НАНОТЕХНОЛОГИИ
НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИЯ — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами
1. Общие вопросы научной методологии 2. История возникновения и развития 3. Полученные результаты 4. Российские нанотехнологические центры 5. Проблемы, направления и перспективы развития 6. Отношение общества к нанотехнологиям
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАУЧНОЙ МЕТОДОЛОГИИ § цель § задачи § определения и терминология § единицы измерения
Цель курса: сформировать представление об современном состоянии и приоритетных направлениях дальнейших исследований в области нанотехнологий 5
реализация данной цели предполагает решение следующих ЗАДАЧ: ♦ ознакомление с языком специфических терминов, схем, формул (тезаурус) Систематизированный набор данных ♦ сформировать представление о физических основах и о какой-либо области знаний, фундаментальных принципах, лежащих в основе НТ представленный в виде ключевых слов ♦ ознакомление с видами и типами НТ производств ♦ ознакомление с важнейшими достижениями в НТ ♦ систематизация имеющейся и вновь поступающей ИНФОРМАЦИЯ – выбор одного (или нескольких) ИНФОРМАЦИИ об основных вариантов из множества возможных этапах развития и путях инновационного совершенствования НТ и равноправных, и его запоминание ♦ ♦ формирование общего представления о проблемах, сдерживающих 6 развитие НТ, и путях их решения
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона: • наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) • нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне
• С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов. • Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты. • При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия
• В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров • С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. • Если размеры материала хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, у такого материала появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы, принципиально новые явления, которые изучает и использует для создания новых устройств физика низкоразмерных структур, являющаяся наиболее динамично развивающейся областью современной физики твердого тела
• Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. • Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. • В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
• Наиболее полное определение НТ дано в материалах национальной нанотехнологической инициативы США: НТ – научно-исследовательские и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровнях с субстананометровой шкалой по одной или более координатам для обеспечения фундаментального понимания явлений и свойств материалов при таких размерах и для изготовления и использования структур, приборов и систем, которые имеют новые свойства и функции вследствие их малых размеров. • Нанотехнология является логическим продолжением и развитием микротехнологии МИКРОТЕХНОЛОГИЯ, совокупность науки, изучающей микрообьекты, и технологий работы с объектами порядка микрометра (тысячная доля миллиметра), стала основой для создания современной микроэлектроники. Сотовые телефоны, компьютеры, интернет, разнообразная бытовая, промышленная и потребительская электроника, всё это неузнаваемо изменило как мир, так и человека. Столь же сильно изменит мир и нанотехнология
производственные технологии машиноведения, занимающаяся изучением проблем и установлением • область связей и закономерностей в процессе изготовления и эксплуатации машин механизмов и МАШИНА (франц. machine) устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования энергии, материалов или информации МЕХАНИЗМ – система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемы движения других твердых тел (рабочего органа) 12
научное знание о природе, базируется: Ø на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез Ø на создаваемых теориях, описывающих природные явления Ø на математическом доказательстве
ПРОБЛЕМЫ МАШИНОВЕДЕНИЯ Проблема – ситуация, характеризующаяся, несоответствием между тем, что имеет место в действительности и тем, что планировали ос и оз н он ие ен ыш ов п рр ко с ой к той ти по вы ше н ие из но трение и износ коррозия со ст ой ко ст и II закон ше вы по ти ос очн пр термодинами ки II начало термотедин термодинам Закон возрастания Энтропии ики Академик К. В. Фролов усталос ть температуростойкость ти ос й но ст ет ни ше ы ра пе йк сто о тур ло та с е у ни термотединамики е в по Надежность – способность сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность 14 выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях
Критерии науки • наука должна иметь объект исследования • наука должна иметь методы исследования ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП, предел разрешения 200– 250 нм электронный микроскоп, предел разрешения соизмерим с параметрами кристаллической решетки
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА МИКРОСКОПА
микрофотография крошечных водных организмов - планктона
электронный микроскоп, предел разрешения соизмерим с параметрами кристаллической решетки
электронная фотография бактерии, х 105
