Фундаментальні засади нанотехнологій. Теоретичні основи нанотехнологій

Нанотехнологія – галузь фундаментальної та прикладної науки і техніки, що має справу з сукупністю теоретичного обґрунтування, практичних методів дослідження, аналізу та синтезу, а також методів виробництва та застосування продуктів із заданою атомною структурою шляхом контрольованого маніпулювання окремими атомами та молекулами.

Історія

Багато джерел, в першу чергу англомовні, першу згадку методів, які згодом будуть названі нанотехнологією, пов'язують з відомим виступом Річарда Фейнмана «Внизу повним-повнісінько місця» (англ. «There's Plenty of Room at the Bottom»), зробленим ним у 1959 році у Каліфорнійському технологічному інституті на щорічній зустрічі Американського фізичного товариства. Річард Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати одиночні атоми за допомогою маніпулятора відповідного розміру, принаймні такий процес не суперечив би відомим на сьогодні фізичним законам.

Цей маніпулятор він запропонував робити у такий спосіб. Необхідно побудувати механізм, який би створював свою копію, тільки на порядок меншу. Створений менший механізм повинен знову створити свою копію, знову на порядок меншу і так до тих пір, поки розміри механізму не будуть порівняти з розмірами одного атома. При цьому необхідно буде робити зміни в пристрої цього механізму, оскільки сили гравітації, що діють в макросвіті, будуть все менше впливати, а сили міжмолекулярних взаємодій і Ван-дер-Ваальсові сили все більше впливатимуть на роботу механізму.

Останній етап – отриманий механізм збере свою копію окремих атомів. Принципово кількість таких копій необмежена, можна буде за короткий час створити довільне числотаких машин. Ці машини зможуть таким же способом, з атомною збіркою, збирати макроречі. Це дозволить зробити речі на порядок дешевшими – таким роботам (нанороботам) потрібно буде дати тільки необхідна кількістьмолекул та енергію, і написати програму для збирання необхідних предметів. Досі ніхто не зміг спростувати цю можливість, але й нікому поки що не вдалося створити такі механізми. В ході теоретичного дослідженняданої можливості з'явилися гіпотетичні сценарії кінця світу, які припускають, що нанороботи поглинуть усю біомасу Землі, виконуючи свою програму саморозмноження (так звана "сіра слиз" або "сіра жижа").

Перші припущення можливості дослідження об'єктів на атомному рівні можна зустріти у книзі «Opticks» Ісаака Ньютона, що вийшла 1704 року. У книзі Ньютон висловлює сподівання, що мікроскопи майбутнього колись зможуть дослідити «таємниці корпускул».

Вперше термін «нанотехнологія» вжив Норіо Танігуті у 1974 році. Він назвав цим терміном виробництво виробів розміром кілька нанометрів. У 1980-х роках цей термін використав Ерік К. Дрекслер у своїх книгах: «Машини створення: Прийдешня ера нанотехнології» («Engines of Creation: Coming Era of Nanotechnology») та «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».

На що здатні нанотехнології?

Ось тільки деякі галузі, в яких нанотехнології обіцяють прорив:

Медицина

Наносенсори забезпечать прогрес у ранній діагностиці захворювань. Це збільшить шанси на одужання. Ми зможемо перемогти рак та інші хвороби. Старі ліки від раку знищували не лише хворі клітини, а й здорові. За допомогою нанотехнологій ліки доставлятимуть безпосередньо у хвору клітину.

ДНК-нанотехнології– використовують специфічні основи молекул ДНК та нуклеїнових кислот для створення на їх основі чітко заданих структур. Промисловий синтез молекул ліків та фармакологічних препаратів чітко певної форми(Біс-пептиди).

На початку 2000-го року, завдяки швидкого прогресуу технології виготовлення частинок нанорозмірів, був дано поштовх до розвитку нової галузі нанотехнології. наноплазмоніці. Виявилося можливим передавати електромагнітне випромінювання вздовж ланцюжка металевих наночастинок за допомогою збудження плазмових коливань.

Будівництво

Нанодатчики будівельних конструкцій стежитимуть за їхньою міцністю, виявлятимуть будь-які загрози цілісності. Об'єкти, побудовані з використанням нанотехнологій, зможуть прослужити вп'ятеро довше, ніж сучасні споруди. Будинки підлаштовуватимуться під потреби мешканців, забезпечуючи їм прохолоду влітку та зберігаючи тепло взимку.

Енергетика

Ми менше залежатимемо від нафти та газу. У сучасних сонячних батарей ККД близько 20%. Із застосуванням нанотехнологій він може зрости у 2-3 рази. Тонкі наноплівки на даху та стінах зможуть забезпечити енергією весь будинок (якщо, звичайно, сонця буде достатньо).

Машинобудування

Всю громіздку техніку замінять роботи - легко керовані пристрої. Вони зможуть створювати будь-які механізми лише на рівні атомів і молекул. Для виробництва машин використовуватимуться нові наноматеріали, які здатні знижувати тертя, захищати деталі від пошкоджень, економити енергію. Це далеко не всі сфери, в яких можуть застосовуватися і нанотехнології. Вчені вважають, що поява нанотехнологій – початок нової Науково-технічної революції, яка сильно змінить світ уже у ХХІ столітті. Варто, щоправда, помітити, що у реальну практику нанотехнології входять дуже швидко. Не так багато пристроїв (переважно електроніка) працює «з нано». Частково це пояснюється високою ціною нанотехнологій та не надто високою віддачею від нанотехнологічної продукції.

Ймовірно, вже в недалекому майбутньому за допомогою нанотехнологій будуть створені високотехнологічні, мобільні, легко керовані пристрої, які успішно замінять нехай автоматизовану, але складну в управлінні і громіздку техніку сьогоднішнього дня. Так, наприклад, згодом біороботи, керовані за допомогою комп'ютера, зможуть виконувати функції громіздких насосних станцій.

• ДНК-комп'ютер- Обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливості молекул ДНК. Біомолекулярні обчислення - це збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних з ДНК або РНК. При ДНК-обчислення дані подаються над формі нулів і одиниць, а вигляді молекулярної структурипобудовані на основі спіралі ДНК. Роль програмного забезпечення для читання, копіювання та управління даними виконують спеціальні ферменти.
• Атомно-силовий мікроскоп– скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності, заснований на взаємодії голки кантилевера (зонда) з поверхнею досліджуваного зразка. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) може досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні навіть через шар рідини, що дозволяє працювати з органічними молекулами (ДНК). Просторова роздільна здатність атомно-силового мікроскопа залежить від розміру кантилевера і кривизни його вістря. Роздільна здатність досягає атомарного по горизонталі і істотно перевищує його по вертикалі.
• Антена-осцилятор– 9 лютого 2005 року в лабораторії університету Бостона була отримана антена-осцилятор розмірами близько 1 мкм. Цей пристрій налічує 5000 мільйонів атомів і здатний осцилювати із частотою 1,49 гігагерц, що дозволяє передавати за її допомогою величезні обсяги інформації.

10 нанотехнологій із дивовижним потенціалом

Спробуйте згадати якийсь канонічне винахід. Ймовірно, хтось зараз уявив собі колесо, хтось літак, а хтось і айпод. А чи багато хто з вас подумав про винахід зовсім нового покоління – нанотехнології? Цей світ маловивчений, але має неймовірний потенціал, здатний подарувати нам справді фантастичні речі. Дивна річ: напрямок нанотехнологій не існував до 1975 року, навіть незважаючи на те, що вчені почали працювати в цій сфері набагато раніше.

Неозброєне око людини здатне розпізнати об'єкти розміром до 0,1 міліметра. Ми ж сьогодні поговоримо про десять винаходів, які у 100 000 разів менші.

