Нанотехнология
Введение
Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны, но тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. И использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это «самые высокие» технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.
Актуальность исследования связана с развитием нанотехнологий и их воздействием на человека, общество и науку. Техника является фундаментальным фактором в развитии науки и общества. Однако развитие высоких технологий, в том числе, нанотехнологий в современном обществе может принести не только благо, но и создать ряд проблемных ситуаций, не наблюдавшихся ранее.
Существует настоятельная потребность изучить значительное влияние нанотехнологий на общество и человека, осмыслить последствия такого влияния, выявить механизмы взаимодействий науки, общества и нанотехнологий, приводящие к необратимым социокультурным изменениям для того, чтобы принять меры по предотвращению последствий их негативного влияния на бытие человека, общество, культуру в целом.
1. История развития нанотехнологий и критерии выделения нанопродукции
нанотехнология экологический медицина
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.
Изложенные Фейнманом идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931.
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 «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.
год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.
год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово «нанос» означает примерно «старичок».
год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год «Инициатива» запрашивает $710 млн.
В настоящее время пока не приняты ни конвенциональное определение нанотехнологий, ни международные стандарты, позволяющие однозначно идентифицировать нанотехнологическую продукцию. Проблема состоит в том, что нанотехнологии представляют собой сложную междисциплинарную область, расширяющуюся по мере своего развития, а наноиндустрия не является отраслью экономики в общепринятом понимании - она охватывает различные виды экономической деятельности и типы продукции.
Группа российских экспертов подготовила предложения по выработке критериев отнесения продукции к категории «продукция наноиндустрии». Для отнесения продукции к категории «продукция наноиндустрии» были определены следующие критерии.
Схема 1 Критерии выделения нанопродукции
Группа 1. Первичная нанотехнологическая продукция (нанообъекты, наносистемы и особо чистые вещества). К этой группе относится продукция, используемая как сырье для получения продукции групп 2 и 3 и имеющая размер основных элементов хотя бы в одном измерении 1-100 нм, что определяет функциональные свойства и потребительские характеристики продукции.
К группе 1 прежде всего относятся наноматериалы (нанотрубки и нанопроволоки, нанопорошки металлов; нанопленки; объемные наноструктурированные наноматериалы - гели, эмульсии, нанокерамика, наногетерогенные полимеры; катализаторы на носителях) и наноустройства (мембраны, имеющие наноразмерный диаметр пропускных каналов, одноэлектронные транзисторы). К этой же группе относятся элементы электронной базы устройств, имеющие наноразмерные масштабы: спинтронные устройства на основе магнитных и немагнитных гетероструктур, устройства на основе сверхпроводящих наноструктур, одноэлектронные квантовые устройства.
Группа 2. Продукты, содержащие нанокомпоненты. К этой группе относится продукция, содержащая искусственно созданные нанокомпоненты (группа 1), которые придают продукции новые технические свойства или существенно улучшают их потребительские характеристики.
К продукции группы 2 относятся сверхяркие светодиоды, элементы солнечных батарей с повышенным КПД на основе наноэлементов, подшипники с упрочняющими наноструктурированными покрытиями, металлорежущий инструмент с наноалмазным покрытием, хирургические инструменты с антибактериальным покрытием, фармацевтические препараты с активными наночастицами (в частности, используемые при адресной доставке лекарственного вещества).
Группа 3. Прдукты (не содержащие нанокомпонентов) и услуги, произведенные с использованием нанотехнологий. К этой группе относятся продукты, не содержащие нанокомпонентов, и услуги, при производстве которых используются нанотехнологические процессы, обеспечивающие продуктам или услугам новые технические характеристики или улучшающие их потребительские свойства.
К продукции группы 3 относятся жидкие или газообразные вещества, полученные с использованием наномембранных фильтров; высокооктановый бензин, при производстве которого были использованы нанокатализаторы. В эту группу также входят услуги, производимые с использованием нанотехнологий, например услуги по медицинской диагностике с использованием интроскопических исследований /визуализации с применением наноматериалов и наноструктур.
Группа 4. Специализированное оборудование для нанотехнологий. К этой группе относятся:
оборудование, предназначенное для измерений и контроля характеристик нанообъектов и наносистем;
оборудование, предназначенное для производства и переработки первичных нанопродуктов и продуктов, содержащих нанокомпоненты;
оборудование, предназначенное для производства продукции, не содержащей нанокомпоненты, с использованием нанотехнологий.
Эта классификация позволяет количественно оценивать результат усилий государства по развитию наноиндустрии.
