Нанотехнология - наука и техника создания,
изготовления, характеризации и реализации
материалов и функциональных структур и
устройств на атомном, молекулярном и
нанометровом уровнях.
Наноматериалы - материалы, созданные с
использованием наночастиц или посредством
нанотехнологий, обладающие какими-либо
уникальными свойствами, обусловленными
присутствием этих частиц в материале.
резкое повышение производительности
вычислительных систем
резкое увеличение пропускной способности
каналов связи
резкое увеличение информационной емкости и
качества систем отображения информации с
одновременным снижением энергозатратНанотехнологии и наноматериалы призваны
решить следующие задачи в электронике:
резкое повышение чувствительности сенсорных
устройств и существенное расширение спектра
измеряемых величин
создание высокоэкономичных
твердотельных осветительных приборов
существенное увеличение удельного веса
использования электронных и оптоэлектронных
компонентов в различных технологияхНанотехнологии
требуют малого количества
затрат энергии, материалов,
производственных и
складских помещений. С
другой стороны, развитие
нанотехнологий требует
высокого уровня подготовки
ученых, инженеров и
технических работников, а
также организации
производства.Ключевыми в развитии нанотехнологий
стали открытия последней половины XX
века, связанные с квантовыми
свойствами микро– и нанообъектов,
разработкой полупроводниковых
транзисторов и лазеров, созданием
методов диагностики с атомным
разрешением, открытием фуллеренов,
развитием геномики и биотехнологий.Современные приложения
нанотехнологий включают:
создание высокопрочных
нанокристаллических и
аморфных материалов,
негорючих
нанокомпозитов на
полимерной основе
элементы наноэлектроники
и нанофотоники,
полупроводниковые,
транзисторы и лазеры,
фотодетекторы, солнечные
элементы, сенсоры и др.
устройства сверхплотной
записи информации;
телекоммуникационные,
информационные и
вычислительные технологии,
суперкомпьютеры
молекулярные
электронные устройства,
в том числе
переключатели и
электронные схемы на
молекулярном уровненанолитографию и
наноимпринтинг
устройства микро- и
наномеханики, актюаторы
и трансдукторы,
молекулярные моторы и
наномоторы, нанороботы
нанохимию и катализ
(катализаторы,
адсорбенты,
молекулярные
фильтры и сепараторы)
топливные элементы,
электрические
аккумуляторы и др.
преобразователи
энергии, устройства для
хранения энергии
фармацевтику, биополимеры
и заживление биологических
тканей, клиническую и
медицинскую диагностику,
создание искусственных
мускулов, костей,
имплантацию живых органовКвантовый
суперкомпьютерКомпания «Хьюлетт-Паккард» недавно официально объявила о
наличии стратегии развития наноэлектронной базы, которая
составит основу будущей электронно-вычислительной
промышленности - производства компьютерных чипов на базе
молекулярной наноэлектроники. Ученые из компании «ХьюлеттПаккард» запатентовали технологию производства
микропроцессоров, в основе которых лежат не кремниевые
кристаллы, как в современных процессорах, а молекулярные
цепочки.Новые технологии могут в корне изменить:
Медицину
Энергетику
Биотехнологии
Электронику
и другие отрасли.В медицине «золотые
наночастицы» - маленькие
частицы кремния, покрытые
золотом, или золотые частицы,
введенные в раковую опухоль,
- при воздействии на них
лазерного или микроволнового
излучения могут находить и
уничтожать раковые клетки.
Были проведены успешные
тесты на материале рака груди
человека. Оболочки этих частиц
абсорбируют энергию
излучения и затем
преобразовывают ее в
тепловую энергию.
