XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Одними из наиболее перспективных и многообещающих направлений науки и производства в настоящее время являются нанотехнологии. Этот термин в последние годы стал использоваться довольно часто, однако мало кто знает, что под ним следует понимать на самом деле.

Нанотехнологии стали развивать в мире относительно недавно. При этом название данной отрасли как нельзя точно отражает ее суть. Приставка «нано» имеет греческие корни и означает одну миллиардную долю. Соответственно, речь идет о технологиях работы с предельно малыми объектами.

В целом же под нанотехнологиями следует понимать создание и использование материалов и технических конструкций, имеющих фрагменты от 1 до 100 нанометров. На сегодняшний день научные исследования нанотехнологий и практическое внедрение их в производство и повседневную жизнь являются важной задачей для многих стран мира, поскольку их применение открывает новые технологические горизонты в плане создания материалов, обладающих уникальными свойствами.  

Краткая история развития нанотехнологий

Развитие нанотехнологий и наноматериалов начинается с 1931 года, когда немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 

Позже в 1959 году американский физик Ричард Фейнман (нобелевский лауреат по физике, 1965) впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации под названием «Там внизу — море места». Он заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа … Но, в принципе, физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле

В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.

В 1981 г немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне. Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. 

В 1986 г был создан сканирующий атомно-силовой микроскоп(АСМ), который еще больше расширил типы исследуемых материалов.

В 1985 году Роберт Керл, ХарольдКрото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены,за что получил Нобелевскую премию в 1996 г.

В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. 

Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной информации на основе ГМС размерами 10-100 нм.

1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем СумиоИиджимою.

В 1998 году впервые создан транзистор на основе нанотрубок Сизом Деккером (голландский физик). А в 2004 году он соединил углеродную нанотрубку с ДНК, впервые получив полноценный наномеханизм, открыв тем самым путь к развитию бионанотехнологии.

2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К.С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. 

Важнейшей составляющей нанотехнологий являются наноматериалы. Под ними следует понимать вещества, созданные с применением соответствующих технологий, которые обладают особыми и уникальными свойствами.

Международное научное сообщество установило следующие виды данных материалов в зависимости от их форм, свойств и функционального назначения:

нанокристаллы – наночастицы вещества, строение которых упорядоченно;

нанокластеры - соединения двух и/или более атомов одного вещества, или разных веществ, имеющие наноразмерную структуру;

наночастицы -частица вещества диаметром от 1 до 100 нанометров (нм);

нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой;

нановолокна - нитевидные частицы, построенные из очень большого количества графеновых слоев, уложенных под определенным углом относительно оси волокна;

наноленты - узкие полоски графена с шириной порядка 10-100 нм;

нанодисперсии - это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе;

наноструктурированные пленки - представляют собой организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами;

нанопористые структуры - материал, содержащий поры, размеры которых находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм). Термин употребляется для указания на то, что специфические свойства материала связаны с наличием нанопор.

Общий обзор состояния нанотехнологий в Мире

На первом месте находится Странна восходящего солнца – Япония. В этой стране высокие технологии присутствуют практически во всех сферах жизни. На высоком уровне находится образование и наука. Самыми передовыми отраслями являются металлургия, автомобилестроение, робототехника, электроника и сейсмостойкое строительство.

Второе место в рейтинге занимают Соединенные Штаты. В США самые передовые технологии в космической сфере и вооружении, армия страны является самой технологичной армией мира. Огромные средства вкладываются в развитие телекоммуникаций и фармацевтическую индустрию.

На третьей позиции Южная Корея. Такую высокую оценку страна получила благодаря всемирно известным компаниям Samsung, LG и Hundai. Южнокорейские ученые занимаются разработками в сфере роботехники и нанотехнологий. За счет бюджета финансируется ряд программ по развитию высокотехнологических производств.

Четвертое место отдано экспертами Израилю. В Израиле, также существует особая государственная программа поддержки стартапов. Около 35 процентов доходов тратится на развитие и внедрение высоких технологий. В этой стране созданная самая большая инфраструктура для подзарядки электромобилей.

На пятой позиции промышленный локомотив Европы – Германия, обладающая самым развитым автомобильным производством. Такие компании как Audi, Mercedes-Benz, Volkswagen и BMW известны всем, но в стране, занимающей пятое место, особое внимание уделяют нанотехнологиям и космической отрасли.

Шестой в списке технологически развитых стран расположилась Канада. Вторая по величине страна мира известна развитием биотехнологий, разработками в сферах сложных промышленных производств и космической отрасли. Многие научные разработки финансируются за счет государственного бюджета, на эти цели направляется ежегодно 1,8 процента ВВП страны.