2. Классификация нанотехнологии по характерическому размеру
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:
1.наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
2.нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
3.наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
С другой стороны, объектами нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
Наночастицы. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Нанообъекты делятся на 3 основных класса:
.трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,
. двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д.,
. одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д.
Также существуют нанокомпозиты - материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков).
Наноматериалы. Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.
Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Графен - нанопленка толщиной в один атом. Ученые из университета Манчестера при содействии германского института Макса Планка создали новую стабильную наноструктуру - пленку толщиной в один атом. Новый вид материала получил название «графен» (graphene, слово, близкое к «графиту», обозначающее двумерную структуру из атомов углерода, расположенную в виде бензольных колец). Эта самая тонкая нанопленка из всех существующих на Земле открывает революционные перспективы в компьютерной технике и медицине.
Традиционно считалось, что создать нанопленку толщиной в один атом невозможно, так как она будет предельно нестабильна и разрушится при комнатной температуре. Однако ученые нашли решение: они расположили атомы углерода в конфигурации, напоминающей пчелиные соты, оставив им при этом небольшое пространство для колебаний.
Ожидается, что в ближайшее время графен способен будет сменить применяющиеся сейчас в компьютерах кремневые микрочипы.
3. Применение нанотехнологии
.1 Нанотехнологии в медицине
Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские ученые занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение. Отличительной особенностью этих приборов является не только пассивное получение сверхмощного увеличения изображений нанодиапазона, но и возможность конструирования различных наноструктур методами литографии (вырезания) и молекулярно-лучевой эпитаксии (наращивания). На рис. 4 представлен один из таких приборов и полученные им изображения некоторых структур и нанокомпонентов электронной техники.
Ученые, занимающиеся применением нанотехнологий в медицине, сообщают, что ими разработан способ очистки крови от токсинов в течение нескольких часов. Для это используются особые наномагниты. Каждый наномагнит имеет 30 нанометров в диаметре и одного грамма таких магнитов достаточно, чтобы очистить кровь одного человека от конкретного токсина за несколько часов.
Использование наномагнитов для очистки крови было темой диссертационного исследования Инге Херрмана, ученого из института химии и биоинженерии в Цюрихе. Ученые выяснили, что находящиеся в крови магниты можно заставить притягивать к себе молекулы токсинов. Поскольку кровь довольно вязкая, магниты были примешаны к крови с помощью легкого встряхивания. Менее чем через пять минут магниты притянули к себе все молекулы соответствующего токсина. Скорость опаределяется константой связывания, причем чем выше этот показатель, тем быстрее антитело притягивается к антигену. После процедуры очистки наномагниты отфильтровываются из крови с помощью большого постоянного магнита на внешней стенке сосуда.
Ровная, не имеющая пор поверхность магнита обладает большой способностью притягивания. Другим преимуществом является то, что магниты можно достаточно точно настроить на строго определенные молекулы, так, чтобы магниты не влияли на работу антител, эритроцитов или белков крови.
В настоящее время для фильтрации токсичных веществ из кровотока применяются такие методы, как диализ, фильтрация или метод истощения. Однако молекулы многих вырабатываемых телом или вносимых извне веществ слишком крупны, чтобы их можно было удалить с помощью этих методов, не затрагивая молекулы жизненно важных веществ. До настоящего времени единственным методом считалась полная замена плазмы крови, поэтому немецкие ученые считают свой метод прорывом в этой области медицины, поскольку магниты могут притягивать и очень крупные и очень маленькие молекулы.
В более ранних опытах ученые применяли очень большое количество магнитов, что приводило к разрушению эритроцитов, однако сейчас никаких негативных последствий выявлено не было: наномагниты не оказали влияния ни на эритроциты, ни на свертываемость крови. Беспочвенными также оказались опасения, что применение магнитов приведет к выбросу в кровь слишком большого количества железа.
В настоящее время ученые намереваются начать полномасштабное тестирование метода, чтобы выяснить, действительно ли он совершенно безопасен для человека.
В США совместно с российскими нанотехнологами начато производство первых нанотитановых имплантатов для использования в стоматологии. Со стороны России в проекте, в частности, была задействована научно-производственная компания «Наномет».
Исследователям удалось превратить молекулу в наноспираль - тип наноструктуры, который в последнее время привлекает внимание ученых своей способностью присоединять к себе другие молекулы. Эта разработка может оказаться перспективной для внедрения нанотехнологий в такие области, как фармацевтика, биомедицина, для производства биосенсоров и многого другого.
