История развития нанотехнологии

Стр 1 из 5Следующая ⇒

Содержание

Введение

1. История развития нанотехнологии

2. Основные особенности наноматериалов и технологии их получения

3. Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий

4. Области применения нанотехнологий

4.1 Наноэлектроника

4.2 Нанотехнологии в строительстве

4.3 Нанотехнологии в медицине

4.4 Основные направления использования нанотехнологий в АПК

5. Проблемы и перспективы развития нанонауки в России

5.1 Перспективы использования нанотехнологий

5.2 Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России

Заключение

Список использованной литературы:

Введение

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Цель данной курсовой работы состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалёком будущем.

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рис. 1). Греческое слово " нанос" примерно означает " гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились 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. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась " Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

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 ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

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

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, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. [1]

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

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".

Области применения нанотехнологий

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. 2).

Рис. 2 Внутреннее устройство современной электронной схемы.

Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали равен 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния (голубыми столбиками). Зелёный слой – окись кремния.

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

Рис. 3. Гипотетическая схема цепочки из нанотранзисторов, состоящая из параллельных полосок проводников толщиной в несколько атомарных слоёв

На рисунке 3 схематически показаны параллельные плоские полоски нанопроводников, состоящие из нескольких атомарных слоёв. 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.

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.

Углеродные нанотрубки с " нанопочками" обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек – источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения.

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.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала " памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания" ( NRAM - Nanotube- based/ Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.

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.

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. 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.

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^[6], определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность.^[7]

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 использовать нано-роботов (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.

Рис 5, 6 Представление о роботах-врачах внутри человеческого организма

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

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!

Описание нанотехнологии может показаться немного надуманным, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются. металлический наноматериал электроника медицина

Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.

Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения " вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Заключение

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, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют 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

10. http: //www.nanosvit.com/publ/15-1-0-121

11. http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F#.D0.A4.D1.83.D0.BD.D0.B4.D0.B0.D0.BC.D0.B5.D0.BD.D1.82.D0.B0.D0.BB.D1.8C.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.BF.D0.BE.D0.BB.D0.BE.D0.B6.D0.B5.D0.BD.D0.B8.D1.8F

12. http: //www.starenie.ru/texnologii/nanotex.php

13. http: //nano.msu.ru/

14. http: //nanomedicine.ru/

Размещено на Allbest.ru