Проекты по нанотехнологиям. Научная работа по физике на тему "нанотехнологии". по физике на тему

Введение
1.История развития нанотехнологий
2.Нанотехнологии в медицине
3.Воронежская область на передовых рубежах наноисследований
3.1 Вузы воронежской области и их разработки в области нанотехнологий
3.2 Индустрия нанотехнологий Воронежской области
3.3 Нанопродукция для массового потребителя
Заключение
Литература
«Там внизу — много места»
- Ричард Фейнман

Введение
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, как и соответствующая терминология, появилась сравнительно недавно. Однако ее перспективы настолько грандиозны для нашей цивилизации, что необходимо широкое распространение основной идеи нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.
Хотя слово «нанотехнология» является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь. Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся изнутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с углеводами. Трещины, появляющиеся снаружи, не могут распространяться в раковине из-за наноструктурированных кирпичиков. Раковины являются природной демонстрацией того, что структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного прочнее материала, однородного в объеме.
В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преимущества наноразмерных материалов. Есть сведения, что в четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Изделие этой эпохи, называемое чашей Ликурга, находится в Британском Музее. Чаша, изображающая смерть короля Ликурга, сделана из стекла на основе натровой извести, содержащего наночастицы серебра и золота. Цвет чаши меняется с зеленого на темно-красный при помещении в нее источника света. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах объясняется присутствием металлических наночастиц в стекле.
Бурное развитие нанотехнологий на мировом уровне говорит об их большой значимости в процессе развития цивилизации. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики.
Значимость развития нанотехнологий трудно переоценить! А значит изучать все, что связано с нанотехнологиями необходимо уже на школьном уровне. И пусть базовый уровень изучения физики в средней школе предусматривает только 2 часа в неделю, и каждый заинтересованный ученик понимает, что этого мало - интерес к поставленной проблеме не ослабевает.

1. Сегодня понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира».
Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества.
1905 - Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 - Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 - Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции “Там внизу - много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место). Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000 тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.
1968 - Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.
1974 - Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.
1981 - Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп - прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.
1985 - Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.
1986 - Создан атомносиловой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1986 - Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 - Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 - Голландский физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.
2000 - Администрация США объявила “Национальную нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.
2004 - Администрация США поддержала “Национальную наномедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative.
Такая хронология событий не смогла не заинтересовать меня, и я в предоставляемом докладе постарался изложить заинтересовавшие меня факты и события с точки зрения неравнодушного школьника, понимающего, что будущее за новыми технологиями.

2. Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.
Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.
Но постепенно все чаще упоминается, как перспективная область применения нанотехнологии, медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (роботов-манипуляторов) в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом. Манипуляторы открывают самые широкие возможности реанимации больных клеток организма, в том числе, человеческого, что некоторыми учеными-фантазерами уже рассматривается как возможность, наконец-то, обрести бессмертие. Впрочем, существует и очень негативная возможность дальнейшего развития нанотехнологий: в частности, если управление манипулятором окажется в руках избранных людей, власть этих людей над всеми остальными окажется безграничной.
Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Но за последние несколько лет его предложения приблизились к реальности. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:
. Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;
. Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);
. Микро- и нанокапсулы;
. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;
. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;
. Наноинструменты и наноманипуляторы;
. Микро- и наноустройства различной степени автономности.
Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике — обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы — частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло — чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Другим древнейшим применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект. А теперь поговорим о развитии нанотехнологии.

На первом этапе развития нанотехнологии предпочтение отдавалось устройствам зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога. В 21 веке нанотехнологии войдут во все области человеческой жизни. Это новое слово в науке, новые возможности, новое качество и уровень жизни. Бурное развитие нанотехнологий на мировом уровне - это их большая значимость в процессе развития цивилизации. Нанотехнологии и наноинженерия на сегодняшний день являются наиболее перспективным направлением в развитии российской и зарубежной науки. Наноматериалы стали причиной настоящего прорыва во многих отраслях и проникают во все сферы нашей жизни.
На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит модернизировать целые отрасли экономики. К числу объектов, которые мы сможем увидеть в ближайшее время, можно отнести наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки, патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего — электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше.
Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конвертеров, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.

Заглядывая же в отдаленное будущее, можно предположить, что нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. Говоря о медицине…Она изменится неузнаваемо. Во-первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями. Представьте себе, что вы подхватили грипп (при этом вы даже еще не знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета, десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа, и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет! Или у вас начался ранний атеросклероз, искусственные клетки начинают чистить механическими и химическими путями Ваши сосуды. Во-вторых, возможно создание нанороботов-врачей, способных “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение. Последовательно проверяя и, если надо, “исправляя” молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Теоретически это позволит человеку жить сотни, а может быть, тысячи лет. В-третьих, появится возможность быстрого анализа и модификации генетического кода, простое конструирование аминокислот и белков, создание новых видов лекарств, протезов, имплантатов. В этой области рядом исследователей уже проводится проверка различных наноматериалов на совместимость с живыми тканями и клетками.

Сегодня о нанороботах мы можем только фантазировать, но, тем не менее, мы уже имеем значительный прогресс в этой области. Так, «нанороботами» могут послужить наночастицы некоторых веществ. Например, серебра. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы.
Как показал эксперимент, ничтожные концентрации наночастиц уничтожали все известные микроорганизмы (в том числе и вирус СПИДа), не расходуясь при этом. Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» - глюкозу - и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны. В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах.

Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Знахарь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект.
Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения. В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. Нужно отметить, что появление высоких технологий из-за их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых проблем, в том числе морально-этического свойства, связанных с наличием и доступностью медицинских услуг для широких слоев населения. Тем не менее, как бы сильно ни развивалась научно-техническая основа медицины, главными факторами исцеления больного всегда были и останутся профессиональная подготовка, этические и человеческие качества врача.

