ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА XXI ВЕК С ПРИСТАВКОЙ «НАНО»

Управление образования МО городской округ «Охинский»

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №5 г. Охи

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

XXI ВЕК С ПРИСТАВКОЙ «НАНО» (СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, НАПРАВЛЕНИЕ, ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ)

Автор работы:

Сикорская Софья,

ученица  10б класса

МБОУ СОШ №5 г. Охи

Руководитель:

Тимошенко Нурия Махамат-Галиевна,

учитель физики

МБОУ СОШ №5 г. Охи

Оха, 2011

Тема моей исследовательской работы «XXI век с приставкой «НАНО» (современное состояние,  направление и тенденции развития нанотехнологии, проблемы распространения нанотехнологий)»

Большинство из нас регулярно пользуется теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не “микро”, а давно «нано». Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.

Как нам известно, нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых – порядка миллиардных долей метра (10-9м).

Наноматериалы – это  материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм, и,  обладающие качественно новыми свойствами.

Нанотехнология – это совокупность методов и приемов создания объектов и материалов из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до    100 нм.

«В переводе» на обычный язык — это создание материалов и структур с атомной точностью по заранее заданному шаблону.

В настоящее время нанотехнологии охватывают чрезвычайно широкий класс отраслей и наук таких как: медицина, техника, криминалистика, космонавтика.

Необходимо отметить, что нанотехнологии  имеют много направлений развития, и они находится на острие современного  научно- технического прогресса. Как отметил в своем обращении к Федеральному собранию президент России Дмитрий Медведев,  за нанотехнологиями будущее.  В России до 2015 г планируется направить 200 млрд. бюджетных денег, что сопоставимо с финансированием всей фундаментальной науки. Практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии.

Цель  моей работы - исследовать особенности нанотехнологий, выявить перспективы их применения,  также выявить проблемы распространения нанотехнологий.

Задачи, которые я поставила:

1. Выявить сущность нанотехнологических процессов.
2. Исследовать, какие наноматериалы существуют и  их применение в медицине, электронике, робототехнике, криминалистике, космонавтике.
3. Выявить перспективы их развития.
4. Выявить угрозы нанотехнологий.

По моему мнению, нанотехнологии стали востребованы после того, как появились инструменты, позволяющие видеть, изменять и измерять  вещество на наноскопическом уровне.

По мнению ученых, определяющую роль в развитии и становлении нанотехнологии сыграли два события:

1. Создание сканирующего туннельного микроскопа.
2. Создание атомно - силового микроскопа.

Они позволили впервые получить изображение атомов и манипулировать атомами и молекулами.

3. Открытие новой формы существования углерода в природе – фуллеренов и углеродных нанотрубок.

Фуллерен — новая форма существования углерода. «Нанотрубка» — большая молекула, состоящая из атомов углерода. Я выявила, что наиболее опытный нанотехнолог — природа. Биологи до сих пор удивляются работе энзимов.

Энзимы - молекулярные машины,  которые работают внутри клетки и  производят манипуляции с молекулами и фрагментами ДНК.

В моих исследованиях я установила области применения нанотехнологий.

1. Электроника, электроника и еще раз электроника... Сегодня это практически «девиз» нанотехнологов всего мира. Каждый год появляются все более компактные процессоры. Уже созданы транзисторы, представляющие собой одну-единственную сложную молекулу.

2. Так же я выяснила, что квантовые компьютеры - одно из направлений развития вычислительных устройств будущего. Нанотехнологии позволяют создавать невиданные по сложности трехмерные чипы, в которых элементы располагаются не на плоскости, а в пространстве, что увеличивает вычислительную мощность, сокращая при этом размеры процессора.

Согласно результатам моих теоретических исследований,  использование углеродных нанотрубок в составе микроэлектронных устройств — последнее направление. Транзисторы, изготовленные на базе одной-единственной нанотрубки, могут заменить аналоги в компактных накопителях данных наподобие «флэш-памяти».

3. Следует указать, что нанотехнологии успешно применяются в медицине и криминалистике.

Медики давно мечтали диагностировать болезнь, лишь взглянув на пациента. Для этого стали  использовать светящиеся наночастицы, путешествующие по кровеносным сосудам. Американские ученые разработали новый класс так называемых квантовых точек. С их помощью можно точно определить местоположение опухоли, всего лишь впрыснув пациенту раствор наночастиц.

В опыте квантовые точки вводили в кровеносную систему мышей, которая разносила их по организму. Кристаллы попадали в опухоль, накапливались там, в результате чего опухоль легко обнаруживалась визуально под светом мощной ртутной лампы.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попасть только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред.