Електропровідний рідкий метал

За рахунок електрики можна змусити простий сплав рідкого металу, що складається з галію, іридію та олова, утворювати складні фігуриабо ж намотувати кола всередині чашки Петрі. Можна з деякою часткою ймовірності сказати, що це матеріал, з якого був створений знаменитий кіборг серії T-1000, якого ми могли бачити Термінаторі 2.

«М'який сплав поводиться як розумна форма, здатна за необхідності самостійно деформуватися з урахуванням навколишнього простору, що змінюється, яким він рухається. Просто як міг робити кіборг із популярної науково-фантастичної кінострічки», – ділиться Джин Лі з університету Цінхуа, один із дослідників, які займалися цим проектом.

Цей метал біоміметичний, тобто імітує біохімічні реакції, хоча сам не є біологічною речовиною.

Керувати цим металом можна за рахунок електричних розрядів. Однак він і сам здатний самостійно пересуватися, за рахунок дисбалансу навантаження, що з'являється, яке створюється різницею в тиску між фронтальною і тильною частиною кожної краплі цього металевого сплаву. І хоча вчені вважають, що цей процес може бути ключем до конвертації хімічної енергії в механічну, молекулярний матеріал у найближчому майбутньому не збирається використовувати для будівництва злих кіборгів. Весь процес магії може відбуватися тільки в розчині гідроксиду натрію або соляному розчині.

Нанопластирі

Дослідники з Йоркського університету працюють над створенням спеціальних пластирів, які призначатимуться для доставки всіх необхідних ліків усередину організму без використання голок і шприців. Пластир цілком цілком звичайного розміру приклеюються до руки, доставляють певну дозу наночастинок лікарського засобу (досить маленькі, щоб проникнути через волосяні фолікули) всередину вашого організму. Наночастинки (кожна розміром менше 20 нанометрів) самі знайдуть шкідливі клітини, вб'ють їх і виведуть з організму разом з іншими клітинами внаслідок природних процесів.

Вчені відзначають, що в майбутньому такі нанопластирі можна буде використовувати при боротьбі з одним із найстрашніших захворювань на Землі – раком. На відміну від хіміотерапії, яка в таких випадках найчастіше є невід'ємною частиною лікування, нанопластирі зможуть в індивідуальному порядку знаходити та знищувати ракові клітини та залишати при цьому здорові клітини незайманими. Проект нанопластиря отримав назву "NanJect". Його розробкою займаються Атіф Сайєд та Закарія Хуссейн, які у 2013 році, ще будучи студентами, отримали необхідне спонсорування в рамках краудсорсингової компанії із залучення коштів.

Нанофільтр для води

При використанні цієї плівки у поєднанні з тонкою сіткою з нержавіючої сталі нафта відштовхується, і вода в цьому місці стає чистою.

Що цікаво, створення наноплівки вчених надихнула сама природа. Листя лотоса, також відомого як водяна лілія, мають властивості, протилежні властивостям наноплівки: замість нафти вони відштовхують воду. Вчені вже не вперше підглядають у цих дивовижних рослин їх не менш дивовижні властивості. Результатом цього, наприклад, стало створення супергідрофобних матеріалів у 2003 році. Що ж до наноплівки, дослідники намагаються створити матеріал, що імітує поверхню водяних лілій, і збагатити його молекулами спеціального засобу для чищення. Саме покриття невидиме для людського ока. Виробництво буде недорогим: приблизно 1 долар за квадратний фут.

Очисник повітря для підводних човнів

Навряд чи хтось замислювався над тим, яким повітрям доводиться дихати екіпажам підводних човнів, окрім самих членів екіпажу. А тим часом очищення повітря від двоокису вуглецю повинно проводитися негайно, оскільки за одне плавання через легкі команди підводного човна одному й тому самому повітрі доводиться проходити сотні разів. Для очищення повітря від вуглекислого газу використовують аміни, що мають дуже неприємний запах. Для вирішення цього питання була створена технологія очищення, що отримала назву SAMMS (абревіатура від Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Вона пропонує використання спеціальних наночастинок, поміщених усередину керамічних гранул. Речовина має пористу структуру, завдяки якій вона поглинає надлишок вуглекислого газу. Різні типи очищення SAMMS взаємодіють з різними молекулами у повітрі, воді та землі, проте всі з цих варіантів очищення є неймовірно ефективними. Усього однієї столової ложки таких пористих керамічних гранул вистачить для очищення площі, що дорівнює одному футбольному полю.

Нанопровідники

Дослідники Північно-Західного університету (США) з'ясували, як створити електричний провідник на нанорівні. Цей провідник є твердою і міцною наночастинкою, яка може бути налаштована на передачу електричного струму в різних протилежних напрямках. Дослідження показує, що кожна така наночастка здатна емулювати роботу випрямляча струму, перемикачів і діодів. Кожна частка товщиною 5 нанометрів покрита позитивно зарядженою хімічною речовиною та оточена негативно зарядженими атомами. Подання електричного розрядуреконфігурує негативно заряджені атоми навколо наночастинок.

Потенціал у технології, як повідомляють вчені, небувалий. На її основі можна створювати матеріали, «спроможні самостійно змінюватись під певні комп'ютерні обчислювальні завдання». Використання цього наноматеріалу дозволить фактично перепрограмувати електроніку майбутнього. Апаратні оновлення стануть такими ж легкими, як програмні.

Нанотехнологічний зарядний пристрій

Коли цю штуку створять, то вам більше не потрібно використовувати ніякі зарядні пристрої. Нова нанотехнологія працює як губка, тільки вбирає не рідину. Вона висмоктує з навколишнього середовища кінетичну енергію та спрямовує її прямо у ваш смартфон. Основа технології полягає у використанні п'єзоелектричного матеріалу, який генерує електрику, перебуваючи у стані механічної напруги. Матеріал наділений наноскопічними порами, які перетворюють його на гнучку губку.

Офіційна назва цього пристрою - "наногенератор". Такі наногенератори можуть якось стати частиною кожного смартфона на планеті або ж частиною панелі приладів кожного автомобіля, а можливо, і частиною кожної кишені одягу – гаджети заряджатимуться прямо в ньому. Крім того, технологія має потенціал використання на більш масштабному рівні, наприклад, у промисловому устаткуванні. Принаймні так вважають дослідники з університету Вісконсіна в Мадісоні, які створили цю дивовижну наногубку.

Штучна сітківка

Ізраїльська компанія Nano Retina розробляє інтерфейс, який безпосередньо підключиться до нейронів ока і передаватиме результат нейронного моделювання в мозок, замінюючи сітківку і повертаючи людям зір.

Експеримент на сліпій курці показав надію на успішність проекту. Наноплівка дозволила курці побачити світло. Правда, до кінцевої стадії розробки штучної сітківки для повернення людям зору поки що далеко, але наявність прогресу в цьому напрямі не може не тішити. Nano Retina – не єдина компанія, яка займається подібними розробками, проте саме їхня технологія на даний момент бачиться найбільш перспективною, ефективною та адаптивною. Останній пункт найбільш важливий, тому що ми говоримо про продукт, який інтегруватиметься в чиїсь очі. Схожі розробки показали, що тверді матеріалинепридатні для використання в подібних цілях.

Так як технологія розробляється на нанотехнологічному рівні, вона дозволяє виключити використання металу і проводів, а також уникнути низького дозволу картинки, що моделюється.

Одяг, що світиться

Шанхайські вчені розробили світловідбивні нитки, які можна використовувати під час виробництва одягу. Основою кожної нитки є дуже тонкий дріт із нержавіючої сталі, яку покривають спеціальними наночастинками, шаром електролюмінесцентного полімеру, а також захисною оболонкою із прозорих нанотрубок. В результаті виходять дуже легкі та гнучкі нитки, здатні світитися під впливом власної електрохімічної енергії. При цьому вони працюють на набагато меншій потужності, порівняно зі звичайними світлодіодами.

Недолік технології полягає в тому, що «запасу світла» у ниток вистачає поки лише на кілька годин. Однак розробники матеріалу оптимістично вважають, що зможуть збільшити «ресурс» свого продукту як мінімум у тисячу разів. Навіть якщо у них все вийде, вирішення іншої вади поки що залишається під питанням. Прати одяг на основі таких наноніток, швидше за все, не можна буде.

Наноголки для відновлення внутрішніх органів

Нанопластирі, про які ми говорили вище, розроблені спеціально для заміни голок. А що, якби самі голки були б розміром лише кілька нанометрів? У такому разі вони могли б змінити наше уявлення про хірургію, або, принаймні, суттєво її покращити.

Нещодавно вчені провели успішні лабораторні випробування на мишах. За допомогою крихітних голок дослідники змогли ввести в організми гризунів нуклеїнові кислоти, що сприяють регенерації органів та нервових клітин і тим самим відновлюють втрачену працездатність. Коли голки виконують свою функцію, вони залишаються в організмі і через кілька днів повністю розкладаються. При цьому жодних побічних ефектів під час операцій з відновлення кровоносних судин м'язів спини гризунів з використанням цих спеціальних наногол вчені не виявили.

Якщо брати до уваги людські випадки, то такі наноголки можуть використовуватися для доставки необхідних засобів до організму людини, наприклад, при трансплантації органів. Спеціальні речовини підготують навколишні тканини навколо органу, що трансплантується, до швидкого відновлення і виключать можливість відторгнення.

Тривимірний хімічний друк

Хімік Іллінойського університету Мартін Берк – справжній Віллі Вонка зі світу хімії. Використовуючи колекцію молекул «будівельного матеріалу» найрізноманітнішого призначення, може створювати безліч різних хімічних речовин, наділених всілякими «дивовижними і навіть природними властивостями». Наприклад, однією з таких речовин є ратанін, який можна знайти тільки в дуже рідкій перуанській квітці.

Потенціал синтезування речовин настільки величезний, що дозволить виробляти молекули, що використовуються в медицині, при створенні LED-діодів, осередків сонячних батарей і тих хімічних елементів, на синтез яких навіть у найкращих хіміків планети йшли роки.

Можливості цього прототипу тривимірного хімічного принтера поки обмежені. Він здатний створювати лише нові лікарські засоби. Проте Берк сподівається, що якось він зможе створити споживчу версію свого дивовижного пристрою, яка матиме куди більші можливості. Цілком можливо, що в майбутньому такі принтери виступатимуть у ролі своєрідних домашніх фармацевтів.

Чи є нанотехнологія загрозою здоров'ю людини або навколишньому середовищу?

Інформації про негативний вплив наночастинок не так уже й багато. У 2003 р. в одному з досліджень було показано, що вуглецеві нанотрубки можуть пошкоджувати легені у мишей та щурів. Дослідження 2004 р. показало, що фулерени можуть накопичуватися та викликати пошкодження мозку у риб. Але в обох дослідженнях було використано великі порції речовини за незвичайних умов. За словами одного з експертів, хіміка Крістена Куліновські (США), «було б доцільно обмежити вплив цих наночастинок, незважаючи на те, що наразі інформація про їхню загрозу людському здоров'ю відсутня».

Деякі коментатори висловлюються також щодо того, що широке використаннянанотехнологій може призвести до ризиків соціального та етичного плану. Так, наприклад, якщо використання нанотехнологій ініціює нову промислову революцію, це призведе до втрати робочих місць. Більше того, нанотехнології можуть змінити уявлення про людину, оскільки їх використання допоможе продовжувати життя та суттєво підвищувати стійкість організму. «Ніхто не може заперечувати, що широке розповсюдженнямобільних телефонів та інтернету призвело до величезних змін у суспільстві», – каже Крістен Куліновський. – Хто візьме на себе сміливість сказати, що нанотехнології не вплинуть на суспільство найближчими роками?»

Місце Росії серед країн, що розробляють та виробляють нанотехнології.

Світовими лідерами із загального обсягу капіталовкладень у сфері нанотехнологій є країни ЄС, Японія та США. У Останнім часомзначно збільшили інвестиції у цю галузь Росія, Китай, Бразилія та Індія. У Росії її обсяг фінансування рамках програми «Розвиток інфраструктури наноіндустрії Російської Федерації на 2008 – 2010 роки» становитиме 27,7 млрд.руб.

В останньому (2008 рік) звіті лондонської дослідницької фірми Cientifica, який називається «Звіт про перспективи нанотехнологій», про російські вкладення написано дослівно таке: «Хоча ЄС за рівнем вкладень все ще посідає перше місце, Китай та Росія вже випередили США».

У нанотехнологіях існують такі галузі, де російські вчені стали першими у світі, отримавши результати, що започаткували розвиток нових наукових течій.

Серед них можна виділити отримання ультрадисперсних наноматеріалів, проектування одноелектронних приладів, а також роботи в галузі атомно-силової та скануючої зондової мікроскопії. Тільки на спеціальній виставці, що проводилася в рамках XII Петербурзького економічного форуму (2008), було представлено відразу 80 конкретних розробок. У Росії вже виробляється цілий ряднанопродуктів, потрібних на ринку: наномембрани, нанопорошки, нанотрубки. Однак, на думку експертів, з комерціалізації нанотехнологічних розробок Росія відстає від США та інших розвинених країн на десять років.

Нанотехнології в мистецтві

Низка творів американської художниці Наташі Віта-Мор стосується нанотехнологічної тематики.

У сучасному мистецтві виник новий напрямок «наноарт» (наномистецтва) – вид мистецтва, пов'язаний із створенням художником скульптур (композицій) мікро- та нано-розмірів (10 −6 та 10 −9 м, відповідно) під дією хімічних чи фізичних процесів обробки матеріалів , фотографуванням отриманих нано-образів за допомогою електронного мікроскопа та обробкою чорно-білих фотографій у графічному редакторі

У широко відомому творі російського письменника М. Лєскова «Лівша» (1881 рік) є цікавий фрагмент: «Якби, – каже, – був кращим дрібноскоп, який у п'ять мільйонів збільшує, то ви б зволили, – каже, – побачити, що на кожній підковинці майстрове ім'я виставлене: який російський майстер ту підковку робив». Збільшення у 5 000 000 разів забезпечують сучасні електронні та атомно-силові мікроскопи, які вважаються основними інструментами нанотехнологій. Таким чином, літературного герояЛівшу можна вважати першим в історії «нанотехнологом».

Викладені Фейнманом у лекції 1959 р. «Там унизу багато місця» ідеї про способи створення та застосування наноманіпуляторів збігаються практично текстуально з фантастичною розповіддювідомого радянського письменника Бориса Житкова "Мікроруки", опублікованим у 1931 році. Деякі негативні наслідки неконтрольованого розвитку нанотехнологій описані у творах М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Огляд на місці» та «Світ на Землі»), С. Лук'яненка («Нема чого ділити»).

Головний герой роману «Транслюдина» Ю. Нікітіна – керівник нанотехнологічної корпорації та перша людина, яка випробувала на собі дію медичних нанороботів.

У науково-фантастичних серіалах «Зоряна брама: SG-1» і «Зоряна брама: Атлантида» одними з найтехнічніших роз рас є дві раси «реплікаторів», що виникли в результаті невдалих дослідів з використанням та описом. різних варіантівзастосування нанотехнологій. У фільмі «День, коли Земля зупинилася» з Кіану Рівзом у головній ролі, інопланетна цивілізація виносить людству смертний вирок і мало не знищує все на планеті за допомогою нанореплікантів-жуків, що самовідтворюються, пожирають все на своєму шляху.

