Исследовательская работа: «Нанотехнологии в военном деле»

Исследовательская работа:

«Нанотехнологии в военном деле»

 Автор работы: Коткин Никита, 7А класс
Руководитель: Молодых Г.И.
МБОУ«СОШ№11» ИГОСК

Введение

Прогресс не стоит на месте, и с каждым десятилетием общество получает новую волну технического прогресса. Одно из главных на сегодняшний день направлений прогресса - это нанотехнологии. Они проявляются везде: в медицине, в досуге. Мы  рассмотрим применение нанотехнологий в военном деле. Сейчас «война» идет на фланге науки, которая выдвигает новые технологии, материалы и их свойства. Также особое внимание теперь уделяется экипировке солдат: легкие и прочные бронежилеты, приборы ночного видения, ультрасовременные приборы связи и навигации, новые способы оказания медицинской помощи, новые технологии в снабжении солдат. Открыть новое поле в разработке всего выше сказанного помогают нанотехнологии.

Актуальность: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

       Гипотеза исследования: нанотехнологии используются во всех сферах, давая новые возможности и помогая решать самые сложные задачи. 
       Цель проекта: показать неограниченные возможности современной науки и техники в развитии нанотехнологий, познакомить сверстников с современными достижениями и пробудить интерес к проблеме нанотехнологий.

Задачи проекта:

- познакомиться с историей развития нанотехнологий;

- изучить практическое значение разработок нанотехнологий в военном деле для экипировки солдат;

- провести тестирование среди учеников 7 классов с целью выявления уровня осведомленности по данной теме.

Объект исследования: нанотехнологии.

Предмет исследования: новейшие технологии для экипировки солдат.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка, оформление работы, тестирование, создание презентации.

Выход проектного продукта: стенгазета в школе, проведение классных часов для младших школьников.

Практическая значимость работы заключается в том, что работающие над этой темой ученики и слушатели узнают много нового из этой сферы. Данная работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники. Повысит интерес ребят к научным разработкам в сфере военного комплекса.

Введение:

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Нанотенология – наука, которая способна изменить структуру предметов, путем изменения их молекулярного строения. Углерод – один из главных составляющих всего живого – является главным рабочим материалом для ученых работающих с наноматериалами. Другой стороной нанотехнологии является создание образцов приборов, устройств или их элементов крайне малых размеров, размер одной наночастици 10-9, это дает возможность создавать маленькте самолеты разведчики, приборы связи и наблюдения, новые медицинские приборы.Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха. Бойль утверждал, что все состоит из "корпускул" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями человек давно использовал в своей жизни.

Разрушение макроустройств с наноуровня:

Нанотехнология позволит производить мощные взрывчатые вещества. Роботы для разборки материалов на уровне атомов, станут мощным оружием превращающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Сбой работы центров управления и командных пунктов невозможно предотвратить если не изолировать наноустройства  Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки раз. Атака управляемых снарядов с нановзрывчаткой на заводы по регенерации ядерного топлива может лишить страну физической возможности производства оружейного плутония. Но это пока лишь перспектива для развитой формы нанотехнологии. В лабораториях NASA уже созданы действующие образцы оборудования для перехвата внутренней речи.

Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий:

А пока исследования ведутся в области нейронных технологий, развитие которых приведет к появлению боевых наноустройств, осуществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функциями человеческого организма, используя подключение с помощью наноустройств к нервной системе. С помощью наноустройств внедрённых в мозг возможно получение "искусственного" (технического) зрения с расширенным спектром восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы.

Наноснаряжение для солдат:

В исследованиях проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев, установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!
Вот еще один из наиболее ярких примеров — это разноцветные стекла. Например, созданный еще IV веке н.э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском музее, при освещении снаружи — зеленый, но если освещать его изнутри — то он пурпурно-красный. Как показали недавние исследования с помощью электронной микроскопии, этот необычный эффект обусловлен наличием в стекле наноразмерных частиц золота и серебра.

