Hанотехнологии
материал по физике на тему

Нанотехнологии  – технологии будущего.

Содержание

Введение

1. История развития нанотехнологии

2. Особенности наноматериалов

3. Применение нанотехнологий

3.1 Наноэлектроника

3.2 Нанотехнологии в строительстве

3.3 Нанотехнологии в медицине

3.4 Нанотехнологии в сельском хозяйстве

4. Перспективы использования нанотехнологий

Заключение

Список использованной литературы:

Введение

 Слово  «нанотехнология», наверняка, слышали все, и неоднократно. Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека. Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. С помощью нанотехнологии возможно осваивать космос, очищать нефть, побеждать многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, строить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад.

Меня заинтересовал вопрос:  что такое нанотехнологии, кто их создал? Нужны ли они людям? Для ответа на эти вопросы мне пришлось  прочитать много литературы. Учитывая то, что я – будущий строитель, меня больше всего заинтересовало применение нанотехнологий в строительстве. Но применение нанотехнологий  и в других областях нашей жизни также поможет решить многие важные проблемы .

1 История развития нанотехнологии

Согласно Энциклопедическому словарю, технологией называется совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины.  Нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Для манипулирования атомами было введено понятие ассемблера – молекулярной  наномашины, которая может построить любую молекулярную структуру. Пример природного ассемблера – рибосома, синтезирующая белок в живых организмах. Очевидно, нанотехнологии -  это масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Можно сказать, что практически любой предмет  из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.
В нанотехнологических исследованиях  основной единицей измерения является нанометр. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно.

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. (Рис 1)

Рис 1

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 на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть так механизмы, размером менее одного микрона.

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). ( Рис 2). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

Рис 2.

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, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, предсказал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.(Рис. 3)

 Рис .3

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 так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

2 Особенности наноматериалов.

Приставка «нано» («нанос» по-гречески - карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра (10¯⁹ м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар.  Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной… 170 километров.  Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа – вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов – от сотен до единиц нанометров. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства.

Обычная промышленность работает с тоннами и кубометрами.  Продукт нанотехнологий – наноматериалы , не требует многотонного производства, поскольку даже один грамм такого вещества способен решить множество проблем.

Наноматериалы - это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что наноматериалы - это просто очень мелкие  наночастицы.  Наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микро и макрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учеными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм.

Рис. 4. Токсичность наночастиц металлов

В настоящее время существуют десятки способов получения металлических наноматериалов, которые условно можно разделить на две группы: химические способы и физические способы.

Металлические наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую "наследственность" исходных химических соединений, что делает проблемным их использование в отраслях с жесткими требованиями к чистоте используемых материалов. Наиболее приемлемыми для таких отраслей являются металлические наноматериалы, полученные с помощью нанотехнологий, основанных на использовании физических явлений.

Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, расположенных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. При этом, как Россия, так и Украина занимают ведущее место в этом направлении получения наноматериалов.

К настоящему времени применительно к большой группе наноматериалов на основе металлов Au, Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отечественным производителем.

3.Применения нанотехнологий.

3.1 Наноэлектроника

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Основные задачи наноэлектроники

—   разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

—   разработка физических основ технологических процессов;

—   разработка самих приборов и технологий их изготовления;

—   разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.

Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы - основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов (см. рис. 5).

Рис. 5. Внутреннее устройство современной электронной схемы.

Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали равен 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния  и окиси кремния.

Однако сейчас уже ведутся работы, чтобы размеры транзисторов сделать ещё на порядок меньше, заменяя их наноструктурами.

Рис. 6. Гипотетическая схема цепочки из нанотранзисторов, состоящая из параллельных полосок проводников толщиной в несколько атомарных слоёв

Рис.6.

 Эти полоски пересекает под прямым углом, не касаясь, ряд параллельных нанопроводников, имеющих форму мостов. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из полупроводникового материала. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить информацию и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы.

Очень широки возможности применения в наноэлектронике  нанотрубок.(Рис.7.)

Рис.7.

Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон.

Они в 50-100 раз прочнее стали и имеют в 6 раз меньшую плотность! Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок  вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие. Под действием механических напряжений, превышающие критические, трубки не ломаются и не рвутся, а перестраиваются.  

В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности), нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками.    

На данный момент получены  у–транзистор на базе  нанотрубки и нанодиод.

