XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. 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.
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). Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Для обозначения средства эффективного манипулирования атомами было введено понятие ассемблера – молекулярной наномашины, которая может построить любую молекулярную структуру. Пример природного ассемблера – рибосома, синтезирующая белок в живых организмах. Очевидно, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.
История возникновений нанотехнологий.
Дедом нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. В течение двадцати с лишним веков люди пытались проникнуть в тайну строения этой частицы. Решение этой непосильной для многих поколений физиков задачи стало возможным в первой половине ХХ века после создания немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Roo at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота — невозможность создания механизма из одного атома.
Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор: “Я думаю о создании системы с электрическим управлением , в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой — от хирургических операций до транспортированияи переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2% от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует еще и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.”
Что же такое нанотехнологии?
Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения.
Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр – миллиардная доля метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.
Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию. Очевидно, что на данном этапе развития науки ученым приходит в голову копировать и совершенствовать эти явления.
Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и двигать их и собирать из них конструкции, в частности, компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, элементы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.
Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности. Это явление используется в современной технике. Например, в медицине применяется нанопорошок серебра, которое обладает антисептическими свойствами. Наночастицы диоксида титана отталкивают грязь и позволяют создать самоочищающиеся поверхности. Нанопророшок алюминия ускоряет сгорание твердого ракетного топлива. Новые литиево-ионные аккумуляторы, содержащие наночастицы заряжаются буквально за пару минут. Подобных примеров много уже сейчас. Еще одним элементом, открытым в восьмидесятых годах стали фуллерены. Эти конструкции напоминают мячи, состоящие из атомов углерода.
Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность свойственна и изготовленным на их основе материалам. В электронике нанотрубки могут применяться как хорошие проводники , а также и полупроводники.
Еще одним наноматериалом является графен – двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода. Этот материал был впервые получен русскими физиками, работающими в Англии. Многие ученые полагают, что этот материал, обладающий уникальными свойствами, в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен. Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии – от медицины до космических исследований.
Одной из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий остается, безусловно, медицина. Ученые не первый год работают над проблемой доставки лекарственных препаратов непосредственно к клеткам, пораженным инфекцией или болезнью. Основная конструкция транспорта такова: капсула из биоматериала размером 50-200 нанометров, в которой находятся молекулы лекарства. Снаружи капсула покрыта полимерными цепочками, с помощью которых определяется, когда капсула достигнет целевых тканей, после чего произойдет вбрасывание лекарства и распадение оболочки. Последние стадии можно откладывать и контролировать их наступление дистанционно, например, нагревом или ультразвуком.
Все эти и многие другие идеи находятся сейчас не только на стадии разработок, но и на этапе практического применения. Результаты некоторых тестов потрясают воображение, некоторые заканчиваются провалом. Вместе с тем растет энтузиазм ученых по поводу приближения эры воплощения самых фантастических идей, например, полного контроля над всеми природными процессами или нанофабрик, собирающих любые предметы непосредственно из атомов. Создано множество сценариев развития будущего нанотехнологий, включая и те, которые не сулят человечеству ничего хорошего. Однако можно сказать, что интерес к нанотехнолгиям сейчас настолько велик, что именно он подчас и определяет направление, которое они принимают.
Опасности, связанные с нанотехнологиями.
При всех преимуществах нанотехнологий, они могут представлять и угрозу здоровью человека. Восторженно предвкушая те положительные изменения, которые принесет с собой промышленная революция, не стоит быть столь наивными, чтобы не задуматься о возможных опасностях и проблемах. Многие крупные ученые современности не зря пытаются привлечь внимание не только к позитивным перспективам будущего, но и к возможным негативным последствиям. Некоторые учёные, например Билл Джой, призывают к тому, чтобы исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству. Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года, после выхода в свет произведения Дрекслера «Машины созидания», где он не только нарисовал утопическую картину нанотехнологического будущего, но и затронул «обратную», нелицеприятную сторону этой медали.
Лучшие разработки нанотехнологий:
1-Наномашина. Группа исследователей из университета Гронингена в Нидерландах и Швейцарской научно-исследовательской лаборатории материаловедения и технологии создала прототип наноразмерного «авто», представляющего собой большую молекулу, с четырьмя симметричными элементами, которые играют роль колес. Топливом ему служит электрический заряд, поступающий от щупа электронного микроскопа. Наномашина размерами 4 на 2 нанометра помещается на медную подложку и подзаряжается током от расположенного над ним щупа электронного микроскопа каждые пол-оборота «колес». Стекающие со щупа электроны вызывают структурные изменения в моторных элементах молекулы и заставляют их вращаться. Вращаются они только в одну сторону, так что заднего хода у наномобиля нет.