3. В общее развитие нанотехнологий внесли и продолжают вносить свою лепту российские ученые. Одной из передовых областей России по наноисследованиям является Воронежская область. На сегодня она обладает определенным потенциалом в сфере наноиндустрии - это научно-исследовательские разработки вузов Воронежской области и ряд инновационных проектов и технологических разработок предприятий промышленности. Отраслевые приоритеты региона сосредоточены в энергетике и топливной промышленности, приборостроении и электронике, авиакосмической промышленности.

3.1 Воронежская область обладает высоким промышленным потенциалом, а треть населения Воронежа имеет высшее образование. Город по праву считается интеллектуальным центром Центрального Черноземья. В ведущих вузах области - Воронежском государственном университете, Воронежском государственном техническом университете и ряде других - успешно проводят научно-исследовательские разработки в сфере наноматериалов и наноэлектроники. Инновационные проекты и технологические разработки есть и у воронежских предприятий, где наибольшее внимание уделяется перспективным работам по термоэлектричеству и созданию элементной базы на нитевидных нанокристаллах кремния, а также по другой близкой тематике. Так, ЗАО «Воронежский ИТЦ» совместно с ВГТУ успешно занимаются НИОКР по разработке высокоэффективного нанокомпозитного солнечного элемента. В технопарке «Содружество» реализуется проект «Разработка технологического оборудования для получения фуллереносодержащей смеси, нановолокон и нанотрубок». Создаются центры развития наноиндустрии с участием высокотехнологичных предприятий и вузов области. Среди таких центров можно выделить: Центр «Фонон» на базе ОАО «Корпорация НПО РИФ» и «Промышленные нанотехнологии» на базе ООО «Космос-Нефть-Газ».

Промышленные предприятия в сфере нанотехнологий наибольшее внимание уделяют разработкам по направлениям: термоэлектричество, разработка элементной базы на нитевидных нанокристаллах кремния и др. Создаются малые инновационные предприятия, специализирующиеся в сфере развития нанотехнологий.
На базе разработок ВГУ создано ООО «Защита от коррозии», продвигающее на рынок новую технологию нанесения покрытия из наноструктур цинка. Работает в этом направлении и ОАО «Рикон», создавшее принципиально новые конденсаторы с применением фуллеренов.

ЗАО «Воронежский ИТЦ» совместно с ВГТУ занимается НИОКР по разработке высокоэффективного нанокомпозитного солнечного элемента. В технопарке «Содружество» реализуется проект «Разработка технологического оборудования для получения фуллереносодержащей смеси, нановолокон и нанотрубок».

Химики из Воронежского государственного аграрного университета изобрели долговечный бытовой фильтр для воды, аналогов которому, по их утверждению, в мире нет. В основу фильтра, над созданием которого трудились сотрудники ВГАУ и фирмы «Аква», положены нанотехнологии. По словам руководителя проекта, заведующего лабораторией химии факультета технологии и товароведения Ивана Горелова, синтез фильтрующего материала производится из наночастиц диоксида кремния, углерода и серебра. Предварительно они готовятся как сырье, затем совмещаются в строгой пропорции, подсушиваются, чтобы сделать гранулы, и обжигаются при температуре 1000ºС без доступа кислорода.

По словам ученых, уникальность нового фильтра, помимо использования наночастиц, заключается в том, что он удаляет техногенные примеси — прежде всего, соединения железа, нефтепродукты, а также ионы тяжелых металлов (свинец, ртуть, цинк, кадмий, медь). Природный минеральный состав воды остается без изменений.
Нанокомпозит, которым снабжен фильтр нашей разработки, обладает универсальными свойствами. В сухом состоянии он способен поглощать пары бензола, толуола, гексана, ацетона, а также дым. Поэтому может найти применение, например, в защитных устройствах при чрезвычайных ситуациях для защиты личного состава спасателей и для защиты рабочего персонала в лакокрасочной промышленности.
К фильтрам уже проявили интерес заказчики из Европы и Азии. Промышленную линию по их производству на базе ВГАУ введут в эксплуатацию уже в начале 2013 года. Создаются центры развития наноиндустрии с участием высокотехнологичных предприятий и вузов области.

3.2 В настоящее время в области насчитывается 14 предприятий и организаций, работающих в сфере индустрии нанотехнологий: ОАО «Воронежсинтезкаучук», ОАО «Корпорация НПО «РИФ», ОАО «ВЗПП-С», ОАО «КБХА», ОАО «Концерн «Созвездие», Воронежский государственный университет, Воронежский государственный технический университет, ООО «Комнет», ОАО «Завод «Водмашоборудование» и др. В регионе уже реализуется около 20 промышленных проектов в области наноиндустрии. А на стадии разработки только в Воронежском госуниверситете имеется около 30 проектов.
Основными направлениями применения НИОКР наноиндустрии Воронежской области являются следующие области:
. Нанотехнологии в энергетике и топливной промышленности. Предприятия и организации Воронежской области реализуют проекты, направленные на промышленное производство поликремния для солнечных батарей, термоэлектрических материалов для повышения энергоэффективности машин и механизмов, наномодификацию присутствующих на рынке типов топлива и жидкостей.
. Нанотехнологии в приборостроении и электронике. Разработки в области наноиндустрии Воронежской области направлены на разработку и производство сканирующих электронно и атомно-силовых микроскопов, микросхем, печатных плат, шлейфовых кабелей.
. Нанотехнологии в авиакосмической отрасли. В рамках данной отрасли в Воронежской области предприятиями и организациями в сфере нанотехнологий проводятся опытные испытания и готовится производство жаропрочных и других наномодифицированных композитов, принципиально новых материалов для ракетостроения и авиапромышленности.
. Нанотехнологии в машиностроении. В обозначенной отрасли предприятиями и организациями наноиндустрии Воронежской области ведутся работы по производству систем для создания наноматериалов.
. Нанотехнологии в медицине. Предприятия и организации наноиндустрии Воронежской области реализуют проекты, направленные на создание новых способов лечения и диагностики больных. Значительная доля перспективных проектов направлена на создание технологий импортозамещения иностранных лекарственных средств.
. Нанотехнологии в промышленности строительных материалов. В строительной промышленности в последние годы практически не ведется внедрение новых технологий. Между тем, предприятия и организации наноиндустрии Воронежской области обладают значительным потенциалом разработок, призванных значительно улучшить качество строительства в области и РФ.
. Нанотехнологии в пищевой промышленности. Актуальными разработками предприятий и организаций наноиндустрии Воронежской области являются технологии очистки воды, модификации продуктов питания для улучшения их питательных свойств.

3.3 В Воронежской области в настоящее время активно внедряется нанопродукция, качественно улучшающая состояние здоровья воронежцев. Примером может послужить продукция компании Nano Hightech, в частности - шестигранник, сделанный из нанокерамики. Нанокерамика - это уникальный материал, синтезирующий в себе несколько основных компонентов: Вулканические породы, Камень Кым-Ган, природный Германий, Титан, Пуццолан и Бародон, измельченные до наноразмерных единиц. Благодаря этому Компания Нано Хайтек Хангук Нано Медикал произвела уникальный продукт - Нанокерамику (НК). Полученное сырье проходит процесс прессовки, формовки и обжиг при температуре 1300°С в электропечи. Затем из обожженных и полированных шестигранников вручную формируются плотные мозаичные поля, которые используются в производстве оборудования. Данный шестигранник предназначен для снятия боли, устранения неприятных запахов и структурирования жидкостей.

Как заверяет нас производитель, он:
. активизирует процессы микроциркуляции,
. восстанавливает нарушенный энергообмен,
. обладает бактерицидными свойствами,
. ускоряет процесс заживления ран, ссадин, ушибов, ожогов,
. надолго сохраняет свежесть продуктов, устраняет неприятные запахи (при помещении Шестигранника в холодильник, шкаф или обувь),
. способствует повышению плодородия почвы (при поливе заряженной водой или помещении Шестигранника в почву),
. воздействует на структуру жидкостей,
. снимает боль и воспаление.
Конечно, продукции, рассчитанной на массового потребителя, пока что не так много, но прогресс не стоит на месте, и можно смело предположить, что в ближайшие 5-10 лет мы сможем лицезреть новые потребительские продукты.

Заключение
Как уже неоднократно заявлялось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и появление новых открытий в химии и физике, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
Предполагается, что нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, распределения источников энергии, децентрализации производства и хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.
Самое главное, чтобы понятие «нанотехнология» не стало лазейкой, за которой будут прятаться непорядочные ученые, предприниматели, фирмы и чиновники.
В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий, "умной одежды" и упаковок, позволяющих дольше сохранять свежесть продуктов питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком будущем, опираясь на факт ее постепенного проникновении во все отрасли производства.
Как уже говорилось, возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, однако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энергии и печальные последствия Чернобыльской аварии или трагедию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должны четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование всего человечества и планеты в целом.
В связи с этим становится понятно, почему с самого появления нанотехнологии ее развитию мешают страхи, часть которых однозначно относится к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания.
В ближайшем будущем планируется создание «умных» материалов с памятью, самозалечивающихся материалов, нанороботов, существующих внутри человеческого тела и обеспечивающих его нормальное функционирование, освоение дальних районов космоса нанороботами и т.д.
Первые прогнозы путей развития нанотехнологии, воспринимавшиеся как фантастический кинофильм, оправдываются, причем с опережением времени.
Так, использование нанотехнологий в биофизике переживает самый начальный этап своего развития. Но, несмотря на это, уже сегодня понятно, что именно внедрение нанотехнологических и биофизических методов в «классическую» биологию позволит добиться самых невероятных и удивительных результатов. Многие исследователи даже полагают, что биологический вид «Человека разумного» в течение ближайшего столетия будет практически полностью заменен новым биологическим видом. Этот человек будет представлять из себя сложнейший синтез генных модификаций и имплантаций технологических систем. Электронные компоненты, размещаемые непосредственно в человеческом организме, будут обеспечивать непрерывную связь с сетями, подобными Internet. Но пока что это лишь предсказания возможного будущего, быть может, более далекого, чем бы нам хотелось, но, тем не менее, завораживающего своими фантастическими возможностями.
Моя первая попытка знакомства с нанотехнологиями и наноидеями состоялась. Она утвердила меня в мысли о дальнейшем изучении материла в данной области. Я уверен, что, став студентом, я не только не потеряю интерес к поставленной проблеме, но и приложу все усилия для анализа проблемы с новых вершин познания. Ведь уверенность в том, что перспективы нанотехнологий грандиозны для нашей цивилизации, для нашего будущего - это не просто уверенность… Это вера в науку, в ее торжество! Гонка технологий задает темп жизни, и для того, чтобы быть успешной современной личностью, нужно не просто шагать в ногу со временем, а опережать его! 