Энергия
излучения
Тепловая
энергияПроблемы, мешающие развитию
нанотехнологий:
Невостребованность
Дороговизна
Недостаток
квалифицир
ованных
кадровУченые отмечают:
«Когда мы научимся
выращивать
человеческие органы,
тогда, наверное,
можно будет сказать,
что мы далеко
продвинулись»Концепция развития и освоения нанотехнологий
и наноматериалов в Республике Беларусь
включает следующие основные задачи:
Создать межведомственного
государственного органа,
координирующего развитие и освоение
нанотехнологий и наноматериалов в
Республике Беларусь и сети национальных
нанотехнологических платформ
Системная подготовка инженерных и
научных кадров
Модернизация существующих производствРазвитие нанотехнологий
осуществляется в следующих сферах:
Производство
и ремонт
машин
агропромышл
енного
комплекса
создания
текстильных,
швейных и
трикотажных
изделий
Агропромы
шленный
комплекс
БиотехнологииВ настоящее время применяются
следующие формы коммерциализации
нанотехнологий:
использование нанотехнологий в производстве и
продажа конечного;
создание стартап-компаний;
продажа стартап-компаний крупным
корпорациям;
заключение лицензионных соглашений об
использовании результатов научноисследовательских и опытно-конструкторских работ;
заказные НИОКР.Анализ научно-технического потенциала Республики
Беларусь позволяет выделить следующие
перспективные направления в сфере разработки и
коммерциализации нанотехнологий и производства
нанотехнологической продукции:
фармпрепараты
наноматериалы
приборостроение
наноэлектроника и
солнечные элементы
сенсорика и диагностика
фильтры и
мембраныВ структуре НАН Беларуси активную разработку и
реализацию нанотехнологической продукции,
относящейся прежде всего к категории научной и
научно-технической, осуществляют 7 научных
организаций:
1) государственные научные учреждения "Физико-технический
институт Национальной академии наук Беларуси"
2) "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии
наук Беларуси«
3) "Институт биоорганической химии Национальной академии наук
Беларуси»
4) "Институт физико-органической химии Национальной академии
наук Беларуси«
5) "Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси«
6) Государственное научно-производственное объединение
порошковой металлургии
7) ГНПО "Научно-практический центр Национальной академии наук
Беларуси по материаловедению"
Слайд 2
Нанотехнологии
Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка 10-9 м или 10 нм. Нанотехнологии — это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне прис целью создания нано структур, нано устройств и материалов со специальными свойствами. Особенность нанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных масштабов. В этом диапазоне размеров «сырьем» являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы. 1 нанометр (нм) - это одна миллиардная доля метра, или одна миллионная доля миллиметра. Что такое «НАНО»?
Слайд 3
Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий он предлагал множество различных формулировокВпервые термин "нанотехнология" употребил НориоТанигучи в1974 г.В 1980-х годах этоттермин использовал Эрик К. Дрекслер, особенно в своей книге "Машины создания: грядёт эра нанотехнологии", которая вышла в 1986 г. Ричард Фейнман Эрик К. Дрекслер
Слайд 4
Нанотехнологиями сегодня активно занимаются примерно в 50 странах. Лидируют США, Япония, Южная Корея, ФРГ. Россия занимает место во второй десятке. Но по числу публикаций по нанотематике мы на почетном 8-м месте.
Слайд 5
Нанотехнологии в России
Изучение свойства металлов как наночастиц Создание биочипов и тончайших плёнок Создание манипуляторов мельчайших размеров
Слайд 6
Нанотехнологии, которые мы используем в жизни:
Слайд 7
Использование нанотехнологий в медицине
Американцы создали материал, имитирующий настоящую костную ткань. Применив метод самосборки волокон, имитирующих природный коллаген, они «посадили» на них нанокристаллыгидрооксиапатита. А уже потом на эту «шпатлевку» приклеивались собственные костные клетки человека - таким материалом можно замещать дефекты костей после травм или операций.
Слайд 8
Нанотехнологии и мода
Впервые нанотехнологии стали применять в производстве модной одежды около года назад. С того времени некоторые из модельеров начали сотрудничество с учеными для производства моделей, так называемой, "функциональной одежды". Она будет отличаться от привычной нам не только внешним видом, но и свойствами ткани из которой она изготовлена.
Слайд 9
Не требует стирки В ней невозможно заболеть Не пропускает вредные газы и защищает от современной экологии 1 кв. метр ткани стоит примерно 10тыс. $
Слайд 10
Компьютер в чашке-термосе
Студент-дизайнер Джейсон Фарсай придумал компьютер Yuno, встроенный в кружку-термос для кофе. Программная часть этого кружки-компьютера будет состоять из виджетов, демонстрирующих погоду, дорожную обстановку, биржевые котировки, электронную почту и т.д.
Слайд 11
Компания Nokia и специалисты из Кембриджского университета недавно показали интересную новинку — растягиваемый мобильный телефон Morph, сделанный с применением нанотехнологий.
Слайд 12
Спутники тоже созданы на основе нанотехнологий
Слайд 13
Нанороботы и компьютеры
Слайд 14
Нанотехнологи шутят
Наноунитаз получил приз на 49 интернациональном конкурсе микрографии как будто самая эксцентричная занятие 2005 года. Всего в конкурсе участвовало более 40 работ, однако проект от SII NanoTechnology оказался самым необычным. Такого использования нанотехнологий жюри еще не видело!
Слайд 15
Вывод: Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, вследствие чего изменится экономика и будут затронуты все стороны быта, работы, социальных отношений. Использование инновационных материалов XXI века позволит воплощать в реальность самые немыслимые проекты. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. Камень преткновения современной нанотехнологии - невозможность массового производства высокотехнологичных продуктов. Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии, уже достигнуты, но технологий массового производства пока не существует.
Посмотреть все слайды
Нанотехнология может быть определена как совокупность технических процессов, связанных с манипуляциями молекулами и атомами в масштабах 1 – 100 нм.
Слайд 2
Слайд 3: Свойства нанообъектов
На многих объектах в физике, химии и биологии показано, что переход на наноуровень приводит к появлению качественных изменений физико-химических свойствах отдельных соединений и получаемых на их основе систем. Речь идет о коэффициенте оптического сопротивления, электропроводности, магнитных свойствах, прочности, термостойкости.
Слайд 4
Более того, согласно наблюдениям новые материалы, получаемые с использованием нанотехнологий, значительно превосходят по своим физическим, механическим, термическим и оптическим свойствам аналоги микрометрического масштаба.
Слайд 5
Слайд 6: Нанохимия
С развитием новых методов исследования строения вещества появилась возможность получать информацию о частицах, содержащих небольшое (< 100) количество атомов. Подобные частицы с размером около 1 нм (10 -9 м) обнаружили необычные, трудно предсказуемые химические свойства. Оказалось, что такие наночастицы обладают высокой активностью и с ними возможно осуществление реакций, которые не идут с частицами макроскопического размера. Изучением химических свойств таких частиц и занимается нанохимия.
Слайд 7: Частицы, например, металлов размером ≤ 1 нм содержат около 10 атомов, которые формируют поверхностную частицу, не имеющую объема и обладающую высокой химической активностью
Классификация частиц по размерам Физико-химические свойства начинают описывать количеством атомов
Слайд 8: Нанохимия – это область, исследующая получение, строение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые по крайней мере в одном измерении имеют размер ≤ 10 нм
Появляется представление о размерных эффектах, свойства зависят от количества атомов или молекул в частице. Наночастицы можно рассматривать как промежуточные образования между отдельными атомами с одной стороны, и твердым телом – с другой. Важно расположение атомов внутри структуры, формируемой из наночастиц. Понятие фазы выражено менее четко.
Слайд 9
10
Слайд 10: В нанохимии возникают вопросы, связанные с терминологией
7-я Международная конференция по наноструктурным материалам (г. Висбаден, 2004) предложила следующую их классификацию: нанопористые твердые вещества наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии наноструктурные поверхности и пленки нанокристаллические материалы
11
Слайд 11
12
Слайд 12
13
Слайд 13: Продолжение Таблицы 10
Кислотные дожди Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии Новые топливные элементы Уменьшение или прекращение выброса окислов серы и азота транспортными и промышленными установками
14
Слайд 14
15
Слайд 15
Ожидается, что наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии Катализаторы на основе наночастиц Применение нанопористых материалов. Пористые углеродные материалы применяются в качестве молекулярных сит, сорбентов, мембран. Цель – получение структур с высокой удельной способностью к газопоглощению (в частности, водорода или метана). Это основа для разработки топливных элементов нового типа, обеспечивающих экологическую чистоту транспорта и энергетических установок.
16
Слайд 16: Наноразмерные катализаторы и сорбенты
Наноразмерный катализ приводит как к возрастанию активности катализатора и его селективности, так и к регулированию процессов химической реакции и свойств конечного продукта. Такая возможность появляется не только путем изменения размеров нанокластеров, входящих в катализатор, и удельной поверхности, но и за счет появления новых размерных свойств и химического состава поверхности.
17
Слайд 17
18
Слайд 18
19
Слайд 19
20
Слайд 20: Фотокаталитическая активность TiO 2. Процессы с участием растворенного кислорода
21
Слайд 21: Нанокластеры золота
В качестве примера можно рассмотреть возникновение каталитической активности кластеров золота с размерами 3–5 нм, в то время как массивное золото не активно. Так, нанокластеры золота, нанесенные на подложку из оксида алюминия, эффективно катализируют окисление СО при низких температурах до –70 °С, а также обладают высокой избирательностью в реакциях восстановления оксидов азота при комнатной температуре. Подобные катализаторы эффективны для устранения запахов в закрытых помещениях.
22
Слайд 22
23
Слайд 23
24
Слайд 24
В США в ближайшем будущем ожидается коммерческое производство нанокластеров оксидов металлов для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов, а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха, например, в самолетах, казармах и т.д.
25
Слайд 25: Полимерные нановолокна
Широкое распространение получает изготовление полимерных нановолокон диаметром менее 100 нм. Эти волокна используют для изготовления так называемой активной одежды, которая способствует самозаживлению ран и обеспечивает диагностику состояний с восприятием команд извне, т.е. работает также в режиме сенсора.
26
Слайд 26: Биоактивные фильтры
На основе нановолокон создаются биоактивные фильтры. Так, американские фирмы Argonide и NanoCeram наладили выпуск волокон диаметром 2 нм и длиной 10–100 нм из минерала бемита (AlOOH). Благодаря большому количеству гидроксильных групп эти волокна, объединенные в более крупные агрегаты, активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, различного рода неорганические и органические фрагменты и обеспечивают тем самым эффективную очистку воды, а также стерилизацию медицинских сывороток и биологических сред.
27
Слайд 27: Прогноз развития нанотехнологий
Текущие применения: термозащита, оптическая защита (видимый и УФ диапазон излучения), самоочищающиеся стекла, цветные стекла, солнечные экраны, пигменты, чернила для принтеров, косметика, абразивные наночастицы, носители для записи информации.
28
Слайд 28
2) Перспектива 1–5 лет: идентификация и выявление подделок среди банкнот, документов, лейблов различных товаров, частей автомобилей и механизмов и т.д., нанесение открытых и тайных красящих меток, проявляемыхпри высвечивании, химические и биологические сенсоры, диагностика заболеваний и генная терапия, направленный транспорт лекарств, люминесцентные метки для биологического скрининга, лечебная спецодежда, нанесение специальных кодов, нанокомпозиционные материалы для транспорта, легкие и антикоррозионные материалы для авиационной промышленности, нанотехнология для производства пищевых продуктов, светоперестраиваемые лазеры и излучающие, в том числе фотоэлектрохимические диоды, электромеханические активаторы.
29
Слайд 29
3) Перспектива 6–10 лет: плоские панельные дисплеи, солнечные ячейки и батареи, термоэлектронные устройства для микророботов и нанороботов, устройства хранения информации, устройства контроля и обеззараживания объектов и окружающей среды, нанокатализаторы высокой производительности и селективности, использование нанотехнологии для изготовления протезов и искусственных органов. 4) Перспектива 10–30 лет: одноэлектронные устройства, квантовые компьютеры.