1986 г. 1981 г. ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП атомарное разрешение 20
написано молекулами 1986 г. СИЛОВОЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП захват и перемещение атомов и молекул 21
2014 г. Новая технология позволяет снимать отдельные клетки со скоростью 1000 кадров в секунду Эрик Бетциг, Уильям Мернер и Штефан Хеллем разработали новую В биологических исследованиях прямое наблюдение за микроорганизмами и живыми структурами через микроскоп сопряжено методику микроскопии флуоресцентную микроскопию, с повреждением тканей и ДНК изучаемых существ. Это происходит из позволяющую наблюдать за микроорганизмами в режиме реального времени, снимать их на видео и не наносить им вреда, -за того, что свет, используемый в современных микроскопах, и тем что облегчит проведение анализов, а значит, и диагностику заболеваний более ускоренные электроны, слишком агрессивны для предмета биологических исследований, и до сих пор попытки уменьшить вред облучения без потери качества микрофотографий к успеху не приводили
Критерии науки • …исследование будет почитаться истинной наукой в том случае, если результат может быть выражен математически… (Л. да Винчи) … все разделы математики взаимосвязаны, взаимозависимы и играют определяющую роль в развитии науки, техники, технологии и производства … П. Л. Чебышёв … наука там, где свойство вещества выражается числом … теория чисел, теория вероятностей, теория приближения функций, математический анализ, геометрия, прикладная математика Д. И. Менделеев
Критерии науки • наука должна иметь преемственность • наука должна обладать предсказательным действием (эвристичность)
НАУЧНАЯ ШКОЛА — оформленная система научных взглядов, форма кооперации научной деятельности, коллектив исследователей, удовлетворяющий критериям: - наличие научного лидера, конструктора новой исследовательской программы - наличие «учеников» , приверженцев созданной лидером научно— исследовательской программы, объединенных в научную группу - существование нескольких поколений (не менее 3 -х) приверженцев данной программы - эффективность программы, подтвержденная деятельностью ее приверженцев НОВЫЙ НАУЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ - НОВЫЙ МАТЕРИАЛ - НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ (SI) наименование величины сокращенное обозначение единица измерения русское международн русско международн ое название е metre (meter) м m kilogram кг kg second с s ампер ampere А A термодинамиче ская температура кельвин kelvin К K сила света кандела candela кд cd длина масса время сила тока количество метр килогра мм секунда
страны, применяющие метрическую систему единиц (SI) С 1 января 1963 г. в СССР введен государственный стандарт на единицы измерений физических величин ГОСТ 9867 -61 для всех областей науки, техники, народного хозяйства, педагогической практики
страны, использующие британскую систему единиц
2. НАНОТЕХНОЛОГИИ: ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ 2. 1. История 2. 2. Физические основы и фундаментальные положения • сканирующая зондовая микроскопия • наноматериалы • наночастицы • самоорганизация наночастиц • проблема образования агломератов • микро- и нанокапсулы • нанотехнологические сенсоры и анализаторы • современные представления о направлениях исследований
этапы развития нанотехнологий 1959 г. Р. Фейнман, идея о манипулировании атомами Предложил делать манипулятор механически перемещающий одиночные атомы, 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 1981 г. Бининг и Рорер создали туннельный микроскоп 1985 г. достижение атомарного разрешения 1986 г. атомно-силовой микроскоп 1990 г. манипуляция отдельными атомами 1994 г. применение нанотехнологии в До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому не удалось создать такие механизмы промышленности
РИЧАРД ФЕЙНМАН
ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИИ МАТЕРИЯ - объективная реальность, данная человеку в его ощущениях, существующая независимо от нашего сознания, но познаваемая путем: ►наблюдения ► эмпирического исследования (от греч. empeiria – опыт) – это опытное познание ► теоретического исследования (от греч. theoria – рассматриваю, исследую) представляет собой систему логических высказываний, дополненных математическими формулами, схемами, графиками и др. , применяемых для установления законов природных, технических и социальных явлений
ЭТАПЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ Ø КОНЦЕПЦИЯ (лат. ) – понимание; определенный способ понимания, трактовки идея, замысел явления, руководящая Ø ГИПОТЕЗА (греч. ) – основание, предположение; суждение о закономерной связи явлений Ø МОДЕЛЬ (лат. ) – мера, образец; образ процесса, объекта, явления Ø ТЕОРИЯ (греч. ) – рассмотрение; система основных идей в той или иной отрасли знания Ø ПАРАДИГМА (греч. ) – пример; способ организации знаний, воплощенный в системе понятий, задающий характер видения мира, предписывающий выбор направлений исследований, господствующий в течение определенного исторического периода в науке Ø ЗАКОН – необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся
• Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона (1704 г. ), где он выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул» . • Основы НТ были заложены во второй половине XIX века в связи с развитием коллоидной химии: - в 1857 г. М. Фарадей впервые получил устойчивые коллоидные растворы (золи) золота, имеющие красный цвет. - в 1861 г. Т. Грэму удалось провести коагуляцию золей и превратить их в гели. Он также ввел деление веществ по степени дисперсности структуры на коллоидные (аморфные) и кристаллоидные (кристаллические)
• В 1869 г. российский химик И. Борщов высказал гипотезу, что вещество в зависимости от условий может быть получено и в кристалловидном (склонность к образованию кристаллов), и в коллоидном (аморфном) состоянии. Изменяя соответствующим образом условия перехода вещества в твердое состояние, можно получить в кристаллическом состоянии типично аморфные вещества (каучук, клей, стекло) и, наоборот, в аморфном (стеклообразном) состоянии получить типично кристаллические вещества (металлы и поваренную соль)
• В 1892 г. Д. Ивановским была открыта первая биологическая коллоидная частица – вирус мозаичной болезни табака • В 1901 г. У. Рид выделил первый вирус человека – вирус желтой лихорадки. Вирусы имеют размеры от 40 до 80 нм УЛЬТРАМИКРОСКОП — оптический прибор для обнаружения частиц малых размеров (до 2 нм), которые нельзя наблюдать в • В 1903 г. Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом был обычные микроскопы. изобретен оптический ультрамикроскоп, имеющий В ультрамикроскоп наблюдаются не сами частицы, а большие по разрешение до 5 нм и позволивший наблюдать размерам пятна дифракции света на них. Размеры и форму частиц в коллоидные частицы ультрамикроскоп установить нельзя, однако можно определить их Ультрамикроскоп построен на принципе концентрацию и вычислить средний размер. Применяется при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты воздуха и наблюдения в отраженном свете, благодаря чему воды и т. д. Примером использования ультрамикроскопа для становятся видимыми более мелкие объекты, чем в изучения наночастиц служит метод анализа траекторий наночастиц обыкновенном микроскопе. С помощью ультрамикроскопа удалось
• В 1904 г. П. Веймарном установлено: Между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих ей новых физико-химических свойств – ультрадисперсное или коллоидное состояние, образующееся при степени его дисперсности в области 105– 107 см-1, в котором пленки имеют толщину, а волокна и частицы – размер в поперечнике в диапазоне 1, 0– 100 нм • До середины 80 -х годов ХХ века считалось, что в аморфных веществах отсутствует упорядоченное расположение частиц. Однако проведенные с помощью высокоразрешающих электронных просвечивающих, сканирующих туннельных и силовых атомных микроскопов исследования, особенно на металлических стеклах, позволили обнаружить у аморфных веществ кристаллиты или зерна с размерами в субстананометровом диапазоне
• Таким образом, аморфные вещества и материалы характеризуются ультрадисперсной (коллоидной) степенью раздробленности зерен кристаллической фазы, и их называют нанокристаллическими • Кристаллическое состояние вещества всегда более устойчиво, чем аморфное (нанокристаллическое), поэтому самопроизвольный переход из аморфного • Многообразие коллоидных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний; иметь неорганическую, органическую и биологическую природу
• В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды возможны 9 типов нано-систем : среда Г Ж Т Г смесь газов пена аэрогель пенопласт Ж туман эмульсия мазь Т аэрозоль смог суспензия золь сплав композит фаза
НАНОЧАСТИЦАМИ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ЯВЛЯЮТСЯ: • • • - нанокристаллические зерна; - наноразмерные полиморфные фазы; - наноразмерные структурные дефекты (наноблоки); - поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки); - объемные наноструктуры (поры и капилляры); - наноразмерные химические фазы из чужеродных атомов или молекул, cформированные на его поверхности или в объеме и имеющие волокнисто- или корпускулярнообразную форму; - наноразмерные структуры, образующиеся в результате физического или химического осаждения из газовой или жидкой фазы (фуллерены, углеродные нанотрубки); - пленки веществ наноразмерной толщины, сформированные в периодической последовательности; - макромолекулы, полимолекулярные ансамбли, молекулярные пленки, молекулярные комплексы типа "хозяин – гость" (наличие распределения по размерам является признаком, отличающим наночастицы от макромолекул); наноразмерные и наноструктурированные биологические структуры (вирусы,
• Область коллоидной химии, изучающая процессы деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, выделилась в физико-химическую механику твердых тел и ультрадисперсных структур. Она сформировалась в середине ХХ века благодаря работам академика П. Ребиндера и его школы как новая отрасль знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике материалов и технологии их производства. • Основной задачей физико-химической механики является создание конструкционных материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применения структурой.
• Еще одной отраслью, которая изучает и создает элементы, структуры и приборы в субстананометровом диапазоне, является микроэлектроника, в которой можно выделить наноэлектронику (разработка и производство интегральных схем с субстананометровыми размерами элементов – интегральных наносхем (ИНС), молекулярную электронику, функциональную электронику наноструктурированных материалов и наноэлектромеханические системы (НЭМС). • Все термины, связанные с созданием и изучением коллоидного (наноструктурированного) уровня структуры материи под брендом "нанотехнология", автоматически получили приставку "нано", хотя до середины 1980 -х годов они назывались соответственно: механика, фотоника, кристаллография, химия, биология и электроника ультрадисперсных или • Возникновение интереса к коллоидному состоянию вещества под брендом "нанотехнология" в последние 20 лет обусловлено, во-первых, его уникальными свойствами, а во-вторых, развитием и созданием технологического и контрольноизмерительного оборудования для получения и исследования
• Вместо открытия новых материалов и явлений в результате счастливого случая или хаотических исследований контролируемый перевод вещества в наноструктурированное (коллоидное) состояние, называемый концепцией нанотехнологии, позволяет делать это систематически. Вместо того чтобы находить наночастицы и наноструктуры с хорошими свойствами с помощью интуиции, знание законов образования и стабилизации ультрадисперсных систем открывает возможность их искусственного конструирования по определенной системе • Особенно интересным оказалось приобретение некоторыми Методы получения наноструктурированных систем по первому пути хорошо известными веществами совершенно новых свойств при называются наноразмерах диспергационными, • Наноструктурированные (коллоидные) системы, в а по второму – конденсационными. соответствии с их промежуточным положением между миром Существуют смешанные методы получения наноструктурированных атомов и молекул и миром микроскопических и систем, которые называются соответственно макроскопических тел, могут быть получены двумя основными диспергационно-конденсационными путями: диспергированием, т. е. измельчением (дроблением) и конденсационно-диспергационными. крупных систем, и конденсацией, т. е. образованием наносистем
3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ • - электроника • - наноматериалы • - наночастицы • - самоорганизация наночастиц • - проблема образования агломератов • - микро- и нанокапсулы • - нанотехнологические сенсоры и анализаторы
ФИНАНСИРОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ • На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций • Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз (примерно 15%) и Япония (20%) • Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре и Тайване • Мировыми лидерами в 2004 г. по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых нанотехнологий на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объем инвестиций составил $4 млрд. ), США — на 122 % ($3. 4 млрд. ) • В 2008 году финансирование России на развитие нанотехнологий достигло уровня США примерно, 1950 -1955 гг. • Если в 2007 году суммарные затраты стран мира на исследования составили примерно $13 млрд. , то в 2012 году они увеличились вдвое
• По мнению экспертов, чтобы нанотехнологии стали реальностью, ежегодно необходимо тратить не менее $1 трлн. По прогнозам Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии СШАNational Nanotechnology Initiative, развитие нанотехнологий в 2015 г. позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в $17 млрд. и примерно 2 млн. рабочих мест. • Ряд нанотехнологий используется на практике - к примеру, при изготовлении цифровых видеодисков (DVD).
• В середине 1990 -х годов Пентагон включил нанотехнологии в список шести стратегических областей фундаментальных исследований, что предопределило стабильное финансирование на долгосрочный период • В 2000 году президент Билл Клинтон объявил о начале реализации «Национальной нанотехнологической инициативы» • В период с 2005 по 2008 годы на изыскания в этой области США выделили около 3, 7 миллиарда долларов (включая и гражданские проекты). • В 2004 году был составлен обновленный план на период до 2015 года. Он предусматривал финансирование следующих направлений: - фундаментальные нанометрические явления и процессы; - наноматериалы; - нанометрические устройства и системы; - исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты; - производство наноизделий;
• Разработана «Стратегия развития нанотехнологической отрасли» . Согласно этому документу, на развитие «наноиндустрии» к 2015 году будет выделено 180 миллиардов рублей. Освоение средств возложено на «Роснанотех» , работающий под контролем правительства. При этом «Роснанотех» выведен из-под действия закона о банкротстве. Таким образом, созданы оптимальные условия для реализации нанопроектов. Основными направлениями исследований российских ученых являются создание высокопрочных материалов (в частности, «жидкая броня» ) • мощных энергоисточников ( «аморфный кремний» НПП «Квант» ) • невидимых и меняющих цвет нанообъектов • наноматериалов для униформы военнослужащих, • новой защиты от оружия массового поражения и др.
