Основные этапы развития нанотехнологии. Экологические проблемы нанотехнологии

Добавить свою цену в базу

Комментарий

Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

История

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.

Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).

Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».

На что способны нанотехнологии?

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.

• ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
• Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
• Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

10 нанотехнологий с удивительным потенциалом

Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.

Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.

Электропроводимый жидкий металл

За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».

«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.

Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.

Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.

Нанопластыри

Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.

Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.

Нанофильтр для воды

При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.

Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.

Очиститель воздуха для подводных лодок

Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.

Нанопроводники

Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.

Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.

Нанотехнологическое зарядное устройство

Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.

Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.

Искусственная сетчатка

Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.

Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.

Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.

Светящаяся одежда

Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.

Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.

Наноиглы для восстановления внутренних органов

Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.

Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.

Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.

Трехмерная химическая печать

Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.

Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.

Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.

Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?

Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».

Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Нанотехнологии в искусстве

Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.

В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».

Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).

Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.

В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.

В реферат рассмотрен вопрос инновационных технологий, а именно нанотехнологий. ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение……………………………………………>…………………

Аннотация…………………………………………>…………………

1. История возникновения нанотехнологии………………………..

2. Фундаментальные положения…………………………………..

2.1 Атомно-силовая микроскопия……………………………….

2.2 Наночастицы……………………………………>…………….

2.3 Самоорганизация наночастиц………………………………

3. Нанотехнологии и общество……………………………………..

3.1 Влияние нанотехнологий на основные социальные сферы…..

3.2 Нанотехнологии и этика………………………………………..

3.3 Нанотехнологии и образ жизни человека………………….

Заключение………………………………………>…………………..

Список литературы………………………………………>…………..

АННОТАЦИЯ

В реферат рассмотрен вопрос инновационных технологий, а именно нанотехнологий. Описана история развития нанотехнологии, фундаментальные положения нанотехнологии как науки, а также влияние их на жизнь общества, на различные социальные сферы. Указана взаимосвязь нанотехнологий с такими понятиями философии, как этика и мораль. Предложены перспективы развития нанотехнологий.

ВВЕДЕНИЕ

Наступил 21-й век и всех, естественно, волнуют вопросы о будущем, о развитии науки и техники в наступающем столетии. Удастся ли человечеству победить страшные болезни (рак, СПИД и некоторые другие), станут ли путешествия на Луну простыми туристическими поездками, как будут выглядеть космические станции? Станут ли реальностью фантастические проекты в информационных технологиях, т.е. войдут ли в нашу жизнь крошечные компьютеры с поразительным быстродействием и огромным объемом памяти, способные мгновенно записать, обработать и переслать в цифровой форме информацию любого вида? Будут ли созданы «личные» микрочипы, на которых будет записана не только все данные о владельце (полная идентификационная карта), но и даже весь его генетический код? Станут ли такие личные миниатюрные компьютеры настолько умными, что при необходимости (например, при несчастном случае) смогут связаться с ближайшей больницей и провести «консультацию» с врачом? Можно ли надеяться, что промышленность начнет выпускать экологически безопасные автомобили, в выхлопных газах которых не будут содержаться вредные вещества? Осуществится ли, наконец, мечта человечества о жизни «в гармонии» с природой? /10/.

Развитие нанонауки и нанотехнологии, возможно, сможет дать ответ на все эти вопросы и значительно изменить все условия человеческого существования.

1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

НАНОТЕХНОЛОГИИ

«…Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений. Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу (т. е. внизу или внутри пространства, если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира» /9/. Этими словами в канун 1960 г. на Рождественском обеде Американского физического общества начал свою лекцию знаменитый американский физик-теоретик, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Филлипс Фейнман. Именно в его выступлении впервые упоминаются методы, которые впоследствии будут названы нанотехнологией.

