Домашние нанотехнологии. Нанотехнологии приходят в наш дом

В последние годы мы все чаще слышим слова: "нанонаука", "нанотехнологии", "наноструктурированные материалы": мы слышим их по радио и на телевидении, замечаем в речах не только ученых, но и политиков. Нанотехнологиям отдается высокий приоритет при финансировании научных и инновационных программ во всех развитых странах мира. Например, Япония является мировым лидером по созданию наноматериалов, в США исследования в области нанотехнологий получают щедрое финансирование как от государства, так и из бизнеса и даже от частных лиц, Евросоюз принял свою рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Недавно наш президент объявил о высоком приоритете развития нанотехнологий, обращая внимание на особую роль нанотехнологий для обороноспособности нашей страны. На это выделяются немалые средства из Резервного фонда страны. Минпромнауки РФ и РАН также имеют свои перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой "нано-".

Так что же означает слово «нано»? Что такое нанотехнологии и почему им уделяется такое внимание во всем мире? Почему это называют "революционным прорывом в технологиях", что это сулит нам, простым людям, и чем, возможно, это грозит миру? Давайте попробуем разобраться с этими вопросами.

Кудухова Лариса Ильинична, 13.03.2017

1593 183

Содержимое разработки

Цель научной работы заключается в комплексной характеристике нанотехнологий, с учетом специфики и всех особенностей данной области прикладной науки.

Объектом настоящего исследования является нанотехнология как область науки и техники, а предметом – особенности применения нанотехнологии.

К основным задачам работы относятся:

1. Определение понятия «нанотехнология».

2. Рассмотрение истории развития нанотехнологии в мире вообще и в России в частности.

3. Выяснение прикладного аспекта нанотехнологий, то есть особенностей применения в различных отраслях.

4. Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий.

5. Выделение технологических особенностей применения нанотехнологий.

6. Указание и прогнозирование перспектив развития нанотехнологий в России.

Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба

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

Применение нанотехнологий.

Наноэлектроника и нанофотоника

Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника.

Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.

Наноэнергетика

Солнечные батареи.

Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%.

Наноструктурированные материалы. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.
2. Наночастицы. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и заболеваниями сосудов.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма.
4. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы.

6. Наноинструменты. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

Нанокосметика

Несколько лет назад L"Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц

Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства

Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности

Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов

Министерство образования и науки РФ

Муниципальное общеобразовательное учреждение

общеобразовательная школа – интернат № 1 среднего (полного)

общего образования г. Томска

РЕФЕРАТ

по теме: Нанотехнологии в современном мире

Выполнила: ученица 8А класса

Сахненко Мария

Руководитель: Пахорукова Д.П.

учитель физики

г. Томск 2010 г.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Главной целью моей работы является ознакомление с нанотехнологией. Также я хочу выяснить применение этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, 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 обозначения средства эффективного 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 не просто отдельная часть знаний, 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.

1. НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

1.1.История возникновений нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. В течение двадцати с лишним веков люди пытались проникнуть в тайну строения этой частицы. Решение этой непосильной для многих поколений физиков задачи стало возможным в первой половине ХХ века после создания немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

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

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

Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор:

Я думаю о создании системы с электрическим управлением , в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой - от хирургических операций до транспортированияи переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2% от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует еще и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.

1.2. Что такое нанотехнологии

Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения.

Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр – миллиардная доля метра. 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.

Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию. Очевидно, что на данном этапе развития науки ученым приходит в голову копировать и совершенствовать эти явления.

Медицина представляет собой самую захватывающую область для применения нанотехнологий. Многие методы лечения рака, которые разрабатываются в данный момент, построены на борьбе с опухолью на клеточном уровне. Исследователи показывают весьма многообещающие результаты использования наночастиц золота в лечении разных типов рака. Частицы отправляются прямиком в раковые клетки и нагреваются с помощью инфракрасного луча.

Доставка наночастиц представляет собой самую большую проблему, связанную с применением их в медицине. Нужно доставить наночастицы в пораженные клетки, не повредив здоровые. Как только система доставки определится (что уже не легко само по себе), частицы должны помочь создать ряд новых неинвазивных методов лечения, которые справляются с опухолью без хирургической травмы.

Одним из решений доставки наночастиц могут быть крошечные золотые звезды, которые разрабатываются в Северо-западном университете. Звездчатые частицы покрываются препаратом под названием ДНК-аптамер (молекула ДНК, которая может прикрепляться к нужным молекулярным мишеням). Нанозвезды ориентируются на протеины в раковых клетках. Протеины услужливо доставляют звездочки к ядру, и как только они прикрепляются к цели, выстрел из лазера высвобождает лекарство из нанозвезды, и оно начинает свое лечение ядра. У клетки не остается шансов.