На схеме модель такой транспортной молекулы.  В центре полость для  удержания наночастиц оксида гадолиния.  Различными цветами показаны  атомы углерода, водорода,   кислорода, азота и серы.

Я думаю, что медицина  обретет большую эффективность благодаря достижениям кибернетики, генной инженерии и биотехнологий. Вы, наверное слышали о роботах, проводящих операции под наблюдением хирургов. Близки к реальности предсказания авторов фантастических рассказов, в которых миниатюрный робот-хирург проникает в тело человека, причиняя минимальные повреждения здоровым тканям и эффективно «расправляясь» с больными. Такого робота можно будет ввести в кровеносную систему как обычную вакцину, а затем, по команде врача, в нужном месте он соберется» и проведет операцию.

От наномедиков и нанобиологов сегодня ждут чуть ли не скорого избавления от всех болезней и изобретения волшебного рецепта вечной молодости.

4. Результаты моих  исследований показали, что нанотехнологии уже работают на космос.

Использование наноматериалов уже заложено в проекте многоразового космического корабля Sкуlоn.

Этот супершаттл должен доставлять на околоземную орбиту 12 тонн груза или перевозить до 40 пассажиров.

Европейское Космическое Агентство (ЕSА) уже выделило одной английской компании на разработку корабля Sкуlоn один миллион евро, и, как надеются инженеры, через десять лет его первый образец поднимется в воздух.

Одним из основных компонентов нового космического аппарата станет  двигатель, способный работать как в вакууме, так и в атмосфере, используя в качестве окислителя "забортный» кислород. Самой главной проблемой является быстрое охлаждение воздуха, поступающего в двигатель при полете на сверхзвуковых скоростях. Для ее решения разработан теплообменник, его рабочие поверхности сильно увеличены за счет нанесения на них наноструктур.

Наружная оболочка Sкуlоn также выполнена с использованием нанотехнологий. Корпус покрыт керамическим слоем толщиной всего 0,5 мм. Керамика пронизана порами нанометровых размеров, которые расширяются при нагревании во время прохождения атмосферы.

Нанотехнологии открывают огромные перспективы в космической отрасли. Появится возможность создавать мельчайшие космические объекты: их можно будет использовать в качестве зондов или наностроителей, которые будут возводить целые орбитальные комплексы в открытом космосе. Более того, нанороботы помогут человеку в освоении Луны, Марса, а быть может, и новых граней космического пространства.

В своей работе я установила перспективы нанотехнологий, выяснила, что  ждать от нанотехнологий в будущем?

1. Создание  топливных элементов - перспективных источников электроэнергии для космических аппаратов.
2. Создание фрактального  робота — идеального разведчика.

В зависимости от рельефа местности его составляющие  принимают решение о том, какую форму принять всему устройству.

Например, в песках лучше всего быть  змеей, а в топкой среде — распластаться в «блин».

3. Создание  миниатюрного автомобиля с колесами-фуллеренами.
4. Создание модульного робота для освоения  планет Солнечной Системы.
5. Создание «Робота-амебы»

Построили робот-амебу ТЕТwаlkеr. Робот меняет свою форму в зависимости от условий, а  также эта амеба заживляет  пробоины в самой себе.

6. По моему мнению, нанотехнологии позволят создать 20-30-сантиметровых роботов в ближайшем будущем.

Создание мини-робота такого типа позволит снизить стоимость практически любой продукции во много раз, а также создать аналогическую продукцию. Таким образом, открывается вполне реальная перспектива решения глобальных проблем: загрязнения окружающей среды и нехватки продовольствия на планете.

7. В результате анализа всей информации, я установила, что самой интересной перспективой является создание космического лифта.

Космический лифт — это лента, один конец которой присоединен к земной поверхности в районе экватора, а другой находится в космосе, на высоте около 100 тыс. км. Эта гравитационная лента постоянно будет находиться в натянутом состоянии.

Космическая капсула передвигается вдоль ленты. Для начального разгона капсулы потребуется усилие, но по мере приближения к станции ее, наоборот, придется тормозить (запасая выделяющуюся энергию для обеспечения возвращения на Землю) — или же отсоединить от лифта, отправив в открытый космос.

Межпланетный перелет осуществится в основном за счет энергии вращения нашей планеты. С помощью  такого лифта можно перемещать 100 тонн полезного груза.

Следует отметить, что  идея космического лифта впервые сформулирована больше ста лет Константином  Циолковским. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства «лестницы в небо» она оказалась слишком тяжела.

Я выяснила, что ситуация изменилась с открытием в 1991 г. углеродных нанотрубок. Они прочнее стали в 100 раз. Есть все основания надеяться на скорое появление сверхпрочных материалов из нанотрубок, а через 20 лет — и прототипов космического лифта.

