| Тема урока: Цели и задачи урока: | Нанотехнология в современном мире. Защита проектов. Воспитание гармонически развитой личности, формирование положительной самооценки личности, путем развития интереса к предмету и вовлечение каждого учащегося в учебную деятельность. Перевести учащихся из объекта в субъект воспитания. Развитие умения мыслить, всех видов памяти, умение выделять главное, развитие видения логических связей внутри предмета, умение использовать полученные знания на практике. Формирование единой физической картины мира. Научить учащихся работать над созданием проектов применяя ИКТ и используя полученные на уроках теоретические знания. |
Оборудование:
1. ИД, мел.
2. Презентации учащихся
3. Рефераты и доклады учащихся,
Вид урока: урок – конференция
Ход урока.
а) установка на учебную деятельность
б) присутствующие.
в) рефлексия
2 . Презентация и защита проектов учащимися.
1. Ознакомить учащихся с условием презентации и защиты проектов.
2. Огласить регламент работы.
3. Конспект урока-конференции: «Что такое нанотехнологии?»
Цель:
Познакомить учащихся с основами нанотехнологий, основными достижениями и проводимой исследовательской работой в области нанотехнологий в современном мире.
Задачи:
Создание условий для ознакомления участников конференции с основными открытиями в области нанотехнологий и выявление основных проблем связанных с их применением в повседневной жизни;
Продолжить развитие умения анализировать, сопоставлять факты, выделять главное, устанавливать причинно – следственные связи, формировать умения работать с различными литературными источниками;
Формирование у ребят научных представлений о единой, реальной картине мира; понимание актуальности практического применения полученных знаний в повседневной жизни;
Создание условий для самоорганизации и коммуникативных умений при работе в группах.
Предварительная работа: За две недели до проведения конференции, класс делится на группы, каждая из которых готовит доклад, проекты по выбранной теме. Учитель помогает в подборе материала, даёт консультации. Через неделю подготовки объявляются темы выбранных докладов, план конференции и последовательность выступлений.
Ход урока
«Там, внизу, много места!»
Р. Фейнман
Вступительное слово учителя.
В последние годы мы все чаще слышим слова: "нанонаука", "нанотехнологии", "наноструктурированные материалы": мы слышим их по радио и на телевидении, замечаем в речах не только ученых, но и политиков. Нанотехнологиям отдается высокий приоритет при финансировании научных и инновационных программ во всех развитых странах мира. Например,Япония является мировым лидером по созданию наноматериалов, в США исследования в области нанотехнологий получают щедрое финансирование как от государства, так и из бизнеса и даже от частных лиц, Евросоюз принял свою рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Недавно наш президент объявил о высоком приоритете развития нанотехнологий, обращая внимание на особую роль нанотехнологий для обороноспособности нашей страны. На это выделяются немалые средства из Резервного фонда страны.
Так что же означает слово «нано»? Что такое нанотехнологии и почему им уделяется такое внимание во всем мире? Почему это называют "революционным прорывом в технологиях", что это сулит нам, простым людям, и чем, возможно, это грозит миру? Давайте попробуем разобраться с этими вопросами. Сейчас ваши одноклассники более подробно познакомят вас с некоторыми понятиями наномира.
Выступление докладчиков
1 ученик : Нанотехнологии. Этапы развития нанотехнологий .
В переводе от латинского слова nanus‑ означает “карлик” и буквально указывает на малый размер частиц. В приставку “нано” ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,000 000 001 м (10 -9).Наночастицы обладают огромной общей поверхностью, что приводит к проявлению многих необычных свойств и делает исследуемые объекты совсем не похожими на обычное вещество. Многие физические законы, справедливые в макроскопической физике, для наночастиц нарушаются. Например, известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении становятся несправедливыми. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до -20…-30 градусов Цельсия, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом. Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых?
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. Его слова были восприняты в 1959 году его коллегами – физиками чисто теоретически. И его предложение премировать 1000 долларами того, кто сможет разместить моторчик в кубике с линейными размерами 0,4 мм или уменьшить текст в 25000 раз, было воспринято как “шутка гения”. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами - туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только “видеть” отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество. Однако речь Феймана не забыли и теперь его называют “отцом нанотехнологий”, хотя понятие “нанотехнологии ” ввел в обращение в 1974 году японец НорёТанигути для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.
