, un ierosināja uz zelta nanodaļiņu virsmas uzklāt molekulas, kas atvieglo to saķeri ar vēža šūnām. Šādas nanodaļiņas ar spēju pieķerties vēža šūnām ir ražotas vairākiem vēža veidiem.

Eksperimentos ar pelēm tika pierādīta zelta nanodaļiņu efektivitāte vēža šūnu iznīcināšanā. Pirmkārt, pelēm tika ierosināts vēzis, pēc tam tās tika injicētas ar atbilstošām nanodaļiņām un pēc tam pakļautas noteikta viļņa garuma starojumam. Izrādījās, ka pēc vairāku minūšu šādas apstarošanas lielākā daļa vēža šūnu nomira no pārkaršanas, bet normālas šūnas palika nebojātas. Zinātnieki liek lielas cerības uz šo vēža apkarošanas metodi.

Dendrimeri – kapsulas ar indi vēža šūnām

Vēža šūnām ir nepieciešams liels daudzums folijskābes, lai tās sadalītos un augtu. Tāpēc folijskābes molekulas ļoti labi pielīp pie vēža šūnu virsmas, un, ja dendrimeru ārējā apvalkā ir folijskābes molekulas, tad šādi dendrimēri selektīvi pieķersies tikai vēža šūnām. Ar šādu dendrimeru palīdzību vēža šūnas var padarīt redzamas, ja dendrimeru apvalkam ir pievienotas kādas citas molekulas, kas spīd, piemēram, ultravioletajā gaismā. Piestiprinot dendrimera ārējam apvalkam zāles, kas nogalina vēža šūnas, jūs varat tās ne tikai atklāt, bet arī iznīcināt (45. att.).

45. attēls. Dendrimers ar folijskābes molekulām (violetu), kas piestiprināts pie ārējā apvalka, tikai pielīp pie vēža šūnām. Kvēlojošās fluoresceīna molekulas (zaļas) ļauj noteikt šīs šūnas, metotreksāta molekulas (sarkanā krāsā) nogalina vēža šūnas. Tas dod iespēju selektīvi nogalināt tikai vēža šūnas.

Sudraba nanodaļiņas ir inde baktērijām

Daudzu vielu fizikālās īpašības ir atkarīgas no parauga lieluma. Vielas nanodaļiņām bieži ir īpašības, kas parasti nav atrodamas šo vielu paraugos ar normālu izmēru.

Ir zināms, ka zelts un sudrabs nepiedalās lielākajā daļā ķīmisko reakciju. Taču sudraba vai zelta nanodaļiņas ne tikai kļūst par ļoti labiem ķīmisko reakciju katalizatoriem (paātrina to rašanos), bet arī tieši piedalās ķīmiskajās reakcijās. Piemēram, parastie sudraba paraugi nereaģē ar sālsskābi, bet sudraba nanodaļiņas reaģē ar sālsskābi, un šī reakcija norisinās pēc šādas shēmas: 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H 2 .

Sudraba nanodaļiņu augstā reaktivitāte izskaidro faktu, ka tām ir spēcīga baktericīda iedarbība – tās iznīcina dažus patogēno baktēriju veidus. Sudraba joni padara neiespējamu daudzu ķīmisku reakciju rašanos baktērijās, un tāpēc sudraba nanodaļiņu klātbūtnē daudzas baktērijas nevairojas. Visjutīgākās pret sudraba nanodaļiņu darbību ir tā saucamās gramnegatīvās baktērijas, kuras nevar iekrāsot ar Grama metodi (Escherichia coli, salmonella u.c.) (47. att.).

47. attēls. Sudraba nanodaļiņu ar izmēru 10-15 nm dažādu koncentrāciju ietekme uz Escherichia coli baktēriju proliferāciju ( Escherichia coli) – (a) un salmonellu ( Salmonellas tīfs) – (b). No kreisās uz labo pusi abos paneļos ir redzamas Petri trauciņu fotogrāfijas ar sudraba nanodaļiņu koncentrāciju 0, 5, 10, 25 un 35 μg/ml. Baktērijas padara plākšņu barības vielu šķīdumu dzeltenīgu (skatīt trīs kreisās malas plāksnes). Ja nav baktēriju, Petri trauciņi ir tumši brūni sudraba nanodaļiņu klātbūtnes dēļ. Adaptēts no Shrivastava et al. (Nanotehnoloģija, 18:225103, 2007).

Lai izmantotu sudraba nanodaļiņu baktericīdās īpašības, tās sāka iekļaut tradicionālajos materiālos, piemēram, gultas veļas audumos. Ir konstatēts, ka zeķes, kas izgatavotas no audumiem, kas satur sudraba nanodaļiņas, novērš pēdu sēnīšu infekcijas.

Sudraba nanodaļiņu slānis sāka klāt galda piederumus, durvju rokturus un pat tastatūras un datorpeles, kas, kā tika konstatēts, kalpo par patogēno baktēriju vairošanās vietu. Sudraba nanodaļiņas ir izmantotas jaunu pārklājumu, dezinfekcijas un mazgāšanas līdzekļu (tostarp zobu pastas, tīrīšanas pastas un veļas pulveri) radīšanai.