Термин «нанотехнологии» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанометр — одна миллиардная часть метра. Размер атома — несколько десятых нанометра. Все предыдущие научно-технические революции сводились к тому, что человек все более умело, копировал механизмы и материалы, созданные Природой. Прорыв в область нано-технологий — совсем другое дело. Впервые человек будет создавать новую материю, которая Природе была неизвестна и недоступна. Фактически наука подошла к моделированию принципов построения живой материи, которая основана на самоорганизации и саморегуляции.

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии 20-го века. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реально существует, и в этой области ученые многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой новых технологий /10/.

Примерно через сорок лет после знаменитой лекции Ричарда Ф. Фейнмана, Эрик К. Дрекслер в своей книге «Машины творения» (1986) предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии. Воображаемые устройства Дрекслера по своим размерам были значительно меньше, чем хорошо известные всем биологические клетки.

В 1981 году сотрудники фирмы IВМ Г. Бининг и Г. Рорер, создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов, что явилось исключительно важным научным достижением, поскольку исследователи впервые получили возможность непосредственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном масштабе /8/.

Японские фирмы и научные организации, в свою очередь, начали энергично развивать методики в области микроскопии, в результате чего, за короткое время были созданы новые типы сканирующих туннельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень высоким разрешением (напомним, что разрешением оптического прибора физики называют размер наименьшей детали, которую можно выделить на получаемом изображении), позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию экспериментальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило наши представления о микромире и нанообъектах. В 1991 году Япония начала осуществлять государственную программу по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная Технология»), которая привлекла внимание исследователей во многих странах.

В 1990 году началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 миллиардов нуклеотидных остатков в записи генетической информации (проект «Геном Человека»), ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые огромные возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе (биоинформатика). Можно даже сказать, что до 1990 года информационная технология (ИТ) была всего лишь составной частью или «ветвью» электроники, а после 1990 года от нее отросла (как от ветви настоящего дерева) независимая отдельная веточка, которую можно назвать биоинформационной технологией. В связи с осуществлением проекта «Геном Человека» произошло также быстрое и энергичное развитие разнообразных исследовательских методик в области собственно биотехнологий.

Проект «Геном Человека» был завершен в 2000 году и позволил ученым прочитать генетическую информацию, связанную с человеческим организмом, что уже привело к созданию новых лекарств по новым принципам и на новой основе (геномика). Следующим естественным этапом стало развитие новых отраслей фармацевтической промышленности и создание новых производственных процессов и мощностей, а также расширение сферы всего бизнеса и деловой активности в этой обширной отрасли.

Можно ожидать, что лекарственные препараты в XXI веке будут выпускаться буквально в индивидуальном порядке (т. е. для каждого конкретного пациента на основе его генной информации будут разрабатываться препараты, обеспечивающие максимальный лечебный эффект при данном заболевании и т. п.). Такая ориентированная на заданного человека система лечения уже даже получила название «индивидуальной» терапии или «лечения по заказу» (tailor-made therapy) и она, безусловно, открывает перед практикующими врачами огромные перспективы. Дальнейшие исследования позволят перейти от генома человека к изучению молекулярной структуры белков, особенностей их функционирования в живых организмах, механизмов их взаимодействия и т. п., что вновь неожиданно приводит нас ко многим задачам и проблемам, связанным с информационной технологией. Понимание и использование механизмов взаимодействия на молекулярном уровне важны не только для биологии, но и составляют основу нанонауки в целом.

Поэтому фундаментальные исследования XXI века в области нанотехнологий должны обязательно нацеливаться именно на изучение механизмов процессов на молекулярном уровне. В прикладных задачах, по-видимому, основное внимание будет уделяться проблемам биотехнологии, а также дальнейшему развитию и прогрессу полупроводниковой техники и информационных приложений (созданию новых типов интегральных схем, запоминающих устройств и т. д.).

В области медицины мы уже можем всерьез задуматься о реализации самых немыслимых фантазий (борьба со старостью, лечение всех заболеваний, полная победа над раком). Возможно, в XXI веке мы будем заниматься даже проблемой бессмертия человека. Нанотехнология должна стать основой для практической реализации многих вечных стремлений человека. В 2000 году нанотехнология делает первые шаги и начинает бурно развиваться, но к середине столетия уже можно ожидать существенного прорыва во многих областях, включая информационные технологии, биологию, создание «информационного общества», медицину и т. п./11/

2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" — это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

2.1 Атомно-силовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa /5/.

Еще в 1960 году Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, который смог бы создать свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Природа химических связей налагает ряд ограничений на подвижность атомов в кристаллической структуре или молекуле, и зачастую необходимо знать, с какой силой нужно воздействовать на один атом, чтобы случайно не отделить остальные, связанные с ним. И позже, учеными IBM было получено значение минимальной энергии, необходимой для отделения атома от той или иной поверхности /1/.

2.2 Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Страницы: следующая →

12Смотреть все

1. История развития нанотехнологий

   Реферат >> Физика

2. Нанотехнологии для школьников

   Реферат >> Физика

   … с веществом к манипуляции отдельными атомами. История возникновения и развития нанотехнологий Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции …

3. Философские проблемы развития и применения нанотехнологий

   Научная работа >> Философия

   … . Редукционизм имеет богатейшую философскую историю , восходящую к досократикам, но … быть четкой границы. В истории европейской философии Нового времени такой … потребность явилась доминирующей для возникновения нанотехнологии . Одной из причин необходимости …

4. Философия истории П.А. Сорокина

   Реферат >> Философия

   … была такая необходимость? Абдусалам Гусейнов: История возникновения института немного сложней. Сталин его … проблем. Новые проблемы возникают и с появлением нанотехнологий К примеру, стоит насыпать немного «нанопорошка» …

5. История развития современных реставрационных материалов

   Реферат >> Медицина, здоровье

   … аппарата. Как выглядит история развития современных реставрационных … пломбировочные материалы на основе нанотехнологий . Полимерные пломбировочные материалы … полимеризационной усадки пломбировочного материала, возникновение полимери-зационного стресса — …

Хочу больше похожих работ…

Краткая история развития нанотехнологий.

Примерно в 400 г. до н.э. греческий философ Демокрит впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "не раскалываемый", для описания самой малой частицы вещества, тем самым положив начало развитию нанотехнологий.

Примером первого использования нанотехнологии можно назвать ч изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. В этом докладе, он подчеркнул, что речь идет не только о миниатюризации, но и о таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки.

По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. "Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне".

Он предложил награду в 1000$ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25000 ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа. В 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу "Истории двух городов" Чарльза Диккенса на кончике булавки. Отправив результаты своего труда Фейману, он в течение двух недель получил от него чек.

Многие ученые до сих пор удивляются, насколько точны были предположения Ричарда Феймана.

1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 Ао).

1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

1971 г. Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа.

1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил английский термин "nanotechnology"-"нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г.) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

1985 г. Три американских химика: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены — молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший, наконец, визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.

1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.

Ученый довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, и, начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.

1987-1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П. Н. Лускиновича была заработана первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго — атомы быстро разбежались с поверхности.

1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.

Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными — их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.

1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.

1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор технического университета создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

В Японии запущена программа "Astroboy" по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.

1999 г. Американские ученые — профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) — разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.

2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.

Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм.

Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.

2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.

2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).

2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

История развития нанотехнологий

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов.

История развития нанотехнологии

До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Во второй половине 20 столетия был дан старт реализации нескольких долговременных научных программ. Выполнение их продолжается в настоящее время, а завершение работ по ним планируется в середине 21 века. Одной их таких программ является космическая программа, которая подразумевает исследования, как ближайшего космоса, так и отдаленных уголков Вселенной. В результате реализации этой программы объединенным усилием научных коллективов разных стран мира были созданы международные космические станции, на которых используется новейшее оборудование, изготовленное в различных лабораториях. К таким программам относится также грандиозная по замыслу международная программа «Геном человека», целью которой является расшифровка генного кода человека. Параллельно развиваются программы «Геномы животных». Успешно реализуются международные экологические программы, международные программы мониторинга объектов окружающей среды. Примером сплава науки и техники является интереснейшая и перспективнейшая научная программа «Развитие нанотехнологий».