Другой японец, СумиоИидзима, создал в 1991 году из фулерена - сверхтонкого углеродистого материала углеродные нанотрубки, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки и стали первым реальным наноматериалом, на основе которого строятся сейчас различные вещи, предлагаемые на рынке новых товаров. Тоненькая еле видимая нить, свитая из этих углеродных трубок, не уступает по прочности стальному канату толщиной в руку. Твердость деталей, выполненных из композитов, собранных из углеродных трубок, сравнима только с алмазом. Открытие СумиоИидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. А созданные зондовые микроскопы позволили реально перейти к практическому воплощению этих идей, а также к более глубокому изучению совершенно новых, необычных свойств "наномира", который стал открывать людям свои тайны. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструирования из атомов с помощью механической наносборки новых материалов с заданными характеристиками. В их числе сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как это происходит, например, в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы - наномашины.
2 ученик: «Нано» сегодня .
Уже сегодня рынок нанопродукции огромен. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас.
Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях, самые дорогие из них давали эффективность лишь 34%. Нанотехнологии вплотную взялись за солнечную энергетику. Солнечные батареи нового поколения - это дешевая полимерная пленка, вместо дорогого кристаллического кремния, которую обрабатывают на переделанных машинах для производства фотоплёнки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю энергию, используют нанотехнологии: покрытие, содержащее фуллерены. Новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.
Каждый из нас знаком с энергетикой плееров, диктофонов, фонариков, игрушек. Её основа – обычная литий-ионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы и нанопористые материалы – они заряжаются с немыслимой ещё вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Представьте, какое преимущество для электромобилей даст эта новинка!
Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Достаточно взглянуть на процессор Intel образца 2008 года, произведённый по нормам 45нм базовых микросхем, он работает на тактовой частоте около 3ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. Однако применение нанотехнологий не ограничивается уменьшением размера транзистора – появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем. По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих «всего» около 50 миллионов транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных Интернет-устройствах – так нанотехнологии помогут нам в доступе к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам Интернета.
Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применить виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющее повязки для ожогов и серьёзных ран, содержащие такое наносеребро. В недалёком будущем начнется промышленный выпуск хитозановых повязок, которые ускорят заживление ран в разы. Планируется выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.
Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Толщиной он всего несколько миллиметров и представляет собой органический светодиод. На сегодняшний день есть у него серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.
Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. Этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые токи, и получить их можно из окружающей среды, например, из тепла человеческого тела.
При разнице температур всего в 2°C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения: в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.
4 ученик : Заявленные перспективы применения нанотехнологий :
В МЕДИЦИНЕ
В последнее время нанотехнологии все активнее внедряются в медицину, экологию, здравоохранение. Сегодня макромолекулы и искусственно полученные наноматериалы и биоконъюгаты на их основе применяются для диагностики (биосенсоры, средства контрастирования и визуализации), лечения (средства адресной доставки, новые эффективные терапевтические агенты, уникальные физические и физико - химические способы воздействия на очаг заболевания) различных заболеваний и восстановления поврежденных тканей (костные имплантанты, клеточные матриксы, искусственная кожа и т.д.). Можно ожидать, что в ближайшем будущем при исследовании внутриклеточных процессов произойдет тесное сращивание квантовой механики, молекулярной биологии, генной инженерии, биохимии, биофизики, медицины, неорганической и физической химии. В результате может произойти качественный скачок в понимании того, что же такое жизнь, а медицина обогатится новыми методами для диагностики и лечения человека.
В БЫТУ
Помимо уже предлагаемых товаров, созданных с применением нанопродуктов, таких как, например, пленок для стекол автомобиля, на которых не осаждается пыль и грязь, лечебной одежды и даже косметики, созданных с применением нанотехнологий, можно предположить и массу других вещей, которые будут обладать какими-либо ценными свойствами. Применение нанотехнологий в быту уже началось, и можно уверенно утверждать, что оно будет неуклонно развиваться, поскольку, как известно, именно массовое потребление определяет экономику любых технологий.
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Здесь нанотехнологии также имеют конкретное промышленное применение. Сегодня на рынке предлагается большая номенклатура промышленно изготовляемых наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных порошков, которые уже находят широкое применение во многих секторах промышленности и строительства. Нанопорошки имеют свойства, отличающиеся от свойств металлов, окислов и т.д., из атомов и молекул которых они изготовлены. Причем значительное количество таких свойств до конца еще не исследовано. А в будущей перспективе просматривается возможность замены принятых сегодня методов производства сборкой с помощью нанороботов любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. Прогнозируемый срок появления первых нанороботов – середина XXI века.