30
Слайд 30: Наночастицы на основе углерода
Аллотропные модификации – различные структурные формы одного элемента. Широко распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз, известен также карбин. В углероде заложена способность к созданию в трехмерном мире химически стабильных двумерных мембран толщиной в один атом. Это свойство углерода имеет важное значение для химии и технологического развития в целом.
31
Слайд 31: Фуллерены – новые аллотропные модификации углерода
В 1985 г. произошло важное открытие в химии одного из наиболее изученных элементов – углерода. Коллектив авторов: Крото (Англия), Хит, О ’ Брайен, Керл и Смолли (США), исследуя масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (импульсный эксимерный лазер ArF, λ =193 нм, энергия 6,4 эВ) твердого образца, обнаружили пики, соответствующие массам 720 и 840. Они предположили, что данные пики соответствуют индивидуальным молекулам С 60 и С 70.
32
Слайд 32: Фуллерен С 60 принадлежит к тем редким химическим структурам, которые обладают наивысшей точечной симметрией, а именно симметрией икосаэдра I h
Сферическая оболочка из 60 атомов образована пяти- и шестичленными циклами. Каждый пятичленный цикл соединен с пятью шестичленными. В молекуле отсутствуют пятичленные циклы, соединенные друг с другом. Всего в молекуле 12 пентагонов и 20 гексагонов. В 1996 г. Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие, разработку методов получения и исследование фуллеренов, причем Нобелевский комитет сравнил это открытие по значимости не более не менее как с открытием Америки Колумбом.
33
Слайд 33
Рис. 2. Изомер С 60 в виде "початка". Заштрихованные области показывают смещение -электронного облака относительно атомов молекулы, образующих боковую поверхность структуры
34
Слайд 34: Молекулы были названы фуллеренами по имени архитектора Фуллера, автора сетчатых ажурных конструкций (павильон США на Всемирной выставки ЭКСПО-67 в Монреале и др.)
35
Слайд 35: Зависимость масс-спектров от условий кластеризации
Было обнаружено, что относительная интенсивность пика С 60 зависит от условий, увеличиваясь при повышении температуры. Следовательно, изомер (или изомеры), ответственный за высокую интенсивность пика, должен обладать повышенной химической стабильностью, чтобы «выживать» при увеличении числа соударений. Изомеры с висячими углеродными связями будут обладать высокой реакционной способностью и не смогут выжить при столкновениях. Роль химически активных столкновений проявляется в том, что в масс-спектрах наблюдаются только фуллерены с четным числом атомов углерода (С 60, С 70 и др.).
Слайд 1
Слайд 2
Слайд 3
Слайд 4
Слайд 5
Слайд 6
Слайд 7
Слайд 8
Слайд 9
Слайд 10
Слайд 11
Презентацию на тему "Нанотехнологии и Наноматериалы" можно скачать абсолютно бесплатно на нашем сайте. Предмет проекта: Химия. Красочные слайды и иллюстрации помогут вам заинтересовать своих одноклассников или аудиторию. Для просмотра содержимого воспользуйтесь плеером, или если вы хотите скачать доклад - нажмите на соответствующий текст под плеером. Презентация содержит 11 слайд(ов).
Слайды презентации
Слайд 1
Слайд 2
Слайд 3
Что такое Нанотехнологии?
Это несколько конкурирующих технологий производства изделий радиоэлектроники с размерами функциональных элементов порядка нанометров (10 в минус девятой степени, т.е. в доли миллиметра). Внедрение этих технологий в военную радиоэлектронику позволит получить супермалые образцы оружия (например, самонаводящиеся пули), либо резко повысить "интеллектуальные" возможности управляемого оружия благодаря придания ему автономных функций обнаружения, распознавания и, как следствие, гарантированного попадания в любые цели. Внедрение нанотехнологий в другие виды военной техники позволит существенно повысить их эффективность и расширить диапазон применения.