Каким бы ни был механизм доставки, нанотехнологии могут позволить докторам остановить рак мозга без физического вмешательства в череп пациента, или излечить рак легких без необходимости вскрывать чью-либо грудную клетку.

Возможно, вы прикасаетесь к ним прямо сейчас

Вне зависимости от того, какой тип компьютера или устройства вы используете для чтения этой статьи, вероятнее всего вы имеете дело с нанотехнологиями. Процессоры и компоненты памяти сделаны с использованием наноматериалов, которых полно на рынке, а на клавиатурах и мышках вы можете найти антимикробное покрытие.

В ближайшем будущем мы вполне может увидеть фотонные кристаллы, которые облегчат нам чтение с экранов планшетов в дневное время, изменяя цвет отраженного солнечного света, а не полагаясь на свет, излучаемый устройством. Органические светоизлучающие диоды (OLED) уже стоят в очереди, чтобы наверняка заменить ЖК-дисплеи (LCD) в качестве универсального стандарта экранов смартфонов. Кроме того, тонкий слой наночастиц будет простым решением по защите смартфона от смерти от случайного падения в воду.

Совсем скоро электроника будет работать в три раза дольше на одном заряде только потому, что крошечные волоски в виде нитевидных нанокристаллов будут встроены в батареи. Не так давно мы писали о том, что графеновые батареи вполне решат проблему зарядки смартфонов, а ведь графен - это прямое следствие исследования нанотехнологий.

Возможно, вы уже носите их

С начала 2000 годов индустрия моды заинтересовалась нанотехнологиями. И несмотря на то, что общественность не особо заинтересовалась возможностью зарядки смартфонов прямо от футболок, это направление тоже развивается. Идея пьезоэлектрических генераторов не лишена смысла. Представьте себе палатку, которая могла бы генерировать электричество из малейших дуновений ветра, чтобы вы зарядили свой фонарик. А как насчет лодки, которая получала бы электричество из каждого лоскутка своего паруса? Нанотехнологии, вшитые в ткань, обретают смысл.

Тем не менее, не все идеи использования нанотехнологий были хорошо приняты. Много вопросов и негодования породили предложения использовать наночастицы для уничтожения бактерий, вызывающих неприятный запах одежды. Дизайнеры спортивной одежды поспешили с внедрением этого метода, как вдруг обнаружили, что частицы наносеребра убивают не только вредные, но и полезные бактерии (а потому не могут быть использованы при очищении воды, например), а также вызывает врожденные дефекты у рыб и других организмов.

В конце 2011 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) разрешило использовать продукты с наносеребром, только если их безопасность не вызывает сомнений - решение, которое стало следствием направленного возмущения общественности. И если вас не пугает тот факт, что наносеребро используется в качестве пестицидов, EPA просит подумать вас дважды, чем носить одежду с этими элементами. Все-таки постирать белье раз в пару дней не так уж и сложно.

Многое из этого уже есть в природе

Хотите штаны, которые не впитывают воду ? Или как насчет пластыря, который позволит вам залезть на стеклянную стену? Купить подобные штаны в магазине нетрудно, но чтобы раскрыть человека-паука внутри себя, вам придется изрядно попотеть. И два этих примера нанотехнологий уже существуют в природе.

Можете назвать это костюмом безопасности для лихого ездока. На протяжении многих лет текстильная промышленность пыталась разработать водонепроницаемые ткани. Но получилось это только тогда, когда они стали использовать нитевидные кристаллы. Если вы когда-либо видели, как капли дождя стекают по цветку лотоса - или другие примеры из-под носа - это работа природных нитевидных кристаллов. Лист покрыт нановолосками, которые поддерживают капли воды, не позволяя им впитываться или смачивать поверхность листка. Добавив нанотрубки в волокна одежды, производители могут создавать коттон, шерсть или синтетическую ткань, которая не впитывает воду.

Что касается лазания по стеклу, этот продукт появился, благодаря разработкам Роберта Фулла (Robert Full) из Беркли. Изучая пальцы гекконов, исследователи выяснили, что каждый палец существа покрыт нановолосками, которые настолько малы и многочисленны, что используют силу Ван-дер-Ваальса (межмолекулярного сцепления), чтобы удерживаться на гладкой поверхности. Биолог Фулл вместе с другими инженерами воспроизвели механизм пальцев геккона в виде лапок, которые позволили альпинисту лазать по зданиям.

Важным уроком здесь выступает то, что мы только-только приступили к изучению нанотехнологий, которые давно используются в живой природе. Теперь нужно научиться делать продукты, которые дополняют живой мир, а не повреждают его.