НАНОАККУМУЛЯТОРЫ -- в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов Аккумуляторы с Li 4 Ti 5 O 12 электродами имеют время зарядки 10 -15 мин С 2006 г. компания производит аккумуляторы на заводе в Индиане В марте 2006 г. Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля В мае 2006 г. успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов В июле 2006 г. Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей
• Солдат будущего Особую роль в достижении поставленных целей играет созданный на базе Массачусетского технологического института Институт военно-прикладных нанотехнологий. Институт занимается разработкой экипировки и вооружения в рамках семи проектов, каждый из которых посвящен повышению возможностей «солдата будущего» . Среди первых опытных образцов, созданных в рамках одного из проектов, необходимо отметить боевой бронежилет толщиной несколько миллиметров. Такая «динамическая броня» будет содержать сложные наномолекулярные соединения, благодаря которым новая форма будет одновременно совмещать в себе бронежилет, а также экзоскелет и универсальное медицинское оборудование
• Кроме того, Пентагон ежегодно выделяет компании Inframat Corp. около двух миллиардов долларов в год на исследования «нанокраски» (нанолака), которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины. • Ученые, которые занимаются созданием нанооружия, утверждают, что благодаря потенциалу наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружения, которое будет в десятки раз мощнее обычного оружия. Оно будет напоминать облако пыли, способное взорвать любой объект, в том числе и подземный Портативная солнечная батарея в виде пластины крепится на шлеме
• Пуля не пробивает экспериментальный образец человеческой кожи, несмотря на то, что стрельба ведется с близкого расстояния. • Суперкожу выращивают в специальном инкубаторе. В нем поддерживают температуру человеческого тела — внутри живая ткань. Это идея биохимика Джалилы Эссаиди – создать замену бронежилетам. Не специальный костюм, который надо надевать, а защиту, которая эффективна всегда, даже если человек и не думает об опасности. • Сегодня официально запрещено экспериментировать с человеческими генами, но, возможно, когда будет создан человек версии 2. 0, это будет трансгенный организм с пуленепробиваемой кожей • Секрет прочности — паутина гигантского мадагаскарского паука-златопряда. Из нее плетется сверхпрочная ткань, которую потом облепляют клетки эпидермиса. Паутина идеальный натуральный материал для таких опытов
«УМНАЯ ПЫЛЬ» • По мнению зарубежных военных специалистов, разведка местности с помощью «умных молекул» станет возможна уже через 7 -10 лет. • Облако «умной пыли» будет состоять из пылинок, представляющих собой часть системы наблюдения и анализа. Среди них будут видеокамеры с возможностью передачи информации, каналы связи, узлы обработки разведданных. Такой разведцентр, напоминающий небольшое дымное облако, должен самостоятельно перемещаться и обладать высокой степенью живучести и защищенности
Великобритания • Наиболее интересным нанопроектом в Великобритании является MFI (Micromechanical Flying Insect — механическое летающее насекомое). В рамках программы предполагается создание микроробота-шмеля. • В Центре исследований в области наноэлектроники в Глазго, уже создана математическая модель процесса собирания устройств в стаи и обмена информацией между ними для совместных действий. • Ведутся разработки моделей боевого применения групп MFI в различных видах боя. Планируется, что себестоимость таких насекомых составит около 10 центов, а производить их будут так называемые «нанофабрики» прямо на поле боя Китай В настоящее время в Китае насчитывается около 800 компаний, занимающихся внедрением нанотехнологий, и более 100 научно-исследовательских лабораторий. Характер их работы традиционно остается закрытым, но большинство из них ориентировано на удовлетворение нужд обороннопромышленного комплекса. Наибольший интерес у китайских
Израиль • Один из самых амбициозных военных проектов— боевой роботшершень. • Предполагается, что такой летательный аппарат будут использовать для обнаружения и уничтожения противника на поле боя, в первую очередь в районах жилой застройки. Шершень планируется оборудовать видеокамерой, которая позволит передавать картинку на пункт управления войсками, также он сможет нести на себе заряд взрывчатки. • Помимо боевых нанороботов, израильские ученые разрабатывают систему микродатчиков, которые можно будет разбрасывать на территории противника, чтобы с их помощью в режиме реального времени получать всевозможную информацию о происходящем на месте. • Также в Израиле идут исследования, направленные на создание новых видов индивидуальной защиты военнослужащих. Создается легкий и суперпрочный материал для производства специальной одежды для бойцов, которая призвана заменить тяжелые бронежилеты. В городе Кирьят. Гате построен завод стоимостью более 3, 5 миллиардов долларов для разработки и производства подобных материалов
4. РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ 4. 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ 4. 2. ПОЗИЦИИ В МИРОВОМ РЕЙТИНГЕ
Зеленоградский нанотехнологический центр http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/zntc Зеленоград www. zntc. ru http: //www. zntc. ru Основные направления специализации • Наноэлектроника и микросистемная техника • Новые материалы и технологии • Чистые технологии (энергосбережение, альтернативная энергетика и экология) • Биотехнологии
Проект создания наноцентра в Зеленограде был отобран в ходе первого открытого конкурса в 2010 г. ЗНТЦ сотрудничает с ведущими мировыми лидерами в области нанотехнологий и производства полупроводниковых изделий, среди которых: Fraunhofer, SVTC, TSMC, «Российская электроника» , «Приводная Техника» , «Ангстрем» , «Микрон» , завод «ПРОТОН-МИЭТ»
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ Наноэлектроника и микросистемная техника Автомобилестроение (системы управления и обработки информации с использованием МЭМС и НЭМС сенсоров) Авиация и ракетно-космическая техника (интеллектуальные системы навигации и управления на основе МЭМС и НЭМС гироскопов и акселерометров, систем на основе матриц микрозеркал) Телекоммуникации (спиновый наногенератор) Промышленная автоматика (МЭМС сенсоры физических, биологических и химических величин) Потребительская робототехника Новые материалы и технологии 3 D-технологии, создание сложных вертикально интегрированных систем (TSV) Радиационно-стойкие элементы Элементы энергонезависимой и магниторезистивной памяти
Чистые технологии (энергосбережение, альтернативная энергетика и экология) Интеллектуальные электронные энергосберегающие системы, приборы и оборудование Гибкие фотоэлектрические преобразователи энергии Энергонезависимая система на основе пьезогенератора Разработка модулей очистки жидкости Биотехнологии Технологии и оборудование для секвенирования ДНК/РНК Биомедицинские технологии для вакцинологии Исследования клеточных структур Медицинские системы и диагностические комплексы
В результате опытов по выращиванию гидроксилаппатита, удалось получить уникальный полимер, который может быть совместим с тканью человеческого организма. Более того, этот полимер способен заменить недостающие участки костной или мышечной ткани.