Baktērijas un sarkanās asins šūnas transportē nanokapsulas ar zālēm

Cilvēka slimība, kā likums, ir saistīta ar slimību, kas nav saistīta ar visām, bet bieži vien ar nelielu tā šūnu daļu. Bet, kad mēs iedzeram tabletes, zāles izšķīst asinīs, un tad caur asinsriti tās ietekmē visas šūnas – slimas un veselas. Tajā pašā laikā veselās šūnās nevajadzīgas zāles var izraisīt tā sauktās blakusparādības, piemēram, alerģiskas reakcijas. Tāpēc ārstu ilggadējais sapnis bija tikai slimu šūnu selektīva ārstēšana, kurā zāles tiek piegādātas mērķtiecīgi un ļoti mazās porcijās. Nanokapsulas ar zālēm, kas var pielipt tikai noteiktām šūnām, varētu būt šīs medicīniskās problēmas risinājums.

Galvenais šķērslis, kas neļauj izmantot nanokapsulas ar zālēm mērķtiecīgai piegādei slimām šūnām, ir mūsu imūnsistēma. Tiklīdz imūnsistēmas šūnas sastopas ar svešķermeņiem, tostarp nanokapsulām ar zālēm, tās cenšas iznīcināt un izņemt no asinsrites to atliekas. Un jo veiksmīgāk viņi to dara, jo labāka ir mūsu imunitāte. Tāpēc, ja mēs ievadīsim asinīs nanokapsulas, mūsu imūnsistēma iznīcinās nanokapsulas, pirms tās sasniedz mērķa šūnas.

Lai maldinātu mūsu imūnsistēmu, nanokapsulu piegādei tiek ierosināts izmantot sarkanās asins šūnas (eritrocītus). Mūsu imūnsistēma viegli atpazīst "savējo" un nekad neuzbrūk sarkanajām asins šūnām. Tāpēc, ja pievienosiet nanokapsulas sarkanajām asins šūnām, tad imūnsistēmas šūnas, "redzot" "savu" sarkano asins šūnu peldam pa asinsvadu, "nepārbaudīs" tā virsmu, bet sarkanās asins šūnas ar nanokapsulām. pielīmēts peldēs tālāk uz šūnām, kurām šīs nanokapsulas ir adresētas. Sarkanās asins šūnas dzīvo vidēji apmēram 120 dienas. Eksperimenti ir parādījuši, ka sarkanajām asins šūnām piestiprināto nanokapsulu kalpošanas laiks ir 100 reižu ilgāks nekā tad, ja tās tiek vienkārši ievadītas asinīs.

Parasta baktērija var būt arī ielādēta ar nanodaļiņām, kas satur zāles, un tad tā var darboties kā transportētājs, lai piegādātu šīs zāles slimām šūnām. Nanodaļiņu izmēri svārstās no 40 līdz 200 nanometriem, zinātnieki ir iemācījušies tās piestiprināt pie baktēriju virsmas, izmantojot īpašas molekulas. Uz vienas baktērijas var novietot līdz pat vairākiem simtiem dažāda veida nanodaļiņu (59. att.).

59. attēls. Metode nanodaļiņu ievadīšanai ar zālēm vai DNS fragmentiem (gēniem) šūnu apstrādei.

Baktērijām ir dabiska spēja iebrukt dzīvās šūnās, padarot tās par ideāliem kandidātiem zāļu piegādei. Tas ir īpaši vērtīgi gēnu terapijā, kur nepieciešams nogādāt DNS fragmentus līdz galamērķim, nenogalinot veselu šūnu. Kad gēni nonāk šūnas kodolā, tas sāk ražot specifiskus proteīnus, tādējādi koriģējot ģenētisko slimību. Tas paver jaunas iespējas gēnu terapijas jomā. Turklāt ir iespējams piespiest baktērijas transportēt nanodaļiņas ar indi uz adresi, piemēram, iznīcināt vēža šūnas.

Nanošķiedras – sastatnes muguras smadzeņu atjaunošanai

Ir zināms, ka šobrīd muguras smadzeņu bojājumus bieži vien nevar ārstēt. Šādos gadījumos muguras smadzeņu traumas dēļ cilvēks uz mūžu atrodas ratiņkrēslā. Muguras smadzeņu traumas neārstējamības cēlonis ir mūsu organisma aizsargfunkcija - strauja izturīgu saistaudu rētas veidošanās, kas kalpo kā robeža starp bojātiem un nebojātiem nerviem, kas iet gar muguras smadzenēm.

Rēta vienmēr aizsargā dzīvās šūnas no blakus esošajām atmirušajām šūnām un veidojas, kad tiek bojāti visi ķermeņa audi. Taču, ja muguras smadzenes ir bojātas, radusies rēta neļauj augt nerviem un atjaunot muguras smadzeņu galveno funkciju – vadīt nervu impulsus no smadzenēm uz dažādām ķermeņa daļām un muguru.

Nervi nevar izaugt cauri rētām un tukšiem dobumiem. Lai augtu, tāpat kā māja, viņiem ir nepieciešams rāmis vai vadotnes (sastatnes), kā arī šķēršļu trūkums. Tādējādi, lai ātri atgūtu muguras smadzeņu bojājumus, ir nepieciešams (1) novērst rētas veidošanos un (2) aizpildīt telpu starp bojātām un nebojātām nervu šķiedrām ar sastatnēm. Nanotehnoloģijas atrisina abas iepriekš minētās problēmas.

