Реферат: Нанотехнологии 2

Нанотехноло́гия — междисциплинарная 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. Нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне. 2.Законы, описывающие поведение микро и наночастиц. Физики-теоретики из UniversityofSt. Andrewsпрофессор UlfLeonhardtи доктор ThomasPhilbinпредсказали возможность эффекта левитации для нанообъектов. Причиной возникновения столь необычного эффекта должна стать сила, которая в нормальном состоянии приводит к слипанию объектов между собой. Учёные надеются, что обратив квантовый явление, известное как эффект Казимира, удастся решить проблему слипания крошечных объектов, которая возникает при создании наномеханизмов.Эффект Казимира был открыт в 1948 году и впервые измерен в 1997 году. Это явление из квантовой физики вызывает взаимное притяжение крошечных объектов в вакууме. В нанотехнологии эффект Казимира приводит к слипанию частиц между собой. Поэтому любые способы решения этой проблемы представляют большой интерес. Кроме слипания частиц наличие эффекта Казимира вызывает сильное трение в наномире, в частности в некоторых микроэлектромеханических системах (MEMS). Таким образом, возможность контроля над эффектом Казимира позволит понизить трение или даже избавиться от него.Учёные считают, что можно обратить действие эффекта Казимира, поместив между объектами специально разработанную линзу. «Вместо того чтобы слипаться, друг с другом, частицы будут левитировать», – говорит профессор Leonhardt.Предсказанный эффект можно использовать только по отношению к микрообъектам, т.к. влияние эффекта Казимира быстро спадает с увеличением расстояния. Созданные наноматериалы 1. Ученые из Sundara Ramaprabhu совместно с группой по альтернативной энергетике и наноматериалам Индийского Института Технологий Мадрас придумали материал, который, и они это утверждают, может поглощать выбросы двуокиси углерода из атмосферы.Нано композитный материал, разработанный нами вобрал в себя все выбросы углекислого газа под давлением., была подтвержена способность нового материала путем многочисленного тестирования и теперь можно говорить с уверенностью, что у нас есть материал, способный поглощать избыток углекислого газа из атмосферы" об этом Профессор Ramaprabhu сказал одной из газет.Уникальная особенность этой инновации профессора Ramaprabhu в том, что углекислый газ поглощаемый наноматериалом может быть использован в пищевой промышленности. «Пищевая промышленность нуждается в большом количестве двуокиси углерода где используется как консервант. Углекислый газ поглощается новым наноматериалом и может быть эффективно использован в этом секторе, поэтому нет основания беспокоиться о том, что мы будем делать с этим, сказал он.В прошлом году, профессор разработал многоразовый наноматериал способный вбирать в себя токсичные вещества из промышленных сточных вод, что в скором времени положительно отразится во всех сферах экономики страны, особенно в фермерском хозяйстве где от качества воды и почвы зависит очень многое. 2. Ученые из США и Германии разработали наноматериал, на базе которого можно будет создавать элементы микросхем размером всего два нанометра — примерно в 20 раз меньше, чем позволяют современные технологии, а в перспективе с помощью этого материала можно будет создавать элементы квантовых компьютеров, говорится в статье, опубликованной авторами разработки в журнале Science.Наноматериал состоит из тонкой пленки алюмината лантана (LaAlO3) всего 1,2 нанометра толщиной, выращенной на поверхности титаната стронция (SrTiO3). Оба этих вещества являются диэлектриками и не проводят электрический ток, однако если к наноматериалу на их основе приложить напряжение, граница раздела между двумя веществами становится электропроводной, а при очень низких температурах — сверхпроводящей и, вероятно, магнитной.Этот металлический тип проводимости можно „включить“ и, что наиболее важно, „выключить“ приложив напряжение. Если напряжение прикладывать с помощью иглы атомно-силового микроскопа, имеющей толщину кончика в несколько атомов, то можно „сложить“ из проводящих и непроводящих участков полевые транзисторы — основной логический элемент современных микропроцессоров и запоминающих устройств. При этом такие транзисторы по размерам будут сопоставимые с атомами.