Они могут быть в вашей пище и других продуктах

Еда - это зона, которую многие люди сознательно оставляют неприступной для нанотехнологий. Многие люди специально платят за то, чтобы мясо, которое они едят, паслось на альпийских лугах и дышало только чистым воздухом. Поэтому неудивительно, что их бесит мысль о том, что они буду есть пищу, созданную с участием каких-то искусственных микрочастиц. Но прежде, чем вы начнете волноваться, давайте посмотрим на практическое применение нанотехнологий в пищевой промышленности.

Упаковка и хранение . Нанотехнологичные упаковки позволят вам хранить пищу дольше, создавая герметично уплотненные стенки, либо вообще убивающие вредные бактерии, посягающие на ваш обед. Посмотрите вокруг. На рынке полно холодильников, использующих покрытие из наночастиц серебра, которое убивает бактерии, да и многоразовые контейнеры тоже не гнушаются использовать этот прием.

Цвет, запах и вкус . Представьте, что вкус, запах и цвет еды можно будет изменить на молекулярном уровне. Это позволит создавать невероятно полезную еду в приятной оболочке (представьте, что пища из Макдональдса будет полезнее овсянки). Тем не менее, скептики даже и слышать не хотят о том, что пища будет модифицироваться искусственным путем. А зря.

Улучшение препаратов . Возьмем, к примеру, диабетиков. Нанотрубки в один прекрасный день можно будет вколоть всего один раз, а наночастицы самостоятельно будут следить за уровнем сахара в крови, выдавая порцию инсулина, когда нужно. Пока медицина не дошла до таких высот, но в один прекрасный день, только представьте, только один укол стабилизирует состояние хронических больных, от ВИЧ-инфицированных до людей с мигренью.

В конце концов, вспомните этих замечательных вашего смартфона. Хотели бы не обниматься с ними, а избавиться от них? Ведь этими же пальцами вы берете печенье и отправляете в рот. Вместе с живностью. Брр.

С каждым днем мы приближаемся к неизбежной революции, которую несут в себе нанотехнологии. Мы создаем новые приборы, получаем уникальные материалы, о которых раньше не задумывались. Применение нанотехнологий в быту позволило изменить форму привычных для нас предметов. В результате этого мы получили совсем иные, но полезные свойства вещества. Окружающая нас реальность становится менее опасной и наиболее благоприятной для комфортной жизни. Наглядный пример: уменьшение привычных габаритов используемых электрических приборов до размеров наночастиц, незаметных человеческому глазу. Компьютеры становятся меньше в размерах, но намного производительнее. Нанотехнологии в быту и в промышленности позволили значительно изменить все вокруг нас.

Возможно ли создать такую форму искусственного интеллекта, который смог бы удовлетворить любые наши потребности? Ответ кроется в рациональном применении новейших разработок. Нанотехнологии — это путь в будущее, так как они затрагивают все аспекты нашей жизни. Использование нанотехнологий дает много возможностей, но и вызывает ряд опасений.

Окно в наномир

Электронный микроскоп позволяет заглянуть в микромир. Без специальной аппаратуры нанотехнологии в быту сразу заметить очень трудно, так как они настолько малы, что неразличимы невооруженным глазом. Именно в таких масштабах вещества проявляют самые необычные и неожиданные свойства. Использование таких свойств обещает уникальную технологическую революцию. Они дают радикально новые возможности, такие как управлять телом человека и окружающей средой.

История появления нанотехнологий

Все начинается в 80-х годах XX века с изобретением инструмента под названием сканирующий (СТМ). Профессор Джеймс Джимзевский провел всю свою профессиональную жизнь в мире наноразмеров. Он является одним из первых в мире людей, получивших возможность исследовать материю на уровне невероятно малых величин, миллионных долей миллиметра. Эти микроскопы позволяют изучить поверхность подобно тому, как слепые читают Тогда никто не мог подозревать, насколько пригодятся нанотехнологии в быту и промышленности.

Принцип работы с наночастицами

Сканирующий микроскоп использует зонд, представляющий собой иглу толщиной в 1 атом. Когда она приближается всего на несколько нанометров к образцу, происходит обмен электронами с ближайшей наночастицей. Это явление называется эффектом туннеля. Система управления фиксирует изменение величины туннельного тока, и вот уже на основе этой информации идет более точное построение топографии поверхности исследуемого образца. Программное обеспечение позволяет преобразовать полученные данные в изображение, которое дает ученым ключ к новому миру, используя нанотехнологии в быту и других отраслях.

Как утверждает Джеймс Джимзевский, благодаря сканирующему электронному микроскопу ученые впервые получили изображения атомов и молекул и смогли изучить их форму. Это стало настоящей революцией в науке, ведь ученые начали смотреть на многие вещи совсем по-другому, обратив внимание на свойства отдельных атомов, а не миллионы и миллиарды частиц, как это было в прошлом.