Ir zināms, ka amfifilās molekulas, t.i. molekulām, kurās hidrofilie un hidrofobie reģioni ir telpiski atdalīti, ir spēja pašas salikt. Šīs molekulas galu galā saliek cilindriskās nanošķiedrās. Vienlaikus uz šo nanošķiedru virsmas var novietot dažādas molekulas, piemēram, nomācot rētu veidošanos un stimulējot nervu audu augšanu. Šādas nanošķiedras veido režģa struktūras, veidojot ietvaru nervu augšanai (61. att.). Ja aizpildīsiet muguras smadzeņu traumas vietu ar šādām pašsavienojošām šķiedrām, bojātie nervi sāks augt cauri traumas vietai, novēršot traumas sekas.

61. attēls. Labajā pusē ir shematisks attēlojums nanošķiedrai, kas veidojas no amfifilām molekulām, kas satur ķīmiskas struktūras, kas bloķē rētu augšanu un aktivizē nervu augšanu (norādīta dažādās krāsās). Kreisajā pusē ir mikrogrāfs ar sastatnēm, kas izveidotas no nanošķiedrām muguras smadzeņu bojājuma vietā; kalibrēšana, 200 nm. Adaptēts no Hartgerink et al., Science, 294, 1684 (2001).

Ja 24 stundu laikā pēc traumas traumas vietā ar šļirci (62. att.) ievadīsiet šādu amfifilu molekulu šķīdumu, tad tās, savākušās trīsdimensiju nanošķiedru tīklā, neļaus veidoties rēta, un nervu šķiedras varēs augt, atjaunojot impulsu vadīšanu caur muguras smadzenēm un novēršot traumas sekas. Šādi eksperimenti tika veikti ar žurkām un izrādījās veiksmīgi.

R 62. attēls. Muguras smadzeņu bojātā laukuma shematisks attēlojums (bultiņa) un šļirce, ar kuru šajā zonā tiek ievadīts šķidrums ar amfifilām molekulām. Adaptēts no Silva et al, Science, 303, 1352 (2004).

Nanotehnoloģijas ikdienā un rūpniecībā

Nanocaurules ir tvertnes ūdeņraža, tīrākās degvielas, uzglabāšanai.

Ogļu, naftas un gāzes rezerves uz Zemes ir ierobežotas. Turklāt parasto degvielu sadegšana izraisa oglekļa dioksīda un citu kaitīgu piemaisījumu uzkrāšanos atmosfērā, un tas savukārt noved pie globālās sasilšanas, kuras pazīmes cilvēce jau piedzīvo. Tāpēc šodien cilvēces priekšā ir ļoti svarīgs uzdevums – kā nākotnē aizstāt tradicionālos degvielas veidus?

Visizdevīgāk par degvielu ir izmantot Visumā visizplatītāko ķīmisko elementu – ūdeņradi. Ūdeņraža oksidēšanās (sadegšanas) laikā veidojas ūdens, un šī reakcija notiek, izdaloties ļoti lielam siltuma daudzumam (120 kJ/kg). Salīdzinājumam, benzīna un dabasgāzes īpatnējais sadegšanas siltums ir trīs reizes mazāks nekā ūdeņradis. Jāņem vērā arī tas, ka ūdeņraža sadegšana nerada videi kaitīgus slāpekļa, oglekļa un sēra oksīdus.

Ir piedāvāts diezgan daudz lētu un videi draudzīgu ūdeņraža iegūšanas metožu, tomēr ūdeņraža uzglabāšana un transportēšana līdz šim ir bijusi viena no neatrisinātajām ūdeņraža enerģijas problēmām. Iemesls tam ir ļoti mazais ūdeņraža molekulas izmērs. Šī iemesla dēļ ūdeņradis var iekļūt caur mikroskopiskām plaisām un porām, kas atrodamas parastos materiālos, un tā noplūde atmosfērā var izraisīt sprādzienus. Tāpēc skābekļa uzglabāšanas balonu sieniņām jābūt biezākām, kas padara tos smagākus. Drošības apsvērumu dēļ ūdeņraža balonus labāk atdzesēt līdz vairākiem desmitiem K, kas vēl vairāk palielina šīs degvielas uzglabāšanas un transportēšanas izmaksas.

Ūdeņraža uzglabāšanas un transportēšanas problēmas risinājums varētu būt ierīce, kas pilda “sūkļa” lomu, kurai būtu spēja absorbēt ūdeņradi un noturēt to bezgalīgi. Acīmredzot šādam ūdeņraža “sūklim” ir jābūt ar lielu virsmas laukumu un ķīmisko afinitāti pret ūdeņradi. Visas šīs īpašības ir oglekļa nanocaurulēs.

Kā zināms, oglekļa nanocaurulēm visi atomi ir uz virsmas. Viens no mehānismiem ūdeņraža absorbcijai ar nanocaurulēm ir ķīmiskā sorbcija, tas ir, ūdeņraža H2 adsorbcija uz caurules virsmas, kam seko disociācija un C-H ķīmisko saišu veidošanās. Šādā veidā piesaistīto ūdeņradi var iegūt no nanocaurules, piemēram, karsējot līdz 600 o C. Turklāt ūdeņraža molekulas saistās ar nanocauruļu virsmu ar fizikālu adsorbciju caur van der Vālsa mijiedarbību.