4 Нанооб'єктами прийнято називати об'єкти, що складаються з атомів, іонів або молекул і мають розмір менше 100 нм хоча б по одному з напрямків. 1) об'ємні тривимірні (3D) структури – наночастки, нанокластери; 2) плоскі двовимірні (2D) об'єкти – наноплівки; 3) лінійні одновимірні (1D) структури – наноніти; 4) нульмерні (0D) об'єкти – наноточки, квантові точки. Наноматеріали – макроскопічні матеріали, побудовані на основі нанооб'єктів

5

6 Характерні розміри в нанометрах Молекули ДНК 10 нм Віруси 100 нм Бактерії нм Амеби нм Пилок рослин нм Нематоди нм Комахи нм Дрібні ссавці нм Великі ссавці нм Прості молекули 1 нм НАНООБ'ЄКТИ

8

9 Нанотехнології – сукупність технологічних методів та прийомів, що використовуються при вивченні, проектуванні та виробництві матеріалів, пристроїв та систем, що включають цілеспрямований контроль та управління будовою, хімічним складом та взаємодією складових їх окремих наномасштабних елементів (з розмірами близько 100 нм і менше як мінімум по одному з вимірювань), які призводять до поліпшення або появи додаткових експлуатаційних та/або споживчих характеристик і властивостей одержуваних продуктів. Узгоджено з ДК «Роснанотех» м. Визначення нанотехнологій (сучасна Російська версія) Журнал Російські Нанотехнології, 2010, т.5, 7-8, с.8-16.

10

12 Ще у 500 р. художники робили скляні вітражі дуже яскравих кольорів, які неможливо отримати за допомогою фарб. Яскравість та довговічність забезпечували, додаючи у скло наночастинки шляхетних металів. Приклади з тисячолітньої історіїнанотехнологій

З листа Бенжаміна Франкліна (7 листопада 1773 р.) ... beat at Clapham, де є … на велику Pond ... І зроблено на Cruet of Oil, і dropt a little of it on the Water. I saw it spread itself with surprising Swiftness upon the Surface... the Oil tho" not more than a Tea Spoonful... which spread amazingly, and extended itself gradually … making all that Quarter of the Pond, perhaps half an Acre, as smooth as a Looking Glass.... Приклади з тисячолітньої історії нанотехнологій 31

Яка була товщина плівки олії? Об'єм = (Площа)х(Товщина) Чисельна оцінка показує, що товщина 1 нм – одиночний шар молекул нм 32 ....не більше чайної ложки масла .... ....приблизно, половину акра (0,2 гектара) ...

18 Наночастинки не осідають із рідкого середовища. Всі кольори веселки можна отримати при розсіянні світла нанколоїдами з різними розмірами частинок. Ці ефекти виявив Майкл Фарадей (Michael Faraday) у 1857 році. Приклади з тисячолітньої історії нанотехнологій НАНОКОЛЛОЇДИ

© H. Schroeder Loughborough University 1998Lecture 1.21 «Типовий геній» Ексцентричний Річард Фейнман (Richard Feynman)

22 Дитинство / Навчання У 15 років освоїв диференціальне та інтегральне обчислення –У середній школі мав індекс IQ 123 У випускному класі став переможцем «Чемпіонату з математики» Університету Нью ЙоркаПоступив до Массачусетського Інституту Технологій (MIT), прослухав усі курси з фізики При вступі до Прінстонського Університету вперше в історії отримав на іспитах вищі оцінки і з фізики, і з математики – Захистив дисертацію (PhD) в 1942 році

23 Проект «Манхеттен» Після атомного бомбардування, надовго впав у депресію –Вважав, що безглуздо працювати на майбутнє, оскільки світ зрештою буде зруйнований Працював у Лос Аламосі Керував групою «людей-комп'ютерів» У вільний час займався зламуванням замків, грав на барабанах

24 Викладання Незважаючи на інші численні пропозиції. Фейнман обрав посаду професора в Каліфорнійському технологічному інституті (Caltech) - отримав прізвисько The Great Explainer (Великий Пояснювач) - Намагався зробити виклад будь-якої наукової теми доступним для першокурсників Нагороджений медаллю Ерстеда за видатні успіхи у викладанні

25 Лекції Фейнмана, записані спочатку на магнітофон, а потім «перекладені» на «письменну англійську» професорами М.Сендсом і Р.Лейтоном, не схожі на жодний відомий курс. Вони відрізняються оригінальним методом викладу, у якому відбилася яскрава наукова індивідуальність автора, його погляд на шляху навчання студентів фізики, його вміння заразити читачів інтересом до науки.

26 Створення квантової електродинаміки За розробку цієї теорії у 1965 році нагороджений Нобелівською премією з фізики (спільно з двома іншими вченими) «Діаграми Фейнмана» використовують для розрахунку взаємодій елементарних частинокМають велике значення для сучасної теорії "струн"

27 «Дідусь нанотехнологій» Лекція Theres Plenty of Room at the Bottom: Запрошення в новий Світфізики) Прочитана перед Американським Фізичним Товариством у 1959 році Опублікована в журналі Engineering and Science, у 1960 році

28 … Мені хочеться обговорити одну маловивчену область фізики, яка є дуже важливою і перспективною і може знайти безліч цінних технічних застосувань. Йдеться проблему контролю та управління будовою речовини в інтервалі дуже малих розмірів. Внизу (тобто «внизу чи всередині простору», якщо завгодно) розташовується напрочуд складний світ малих форм, і колись (наприклад, у 2000 р.) люди будуть дивуватися з того, що до 1960 р. ніхто не ставився серйозно до дослідженням цього світу... Відомі нам принципи фізики не забороняють створювати об'єкти атом за атомом. Маніпуляція атомами, у принципі, цілком реальна і порушує жодних законів природи. Практичні ж труднощі її реалізації зумовлені лише тим, що ми є занадто великими і громіздкими об'єктами, унаслідок чого нам складно здійснювати такі маніпуляції.

29 «Дідусь нанотехнологій» У грудні 1959 р. Р. Фейнман зі своїх власних коштів заснував дві премії по $1000 за практичне здійснення двох завдань «управління будовою речовини в інтервалі дуже малих розмірів», які здавалися йому здійсненними лише у віддаленому майбутньому: 1) працюючий електромотор, що розміщується в кубі зі стороною 1/64 дюйма (0.4 mm) 2) «Розмістити Британську енциклопедіюна шпильковій головці», тобто записати текст шрифтом, зменшеним у раз.

30 «Дідусь нанотехнологій» Уже менш ніж через рік першу премію Фейнмана отримав фізик МакЛеллан (McLellan) з Університету Каліфорнії. Працюючи під час обідніх перерв, і використовуючи звичайний мікроскоп, інструменти годинника і зубочистки, за 2,5 місяці він зібрав електромотор з 13 частин, масою 250 мікрограм і зі швидкістю обертання 2000 об/хв. Крило комара

31 «Дідусь нанотехнологій» Я трохи засмучений, що для створення мотора не знадобилося жодних нових технологій. Я був упевнений, що вигадав його досить малим, щоб просто зібрати його, проте вам це вдалося. Вітаю! Не починайте працювати над дрібним шрифтом. Мені не хотілося б попрощатися з другою премією. З часу написання моєї статті, я встиг одружитися і купив будинок! Щиро Ваш Річард Фейнман

32 «Дідусь нанотехнологій» У 1985 році другу премію отримав Томас Ньюман (Thomas Newman) з Університету Стенфорда за зменшення розмірів друкованого шрифту, що вимагалося. Перша сторінка роману Ч. Діккенса "Повість про два міста" (A Tale of Two Cities) (запис електронним пучком)

33 «І нарешті, ризикну запропонувати ще одну ідею (розраховану, можливо, лише на дуже далеке майбутнє), яка мені видається надзвичайно цікавою. Йдеться про можливість розташовувати атоми в потрібному порядку саме атоми, найдрібніші будівельні деталі нашого світу!» - Фейнман, 1959 D.M. Eigler, Е.К. Schweizer. Позиціонування єдиних атомів з скануванням tunneling microscope. Nature 344, (1990). «Дідусь нанотехнологій» 5 нм Атоми Xe