Другие применения нанотехнологий.

Особо стоит сказать о новаторской разработке «Элерона» «Нейроподобная система „Электронный нос“. Это удачная попытка осуществить давнюю мечту – создать на основе нанотехнологий интеллектуальную систему искусственного обоняния и распознавания запахов. Разработке, видимо, суждено стать надежным инструментом в борьбе с контрабандой, наркобизнесом и терроризмом.

Она позволяет обнаруживать сверхнизкие концентрации широкого класса веществ, прежде всего наркотиков, ядов, взрывчатки. Устройство способно „чуять“ специфические запахи метана, водорода и других техногенных газов. Оно улавливает наноразмерные частицы летучих продуктов возгорания на самих ранних стадиях нагрева изоляции электрооборудования, что дает возможность в десятки раз сократить время обнаружения пожароопасной ситуации.

Широчайшее применение „Электронный нос“ может найти в медицине, помогая проводить массовую диагностику заболеваний, со стопроцентной гарантией определять уровень алкоголя и наркотиков в крови. „Электронный нос“ способен осуществлять контроль состояния атмосферы, определять качество пищевых продуктов, лекарств и различной сельхозпродукции, вести поиск месторождений нефти, газа и других полезных ископаемых.

Одним словом, чудо-разработка  «электронный нос» сродни фантастике. Но самое удивительное, что „Электронный нос“ – уже на пороге массового производства.

Другое  применение нанотехнологий выпуск фильтров для глубокой очистки промышленных газов и воздуха от радиоактивных аэрозолей.

Созданы сверхтонкие металло-керамические мебраны с размером пор от 0,1 до 1 мкм. Они обеспечивают многократное повышение эффективности в сравнении с традиционными полимерными мембранами при утилизации жидких радиоактивных отходов, очистки пищевых резервуаров и фруктовых соков.

Наноструктурированные материалы для ядерных реакторов   позволяют удвоить ресурс активных зон реакторов. Нанотехнологии, используемые при разработке твэлов ядерных реакторов, почти в 20 раз снижают хрупкость и в 5 раз увеличивают прочность керамического топлива.

Научные исследования и прикладные разработки в области нанотехнологий уже называют ключевым фактором развития человечества в 21-м веке, сулящим новую научно-техническую революцию. Наноиндустрия, которая базируется на манипуляции отдельными атомами и молекулами, конструировании из них новых материалов и изделий, будет определять прогресс и радикальные изменения во всех областях человеческой деятельности.

Технология получения особо чистого бериллия с нанокристаллической структурой разработана впервые в мире. Вакуумноплотная бериллиевая фольга обладает сверхпрочностью и высоким классом чистоты поверхности. Это наукоемкая продукция востребована в качестве окон для рентгеновской техники и электрофизических приборов, в том числе для приборов каротажа скважин, где используется мягкое рентгеновское излучение.

Нанотехнологии потенциально опасны, так как могут быть использованы и во вред человека (примерно также как и освоение атома: с одной стороны относительно дешевая атомная электроэнергия, с другой стороны – оружие массового уничтожения и радиоактивные отходы). Всегда существует обратная сторона медали.

Я попытаюсь остановиться на основных проблемах, которые, как мне думается, могут быть вызваны развитием нанотехнологий, причем обозначив их в общих чертах.

Первая группа проблем – социальная.

Так как нанотехнологии позволят снизить зависимость от сырьевых и трудовых ресурсов, то логично предположить, что некоторые отрасли связанные с ними могут просто исчезнуть, что приведет к резкому увеличению уровня безработицы. Кроме того, возможно, произойдет еще больший разрыв в уровне жизни между группами людей: теми, кто может использовать и контролировать нанотехнологии, призванные улучшить этот самый уровень жизни, и теми, которые не имеют такой возможности.

А это значит, будут расти бедность, массово возникать различные виды фобий: ведь кто-то сможет жить почти вечно, выглядя при этом молодым и сильным, имея власть и деньги, а кто-то едва доживет до 20 лет и умрет от букета страшных болезней в каком-нибудь бараке. Что станет благодатной почвой для развития терроризма и диктатур. Показательные примеры из истории: классический – приход к власти Гитлера в Германии, находившейся в экономическом, политическом и моральном упадке, или один из последних – установление контроля террористической группировки ХАМАС над сектором Газа, населенный самой бедной частью палестинцев.

Не исключен и такой вариант развития событий, при котором начнется тотальный распад человеческих сообществ, так как пропадет необходимость во взаимоотношениях между людьми: имея под своим контролем молекулярное производство, способное произвести что или кого угодно, отдельный человек или небольшая группа людей могут обеспечить себе самодостаточную обособленную жизнь.