Литература:
1. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Коптев П.С., и др., «Наноматериалы и нанотехнологии»// Микросистемная техника. 2003.
2. Балабанов В., «Нанотехнологии. Наука будущего». 2009.
3. Карасёв В.А., «Генетический код: новые горизонты». 2003.
4. Пул Ч., Оуанс Ф., «Нанотехнологии»// М. Техносфера. 2004.
5. Рыбалкина М., «Нанотехнологии для всех». 2005.
6. Светухин В.В., Разумовская И.В., и др., «Введение в нанотехнологии.Физика». 2008.
7. Третьяков Ю.Д., «Нанотехнологии. Азбука для всех». 2008.
8. Feynman R.P., "There"s Plenty of Room at the Bottom,"Engineering and Science (California Institute of Technology), February 1960, pp.22- 36. Русский перевод опубликован в журнале "Химия и жизнь", № 12. 2002.
9. Журнал «Российские нанотехнологии», Т.5, № 1-2. 2010.
10. Газета «Промышленные вести», №1. 2010.

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение Ильинская средняя общеобразовательная школа

Учебно-исследовательский проект

Подлипная Екатерина, ученица 10 класса

Широких Екатерина, ученица 10 класса

Комарницкий Георгий, ученик 9 «А» класс

Научный руководитель:

учитель информатики

Абрамкина Светлана Александровна

Домодедово - 2012

Введение ……………………………………………………………………...3

Глава 1. История развития нанотехнологий ……………………………… 5

Глава 2. Нанотехнологии в различных сферах деятельности человека… 7

2.1. В медицине………………………………………………………… 7

2.2. В косметологии ………………..………………………………….. 9

2.3. В строительстве……………………………………………………11

Глава 3. Новейшие достижения в нанотехнологии …………….………..13

3.1. Информационные технологии……………………….………….13

3.2. Робототехника……………………………………………………15

Глава 4. Социологический опрос………………………………………….. 18

Заключение…………………………………………………………………. 19

Библиография………………………………………………………………..20

Приложение………………………………………………………………… 21

Введение

Работа посвящена новому перспективному направлению – нанотехнологии, а именно изучению возможностей, сфер применения и перспектив развития нанотехнологий. Возможности этого направления очень велики, благодаря уникальным свойствам наноматериалов.

«Нано» - это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз. Например, 1 нанометр - это миллиардная часть метра (1 нм = 10 –9 м). С помощью этой приставки обозначают новую эру в развитии технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, - эру нанотехнологий.

Нас заинтересовала эта тема, потому что в будущем нам жить и работать с нанотехнологиями, а на сегодняшний день нам очень мало, что известно об этом. Мы считаем, что сегодня – это самая актуальная проблема, потому что она направлена на наше с вами будущее. И мы решили начать изучать и исследовать технологии будущего уже сегодня и делиться нашими исследованиями на нашем сайте.

Данный учебно-исследовательский проект состоит из пяти частей:

Введение;

Основная часть ;

Заключение;

Библиография;

Приложение.

Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.

Гипотеза исследования: нанотехнологии используются во всех сферах, давая новые возможности и помогая решать самые сложные задачи.

Цель: показать неограниченные возможности современной науки и техники в развитии нанотехнологий, познакомиться с современными достижениями и пробудить интерес к проблеме нанотехнологий.

Задачи проекта:

Познакомится с историей развития нанотехнологий;

‐ изучить основные направления и методы исследований в области нанотехнологий и с основными направлениями ее развития;

‐ изучить практическое значение разработок нанотехнологий в области медицины, косметологии, строительства, информационных технологий, робототехники;

‐ провести тестирование среди учителей, старшеклассников и учеников основной школы с целью выявления уровня осведомленности по данной теме.

Объект исследования: нанотехнологии.

Предмет исследования: сферы применения, возможности и перспективы нанотехнологий.

Методы исследования: сбор материала по теме, его анализ и обработка, оформление работы, тестирование, создание презентации, создание сайта.

Выход проектного продукта: стенд в школе и сайт «Юные исследователи».

Практическая значимость работы заключается в том, что работающие над этой темой ученики и слушатели узнают много нового из этой сферы. Данная работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники.

Глава 1. История развития нанотехнологий.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха. Бойль утверждал, что все состоит из "корпускул" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы.

Стартовой точкой в борьбе за покорение наномира считается лекция Ричарда Фейнмана в 1959 г. «Там внизу - много места». Основной постулат этой лекции заключался в том, что с точки зрения фундаментальных законов физики автор не видит никаких препятствий к работе на молекулярном и атомном уровнях, манипулировании отдельными атомами или молекулами. Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т. е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами.

То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями человек давно использовал в своей жизни. Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысяч лет назад. В исследованиях проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев, установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!

Вот еще один из наиболее ярких примеров (в прямом и переносном смыслах) - это разноцветные стекла. Например, созданный еще IV веке н.э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском музее, при освещении снаружи - зеленый, но если освещать его изнутри - то он пурпурно-красный. Как показали недавние исследования с помощью электронной микроскопии, этот необычный эффект обусловлен наличием в стекле наноразмерных частиц золота и серебра.

Сначала люди изучали обычный мир, для наблюдения которого не надо было особых приборов. Благодаря появлению микроскопа в конце XIX века ученые стали проникать внутрь атома, изучать его строение. В 1909 г. используя альфа-частицы (ядра гелия, имеющие размер порядка 10 –13 м) Резерфорду удалось «увидеть» ядро атома золота. Созданная на основе этих опытов планетарная модель атома Бора-Резерфорда дает наглядный образ огромности «свободного» места в атоме, вполне сравнимого с космической пустотой Солнечной системы.

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (греческий термин «нанос» означает «гном»). Созданные на их основе вещества и объекты размером 1 – 100 нм называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика.

В самом широком смысле нанотехнологии – это исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале расстояний.

Глава 2. Нанотехнологии в различных областях деятельности человека.

В медицине

Нанотехнологии в области здравоохранения имеют давние корни. Ярким примером являются разработки американских ученых. Умные лекарства давались космонавтам, чтобы проверить их состояние и регулировать температуру тела.