К 2015 году объем нанопроизводства в России в рамках 84 проектов, 4 наноцентров и 7 инвестиционных фондов «Роснано» должен составить 20 млрд евро Основными проектными направлениями корпорации нанотехнологий являются: - медицина, - металлообработка, - оптоэлектроника, - солнечная энергетика, - наноэлектроника - разработка новых материалов Все производственные линии проектов госкорпорации будут располагаться непосредственно в нашей стране.
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ -- протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой ФУЛЛЕРЕНЫ -- молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода Были обнаружены и получены в 1985 году: Крото, Смолли и Ферлом при испарении графита под воздействием высокой температуры (около 10000 С) при помощи лазера В 1996 году за открытие и последующие исследования учёные удостоились Нобелевской премии
Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. Они в 50 -100 раз прочнее стали и имеют в 6 раз меньшую плотность. Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок в двое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие. Под действием механических напряжений, превышающие критические, трубки не ломаются и не рвутся, а перестраиваются. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности), нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками.
материалы АЛЛОТРОПИЯ УГЛЕРОДА –С ≡ С – = С= С= КАРБИН ГРАФИТ АЛМАЗ C 60 фуллерены и другие аллотропные формы углерода ГРАФЕН
АЛЛОТРОПИЯ УГЛЕРОДА 2010 г. А. ГЕЙМ ГРАФЕН 6, 6, 12 -ГРАФИН К. НОВОСЕЛОВ
ГРАФЕН -- монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 г. в Манчестерском университете (The University Of Manchester) Графен можно использовать, как детектор молекул (NO 2), позволяющий идентифицировать приход и уход единичных молекул Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему является перспективным материалом, который заменит кремний в интегральных микросхемах Однако для этого необходимо решить проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле
ШУНГИТ уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в его состав углерода и структуре самих пород. Шунгитовый углерод – это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы. Кроме углерода в состав шунгита входят Si. O 2 (57, 0%), Ti. O 2 (0, 2%), Al 2 O 3 (4, 0%), Fe. O (2, 5%), Mg. O (1, 2%), К 2 О(1, 5%), S (1, 2%). История открытия шунгита необычна. Шунгит получил своё название в 1887 году от посёлка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера. Сначала планировали использовать этот загадочный минерал как противогарное покрытие при производстве чугуна, как шихту при выплавке ферросплавов, как наполнитель резины. Целебные свойства шунгита известны давно. В 1714 году Петр I основал в здешних краях курорт, который получил название «Марциальные воды» . Название, посвященное богу войны Марсу, курорт получил потому, что на
НАНОРОБОТЫ -- роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами Возможность создания нанороботов рассмотрел в книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер Вопросы разработки нанороботов и их компонентов рассматриваются на профильных международных конференциях
Направление в современной медицине основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне ДНК-НАНОТЕХНОЛОГИИ - используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе заданных структур Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды)
Перечень заболеваний, для профилактики и лечения которых показана шунгитовая вода: - анемия - аллергии различных видов - бронхиальная астма - гастрит - диспепсия - заболевания почек - заболевания печени - диабет - желчнокаменная болезнь, болезни желчного пузыря - ослабленный иммунитет - болезни печени - болезни поджелудочной железы - простудные заболевания - сердечно-сосудистые заболевания - холецистит - синдром хронической усталости
Нанотехнологический центр «Дубна» http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/dubna Дубна, Московская обл. www. nc-dubna. ru http: //www. nc-dubna. ru Основные направления специализации • Функциональные покрытия и новые материалы • Новая энергия (системы накопления энергии, источники энергии и т. д. ) • Радиационно-ионные технологии • Прикладные биотехнологии (ветеринария, с/х, медицина и т. д. ) • Информационные технологии
солнечные нанобатареи Электроны способны перемещаться в слоях связанных между собой полупроводниковых наночастиц, под воздействием света Результаты исследований показали возможность использования наночастиц для создания альтернативных солнечных батарей, более экономичных и эффективных. Теоретически, эффективность работы солнечных батарей, можно увеличить с 12% до 45 %. Производство батарей, использующих кремний, довольно дорого. Более дешевые органические солнечные батареи не так эффективны
Нанотехнологический центр «СИГМА. Новосибирск» http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/sygma Новосибирск sygma. ru http: //sygma. ru Основные направления специализации • Наномодифицированные металлы • Наноструктурированные покрытия • Покрытия CVD • Инкубатор керамических технологий • Инкубатор биомедицинских технологий