Tiek uzskatīts, ka visefektīvākā ūdeņraža kā degvielas izmantošana ir tā oksidēšana kurināmā šūnā (46. att.), kurā ķīmiskā enerģija tiek tieši pārvērsta elektroenerģijā. Tādējādi kurināmā šūna ir līdzīga galvaniskajam elementam, taču atšķiras no tās ar to, ka reakcijā iesaistītās vielas tajā tiek nepārtraukti ievadītas no ārpuses.

46. ​​attēls. Kurināmā elementa shematisks attēls, kas sastāv no diviem elektrodiem, kas atdalīti ar elektrolītu. Anodam tiek piegādāts ūdeņradis, kas, caur ļoti mazām elektroda materiāla porām iekļūstot elektrolītā un piedaloties ķīmiskās sorbcijas reakcijā, pārvēršas pozitīvi lādētos jonos. Katodam tiek piegādāts skābeklis un tiek noņemts ūdens, reakcijas produkts. Katalizatorus izmanto, lai paātrinātu reakciju. Degvielas šūnas elektrodi ir savienoti ar slodzi (lampu).

Pēc pētnieku domām, lai izveidotu efektīvu kurināmā elementu, ir jāizveido ūdeņraža “sūklis”, kura katrs kubikmetrs satur vismaz 63 kg ūdeņraža. Citiem vārdiem sakot, “sūklī” uzglabātā ūdeņraža masai jābūt vismaz 6,5% no “sūkļa” masas. Šobrīd ar nanotehnoloģiju palīdzību eksperimentālos apstākļos ir izdevies izveidot ūdeņraža “sūkļus”, kuros ūdeņraža masa pārsniedz 18%, kas paver plašas perspektīvas ūdeņraža enerģijas attīstībai.

Nanofāzes materiāli ir izturīgāki

Pie pietiekami lielas slodzes visi materiāli saplīst un lūzuma vietā blakus esošie atomu slāņi pastāvīgi attālinās viens no otra. Tomēr daudzu materiālu izturība nav atkarīga no tā, cik liels spēks jāpieliek, lai atdalītu divus blakus esošus atomu slāņus. Faktiski jebkuru materiālu ir daudz vieglāk saplēst, ja tam ir plaisas. Tāpēc cieto materiālu stiprība ir atkarīga no tā, cik mikroplaisu tajā ir un kāda veida, un kā plaisas izplatās caur šo materiālu. Vietās, kur ir plaisa, materiāla izturību pārbaudošais spēks tiek pielikts nevis visam slānim, bet atomu ķēdei, kas atrodas plaisas augšpusē, un tāpēc slāņus ir ļoti viegli pārvietot. (skat. 48. att.).

48. attēls. Plaisas shematisks attēlojums starp diviem atomu slāņiem, kas izplešas spēku iedarbībā (sarkanās bultiņas).

Plaisu izplatīšanos bieži kavē cietās vielas mikrostruktūra. Ja ķermenis sastāv no mikrokristāliem, piemēram, metāliem, tad plaisa, sadalot vienu no tiem divās daļās, var saskarties ar blakus esošā mikrokristāla ārējo virsmu un apstāties. Tādējādi, jo mazāks ir daļiņu izmērs, no kura materiāls tiek veidots, jo grūtāk plaisām izplatās caur to.

Materiālus, kas sastāv no nanodaļiņām, sauc par nanofāzēm. Nanofāzes materiāla piemērs var būt nanofāzes varš, kura viena no ražošanas metodēm ir parādīta 49. attēlā.

49. attēls. Nanofāzes vara izgatavošana.

Lai izgatavotu nanofāzes varu, parastā vara loksne tiek uzkarsēta līdz augstai temperatūrai, kurā vara atomi sāk iztvaikot no tās virsmas. Ar konvektīvo plūsmu šie atomi pārvietojas uz aukstās caurules virsmu, uz kuras tie tiek nogulsnēti, veidojot nanodaļiņu konglomerātus. Blīvs vara nanodaļiņu slānis uz aukstās caurules virsmas ir nanofāze varš.

Nanofāzes materiāli, ko bieži sauc nanostrukturēts, var ražot dažādos veidos, piemēram, saspiežot nanodaļiņu pulveri paaugstinātā temperatūrā (karstā presēšana).

No nanodaļiņām “izlietie” materiālu paraugi izrādās daudz izturīgāki par parastajiem. Mehāniskā slodze nanofāzes materiālam, tāpat kā parastajam, izraisa tajā mikroplaisu parādīšanos. Tomēr šīs mikroplaisas lineāro izplatīšanos un pārveidošanu makroplaisā kavē daudzās nanodaļiņu robežas, kas veido šo materiālu. Tāpēc mikroplaisa saskaras ar vienas nanodaļiņas robežu un apstājas, un paraugs paliek neskarts.

50. attēlā parādīts, kā vara stiprums ir atkarīgs no mikrokristālu vai nanodaļiņu izmēra, no kuriem tas sastāv. Var redzēt, ka nanofāzes vara parauga stiprums var būt 10 reizes lielāks par parastā vara stiprumu, kas parasti sastāv no apmēram 50 mikronu lieliem kristāliem.