Первые открытия

Использование новых технологий привело к поразительному открытию. Когда прибор приближался к атому на расстояние в 1 нанометр, между ним и атомом возникала связь. Эта особенность позволила найти способ перемещать отдельные микрочастицы. Благодаря такому открытию появилась возможность использовать нанотехнологии для комфортного быта.

Как пояснил Джеймс Джимзевский, профессор университета Калифорнии, туннельный сканирующий микроскоп позволил практически прикасаться к молекулам и атомам. Ученые впервые смогли манипулировать атомами на поверхности вещества и создавать структуры, которые раньше нельзя было и представить.

Это новоприобретенное открытие (способность наблюдать и манипулировать мельчайшими частицами, составляющими материю) дало возможность использовать нанотехнологии во всех отраслях без исключения.

Развитие нанотехнологий

Физик и философ Этин Клин считает, что возможность технологического прорыва за счет нанотехнологий вполне реальна, но во многом это строится на энтузиазме ученого.

Как говорит физик и философ Этин Клин, с момента экспериментального подтверждения существования атомов до момента получения возможности ими манипулировать прошло меньше 100 лет. Перед учеными открываются такие возможности, о которых раньше и подумать не могли. Только благодаря этому правительство всех развитых стран стало проявлять интерес к соответствующим наукам. Все началось с американской инициативы 2002 года, с которой выступили физики Рока и Бенбридж. Эти ученые выступили с сумасшедшей идеей о том, что благодаря нанотехнологиям человечество сможет решить все стоящие перед ним проблемы.

Это заявление стало толчком к началу многочисленных исследований, позволивших реализовать такие передовые направления науки и техники, как микроэлектроника, информатика, ядерно-энергетические исследования, микробиология, лазерная техника, медицина и многое другое.

Нанотехнологии: примеры

В быту есть столько незаметных, но очень важных веществ, о присутствии которых мы даже не подозреваем! Давайте рассмотрим самые яркие примеры:

Зубная паста. Ранее никто не задумывался о том, почему очищающее средство для зубов бывает разным. Это все объясняется наличием определенных наночастиц. Например, гидроксиапатит кальция, который незаметен невооруженным глазом, помогает восстановить разрушенную эмаль и защитить зубы от кариеса.

Краска для автомобилей. Современные автомобильные краски, благодаря наночастицам, способны перекрывать неглубокие царапины и другие полости, образовавшиеся на кузове. В их состав входят микроскопические шарики, которые и обеспечивают такой эффект.

Учитель физики Никамбаева Г.М.

с. Карабулак ОСШ№22

Тема: Нанотехнологии в современном мире

Цели урока

Образовательные :

ввести новое понятие нанотехнология.

продолжить формирование умений наблюдать, делать выводы, выделять главное.

Развивающие :

развивать наблюдательность, внимание, речь, память.

развивать интерес и логическое мышление путем решаемых проблем.

развивать интерес к поиску дополнительной информации через Интернет.

Воспитательные :

продолжить развивать кругозор учащихся.

воспитывать умение работать в коллективе, осуществлять самостоятельную деятельность.

Тип урока : изучение нового материала

Вид урока: урок-конференция

Ход урока

Организационный момент

Проверка Д.З

провести физ диктант

3. проверка знаний учащихся

как вы думаете что такое Нанотехнология?

4.Этап постановки целей

Ознакомление с планом конференции.

План

История возникновения нанотехнологий

Что такое нанотехнология?

Нанотехнология в космосе

Нанотехнология в медецине

Нанотехнология в сельском хозяйстве и промышленности

5. Изучение нового материала

1. История возникновений нанотехнологий

2. Что такое нанотехнологии

Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и двигать их и собирать из них конструкции, в частности, компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, элементы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.

Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Еще одним наноматериалом является графен – двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода. Этот материал был впервые получен русскими физиками, работающими в Англии. Многие ученые полагают, что этот материал, обладающий уникальными свойствами, в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен.

Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии – от медицины до космических исследований.

3. Нанотехнологии в космосе

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос - это не экзотика, и освоение его - не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).

4. Нанотехнологии в медицине

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК – чипы (создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

5. Нанотехнологии в сельском хозяйстве и промышленности

Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут производить пищу, «освободив» от этого растения и животных. С этой целью они будут использовать любое «подножное сырье»: воду и воздух, где есть главные нужные элементы – углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний, а остальные, как и для «обычных» живых организмов, потребуются в микроколичествах. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову. Человеку не придется убивать животных, чтобы полакомиться жареной курочкой или кусочком копченого сала. Предметы потребления будут производиться «прямо на дому»

Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это - любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется - органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий - нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

6. Этап понимания

Есть ли вред от нанотехнологий?

Что обозначает приставка НАНО?

Стоит ли развивать эту науку? в какой среде углубленнее?

4. Закрепление нового материала

Создание проекта «Наш НАНОмир!»