В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ
Не секрет, что военная промышленность использует достижения научного прогресса для
разработки все более совершенных видов вооружений, военной техники, обмундирования исредств защиты. Неудивительно, что именно военные одними из первых за интересовались нанотехнологиями, поскольку применение высокихтехнологий в современной военной промышленности является залогом успешного ведения боевых действий.И пока в военных операциях участвуют люди,а не машины роботы, актуальной является проблема создания обмундирования для солдат. Примерить «высокотехнологичную» форму можнобудет только ближе к 2020 году, а сейчас ведется большая работа над разработкой, например,«динамической брони». Она будет представлятьсобой бронежилет толщиной всего несколькомиллиметров и облегать тело солдата наподобиеводолазного костюма. Вес такого обмундирования уменьшится больше, чем в два раза по сравнению с используемым в настоящее время. Новаяформа будет служить не только бронежилетом,но и универсальным медицинским диагностическим инструментом, способным измерять всежизненно важные параметры солдата (пульс,кровяное давление, температуру тела и др.) с помощью встроенных в костюм датчиков. Предполагается, что состояние солдата будет выведенокак на проектор на шлеме, так и на медицинскийкомпьютер, а прозрачные стекла для солдатских шлемов будут непробиваемыми для пуль.
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Считается, что нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире. Среди главных задач были названы очистка воды, производство экологически чистого топлива и увеличение плодородности почв. По мнению экспертов, исследования в этих областях, которые ведутся сейчас, позволяют воспринимать всерьез призыв ООН – "победить бедность к 2015 году". В отдаленной перспективе предполагается, что в домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. Таким образом, подобное "сельское хозяйство" не будет зависеть от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.
ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В принципе, применение нанотехнологий в промышленности и в быту может привести к полному устранению вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет массового производства и размещения в экосференанороботов-санитаров, превращающих отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.
ВОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Уже сегодня крупные компании, конкурирующие в области создания сверхплотных и сверхскоростных матриц памяти для компьютеров, открыли научно-исследовательские работы по применению нанотехнологий, которые сулят огромные перспективы в этом направлении, вплоть до создания ячейки памяти на одном атоме. Применение наноматериалов сможет создать новые типы дисплеев и телевизионных экранов с трехмерным изображением. Университетские лаборатории работают над созданием "вечного" элемента питания, который не будет нуждаться в подзарядке. В далекой перспективе предполагается создание компьютера, обладающего человеческим интеллектом. Прогнозируемый срок реализации сверхплотной памяти и "одноатомной" компьютерной ячейки - вторая четверть XXI века.
Обобщение и повторение.
Итак, ребята!Мы с вами обзорно познакомились с наномиром, многие ваши одноклассники подготовили интересные доклады. Те, кто заинтересовался этой темой может могут продолжить ее изучение самостоятельно. Ведь нанотехнологии только открывают нам путь всовершенно другой, лучший мир, который мы сможем приблизить лишьсовместными, согласованными усилиями. За нанотехнологиями инанонаукой – будущее, в нашей стране и в мире. ... То ли еще будет!
А сейчас, ребята, я предлагаю вам ответить на вопросы викторины. Проверьте свои знания.
(Приложение к уроку)
Нанотехнологии – это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности человека, которую они бы не затронули. Мир нанотехнологий интересен и доступен не только ученым. Ищите, читайте, анализируйте информацию. Занавес в удивительный мир нанотехнологий приоткрыт!
IV .Домашнее задание.
Проанализировать пройденный материал.
Найти и представить примеры применения нанотехнологий вгеронтолиии, кибернетике, строоительстве и архитектуре.
Использованные материалы и Интернет-ресурсы
http://www.nanonewsnet.ru/
http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»
http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках
http://www.nanojournal.ru/
http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях.
4.Закрепление.
1. Обобщение и систематизация ЗУН учащихся.
2. Подведение итога урока.
5.Итог урока:
а) оценки за урок,
б) повторение §8-11
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?