35 Норіо Танігучі (Norio Taniguchi) Запровадив термін у статті 1974 року: "On the Basic Concept of Nanotechnology" («Про основні засади нанотехнологій») Свій термін Танігучі відносив насамперед до допусків обробки макроскопічних об'єктів і матеріалів. По суті, у його трактуванні нанотехнології зводилися до доведення до молекулярної досконалості. існуючих принципівмеханічної обробки матеріалів

Рік - Ерік Дрекслер – засновник та голова американського Інституту Передбачення та Формування Майбутнього (Foresight Institute) «Батько нанотехнологій»

46 Національна освіта та технологія (NSTC) Адміністрація Президента США Державна Рада з Науки та Технологій Комітет з Нанонауки, Нанотехніки та Нанотехнології

49 «Треба, щоб бізнес зрозумів, що якщо він сьогодні не піде в нанотехнології, то пропустить все на світі і буде в найкращому випадкуу тілогрійці працюватимуть на свердловині, якою керуватимуть наші друзі та партнери». Росії потрібна довгострокова стратегія розвитку інновацій, інакше «коли завершиться поділ енергетичного ринку у світі, можна залишитися ні з чим». 15 грудня.2005 р. На засіданні уряду РФ прем'єр Михайло Фрадков віддав перевагу нанотехнологіям телогрейкам

© H. Schroeder Loughborough University 1998Lecture 1.54 Нанотехнології. Від алхімії до хімії й надалі… Професор Малинецький Г.Г. Інститут прикладної математики ім.М.В.Келдиша РАН Тел: Нарада з питань розвитку та застосування вітчизняних досягнень у галузі нанотехнологій ПОЧАТОК ПРЕЗЕНТАЦІЇ «НАНОПАРТІЙНІСТЬ»

55 Загальний висновокКерівництво партії «Єдина Росія» ухвалило правильне та сміливе рішення про форсований розвиток сфери нанотехнологій. Успішна реалізація цього рішення дозволить відповісти на виклики у сфері національної безпеки та підніме науку Росії на якісно новий рівень.

56 Небезпека проекту нанотехнологій для «Єдиної Росії» Нанотехнології – не нафта. Щоб використати здобутки, їх потрібно мати. Не окреслено область та не виділено пріоритети. Небезпека розпилення коштів та втрати мети. Відсутність комплексної координації робіт із проекту. Проблеми із експертизою. Відсутність міждисциплінарності та кооперації з фахівцями - небезпека винаходу велосипеда. Гострий кадровий голод. Фахівців поки що одиниці. КІНЕЦЬ ПРЕЗЕНТАЦІЇ

Мета та завдання дисципліни

Чинник «НАНО-»

Суб'єкти «НАНО-»

Історія. Дивні збіги?

Відступ

Історія створення основ нанотехнологій

Історія створення основ нанотехнологій

10. Відступ ...

11. Тенденції

12. Тенденції

13. Сектори ринку

14. Розмірний фактор

15. Ефекти наноструктур

16. Фактори, що визначають властивості

17. Міждисциплінарність

18. НАНО-2014, МОСКВА, МДУ

19. НАНО-2014, МОСКВА, МДУ

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

на тему: «Основи нанотехнологій»

1. Перерахуйте області, в яких використовуються нанотехнології. Наведіть приклади одержуваних матеріалів

Нанотекстиль

Нанотекстиль займає одне з провідних місць у світовому виробництві нанопродукції після наноелектроніки, нанофармацевтики та нанокосметики.

Обсяг виробництва ~ 50 млрд. DS (2006 р.)

Приріст ~ 10% на рік

Лідер США ~ 40%

РФ закуповує на ~ 1,5 млрд. DS (технічний, гігієна, спорт)

Гігієнічний текстиль

(памперси, білизна лікарняна)

200 млн. чол. - споживачі (діти, похилого віку) памперсів. Населення планети старіє, ринок памперсів розширюється.

Гігієнічний текстиль = нанотехнологія: Нановолокна (суперсорбенти), наносрібло, нановіддушки, etc.

Хімічні волокна

Нановолокна по діаметру< 100 нм.

Найпоширеніша технологія отримання нанотонких волокон - електропрядіння, коли на виході з фільєри розчин або розплав полімеру потрапляє до зони дії електричного поля. В електричному полі відбувається потонання струменя полімеру, що витікає, до нанорозмірів, як це показано на схемі:

Звичайні хімічні волокна із включенням наночастинок різної хімічної природита форми (вуглець-фулерени, метали, оксиди металів, алюмосилікати та ін.), наповнені наночастинками волокна - це композитні волокна з новими властивостями.

Від природи наночастинок залежать нові властивості: електропровідність, механічна міцність, антимікробність, здатність фарбуватись, etc.

Захисний текстиль

Точного визначення, що таке захисний текстиль немає ні у зарубіжній, ні у вітчизняній літературі. Спробуємо дати своє (може бути скориговано):

«Текстильний матеріал та виріб з нього, що захищає людину та навколишнє середовище (нерукотворне та рукотворне)».

Складність визначення пов'язана з тим, що захисний текстиль частково потрапляє в технічний, коли захищає техніку, і спортивний і медичний і косметичний, геотекстиль.

Сам текстиль та вироби з нього також вимагають в умовах експлуатації та зберігання захисту від термо-, хемо-, механо-, біо-, фото- та радіаційної деструкції. Захист матеріалу та виробів від цих впливів не означає автоматичного захисту від них людини. І все ж таки часто ці функції поєднуються, наприклад, надаючи матеріалу вогнезахищеність, ми захищаємо від вогню та людини! Захищаючи матеріал від мікроорганізмів, захищаємо і людину!

Актуальність проблеми розробки технологій та виробництва захисного текстилю полягає в тому, що мільйони людей на планеті, об'єкти природи та техніки потребують захисту від специфічних умов праці людей та експлуатації техніки.

Умови роботи людей багатьох професій шкідливо впливають на організм людини, що потребує захисту за допомогою виробів з текстилю. Робота в промисловості, у силових структурах, у госпіталях, на електро-, гідро- та атомних електростанціях пов'язана з певними та специфічними ризиками. Кожна професія висуває свої специфічні вимоги до захисту.

Основні захисні функції, властивості текстилю та виробів із нього:

Перегріву

Переохолодження

Хімічний захист від рідких та газоподібних отруйних речовин

Від шкідливих мікроорганізмів

Балістичний захист

Від радіації

Від УФ-випромінювання

Від кліщів, кровососних

Більшість із цих властивостей в даний час надається текстилю з використанням нановолокон, нанопрепаратів та інших прийомів різних нанотехнологій.

Медичний текстиль та нанотехнологія

Медичний текстиль іноді відносять до технічного текстилю, що не так. Це звичайно – нетехнічний текстиль. Медтекстиль – це гуманітарне, соціальне використання текстилю. У цій сфері нанотехнології знайшли застосування обігнавши (річне зростання 5%) всі інші види текстилю, і тому є причини, які зумовлюють надзвичайно динамічний розвиток виробництва медтекстилю:

Зростання населення планети, особливо у країнах, що розвиваються. У світі – 6,5 млрд. осіб, у Китаї – 1 млрд. 200 млн. осіб, в Індії – 900 млн. осіб.

Зміна демографічної структури, збільшення частки літнього населення.

Підвищення рівня та якості життя.

Підвищення ризиків, пов'язаних із погіршенням екології (збільшення захворювань серця, раку, СНІДу, гепатиту), природні катаклізми, теракти та ін.

Більшість останніх досягнень у галузі медтекстилю пов'язано з нано-, біо- та інформаційними технологіями, полімерною хімією та фізики.

Медтекстиль охоплює дуже широкий асортимент виробів і за призначенням їх можна класифікувати таким чином:

Перев'язувальні матеріали (традиційні захисту ран, сучасні лікувальні).