Что представляют собой умные лекарства? Создатели первых вариантов внедрили в них специальные датчики из магния или меди, которые совершенно безвредны для людей и их здоровья. Датчики проникают в желудок и начинают функционировать, взаимодействуя с желудочной кислотой.

Умные лекарства станут настоящими помощниками при диагностике и наблюдении за больными. Перед их применением к больному прикрепляется специальное устройство, которое необходимо для принятия сигналов датчиков. Датчики передают на него важную информацию, например, температуру тела, равномерность дыхания, скорость сердечного ритма и другие показатели. Ученые даже предлагают разработать специальную программу, которая будет обрабатывать собранные данные, структурировать их и отправлять в виде файла на мобильный телефон больного.

Благодаря совместному труду учёных из Америки и Италии наука смогла подняться на ступень выше в области регенерации тканей позвоночника после повреждений. Как правило, после перелома в месте травмы образуется рубец, который не пропускает нервные импульсы. Из-за этого человек может быть полностью или частично парализован. Учёные предложили идею по выращиванию клеток спинного мозга при помощи опорных наноструктур большого количества маленьких параллельных трубочек. По идее исследователей в этих нанотрубках должны нарастать новые нервные клетки, образующие нервную ткань. Ещё одним открытием поделились с миром исследователи в области наномедицины из Института технологий Италии. Учёные нашли возможность восстанавливать поврежденную сетчатку глаза. Операция по восстановлению сетчатки проводится с использованием светочувствительного пластика. Помочь решить вопрос создания искусственной сетчатки глаза смогли специальные гибкие полупроводники. Возможно, в скором времени многие незрячие люди и люди с проблемами зрения смогут в полной мере наслаждаться окружающим миром.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.

Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века. 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.

Учёные из Кореи открыли миру новую технологию по управлению медицинскими нанороботами в человеческом организме. Двигаясь вместе с потоком крови, микророботы смогли бы помочь человечеству, выполняя сложнейшую задачу по доставке лекарственных препаратов, уничтожению онкологических новообразований и бактерий, разрушению тромбов и прочих образований, до которых врачам не удаётся добраться никакими средствами.

Когда-то весь мир потрясло то, что искусственно выращивать кусочки кожи возможно в специальной чашке (чашка Петри). Исследователи из университета Райса придумали совершенно другую идею выращивания органов. Для этого нужно, чтобы органы находились в подвешенном состоянии, и с помощью магнитного поля будет происходить их развитие. В клетку, с применением вирусов, добавляют смесь наночастиц. Попадая внутрь клетки, наночастицы подвергаются воздействию магнитного поля. Это даёт возможность производить контроль роста клеток ткани в трёх измерениях. Именно в подвешенном состоянии эти клетки могут функционировать и размножаться, при этом образуя многослойные структуры, которая является точной копией ДНК программы.

В косметологии

Нанотехнологии используются во всех сферах, давая новые возможности и помогая решать самые сложные задачи. Косметология не исключение.

При помощи нанотехнологии можно реально выглядеть на 15-20 лет моложе. Их суть заключается в том, что в состав косметических средств включены наносферы, которые обладают способностью проникать в глубокий подкожный слой. В этих своеобразных микросферах заключены активные компоненты. При помощи нанотехнологии разглаживаются морщины, прыщи, угри, рубцы и пр.

Для того чтобы качественно улучшить состояние кожи, убрать глубокие морщины, добиться эффективного увлажнения кожи, вернуть зрелой коже красоту и свежесть необходимо улучшить доставку питательных компонентов в глубокие слои кожи. Чтобы проникнуть вглубь кожи, активные вещества «используют обходные пути» - межклеточные промежутки и выводные протоки кожных желез. Пройти через межклеточные промежутки не так-то просто. Это стало возможным лишь благодаря высоким био- и нанотехнологиям.

Одним из решений этой проблемы стало создание искусственных контейнеров, которые способны проникнуть в кожу на более глубокий уровень за счет своих маленьких размеров. Осуществляется это благодаря липосомам - транспортным молекулам, которые могут переносить лекарственные вещества в более глубокие слои кожи.

Далее, по мере развития биотехнологий появилась возможность использовать еще более мелкие транспортные частицы - наносомы, которые можно было «начинять» различными биологическими веществами. Это стало началом нанокосметики. Однако наносомы являются транспортным средством для доставки исключительно одного какого-либо биологически активного вещества.

Сейчас в косметологии началась эпоха нанокомплексов. Это означает, что появилась возможность в лабораторных условиях создавать вещества с заранее запрограммированными свойствами.

Нанокомплексы содержат измельченные до размера нано биологически активные вещества, каждый из которых доставляется в строго определенном количестве в строго определенные слои кожи в строго определенное время.
Зная, в каких питательных веществах нуждается кожа разных людей в разных состояниях, можно создавать нанокомплексы, содержащие именно те компоненты, в которых нуждается кожа, и которые отвечают за поддержание обмена веществ в клетках кожи на должном уровне.

Например, в формуле Нано Пьюр используется эксклюзивная ионизированная нанокосметика, созданная на основе натуральной плаценты и полярно-кристаллической минеральной пудры турмалина. Такая пудра, размельченная до наночастиц, обладает мощным эффектом ионизации и поляризации. Она кардинально решает возрастные проблемы кожи, восстанавливает механизм саморегуляции, ионы молодости полярно-кристаллической пудры обеспечивают мгновенное проникновение полезных веществ в клетки кожи, ускоряя процесс их обновления. Результат - реальное омоложение на 10-15 лет.

Турмалин считается драгоценным камнем и в Японии называется электрическим, так как при соприкосновении с кожей способен вырабатывать слабый электрический ток, а при нанесении в виде пудры, может давать специфическое инфракрасное излучение, благотворно воздействующее на кожу.