Знаете ли Вы что-нибудь о нанотехнологиях? | Какое у Вас отношение к нанотехнологиям? | Посещаете ли сайты, посвященные нанотехноло-гиям? | Знаете ли Вы о существовании Российской Национальной Нанотехнологи-ческой Сети? | Как Вы считаете, помогут ли Вам нанотехноло-гии в жизни? | Как Вы считаете, помогут ли Вам нанотехнологии в профессии? | Хотели ли бы Вы получать большую информа-цию о нанотехнологиях? |
|||||||||
Не интере-суюсь | мне нравится изучать что новое | все равно | |||||||||||||
старшее поколение (Учителя) | |||||||||||||||
Министерство образования Республики Мордовия
ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский техникум пищевой и перерабатывающей промышленности»
ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ
по физике на тему:
студент гр. № 16 Романов Александр
Руководитель:
преподаватель физики
Рязина Светлана Егоровна
Саранск 2012
Объект исследования: «Н анотехнологии»
Цель исследования:
Раскрыть основные направления развития нанотехнологий, показать положительные и отрицательные аспекты исследуемой области.
Задачи исследования:
Выяснить по каким основным направлениям развивается данная область.
Рассмотреть области применения нанотехнологий.
Исследовать влияние нанотехнологий на экологию.
5. Применение нанотехнологий
медицина
промышленность
сельское хозяйство
биология
освоение космоса
военное дело
пищевая промышленность
7. Безопасность нанотехнологий
8. Нанотехнологии и экология
9. Нанотехнологии уже давно вокруг нас
10.Вывод
11. Мордовия территория НАНО
1.Нанотехнологии: место среди других наук
Слышали ли вы о нанотехнологиях? Я думаю да, и неоднократно. Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами. Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законы природы на благо человека. Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. Нанотехнологии занимают особое место среди других наук. С помощью нанотехнологии возможно осваивать космос очищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. В своей работе я постараюсь популярно объяснить сущность нанотехнологий и рассказать о достижениях в этой отрасли науки. Так как считаю ее наиболее актуальной и востребованной на сегодняшний день.
Что же такое нанотехнологии и «с чем их едят»
Приставка «нано» (по-гречески- «карлик») означает «одна миллиардная доля». То есть один нанометр (1 нм)- одна миллиардная доля метра (10–9 м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по размеру как копеечная монета и Земной шар. Или уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) - тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. А если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, то мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной 170 километрам. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа - вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в 10 нм - такие размеры имеют сложные молекулы белков. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов - несколько ангстрем (1 ангстрем = 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода - 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов - от сотен до едениц нанометров. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности - совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Вообще говоря, нанотехнологии не являются самостоятельным разделом науки. Скорее, это именно комплекс прикладных технологий, фундаментальные основы которых изучаются в таких дисциплинах, как коллоидная химия, физика поверхности, квантовая механика, молекулярная биология и т. п. Что такое нано? Приставка «нано» («нанос» по-гречески - карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра (10Љ м). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора. Даже если некоторые, как обычно, пожадничают). Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной… 170 километрам. Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа – вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов – от сотен до единиц нанометров. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить ее на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, - тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов испытываются суперматериалы – волокна из нанотрубок, которые в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Ну, а не столь фантастические виды нанопродукции уже продаются в магазинах. Слово «нанокосметика» все чаще звучит в рекламных роликах: наночастицы, входящие в состав косметических кремов, удаляют мельчайшие загрязнения с кожи. Известно, что микробы не любят серебро, но оказывается, что в виде наночастиц оно их просто приводит в ужас и обращает в бегство. Ткани с добавками такого серебра набирают популярность у истинных ценителей гигиены – из них даже делают «наноноски». Впрочем, многие из давно привычных вещей тоже невозможны без «нано»: процессор вашего компьютера содержит миллионы наноразмерных транзисторов, над дисплеем тоже, скорее всего, поработали нанотехнологи. «Нано» уже повсюду – военные используют нанотехнологии, медики используют нанотехнологии, даже производители продуктов питания, и те используют нанотехнологии.
2. Почему «нанотехнологии» - это интересно?
Нанотехнологии - это принципиально новые технологии, которые позволят в будущем получать любые макрообъекты (автомобили, рубашки, холодильники, дома) с помощью микроэлементов: малюсеньких роботов... В некотором смысле это звучит как фантастика (например, «выращивание» целого дома из микроэлементов с помощью нанороботов). Но принципиально это возможно, и наука осторожно, шаг за шагом подбирается к реализации столь удивительной мечты. Сборка нанороботами предметов обихода, да ещё за весьма ограниченное время, будет подобна сказочным сюжетам: «поставить за одну ночь дом» (или дворец), приказать скатерти-самобранке устроить пиршество - всё это сможет реализовать наука.