50. attēls. Vara stiprības atkarība no granulu (daļiņu) izmēra. Pielāgots no Scientific American, 1996, decembris, lpp. 74.

Pie nelielām bīdes deformācijām nanofāzes materiālu daļiņas spēj nedaudz kustēties viena pret otru. Līdz ar to nanofāzes materiālu smalko šūnu struktūra ir stiprāka ne tikai stiepes deformācijas, bet arī lieces laikā, kad blakus esošie parauga slāņi dažādi maina savu garumu.

TiO 2 nanodaļiņas - nanoziepes un ultravioleto staru slazds

Titāna dioksīds, TiO 2 ir visizplatītākais titāna savienojums uz zemes. Titāna dioksīda pulverim ir izcili balta krāsa, tāpēc to izmanto kā krāsvielu krāsu, papīra, zobu pastu un plastmasas ražošanā. Titāna dioksīda pulvera baltuma iemesls ir tā ļoti augstais laušanas koeficients (n=2,7).

Titāna oksīdam TiO 2 ir ļoti spēcīga katalītiskā aktivitāte – tas paātrina ķīmisko reakciju rašanos. Ultravioletā starojuma klātbūtnē titāna dioksīds sadala ūdens molekulas brīvajos radikāļos - hidroksilgrupās OH - un superoksīda anjonos O 2 - (51. att.).

51. attēls. Brīvo radikāļu OH - un O 2 veidošanās shematisks attēlojums ūdens katalīzes laikā uz titāna dioksīda virsmas saules gaismas klātbūtnē.

Iegūto brīvo radikāļu aktivitāte ir tik augsta, ka uz titāna dioksīda virsmas visi organiskie savienojumi sadalās oglekļa dioksīdā un ūdenī. Jāņem vērā, ka tas notiek tikai saules gaismā, kas, kā zināms, satur ultravioleto komponentu.

Titāna dioksīda katalītiskā aktivitāte palielinās, samazinoties daļiņu izmēram, jo ​​palielinās daļiņu virsmas attiecība pret to tilpumu. Tāpēc titāna nanodaļiņas kļūst ļoti efektīvas, un tās izmanto ūdens, gaisa un dažādu virsmu attīrīšanai no organiskiem savienojumiem, kas parasti ir kaitīgi cilvēkiem.

Šosejas betona sastāvā var iekļaut fotokatalizatorus, kas izgatavoti uz titāna dioksīda nanodaļiņu bāzes. Eksperimenti liecina, ka, ekspluatējot šādus ceļus, slāpekļa monoksīda koncentrācija ir daudz zemāka nekā virs parastajiem. Tādējādi titāna dioksīda nanodaļiņu iekļaušana betonā var uzlabot vidi ap lielceļiem. Turklāt tiek ierosināts pievienot pulveri no šīm nanodaļiņām automobiļu degvielai, kas arī samazina kaitīgo piemaisījumu saturu izplūdes gāzēs.

Titāna dioksīda nanodaļiņu plēve, kas uzklāta uz stikla, ir caurspīdīga un acij neredzama. Taču šāds stikls, pakļauts saules gaismai, spēj pašattīrīties no organiskajiem piesārņotājiem, pārvēršot visus organiskos netīrumus oglekļa dioksīdā un ūdenī. Stiklam, kas apstrādāts ar titāna oksīda nanodaļiņām, nav taukainu traipu, tāpēc to labi mitrina ūdens. Rezultātā šāds stikls mazāk aizsvīst, jo ūdens pilieni uzreiz izplatās pa stikla virsmu, veidojot plānu caurspīdīgu plēvi.

Diemžēl titāna dioksīds pārstāj darboties slēgtās telpās, jo... Mākslīgā gaismā ultravioletā starojuma praktiski nav. Tomēr zinātnieki uzskata, ka, nedaudz mainot titāna dioksīda struktūru, to izdosies padarīt jutīgu pret Saules spektra redzamo daļu. Uz šādu titāna dioksīda nanodaļiņu bāzes varēs izgatavot pārklājumu, piemēram, tualetes telpām, kā rezultātā baktēriju un citu organisko vielu saturu uz tualetes virsmām varēs samazināt vairākas reizes.

Pateicoties spējai absorbēt ultravioleto starojumu, titāna dioksīds jau tiek izmantots saules aizsargkrēmu, piemēram, krēmu, ražošanā. Krējuma ražotāji ir sākuši izmantot titāna dioksīdu nanodaļiņu veidā, kas ir tik mazas, ka nodrošina gandrīz absolūtu saules aizsarglīdzekļa caurspīdīgumu.

Pašattīroša nanozāle un "lotosa efekts"

Nanotehnoloģijas ļauj izveidot masāžas mikrobirstei līdzīgu virsmu. Šādu virsmu sauc par nanozāli, un tā sastāv no daudziem paralēliem vienāda garuma nanovadiem (nanorodiem), kas atrodas vienādos attālumos viens no otra (52. att.).

52. attēls. Nanozāles elektronu mikrogrāfs, kas sastāv no silīcija stieņiem ar diametru 350 nm un augstumu 7 μm, kas atrodas 1 μm attālumā viens no otra.