Ведущему автору исследования Джереми Леви (Jeremy Levy) и его коллегам из США и Германии, удалось создать транзисторы размером всего 2 нанометра, тогда как в самых современных кремниевых процессорах этот размер составляет 45 нанометров, что близко к предельным возможностям кремниевой микроэлектроники.Еще одним достоинством разработки является то, что при повторном приложении электрического напряжения к уже созданной электрической схем ее можно полностью перестроить, создав новые электропроводящие участки, и убрав проводимость там, где должен находиться диэлектрик. 3.создание наноматериала, эффективно выкачивающего влагу из воздуха.Когда утренний влажный воздух, идущий с Атлантики, достигает пустыни, жук Stenocara поднимается на вершину дюны, подставляя спину бризу. Спина этого существа „оборудована“ выступами, притягивающими воду, и многочисленными канавками с восковым водоотталкивающим покрытием, которые эффективно переправляют осевшую на спине влагу в рот насекомого.Авторы работы постарались воспроизвести работу водоулавливающей системы жука. Для экспериментов они воспользовались стеклом и полимерными плёнками.На подложке они создавали сложную поверхность из микроскопических „холмов“ и „долин“. В нужных местах были нанесены водоотталкивающие вещества(типа тефлона).В других — полимеры образовывали выступы, пронизанные множеством пор (нанокапилляров).В результате получился материал, эффективно забирающий воду из влажного воздуха (или тумана). Причём, говорят американцы, эти плёнки можно печатать на тканях, чтобы создавать „сети“ улавливающие влагу, которые могли бы захватывать больше воды из походящего мимо воздуха, чем прежние материалы подобного назначения. А это, очевидно, может очень пригодиться в засушливых районах. 4.Американские ученые создали наноматериал, способный одновременно обладать намагниченностью как у постоянных магнитов и его электрическим аналогом — постоянным электрическим дипольным моментом, на основе которого можно создать принципиально новые компоненты микроэлектроники.Речь идет о так называемых мультиферроиках, обладающих одновременно свойствами ферромагнетиков — материалов, приобретающих намагниченность при действии на них достаточно сильного магнитного поля, и ферроэлектриков — материалов, приобретающих электрический дипольный момент при действии внешнего электрического поля.Такие материалы замечательны тем, что их электрическими свойствами можно управлять с помощью магнитного воздействия и наоборот, что можно использовать для создания устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи. Кроме того, они могут использоваться в качестве чувствительных магнитных датчиков, в микроволновых устройствах передачи информации и многих других приложениях.Их применение ограничивает то, что мультиферроики, существующие в природе, не могут проявлять одновременно напряженность электрического поля и степень намагниченности, достаточные для промышленного использования. По этим параметрам все до сих пор известные искусственно созданные или природные вещества уступают сегнетоэлектрикам и ферромагнетикам в тысячу раз. 5.В Германии создан самособирающийся наноматериал для солнечных батарей. Немецкие ученые научились получать сверхтонкие листы полупроводникового материала сульфида свинца с высокой фоточувствительностью напрямую в процессе синтеза нанокристаллов этого вещества, эти пластины могут найти применение в конструкциях фотодетекторов, а также солнечных батарей и других возобновляемых источников энергии.в процессе синтеза нанокристаллы PbS, имеющие размеры не более трех нанометров, самоорганизуются в тонкие двумерные структуры микронных масштабов, напоминающие листы толщиной всего 2-3 нанометра. Эти листы собранные из отдельных фрагментов, ведут себя как единый кристалл и обладают высокой фоточувствительностью, прозрачностью и электропроводностью, что может быть использовано для создания солнечных элементов на их основе. 6. Создан наноматериал, который при растяжении может становиться не только тоньше, но и толще.Химикам удалось с помощью комбинации разных видов углеродных нанотрубок создать материал, расширяющийся в поперечном направлении при его растяжении.Учёным удалось построить модель, предсказывающую механические свойства нового наноматериала.Теперь вещества с нужными механическими свойствами можно делать „хоть по заказу“ Созданные наноприборы. 