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с длиной от 1 до 100 нм. 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра. Если сравнить 1 нм с толщиной волоса, то получится что 1 нм примерно в 100 раз меньше толщины волоса. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в больших интегральных схемах, которые широко применяются в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм. Нанотехнологии имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика 20 века при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными для нас микрообъектами.

В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям:

1. изготовление электронных схем с активными элементами, величиной, примерно, со среднюю молекулу;

2. разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера;

3. непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего.

Именно поэтому они представляются весьма перспективными для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.

Нанотехнологии имеют междисциплинарный характер – они объединяют все связанные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках.

Начало нанонауки положил в 1959 году Ричард Ф.Фейнман при прочтении лекции, в которой была рассмотрена возможность создания веществ совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке.

В 1986 году Эрик К.Дрекслер предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологий.

Начиная с 1980 года, в технологии производства транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусственно создаваемые пленки толщиной около 10нм, что позволяло изготавливать устройства с новыми, повышенными техническими характеристиками. В 1980 году в Японии был изготовлен первый полевой транзистор с высокой подвижностью носителей. В 1981 году сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов. Работая со сканирующим микроскопом, экспериментаторы вышли на следующий этап развития, а именно стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне.

В 1990 году началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 млрд нуклеотидных остатков в записи генетической информации – проекта «Геном человека», ставшим ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе. В 1991 году в Японии начала осуществляться первая государственная программа по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная технология»). Это ознаменовало новый этап в развитии нанонауки и нанотехнологий: государство стало поддерживать направление, признав его приоритетность не только для национальной науки, но и для государства в целом.

В настоящее время нанотехнологии все больше входят в нашу жизнь. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны в промышленных устройствах очистки питьевой воды и получении сверхчистой воды так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в технологии получения полупроводников, которые эффективнее известных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

· «нановолокна», состоящие из 60-70 молекул, как новое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

· Нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

· Атомная игла – сверхтонкая игла, которая изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

· Нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

· Наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

· Сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

· Диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

· Наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени, но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

· Нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов по иммунной реакции;

· Наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы.

Что-то из выше перечисленного уже становится реальностью, что-то находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу. Потенциальные возможности нанотехнологий поистине не знают границ, поэтому необходимо государственное участие в проектах по нанотехнологиям. На сегодняшний день государственную поддержку имеют нанотехнологии в США, Японии, России. Существует Объединенный комитет Евросоюза по нанотехнологиям.

Основные даты в истории развития нанотехнологий

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год "Инициатива" запрашивает $710 млн.

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Танигути.

Норио Танигути (яп.谷口 紀男 Танигути Норио ) - японский физик, впервые предложивший термин «нанотехнологии».

Биография

Норио Танигути родился в 1912 году. Свои исследования Танигути начинал в области высокоточной абразивной обработки твердых и хрупких материалов. Позднее, в Токийском университете (Tokyo Science University) занимался изучением ультрапрецизионной обработки материалов с помощью различных технологий - электрического разряда, микроволн, ионных и электронных пучков, а также лазеров.

В 1974 году в своей работе предложил термин «нанотехнология».

2. История возникновения и развития нанотехнологий

Нанотехнологиями («nano-technology») он называл процессы создания полупроводниковых структур с точностью порядка нанометра с помощью методов фокусированных ионных пучков, осаждения атомных слоев и др.

В 1986 году термин «нанотехнологии» независимо от Норио Танигути предложил американский инженер и популяризатор Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии».

Танигути ушёл из жизни в 1999 году.

Источники

• Taniguchi N. On the Basic Concept of «Nano-Technology» // Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo. Part II. - Japan Society of Precision Engineering, 1974.