Ūdens piliens, kas nokrīt uz nanozāles, nevar iekļūt starp nanozālēm, jo ​​to novērš šķidruma augstais virsmas spraigums. Galu galā, lai iekļūtu starp nanozālēm, pilienam ir jāpalielina tā virsma, un tas prasa papildu enerģijas izmaksas. Tāpēc piliens “peld uz pointe kurpēm”, starp kurām ir gaisa burbuļi. Rezultātā saķeres spēki starp pilienu un nanozāli kļūst ļoti mazi. Tas nozīmē, ka pilienam kļūst nelabvēlīgi izplatīties un samitrināt „spicaino” nanozāli, un tā saritinās lodītē, demonstrējot ļoti augstu saskares leņķi q, kas ir kvantitatīvs mitrināmības mērs (53. att.).

53. attēls. Ūdens piliens uz nanozāles.

Lai nanozāles mitrināmība būtu vēl mazāka, tās virsma ir pārklāta ar plānu kāda hidrofoba polimēra kārtu. Un tad pie nanozāles nekad nepielips ne tikai ūdens, bet arī jebkādas daļiņas, jo pieskarieties tam tikai dažos punktos. Tāpēc netīrumu daļiņas, kas nonāk uz virsmas, kas pārklāta ar nanovillītēm, vai nu pašas no tās nokrīt, vai arī tiek aiznestas, ripinot ūdens pilienus.

Mīkstās virsmas pašattīrīšanos no netīrumu daļiņām sauc par “lotosa efektu”, jo Lotosa ziedi un lapas ir tīras pat tad, ja ūdens apkārt ir duļķains un netīrs. Tas notiek tāpēc, ka lapas un ziedus nesamitrina ūdens, tāpēc ūdens lāses no tām noripo kā dzīvsudraba bumbiņas, neatstājot nekādas pēdas un aizskalojot visus netīrumus. Pat līmes un medus pilieni nevar palikt uz lotosa lapu virsmas.

Izrādījās, ka visa lotosa lapu virsma ir blīvi klāta ar aptuveni 10 mikronu augstumu mikropūtītēm, savukārt pašas pūtītes klātas ar vēl mazākiem mikrovilnīšiem (54. att.). Pētījumi liecina, ka visas šīs mikropūtītes un bārkstiņas ir izgatavotas no vaska, kuram, kā zināms, piemīt hidrofobas īpašības, padarot lotosa lapu virsmu līdzīgu nanozālei. Tieši lotosa lapu virsmas pūtītes struktūra ievērojami samazina to mitrināmību. Salīdzinājumam 54. attēlā redzama magnolijas lapas salīdzinoši gludā virsma, kurai nav pašattīrīšanās spējas.

54. attēls. Lotosa un magnolijas lapu virsmas mikrogrāfs. Zemāk pa kreisi ir viena mikropūtītes shematiska diagramma. Paņemts no Planta (1997), 202: 1-8.

Tādējādi nanotehnoloģijas ļauj radīt pašattīrošus pārklājumus un materiālus, kuriem piemīt arī ūdeni atgrūdošas īpašības. Materiāli, kas izgatavoti no šādiem audumiem, vienmēr paliek tīri. Jau tagad tiek ražoti pašattīrošie vējstikli, kuru ārējā virsma ir pārklāta ar nanovillītēm. Stikla tīrītājiem uz tāda stikla nav ko darīt. Pārdošanā ir pastāvīgi tīri automašīnu riteņu diski, kas pašattīrās, izmantojot “lotosa efektu”, un tagad varat nokrāsot mājas ārpusi ar krāsu, kurai nepielīp netīrumi.

Nanoakumulatori – jaudīgi un izturīgi

Atšķirībā no tranzistoriem, akumulatoru miniaturizācija notiek ļoti lēni. Galvanisko bateriju izmērs, kas samazināts līdz jaudas vienībai, pēdējo 50 gadu laikā ir samazinājies tikai 15 reizes, un tranzistora izmērs tajā pašā laikā ir samazinājies vairāk nekā 1000 reizes un tagad ir aptuveni 100 nm. Ir zināms, ka autonomas elektroniskās shēmas izmēru bieži nosaka nevis tās elektroniskais pildījums, bet gan strāvas avota lielums. Turklāt, jo viedāka ir ierīces elektronika, jo lielāks akumulators tai ir nepieciešams. Tāpēc turpmākai elektronisko ierīču miniaturizācijai ir nepieciešams izstrādāt jaunus bateriju veidus. Un šeit atkal palīdz nanotehnoloģija

Nanodaļiņas palielina elektrodu virsmu

Jo lielāks ir bateriju un akumulatoru elektrodu laukums, jo vairāk strāvas tie var radīt. Lai palielinātu elektrodu laukumu, to virsma ir pārklāta ar vadošām nanodaļiņām, nanocaurulēm utt.

2005. gadā Toshiba izveidoja litija jonu akumulatora prototipu, kura negatīvais elektrods tika pārklāts ar litija titanāta nanokristāliem, kā rezultātā elektroda laukums palielinājās vairākus desmitus reižu. Jaunais akumulators spēj iegūt 80% no savas jaudas tikai vienas uzlādes minūtes laikā, savukārt parastie litija jonu akumulatori tiek uzlādēti ar ātrumu 2-3% minūtē, un pilnīgai uzlādei nepieciešama stunda.