Імплантати (біологічно розкладаються і не розкладаються нові матеріали, сухожилля, зв'язки, шкіра, контактні лінзи, рогова оболонка, кістки, суглоби, судини, серцеві клапани). Не означає, що текстиль цілком формує імплантат, може входити до нього складовою.

Пристрої, що замінюють органи (штучні нирки, печінка, легені тощо), де текстиль, волокна входять у конструкцію.

Захисний одяг (хірургічні маски, шапочки, бахіли, постільна та натільна білизна, ковдри, фіранки). Всім цим матеріалам надаються антимікробні, антивірусні властивості, а в одязі хірурга також водовідштовхувальні властивості (затримка фізіологічних рідин пацієнта під час операції).

Сенсорний текстиль та одяг для моніторингу на відстані основних параметрів організму пацієнта (це використовується і для стеження за тренуванням спортсменів, за армійським персоналом при виконанні завдань, пов'язаних із надзусиллями). Мініатюрні датчики, що інкорпоруються в текстиль одягу, відстежують динаміку зміни електрокардіограми, дихальних функцій, пульсу, температури шкіри, рівень кисню в крові та положення тіла у просторі. Всі ці показники записуються на спеціальні портативні пристрої (розмір мобільного телефону) і передаються на центральний сервер лікарні і далі лікаря, що приймає рішення у разі позаштатної ситуації.

Косметичний текстиль

Косметичний текстиль значно менш різноманітний за асортиментом порівняно з медтекстилем. Основною групою видом косметичного текстилю є косметичні маски на текстильній основі. Вони виконують роль омолоджування шкіри, затримують її старіння, згладжують зморшки, у разі проблемної шкіри (висипання, вугри, пігментація і т.д.) маски мають лікувальну дію.

Косметичні маски містять косметичні препарати різної природи (екстракти рослин, вітаміни, біологічно активні речовини, ліки, срібло наночастинки).

Способи введення цих препаратів у маски різні: просочення, використання технології апретування та друку.

У будь-якому випадку завдання, як і у разі лікувальних пов'язок, полягає у створенні маски – депо косметичних чи лікарських засобів.

Вітчизняна фірма «Тексаль» розробила технологію та випускає косметичні маски на текстильній основі під торговою назвою «Тексаль». За основу взята описана вище технологія «Колетекс», тільки для масок підібрані спеціальні текстильні матеріали, полімерні композиції та косметичні засоби та ліки, що вводяться в них.

Цікавим напрямом у виробництві косметичного та медичного текстилю є використання спеціальних органічних молекул - контейнерів косметичних засобів та ліків.

Як такі молекулярні контейнери (слайд 70) використовують циклічні похідні декстрину - циклодекстрин. Циклодекстрини різної будови(число членів циклу) мають внутрішню гідрофобну порожнину (5085 нм) та зовнішню гідрофільну (безліч гідроксилів) поверхню. Якщо в порожнину циклодекстрину помістити ліки або косметичні засоби, а сам циклодекстрин ввести в текстильний матеріал і зафіксувати його в ньому, то формується депо – ліки чи депо – косметичний засіб.

Спортивний нанотекстиль

Спортивний текстиль сьогодні широко використовує прийоми та методи нанотехнології:

Спортивний одяг, що створює комфорт у просторі (вологість, температура).

Діагностичний сенсорний одяг, що стежить у режимі on-line за станом організму спортсмена.

Надміцний спортінвентар нового покоління.

нанотехнологія текстиль ризик екологічний

2. Потенційні ризики, пов'язані з розвитком нанотехнологій

В даний час велика кількість пасивних наноструктур (перше покоління) знаходять застосування в косметиці, виготовлення фарб і мастильних матеріалів. Експерти виділяють такі характеристики ризиків: токсичність, екотоксичність, енергозалежність, займистість, здатність накопичуватися в клітинах. Особливі ризики «відкритого» характеру виникають при виробництві, транспортуванні та зберіганні відходів. Отже, дослідники звертають увагу на такі сфери, у яких виникають ризики, пов'язані з пасивними наноструктурами:

У сфері людського здоров'я: - наноструктури можуть бути токсичними та завдавати шкоди деяким органам людини, таким як печінка та через нервову систему проникати в мозок; - деякі наноматеріали можуть взаємодіяти із залізом та іншими металами, що збільшує їх токсичність; - в даний час немає достатнього матеріалу, що дозволяє оцінити небезпеку наноматеріалів залежно від ступеня їхньої концентрації в клітинах.

Екологічні ризики. Наноструктури можуть завдати певної шкоди навколишньому середовищу, враховуючи, що: - можуть абсорбувати інші забруднюючі речовини (пестициди, кадмій); - у зв'язку з малими розмірами, існують ризики, пов'язані з труднощами виявлення шкідливих речовин. - Ризики здоров'ю людини та навколишньому середовищу. Дискусія, що розгортається між європейськими та американськими експертами з приводу того, яку роль мають відігравати нанотехнології в житті людини, ставить нові питання перед особами, які приймають політичні рішення: нанотехнології роблять людину кращою, чи роблять її сильнішою? Як ставитися до імплантатів, які контролюють не лише поведінку людського тіла, а й його мозок? Як ставитись до майбутнього (у зв'язку з використанням продуктів, вироблених із застосуванням нанотехнологій) зміни якості життя людини, а отже, і нового розуміння терміна «human security».

Політичні ризики та ризики у сфері безпеки: - використання відповідних технологій у кримінальних та терористичних цілях; несправедливий та нерівний розподіл ризиків, пов'язаних з розвитком нанотехнологій між країнами та регіонами (традиційний конфлікт Північ-Південь). Особливе занепокоєння експертів викликають ризики, що виникають з появою другого та третього покоління наноструктур. Йдеться про перспективу появи активних наноструктур та цілих наносистем.

Ризики структурного характеру. Йдеться про те, що сучасне суспільстводуже повільно реагує на нові технології і продукти, що швидко з'являються, вироблені з їх застосуванням. Запізнюється з розробкою норм та процедур, що регламентують застосування подібної продукції. В умовах глобалізації велика можливість безконтрольного доступу до продукції військового характеру, виробленої з використанням нанотехнологій. Слабко вивчено економічний ефект від масового застосування нанотехнологій. З розвитком біо- та нанотехнологій формуватиметься нова культура, кардинально зміниться деякі традиційні етичні норми і принципи. Проблеми ідентичності, толерантного ставлення до "нано-біо", інше наповнення поняття "приватне життя" тощо.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Концепція нанотехнологій. Нанотехнологія як науково-технічний напрямок. Історія розвитку нанотехнологій. Сучасний рівень розвитку нанотехнологій. Застосування нанотехнологій у різних галузях. Наноелектроніка та нанофотоніка. Наноенергетика.

дипломна робота , доданий 30.06.2008


Розвиток нанотехнологій у ХХІ столітті. Нанотехнології у сучасній медицині. Ефект лотоса, приклади використання його унікальної якості. Цікаве у нанотехнологіях, види нанопродукції. Сутність нанотехнологій, досягнення у цій галузі науки.

реферат, доданий 09.11.2010


Поняття нанотехнологій та сфери їх застосування: мікроелектроніка, енергетика, будівництво, хімічна промисловість, наукові дослідження. Особливості використання нанотехнологій у медицині, парфумерно-косметичній та харчовій промисловості.

презентація , доданий 27.02.2012


Використання нанотехнологій у харчової промисловості. Створення нових харчових продуктів та контроль за їх безпекою. Метод великомасштабного фракціонування харчової сировини. Продукти з використанням нанотехнологій та класифікація наноматеріалів.

презентація , додано 12.12.2013


Нанотехнологія – високотехнологічна галузь, спрямована на вивчення та роботу з атомами та молекулами. Історія розвитку нанотехнологій, особливості та властивості наноструктур. Застосування нанотехнологій в автомобільній промисловості: проблеми та перспективи.