Седьмая срока рейтинга принадлежит Великобритании. В прошлом именно в этой стиранее появились первый паровоз, электрический и реактивный двигатели, лампа накаливания. Сегодня в Британии уделяют особое внимание автомобилестроению, авиации и фармацевтике.

На восьмой позиции находится страна, которая по праву считается мировой производственной базой – Китай. Постепенно из страны, только подражающей мировым технологическим лидерам, Поднебесная превратилась в страну, обладающую высокими технологиями. Множество китайских компаний заняли достойное место среди высокотехнологичных мировых производителей, это такие как Huawei, Lenovo, Acer, GreatWall, Asus, HTC, BBK, D-link, BenQ, Gigabyte.

Девятое место списка отдано Финляндии, стране с одной из самых прогрессивных систем здравоохранения, так же финны успешно развивают биоэнергетику, биологию и экологию.

Замыкает десятку мировых лидеров в сфере развития технологий Сингапур. Эта страна является примером возможного экономического чуда, превращающего небольшую нищую страну в высокотехнологичного гиганта. Сегодня Сингапур может похвастаться лучшей в мире системой общественного транспорта и самым быстрым интернетом.

Общий обзор состояния нанотехнологий в России

В отличие от стран западного мира, активно приступившим ко внедрению нанотехнологий в 90-е годы прошлого века, в России подобные исследования начались приблизительно на 10 лет позже. Во многом это связано с тем, что наша страна в это время переживала период политической и экономической нестабильности, а развитие высоких технологий в данных условиях не являлось приоритетным направлением.

Кроме этого, в отставании России сыграло свою роль и такое явление как «утечка мозгов», когда наиболее перспективные специалисты уезжали из страны по причине недостатка финансирования своих проектов и общей невостребованности.

Государство обратило внимание на развитие этого направления только в 2000 году. Однако его использование предполагалось для нужд ОПК. О нанотехнологиях как потенциальной отрасли экономики заговорили лишь в 2007 году. В этот период был принят ряд государственных программ, которые предусматривали финансирование и поддержку научных исследований и производств.

В том же году была основана Российская корпорация нанотехнологий. Именно она является ведущим игроком в отрасли на данный момент. Задачами корпорации являются поддержка и софинансирование проектов в сфере нанотехнологий. Руководство АО «РОСНАНО» определило перечень приоритетных отраслей, развитие которых является жизненно важным для отечественной экономики. К ним следует отнести следующие направления:

• энергоснабжение;

• солнечная энергетика;

• биотехнологии;

• медицина;

• нано- и оптоэлектроника;

• машиностроение.

Человечество стремительно развивает технологии. Они помогают значительно повысить уровень жизни, влияют на экономики и политику. Доступ к передовым технологиям является одним из самых значительных факторов развития стран. Он дает возможность доминировать в мировом сообществе, определяет благосостояние народов.

Ниже собраны российские и зарубежные производители продукции с применением нанотехнологий.

Инновационный центр Буревестник

Компания находится в Санкт-Петербурге. Основана в 1959 году как специализированное конструкторское бюро по выпуску рентгеновской аппаратуры. Входит в состав АК «Алроса».

Фирма производит различные виды приборов, используемых в атомной энергетике, горнодобывающей промышленности, наноиндустрии, нефтепереработке, машиностроении и т. д. Здесь изготавливают кристалл-дифракционные диспергирующие элементы, монокристальные держатели образцов, аналитические приборы для осуществления анализов и проб, а также обширный спектр оборудования для алмазодобывающей промышленности.

Технологический центр МИЭТ

Предприятие находится в Зеленограде. Основано в 1988 году как центр исследований Московского института электронной техники.

Здесь производятся аналоговые и цифровые микросхемы, основой которых служат базовые матричные кристаллы. Кроме этого, на предприятии изготавливают датчики и чувствительные элементы физических величин. Продукция НПК используется производителями электроники в России и за ее пределами.

Биосан

Предприятие специализируется на производстве реагентов для исследований в сфере молекулярной биологии. К их числу следует отнести стандартные и модифицированные нуклеотиды, иммунобиологические реактивы, мастермиксы для ПЦР, ферменты, ДНК-маркеры. Основными потребителями выступают учреждения здравоохранения, диагностические центры, предприятия фармакологической промышленности. Продукция пользуется спросом как в России, так и за рубежом[2]. 

ВНИИМЕТМАШ

Организация находится в Москве. Основана в 1959 году как научно-исследовательский институт металлургического машиностроения.

Специализируется на разработке и производстве оборудования и технических устройств для металлургической отрасли, в числе которых высокотехнологичные системы автоматики. Выпускаемое оборудование используется на предприятиях черной и цветной металлургии на всей территории РФ, а также в странах СНГ.

Научно-исследовательский институт физических измерений

Расположено в Пензе. Предприятие основано в 1960 году как филиал НИИ-88 («ЦНИИмаш»).