Наноспирали представляют собой новую концепцию в нанотехнологиях, поскольку они имеют очень большую площадь поверхности и в то же время обеспечивают быстрое перемещение жидкости. Они напоминают завитый спиралью провод старых телефонов. На них очень удобно размещать реагирующие катализаторы и спектр их применения достаточно широк.
Ученые нашли способ присоединения ферментов к наноспиралям из двуокиси кремния таким образом, что они функционируют как биологические катализаторы, облегчающие другие реакции. На основе таких спиралей можно создать, например, биосенсоры, которые будут очень быстро реагировать на наличие токсина. Ученые считают важным то, насколько легко наноспирали присоединяют к себе различные биологические молекулы. Их можно покрывать не только ферментами, но и, например, антителами. Сами спирали выращиваются с помощью химического осаждения из паровой фазы на различных субстратах.
Французские ученые изобрели наноматериал, за счет которого можно восстановить даже сильно поврежденные зубы. Пленкой из наноматериала можно обернуть больной зуб, который начнет восстанавливаться.
Наночастицы - перспективное лекарство против рака, так как они могут целенаправленно бороться именно с поврежденной тканью, минуя здоровую. Наночастицы могут служить транспортом для лекарств, принося активное вещество именно в зараженные места. Очередным шагом в разработке этой новейшей терапии стали успешные опыты излечения опухолей у лабораторных мышей с помощью радиоактивных золотых наночастиц.
В начале ученые подготовили золотые наночастицы, используя радиоактивный изотоп золота 198. Затем наночастицы были покрыты гликопротеином из гуммиарабика, для того, чтобы сделать наночастицы биосовместимыми и дать им возможность свободно двигаться в токе крови. Опыты, проведенные на мышах, показали, что после введения в кровь наночастицы концентрируются в привитых мышам тканях опухоли простаты человека, практически не передавая радиоактивность другим органам.
За мышами, получившими наночастицы, наблюдали в течение трех недель. К концу этого срока объем опухолей сократился на 82% по сравнению с животными, которые получали наночастицы без радиации. Кроме того, животные из первой группы не теряли веса в процессе наблюдения, в отличие от животных из второй группы. Также ученые проведи тесты крови мышей и не обнаружили признаков радиационного облучения.
Исследование профессора Яэль Ханин из Тель-Авивского университета электронной инженерии возвращает надежду людям, потерявшим зрение, позволяя присоединить электроды к нервам сетчатки для стимуляции роста клеточной ткани. Разработка уже успешно отработана на животных.
Пока что ее разработка используется в работе по восстановлению нервной ткани мозга. Разработка представляет собой похожую на макароны массу наноразмерных углеродных трубок. С помощью электрического тока Я. Ханин сумела заставить нейроны из мозга крысы расти на этой массе. Такой рост, по ее словам, представляет собой весьма сложный процесс, однако нейроны хорошо приспосабливаются к новой структуре, соединяясь с ней физически и электрически. С помощью такой сложной структуры можно наблюдать в деталях за процессами, протекающими между нейронами.
Разработку уже можно применить на практике для лечения дегенерации сетчатки глаза. Подобные заболевания считаются неизлечимыми и ученые давно ищут способ заменять поврежденные клетки. Однако, Я. Ханин удалось создать имплантаты сетчатки, которые восстанавливают активность ткани в поврежденных местах. Выращенные на гибкой прозрачной подложке, новые клетки сращиваются с сетчаткой и приводят к восстановлению утраченного зрения.
В Японии ученые разработали «наномозг» - молекулярную структуру, позволяющую управлять нанороботами. В рамках эксперимента с помощью «наномозга» различные наномашины смогли выполнять простейшие команды. Пока нанороботы ещё не изобретены, а ученые уже придумали применение своим разработкам. «Наномозг» может быть использован при создании суперкомпьютеров.
Сотрудники Международного центра молодых учёных создали сложную молекулярную структуру, которая позволила управлять сразу несколькими наномашинами. Исследователи поставили эксперимент, в рамках которого доказали, что структура из 17 молекул DRQ (состоит из бензоквинона и тетраметила) функционирует аналогично процессору, выполняющему 16 команд за один такт.
молекул DRQ могут быть сформированы в молекулярную машину, которая способна закодировать более 4 млрд различных комбинаций. Размер полученной молекулярной структуры - всего 2 нанометра. Это первый в мире работающий образец «наномозга».
Предполагается, что «наномозг» можно будет использовать при создании нанороботов, проекты которых пока находятся в стадии разработки.
Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.
Нанороботы - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации - самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстовыводимые компоненты.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман.