эффект “лотоса” Материалы и поверхности, способные эффективно отталкивать воду и другие жидкие загрязнители часто встречаются в природе Один из ярких примеров природного материала, отталкивающего воду — крылья бабочки Papilio Ulysses. Они благодаря своей микроструктуре образуют нечто подобное воздушной подушки. В результате крылья этой бабочки никогда не намокают Кремниевые поверхности с множественными следами нано-эрозии оказались способны сохранять несмачиваемость в течение года
Нанотехнологический центр «СИГМА. Томск» http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/sygmatomsk Томск Основные направления специализации · Биосовместимые материалы для имплантации · Электронно-пучковые технологии
Северо-Западный Нанотехнологический Центр http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/sznc Гатчина, Ленинградская область nwttc. ru http: //nwttc. ru Основные направления специализации • Наноматериалы • Наноэлектроника • Радиационные технологии
НОВЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ Электронные схемы на органических полупроводниках выполняют функцию адресации, записи и чтения информации. Принцип и структура ячеек памяти, аналогичны CMOS (complementary metaloxide-semiconductor) Опытные образцы показали, что промышленное производство устройств на новом типе памяти, очень выгодно отличается от традиционного: - малая стоимость производства - совместимость со многими технологическими - устройствами - отсутствие вреда окружающей среды
Центр нанотехнологий и наноматериалов Республики Мордовия http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/tech nopark-mordovia Саранск cnnrm. ru http: //cnnrm. ru
Ульяновский нанотехнологический центр http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/ul yanovsk Ульяновск www. ulnanotech. com http: //www. ulnanotech. com Основные направления специализации • Автокомпоненты • Авиация и космос • Строительство
Центр нанотехнологий Республики Татарстан http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/nanort Казань nanort. ru http: //nanort. ru Основные направления специализации • Химия и нефтехимия. • Композитные материалы. • Биотехнологии.
Нанотехнологический центр «Техно. Спарк» http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/technospark Троицк www. technospark. ru http: //www. technospark. ru Основные направления специализации • Новая электроника (решения для современной потребительской электроники) • Прикладные лазерные технологии (для медицины, промышленности, охраны окружающей среды) • Новые материалы (включая углеродные и композиционные материалы, оптические покрытия) • Приборостроение, прототипирование и технологический инжиниринг • Медицина будущего (персональная медицина, IT решения)
Нанотехнологический центр «Т-НАНО» http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/t-nano Москва Основные направления специализации • Проектирование и разработка микроэлектронных компонентов и систем на кристалле • Робототехника • Разработке специализированного программного обеспечения
Нанотехнологический центр Композитов http: //www. rusnano. com/projects/nanocenters/ nccrussia Москва nccrussia. com http: //www. nccrussia. com Основные направления специализации • Композитные материалы
«Зеленоградский нанотехнологический центр» - одна из ведущих инновационных компаний, осуществляющая исследования и разработки в области нано- и микросистемной техники Центр основан в 2010 г. корпорацией РОСНАНО, МИЭТ и «Зеленоградским инновационно-технологическим центром» для решения задач генерации и поддержки новых бизнесов в области нано- и микроэлектроники. Располагается в Зеленограде на площадке «МИЭТ» Особой экономической зоны "Зеленоград. Является участником Межотраслевого объединения наноиндустрии Среди клиентов предприятия радиоэлектронной промышленности, которые выступают заказчиками продукции и технологических услуг, а также малые и средние компании, для которых наноцентр предлагает развитую сеть профильных центров коллективного пользования и выступает соинвестором новых проектов
5. ПРОБЛЕМЫ, НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ • - медицина и биология ГЕРОНТОЛОГИЯ наука, изучающая • - промышленность биологические, социальные и психологические • - сельское хозяйство аспекты старения человека, его причины и • - экология (от греч. οικος — дом, обиталище и λόγος — учение) способы борьбы с ним (омоложение). Возникла • - освоение космоса (от греч. kosmos — порядок, строй, мир) — совокупность понятий и явлений, связанных со около века назад • - кибернетика относительно пустые участки Вселенной, взаимоотношениями между человеком и (от др. греч. κυβερνητική — «искусство которые лежат вне границ атмосфер небесных окружающей средой, а также наука, занимающаяся управления» ) — наука об общих закономерностях тел этой сферой процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество
задачи нанотехнологии
направления развития нанотехнологий • изготовление электронных схем • разработка и изготовление наномашин НАНОРОБОТЫ—созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» (1986 г. ) американский учёный Эрик Дрекслер, где автор серьёзно заговорил о способе реализации идеи Фейнмана современными средствами • манипуляция атомами: - перестройка структуры - сборка молекул и макрообъектов
Компьютерная техника и электроника
наномедицина Внешняя навигационная система может использовать ультразвуковые сигналы, чтобы передвигать наноробот в нужном направлении. Врач сможет контролировать маршрут наноробота и маневрировать им в теле пациента