Слайд 4
Существует и другая версия
Нанотехнологии - это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами - это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Слайд 5
Медицина и Нанотехнологии
В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными
Слайд 6
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса: 1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы. 2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами. 3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне. Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений
Слайд 7
Государство и Нанотехнологии
ГОСУДАРСТВО выделило на «поддержку нанотехнологий» 180 млрд. рублей. Этими средствами управляет госкорпорация «Роснанотех». Контроль над ней осуществляется правительством. При этом прибыль от деятельности ГК «Роснанотех» не подлежит изъятию и распределению правительством. Кроме того, «Роснанотех» выведен из-под действия закона о банкротстве. В сообщении президента РФ в момент начала экономического кризиса, было сказано, что гос-во не будет жалеть средств на развитие нанотехнологий, что показывает важность этой отрасли для гос-ва.
Слайд 8
Корпорации разрешено расходовать любые средства на покупку ценных бумаг (в рамках поддержки нанотехнологических проектов). Также она имеет право инвестировать свободные средства в любые финансовые инструменты. Размер таких инвестиций утверждается наблюдательным советом «Роснанотеха» раз в год. Наблюдательный совет корпорации (15 человек: 5 депутатов или сенаторов, 5 членов правительства или администрации президента, 5 представителей науки, бизнеса или Общественной палаты) назначается правительством и, в свою очередь, назначает на пятилетний срок гендиректора ГК «Роснанотех». Он же по представлению гендиректора утверждает правление корпорации.
Слайд 9
Фантастические Перспективы
Перспективы развития нанотехнологий в различных отраслях. По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation объем рынка товаров и услуг, с использованием нанотехнологий может вырасти до $1 трлн. в ближайшие 10-15 лет: в промышленности материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом, могут занять рынок объемом $340 млрд. в ближайшие 10 лет. в полупроводниковой промышленности объем рынка нанотехнологичной продукции может достигнуть $300 млрд. в ближайшие 10-15 лет. в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может позволить помочь увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека. в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием нанотехнологий составит более $180 млрд. в ближайшие 10-15 лет.
Слайд 10
А так же… в химической промышленности наноструктурные катализаторы имеют применение при производстве бензина и в других химических процессах, с приблизительным ростом рынка до $100 млрд. По прогнозам экспертов рынок таких товаров растет на 10% в год. в транспорте применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили. Рынок только авиакосмических продуктов может достичь $70 млрд. к 2010 году. в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономические пути фильтрации воды и позволит ускорить развитие возобновимых источников энергии, таких как высокоэффективная конверсия солнечной энергии. Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и экономить значительные средства. Так по прогнозам ученых применение нанотехнологий в сфере использования энергии света через 10-15 лет может снизить потребление энергии в мире на 10%, предоставить общую экономию $100 млрд. и соответственно сократить вредные выбросы углекислого газа в размере 200 млн. тонн.
МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика формирования представлений учащихся о нанотехнологиях в общеобразовательной школе
Названия веков… Используемые материалы являются одним из основных показателей технической культуры общества. Это было отражено в названии веков «каменный век» , «бронзовый век» , «железный век» . ХХ 1 век, вероятно, назовут веком многофункциональных нано- и биоматериалов.
а – трековая мембрана (АСМ); б – микронные проволочки (вторичные структуры) в электронном микроскопе.
C лева – схема структуры нанокристаллического материала; справа – комплекс домов архитектора Франка Овена Герри (Дюссельдорф)
Металлические стекла Первый сплав в аморфном состоянии был получен П. Давеза в 1960 г. (сплав золото-кремний в эвтектическом состоянии Au 75 Si 25) в Калифорнийском Технологическом Институте
Объемные аморфные металлические сплавы Сплавы на основе Zr , Ti , а также Al и Mg с добавкой La и переходных металлов. Низкое значение скорости охлаждения (1 – 500 К/с) позволяет получать сравнительно толстые (до 40 мм) изделия
Использование нанокристаллических материалов Нанокристаллические жаропрочные сплавы перспективны для изготовления лопаток нового поколения газовых турбин реактивных двигателей. Керамические наноматериалы используются как в аэрокосмической технике, так и для изготовления протезов в ортопедии и стоматологии.