Papildus lielam uzlādes ātrumam akumulatoriem, kas satur nanodaļiņu elektrodus, ir pagarināts kalpošanas laiks: pēc 1000 uzlādes/izlādes cikliem tiek zaudēts tikai 1% no tā jaudas, un kopējais jauno akumulatoru kalpošanas laiks ir vairāk nekā 5 tūkstoši ciklu. Turklāt šie akumulatori var darboties temperatūrā līdz -40 o C, zaudējot tikai 20% no uzlādes, salīdzinot ar 100% parastajiem mūsdienu akumulatoriem jau pie -25 o C.

Kopš 2007. gada tirdzniecībā ir pieejami akumulatori ar elektrodiem, kas izgatavoti no vadošām nanodaļiņām, kurus var uzstādīt elektromobiļos. Šīs litija jonu baterijas spēj uzkrāt enerģiju līdz 35 kW. stundu, uzlāde līdz maksimālajai jaudai tikai 10 minūtēs. Tagad elektromobiļa darbības rādiuss ar šādiem akumulatoriem ir 200 km, bet jau ir izstrādāts nākamais šo akumulatoru modelis, kas ļauj palielināt elektromobiļa darbības rādiusu līdz 400 km, kas ir gandrīz pielīdzināms benzīna automašīnu maksimālajam nobraukumam. (no degvielas uzpildes līdz degvielas uzpildei).

Nano slēdzis akumulatoram

Viens no galvenajiem mūsdienu akumulatoru trūkumiem ir tas, ka tie dažu gadu laikā pilnībā zaudē savu jaudu, pat ja tie nedarbojas, bet guļ noliktavā (katru gadu tiek zaudēti 15% enerģijas). Akumulatora enerģijas samazināšanās iemesls laika gaitā ir tas, ka pat ar nestrādājošiem akumulatoriem elektrodi un elektrolīts vienmēr saskaras viens ar otru, un tāpēc elektrolīta jonu sastāvs un elektrodu virsma pakāpeniski mainās, kas izraisa bateriju jaudas samazināšanās.

H Lai, uzglabājot akumulatoru, izvairītos no elektrolīta saskares ar elektrodiem, to virsmu var aizsargāt ar nanomatiņiem, kas nav ūdens samitrināti (skat. 55. attēlu), imitējot iepriekš aprakstīto “lotosa efektu”.

55. attēls. Uz viena no akumulatora elektrodiem augošu nanostieņu 300 nm diametra "nanozāles" shematisks attēlojums. Pateicoties nanomatiņa materiāla hidrofobajām īpašībām, zilganais elektrolīta šķīdums nevar pietuvoties “sarkanā” elektroda virsmai, un akumulators nezaudē savu jaudu daudzus gadus. Pielāgots no Scientific American, 2006, februāris, 1. lpp. 73.

Ir zināms, ka adhēziju (pielipšanu) var kontrolēt, izmantojot ārēju elektrisko lauku. Ikviens ir redzējis, kā pie elektrificētas plastmasas ķemmes pielīp mazi papīra gabaliņi, drupatas, putekļi utt. Mitrināmību nosaka adhēzija, un tāpēc elektriskais lauks, kas tiek pielikts starp šķidrumu un cietas vielas virsmu, vienmēr palielina pēdējās mitrināmību.

Nanomatiņu hidrofobais pārklājums pasargā viena no akumulatora elektrodiem virsmu no saskares ar elektrolītu (55. att.). Savukārt, ja vēlamies izmantot akumulatoru, tad pietiek ar nelielu spriegumu pielikt nanomatiņiem, un tie kļūst hidrofili, kā rezultātā elektrolīts aizpilda visu telpu starp elektrodiem, padarot akumulatoru darbspējīgu.

Domājams, ka iepriekš aprakstītā ieslēgšanas un izslēgšanas nanotehnoloģija būs pieprasīta pēc baterijām visdažādākajos sensoros, piemēram, no lidmašīnas nomestiem grūti pieejamās vietās, ko plānots izmantot tikai dažos. gados vai atsevišķos īpašos gadījumos ar signālu.

Kondensatori ar nanocauruļu plāksnēm

Pētnieki uzskata, ka pirms aptuveni 300 gadiem izgudrotais elektriskais kondensators varētu kļūt par izcilu akumulatoru, ja to uzlabotu ar nanotehnoloģiju palīdzību. Atšķirībā no galvaniskās strāvas avotiem, kondensators var kalpot kā elektriskās enerģijas akumulators bezgalīgi. Tajā pašā laikā jūs varat uzlādēt kondensatoru daudz ātrāk nekā jebkuru akumulatoru.

Vienīgais elektriskā kondensatora trūkums, salīdzinot ar galvaniskās strāvas avotiem, ir tā zemā īpatnējā enerģijas intensitāte (uzkrātās enerģijas attiecība pret tilpumu). Šobrīd kondensatoru īpatnējā enerģijas intensitāte ir aptuveni 25 reizes mazāka nekā baterijām un akumulatoriem.