2-Плащ-невидимка из графена. Ученые из Университета Далласа в Техасе изобрели плащ-невидимку, использовав известное природное явление – мираж. Новый материал, созданный на базе графена, обладает свойствами, сходными с раскаленным песком в пустыне, что позволяет "отводить глаз" от предмета, делая его невидимым. При этом невидимость можно включать и выключать, пуская по наноматериалу электрический ток. Мираж в природе появляется при резких скачках температуры на поверхности небольшой площади. Лучи света преломляются и попадают на сетчатку глаза, не отражаясь при этом от поверхности. Поэтому если в пустыне у человека перед глазами возникает образ озера, то это часто оказывается лишь отражением голубого неба, которое отразилось от горячей прослойки воздуха у раскаленного песка.
3-Наноэлектроника. Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронным устройств. Ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Наноэлектроника получит новый импульс после этой разработки. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью. В качестве исходного субстрата японцы взяли мономолекулярную пленку из диацетилена, нанесенного на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина. По мнению создателей, данная схема будет функционировать как диод.
4-Наномозг. Мозг человека по многим параметрам превосходит современные вычислительные системы. Его структурными элементами, как известно, служат нейроны, количество которых у человека приближается к ста миллиардам. Уникальной характеристикой соединяющих нейроны синапсов является их способность изменять эффективность связи. В это связи ученые уже много лет ведут поиск способа искусственно смоделировать нейронную сеть мозга. Недавно сотрудники Стэнфордского университета (США) заявили о создании функциональной модели синапса на основе материала с лёгким изменением фазового состояния. Такие материалы часто применяются  при конструировании элементов памяти. Значения «0» и «1» в этом случае кодируются разными уровнями сопротивления, между которыми можно переключаться, подавая электрические импульсы, которые нагревают материал и вызывают фазовое превращение. При высоком сопротивлении состояние вещества аморфно, а  при низком переходит в  кристаллическое. Ученым удалось добиться на порядок более высокой разницы сопротивления в обоих состояниях, что было необходимым условием для моделирования синапса и, как показали последующие опыты, схема на базе узлов из такого вещества действительно работает подобно фрагменту сетки нейронов.
5-Восстановление ткани позвоночника. Совместной группе ученых из Италии и США удалось добиться значительных успехов в области восстановления ткани позвоночника после травм. Обычно после переломов в месте повреждения образуется рубец, не передающий биотоки, вследствие чего человек оказывается частично или полностью парализован. Ученые выдвинули идею выращивания с помощью опорных наноструктур множества крошечных параллельных трубочек, в которых нарастала бы новая нервная ткань. Такие конструкции из трубочек 2-3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре удалось сформировать из биоразложимых полимеров, при этом внутренняя поверхность канальцев покрыта молекулами, играющими роль химических зацепов для самосборки пептидов. Действенность терапии уже доказана экспериментами на крысах, которые восстановили подвижность задних лапок после травмы в течение шести месяцев, что возвращает надежду людям с параплегией.
6-Восстановление сетчатки глаза. Другое  достижение из области наномедицины снова из Италии, из института технологий в Милане. Ученые нашли способ восстановления повреждённой сетчатки глаза восстановить с помощью светочувствительного пластика. Создание нейропротезов является непростой задачей, поскольку биологические ткани обычно плохо совмещаются с электроникой и могут оказывать негативное влияние на работу нервных клеток.  Решением проблемы искусственной сетчатки стали гибкие полупроводники: ученые засеяли поверхность светочувствительного полупроводникового полимера нервными клетками, которые выросли и сформировали сложные разветвленные нейронные сети. В ходе экспериментов выяснилось, что покрытый нейронами полимер можно использовать в качестве электрода в  светоуправляемой электролитической ячейке, при этом он обладает пространственной избирательностью. Кроме того, по словам исследователей, его можно настроить так, чтобы он реагировал только на световые волны определённой длины, благодаря чему становятся возможными разработки систем лечения поврежденной сетчатки так, что восстановится цветное зрение.
Заключение.
Сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология , завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт. Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.).
Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны.
Наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, «умные» протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, «умные» и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия. 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. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.
Нанотехнологии применяются и в пищевой промышленности. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам предполагается следующее: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

Список использованных источников:

1. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. – Москва: Бином, 2005. - 134с. – Текст: непосредственный.

2. Рыбалкина, М. Нанотехнологии для всех / М. Рыбалкина. - Москва: УРСС, 2005. - 444с. – Текст: непосредственный.

3. Третьякова, Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех / Ю.Д.Третьякова. - 2-е издание. - Москва: Физматлит, 2010 . - 368с. - Текст: непосредственный

4. Чаплыгин, А. Нанотехнологии в электронике / А.Чаплыгин. – Москва: Техносфера, 2005. - 213 с.- Текст: непосредственный.

5. Яфаров, Р. К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий / Р.К.Яфаров. – Москва: Физматлит, 2009. - 216с. – Текст: непосредственный.