Эффект лотоса. Известно, что лотос действительно обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми. Но как ему удается добиться такой сверхгидрофобности. «Эффект Лотоса» был открыт в 1990-е гг. немецким ботаником, профессором Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрыты крошечными шишечками или «наночастицами». Но лист вдобавок как бы намазан воском. Он вырабатывается в железах растения, что делает его совершенно неуязвимым для воды. На основе этого свойства и с помощью современных нанотехнологий были созданы, так называемые, лотосовые покрытия. При нанесении состава на поверхность образуется слой полимера, который преобразует молекулярную матрицу поверхности, при этом создается устойчивая атомная структура и формируется гидрофобная поверхность, обладающая сильными защитными свойствами. Эта поверхность способна противостоять любым воздействиям извне. Лотосовые покрытия незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых стекают мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примеры использования уникального свойства лотоса. 
Полезная пыль. Одним из самых массовых видов нанопродукции являются ультрадисперсные порошки. Измельчение веществ до наночастиц размерами в десятки или сотни нанометров часто придает им новые полезные качества. Дело в том, что такая наночастица состоит всего лишь из нескольких тысяч или миллионов атомов, поэтому все они оказываются близко к поверхности, на границе с внешним миром, и энергично с ним взаимодействуют. Суммарная поверхность частиц в таком нанопорошке становится огромной.
3. Основные этапы в развитии нанотехнологии
Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX-XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному скачку в развитии методов и средств обработки информации, получения электрической энергии, синтеза новых материалов на основе передовых научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры» люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая «интуитивная нанотехнология», которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы происходящего, не могла быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и ноу-хау.
Системные исследования наноразмерных объектов берут свое начало в XIX в., когда в 1856-1857 гг. английский физик Майкл Фарадей впервые изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Интересно отметить пример своеобразного предвидения, сделанного в 1881 г. писателем Николаем Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением в 5 млн раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микроскопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Ростислав Андриевский).
В первой половине ХХ в. зародилась и получила развитие техника исследования нанообъектов. В 1928 г. предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1932 г. впервые создан просвечивающий электронный, а в 1938 г. - сканирующий электронный микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов.
В 1972 г. создан оптический микроскоп ближнего поля. В 1981 г. ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же 1986 г. ими был разработан атомно-силовой микроскоп.
В 1974 г. японский ученый Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин «нанотехнология». В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.
В 1975 г. были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов - квантовых точек и квантовых проволок.
В 1986 г. американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу вверх».
Мощным стимулом для активизации направления стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что существуют две единственные полиморфные модификации углерода - графит и алмаз. Однако, как оказалось, пределы полиморфных превращений данного элемента этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки.
В 1997 г. из дифференцированной соматической клетки было впервые клонировано млекопитающее. Все это - яркий пример возможностей нанотехнологий применительно к биологическим объектам.
Другим примером приложения нанотехнологий, но уже к «неживым» предметам, является история разработки идеи квантовых компьютеров. В 1985 г. профессор Оксфордского университета Дэвид Дойч предложил математическую модель квантово-механического варианта машины Тьюринга. В 1994 г. П. Шор (фирма AT&T Bell) показал, что такая машина может получить практическое воплощение.
В частности, она оказалась эффективной в решении задач о разложении на множители больших чисел. В настоящее время алгоритм, предложенный Шором, широко применяется при создании различных типов квантовых компьютеров. В 1998 г. М. Такэути (фирма «Мицубиси Дэнки») провел принципиальные эксперименты по квантовым вычислительным системам с использованием фотонов. В 1999 г. Н. Накамура (фирма NEC) успешно изучил возможности практической работы квантового компьютера.
Нынешний период в развитии нанотехнологий характеризуется активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ведущих индустриальных странах мира. США в данном направлении занимают лидирующие позиции.
В 2001 г. была утверждена Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была сформулирована следующим образом: «Национальная нанотехнологическая инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI в.».
В 1996-1998 гг., до принятия ННИ, специальный комитет американского Центра оценки мирового состояния технологий осуществлял мониторинг и анализ развития нанотехнологий во всех странах и выпускал для научных, технических и административных специалистов США обзорные информационные бюллетени об основных тенденциях и достижениях. В 1999 г. состоялось заседание Межотраслевой группы по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям (IWGN), результатом которого стала разработка прогноза исследований на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США, после чего в 2000 г. было официально объявлено о принятии ННИ.
О большом внимании, которое уделяет мировая научная общественность проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение в 2007 г. Нобелевской премии по физике за открытие и исследование одного из необычных явлений наномира - эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС).
Выделено семь основных направлений:
Наноматериалы – научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объёмных материалов плёнок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и взаимным расположением наноразмерных структур. Объемные наноструктурированные материалы могут быть упорядочены в рамках направления по типу (наночастицы, нанопленки, нанопокрытия и др.) и по составу (металлические, органические, полупроводниковые идр.)
Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм и приборов на основе таких устройств.
Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств.
Нанобиотехнологии – целенаправленное использование биологических макромолекул для конструирования наноматериалов и наноустройств.
Наномедицина – практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.
Наноинструменты (нанодиагностика) – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств.
Технологии и специальные устройства для создания и производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств.
Медицина
Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснованы, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и дальнейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться все более миниатюрными и совершенными, а их функции - все более богатыми. 
Методы медицинской диагностики постоянно улучшаются с помощью нанотехнологий. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Наноробот – капсула свободно плавает в человеческой крови, сталкиваясь с различными бактериями. Как она работает? Бактерии прилипают к поверхности рбота благодаря протеиновым маркерам. После распознавания бактерии, наноробот формирует ответный код, считываемый обычным лазером. Эта информация помогает врачам проводить экспресс – анализ, не проводя долговременное выращивание культуры. Каждому типу бактерий соответствует свой код. Врач может увидеть эту информацию даже через оптический микроскоп.
Основными областями применения нанотехнологий в медицине являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.
Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:
У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.
Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.
Еще одним революционным открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.
Проект по физике на тему: НАНОТЕХНОЛОГИИ
- Ученика 10 класса МБОУ «Сангарской средней школы №1»
- Мазоха Юрия
- Руководитель: учитель физики Денискина Е.В.
- волос
- клетка
- пылевой клещ
- человек
- континент
- Земля
- планеты
- атомы
- НАНОТЕХНОЛОГИИ
- Химия, атомная и ядерная физика
- Биология
- Социальные науки
- Геология
- Астрономия
- Нанотехнологии: место среди других наук
- Можно заставить наномир работать на нас!!!
- 1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. 1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. 1990 г. Манипуляции единичными атомами. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
- 1. изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
- 2. разработка и изготовление наномашин;
- 3. манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.
- Медицина.
- Эритроциты с приклеенными к ним нанокапсулами, способными прилипать только к определённым типам клеток (больным), доставят эти капсулы клеткам-адресатам.
- Способ доставки наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток
- Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.
- Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными
- Промышленность.
- Слева - капля не смачивает поверхность, состоящую из нановолосков, и поэтому не растекается по ней. Справа – схематическое изображение поверхности, похожей на массажную щётку; тэта - краевой угол, величина которого говорит о смачиваемости поверхности: чем больше тэта, тем меньше смачиваемость.
- Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.
- Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
- Срок реализации – вторая - четвертая четверть XXI века.
- Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Срок реализации: середина XXI века.
- Нанотехнологии в криминалистике.
- Отпечаток пальца на бумаге и тот же после контрастирования с помощью золотых наночастиц, прилипших к жирным следам бороздок, оставшимся на бумаге.
- Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.
- Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье;
- а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.
- По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами.
- 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.
- Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
- Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.
- матрица гибкого дисплея на основе нанорубок;
- гибкий дисплей с изображением Леонардо де Винчи.
- Нанотехнологии уже давно вокруг нас
Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
История
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий 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 произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».
На что способны нанотехнологии?
Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:
Медицина
Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.
ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).
В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.
Строительство
Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.
Энергетика
Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).
Машиностроение
Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.
Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.
- ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
- Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
- Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.
10 нанотехнологий с удивительным потенциалом
Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.
Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.
Электропроводимый жидкий металл
За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».
«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.
Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.
Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.
Нанопластыри
Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.
Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.
Нанофильтр для воды
При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.
Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.
Очиститель воздуха для подводных лодок
Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.
Нанопроводники
Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.
Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.
Нанотехнологическое зарядное устройство
Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.
Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.
Искусственная сетчатка
Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.
Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.
Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.
Светящаяся одежда
Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.
Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.
Наноиглы для восстановления внутренних органов
Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.
Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.
Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.
Трехмерная химическая печать
Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.
Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.
Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.
Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»
Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии
Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.
В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».
В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.
Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.
Нанотехнологии в искусстве
Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.
В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.
В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».
Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).
Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.
В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.