Ir zināms, ka kondensatora kapacitāte un enerģijas intensitāte ir tieši proporcionāla tā plākšņu virsmas laukumam. Izmantojot nanotehnoloģiju, lai palielinātu kondensatora plākšņu laukumu, uz to virsmas iespējams izaudzēt vadošu nanocauruļu mežu (56. att.). Tā rezultātā šāda kondensatora enerģijas jauda var palielināties tūkstošiem reižu. Tiek uzskatīts, ka šādi kondensatori tuvākajā nākotnē kļūs par plaši izplatītiem strāvas avotiem.

56. attēls. Viena no kondensatora plāksnēm, kas ir mežs un vertikāli orientētas oglekļa nanocaurules, virsma.

Tiem, kas vēlas saistīt nākotni ar nanotehnoloģiju

Tagad daudzas Krievijas universitātes sagatavo speciālistus nanotehnoloģiju jomā. Nanotehnoloģiju fakultātes un katedras parādās daudzās prestižās universitātēs. Ikviens saprot šī virziena solījumu, saprot tā progresivitāti... un pat, iespējams, ieguvumus. Pēdējie gadi ir bijuši raksturīgi ar strauju intereses pieaugumu par nanotehnoloģiju un pieaugošām investīcijām tajā visā pasaulē. Un tas ir diezgan saprotami, ņemot vērā, ka nanotehnoloģijas sniedz augstu ekonomiskās izaugsmes potenciālu, no kā ir atkarīga iedzīvotāju dzīves kvalitāte, tehnoloģiskā un aizsardzības drošība, resursu un enerģijas taupīšana. Mūsdienās gandrīz visās attīstītajās valstīs ir nacionālās programmas nanotehnoloģiju jomā. Tiem ir ilgtermiņa raksturs, un to finansēšana tiek veikta no līdzekļiem, kas piešķirti gan no valsts līdzekļiem, gan no citiem fondiem.

To augstskolu saraksts, kurās var studēt nanotehnoloģiju jomā

1. Maskavas Valsts universitāte nosaukta pēc. M.V. Lomonosovs,

2. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūts (Valsts universitāte)",

3. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Maskavas Valsts tehniskā universitāte, kas nosaukta Ņ.E. Baumana vārdā,

4. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Valsts tērauda un sakausējumu institūts (Tehnoloģiskā universitāte)",

5. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Valsts elektronisko tehnoloģiju institūts (Tehniskā universitāte)",

6. Federālā valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Sanktpēterburgas Valsts universitāte",

7. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Taganrogas Valsts radiotehnikas universitāte" (kā daļa no Dienvidu federālās universitātes),

8. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Ņižņijnovgorodas Valsts universitāte Ņ.I. Lobačevska vārdā",

9. Federālā valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Tomskas Valsts universitāte".

10. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Far Eastern State University",

11. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Akadēmiķa S.P. Koroļeva vārdā nosauktā Samaras Valsts aviācijas universitāte",

12. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Ģ.V.Plehanova vārdā nosauktais Sanktpēterburgas Valsts kalnrūpniecības institūts (Tehniskā universitāte)",

13. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Tomskas Valsts vadības sistēmu un radioelektronikas universitāte",

14. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Tomskas Politehniskā universitāte",

15. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Novosibirskas Valsts universitāte",

16. Nacionālā pētniecības kodolenerģijas universitāte "MEPhI",

17. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Sanktpēterburgas Valsts Politehniskā universitāte",

18. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Enerģētikas institūts (Tehniskā universitāte)",

19. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "V.I.Uļjanova (Ļeņina) vārdā nosauktā Sanktpēterburgas Valsts elektrotehniskā universitāte "LETI"",

20. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Sanktpēterburgas Valsts informācijas tehnoloģiju, mehānikas un optikas universitāte",

21. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Belgorodas Valsts universitāte",

22. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Krievijas Tautu draudzības universitāte",

23. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "A.M. Gorkija vārdā nosauktā Urālas Valsts universitāte",

24. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Ņ.G.Černiševska vārdā nosauktā Saratovas Valsts universitāte",

25. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Vladimira Valsts universitāte",

26. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Valsts Būvniecības universitāte",

27. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Tālo Austrumu Valsts tehniskā universitāte (FEPI V.V.Kuibiševa vārdā)",

28. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Novosibirskas Valsts tehniskā universitāte",

29. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "South Ural State University",

30. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Permas Valsts tehniskā universitāte",

31. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "A.N.Tupoļeva vārdā nosauktā Kazaņas Valsts tehniskā universitāte",

32. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Ufas Valsts aviācijas tehniskā universitāte",

33. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Tjumeņas Valsts universitāte",

34. Valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Urāles Valsts tehniskā universitāte - Krievijas pirmā prezidenta B.N. Jeļcina vārdā nosauktā UPI",

35. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "M.K.Amosova vārdā nosauktā Jakutas Valsts universitāte",

36. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Vjatkas Valsts universitāte",

37. Federālā valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Imanuela Kanta vārdā nosauktā Krievijas Valsts universitāte",

38. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "Maskavas Pedagoģiskā Valsts universitāte",

39. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "I.M.Gubkina vārdā nosauktā Krievijas Valsts naftas un gāzes universitāte",

40. Valsts profesionālās augstākās izglītības iestāde "G.R.Deržavina vārdā nosauktā Tambovas Valsts universitāte".

Bibliogrāfija

http://abitur.nica.ru/

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

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

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

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