Нанотехнологии для меня -- это прежде всего а) самые разные датчики и б) компьютеры с малым энергопотреблением и большой вычислительной мощностью.

В течение буквально пяти лет произойдет огромный прогресс в датчиках всех органов чувств, причем в мобильном варианте. Военные технологии очень быстро окажутся у многих и многих людей -- в камерафонах, теленетбуках и прочих странных девайсах. Продвинутые оптические матрицы, продвинутая оптика, продвинутая механика для того, чтобы все это мгновенно фокусировалось и отслеживало объект съемки, огромная вычислительная мощность для обработки видео, бездонная память, которая проглотит любой видеопоток и бережно его сохранит, распределенные торрент-системы, которые передадут все это видео интересующимся. Ольфакторные чипы, которые унюхают все, что интересно их владельцу, и которыми будет оборудован каждый камерафон, букридер и т.д.. Вездесущая GPS и Galileo навигация. Повсеместный интернет, "постоянный коннект". Микрофоны, которые слышат с огромных расстояний. Четкие снимки через любое марево. Я постоянно пишу о подобных технологических новинках у себя в журнале (и сейчас даже ссылок не привожу, все это было). И все это -- нанотехнологии.

Далее empowering (превращение каждого отдельного ламера в крутого профи). Empowering -- это когда у меня сейчас на поясе болтается 200г. камера, готовая снимать HD. А через пять лет такое будет практически у каждого человека, а у особо заинтересованных будет третье поколение камер формата Micro Four Thirds. Почему важно, чтобы это было HD? Потому как это -- emotional broad band. C другой стороны, редко какие шпионы обладали такой аппаратурой, какой сегодня обладает любой подросток, вооруженный сотовым телефоном. Экстраполируйте это еще лет на пять. Все граждане будут экипированы, как журналисты, желающие провести крутое журналистское расследование. Анализ ДНК лет через пять-десять уже будет не проблема. Анализируй родословную своих собачек, птичек, а также родственников и проходящих мимо политиков. Все это нанотехнологии.

Ну и что? Сейчас в России в газетах свободно печатают информацию про политиков, из-за которой в приличных странах эти политики перестают быть таковыми. А в России не перестают. Да и не вся политика публична.

Мой первый пойнт: empowering приводит к тому, что вся политика будет публична, даже если государственное раскрытие информации стремится к нулю. Люди любопытны, и склонны информацией делиться. Нанотехнологии будут стремительно снижать стоимость действий по добыче интересной информации.

Как ни странно, я считаю, что empowering (когда один человек при помощи технологий начинает работать с такой же производительностью, как бригада) проходит сейчас со много большей скоростью, чем помощь со стороны технологий различным группам по интересам. В том числе группам по политическим интересам. Все эти "социальные сети" находятся в самом начале своего пути, ибо социальные сети должны опираться на технологии emotional broadband -- эмоциональной широкополосности. Видео, аудио, трехмерность. В социальных сетях виртуальные миры еще никак себя не показали. В виртуальные миры пока еще нельзя попасть в собственном образе, нужны аватары. Нельзя провести дистантный семейный совет по той же технологии Cisco Telepresence, по которой проходит совет директоров какой-нибудь крупной компании (напомню, что продает Cisco в этой технологии: натуральную величину людей, контакт глазами, голос без задержек и из правильного направления, возможность сохранить стандартное поведение в комнате во время встречи).

Технологии вебинаров угрюмы, лаги губительны для нормальных обсуждений. В асинхронных сервисах социальных сетей нет пока поддержки организации (хотя бы в объеме issue tracking базовой версии Trac) -- никто никому ничего не может поручить, а затем проверить исполнение (я имею ввиду теорию коммуникативного действия Хабермаса). Но это нормально. Софт, как всегда отстает. Ибо аппаратура уже почти готова: камерам не требуется специального освещения, экраны делаются карманным прожектором из любой стены, интернет-трафик после некоторых неизбежных ограничений опять рванет в облака. Аппаратура эта через пять-десять лет будет стоить копейки, а софт так и вовсе будет бесплатным, как и сегодня.

А дальше возможны интересные сценарии типа тех, которые мы наблюдали в Индии во время ликвидации колониального режима. Только сценарии эти будут не страновых масштабов, а весьма локальных. Но в эпицентре этих сценариев мало никому не покажется, ибо это будут такие своеобразные суды Линча. Именно суды Линча: я отнюдь не утверждаю, что технологии дадут ход лучшим свойствам человечьей натуры. Механизм тут ровно такой же, как в знаменитом Манеки-неко, http://zhurnal.lib.ru/4/40_s_z/maneki.shtml , но каждое общество получит от этих технологий то, что оно заслуживает в меру своего варварства.

Хотя у дикарского общества будет много больше возможностей стать менее дикарским: новые технологии прежде всего -- информационные, они продвигают прежде всего образовательные процессы, в какой бы извращенной форме (обсуждение очень неприглядных ситуаций) эти образовательные процессы не проходили. Политика -- это прежде всего образование масс, причем конкурентными образовательными программами. Вот эту-то конкуренцию с самых неожиданных сторон новые технологии и обеспечат. Конкуренцию дикости и цивилизации в том числе. Но в диспутах выиграть может и цивилизация, равно как в силовом физическом столкновении обычно побеждает варвар.

Новые технологии вывернут на свет божий столько грязи, сколько человечество еще не видело. Мир пока еще не большая дважды деревня -- дважды, ибо кроме традиционного смысла "все всех знают" есть еще и неожиданный смысл -- огромное большинство жителей планеты все еще деревенские жители, даже если они уже успели переехать в какие-нибудь пригороды мегаполисов. Мир в эту дважды деревню только-только начинает превращаться. И хорошо, что новые технологии прежде всего являются технологиями образовательными. Но сначала у деревенских дикарей будет empowering для их дикарских замыслов ("дикарского блага") и средства для их дикарской организации в орды, а только потом эти же технологии превратят дикарей в цивилизованных людей, использующих свои способности для благих ("благо цивилизации") целей. Эти же технологии позволят цивилизованным людям обсудить, что именно является этим "благом цивилизации" -- и не прийти ни к какому единому мнению.

Но все начнется с превращения разведтехнологий в массовые. Взять в интернете подробную справочку про текущего докладчика на совещании, где принимаются важные (в том числе и политические) решения, могут еще не все люди. Через пять лет это будет инстинктивным действием. И часто после этого будут приниматься другие решения, "на основании разведданных", а не на основании предоставленной тщательно отфильтрованной информации. Информация хочет быть свободной, а на базе освободившейся информации много-много людей начнет принимать самые неожиданные решения.

Мир изменится, и изменится очень круто. Я не говорю, что мир изменится в лучшую сторону.Просто всё (в том числе и политика) будет происходить много быстрее и разнообразнее, а не лучше или хуже. А в основе этих изменений лежат нанотехнологии -- именно они позволяют получить дешевые асферические линзы, именно они позволяют Intel в эти дни демонстрировать новое поколение процессоров для мобильных телефонов, которые потребляют вдесятеро меньше энергии, именно эти нанотехнологии позволяют создать карманные проекторы высокой четкости и яркости, именно нанотехнологии позволяют иметь много часов видеозаписи во флешке размером с ноготь, именно нанотехнологии переведут связную инфраструктуру на оптоэлектронику, которая сейчас отрабатывается на дорогущих GRID-сетях. А дальше -- emotional broadband, через который к нам ворвется новая политика. Вы только представьте себе какие-нибудь студенческие волнения лет через пять, в которых каждый студент имеет мобильные устройства, о которых военные сейчас только мечтают. И никакое отключение интернета им грозить не будет, ибо mesh-сети тоже на подходе. И никакие "закладки" в процессорах, ибо открытый код для процессоров тоже уже появляется.

Ох, нахлебаемся. Впрочем, это верно для любого уровня технологий: прошлого, нынешнего, будущего. Ох, нахлебались, нахлебываемся, нахлебаемся.

В перспективе нанотехнология может сыграть значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Речь идет, в первую очередь, об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, о создании новых "чистых" технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также о переработке мусора на свалках и очистке загрязненных водоемов. В дальнейшем предполагается осуществление непрерывного контроля и обработки обширных участков окружающей среды с целью их очистки от очень мелких частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воде (размер < 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).

Необходимо также учитывать, что наноструктурные материалы могут сами вызывать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Загрязнение может быть связано как с существующей техникой (например, наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей), так и с новыми веществами или технологическими процессами. Во многих случаях нанотехнологии представляют собой новые производственные процессы, и их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть тщательно оценена.

Сложные физико-химические процессы с участием наноструктур играют существенную роль во многих явлениях, определяющих изоляцию, высвобождение, подвижность и биологическую доступность различных веществ (полезных и вредных) в окружающей среде. Микропроцессы, происходящие на границах раздела природных физических и биологических систем, определяют разные проблемы медицины и биологии. Изучение динамики процессов, специфичных для наноструктур в природных системах, позволит не только понять механизмы переноса и биологического усвоения веществ, но и использовать для улучшения экологической обстановки.

В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ, однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях (например, при использовании кварцевых и асбестовых волокон) было обнаружено вредное воздействие наночастиц, в других — потенциальные опасности кажутся незначительными. Кроме того, следует учитывать, что аэрозоли из наноразмерных частиц постоянно участвуют в разнообразных атмосферных физико-химических процессах.

Нанотехнологии уже оказали значительное влияние на многие производства, связанные с окружающей средой и энергетикой. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.

Сокращение отходов производства и повышение энергетического к.п.д.

Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов во многих случаях позволило резко повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля или ксерогеля V205) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость, срок службы и скорость зарядки/разряда.

Экологически безопасные композитные материалы

Совместимость композиционных материалов с наномасштабными инородными включениями открывает возможность производить высококачественные материалы специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, малым воздействием на окружающую среду. На их базе можно производить легкие и небольшие конструкции и устройства, характеризующиеся низким энергопотреблением. Композиционные наноматериалы отличаются большим структурным разнообразием и могут быть как очень простыми (сталь с включениями из оксидов или нитридов), так и очень сложными (гетерогенные композиты, обладающие заранее заданной, высокофункциональной структурой).

Переработка отходов

Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТЮг до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТЮг, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая опасные органические соединения, клетки, вирусы и ядовитые химикаты. Наноразмерные частицы, после соответствующей химической обработки их поверхности (образования производных соединений) лигандами или реагентами, могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов или пассивировать загрязненные поверхности. Кроме того, предполагается, что нанотехнологии позволят так организовать химические производственные процессы, что в ходе их будет образовываться меньше отходов. В химии поверхностных явлений проводится изучение материалов со специально сконструированными наноструктурными поверхностями, которые обеспечат проведение требуемых реакций с образованием минимального количества отходов.

Преобразование энергии

Процессы, связанные с получением энергии (включая как непосредственное производство электрической энергии, так и добычу топлива, подлежащего транспортировке), наносят непоправимый вред окружающей среде. Наносистемы могут составить основу энергетических производств на возобновляемых источниках энергии, при функционировании которых образуется гораздо меньше вредных отходов. Примером может служить упомянутое выше использование наноразмерных или мезоразмерных материалов в электродах аккумуляторов или топливных элементах для транспортных средств.

В ходе конференции посвященной проблемам биобезопасности нанотехнологии ученые предложили правительству принять определенный регламент по контролю за продуктами наноиндустрии.

Правительства многих стран в наше время организуют специальные конференции и выделяют значительные суммы на изучение влияния нанотехнологии на окружающую среду.

Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств.

В данной связи ученые проводят исследование поведения наночастиц в атмосфере и последствия их вдыхания человеком. В результате опытов над лабораторными грызунами была выявлена высокая чувствительность клеток эпителия дыхательной системы к наночастицам, которые накапливались в носовых путях подопытных животных, вызывая риниты и другие, более тяжелые заболевания.

Не меньшее внимание привлекает проблема влияния наноматериалов на окружающую среду. Так было проведено исследование о риске для окружающей среды пяти основных типов наноматериалов, включая нанотрубки, квантовые точки и бакиболы. Исследователи определяли различные типы рисков загрязнения для разных технологических операций, включая производство лекарств, очистку нефти. На основании полученых данных профессор по охране окружающей среды делает в статье вывод, что создание наноматериалов представляет меньший риск, чем текущие индустриальные процессы.

Наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виду почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показали, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.

Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Разработанные с использованием нанотехнологий наночастицы могут помочь в лечении раковых заболеваний, Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям. Наночастицы из диоксида титана (TiO2) приводят к разрыву одно- и двухцепочечных ДНК, а также приводят к повреждению хромосом.

Попадая в организм титановые наночастицы накапливаются в различных органах, поскольку в организме нет механизмов их выведения. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в клетки и начинают влиять на их элементы.

Масштабы использования наночастиц в производстве косметики растут с каждым годом, и, как считают производители, в этом нет ничего дурного. Иной позиции придерживаются некоторые экологи. Использование наночастиц в косметике не менее вредно, чем добавки мышьяка и свинца, полагают австралийские представители международной экологической организации «Друзья Земли». Во всех выбранных наугад тестовых группах продуктов, исследователи обнаружили наночастицы.

Нанотехнологии применяются в косметике куда шире, чем полагают потребители. Помимо наличия наночастиц, семьдесят процентов протестированных продуктов содержит химические усилители, которые облегчают проникновение наночастиц через кожу в кровь. Не избежали обвинений многие популярные производители и марки косметики. Наночастицы нашли в продуктах Клиник, Лаком, Л"Ореаль, Макс Фактор, Ревлон, Ив Сан Лоран, при том, что в составе они не были указаны. А вот производитель косметики Кристиан Диор не только включил наночастицы в состав продукции, но и указал их в списке ингредиентов.

Результаты исследования явно указывают на опастность новой косметики. В 2009 году в Евросоюзе был введен закон, согласно которому все кремы от загара, содержащие наноматериалы и наночастицы, должны пройти тестирование до 2012 года.

Этот случай - далеко не первый, когда экологи и ученые поднимают вопрос опасности, которую могут представлять современные нанотехнологии. В частности, некоторые ученые полагают, что появление наночастиц в атмосфере в промышленных масштабах может изменить климат Земли, а также предупреждают об опасности употребления пищи, созданной с использованием нанотехнологий

Американские ученые обнаружили в атмосфере Земли значительное количество наночастиц, которое продолжает увеличиваться. По их мнению, наночастицы, отражая солнечные лучи, могут серьезно изменить климат на планете, вызвав очередной Ледниковый период.

По последним наблюдениям американских ученых, в атмосфере нашей планеты уже находится значительное количество наночастиц, невидимых глазом, но могущих оказать влияние как на погодные процессы.

Количество наночастиц в разных частях света увеличивается, но почему это происходит остается загадкой. Ученые занимались вопросом того, как образуются наночастицы и каким образом происходит увеличение их количества, когда они вступают во взаимодействия с различными органическими испарениями.

Однако, им удалось выяснить, что некоторые виды органики быстро растут в атмосфере. Собираясь в больших количествах, они отражают солнечный свет назад в космос - своего рода обратный парниковый эффект. Кроме того, отмечают ученые, распространение наночастиц в воздухе может обострить такие заболевания, как астму, эмфизему и другие легочные заболевания.