Использование нанокристаллических материалов Добавление в ракетное топливо нанокристаллического алюминия может ускорить процесс горения в 15 раз.
Нанофазные (нанокристаллические) сплавы впервые были обнаружены в образцах лунного грунта. До сих пор они производятся в малых количествах
Композиты Композиционный материал, композит — неоднородный материал из двух и более компонент (составляющих), причем между компонентами существует практически четкая граница раздела. Характеризуется свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности
НАНОКОМПОЗИТЫ В нанокомпозитах по крайней мере одна компонента имеет наноразмеры Классический смысл границы раздела матрица-наполнитель теряется
Функциональные материалы (на фото японский солнечный парус) Функциональные материалы могут быть определены как материалы, свойства которых организуют или конструируют таким образом, чтобы они могли удовлетворить конкретному назначению (исполнительной функции) контролируемым способом. На этом и следующем фото – японские солнечные паруса
Металлизированные полимерные покрытия Металлизированные тонкопленочные изделия призваны заменить тяжеловесные зеркальные конструкции. Такие материалы широко применяются на космических аппаратах в качестве термо-окислительно-стабили зационных покрытий, рефлекторов или коллекторов световой энергии, для передачи оптической информации. В качестве пленки-матрицы рядом преимуществ обладают материалы на основе полиимида
Химически металлизированные ПИ пленки Химически металлизированные пленки можно отнести к новым функциональным материалам, учитывая их повышенную отражательную способность и хорошую поверхностную проводимость. Свойства таких пленок были исследованы в рамках международного научного гранта NATO Sf. P (Science for Peace) № 978013 При химической металлизации образуется градиентный по содержанию наночастиц металла поверхностный слой. Фактически это нанокомпозит полимер/металл
«Умные» материалы Из класса функциональных материалов можно выделить активные или «умные» материалы. «Умные» или «интеллектуальные» материалы (smart materials) должны эффективно и самостоятельно менять свои свойства в непредвиденных обстоятельствах или при смене режима работы устройства.
Функциональные материалы будущего Применительно к «умным» материалам, разрабатываемым человеком, ставится футурологическая задача создания гиперфункциональных материалов, превосходящих в некоторых аспектах возможности отдельных биологических органов
Причины появления «умных» материалов и устройств Потребность в умных материалах вызвана тем, что современные механизмы и устройства становятся уязвимыми, с одной стороны, из-за своей сложности, с другой – из-за все более жестких условий эксплуатации: разные среды, радиация, большие скорости движения и пр. Специалисты в военной технике сухо характеризуют оператора-человека как «объект с малым быстродействием и существенным ограничением психофизиологических возможностей» .
Метаматериалы Особое место среди функциональных материалов занимают метаматериалы, свойства которых определяются в основном особенностями конструкции, а не химическим составом. Справа стержень в пустом стакане, с водой и с материалом с отрицательным коэффициентом преломления.
Первый метаматериал с отрицательным КП В 2000 г. Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего создал первый материал с отрицательным коэффициентом преломления для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц из листов медной сетки, расположенной слоями
Проблема невидимости В 2006 году британский ученый Джон Пендри теоретически показал, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы из материала с отрицательным коэффициентом преломления, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым.
В августе 2008 г. две группы ученых создали два новых метаматериала с отрицательныи коэффициентом преломления Первый материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Во втором использован пористый оксид алюминия, внутри его полостей при помощи специального процесса выращены серебряные наноштыри, расположенные на расстоянии, меньшем длины световой волны.