Практическое применение нанотехнологий, как и всяких новинок, первыми ищут  военные.  В России первые наноразработки тоже были связаны с оружием, но долгое время они оставались теоретическими. В 90-е годы, когда сворачивались фундаментальные исследования, наноразработки были приостановлены. В мире уже созданы Институты солдатских нанотехнологий – для разработки вооружения и экипировки «солдата будущего». Американские ученые создали первый прототип костюма, который «...не человек будет носить, а костюм будет носить солдата...»  (Приложение 7). При этом новая униформа, получившая название "костюм скорпиона"   будет весить не более 22,5 кг, что намного удобнее сегодняшнего комплекта оборудования, весящего в совокупности 54 кг.  Например, одежда у него будет толщиной всего несколько миллиметров. Ее планируют создать на основе нановолокна из нанополиуретана, по структуре очень напоминает паутину. Броня будет интегрирована с емкостями для хранения воды, боеприпасов, источников питания и всего того, что обеспечит солдату подключение к сети.

Жесткость костюму будут обеспечивать наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой. Такая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность. Пульс, давление, температуру солдата считывают микроскопические датчики в костюме, данные передаются врачу, который находится в сотнях километров от места боевых действий. Сама униформа будет включать медицинские жгуты, которые при необходимости могут дистанционно затягиваться или ослабляться. Тот дает «костюму» команду сделать необходимые инъекции. «Костюм» же предупредит солдата о химической или биологической атаке.

Защита от химического и биологического оружия:

Нанотехнологии найдут самое широкое применение при разработке методов решения обратной задачи, т.е. защиты гражданских и военных объектов, а также населения и военного персонала от химического и биологического оружия. Прежде всего на основе новых технологий можно будет создать гораздо более чувствительные датчики опасных веществ, что позволит значительно быстрее и эффективнее регистрировать наличие опасных агентов и приступать к соответствующим защитным действиям. Далее, применение НТ должно привести к производству новых защитных материалов, способных как блокировать поражающие вещества (например, молекулы химических агентов могут задерживаться в порах защитного покрытия), так и непосредственно повреждать или разрушать такие вещества (например, воздействуя на них каталитически активной развитой поверхностью какого-либо наноматериала). В зависимости от конкретной обстановки, для нейтрализации и обеззараживания поражающих средств могут использоваться самые различные комбинации описанных выше защитных наноматериалов. Они могут применяться в фильтрах, противогазах, воздухозаборниках и т.п., а также просто для изготовления защитных костюмов и покрытий. Некоторые нанотехнологии уже упоминаются в биологических программах DARPA, относящихся прежде всего к методам защиты от биологического оружия, а также к планам создания или совершенствования разнообразных анализирующих устройств [DARPA Activities, 2003;

DARPA Diagnostics, 2003; DARPA Biosensors, 2003; DARPA Genomics, 2003; DARPA Countermeasures, 2003; General: DARPA BIOS, 2003]. Исследования ведутся в следующих основных направлениях:

• изучение реакций живых клеток на чипах;

• разработка методов обнаружения инфицирующих агентов в клинических пробах и живых организмах;

• создание более совершенных биодатчиков, например на основе так называемых усиливающих или замещенных антител;

• геномное секвенирование патогенных микроорганизмов;

• разработка принципиально новых методов защиты, основанных, например, на устройствах для переноса защитных веществ внутри организма или использования биологической модуляции иммунной системы организма;

• применение в качестве своеобразных «стражей» организмов или растений (возможно, с генетически модифицированной ДНК), способных избирательно реагировать с заданными веществами, создавая легко регистрируемые внешние эффекты (например, изменение окраски пораженных органов и т.п.).

Нанокомпании уже несколько лет подряд совершенствуют системы защиты от химического и биологического оружия. Только в 2002 году правительство США выделило на исследования средств биологической и химической защиты полмиллиарда долларов. В итоге за срок финансирования с 2002 по 2004 рядом компаний были разработаны эффективные защитные средства. Средства защиты простираются от защитных перчаток, которые не пропускают токсичные вещества, до специальных кремов, которые уменьшают токсичность патогенов, попавших на кожу солдата. Опишем некоторые из них.

Компания NanoScale Materials Inc. в этом году предложила коммерческий продукт на основе нанотехнологий, который нейтрализует токсичные химикаты. «Естественно, одним из основных применений нового продукта будет военное,» — сказал Том Аллен, вице-президент компании.