Вывод: люди хотят использовать товары для красоты, и компании их производят. Проблема лишь в том, что никто в точности не знает, будут ли безопасными новые нанопродукты. Производители косметики не информируют покупателей о том, содержатся ли в ней наночастицы или нет. Так что многие люди и не подозревают, что насчет безопасности их здоровья существуют серьезные опасения.

Нанокосметика, обещающая исцеление от морщин и целлюлита, может искусить любого. Но стоит ли рисковать здоровьем, ради гладкой кожи или белых зубов?

В строительстве.

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов - внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов.

Наноматериалы для строительства, автономные источники энергии на мощных солнечных батареях, нанофильтры для очистки воды и воздуха – эти достижения нанотехнологий должны сделать наши дома удобнее, надежнее, безопаснее.

Добавление наночастиц различных материалов в бетон делает его в несколько раз прочнее. Разрабатываются нанопокрытия, защищающие бетонные конструкции от воды. Сталь, важнейший строительный материал, тоже становится гораздо прочнее при добавлении наночастиц ванадия и молибдена. Самоочищающееся стекло с наночастицами двуокиси титана уже выпускается промышленностью. Нанопленочные покрытия для стекла будут оптимально регулировать потоки света и тепла, идущие через окна.

Для защиты зданий от огня нанотехнологии предлагают как новые негорючие материалы (например, изоляцию кабелей, содержащую наночастицы глины), так и «умные» сети сверхчувствительных нанодатчиков возгорания. Обои с покрытием из наночастиц окиси цинка помогут очистить помещение от бактерий.

Глава 3. Новейшие достижения нанотехнологии.

3.1. Компьютеры будущего.

Мозг современного компьютера - центральный процессор, оперативная и постоянная память, вспомогательные и периферийные устройства. Основные логические (в том числе вычислительные) операции совершаются центральным процессором. Делает он это при помощи хитрых комбинаций микроэлектронных схем. Различные логические элементы БИС (больших интегральных схем) построены из одних и тех же простейших логических ячеек - битов. Бит - элементарная микроэлектронная ячейка-триггер, которая может находиться в двух устойчивых состояниях. Одному из них соответствует код «0» (отсутствие информации), другому - код «1» (ее наличие). По мере развития технологий происходили дальнейшая миниатюризация микросхем, их уплотнение, внедрение оптических методов передачи, хранения и обработки информации.

Современные компьютеры постоянно становятся все быстрее, однако, похоже, ученые нашли способ подойти к пределу возможностей использования двоичной системы. Этим способом может стать квантовый разряд или кубит, квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1, которым могут соответствовать направления вверх и вниз спина атомного ядра и электрона. Их применение может совершить настоящую революцию в компьютерной технике: компьютер с памятью в несколько килокубит теоретически может заменить классический компьютер с терабайтом памяти.

Нанокомпьютеры. С переходом на уровень нанотехнологий станет возможным снижение минимально допустимых размеров компьютера до субклеточного уровня. Плотность хранения информации в искусственных системах уже сейчас может превышать плотность информации, кодирующей наследственность человека.

Нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации - на основе квантовой логики, классической логики, нейрологики, а также некоторые другие, которым в настоящее время трудно дать определение, - генетические, молекулярно-биологические, молекулярно-механические и др.

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики. Ограниченные (до 128 кубитов) квантовые компьютеры уже построены; элементы квантовых компьютеров могут применяться для повышения эффективности вычислений уже на существующей приборной базе. Квантовый компьютер использует для вычисления не обычные (классические) алгоритмы, а процессы квантовой природы. Использование квантовых компьютеров, работающих по специальным (квантовым) алгоритмам, позволит быстро решать задачи, с которыми классические алгоритмы не справляются даже за весьма значительное время. К числу таких задач относятся поиск в неупорядоченном массиве, разложение чисел на простые множители (используется в криптографии) и моделирование квантовых систем (сложных молекул).

Нанокомпьютеры на службе людям. Последние разработки в области нанотехнологий способствовали созданию датчиков, которые могут измерять пульс, частоту дыхания, изменение кровяного давления, и даже другие менее уловимые изменения, как, например, повышение или понижение температуры кожи и колебания голоса.

Поскольку человеческая кожа способна осуществлять передачу электрических сигналов, исследователи нанотехнологий смогли разработать компьютер, снабжённый нанодатчиками, которые имеют поразительную способность видеть и слышать людей, использующих их. Неизбежно создание технологии, которая способна определять, хорошее или плохое настроение человека. Создание такой технологии – это лишь вопрос времени.

Датчики, основанные на нанотехнологиях, заметно облегчают работу программистов по совершенствованию компьютерной медицинской диагностики или шахматного компьютерного интеллекта.

Программисты также пытаются использовать достижения нанотехнологий в программах, которые будут способны точно определять и усиливать врождённое желание людей жить. Это поможет стимулировать борьбу за жизнь у тяжелобольных людей, не способных бороться с болезнью самостоятельно.

3.2. Робототехника

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии, по мнению многих ученых, станет освоение нанотехнологий, а в частности систем очень малого размера, способных выполнять команды людей. Таких послушных существ называют нанороботами. Кстати, автором слова «робот» является чешский драматург К. Чапек, который в 1920 г. назвал этим словом придуманное им человекоподобное существо {робот - немного измененное чешское robota, которое переводится как «принудительный труд»): «Роботы - это не люди... они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души».

На сегодняшний день уже существует несколько прототипов нанороботов - устройств размером в десятки нанометров, которые могут самостоятельно манипулировать частицами атомных и молекулярных размеров.

Робототехника - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование.

Типы роботов:

• Боевой робот

  Бытовой робот

  Персональный робот

  Промышленный робот

Так какую помощь могут оказать людям нанороботы и какую угрозу для человечества они представляют.