В 1991 профессор Суимо Лиджима разработал нанотрубки на основе фуллеренов. На их основе создаются материалы в десятки раз прочней стали. Также следует отметить американские разработки наноманипулятора, устройства, состыкованного с атомным микроскопом и управляемого.
Сфера применения нанроботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
3.2 Нанотехнологии в производстве и в строительстве
нанотехнология экологический медицина
На сегодняшний день с технологиями твердотельных источников света связывается будущее целого ряда секторов экономики. Основной привлекательной чертой светодиодных технологий является сочетание компактных размеров, высокой по сравнению с альтернативными технологическими решениями энергоэффективности, возможности быстрого управления свечением. Благодаря этим свойствам светодиоды находят применение в таких приложениях, как освещение (в качестве энергоэффективных источников света, готовых для интеллектуальных схем управления освещением) и отображение информации (в качестве индивидуальных индикаторов и дисплейных панелей как малого, так и большого размера).
Одним из важнейших социально-экономических эффектов масштабного использования светодиодных технологий является возможность радикального сокращения затрат электроэнергии на освещение, составляющих по различным оценкам до 18-20% всех затрат произведенной электроэнергии.
Основными направлениями технологического совершенствования неорганических светодиодов является повышение светоотдачи и срока службы при снижении стоимости. Решение этих задач предъявляет спрос как на инженерно-конструкторские разработки, так и на проведение ряда фундаментальных исследований.
В России наиболее распространены предприятия, осуществляющие сборку светодиодов на базе готовых светодиодных чипов, произведенных в основном зарубежными компаниями.
Масштабное коммерческое применение органических светодиодов насчитывает менее 10 лет, причем отдельные сферы применения на сегодняшний день только отнесены к перспективным на горизонте последующих 15 лет. Основные свойства, характеризующие органические светодиоды, - перспективно низкая стоимость при использовании технологий струйной печати, возможность создания светящихся и отображающих панелей с высоким качеством изображения и большой площадью, гибких и прозрачных источников освещения и дисплеев, а также возможность использования в гибридных и полностью органических электронных устройствах.
В настоящее время масштабное распространение органических светодиодов наблюдается только в сегменте дисплеев и телевизоров, в котором существует перспектива вытеснения альтернативных технологий за счет лучшего качества изображения. Отдельно следует отметить направление разработок, связанных с приложениям органических светодиодов в освещении - существует перспектива коммерческого использования светящихся панелей большой площади.
Изготовление органических светодиодов осуществляется с применением технологий напыления, осаждения из растворов, а также технологий струйной печати. Данные технологии менее требовательны к оборудованию и технологическому уровню производства, что в перспективе позволит существенно снизить стоимость отдельных устройств.
Основные направления технологического совершенствования органических светодиодов включают повышение срока службы устройств, увеличение площади панели, снижение стоимости.
В последнее десятилетие мировой рынок светодиодов быстро расширялся. С наступлением экономического кризиса темп роста рынка замедлился.
Использование элементов нанотехнологии в строительстве является новым витком в прогрессе производства высокотехнологичных и высококачественных строительных материалов. Интернет-источники сообщают о том, что на практике все более необходимыми становятся материалы, по своим свойствам превосходящие уже существующие. Таким образом, можно судить и о том, что возрастающие потребности современного строительного рынка диктуют необходимость внедрения инновационных разработок.
Нанобетон, по словам производителей, «экономит» порядка 10-30% себестоимости при увеличении прочности. В технологии его производства применяют наномодификатор - добавку, увеличивающую показатели тех или иных характеристик материала.
4. Экологические проблемы нанотехнологии
В ходе конференции посвященной проблемам биобезопасности нанотехнологии ученые предложили правительству принять определенный регламент по контролю за продуктами наноиндустрии.
Правительства многих стран в наше время организуют специальные конференции и выделяют значительные суммы на изучение влияния нанотехнологии на окружающую среду.
Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств.
В данной связи ученые проводят исследование поведения наночастиц в атмосфере и последствия их вдыхания человеком. В результате опытов над лабораторными грызунами была выявлена высокая чувствительность клеток эпителия дыхательной системы к наночастицам, которые накапливались в носовых путях подопытных животных, вызывая риниты и другие, более тяжелые заболевания.
Не меньшее внимание привлекает проблема влияния наноматериалов на окружающую среду. Так было проведено исследование о риске для окружающей среды пяти основных типов наноматериалов, включая нанотрубки, квантовые точки и бакиболы. Исследователи определяли различные типы рисков загрязнения для разных технологических операций, включая производство лекарств, очистку нефти. На основании полученых данных профессор по охране окружающей среды делает в статье вывод, что создание наноматериалов представляет меньший риск, чем текущие индустриальные процессы.
Наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виду почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показали, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.
Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Разработанные с использованием нанотехнологий наночастицы могут помочь в лечении раковых заболеваний, Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям. Наночастицы из диоксида титана (TiO2) приводят к разрыву одно- и двухцепочечных ДНК, а также приводят к повреждению хромосом.
Попадая в организм титановые наночастицы накапливаются в различных органах, поскольку в организме нет механизмов их выведения. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в клетки и начинают влиять на их элементы.
Масштабы использования наночастиц в производстве косметики растут с каждым годом, и, как считают производители, в этом нет ничего дурного. Иной позиции придерживаются некоторые экологи. Использование наночастиц в косметике не менее вредно, чем добавки мышьяка и свинца, полагают австралийские представители международной экологической организации «Друзья Земли». Во всех выбранных наугад тестовых группах продуктов, исследователи обнаружили наночастицы.
Нанотехнологии применяются в косметике куда шире, чем полагают потребители. Помимо наличия наночастиц, семьдесят процентов протестированных продуктов содержит химические усилители, которые облегчают проникновение наночастиц через кожу в кровь. Не избежали обвинений многие популярные производители и марки косметики. Наночастицы нашли в продуктах Клиник, Лаком, ЛОреаль, Макс Фактор, Ревлон, Ив Сан Лоран, при том, что в составе они не были указаны. А вот производитель косметики Кристиан Диор не только включил наночастицы в состав продукции, но и указал их в списке ингредиентов.
Результаты исследования явно указывают на опастность новой косметики. В 2009 году в Евросоюзе был введен закон, согласно которому все кремы от загара, содержащие наноматериалы и наночастицы, должны пройти тестирование до 2012 года.
Этот случай - далеко не первый, когда экологи и ученые поднимают вопрос опасности, которую могут представлять современные нанотехнологии. В частности, некоторые ученые полагают, что появление наночастиц в атмосфере в промышленных масштабах может изменить климат Земли, а также предупреждают об опасности употребления пищи, созданной с использованием нанотехнологий
Американские ученые обнаружили в атмосфере Земли значительное количество наночастиц, которое продолжает увеличиваться. По их мнению, наночастицы, отражая солнечные лучи, могут серьезно изменить климат на планете, вызвав очередной Ледниковый период.
По последним наблюдениям американских ученых, в атмосфере нашей планеты уже находится значительное количество наночастиц, невидимых глазом, но могущих оказать влияние как на погодные процессы.
Количество наночастиц в разных частях света увеличивается, но почему это происходит остается загадкой. Ученые занимались вопросом того, как образуются наночастицы и каким образом происходит увеличение их количества, когда они вступают во взаимодействия с различными органическими испарениями.
Однако, им удалось выяснить, что некоторые виды органики быстро растут в атмосфере. Собираясь в больших количествах, они отражают солнечный свет назад в космос - своего рода обратный парниковый эффект. Кроме того, отмечают ученые, распространение наночастиц в воздухе может обострить такие заболевания, как астму, эмфизему и другие легочные заболевания.
Заключение
Появившиеся нанотехнологии дают возможность собирать под контролем физических методов наблюдения кристаллы нужных свойств из отдельных атомов, как из деталей конструктора, то есть видеть и перемещать отдельные атомы размером в одну миллиардную долю метра. Отсюда и название - нанотехнологии. Из всего изученного можно сделать выводы:
. Нанотехнологии - символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации.
. Возможности использования нанотехнологий практически неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.
. Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.
. Большие перспективы несут в себе и большие опасности. В этом отношении человек должен с максимальной осторожностью отнестись к небывалым возможностям нанотехнологий, направляя свои исследования на мирные цели. В противном случае он может подставить под удар свое собственное существование.
Несмотря на то что нанотехнологии на сегодняшний день имеют конкретные приложения и проникают посредством этих приложений в индустрию и на рынок, совершенно очевидно, что эта область все еще находится на очень ранней стадии своего развития - нанотехнологии не породили новой индустрии. Исключительно важное значение для их развития имеет непосредственно разработка и производство различного измерительного и технологического оборудования - инструментальной базы нанотехнологий.
Список использованной литературы
1.М.В. Алфимов. Научно-технический журнал «Российские нанотехнологии», том 5, №9-10 2010 г.
.Научно-информационный портал по нанотехнологиям, #"justify">.#"justify">4.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">12.#"justify">.#"justify">.#"justify">.#"justify">16.http://www.rusnano.com/Section.aspx/Show/27387