Со времени террактов 11 сентября в США компания совершенствовала средства защиты от химического и биологического оружия. “Наша основная спецификация состоит в выпуске продуктов, эффективно нейтрализующих химические и биологические военные агенты, — говорит Аллен. — Конечно, нашу технологию можно будет использовать и в мирном русле — для защиты людей, работающих на токсичном производстве,” — добавил вице-президент.

Один из продуктов компании — порошок FAST ACT (First Applied Sorbent Treatment Against Chemical Threats), который обезвреживает токсичные химикаты. Порошок состоит из активных наночастиц, которые связывают и деактивируют около 24 известных токсичных химических соединений (а также некоторые кислоты), использующихся в химических атаках. Порошок может использоваться при температурах ниже нуля, а также в различных средах. В отличие от кремов, он может быть эффективен и в распыленном состоянии (а защитные кремы должны быть влажными), и в растворе. Компания Gentex Corp. из США в сотрудничестве с NanoScale Materials Inc. разработала защитный костюм для солдат, в котором используется материал, интегрированный с порошком FAST ACT.

Для защиты от спор Bacillus anthracis — бактерии, наиболее распространенной в качестве военного бактериологического агента — компания Nanomaterials Research Corp. предложила использовать фуллерены, соединенные с антителами. Результаты клинических испытаний препарата показали, что он убивает саму бактерию и ее споры до того, как концентрация патогенов в организме приведет к его смерти. При этом с момента заражения организма антраксом проходит 24 часа.

Другая компания, CombiMatrix, предложила чип определения биологической опасности размерами с почтовую марку. Устройство может определить присутствие нескольких видов различного бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix выпустила детектор HANAA, который можно использовать в полевых условиях. Прибор помещается в ладони, питается от батареек и весит около одного килограмма. Его принцип действия основан на репликации ДНК образца с помощью полимеразной цепной реакции. Когда же искомой ДНК становится достаточно для определения, прибор ее обрабатывает с помощью флуоресцентных меток и соотносит с одним из запрограммированных типов патогенной ДНК. Весь процесс обработки 4х различных образцов занимает 30 минут. С помощью нанотехнологий была создана кремниевая микро-камера, в которой происходит процесс нагрева-охлаждения ДНК. Как говорят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе (1 проба представляет собой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной).

Так как такие токсины, как рицин, не содержат ДНК и, соответственно, не могут быть опознаны детектором HANAA, то CombiMatrix также выпустила устройство на основе иммуннохимического чипа, которое может опознавать 5 токсинов типа рицина.

Эти устройства были успешно испытаны на специальном танке «FOX» в ходе войны в Ираке. Танк обнаружил следы рицина, зарина, споры антракса и другие токсины.

Также для биологической защиты будут применяться наноматериалы. Дэвид Додерер, инженер из U.S. Global, заявил, что компания разработала воздушные фильтры на основе нановолокон, которые первоначально предназначались для астронавтов НАСА. Благодаря ультрамалым порам (около 50 нм), фильтр не пропускает отдельные вирусы и бактерии.

Конечно, и детекторы, и средства защиты будут использоваться и на гражданке: в охране аэропортов, многоэтажных зданий, больниц, правительственных учреждений и пр. Главы компаний серьезно верят в то, что благодаря их усилиям международный терроризм не сможет использовать биологическое и химическое оружие.

Применение наноматериалов в военном оборудовании открывает новые возможности для улучшения его прочности. Усилия современных нанотехнологов сосредоточены на керамических материалах. По словам Дэвида Райзнера, президента компании Inframat Corp., покрытия из нанокерамики применяются в 150 областях: это и валы пропеллеров, и телескопические перископы, и т.д. Нанокерамика используется везде, где необходимо водонепроницаемость и защита от коррозии. Также новый материал гораздо жестче обычной керамики и не столь ломок.

Используя наноструктуры из карбида кремния, ученым удалось втрое повысить жесткость материалов на основе обычного SiC. На сегодняшний день компания NanoTriton выпустила покрытие NanoTuf™ для прозрачных полимерных поверхностей, которое в несколько раз увеличивает прочность пластика. NanoTuf™ состоит из наночастиц в растворе. При нанесении их на пластиковую поверхность они образуют сверхтвердую пленку, которая не только защищает от биологических и химических агентов, но и от попадания пули! На рисунке ниже приведен пример теста защитного стекла для солдатского шлема, обработанного NanoTuf™, в который затем выпустили несколько пуль.