Например, за счёт внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и «облагораживающих» ткани организма можно будет достигнуть бессмертия человека, неговоря об оживлении и излечении безнадежно больных и людей, которые были заморожены методами крионики.

В промышленности произойдёт замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет.

Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных роботов придут на смену «естественным машинам» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами. Они будутвоспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.

Биологи смогут «внедряться» в живой организм на уровне атомов и станут возможными и «восстановление» вымерших видов, и создание новых типов живых существ, в том числе биороботов.

Космос будет, наконец, освоен: огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции.

В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится долговременная быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

За счёт внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. На всё это, по разным оценкам, понадобится около 100 лет.

«Однако новые открытия могут иметь и негативные последствия», - пишет в своей статье «Угрозы новых технологий» профессор Евгений Абрамян. - Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнётуничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.

Глава 4. Социологический опрос.

Мы слышим о нанотехнологиях с экранов телевизоров и по радио, читаем о них в газетах, журналах и сети Интернет. А что мы знаем о них на самом деле?

Мы решили сросить три поколения людей в нашей школе: это наши учителя – старшее поколение, ученики 10-11 классов – среднее поколение и ученики 8-9 классов – младшее поколение. Количество опрашиваемых были равны, по 10 человек.

Мы составили 7 вопросов. Результаты ответов вы видите на экране.

Наши выводы таковы: все 100% опрашиваемые знакомы с какими-либо нанотехнологиями или слышали о них.

Около 27% всех опрашиваемых не интересуются нанотехнологиями, а 37% - все равно. Но 43% - интересуются и посещают сайты, на которых рассказывается о достижениях современных нанотехнологий. А вот 80% учеников 8-9 классов не привлекают данные сайты.

Но вот, что интересно, именно младшее поколении в 100% считают, что нанотехнологии помогут им в жизни, а старшее поколение – всего лишь 30%. Но ученики 8-9 классов не догадываются, что новые технологии помогут им не только в повседневной жизни, но и в профессии, только 1(10%) человек из 10 твердо заявил, что за нанотехнологиями стоит будущее во всех профессиях. А вот большинство из среднего поколения (60%) уверены, что нанотехнологии «перекроят» все будущие профессии. Из старшего поколения только 20% уверены в этом.

Но самое главное, что 90% всех опрошенных хотели бы получать больше информации о нанотехнологиях.

И поэтому мы создали свой сайт, на котором будем размещать информацию о наших исследованиях в области нанотехнологий, а так как интерес возрастает к нашей теме проекта, то мы будем продолжать изучать и исследовать достижения нанотехнологий по различным направлениям.

Заключение

Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого, уровню существования самовоспроизводящихся структур, а наночастицы, представляющие собой супрамолекулярные структуры, стабилизированные силами межмолекулярного взаимодействия, представляют собой переходную форму от отдельных молекул к сложным функциональным системам. Природа давно придумала и использует в живых системах супрамолекулярные структуры. Мы же далеко не всегда можем понять, а тем более повторить то, что Природа делает легко и непринужденно.

Нанотехнологии перевернут мир, как раньше перевернули его информационные технологии. Сначала человек превратил цифру в информацию, что привело к появлению компьютеров. Теперь мы превратим с помощью нанотехнологий в цифру саму материю. Материальная сфера будет полностью оцифрована, аналоговый мир устареет. Ученые, которые работают в области нанотехнологий, неизбежно уйдут от узкой специализации и станут натурфилософами, как во времена Ньютона, когда науки еще не были разъединены, но существовала их интеграция. Но нельзя ждать от нее милостей, надо у нее учиться.

Библиография

Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

Балабанов В., Балабанов И. Нанотехнологии. Наука будущего. - М.: Эксмо, 2009.

Нанотехнологии: новый этап в развитии человечества /под ред.
В. Г. Тимирясова. - 2-е изд., доп. и перераб. – Казань: Изд-во "Познание" Ин-та экономики, управ. и права, 2010.

Очарование нанотехнологии /У. Хартманн; [пер. с нем.Т. Н. Захаровой; под ред. Л. Н. Патрикеева]. - 2-е изд., испр. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

/ . Наномир.

/wiki/Нанотехнология . Википедия. Свободная энциклопедия.

Приложение №1

Социальный робот

Боевой робот

Бытовой робот

Андроид

Приложение № 2

Нанотехнологии в медицине

Нанотехнологии в строительстве

Приложение №3

Социальный опрос

Знаете ли Вы что-нибудь о «нанотехнологиях»?

Какое у Вас отношение к «нанотехнологиям»?

Не интересуюсь

Мне нравится изучать что-то новое

Все равно

Посещаете ли сайты, посвященные нанотехнологиям?

Знаете ли Вы о существовании Российской Национальной Нанотехнологической Сети?

Как Вы считаете, помогут ли Вам нанотехнологии в жизни?

Хотели ли бы Вы получать большую информацию о нанотехнологиях?

Проблемные вопросы. 1. Кто вёл термин Нанотехнологиях? Кто вёл термин Нанотехнологиях? Кто вёл термин Нанотехнологиях? 2. Каков размер нано робота? Каков размер нано робота? Каков размер нано робота? 3. Какой вред принесёт нанотехнологии людям? Какой вред принесёт нанотехнологии людям? Какой вред принесёт нанотехнологии людям? 4. Смогут ли нанотехнологии излечать самые сложные болезни? Смогут ли нанотехнологии излечать самые сложные болезни? Смогут ли нанотехнологии излечать самые сложные болезни? 5. Что будет в будущем? Что будет в будущем? Что будет в будущем?

