XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнологии – это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией).

Главной целью моей работы является ознакомление с нанотехнологией. Также я хочу выяснить применение этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.

Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 10⁹ атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.

Рис.1.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства . Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты

Рис.2.

Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и  сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки - или ее отсутствием - и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.

В системах передачи и обработки информации наиболее перспективным в настоящее время является использование оптических технологий. В устройствах интегральной оптики носителями сигналов являются электромагнитные волны оптического диапазона, и при разработке интегрально-оптических устройств необходимы оптические материалы, обеспечивающие распространение и эффективное управление оптическими сигналами с минимальными потерями энергии. Именно успехи в создании таких оптических материалов (новых и совершенствовании уже известных) позволили перейти к построению оптических систем связи [4].

Наноструктурированные материалы и, в частности, фотонные кристаллы удобны тем, что их оптические свойства определяются не только и не столько показателями преломления веществ, из которых они сделаны, а их структурой. Необходимые оптические свойства материала достигают теперь не путем подбора оптимального химического состава (как это было ранее), а путем создания геометрической или фазовой структуры с характерным размером, не превышающим нескольких сотен нанометров. Оптический композит (optical composit media) – среда, состоящая из двух и более компонентов. Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся частицы материала с отличающимися от матрицы оптическими свойствами [4].

Рис. 3.

Вывод: С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".

Литература

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии Прогноз направления исследований / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса. М.: Мир, 2002. -292 с.

 2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение, 2003, -112 с.

3. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.Vol. 1; Little, Brown & Company: New York, 456 p.

4. Наноматериалы и нанотехнологии: учебное пособие / А.Г. Глущенко, Е.П. Глущенко. – Самара: ФГОБУВО ПГУТИ, 2017. – 269 с.