наномедицина
перспективы нанотехнологий • • • медицина - первая половина XXI века биология - середина XXI века наномедицина это: слежение, геронтология - третья четверть XXI века исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на сельское хозяйство - середина XXI века молекулярном уровне, используя экология - середина XXI века разработанные наноустройства и наноструктуры (нанороботы размером от 3 до промышленность - середина XXI века 500 мкм) кибернетика - середина XXI века разумная среда обитания - XXII век освоение космоса - середина XXII века
перспективы нанотехнологий • • • медицина - первая половина XXI века биология - середина XXI века геронтология - третья четверть XXI века сельское хозяйство - середина XXI века экология - середина XXI века промышленность - середина XXI века кибернетика - середина XXI века разумная среда обитания - XXII век освоение космоса - середина XXII века
наномедицина Респироциты и эритроциты
6. ОТНОШЕНИЕ ОБЩЕСТВА К НАНОТЕХНОЛОГИЯМ 6. 1. военная угроза 6. 2. террористическая угроза 6. 2. кибернетическая угроза
• По последним наблюдениям американских ученых, в атмосфере нашей планеты уже находится значительное количество наночастиц, могущих оказать влияние как на погодные процессы, так и на здоровье человека, обострить такие легочные заболевания, как астму, эмфизему и другие • Количество наночастиц в разных частях света увеличивается, но почему это происходит остается загадкой. Ученые занимались вопросом того, как образуются наночастицы и каким образом происходит увеличение их количества, когда они вступают во взаимодействия с различными органическими испарениями. Собираясь в больших количествах, они отражают солнечный свет назад в космос – своего рода обратный парниковый эффект. Это может значительно изменить климат на нашей планете распространение наночастиц в воздухе может Образуясь, наночастицы собираются в облака и могут влиять на погоду. Они образуются в районах, где есть нефтехимические заводы, выбрасывающие много аэрозоля
Книга является первым систематическим обзором потенциальных военных приложений нанотехнологий. В ближайшие 10 -20 лет могут быть созданы сверхмалые компьютеры, более легкие и прочные материалы, новые типы оружия и даже имплантаты, вводимые в организм военнослужащих. Перспективы военных нанотехнологий рассматриваются прежде всего с точки зрения международной безопасности и предотвращения новой гонки вооружений
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ИСКУССТВЕ • Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики. • Нанороботам и их роли в социальном прогрессе посвящена композиция «Nanobots» российской группы Re-Zone. • Нанотехнологии в фантастике • Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона ( «Рой» ), С. Лема ( «Осмотр на месте» и «Мир на Земле» ), С. Лукьяненко ( «Нечего делить» ), С. Кинг ( «Серая дрянь» ). • Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина — руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов. • В научно-фантастическом сериале «Звёздные врата: Атлантида» упоминается раса «репликаторов» , возникшая в результате неудавшегося опыта Древних с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий.
• • • По мнению В. В. Путина, для большинства россиян нанотехнологии сегодня — «некая абстракция вроде атомной энергии в 30 -е годы» . Были проведены исследования, которые показали, что, например, углеродные нанотрубки оказывали губительное воздействие на крыс. Углеродные нанотрубки, попадая в лёгкие крыс, вызывали сильные нарушения, а затем разносились кровью по организму. Или, например, были изобретены носки, содержащие наночастицы серебра. Таким образом, носки не приобретают неприятный запах. Но исследования показали, что при стирке эти наночастицы попадают в воду, в которой могут вызвать сильные нарушения работы мозга и функций размножения организмов, живущих в воде. Так как практически все канализационные воды попадают в природные водоёмы, это может нанести вред не только организмам, живущих в них, но и людям. Главная проблема в том, что наночастицы проникают сквозь абсолютно все очистительные фильтры, которые существуют на наш день. Поэтому, так как использование нанотехнологий становится всё более активным, произойдёт и некоторая революция в экологии. Будут создаваться специальные фильтры, задерживающие наночастицы.
• Однако нанотехнология - новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения • Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии как у неспециалистов, так и у специалистов может быть связано с религиозностью, а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов • C 2005 года функционирует организованная CRN международная рабочая группа, изучающая социальные последствия развития нанотехнологий • В октябре 2006 года Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья, в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях безопасности • Организация «Гринпис» требует полного запрета исследований в области нанотехнологий • Несмотря на множество явного положительного влияния на жизнь современных людей, нанотехнологии могут нанести и вред, используясь в некоторых отраслях Особенно это касается применения НТ в военных целях
нано техно логии
нанотехника
Скачать презентацию НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИЯ область фундаментальной и
10 НАНОТЕХ.pptx