Военные машины предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит менять им цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины. «Краска» будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. На исследования «нанокраски» Министерство обороны США выделило исследователям около двух миллиардов долларов в год. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета. Миниатюрные камеры будут считывать изображение с одной стороны устройства, передавая его на фотоэлементы на другой стороне, формируя таким образом изображение заднего фона спереди машины. Однако первые испытания прототипа будут не раньше, чем в 2005 году. А внедрение его на поле боя — в 2009.

Наноустройства в системах управления в военной технике:

Нанотехнологии дают возможность создать множество приспособлений и устройств, непосредственно связанных или просто входящих в состав личного снаряжения военнослужащего, которые позволяют контролировать, поддерживать и усиливать самые разнообразные психофизиологические возможности человеческого организма. Простейшими устройствами такого типа являются обычные датчики, измеряющие стандартные функциональные параметры состояния человека (температуру, пульс, давление и т.п.). Следующий этап развития таких устройств, естественно, связан с разработкой так называемых химических датчиков, улавливающих и фиксирующих более тонкие и нестандартные параметры. Например, по одному из уже осуществляемых в ISN проектов создается датчик, измеряющий содержание веществ определенного типа (типа вырабатываемых организмом при стрессе молекул моноксида азота N0) в выдохе человека [Talbot, 2002]. В дальнейшем планируется создание системы практически не ощущаемых человеком микрозондов, способных отбирать из организма и анализировать микропробы тканей и физиологических жидкостей (типа крови, лимфы и т.п.), а также при необходимости вводить в организм требуемые препараты. НТ будут способствовать дальнейшей миниатюризации таких устройств и разработке внедряемых в организм микрожидкостных биочипов, способных осуществлять химический и биологический анализ состояния организма [DARPA BioFlips, 2003]. С другой стороны, НТ должны позволить создать систему терморегуляции человеческого организма за счет использования миниатюрных МСТ-насосов, прогоняющих терморегулирующие жидкости через полые волокна (или даже нановолокна) внутри боевого обмундирования. В дальнейшем такие насосы можно будет усовершенствовать с тем, чтобы они способствовали своевременной инъекции веществ, способствующих быстрой медицинской помощи при ранениях и т.п. Для медицинских целей можно предложить такие модификации военной формы, при которых некоторые элементы обмундирования можно будет изготавливать из «деформируемых» материалов, способных при необходимости затвердевать. Например, используя электроактивные полимеры, можно в некоторых случаях превращать элементы военной формы в медицинскую «шину» для фиксации сломанных костей и т.п. В некоторых осуществляемых ISN проектах для изготовления экзоскелета (внешнего скелета или каркаса военной формы) предлагается использовать полипиррол, способный создавать механические структуры, позволяющие поднимать тяжелые грузы, преодолевать препятствия, совершать очень далекие или высокие прыжки и т.д. [см. ISN 2, 2002; Talbot, 2002]. Изготовляемые на основе НТ фильтры могут применяться для очистки жидких выделений человеческого организма и их повторного использования [см. также ARO Soldiers, 2001].

Заключение:

Масштаб исследований и рост числа полуфантастических проектов сдерживаются лишь гипотетической опасностью – пока неизвестна токсичность  наноматериалов.

Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого. Природа давно придумала и использует в живых системах супрамолекулярные структуры. Мы же далеко не всегда можем понять, а тем более повторить то, что природа делает легко и непринужденно.

Нанотехнологии перевернут мир, как раньше перевернули его информационные технологии. Сначала человек превратил цифру в информацию, что привело к появлению компьютеров. Теперь мы превратим с помощью нанотехнологий в цифру саму материю. Материальная сфера будет полностью оцифрована, аналоговый мир устареет.

Ученые, которые работают в области нанотехнологий, неизбежно уйдут от узкой специализации. Самое главное, чтобы все эти изобретения не разрушили, а помогали всем людям на планете.