Вторая группа проблем – угроза физического уничтожения людей.

В области нанотехнологий широко обсуждается проблема выхода из-под контроля нанороботов (они же наноботы или наниты), которые получат широкое распространение через несколько десятилетий. Ведь нанороботы, представляя собой автономные микроскопические механизмы, будут по заданным программам выполнять какие-то полезные функции – например: собирать вещи из атомов и молекул или уничтожать вредоносные бактерии внутри организма человека, – потребляя энергию и ресурсы (в том числе и биологические) из окружающей среды, размножаясь (самокопируясь) и распространяясь из-за своих малых размеров повсюду.

При этом никто и никогда не предоставит гарантии, что заложенная в них программа не даст сбой, а это в свое очередь не приведет к потере контроля над этими нанороботами, которые просто сожрут все. И планета покроется «серой слизью» (gray goo) – поверхность планеты и все живое на ней превратится в единый слой однородной липкой пыли или слизи, состоящей из неуправляемых наноботов. Такое развитие событий в свое время описал американский учёный Эрик Дрекслер (Eric Drexler), который известен во всем мире как один из «отцов нанотехнологий». Хотя сейчас он всех разубеждает, ссылаясь на то, что полностью автономные наномеханизмы никогда не получат широкое распространение, так как без внешнего контроля применение их окажется малоэффективным.

Другой вариант событий, связанных с нанороботами, описан в художественной книге Майкла Кричтона «Жертва» (Michael Crichton, Prey), в которой туча умных наночастиц, сбежавших из секретной лаборатории, объединяются и образуют полуразумные создания, нападающие на своих создателей.

Не меньшую опасность будут представлять люди и страны, которые захотят воспользоваться нанотехнологиями для создания и удержания своего доминантного положения над другими. А доминирование, так или иначе, как показывает история, часто связано с угрозой физической расправы: «Ты отказываешься сделать то, что мы просим? Или ты что-то сделал против нас? Значит, отключим твое сердце! Или выведем твою нервную систему из строя – будешь только лежать, моргать и пускать пузыри». Вспомните гитлеровский и сталинский режимы, посмотрите, как себя ведут сейчас некоторые страны в мире, считая себя «пупом Вселенной». И не стоит забывать: обнаружить и защититься от того, что размером с молекулу, крайне сложно.

Третья группа проблем – экологическая.

Потенциальную опасность может представлять неконтролируемое распространение наностуктур, а также трудности с их утилизацией после выработки ресурса. Из-за своих размеров они самопроизвольно могут перемещаться в окружающей среде, вступать в химические реакции, образовывая комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами, потенциально вредными для человека и окружающей среды. Кроме того, уже сейчас существуют наноструктуры, оказывающие токсичное действие на организм человека и животных. Стоит отметить и то, что само производство нанопродуктов нередко является токсичным и требует повышенные меры защиты.

Четвертая группа проблем – экономические преступления.

Если ранее названные проблемы и будут, то в основном только в будущем. А вот экономические преступления в сфере нанотехнологий имеют актуальность уже сейчас.

Нанотехнологии крайне дороги: вложения только в один проект могут составлять десятки миллионов долларов, а то и вообще «уходить в бездонный колодец» (особенно проекты, связанные с фундаментальными исследованиями) – сколько не давай, а все мало. И исчезновение пары миллионов на фоне этого будет просто незаметным, так как потери всегда можно списать на покупку дорогостоящего оборудования и расходных материалов, на оплату консультации какого-нибудь «ученого–мозга» или неудавшийся эксперимент в рамках проекта. Поэтому доступ к финансированию нанотехнологий может стать хорошим «подспорьем» для отмывания денег либо их нецелевого использования.

Я, как и ученые, уверена, что будущее человечества за нанотехнологиями и предположительно первый полноценный наноробот появится уже через 5-7 лет. А пока можно только мечтать о тех возможностях, которые нам откроют эти микроскопические механизмы. Ученым предстоят долгие годы кропотливого труда над созданием невидимых механизмов, которые помогут человеку победить природу и раздвинуть грани разумного.

Литература:

1. Нанотехнологии. Азбука для всех: Сб. статей под ред. Ю.Третьякова. - М.: Физматлит, 2007.

2. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: Сб. статей под ред. П.П.Мальцева. - М.: Техносфера, 2006.

3. Ратнер М., Ратнер Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи. - Изд-во «Вильяме», 2005.

4. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. - М.: Техносфера, 2003.

5. Научно-популярный журнал «Вселенная, пространство, время»  № 6, 2009