Нанотехнологии Лицей «Дубна» 2009
План: l l l История нанотехнологий и их место среди других наук Некоторые необычные физические явления, проявляющиеся в наномире Возможные применения нанотехнологий Государственные проекты по нанотехнологиям Опасности нанотехнологий
Нанотехнологии: место среди других наук
С чего все начиналось There’s plenty of room at the bottom Ричард Фейнманн (1959) « 1000$ тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (дюйм ~ 2, 5 см)» а) Фейнман рассматривает моторчик под микроскопом Сам моторчик по сравнению с булавочной головкой b)
Кто такие «нанотехнологи» ? специалисты по информатике и компьютерам инженеры-электроники инженеры-механики физики химики нанообъекты биологи «материалисты» «Нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества к прогрессу» .
Почему нанотехнологии – это интересно? При уменьшении объектов до наноразмеров их свойства изменяются: l l l Цвет зависит от размеров Прочность увеличивается в десятки раз, а пластичность исчезает Температура плавления падает на сотни градусов Реакционная способность веществ растет Появляется способность к самосборке, самоорганизации. . .
Наночастицы меняют свой цвет Рассмотрим полупроводниковые кристаллы размером в несколько нанометров ( «квантовые точки» ): - размер наночастиц - длины волн видимого света Схематическое изображение уровней энергии и энергетических зон электрона в полупроводнике Полупроводники должны чувствовать падающий на них свет, испуская при этом свет меньшей частоты. Частота определяется шириной запрещенной зоны.
Светиться в соответствии с размером! Энергия, необходимая для отрыва валентного электрона и перевода его в зону проводимости, зависит также от того, находится атом на поверхности или внутри вещества. Частота испускаемого света уменьшается с увеличением размеров частиц
Применение «квантовых точек» : l Флуоресцирующие маркеры l Квантовые приборы (транзисторы, лазеры) Эксперименты по квантовой механике Египтяне окрашивали волосы с помощью квантовых точек www. nkj. ru/news/7015/ l l
Что такое нанопроволоки и почему они такие прочные? Нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра (100 размеров атома), изготовленные из металла, проводника или диэлектрика. Один из методов изготовления нанопроволок – эпитаксия, ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого. Деформация: тип механизм Упругая деформация, обратимая За счет межмолекулярных связей Пластическая деформация, необратимая Дефекты кристаллической решетки -> микротрещины, которые при увеличении нагрузки приводят к разрушению В монокристаллах почти нет дефектов кр. решетки => увеличение прочности в десятки раз! Механическая нагрузка
Почему наночастицы плавятся при низкой температуре? Температура плавления образца макроразмеров: Никель – 1450 С Медь – 1350 С Зависимость температур плавления и кристаллизации от радиуса кластеров никеля и меди.
Почему наночастицы плавятся при низкой температуре? Поверхностные атомы в веществе находятся в особых условиях. Зависимость поверхностной доли атомов от их числа в кубике кристаллического вещества Структурные изменения кластера никеля при нагревании до различных температур
Наночастицы золота в борьбе с раком: 1. Пациенту вводят препарат, содержащий триллионы наночастиц. 2. Благодаря биополимерной оболочке имунная система их не «видит» , поэтому они с кровотоком путешествуют по организму 3. Антитела распознают клетки опухоли и прикрепляют к ним наночастицу 4. Пациента помещают в высокочастотное магнитне поле => намагниченные ядра наночастиц разогреваются 5. Температура убивает раковые клетки + Достаточно одной процедуры Нет вредного воздействия на окружающие ткани
Наночастицы серебра – яд для бактерий 1. Известно, что серебро не участвует в большинстве химических реакций 2. Серебро реагирует с клеточной мембраной бактерии или вируса, блокируя ее способность передавать О 2 внутрь 3. Бактерии гибнут от «удушья» 4. Клетки млекопитающих имеют мембрану другого типа, поэтому для них серебро безвредно Изображения, полученные с электронного микроскопа: а) волокна ткани b) ткань после нанесения частиц серебра с) частицы серебра на поверхности волокна
Самоочищающаяся нанотрава и «эффект лотоса» 1. Множество одинаковых наностержней на подложке – «нанотрава» 2. Из-за большого поверхностного натяжения, капля воды, попав на «нанотраву» , сворачивается в шарик Вода и частички грязи не прилипают к «нанотраве» , т. к. 3. Частички грязи, оказавшись на такой касаются ее только в поверхности, сваливаются сами или увлекаются каплями воды нескольких точках
«Нанотрава» в батарейках 1. Большая площадь электродов батарейки => больший ток даёт => быстрее заряжается 2. - «нанотрава» сильно увеличивает площадь поверхности, на которой находится 3. 2. Основной недостаток современных батареек – после долгого хранения полностью теряют работоспособность. Причина – электролит и электроды находятся в постоянном контакте Схематическое изображение «нанотравы» из наностержней 300 нм диаметра, растущей на одном из электродов батарейки. Из-за гидрофобных свойств материала нановолосков раствор голубоватого электролита не может приблизиться к поверхности «красного» электрода, и батарейка не теряет своей мощности в течение многих лет. Взято из Scientific American
Торжество нанотехнологий l l l Концепт-телефон от Nokia Гибкие материалы, прозрачная электроника Самоочищающиеся поверхности Солнечные батареи на основе «нанотравы» Сенсоры позволяют определить чистоту воздуха и количество хим. добавок в продукте
Сколько стоят нанотехнологии? l l l 1999 г. Япония, «Национальная программа работ по нанотехнологиям» . Лидер по объему инвестиций в нанотехнологии – 6 млрд. $ до 2010 года. 2000 г. США, «National Nanotechnology Initiative» - гос. программа. 5. 6 млрд. $ до 2010 года. 2007 г. ЕС, «Nanosciences, nanomaterials and new technologies» . 4. 6 млрд. $ до 2010 года. Россия планирует инвестировать в нанотехнологии 8 млрд. $ до 2011 года. «Российская корпорация нанотехнологий» (Рос. Нано. Тех) Эксперты полагают, что уже в самые ближайшие годы специалист по нанотехнологиям станет одной из 10 самых востребованных профессий в России!
Опасности нанотехнологий l Маленькие размеры: l l l 70 нм – могут прониакть в легкие 50 нм – в клекти 30 нм – в кровь и клетки мозга Хорошие адсорбенты -> могут быть носителями токсинов (Ti. O вызывает патологию внутренних органов, exp. на рыбах) Защитные силы организма не распознают их изза маленького размера Долговременное действие на организм еще не исследовано
Нанотехнологии в интернете: l http: //www. nanonewsnet. ru/ - сайт о нанотехнологиях #1 в России l http: //www. nanometer. ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр» l http: //nauka. name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках l http: //www. nanorf. ru/ - журнал «Российские нанотехнологии» l http: //www. nanojournal. ru/ - Российский электронный наножурнал l http: //www. nanoware. ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров l http: //kbogdanov 5. narod. ru/ - «Что могут нанотехнологии? » , научнопопулярный сайт о нанотехнологиях (!!!) http: //www. nanonewsnet. ru/ l
Скачать презентацию Нанотехнологии Лицей Дубна 2009 План l l
b84ffb30c48fcae80821597fb6392197.ppt