Теплоизолирующий материал Aspens Pyrogel AR 5401 [ N ]. Температура факела газовой горелки внизу 1000 0 С
Беспилотный летательный аппарат Polecat, летающее крыло с размахом 28 метров, фирма Lockheed Martin, распечатан на трехмерном принтере
Нанофильтр из молекул антрахинона на поверхности меди. В каждую ячейку входит около 200 молекул
ГИБРИДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Весьма перспективными являются гибридные наноматериалы, композиты на молекулярном уровне, состоящие из неорганических, органических и биологических компонентов. Среди последних выделяется ДНК
КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ Особенностью биологических наноструктур является комплементарность, способность к распознаванию на молекулярном уровне (ДНК, антитела и др.). Эта способность является основой работы биодатчиков, но она же может быть использована для самосборки наноструктур, что является ключевым моментом в процессах «снизу-вверх» .
Белковые «пружины» А нкириновые повторы состоят из тандемных модулей приблизительно 33-х аминокислот. Их атомная структура очень необычна и представляет собой короткие антипараллельные альфа-витки, которые сами собираются в спирали. Б лагодаря такой структуре анкириновые повторы могут быстро восстанавливаться после растяжения. О бнаружены более чем в 400 протеинах человеческого организма. Они содержатся в клетках волос внутреннего уха, где играют важную роль в преобразовании акустических сигналов в электрические. Анкириновые белки также регулируют ионный обмен в мембране сердечной мышцы.
Супрамолекулярные структуры, супрамолекулярная химия Термин введен в 1978 г. выдающимся французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Ж. -М. Леном и определен им как “ химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами”. Развитие супрамолекулярной химии в значительной степени обусловлено ее междисциплинарным характером (органическая и координационная химия, физическая химия, биология, физика конденсированного состояния, микроэлектроники и др.)
Супрамолекулярные системы Иерархия выстраивается так: атомы — молекулы — супрамолекулярные системы — биологические системы. Супрамолекулярные системы — это мост между неживой и живой материей.
Вверху — типы супрамолекулярных структур; внизу — схема самосборки решетки из шести линейных молекул и девяти ионов серебра
БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ ГИБРИДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ, «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ХИМЕРЫ» Полимеры, в макромолекулах которых присутствуют как природные, так и синтетические блоки. Такие полимеры способны формировать сложные супрамолекулярные ансамбли с рядом специфических функциональных свойств. Их создание рассматривается как стратегический путь конструирования «умных» наноматериалов
Новая роль компьютерного моделирования «…осознается потенциал моделей прогнозировать свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента» Академик М. В. Алфимов
Компьютерное моделирование Основной проблемой всех этих расчетов является квантовомеханический характер свойств наночастиц. Применительно к отдельным атомам и молекулам соответствующий теоретический аппарат и численные методы развивались. Для макроскопических систем применялся статистический метод. Но число атомов в наночастицах обычно слишком мало для статистического метода и в то же время слишком велико для простых квантовых моделей.
Производство новых материалов По прогнозу из общего объема ежегодного рынка нанотехнологической продукции в 20015-2020 году (2 триллиона долларов США) 340 млрд долларов придется на новые материалы, которые не могут быть получены традиционными методами.
Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности «интеллектуальными», что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXIв.
Литература М. В. Алфимов, Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования, редакционная статья, журнал Российские Нанотехнологии, т. 2, № 7-8, 2007 г. Д. Диксон, П. Каммингс, К. Хесс, Теория и моделирование наноструктур, в кн. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований, ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливасатоса, М. , МИР, 2002 г. , стр. 48-
Литература (продолжение) А. И. Гусев, Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, М. , Физматлит, 2005 г. , 416 стр. 2. Н. П. Лякишев, Нанокристаллические структуры – новое направление развития конструкционных материалов, Вестник РАН, т. 73, № 5, 2003, с. 422 Д. И. Рыжонков, В. В. Левина, Э. Л. Дзидзигури, Наноматериалы, М. , БИНОМ. Лаборатория знаний, 365 стр.