На основе нанотрубки учеными из Калифорнийского университета UCSD и университета Клемсона был построен  у–транзистор. Для этого была разработана специальная технология выращивания нанотрубок: сначала ученые вырастили обычную нанотрубку, затем на ее поверхность были нанесены наночастицы титана. Они послужили катализатором, и в результате на уже сформированной трубке была выращена еще одна ветвь. При исследовании свойств такой нанотрубки выяснилось, что при подаче отрицательного потенциала на ствол нанотрубки протекание электронов между ветвями приостанавливается. И ,наоборот, при подаче положительного потенциала на ствол протекание возобновляется. В  случае у–нанотрубки мы имеем транзистор, а в нем существуют два p–n перехода, сформированные двумя ветвями. Диод имеет один p–n переход. Если удастся сформировать отдельную трубку с характеристиками p–n перехода, то получим нанодиод. Эта проблема была решена в компании General Electric. Ученые воздействовали на нанотрубку специальным электрическим полем, в результате чего получился p–n переход.

      Рис. 8.  Нанотрубка – транзистор

      Рис. 9.  Диод на основе нанотрубки

Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки – идеальные претенденты на роль элементов для электронных схем.

Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем – нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов.

Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические "магнитные элементы" — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

3.2 Нанотехнологии в строительстве

Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство. Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.

Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

Нижегородский региональный центр наноиндустрии предлагает железнодорожникам керамический наноцемент, или фосфатную керамику, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент".

Применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001—0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D 250—300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностойкости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6—2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.

Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.

Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он использовался  в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.

Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия. Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.

На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт — покрытие для плитки Sekcid, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S. A. — одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом СкаНесдля душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.

В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию . Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночастицами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафталевых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.

Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur.

Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта "грязных" частиц, в результате чего эти частицы меньше "прилипают" к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.

Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, окрашенная поверхность при дожде смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. В то время как гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту — общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой.(Рис.10)

 Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобизации

Рис.11.  Капля жидкости на наноповерхности эмали - 145.

  Рис.11.

Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Подходящими материалами для формирования таких наночастиц являются полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.

Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и  уменьшения  свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.

 3.3 Нанотехнологии в медицине

Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.

Серебро в форме наночастиц становится чрезвычайно губительным для бактерий — это его свойство успешно применяется в современных ранозаживляющих повязках, а также в антимикробных тканях.

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред.  – технологии будущего Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Эритроциты и бактерии перевозчики  нанокапсул с лекарствами (Рис. 12)

  Рис.12.

 Рис. 13.Способ доставки наночастиц  с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток

 Рис.13.Эритроциты с приклеенными к ним нанокапсулами, способными прилипать только к определённым типам клеток (больным), доставят эти капсулы клеткам-адресатам.

Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека, определять ядовитые вещества. Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использование  нанороботов.  Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку наноробот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого наноробота, они будут очень дешевыми. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью нанороботов.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

 Рис 14, 15 Представление о роботах-врачах внутри человеческого организма

Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток.

В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.

Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!

Медицинский наноробот (нанобот), описанием которого так любят щеголять в популярной литературе, — это фантастика. Однако это не умаляет успехов нанотехнологий в современной медицине. Одно из основных направлений работы — нанокапсулы для адресной доставки лекарств. Такой метод позволяет воздействовать только на пораженные клетки, не повреждая при этом здоровые. Эта идея была сформулирована еще в начале XX столетия немецким врачом Паулем Эрлихом и названа им «волшебной пулей» — но лишь нанотехнологии (например, помещение действующего вещества в капсулу из липосом) позволили добиться ее реализации. Препараты такого типа (липосомальные) для лечения некоторых форм рака и грибковых инфекций, гепатопротекторы и даже противогриппозные вакцины выпускаются серийно уже с середины 1990-х годов.

При всех преимуществах нанотехнологий, они могут представлять и угрозу здоровью человека. Восторженно предвкушая те положительные изменения, которые принесет с собой промышленная революция, не стоит быть столь наивными, чтобы не задуматься о возможных опасностях и проблемах. Многие крупные ученые современности не зря пытаются привлечь внимание не только к позитивным перспективам будущего, но и к возможным негативным последствиям. Некоторые учёные, например Билл Джой, призывают к тому, чтобы исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству. Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года, после выхода в свет произведения Дрекслера «Машины созидания», где он не только нарисовал утопическую картину нанотехнологического будущего, но и затронул «обратную», нелицеприятную сторону этой медали.

Например, известно, что крошечные частички углерода могут попасть в мозг человека через дыхательные пути и оказать на организм разрушительное воздействие. Речь идёт о C60 — одной из трёх основных форм чистого углерода. Чтобы определить токсичность молекул, американский ученый-биолог Ева Обердёрстер для начала испытала C60 на водяных блоках — добавила эти молекулы в 10-литровые резервуары с этими маленькими ракообразными. По прошествии 48 часов биолог заглянула к дафниям и увидела в аквариуме повышающуюся смертность. Выявленный эффект делает наноматериал "умеренным ядом": он немного более ядовит, чем никель, но всё же не так опасен, как химикалии, который содержатся в сигаретном дыме и автомобильных выхлопах. Следующий опыт Обердёрстер проводила с участием окуней. C60 загрузили в аквариум с рыбами. По истечении тех же двух суток ни одна из рыб не умерла и не продемонстрировала изменений в поведении, но у окуней обнаружилось серьёзное повреждение мембран мозговых клеток. Ущерб был выше в 17 раз по сравнению с рыбами, плавающими в обычной воде. Конечно же, не все наноматериалы обладают такими же вредными для живых существ свойствами.

 3.4 Нанотехнологии в сельском хозяйстве

На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

В животноводстве и птицеводстве при изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж уменьшается в 2 раза).

На основе наноматериалов создано большое число препаратов, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

• Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или его сплавов) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы.

   Рис.16.

  квантовые точки  (Рис.16 ) и нанопроволоки ( Рис. 17.)

Нанопорошок из отработанных шин при добавлении в сырье для асфальта делает дорожное  покрытие сельских дорог чрезвычайно износоустойчивым. Нанопорошки глины в последние годы активно используют в изолирующих покрытиях силовых кабелей  сельскохозяйственных сооружений — такая изоляция очень плохо горит, и это очень хорошо для безопасности зданий. Наночастицы диоксида титана (основы всем известных титановых белил) являются очень эффективным фотокатализатором и используются как активный элемент в фильтрах воздухоочистителей. А наночастицы платины используют в каталитических дожигателях современных транспортных средств для уменьшения выброса в атмосферу вредных веществ.

                       Рис 17

Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро и наномедь) находят широкое применение для дезинфекции сельхозпомещений и инструментов, при упаковке и хранении пищевых продуктов.

В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (витамины в виде наночастиц).

Незаменимую роль могут сыграть наноматериалы при использовании их в качестве различных катализаторов, например, катализаторов горения для различных видов топлива, в том числе и биотоплива, или катализаторов для гидрирования растительного масла в масло-жировой промышленности. В частности, в Санкт-Петербургском технологическом институте рассматривается возможность использования наноразмерного палладия для гидрирования растительного масла взамен катализатора на основе никеля, обладающего аллергенным и канцерогенным действием.

По мнению ученых, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов - "нанопродуктов", которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты.

Исследователи Арканзаского университета Литл-Рокского Нанотехнологического Центра установили, что экспозиция семян томатов в питательном растворе, содержащим углеродные нанотрубки приводит к их более быстрому и усильному прорастанию. Учёные считают, что углеродные нанотрубки могут стать открытием для всего сельского хозяйства, открыв эру удобрений нового типа.

Рис 18. Слева: томаты, выращенные в обычном питательном растворе;

Справа: томаты, выращенные в питательном растворе с углеродными нанотрубками

Принцип воздействия углеродных нанотрубок следующий. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанотрубки легко проникают сквозь кожицу семени, способствуя лучшему проникновению воды и питательных веществ внутрь семян. Это и сказывается на скорости прорастания семян.

Тем не мене многие учёные считают, что использование подобных "нано-удобрений" может привести к непредсказуемым последствиям. Так некоторые опыты с "удобрением" томатов углеродными нанотрубками показали, что плоды оказались "токсичны" для плодовых мушек дрозофил. Кроме того, согласно некоторым исследованиям, углеродные нанотрубки являются канцерогенами для животных организмов.

4.Перспективы использования нанотехнологий

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики .

В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда  показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Заключение

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Описанные технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК. С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий  требует больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".

Список использованной литературы

1.   Виктор Балабанов. Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.

2.   Головин, Ю. И. Введение в нанотехнику. М. : Машиностроение, 2007. - 493 стр

3.   Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.

4.   Мальцева П. П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения - 2008 год  : сборник / под ред. П. П. Мальцева. - М. : Техносфера, 2008. - 432 с. : цв.ил. - (Мир материалов и технологий). - 369.00

5.   Старостин, В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В. В. Старостин ; под общ. ред. Л. Н. Петрикеева. - М. : Бином. Лабораторий знаний, 2008. - 431 с.

6.   Суздалев. И П. Нанотехнология М.—Комкнига, 2006 — 592 стр.

7.   Пул-мл., Ч. Нанотехнологии: учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. – 335 стр.

8.   ИА "Росбалт", /ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии Санкт-Петербург — 16.01.2008

9.   М.В.Попов О ходе формирования и перспективах развития инфраструктуры ННС  (аналитическая спарвка) /Первая ежегодной научно-техническая конференция НОР "Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы". — Москва15.10.2009