контрольна робота , доданий 03.03.2011


Нанотехнології та перехід до водневої енергетики, розробка та виготовлення наномашин. Основний внесок нанотехнологій у "чисте" виробництво водню. Розвиток нової галузі знань про поведінку нанорозмірних систем з іонною та змішаною провідністю.

курсова робота , доданий 16.11.2009


Режими роботи скануючого тунельного мікроскопа. Вуглецеві нанотрубки, супрамолекулярна хімія. Розробка хіміків Уральського державного університету в галузі нанотехнологій. Випробовує лабораторний середньотемпературний паливний елемент.

презентація , доданий 24.10.2013


Лідерство країн у галузі нанотехнологій. Перспективи використання нових технологій у галузях енергетики, обчислювальної техніки, хімічної та біомолекулярної технології, в оптиці та електроніці, медицині. Приклади наукових досягненьта розробок.

презентація , додано 14.04.2011


Історія розвитку нанотехнологій; їх значення у медицині, науці, економіці, інформаційному оточенні. Схематичне зображення та напрямки застосування одношарової вуглецевої нанотрубки. Створення нанотехнологічних центрів Російської Федерації.

презентація , доданий 23.09.2013


Матеріальна основа та функції технічного сервісу шляху його розвитку. Сучасний станпідприємств ТЗ, напрями їхнього реформування. Види та застосування наноматеріалів та нанотехнологій при виготовленні, відновленні та зміцненні деталей машин.

В даний час нанотехнології - це досить велика область досліджень, що включає цілий ряд напрямів фізики, хімії, біології, електроніки, медицини та інших наук.

Епоха «нано» настане в середині століття

Однак, незважаючи на значні досягнення, ентузіазм дослідників, все більше фінансування цієї галузі і досить короткі терміни сучасного промислового освоєння наукових розробокв розвинених країн(10-15 років), навряд чи можна розраховувати, що ера нанотехнологій настане раніше за середину поточного століття. Хоча окремі розробки досить широкого використання, безсумнівно, з'являтимуться і вже є на ринку.

Якщо ми подивимося на сучасний ринок нанопродукції, то побачимо, що понад 90% його займають нанопорошки (почали застосовуватися ще в 50-х роках минулого століття, щоправда, до нанобуму вони називалися ультрадисперсними), нанокаталізатори та нанопористі матеріали (фільтри). Однак найпривабливіші та багатообіцяючі додатки нанотехнологій, про які зазвичай і йдеться, коли говорять про визначні перспективи цієї галузі, знаходяться ще на стадії фундаментальних досліджень.

Мається на увазі розвиток та широке використання нанотехнологій (хоча цього поняття тоді ще не було) на кшталт знаменитої фейнманівської лекції «Внизу повним-повнісінько місця: запрошення в новий світ фізики» (грудень 1959 р.).

Як правильно «укласти» атоми

Елементарними цеглинами для будівництва будь-якої речовини є атоми та молекули. «Виріб» з розмірами наномасштабу може бути «зібраний» із них, якщо укласти потрібні атоми в правильному порядку. При цьому, на наш погляд, не така вже й важлива конкретна технологія такої збірки (це може бути епітаксійне вирощування, самоорганізація, хімічні або біохімічні реакції тощо). Вирішальним тут є вміння конструювати «наноизделия» з певними властивостями чи функціями, володіння технологіями, які дозволяють з атомною точністю виготовити цей «виріб», і навіть методами комплексної діагностики, включаючи контроль у процесі виготовлення (in situ). І керування на його основі технологічним процесом.

Нанотехнології такого рівня поки що є в основному лише в окремих наукових лабораторіях. Вони базуються на нових результатах фундаментальних досліджень. Більше того, останні відіграють тут ключову роль. Дослідження фізико-хімічних процесів у нанотехнологіях, розробка методів конструювання, діагностики та дослідження наноструктур, наноматеріалів та наноустроїв, вивчення їх властивостей та нових явищ, що виникають на нанорівні, - здебільшого є і ще довгий часзалишатимуться предметом фундаментальних чи орієнтованих фундаментальних досліджень.

Тому, якщо ми хочемо в галузі нанотехнологій та наноіндустрії рухатися в ногу з розвиненими країнами, то першочергову увагу маємо зосередити на фундаментальних дослідженнях. Вони повинні мати обладнання та виконуватися на найсучаснішому рівні. Інакше ми ризикуємо не лише опинитися на узбіччі довгої нанотехнологічної дороги, а й незабаром перестанемо на належному рівні розуміти світові досягнення у цій галузі.

Сказане, однак, не означає, що зусилля з організації виробництва та освоєння ринку для просунутих у практичному планірозробок мають бути ослаблені.

Майбутні нанотехнологи: вимоги

Слід зазначити ще одну важливу проблему, яку доведеться вирішувати для успішного розвитку наноіндустрії. Справа в тому, що при переході до систем нанометрового масштабу починають чітко виявлятися квантові ефекти. В результаті виникає принципово нова ситуаціяколи квантові явища (розмірне квантування, тунелювання, інтерференція електронних станів та ін.) відіграють ключову роль у фізичних процесах у таких об'єктах та у функціонуванні приладів на їх основі.

Виявляються вони і в технологічних процесах, хімічних реакціяхоскільки міжатомна взаємодія має квантовий характер. Таким чином, від майбутніх нанотехнологів (а професія ця має стати масовою при розвитку наноіндустрії) буде потрібно вміння мислити квантовомеханічними категоріями, які істотно відрізняються від звичайних класичних уявлень. Це означає, що істотна перебудова вимагатиме інженерну освіту - її освоюватимуть з упором на фундаментальні дисципліни.

Помилки від нанотехнологій

Фундаментальні дослідження та їх матеріальне забезпеченнямають важливе значення для розвитку нанотехнологій та наноіндустрії. Зараз часто висловлюється думка, що у галузі нанотехнологій у нас однакові стартові позиції з передовими країнами. Це - небезпечна помилка! Хоча ми маємо висококваліфіковані кадри і займаємо передові позиції на ряді напрямків, незабезпеченість сучасним технологічним, діагностичним та дослідницьким обладнанням не дозволяє достатньою мірою реалізувати наявні можливості.

Востаннє більш менш масове оновлення парку наукового обладнання проводилося близько 20 років тому при реалізації Державної програми СРСР « Високотемпературна надпровідність». До того ж, дослідження на Заході на багатьох напрямках розпочато раніше. І ведуться значно ширшим фронтом.

Здавалося б, зараз нема про що турбуватися. У Останніми рокамикерівництво країни, що усвідомило життєву необхідність розвитку нанотехнологій, робить значні зусилля щодо організації на державному рівні робіт у цій галузі. Створено Урядову раду з високих технологій та Держкорпорацію «Роснанотех», виділяються значні фінансові кошти. Проте складається враження, що роль фундаментальних досліджень у розвитку нанотехнологій державними органами недооцінюється.

Міносвіти фундаментальні дослідження практично не фінансує. Фундаментальні дослідження у галузі нанотехнологій ведуться за рахунок коштів відповідних відомств. Центральне місце у розвитку фундаментальних досліджень нашій країні традиційно належить Російської академії наук.

У 2008 р. за програмами фундаментальних досліджень Президії та Відділень РАН фінансування нанотехнологічних проектів становило всього близько 100 млн рублів (не рахуючи базового фінансування на зарплату та комунальні платежі). Фінансування також здійснювалось за проектами Російського фондуфундаментальних досліджень (РФФД) та міжнародних проектів. Аналіз показує, що таке фінансування майже на два порядки менше, ніж потрібно для того, щоб забезпечити сучасний рівеньфундаментальних досліджень та його розвиток, необхідне становлення вітчизняної наноіндустрії. Для довідки: лише у Федеральному бюджеті США 2007 року на роботи, що виконуються в рамках «Національної нанотехнологічної ініціативи», виділено близько 1,3 млрд дол. З них 401 млн дол. (близько 31%) – на фундаментальні дослідження явищ та процесів на наномасштабах , 250 млн дол. (20 %) – на роботи з наноматеріалів, 164 млн дол. (13 %) – на придбання дослідницького обладнання.

Національна програма фундаментальних досліджень

Такий стан справ є абсолютно неприпустимим. На наш погляд, має бути створена Національна програма фундаментальних досліджень у галузі нанотехнологій з цільовим фінансуванням федерального бюджету, Порівнянним з фінансуванням відповідних програм у розвинених країнах, та відповідними капітальними вкладеннями. Тільки в цьому випадку ми зможемо розраховувати на успішний та конкурентоспроможний розвиток вітчизняної наноіндустрії.

Наразі Комісією РАН з нанотехнологій розроблено програму фундаментальних досліджень Російської академії наук «Нанотехнології», яка схвалена Загальними зборами РАН. До розробки програми, крім членів Комісії, були залучені вчені, які активно працюють у галузі нанотехнологій. Розглянуто близько тисячі пропозицій, отриманих із понад 100 інститутів РАН. Аналіз отриманих пропозицій показує, що у РАН роботи у галузі нанотехнологій охоплюють широке коло проблем. І їхній рівень, загалом, досить високий.

Розділи програми «Нанотехнології»

Вибір основних напрямів досліджень при формуванні програми ґрунтувався на сучасних досягненнях та тенденціях розвитку світової науки, значущості очікуваних результатів та перспектив практичного використання. А також з урахуванням доробку, що є в російських наукових організаціях. Програма включає шість таких розділів: «Фізика наноструктур», «Наноелектроніка», «Наноматеріали», «Нанобіотехнології», «Нанодіагностика» та «Освіта».

До виконання Програми фундаментальних досліджень РАН передбачається залучити як співвиконавців близько 60 неакадемічних організацій, підприємств та вишів. Фактично, розроблена Програма може бути основою Національної програми фундаментальних досліджень у галузі нанотехнологій.

Експертні оцінки обсягів фінансування, який буде необхідний успішної реалізації Програми фундаментальних досліджень РАН «Нанотехнології», показують, що у виконання науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт потрібно близько 12–13 млрд. крб. на рік (або близько 90 млрд. руб. на весь термін виконання Програми за 2015 рік). Необхідний обсяг капітальних вкладень оцінюється в 55 млрд. руб. Для Національної програми ці суми мають бути скориговані.

ЦКП проблеми не вирішують

Слід наголосити, що необхідним сучасним обладнанням має бути забезпечена кожна ефективно працююча наукова група, яка виконує один із проектів програми, оскільки його використання для конкретних досліджень часто має специфічний характер. Центри колективного користування тут проблему не вирішують, хоча вони й корисні для виконання більш-менш стандартних вимірів(наприклад, для діагностики та тестування). Або для роботи на унікальних дорогих установках, створених в одиничних примірниках.

Звичайним обладнанням дослідники, як заведено і в нас, і у світовій практиці, повинні користуватися на своєму робочому місці, хоча сучасне обладнанняЯк правило, коштує дорого. Інша річ, що вона має використовуватися максимально ефективно.

Держпрограми та фундаментальні дослідження

Цього року почала діяти вельми потрібна Федеральна цільова програма"Розвиток інфраструктури наноіндустрії в РФ на 2008-2010 рр.." Хоча більшість робіт у галузі нанотехнологій та наноматеріалів у нашій країні виконується в РАН, ця програма розроблялася без участі РАН. І РАН не фігурує у ній як державний замовник. Інші відомства, де ведуться подібні роботи, у цій ролі в ній представлені.

Причини, з яких дослідні організаціїРАН виключено з інфраструктури наноіндустрії Росії (до цієї програми включено лише Інститут металургії РАН), нам невідомі. Однак таке рішення організаторів програми виглядає щонайменше дивним.

На сучасному етапі прикладні дослідження та розробки часто (хоча й далеко не завжди) є природним продовженням фундаментальних досліджень. Більше того, далеко не завжди можна провести межу між першими та останніми. За образним висловом британського фізика Д. Портера, всі наукові дослідження - прикладні, лише частина вже знайшла додатки, а частина знайде їх у майбутньому.

Розроблена Комісією РАН з нанотехнологій програма є насамперед програмою фундаментальних досліджень. Разом з тим вона включає в себе і роботи прикладного характеру, ряд з яких вже найближчим часом може бути доведений до промислового використання. В даний час Комісія РАН з нанотехнологій розглядає кілька великих «наскрізних» проектів, що включають всі стадії робіт - від фундаментальних досліджень до організації дослідного виробництва.

Для реалізації таких проектів передбачається створити розподілені (віртуальні) лабораторії, робота кожної з яких підпорядкована єдиній меті та охоплює весь ланцюжок досліджень та розробок за проектом (від фундаментальних досліджень до організації виробництва). При цьому наукові групи, що входять до таких лабораторій та виконують конкретні завдання, продовжують працювати у своїх організаціях Такі лабораторії також передбачається створювати для вирішення великих наукових завдань і виконання міждисциплінарних досліджень у рамках Програми РАН «Нанотехнології».

«Принц-технологія» та світлодіоди

На закінчення - кілька прикладів результатів фундаментального та прикладного характеру, отриманих російськими вченими та розробниками за останні роки. В галузі фізики наноструктур та наноелектроніки відзначимо отримання листів графену (моношар графіту) та дослідження його електронних властивостей, що показало, що носії заряду в графені мають нейтриноподібний електронний спектр (ІПТМ РАН).

Здійснено перше надійне спостереження бозе-ейнштейнівської конденсації просторово непрямих екситонів у двоямових наноструктурах (ІФП РАН), розробка так званої «принц-технології» та створення нового класу періодичних наноструктур для квантових приладів (ІФП СО РАН), безпорогових напівпровідникових інжекцій. квантових точках, напівпровідникових лазерів рекордної потужності на основі асиметричних гетероструктур та світлодіодів білого світла (ФТІ ім. А. Ф. Іоффе РАН), матричних фотоприймачів ІЧ випромінювання та мікрохвильових польових транзисторів (ІФП СО РАН), широкодіапазонних магніторезистивних сенсорів (ІФП РОН).

В області наноматеріалів можна назвати розробку високоресурсних вуглепластиків зі спеціальними властивостями, що містять функціоновані наночастинки фулерену та астралену, використання яких у винищувачах п'ятого покоління підвищить різні експлуатаційні характеристики на 20-100% (ВІАМ, ІПХФ РАН, ІНХ. Виконано розробку каталізаторів на основі наночастинок золота, нанесених на оксид алюмінію, для вирішення проблеми холодного старту допалювання вихлопних газів автомобільних двигунів (ІК СО РАН).

В галузі нанобіотехнологій та медичної діагностики здійснено розробку та створення грипозної нановакцини «гриппол» (ІБХ РАН, ДНЦ Інститут імунології ФМБА, НВО «Петровакс», ГУП «Мікроген»), яка за 2004-2007 рр. щеплено 70 млн осіб. Розроблено методики отримання рентгенівських рефракційних зображень м'яких тканин людини (РНЦ «Курчатівський інститут»).

Зауважимо, що у основі багатьох сучасних науково-технологічних досягнень лежать результати досліджень, розпочатих тридцять і навіть більше років тому. Сподіватимемося, що державні органиоцінять, нарешті, належним чином визначальну роль фундаментальних досліджень у розвитку країни наноіндустрії. І в цій галузі ми рухатимемося в ногу з розвиненими країнами.

Академік Жорес Алфьоров,
лауреат Нобелівської премії, віце-президент РАН
голова Комісії РАН з нанотехнологій.