Здесь разрабатывают и изготавливают датчики и преобразователи для систем измерения, управления, мониторинга, контроля и аварийной защиты авиационной и космической техники, а также атомной энергетики. Продукция поставляется для нужд авиационной промышленности, ТЭК, а также космической отрасли. Велика доля экспорта, в том числе в страны ЕС и Китай.

АО «НИИФИ» является системообразующим и одним из стратегически важных предприятий, осуществляющих выпуск высокотехнологичной продукции на территории России.

Научно-производственное предприятие Алтик

Предприятие расположено в городе Бийске. Основано в 1991 году в результате выделения по программе конверсии из НПО «Алтай».

Специализируется на производстве изделий на основе стеклопластика, в числе которых стеклопластиковые трубы, способные выдерживать экстремальные нагрузки, связанные с высоким давлением и температурой окружающей среды. Основными потребителями выступают предприятия горнодобывающей промышленности как на территории России, так и за ее пределами. Кроме этого, НПО производит оборудование для нефтедобычи и электроэнергетики.

AppliedMaterials

Американская компания, поставляющая оборудование, услуги и программное обеспечение для  производства полупроводниковых (интегральных) микросхем в области электроники, плоскопанельных дисплеев для компьютеров, смартфонов и телевизоров, а также продукции, работающей за счёт солнечной энергии. Компания также поставляет оборудование для производства дисплеев для гибкой электроники. Штаб-квартира компании располагается в Санта-Кларе, штат Калифорния, в Кремниевой долине.

АppliedMaterials была основана в 1967 году Майклом А.Макнейли и его компаньонами. В 1972 году компания стала публичной. С 1976 года благодаря CEO Джеймсу С. Моргану компания сконцентрировалась на производстве полупроводникового оборудования.

ASML

Нидерландская компания, крупнейший  производитель литографического оборудования для микроэлектронной  промышленности (изготовления СБИС, микросхем памяти, флеш-памяти, микропроцессоров и т.п.). Оборудование ASML используется в разных странах, компания имеет более 60 пунктов обслуживания в 16 странах[1].

Центральный офис компании находится в Велдховене, Нидерланды; там же находятся исследовательские и производственные подразделения. Акции компании торгуются на AEX и NASDAQ под названием ASML.

Компания, изначально называвшаяся ASM Lithography, была основана в 1984 г. как совместное предприятие компаний AdvancedSemiconductorMaterialsInternational (ASMI) и Philips. В настоящее время только небольшая часть акций принадлежит Philips.

Bayer

Байер АГ, Bayer AG — немецкая химико- фармацевтическая  транснац-иональная корпорация, основанная в Бармене (на данный момент — часть Вупперталя, Германия) в 1863 году. Штаб-квартира располагается в Леверкузене, Северный Рейн  —  Вестфалия (Германия). Героин и аспирин — исходно бренды Bayer — принесли компании широкую известность.

Bayer AG была основана в Бармене (на данный момент — часть Вупперталя, Германия) в 1863 году Фридрихом Байером и его партнером, Иоганном Фридрихом Вескоттом.

DuPont

«Дюпо́н» («DuPont», «E.I. duPontdeNemoursandCompany») — американская химическая компания, одна из крупнейших в мире. Входит в список Fortune 1000 по итогам 2008 года (81-е место). Штаб-квартиры — в Уилмингтоне, штат Делавэр и в Женеве (Швейцария).

Основана в 1802 году как предприятие по производству пороха. Позже номенклатура военной продукции расширилась и включила разработку и производство взрывчатых веществ, боевых отравляющих веществ, химического и психотропного, зажигательного и ядерного оружия.

Invista

Invista — компания, одна из самых крупных производителей полимерных волокон, смолы и промежуточного сырья для производства синтетических полимерных материалов. На данный момент входит в состав концерна KochIndustriesм.

Nantero

Nantero — технологическая компания, расположенная в Вобурне, Массачусетс. Компания занимается исследованиями в области новых видов энергонезависимой памяти, в частности, одна из их разработок носит название Nano-RAM. Однако, компания не ограничивается лишь исследованиями в области памяти — есть также разработки, относящиеся к логике и другим полупроводниковым продуктам, создаваемых на основе углеродных нанотрубок. На данный момент компания обладает примерно 175 патентами в области нанотехнологий.

Компания была основана в 2000 году ГрегомШмерджелом, Томасом Рюкесом и Брентом М. Сигалом. В 2008 году Брент Сигал перешел на работу в LockheedMartin.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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. ДжошВолфе\JoshWolfe, редактор аналитического отчета Forbes/WolfeNanotechReport, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".

Нанотехнология - без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день.

Возможности её поражают воображение, мощь - вселяет страх. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Описанные технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о ᴨереключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК.

Код для цитирования: Скопировать