Термин "нано-технологии" в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Термин "нано-технологии" в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Приставка нано обозначает Приставка нано обозначает =0, одна миллиардная =0, одна миллиардная Первое представление нанотехнологий

Вред нанотехнологий 15 января SA объявила, что искусственно созданные наночастицы могут представлять опасность для здоровья человека, поэтому содержащие их продукты впредь не смогут получать сертификат SA. Это относится в первую очередь к санитарно- гигиеническим и косметическим средствам (солнцезащитной косметике, кремам от морщин), но касается также пищевых продуктов и одежды. 15 января SA объявила, что искусственно созданные наночастицы могут представлять опасность для здоровья человека, поэтому содержащие их продукты впредь не смогут получать сертификат SA. Это относится в первую очередь к санитарно- гигиеническим и косметическим средствам (солнцезащитной косметике, кремам от морщин), но касается также пищевых продуктов и одежды. "Запрещенными" являются материалы, если они содержат частицы размером менее 125 нанометров (нанометр, напомним, - одна миллиардная метра), а также если средний размер их частиц составляет менее 200 нанометров. "Запрещенными" являются материалы, если они содержат частицы размером менее 125 нанометров (нанометр, напомним, - одна миллиардная метра), а также если средний размер их частиц составляет менее 200 нанометров.

Нановзрывчатка Совместная команда ученых из Миссурийского университета (Колумбия) и армии США разработали особую нановзрывчатку, способную порождать сверхзвуковую ударную волну, которая поможет доставлять лекарственные вещества прямо в раковые клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма. Совместная команда ученых из Миссурийского университета (Колумбия) и армии США разработали особую нановзрывчатку, способную порождать сверхзвуковую ударную волну, которая поможет доставлять лекарственные вещества прямо в раковые клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма. Такая взрывчатка помещается в специальный прибор, который можно будет использовать для облегчения доставки лекарственного препарата прямо в раковые клетки или клетки вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Такая взрывчатка помещается в специальный прибор, который можно будет использовать для облегчения доставки лекарственного препарата прямо в раковые клетки или клетки вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).

Нанотехнологии - это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда необыкновенные свойства. Считается, что нанотехнология является ключевой технологией 21- го века и охватывает процессы, происходящие с частицами в десятки тысяч раз меньше миллиметра. Эти частицы называют нанометрами. Для сравнения: сантиметр - сотая доля метра, миллиметр - тысячная. А нано обозначает миллиардную долю. То есть, нанометр - миллиардная часть метра. В нанометрах измеряются молекулы и вирусы. Рождение новой эпохи нанотехнологий многие связывают с 1981 годом - когда немецкие физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали зондовый туннельный микроскоп, позволяющий не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы. Нанотехнологии - это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда необыкновенные свойства. Считается, что нанотехнология является ключевой технологией 21- го века и охватывает процессы, происходящие с частицами в десятки тысяч раз меньше миллиметра. Эти частицы называют нанометрами. Для сравнения: сантиметр - сотая доля метра, миллиметр - тысячная. А нано обозначает миллиардную долю. То есть, нанометр - миллиардная часть метра. В нанометрах измеряются молекулы и вирусы. Рождение новой эпохи нанотехнологий многие связывают с 1981 годом - когда немецкие физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали зондовый туннельный микроскоп, позволяющий не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы.

Отличительная особенность нанотехнологий Историческая справка Нанороботы Сфера применения нанороботов(в настоящее время) Фундаментальные положения Атомно-силовая микроскопия Наночастицы Самоорганизация наночастиц Перспективные науки Индустрия нанотехнологий Нанотехнологии в медицине Патенты в области нанотехнологий и объемы инвестиций Научный фонд США и его инвестиции в нанотехнологии

В чем же отличие нанотехнологий от остальных? Нанотехнологии- это 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Часто употребляемое определение нанотехнологий как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

Историческая справка Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, 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 и Ван-дер-Ваальсовы силы 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 любое 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. Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Нанороботы Наноро́боты, или нанобо́ты роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. На данный момент (2009) реальных нанороботов создать не удалось. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Идея нанороботов широко используется в современной фантастике. Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью можно считать нанороботами. Нанороботы находятся в основном в научно-исследовательской стадии создания, однако, уже были созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах. Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации. Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

Сфера применения Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки Биомедицинский инструментарий Хирургия Фармакокинетика Мониторинг больных диабетом Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана, способные нести на околоземной орбите пушку Гаусса)

Атомно-силовая микроскопия Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно- силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Наночастицы Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами ». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок итд, двумерные объекты плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д, одномерные объекты вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике.

Самоорганизация наночастиц Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: -- --А и ----Б, где ---- условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Науки, появившиеся благодаря нанотехнологиям Наномедицина (слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры) Наноэлектроника (область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.) Наноинжене́рия (научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.) Наноионика (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с быстрым ионным транспортом в твердотельных наносистемах.) Наноробототехника (прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем(роботов) в области нанотехнологий.) Нанохимия (наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации)

Нанотехнологии в России Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) учреждена федеральным законом 139-ФЗ 19 июля 2007 года для «реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии». Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов. Корпорация участвует в создании объектов нанотехнологической инфраструктуры, например, центров коллективного пользования, бизнес-инкубаторов и фондов раннего инвестирования. РОСНАНО выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития, к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты. На деятельность Корпорации Правительством Российской Федерации выделено 130 млрд. рублей, которые были внесены в уставный капитал РОСНАНО в ноябре 2007 года. В июне 2008 года временно-свободные средства были размещены на счетах в 8 коммерческих банках в соответствии с рекомендациями Министерства финансов РФ. Органами управления являются наблюдательный совет, правление и генеральный директор. В сентябре 2008 года генеральным директором Российской корпорации нанотехнологий назначен Анатолий Борисович Чубайс.