1.Ученые создали наноразмерный полевой транзистор, с помощью которого можно производить прямые измерения биофизических величин и диагностику процессов внутри живых клеток.Группа разработчиков во главе с профессором Чарльзом Либером из Гарвардского университета уже продемонстрировала, что с помощью их устройства можно напрямую измерять уровень рН в клетках и электрические потенциалы на различных поверхностях клеточной оболочки. В перспективе с помощью модифицирования сенсора различными биологическими молекулами его работу можно сделать селективной и отслеживать намного более тонкие реакции в недрах клеток.2. Исследователи из США утверждают, что им удалось приспособить наночастицы золота для доставки лекарств от раковых заболеваний.В статье, опубликованной в журнале ACS Nano, группа ученых из Массачусетского технологического института рассказывает о созданном ими наноприборе, который позволяет выделять лекарства в определенную часть тела через заданные интервалы.Принцип работы устройства основан на том, что разные частицы растворяются под воздействием инфракрасных лучей разной силы, так что содержащиеся внутри них лекарства выходят наружу.Таким образом, можно контролировать выделение лекарств.Одно из преимуществ данного подхода – возможность использовать токсичные вещества, не опасаясь их распространения на здоровые ткани. 3. Наноприбор, который создали ученые, имитирует ввинчивающиеся движения жгутиковых бактерий. Его планируют использовать в первую очередь для доставки лекарства в человеческом организме. Именно движение таких бактерий вдохновило Пэра Фишера и Амбариша Гоша из Гарварда на создание крошечных роботов. У каждого — сферическая головка диаметром 200-300 нанометров и похожий на штопор хвост длиной 1-2 микрометра, он напоминает сперматозоид, но меньше его по размеру. Совсем недавно микроскопические размеры считались самыми маленькими из известных человеку. Люди научились создавать микрофоны и микроскопы, исследовать микроорганизмы и микропроцессы. С каждым годом мобильные телефоны и микропроцессоры становятся все мощнее и меньше. Однако современная микроэлектроника почти достигла своего теоретического предела. Для достижения большей мощности и скорости вычислений необходимо переходить на совершенно новые технологии. Современные микропроцессоры стали такими крошечными и мощными, что во время работы могут перегреться и сгореть. Как же спасти положение? Ответ прост: мир спасут нанотехнологии! Нанонаука занимается изучением чрезвычайно малого мира- мира атомов и молекул.Нанометр (нм) — это одна миллиардная метра, то есть 10-9 м. Частицы считаются наночастицами, если одно из их измерений меньше 100 нм. Приставка «нано» означает «одна миллиардная часть». Новые технологии и методы манипулирования отдельными атомами, молекулами и наночастицами позволяют создавать или изменять структуру окружающих объектов — от раковых клеток до нанокомпьютеров. Все только выиграют от внедрения новых открытий в области нанотехнологий… Ученые говорят, что в наномасштабе размер имеет значение, потому что свойства наночастиц существенно отличаются от свойств более крупных сплошных материалов. Эта разница объясняется двумя причинами.Во-первых, наночастицы имеют гораздо большую удельную площадь, то есть величину площади частицы, которая приходится на единицу ее объема. Во-вторых, чем меньше частицы, тем заметнее изменения их магнитных, оптических и электрических свойств. Перспективы развития нанотехнологий «Нанотехнологии являются основными технологиями промышленной революции в 21 веке. Тот, кто освоит нанотехнологии будет лидировать в отрасли». Michighary Nakamura. Вице-Президент Hitachi. «Мы считаем, что крупные научные достижения нанотехнологий будут состоять в создании новых материалов» В последнее время в научной литературе уделяется много внимания развитию и перспективам нанотехнологий и возможностям их применения в различных отраслях человеческой деятельности. Развитие науки о нанотехнологиях обещает большие возможности для применения в разработке новых материалов, связи, биотехнологии, микроэлектроники и энергетики. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов c использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул и появление новых открытий в химии и физике.

Перспективы развития нанотехнологий в различных отраслях. По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation объем рынка товаров и услуг, с использованием нанотехнологий может вырасти до $1 трлн. в ближайшие 10-15 лет: в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом, могут занять рынок объемом $340 млрд. в ближайшие 10 лет. в полупроводниковой промышленности объем рынка нанотехнологичной продукции может достигнуть $300 млрд. в ближайшие 10-15 лет. в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может позволить помочь увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека. в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием нанотехнологий составит более $180 млрд. в ближайшие 10-15 лет. в химической промышленности наноструктурные катализаторы имеют применение при производстве бензина и в других химических процессах, с приблизительным ростом рынка до $100 млрд. По прогнозам экспертов рынок таких товаров растет на 10% в год. в транспорте применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили. Рынок только авиакосмических продуктов может достичь $70 млрд. к 2010 году. в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономические пути фильтрации воды и позволит ускорить развитие возобновимых источников энергии, таких как высокоэффективная конверсия солнечной энергии. Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и экономить значительные средства. Так по прогнозам ученых применение нанотехнологий в сфере использования энергии света через 10-15 лет может снизить потребление энергии в мире на 10%, предоставить общую экономию $100 млрд. и соответственно сократить вредные выбросы углекислого газа в размере 200 млн. тонн. Перспективные исследования компаний. Сегодня много молодых компаний работают в направлении развития нанотехнологий. Наиболее многообещающими могут быть исследования компаний в области нанобиотехнологий, наноэлектроники и в создании новых материалов. Нанотехнологии обещают значительный прогресс в фармацевтике и медицине. Такие технологии трансформируют устоявшиеся научные дисциплины такие как биохимия и позволяют создавать новые научные дисциплины как прикладная генетика. Разделение может быть произведено между созданием молекул с точно заданными свойствами и характеристиками и нанотехнологии твердых веществ, созданием наноматериалов. Несмотря на то, что многие ожидают, что нанороботы будут циркулировать в крови человека, перспективы ближайшего применения в медицине могут произойти во взаимодействии дисциплин по созданию молекул, нанотехнологий твердых веществ, микроэлектроники, микроэлектромеханических систем и микрооптикоэлектромеханических систем. Пост генетическая эра уже началась с подробными описаниями клеточного, молекулярного и генетических процессов. Несмотря на то, что еще много лет необходимо для исследования генома человека, открытия происходят регулярно. Когда появляются признаки нарушения работы клетки, может быть создана молекула для предотвращения ненормального поведения клетки, ее стимуляции к работе в нормальном режиме. Такие технологии позволят применять новую диагностическую технику, более специфическую терапию и местное применение лекарства, которое увеличивает эффективность, медленно увеличивает сопротивляемость к нарушениям и снижает нагрузку токсичными компонентами на организм человека. По мнению ученых, количество целевых зон для лекарственных препаратов, которые будут выявлены в результате исследования генома человека, может составить от 3000 до 10000 по сравнению с 417 эмпирически полученными в настоящее время. Кроме того, детальное понимание взаимодействия между генами, молекулярным движением и болезнью может дать возможность создания высоко специфичного, индивидуального лекарства. Комбинаторная химия начала исследовать новые сферы, которые приоткрыл проект изучения генома человека. Вероятно, что фармацевтическая отрасль будет переходить от парадигмы исследования медикаментов через сочетание различных компонентов в препарате к целевой инженерии заданных молекул. В краткосрочной перспективе лекарство может быть целенаправленно доставлено в нужную ткань, что увеличивает эффективность и снижает побочные эффекты.

Пока еще рано предсказывать рыночный эффект, который получится в результате широкого применения техники создания молекул и нанотехнологий твердых веществ. Это связано с тем, что влияние данных технологий на диагностику, может быть получено только с развитием самой диагностической отрасли во взаимодействии с остальной фармацевтической индустрией. Применение нанотехнологий в лечении рака. Современные методы лечения рака действуют таким образом, что когда препарат нацелен на поражение раковой клетки, все клетки в теле пациента подвергаются негативному воздействию. В результате побочные эффекты химиотерапии (слабость, выпадение волос и рвота) наиболее часто встречаются в курсе лечения. В настоящее время проводятся исследования методов лечения, которые воздействовали бы только на пораженную клетку и снизили бы большинство побочных эффектов. Уже только по одной этой причине можно ожидать интересных результатов от применения наночастиц, которые доносят цитотоксический препарат в определенную пораженную часть тела человека. Как пример, такие наночастицы теоретически должны отличать нормальную живую клетку от раковой клетки. В настоящее время перед учеными встают проблемы создания специфического препарата для лечения и способа целенаправленной доставки этого лекарства в пораженные клетки. Ученые успешно направили на раковую клетку простаты химический реагент используя наночастицы, которые имеют специальную лиганд молекулу, так называемый аптамер. Аптамер соединяется с химическим реагентом и после того, как между ними произошло взаимодействие, препарат направляется точно в то место, куда необходимо. В результате раковая клетка с химическим реагентом умирают, а здоровые клетки, которые не были атакованы химическим реагентом остаются здоровыми.Однако существуют и объективные трудности широкого распространения использования нанотехнологий в фармацевтических и медицинских нуждах. Общественное мнение против генетически модифицированных продуктов усиливается, несмотря на значительные успехи и безопасные результаты модифицированного инсулина, гормонов роста человека и вакцины от гепатита B. Каждый шаг вперед должен снижать риск для общества и общественность должна быть проинформирована положительных сторонах новых технологий.