Нанотехнологии

3

Содержание

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

1. История развития нанотехнологии………………………………………………...….4

2. Основные особенности наноматериалов и технологии их получения……………...6

3. Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий……9

4. Проблемы и перспективы развития нанонауки в России…………………………..11

4.1 Перспективы использования нанотехнологий…………………………………11

4.2 Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России…………………….15

Заключение……………………………………………………………………………….18

Список использованной литературы…………………………………………………...19

Введение

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существо­вания. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их по­требности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без со­временных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быст­рых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать ма­шины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных ато­мов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением та­кими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Цель данной курсовой работы состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в недалё­ком будущем.

Нанотехнология – совокупность процессов, позволяющих создавать матери­алы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рисунок 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (меха­нические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследо­ваний явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процес­сов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов.

1 История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая тер­минология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в ко­торой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микро­скоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американ­ского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу ком­наты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некото­рые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотех­нологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки ма­териалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, разме­ром менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специаль­ный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Ска­нирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для раз­вития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором вре­мени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать нано­размерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой ра­боты необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано­технологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от­дельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициа­тивы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни чело­вечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии – "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes – "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная ре­волюция".

2 Основные особенности наноматериалов и технологии их

полу­чения

"Обычная" промышленность работает с тоннами и кубометрами, к чему все привыкли. Наноматериалы – продукт нанотехнологий – это нечто особое, что го­раздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого вещества спо­собен решить множество проблем. Это пример современной "гомеопатии", которая поставлена на вполне научную основу и глубоко продумана.

Наноматериалы – не один "универсальный" материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с прак­тически интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что наноматериалы – это просто очень мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными ча­стицами, они могут представлять собой сложные микро и макро объекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик веществ и материалов обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком кри­тическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега элек­тронов, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими уче­ными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм.

Рисунок 1 – Токсичность наночастиц металлов

В настоящее время существуют десятки способов получения металлических наноматериалов, которые условно можно разделить на две группы: химические спо­собы и физические способы.

Металлические наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую "наследственность" исходных химиче­ских соединений, что делает проблемным их использование в отраслях с жесткими требованиями к чистоте используемых материалов, в том числе и в агропромыш­ленном комплексе.

Наиболее приемлемыми для таких отраслей являются металлические нанома­териалы, полученные с помощью нанотехнологий, основанных на использовании физических явлений.

Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, располо­женных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. При этом, как Россия, так и Украина занимают ведущее место в этом направлении полу­чения наноматериалов. Более того, Украина, благодаря разработке целой группы нанотехнологий – эрозионно-взрывных нанотехнологий получения наноматериал­лов, имеет возможности выйти в мировую группу ведущих производителей нанома­териалов в целом. В частности, с помощью эрозионно-взрывных нанотехнологий получены такие новые наноматериалы:

      неионные коллоидные растворы наночастиц металлов;

      анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов;

      гидратированные наночастицы биогенных металлов;

      гидратированные и карботированные наночастицы биогенных металлов;

      электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов;

      электрически нейтральные и электрически заряженные металлические нано­частицы в аморфном состоянии;

      структурированные агломераты наночастиц;

      наногальванические элементы;

      энергоаккумулирующие металлические наноматериалы.

К настоящему времени применительно к большой группе наноматериалов на основе металлов Au, Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отечественным произ­водителем.

3 Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий

В Германии Creavis – исследовательское подразделение корпорации Degussa.

В США центры развития нанотехнологий, финансируемые Национальным научным фондом (NSF):

Национальная сеть нанотехнологической инфраструктуры (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN), включающая 13 организаций, зани­мающихся нанотехнологиями. Ведущей организацией является Корнелльский уни­верситет.

Центр иерархического производства (Center for Hierarchical Manufacturing, CHM) при Университете Массачусетса – Амхерст.

Центр наномасштабных химических, электрических и механических произ­водственных систем(Center for Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems, Nano-CEMMS) при университете Иллинойса.

Центр скоростного нанопроизводства (Center for High Rate Nanomanufacturing, CHN), базирующийся в Северо-Восточном университете.

Центр масштабируемого и интегрированного нанопроизводства (The Center for Scalable and Integrated Nanomanufacturing, SINAM) при Калифорнийском универси­тете в Беркли.

В России: ГК "Роснанотех" Государственная корпорация Российская корпо­рация нанотехнологий создана в Российской Федерации в соответствии с Федераль­ным законом "О Российской корпорации нанотехнологий" № 139-ФЗ от 19 июля 2007. Корпорация содействует реализации государственной политики в сфере нано­технологий, финансируя инвестиционные проекты по производству нанотехнологи­ческой продукции, содействует развитию инфраструктуры в сфере нанотехнологий и поддерживает программы подготовки и переподготовки кадров.

ЗАО "Нанотехнология МДТ" – российская компания, созданная в Зелено­граде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. В настоя­щее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тесто­вые образцы.

ООО "АИСТ-НТ" – российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образо­вания, научных исследований и мелкосерийного производства. [9] В настоящее время компания производит 2 уникальных прибора, а также широкий ассортимент аксес­суаров и расходных материалов.

ООО "Нано Скан Технология" – компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образова­ния.[10] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирую­щих зондовых микроскопов и 3 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ.