Эссе
на тему «За» и «Против» нанотехнологии
как качественному переходу от манипуляции
веществом к манипуляции отдельными
атомами»
В
последние десятилетия существенное
внимание уделяется новому направлению
в естественных и технических науках –
нанонауке и нанотехнологии. Согласно
определению Национальной нанотехнологической
инициативы США [1], суть нанотехнологии
заключается в способности работать на
молекулярном уровне, атом за атомом,
создавая большие структуры с фундаментально
новой молекулярной организацией.
Нанотехнология имеет дело с материалами
и системами, структура и компоненты
которых демонстрируют новые и значительно
улучшенные физические, химические и
биологические свойства, явления и
процессы, обусловленные их нанометровым
размером.
Интерес
к нанотехнологии как принципиально
новому возможному методу получения
материалов методом «снизу – вверх»
(т.е. путем сборки материала из отдельных
атомов и молекул) проявился благодаря
выступлению американского физика
Ричарда Фейнмана «There’s Plenty of Room at the
Bottom» [2], в котором он рассмотрел возможность
манипулирования отдельными атомами
как процесс, не противоречащий законам
физики.
Позднее
к идеям конструирования вещества путем
его сборки из отдельных атомов обратился
американский физик и футуролог Эрик
Дрекслер. В 1986 г. вышла его книга «Машины
создания: пришествие эры нанотехнологии»,
в которой он рассмотрел принципы
молекулярной технологии – технологии
манипуляции отдельными атомами и
молекулами, а также молекулярные машины
(ассемблеры) – устройства нанометрового
размера, позволяющих конструировать
молекулы из отдельных атомов по заданному
принципу (аналогично молекулам ДНК в
биологических системах).
Идея
нанотехнологии как процесса манипулирования
отдельными атомами в том виде, в котором
ее представил Дрекслер, вызвала оживленные
споры и негативные отклики. С этической
точки зрения считалось, что разработка
и внедрение такой технологии повлечет
за собой создание новых молекулярных
форм, способных причинить вред всему
живому, выход из-под контроля
устройств-ассемблеров а также их
использования в качестве оружия массового
уничтожения.
Однако,
с точки зрения законов физики и здравого
смысла возможность создания наноассемблеров,
конструирующих молекулы из отдельных
атомов, не была подтверждена, и идеи
Дрекслера так и остались громким
футурологическим прогнозом. Впоследствии
свое предположение отверг и сам Дрекслер
[3].
Однако,
нанотехнология в широком смысле не
ограничивается лишь конструированием
вещества из отдельных атомов. Нанотехнологию
следует рассматривать как умение
целенаправленно создавать и использовать
материалы, устройства и системы, структура
которых регулируется в диапазоне
размеров приблизительно 1-100 нм. Материалы
в таком диапазоне размеров, благодаря
проявлению размерных эффектов, обладают
новыми свойствами, отличающимися от их
крупномасштабных аналогов. В настоящее
время разработано множество способов
применения наноматериалов в различных
областях химии, техники, медицины и т.д.
Использование наноматериалов зачастую
позволяет улучшить характеристики
традиционных материалов или заменить
их, а в некоторых случаях – создать
новые материалы, обладающие ранее
недоступными характеристиками. Данный
аспект применения наноматериалов и
технологий их получения несомненно
является весомым аргументом в поддержку
развития нанонауки и нанотехнологии.
Однако,
важно отметить, что размерные эффекты,
проявляемые в наноматериалах, могут
вызывать также неожиданные негативные
действия. Примером такого отрицательного
воздействия некоторых наноматериалов
является их высокая токсичность и
реакционоспособность. Противники
нанотехнологии в частности и
технологического прогресса в общем
рассматривают данный факт как аргумент
против нанотехнологии. Действительно,
они правы в том, что при разработке
нового материала или новой технологии
следует уделять внимание не только их
преимуществам, но и рассматривать
возможные опасности получаемого
материала или создаваемого метода.
Однако, данной позиции следует
придерживаться любому исследователю,
независимо от области его деятельности. Список используемых источников:
1.
National Nanotechnology Initiative (NNI) http://www.nano.gov
2.
Feynman Richard P.: Classic talk that Richard Feynman gave on
December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical
Society at the California Institute of Technology (Caltech). «There’s
Plenty of Room at the Bottom». http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/14388
3.
Drexler K. Eric. Engines of Creation 2.0: The Coming Era of
Nanotechnolo-gy – Updated and Expanded. WOWIO
Books, 2007.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире далеко не все знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Главная цельданной работы заключается в ознакомлении с нанотехнологией. Ещё одной целью является выяснить применение данной науки в различных сферах и узнать, опасны ли нанотехнологии для человека.
Часть науки и техники, называемаянанотехнологией, появилась относительно недавно. Перспективы этой науки поистине масштабны. Само понятие «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. К примеру, нанометр – одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами нуклонов и атомов. Точное определение нанотехнологий выражается так: нанотехнологии – это технологии, с помощью которых можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Толчком к прогрессу в нанотехнологиях стала лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно обосновал, что с физической точки зрения нет никаких преград для того, чтобы создавать объекты прямо из атомов. Для обозначения способа эффективного манипулирования атомами было придумано понятие ассемблера – молекулярной наномашины, которая способна построить любую молекулярную структуру. Пример естественного ассемблера – рибосома, синтезирующая белки в живых организмах. Ясно,чтонанотехнологии – это не просто отдельная часть науки, это масштабная, крупная зона исследований, связанных с естественными науками. Можно утверждать, что практически каждая дисциплина, из тех, что изучаются в школьной программе, каким-либо будет связана с технологиями будущего. Наиболее тесно нанотехнологии связаны с физикой, химией и биологией. Скорее всего, именно эти дисциплины получат самый значимый толчок в развитии в связи с приближающейся нанотехнологической революцией.
1. НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННости
1.1.История возникновениянанотехнологий
Прародителемнанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он первым начал использовал понятие “атом” для описания наименьшей частицы вещества. На протяжении двадцати с лишним веков люди пытались понять тайну строения данной частицы. Решение этой нерешаемой для многих поколений физиков задачи стало реальным в первой половине ХХ века после изобретения немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который дал возможность исследовать нанообъекты.
Уже сейчас проведены исследования по удалению неоперабельных раковых опухолей. Ученые применили «нанопулю» – белковый комплекс, содержащий атомы серебра. «Нанопули» прошивают раковые клетки и болезнетворные бактерии, при этом не повреждаются здоровые клетки.
Свое применение в быту нанотехнологии могут найти в сфере пыле- и влагозащиты поверхностей. Только представьте, как это удивительно и прекрасно – дом, в котором нет пыли, грязи и болезнетворных бактерий.
Одна из самых перспективных отраслей – это военная отрасль. Самовосстанавливающиеся боевые машины, нанокостюмы, сверхпрочные материалы, и это – далеко не весь перечень возможного применения наночастиц. Шпионаж и разведка местности – вот где не будет равным нанороботам, а также – точечное уничтожение военной техники или противника. Так, например, облако нанороботов оседает на объекте и путем нагрева поверхности за счет создаваемого трения происходит перегрев и полное уничтожение живых организмов.
Те же нанороботы могут быть и санитарами – помогать в защите окружающей среды. Например, поглощая и транспортируя для переработки загрязняющие агенты из окружающей среды.
Нанороботы–строители смогут собирать из атомов необходимые минералы или вещества, минуя сложный химических синтез элементов. А наличие наноконструктора будет таким же привычным для нас делом, как телевизор или сотовый телефон.
В скором будущем появится возможность создавать любые продукты питания, перерабатывая что угодно. К примеру, нанороботы будут способны создать бифштекс из отходов салата, сначала разобрав салат на отдельные атомы или молекулы, а потом собрать их заново, но уже в виде блюда.
[message_box title=”” type=”success” close=”no”]Удивительный мир нанотехнологий подарит нам безграничные возможности познания и совершенствования мира и воплощение наших заветных желаний в реальность.[/message_box]
Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Едва ли не каждый месяц появляются сообщения о новых проектах, казавшихся еще год-другой назад абсолютной фантастикой. По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология – “ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой”. Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от современных “объемных” bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.
Напомним читателю, что нано – приставка, обозначающая 10-9. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода.
Нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные и от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см3.
Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук, часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела, электроники.
Ведущий мировой специалист в области наномедицины Роберт Фрайтас сказал: “Будущие наномашины должны состоять из миллиардов атомов, поэтому их проектирование и построение потребуют усилий команды специалистов. Каждая конструкция наноробота потребует объединения усилий нескольких исследовательских коллективов. В проектировании и построении самолета “Боинг-777″ участвовало множество коллективов во всем мире. Наномедицинский робот будущего, состоящий из миллиона (или даже больше) рабочих частей, по сложности конструкции будет не проще самолета”.
Нанопродукты вокруг нас
Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм.
Более того, как недавно заявили представители компании “Хьюлетт-Паккард”, транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами. Один такой элемент – это три проводника шириной в несколько нанометров: два из них параллельны, а третий расположен под прямым углом к ним. Проводники не соприкасаются, а проходят, как мосты, один над другим. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из материала нанопроводников под воздействием приложенного к ним напряжения. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить данные и выполнять логические операции, то есть – заменять транзисторы.
С новой технологией размеры деталей микросхем опустятся существенно ниже планки в 10-15 нанометров, в масштабы, где традиционные полупроводниковые транзисторы просто физически не могут работать. Вероятно, уже в первой половине следующего десятилетия появятся серийные микросхемы (пока еще традиционные, кремниевые), в которые будет встроено некоторое количество наноэлементов, созданных по новой технологии.
Компания “Кодак” в 2004 году выпустила бумагу для струйных принтеров Ultima. Она имеет девять слоев. Верхний слой состоит из керамических наночастиц, которые делают бумагу более плотной и блестящей. Во внутренних слоях расположены пигментные наночастицы размерами 10 нм, улучшающие качество печати. А быстрой фиксации краски способствуют включенные в состав покрытия полимерные наночастицы.
Директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин считает, что “нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры. Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем доски, из проводящего металла – проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые “строительные блоки”, которые составят основу будущей промышленности”.
Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также “Наука и жизнь” №№ 2, 4, 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.
В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.
Отечественный концерн “Наноиндустрия” разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.
Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.
Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.
Еще один вид наноматериалов – обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. “Наука и жизнь” № 5, 2002 г.; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.
Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.
Россия на рынке нанотехнологий
Отечественная компания “Nanotechnology News Network” недавно представила в России другую новинку – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов – на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.
Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.
Концерн “Наноиндустрия”, например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный состав “РВС” и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная нанотехнологическая установка “ЛУЧ-1,2” и учебная нанотехнологическая установка “УМКА”.
Состав “РВС”, который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования “УМКА”, который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). “УМКА” обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.
Основная сфера применения комплекса “УМКА” – обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс “УМКА” включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.
В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологические продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете – http://www.nanobot.ru
Проблемы безопасности
Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).
Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.
Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.
Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо – для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.
Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.
Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.
Нанотехнологиям нужна поддержка государства
К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.
Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть: за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана аналитическая компания “Nanotechnology News Network (NNN)”, отслеживающая сотни открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500 информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов и экспертных комментариев. Созданы сайты http://www.mno.ru и http://www.nanonewsnet.ru, с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ.
Конкурс молодежных проектов
В апреле 2004 года совместно с концерном “Наноиндустрия” при поддержке “Юниаструм Банка” был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.
Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика – подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье – школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.
При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник “Нанотехнологии для всех”, заслуживший высокую оценку ведущих ученых.
Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса “Юниаструм Банк”. Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания “Powercom” – международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал “Наука и жизнь”.
Цель конкурса – привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.
Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию “УМКА”. Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал “Наука и жизнь”. В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал “Универсум” и ежемесячные CD “Мир нанотехнологий”.
Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте http://www.nanonewsnet.ru.
В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них – новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.
Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.
Источник: Наука и жизнь
Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также “Наука и жизнь” №№ 2, 4, 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.
В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.
Отечественный концерн “Наноиндустрия” разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.
Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.
Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.
Еще один вид наноматериалов – обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. “Наука и жизнь” № 5, 2002 г.; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.
Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов. РОССИЯ НА РЫНКЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Отечественная компания “Nanotechnology News Network” недавно представила в России другую новинку – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов – на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.
Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.
Концерн “Наноиндустрия”, например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических
продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный
состав “РВС” и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная
нанотехнологическая установка “ЛУЧ-1,2” и учебная нанотехнологическая установка
“УМКА”.
Состав “РВС”, который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования “УМКА”, который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). “УМКА” обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.
Основная сфера применения комплекса “УМКА” – обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс “УМКА” включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.
В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологичес кие продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете – http://www.nanobot.ru ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).
Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.
Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.
Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо – для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.
Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.
Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры. НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
НУЖНА ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА
К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.
Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть:
за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых
ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального
изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана
аналитическая компания “Nanotechnology News Network (NNN)”, отслеживающая сотни
открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500
информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов
и экспертных комментариев. Созданы сайты http://www.mno.ru и http://www.nanonewsnet.ru, с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ. КОНКУРС МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ
В апреле 2004 года совместно с концерном “Наноиндустрия” при поддержке “Юниаструм Банка” был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.
Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика – подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье – школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.
При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник “Нанотехнологии для всех”, заслуживший высокую оценку ведущих ученых.
Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса “Юниаструм Банк”. Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания “Powercom” – международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал “Наука и жизнь”.
Цель конкурса – привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.
Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию “УМКА”. Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал “Наука и жизнь”. В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал “Универсум” и ежемесячные CD “Мир нанотехнологий”.
Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте http://www.nanonewsnet.ru.
В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них – новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.
Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.
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. 1. НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ 1.1.История возникновений нанотехнологий
Дедушкой 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. 1.2. Что 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.
Мы живём в современном мире медицины, науки и различных технологий. И наверное, каждый человек уже слышал, что такое нанотехнология, и чем она занимается.
В общем смысле нанотехнология создаёт какие-либо объекты. Но они отнюдь не являются обычными, как, например, ваш стол или кровать. Скажем так — приставка «нано» это одна из миллиардных долей чего-либо. То есть в одном нанометре 0,000000001 метра. Это означает, что если мы представим всю Землю в нанометрах, то очень удивимся, когда узнаем, что она будет размером с грецкий орех.
Так вот, нанотехнология занимается созданием нанообъектов, оперируя отдельными атомами и создавая из них определённую структуру. В будущем для нас с вами будет обычной вещью непромокаемая футболка или несгораемая бумага, именно благодаря нанотехнологиям. Но даже сейчас, например, производимые транзисторы, которые, собственно, являются основой всех чипов, производятся с точностью до 90 нанометров. Совсем недавно представители ТМ «Хьюлетт-Пакет» сообщили, что в скором времени нанотехнология сможет заменить современные традиционные технологии создания транзисторов.
Нанотехнологии применяются в различных областях науки и всюду сопровождаются прогрессом. Например, в медицине, если провести диагностику еще на ранней стадии заболевания, наносенсоры помогут обеспечить скорейшее выздоровление. Возможно, таким образом, человечество сможет победить как рак, так и другие тяжёлые заболевания, ведь нанотехнологии помогут поступить лекарству сразу в больные клетки, а не распространятся по всему организму.
В энергетике также могут применяться нанотехнологии. Возможно, в будущем, мы перестанем зависеть от газа и нефти благодаря солнечным батареям, ведь их КПД может возрасти в два — три раза именно с использованием нанотехнологий.
Мы также не можем не упомянуть о нанотехнологиях в такой сфере, как машиностроение. Ведь в будущем, с помощью наноматериалов мы сможем уменьшать трение при езде на автомобиле, и, возможно, сможем сделать так, чтобы детали сохранялись намного дольше, чем на сегодняшний день.
Профессор Н. Танигути оказался первым, кто использовал сам термин «нанотехнология» в своем докладе, на Международной конференции в Японии, Токио, в 1974 году.
Сейчас очень часто мы можем встретить новости о том, что ученые изобрели что-то новое с использованием нанотехнологий, к примеру, самая маленькая нано решетка, мономолекулярная субмарина, самый темный материал на земле, или новая форма углерода, по структуре, прочнее алмаза. Так, «Кодак» уже в 2004 году произвела выпуск девяти слойной бумагу для принтеров Ultima, в которой верхний слой образован керамическими наночастицами, делающими бумагу плотной, гладкой и обладающей приятным блеском.
Также, например, раствор из наночастиц серебра обладает мощным антисептическим действием. Таким образом, если приложить к ране бинт с таким серебряным раствором, она заживет в разы быстрее, чем, например, при использовании обычных антисептических средств.
Такими быстрыми темпами развития нанотехнологий, мы сможем интенсивнее осваивать космос, подводные глубины, и вообще, сделать обыденную жизнь проще и приятнее. И, может быть, скоро, подобно различным фильмам на тему будущего, в нашу кожу будут вживляться чипы, которые будут нам в чем-либо помогать; может быть нашу обычную технику заменит нанотехника; люди перестанут умирать от рака и подобных тяжелых болезней.
Нанотехнология — это окно в будущее, которое ученые открывают уже сегодня. Мы уверены, в будущем, нам будет казаться совершенно обыкновенным то, что сейчас считается фантастикой.
Похожие статьи:
Двадцать первый век, век науки, нанотехнологий, кибирнетики. Немногие люди задумываются над вопросом:нанотехнологии-это вред или наоборот помощь человеку? Каждый человек к этому подходит со своей стороны. Кто-то думает, что нанотехнологии-это самое лучшее, что могло было бы быть на земле, а другие наборот этого остерегаются. Почему же люди делятся на эти две категории? Верить нанотехнологиям, и быть “за”них, считать, что это самые нужные изобретения или же опасаться их и быть “против”так как они приносят вред здоровью. Но казалось бы, как они могут приносить вред здоровью? Ведь это простые жестянки, которые ничего дурного не делают. Но если задуматься, то даже самый простой телефон оказывает дурное воздействие на организм. Но как? Это конечно же радиация, и вред глазам, большая нагрузка на хрусталики. Но если посмотреть с другой стороны, то телефон это очень нужная вещь. В чем же он способствует человеку? Это конечно же, что человек может общаться с родственникоми, созваниваться, а не как в древние времена общались голубиной почтой или гонцами, так же можно узнать много новостей, посмотреть погоду, то есть, быть в курсе всех событий, которые произошли за недолгое время. Поэтому, я думаю, что люди именно из-за этого делятся на две категории. А может быть, они просто боятся прогресса, и не воспринимают новые технологии и следовательно нанотехнологии. Но я думаю, что конечно же, большинство людей за нанотехнологии. Ведь люди к ним уже привыкли, и это огромная помощь человечеству, что если сейчас убрать все нанотехнологии, я думаю, что человечеству будет очень трудно, потому что мы к ним уже привыкли. Например:стиральная машина, человек к ней уже привык, что положил белье, а она все делает сама, но если ее забрать, то человеку придется делать все вручную, как раньше-это огромный труд, человеку будет очень трудно привыкнуть к такому натиску безинновационных технологий. Поэтому, я думаю, что нанотехнологии в двадцать пнрвом веке просто необходимы, так как мы без них уже не сможем, нам будет трудно без них. И конечно же, застоя в информационных технологиях не будет, они будут только развиваться, и постоянно улучшаться или будет добавляться что-то новое.
?Нижегородский Государственный Технический Университет
Реферат на тему:
Нанотехнологии в медицине: возможные риски и перспективы
Выполнила:
Ст.группы 04-УИ
Смирнова Юлия
Проверил:
Булюбаш Б В.
Н. Новгород 2005
Введение
Ученые утверждаю, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопическиедатчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации – 1-ая половина XXI века.
А пока ученые трудятся над созданием медицинских нанороботов, журналисты и общественность спорят, могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Каквыразился Эрик Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота, покрывающие землю «серая слизь» (gray goo)». Короче говоря, крохотная причина конца света.
Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых?
Что такое нанотехнологии?
Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах нанотехнологий сначала надо сказать, что же этотакое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «Нанотехнологии» – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:
– изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);
– разработка и изготовление машин;- манипуляция атомами и молекулами.
Что такое наномедицина?
«Наномедицина» – это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).
В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине.Через несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образомстане «бессмертными».
Перспективы развития
Ученые из штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни. Так в США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениямитак перед стартом астронавт используя шприц для подкожных инъекций, вводят в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. Побеспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будут приниматься необходимые меры.
Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.
А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК.Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым…
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №2 им. А.А. Араканцева г. Семикаракорска»
Содержание:
Введение…………………………………………………………………..
3
1. Нанотехнологии в современном мире…………………………………
5
1.1 История возникновения нанотехнологий……………………………
5
1.2 Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека….
9
1.2.1 Нанотехнологии в космосе…………………………………………
11
1.2.2 Нанотехнологии в медицине……………………………………….
12
1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности……………………
16
1.2.4 Нанотехнологии в военном деле…………………………………..
17
Заключение………………………………………………………………..
20
Список литературы………………………………………………………………..
21
Введение.
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее.
Цель работы:
-узнать что такое нанотехнологии;
– выяснить применение этой науки в различных отраслях;
-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.
Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями нано технологий в:
медицине, в том числе авиационно-космической;
фармакологии;
гериатрии;
защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф;
глобальных вычислительных сетях и информационных коммуникациях на новых физических принципах;
системах сверхдальней связи;
автомобильной, тракторной и авиационной технике;
безопасности дорожного движения;
системах информационной безопасности;
решении экологических проблем мегаполисов;
сельском хозяйстве;
решении проблем питьевого водоснабжения и очистки сточных вод;
принципиально новых системах навигации;
возобновление природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов.
Мы решили остановиться на применении нанотехнологии в медицине, пищевой промышленности, военном деле и космосе, так как эти области у нас вызвали интерес.
1. Нанотехнологии в современном мире.
1.1 История возникновения нанотехнологий.
Наука «Нанотехнология» возникла из-за революционных изменений в информатике!
В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Термин «нанотехнология» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Название происходит от слова «нанометр» – одна миллиардная часть метра (10-9м).
В современном звучании нанотехнологии – это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.
У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, “китайские чернила” в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.
Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита приблизительно в 400 г.д.н. эры он впервые использовал слово “атом”, что в переводе с греческого означает “нераскалываемый”, для описания самой малой частицы вещества.
Вот примерный путь развития:
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1934 год. Американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер теоретически обосновал возможность создания ультрадисперсного металла с достаточно малым числом электронов проводимости.
1951 год. Джон фон Нейман выделил принципы самокопирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность.
В 1953 году Ватсон и Крик описали структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации. Нобелевский лауреат Р. Фейнман написал фразу, воспринимаемую сейчас как пророчество: “Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами”. Эта мысль прозвучала тогда, когда начало постиндустриальной эпохи ещё не было осознано; в эти годы не было ни интегральных схем, ни микропроцессоров, ни персональных компьютеров.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехнологии”, которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово “нанос” означает примерно “старичок”.
1981 год. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура которых представлена кристаллитами наноразмерного интервала.
27 марта 1981 года новости радио CBS процитировали ученого, работающего в NASA, который сказал, что инженеры будут способны строить самовоспроизводящихся роботов в пределах двадцати лет, для использования в космосе или на Земле. Эти машины строили бы копии себя, и копиям можно было бы делать предписания создавать полезные продукты.
1982 год Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп.
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский ученый Эрик Дрекслер опубликовал книгу “Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии”, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1991 год, Хьюстон (США), химический факультет университета Раиса. В своей лаборатории доктор Р. Смоли (лауреат Нобелевской премии за 1996 год) с помощью лазера испарял под вакуумом графит, газовая фаза которого состояла из достаточно крупных крастеров: в каждом по 60 атомов углерода. Кластер из 60 атомов более устойчив, так как имеет повышенную величину свободной энергии. Этот кластер – структурное образование похожее на футбольный мяч и предложил назвать эту молекулу фуллереном.
1991 год, Сотрудник лаборатории фирмы NEC в Японии Сумио Идзима впервые обнаружил углеродные нанотрубки, которые ранее были предсказаны за несколько месяцев до этого российским физиком Л. Чернозатонским и американецем Дж. Минтмиром.
1995 год. В Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова разработали на основе пленочного нанокомпозита датчик, выявляющий различные вещества в атмосфере (аммиак, спирт, водяной пар).
1997 год. Ричард Е.Смоли, Лауреат Нобелевской премии 1996 г. в области химии, профессор химии и физики предсказал сборку атомов уже к 2000 г. и к этому же времени спрогнозировал появление первых коммерческих наноизделий. Этот прогноз оправдался в предсказанный срок.
1998 год. были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано-технологий.
1998 год. Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию 21-го века.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от-дельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Исследовательская группа фирмы “Хьюлетт-Паккард” создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод.
2000 год. Начало эры гибридной наноэлектроники.
2002 год. С. Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 год. Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован “первый в мире” квантовый компьютер
7 сентября 2006 года Правительство Российской Федерации одобрило концепцию Федеральной целевой программы развития нанотехнологий на 2007-2010 годы.
Таким образом, сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.
Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). 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.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.
1.2. Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека
Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.
На сегодняшний день (2000 г. – 2010 г.) имеется следующая картина:
биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.
простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов.
наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, “умных” песков, бумаги, углеродных волокон.
защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали.
катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания.
Легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики.
Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.
Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.
Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран.
Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров.
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.
Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения.
Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.
1.2.1 Нанотехнологии в космосе
В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.
Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое – когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.
Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.
Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. 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. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м – в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).
1.2.2 Нанотехнологии в медицине
Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели – в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.
На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.
Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron – дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров – 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.
Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты – белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды – простуду или воздействие радиации, к примеру, – белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.
Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.
Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества – человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким – это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и не живым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.
Наномедицина представлена следующими возможностями:
1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.
2. ДНК – чипы(создание индивидуальных лекарств).
3. Искусственные ферменты и антитела.
4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического
5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или “детальки” нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.
В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. 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.
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии – как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.
Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения “вечной молодости” наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.
Основная сложность с нанотехнологией – это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.
Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.
Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.
1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности
Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это — любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется — органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых “мягких” частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то “твёрдые” частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий — нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: 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.
1.2.4 Нанотехнологии в военном деле
Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:
1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.
2. Разрушение макроустройств с наноуровня.
3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.
4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.
5. Наноснаряжение для солдат.
6. Защита от химического и биологического оружия.
7. Наноустройства в системах управления военной техникой.
8. Нанопокрытия для военной техники.
Нанотехнология позволит производить мощные взрывчатые вещества. Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки раз. Атака управляемых снарядов с нановзрывчаткой на заводы по регенерации ядерного топлива может лишить страну физической возможности производства оружейного плутония. Внедрение малогабаритных роботизированных устройств в электронную технику может нарушать работу электрических контуров и механики при помощи. Сбой работы центров управления и командных пунктов невозможно предотвратить если не изолировать наноустройства. Роботы для разборки материалов на уровне атомов, станут мощным оружием превращающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Но это пока лишь перспектива для развитой формы нанотехнологии. А пока исследования ведутся в области нейронных технологий, развитие которых приведет к появлению боевых наноустройств, осуществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функциями человеческого организма, используя подключение с помощью наноустройств к нервной системе. В лабораториях NASA уже созданы действующие образцы оборудования для перехвата внутренней речи. Фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой систем космического мониторинга, наземного наблюдения и шпионажа. С помощью наноустройств внедрённых в мозг возможно получение “искусственного” (технического) зрения с расширенным спектром восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы.
Следующим применением нанотехнологии в военной сфере являются наноустройства генетического наведения. Наноустройство с генетическим наведением может быть запрограммировано на выполнение тех или иных разрушительных действий в зависимости от генетической структуры ДНК клетки, в которой оно оказалось. В качестве условия активации устройства задаётся уникальный участок генетического кода конкретного человека или шаблон для действий над группой людей. Отличить обычную эпидемию от этнической чистки будет практически невозможно без средств обнаружения нанороботов. Наноустройства будут срабатывать только против заданного типа людей и при строго определенных условиях. Попав в организм, наноустройство никак себя не проявит, до команды активизации. Следующим применением нанотехнологий является экипировка и снаряжение солдат. Предлагается сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом.
Нанотехнология дала прорыв в изготовлении брони и бронежилетов.
Военную технику предполагают оснастить специальной “электромеханической краской”, которая позволит менять цвет и предотвратит коррозию. Нанокраска сможет “затягивать” мелкие повреждения на корпусе машины и будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. С помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в “краске”, исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.
Нанотехнология внесёт изменения в военной сфере. Новая качественно преобразованная и неконтролируемая гонка вооружений. Контроль за нанотехнологией может быть реально осуществлён лишь в глобальной цивилизации. Нанотехнология позволит произвести полную механизацию полевой войны, исключающие присутствие модернизированных солдат.
Таким образом, главным выводом о результате проникновения нанотехнологии в сферу вооружения является перспектива образования глобального общества способного контролировать нанотехнологию и гонку вооружения. Это тенденция универсализма определяется рациональностью техногенной цивилизации и выражает её интересы и ценности.
Заключение
Прояснив понятие нанотехнологии, обозначив её перспективы и остановившись на возможных опасностях и угрозах, хочу сделать вывод. Я считаю, что нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. И каковы будут эти изменения – полезными, несравненно облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству – зависит от взаимопонимания и разумности людей. А взаимопонимание и разумность напрямую зависят от уровня гуманности, предполагающей ответственность человека за свои поступки. Поэтому важнейшей необходимостью в последние перед неизбежным нанотехнологическим «бумом» годы становится воспитание человеколюбия. Только разумные и гуманные люди могут превратить нанотехнологии в ступеньку к познанию Вселенной и своего места в этой Вселенной.
Список литературы
Основы объектно-ориентированного программирования в Delphi: Учеб. пособие / В. В. Кузнецов, И. В. Абдрашитова; Под ред. Т. Б. Корнеевой. – изд. 3-е, перераб. и доп. – Томск, 2008. – 120 с.
Киммел П. Создание приложениё в Delphi./П. Кимел – М: Вильямс, 2003. – 114с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси. – М.:Бином, 2005 – 134с
Чаплыгин А. «нанотехнологии в электронике» / А.Чаплыгин. – 2005 М.:техносфера http://www.delphi.com http://www.delphisources.ru http://www.delphimaster.ru http://www.nano-alife.ru
nanoprom.info
2012 год
Исследовательская работа
«Нанотехнологии –
технологии будущего»
Выполнил: Маркин Кирилл 9 «Б» класс
Руководитель учитель физики: Маркина Н.Г.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Донбасский государственный технический университет
Кафедра АЭМС
На тему:
«Нанотехнологии и нанороботы »
Алчевск 2008 Содержание
Введение. 3
1. История развития нанотехнологии в датах. 4
2. Нанотехнологии. 9
3. Нанороботы… 12
4. Перспективы развития нанороботов. 15
Заключение. 22
Ссылки. 23 Введение
Нанотехнологии являются очень перспективными, но пока не развитыми в полной мере. Нанотехноло?гия – междисциплинарная 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Нанороботы, или нанобо?ты – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.
В данной научно-исследовательской работе рассматривается история возникновения нанотехнологии, общий принцип действия, а также пути развития в будущем. 1.История развития нанотехнологии в датах
Один нанометр (от греческого «нано» – карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.
В 1932 г.голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).
Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме «Цейс», но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.
В 1939 г. компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции «Как много места там, внизу» («There’s plenty of room at the bottom»), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).
1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов
1971 г.Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.
Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.
1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин «нанотехнологии» (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.
1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.
СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах.
Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи – острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.
1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу «Машины созидания» («Engines of Creation»), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.
Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью – в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно.
Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.
1987–1988 гг. В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.
Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго – атомы быстро разбежались с поверхности.
Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали. Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными – их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубокразличные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор – робот размером с человека, состыкованный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности.
Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.
Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.
1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.
1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.
Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.
В Японии запущена программа «Astroboy» по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.
1999 г. Американские ученые – профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) – разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.
Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.
2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
На NNI отпущено 770 млн. долл. В бюджете NNI 2004 г. заложена сумма 849 млн. долл. 2.Нанотехнологии Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
– изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов
– создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу
– непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно 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 до 100 нм).
– наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
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.
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. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. 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. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. 3.Нанороботы
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты.
Немало нанотехнологических устройств уже создано и хотя они пока являются экспериментальными разработками, практические перспективы очевидны. Разработан наноэлектродвигатель, имеющий обмотку из одной длиной молекулы, способной без потерь передавать ток. При подаче напряжения начинал вращаться ротор, состоящий из нескольких молекул. Существует также устройство линейной транспортировки, способное перемещать молекулы на заданное расстояние. Разрабатываются также молекулярные биосенсоры, антенны, манипуляторы.
Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей – данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
Логично задать вопрос – когда же нанороботы придут в наш мир, станут такой же обыденностью, как персональные компьютеры и интернет. По прогнозам ученых, век нанороботов уже не за горами.
Существующие прототипы двигателя, процессора, захвата будут собраны в единое устройство, и эпоха нанороботов наступит до 2015 года. Все названные перспективы могут осуществиться, наномашины будут в состоянии воссоздавать любые предметы из атомов, смогут омолаживать человека, станут искусственными производителями пищи, заполнят околоземное пространство и сделают пригодными для человека планеты и их луны.
Существуют, однако, и опасения по поводу наномеханики. Так, упомянутая выше книга «Машины Созидания» повествует о сбое в программе роботов, в силу чего они превращают всю землю в месиво из самих себя. Читатель также может вспомнить «Непобедимый» Станислава Лемма, в котором крошечные роботы, наследие цивилизации Лиры, будучи примитивными механизмами, объединяются миллионами, образуя мыслящие конструкции, готовые уничтожить человека с бездушием механизма чтобы затем снова погрузиться в тысячелетний стазис.
Данные взгляды не являются прерогативой фантастов, их поддерживает ряд ученых, которых в прессе иногда называют наноапокалиптиками. Профессор Евгений Абрамян в своей статье «Угрозы новых технологий» рисует ситуацию, при которой роботы, предназначенные для разборки на атомы отходов, начнут разбирать в силу сбоя и все остальное. При этом такие машины будут самореплицироваться. Кроме того, как отмечает ученый, эти микромашины могут стать основой для новых, еще более чудовищных, чем современные, средств ведения войны.
Так или иначе, шаг к созданию нанороботов уже сделан и мы в очередной раз сталкиваемся с вопросом постановки формулировки: меняют ли наши нововведения нашу же жизнь, или мы сами её меняем. Сможем ли мы создать на основе наномеханики мир, свободный от голода, нужды и при этом имеющий потенциал к развитию, или дорога из желтого нанокирпича приведет нас к хаосу новых войн будет зависеть от нас самих, но ясно одно: мир меняется и мы стремительно меняемся вместе с ним. 4. Перспективы развития нанороботов
В ходе истории люди всегда только тем и занимались, что пытались упорядочивать атомы с целью получения структур с заданными свойствами. Все развитие техники, по сути, сводится к постоянному уменьшению частиц вещества, с которыми можно работать. Первобытные люди обтесывали камни, откалывая кусочки, содержащие бесконечное число атомов. Позже появились более тонкие инструменты, позволявшие оперировать значительно меньшим количеством атомов, но счет все равно шел на квадриллионы. В двадцатом веке освоили технологии создания тонких пленок. Напыляемые слои состояли из нескольких молекул.
Идеальный вариант – манипулирование отдельными атомами. Расположив их определенным образом, можно было бы создавать структуры с любыми заданными свойствами. На сегодняшний день такая задача не относится к области фантастики. Уже примерно двадцать лет, как химики научились собирать структуры поатомно. Первоначально такая операция представлялась проблематичной, но, понимая все значение новой области науки, ученые нашли различные методы ее выполнения. Это нанотехнологии – принципиально новые технологии, по сути, преддверие очередной интеллектуальной революции. Элементарной структурной единицей, с которой они работают, являются отдельные атомы, имеющие размеры порядка десятых долей нанометра, – отсюда и их название.
Но как можно оперировать отдельными атомами? Ответом на данный вопрос являемся мы сами. Ведь внутри каждого из нас – большое количество разнообразных белков, ферментов и гормонов, а занимаются они именно тем, что выборочно разбирают или собирают те или иные молекулы. Отличие от нанотехнологий, конечно, есть: перечисленные химические соединения оперируют группами атомов, и для работы с отдельными атомами не приспособлены.
Манипулирование атомами стало возможным после появления так называемого сканирующего электронного микроскопа с туннельным эффектом. Он мог перемещать отдельные атомы с помощью специальных электромагнитных полей. Принципиальная дорога в мир нанотехнологий оказалась открытой, и ученые не преминули ею воспользоваться. Укладывая атомы углерода в определенной последовательности, они одержали в восьмидесятых годах первую победу: собрали из них две шестеренки, сидящие на валах и свободно на них вращающиеся. Эти шестеренки имели размер порядка нескольких нанометров. Как только выяснилось, что таким образом можно построить работающий механизм, началось бурное развитие нанотехнологий. И уже через несколько лет удалось построить первый наноэлектродвигатель. В нем использовалась способность некоторых длинных органических молекул передавать электрический ток практически без потерь. Мотор работал: когда на «обмотку», представляющую собой одну «длинную» молекулу, подавали напряжение, ротор, состоящий всего из нескольких молекул, начинал вращаться. Путь к наноманипулятору был открыт. С его созданием люди перестанут нуждаться в громоздких электронных микроскопах – переставлять атомы можно будет с помощью самого манипулятора. Что вплотную приблизит ученых к конечной цели.
Какова же эта цель? Судя по затратам на исследования, их результаты должны быть поистине грандиозными: некая волшебная палочка, решающая если не все, то по крайней мере очень многие проблемы, стоящие перед человечеством. Поиски призваны привести к появлению универсального инструмента – наноробота, способного манипулировать отдельными атомами, просто «захватывая» их и расставляя в нужных местах. Таким образом, можно будет создавать структуры любой сложности с требуемыми свойствами. Нужно только писать соответствующие программы.
Нанотехнологии открывают огромные перспективы. Они позволят создавать сверхчистые материалы, которые нельзя получить другими способами. Если кому-либо для выполнения уникального эксперимента потребуется алмаз, превышающий по величине знаменитый Кохинор, создание его не проблема. Да и не только для расстановки атомов пригодятся нанороботы. Они и сами являются сверхточным инструментом. С их помощью можно конструировать новые нанороботы, существенно удешевляя производство. А недорогим нанороботам уже под силу складывать из атомов и уникальные изделия, и предметы повседневного пользования.
После создания развитой инфраструктуры нанороботов необходимость в огромных заводах отпадет. Представьте себе устройство величиной с холодильник, снабженное компьютером. Внутри будут находиться емкость с различными химическими элементами и колония нанороботов. Допустим, вы захотели почистить зубы. Отдаете команду компьютеру – и тот активирует программу сборки зубной щетки. Нанороботы начинают ловить атомы в растворе и расставлять их по местам. Через некоторое время щетка готова, причем, если пожелаете, уже с зубной пастой. После гигиенической процедуры кладете ее обратно в емкость, где она разлагается на исходные атомы. Таким образом, стоимость изделия значительно уменьшается, поскольку нужно платить лишь за электричество и сам прибор. Кроме того, вещи не будут накапливаться, загромождая квартиру.
Не менее грандиозные перспективы открываются и перед медициной – человечество получит лекарства от всех существующих болезней, и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического. Нанороботы смогут проникать в клетки организма и исправлять все повреждения на молекулярном уровне – т.е. зубная щетка не понадобится вовсе. И наконец, прекратится дальнейшее загрязнение окружающей среды, ведь новая технология, по сути, безотходна.
Однако чтобы достичь всего этого, нужно ответить на множество вопросов. Так, например, никто пока не знает, какие размеры должны иметь механические части роботов и как сделать так, чтобы они отвечали определенным требованиям.
Данную проблему можно решить экспериментально. Предположим, нам нужно знать, какую толщину должна иметь «рука» наноробота. Мы могли бы просто создать опытный образец и посмотреть, сломается она или нет. Если сломается, то сделать «руку» потолще, и т.д. Но у этого метода есть серьезный недостаток. Сейчас нанообъекты приходится создавать макрометодами, что очень дорого, трудоемко и долго. Чтобы перебрать много вариантов и выбрать наилучший, возможно, не хватит и жизни. Поэтому надо искать другие пути.
Итак, нам нужно знать характеристики манипулятора, по сути представляющего собой одну гигантскую молекулу. Свойства любой молекулы полностью определяются прочностью химических связей между атомами, из которых она состоит. А как известно, химическая связь – не что иное, как взаимодействие электронов и ядер атомов. Чтобы определить эти связи, мы должны знать вероятность пребывания электронов в конкретном месте в определенное время. Если вероятность того, что электрон находится между ядрами атомов велика, то связь крепка. Чем ниже вероятность этого, тем слабее связь.
Проблема была решена в начале XX столетия. Австрийский исследователь Шредингер создал уравнение, позволяющее узнать все свойства химического соединения, даже не получив его на практике. В уравнении учтены все силы, которые воздействуют на электрон. Ученый решил его для простейшего случая – атома водорода – и получил точно такие же значения, как и на практике. Проблема описания связей исчезла, но возникла новая – как решить само уравнение Шредингера. Подумаешь, уравнение – покажется кому-то. Однако не стоит недооценивать проблему. Ведь получить результат типа «икс равно» удается не так уж часто. И чем точнее уравнение описывает реальный мир, тем меньше вероятность, что оно решаемо на бумаге. Что же делать? Надо либо упрощать уравнение, либо вычислять его приближенными методами, а чаще всего приходится делать и то и другое. Уравнение Шредингера хорошо упрощается для кристаллов, в которых атомы размещены строго в узлах решетки. А границы кристалла, где регулярная структура обрывается, расположены относительно далеко, и их влиянием можно попросту пренебречь. Именно такой подход позволил узнать свойства полупроводников, что в конечном итоге привело к созданию современных интегральных схем. Для манипуляторов нанороботов все обстоит иначе. Атомов столь мало, что все они являются граничными, и решать уравнение в упрощенном виде бессмысленно. Приходится искать точное решение. С другой стороны, атомов столь много, что найти точное решение невероятно сложно. Для самого простого случая – молекулы водорода, состоящей из двух атомов, решение уравнения Шредингера не составляет проблемы. Но чем сложнее молекула, тем дольше его считать.
Среди самых распространенных наноустройств на сегодняшний день – нанотрубки. Они играют различные роли: от молекулярных фильтров, действующих как обычные сита, и до трехмерных шестеренок, без которых трудно представить себе какой-либо механизм. Нанотрубки на рисунке почти целиком состоят из углерода, а точнее из замкнутых графитовых слоев. Обратите внимание на выступы по бокам трубок: именно они выполняют функции зубьев, превращающих нанотрубки в шестерни.
Еще лет двадцать назад понятие сложности алгоритма было известно абсолютно всем. Когда объем вычислений линейно зависит от объема входных данных, говорят о линейной сложности. Это идеал, мечта программиста. Если зависимость степенная, дело обстоит хуже, но терпимо. Но если количество данных является показателем степени – это приговор алгоритму. Экспоненциальная сложность – почти то же, что и отсутствие решения задачи.
Шли годы, перед программистами возникли новые проблемы, и основное внимание было уделено им. Разумеется, постоянный рост производительности компьютеров и многократное уменьшение их стоимости позволили смириться с наличием неэффективных алгоритмов. Однако такие «тепличные» условия не вечны. Стоит появиться задаче, требующей большого объема вычислений, и проблемы сложности снова становятся предельно актуальными.
Одной из таких задач стало определение свойств, которыми должны обладать наноустройства. Согласно закону Мерфи, если неприятность может произойти, она обязательно произойдет. В полном соответствии с этой сентенцией алгоритм решения уравнения Шредингера имеет экспоненциальную сложность. Свойства молекулы водорода вычисляются за доли секунды. Но на расчет прочностей связей в воде уходит несколько минут, а в метане – уже около часа. С усложнением молекулы дела идут все хуже. Ничего не поделаешь, при увеличении числа связей на единицу требуется в тысячи раз больше ресурсов. Одним словом, определить свойства молекулы с несколькими десятками связей уже малореально.
Ученые прибегли к многочисленным упрощениям, вплоть до того, что молекулу представляли в виде совокупности шариков-атомов, соединенных между собой пружинками. Если исходить из сказанного, то все просто, и даже сверхгигантские молекулы «считаются» быстро. Но вот результат таких расчетов отличается от практического на порядки. Атомы не шарики, что еще Бор показал. Следовательно, остается постоянно искать компромисс между сложностью молекулы и точностью расчетов. А компромисс этот так близок к нулю, что рано думать о создании реальных манипуляторов.
Поэтому нужны обходные пути. Где они, никто не может предсказать. Но опыт решения, на первый взгляд, безнадежных задач уже есть. К примеру, классическая задача коммивояжера также имеет экспоненциальную сложность. Однако, создав новый тип самоорганизующейся системы, Хопфилд смог реализовать алгоритм ее решения с полиномиальной сложностью. Впрочем, за экономию ресурсов пришлось платить. Лишь половина решений является оптимальной, поэтому, используя систему Хопфилда, никогда нельзя сказать наверняка, что задача решена. Но, как известно, стопроцентную гарантию дает только страховой полис, а иметь 99%-ю уверенность в решаемости задачи, которая ранее не считалась таковой, – совсем неплохо.
Для наноустройств системы, подобной системе Хопфилда, пока не существует, но будем надеяться, что это «пока» не затянется слишком надолго. Заключение
В ходе выполнения данной НИРС мною были проработано множество статей, посвященных вопросам нанотехнологии. Также была прочитана повесть Станислава Лемма «Непобедимый» и просмотрены видеоролики, освещающие работу нанороботов в различных сферах деятельности. После проделанной работы я пришел к следующим выводам:
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм. Ссылки
1. http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/index.html
2. nanorobots.ru
3. cooler-online.com
4. membrana.ru
5. nanonewsnet.ru
6. ibtechno.com
7. r0b.biz
8. nanoenot.pisem.net
9. nanodigest.ru
напишите сочинение-рассуждение на тему : я за нанотехнологии
Ответы:
Двадцать первый век,век науки ,нанотехнологий,кибирнетики.Немногие люди задумываются над вопросом:нанотехнологии-это вред или наоборот помощь человеку?Каждый человек к этому подходит со своей стороны.Кто-то думает,что нанотехнологии-это самое лучшее ,что могло было бы быть на земле,а другие наборот этого остерегаются.Почему же люди делятся на эти две категории?Верить нанотехнологиям,и быть “за”них,считать,что это самые нужные изобретения или же опасаться их и быть “против”так как они приносят вред здоровью.Но казалось бы,как они могут приносить вред здоровью?Ведь это простые жестянки,которые ничего дурного не делают.Но если задуматься,то даже самый простой телефон оказывает дурное воздействие на организм.Но как?Это конечно же радиация,и вред глазам,большая нагрузка на хрусталики.Но если посмотреть с другой стороны,то телефон это очень нужная вещь.В чем же он способствует человеку?Это конечно же,что человек может общаться с родственникоми,созваниваться,а не как в древние времена общались голубиной почтой или гонцами,так же можно узнать много новостей,посмотреть погоду,то есть ,быть в курсе всех событий,которые произошли за недолгое время.Поэтому ,я думаю ,что люди именно из-за этого делятся на две категории.А может быть,они просто боятся прогресса,и не воспринимают новые технологии и следовательно нанотехнологии.Но я думаю,что конечно же,большинство людей за нанотехнологии.Ведь люди к ним уже привыкли,и это огромная помощь человечеству,что если сейчас убрать все нанотехнологии,я думаю,что человечеству будет очень трудно,потому что мы к ним уже привыкли.Например:стиральная машина,человек к ней уже привык,что положил белье,а она все делает сама,но если ее забрать,то человеку придется делать все вручную,как раньше-это огромный труд,человеку будет очень трудно привыкнуть к такому натиску безинновационных технологий.Поэтому,я думаю,что нанотехнологии в двадцать пнрвом веке просто необходимы,так как мы без них уже не сможем,нам будет трудно без них.И конечно же,застоя в информационных технологиях не будет,они будут только развиваться,и постоянно улучшаться или будет добавляться что-то новое.
Перевод:
Современный человек едва ли может представить свою жизнь без машин. Ежедневно или появляются новые устройства, или улучшаются уже существующие. Люди по-разному относятся к новым изобретениям. Некоторые полагают, что сложные гаджеты на самом деле полезны и необходимо, в то время, как другие считают их ужасными из-за их отрицательного влияния на людей. Что касается меня, я абсолютно уверена в том, что новые устройства делают нашу жизнь легче.
Во-первых, они выполняют всю грязную и тяжелую работу, такую как уборка. Во-вторых, устройства экономят как время, так и место. Например, компьютерный диск может вмещать столько же информации, как несколько толстых книг. Итак, машины помогают людям в разных сферах деятельности.
Однако противники этой точки зрения абсолютно уверены в том, что новые изобретения отрицательно влияют на людей. Люди не хотят работать из-за влияния устройств. Они становятся ленивыми и неорганизованными. Они ждут, когда их последние изобретения сделают всё за них. Более того, по мнению ученых, многие широко распространенные гаджеты обладают излучением, которое может вызвать серьёзные проблемы со здоровьем. Кроме того, всё больше и больше людей становятся зависимыми от компьютера, телевизора или мобильного телефона. Они игнорируют свои домашние обязанности, учебу или работу и проводят всё своё время перед ноутбуком или экраном телевизора.
В заключение, я считаю, что, несмотря на все имеющиеся недостатки, достоинства гаджетов намного более занчительны, так как они экономят время и позволяют людям наслаждаться жизнью!
Каменская Татьяна
Эссе
на тему «За» и «Против» нанотехнологии
как качественному переходу от манипуляции
веществом к манипуляции отдельными
атомами»
В
последние десятилетия существенное
внимание уделяется новому направлению
в естественных и технических науках –
нанонауке и нанотехнологии. Согласно
определению Национальной нанотехнологической
инициативы США [1], суть нанотехнологии
заключается в способности работать на
молекулярном уровне, атом за атомом,
создавая большие структуры с фундаментально
новой молекулярной организацией.
Нанотехнология имеет дело с материалами
и системами, структура и компоненты
которых демонстрируют новые и значительно
улучшенные физические, химические и
биологические свойства, явления и
процессы, обусловленные их нанометровым
размером.
Интерес
к нанотехнологии как принципиально
новому возможному методу получения
материалов методом «снизу – вверх»
(т.е. путем сборки материала из отдельных
атомов и молекул) проявился благодаря
выступлению американского физика
Ричарда Фейнмана «There’s Plenty of Room at the
Bottom» [2], в котором он рассмотрел возможность
манипулирования отдельными атомами
как процесс, не противоречащий законам
физики.
Позднее
к идеям конструирования вещества путем
его сборки из отдельных атомов обратился
американский физик и футуролог Эрик
Дрекслер. В 1986 г. вышла его книга «Машины
создания: пришествие эры нанотехнологии»,
в которой он рассмотрел принципы
молекулярной технологии – технологии
манипуляции отдельными атомами и
молекулами, а также молекулярные машины
(ассемблеры) – устройства нанометрового
размера, позволяющих конструировать
молекулы из отдельных атомов по заданному
принципу (аналогично молекулам ДНК в
биологических системах).
Идея
нанотехнологии как процесса манипулирования
отдельными атомами в том виде, в котором
ее представил Дрекслер, вызвала оживленные
споры и негативные отклики. С этической
точки зрения считалось, что разработка
и внедрение такой технологии повлечет
за собой создание новых молекулярных
форм, способных причинить вред всему
живому, выход из-под контроля
устройств-ассемблеров а также их
использования в качестве оружия массового
уничтожения.
Однако,
с точки зрения законов физики и здравого
смысла возможность создания наноассемблеров,
конструирующих молекулы из отдельных
атомов, не была подтверждена, и идеи
Дрекслера так и остались громким
футурологическим прогнозом. Впоследствии
свое предположение отверг и сам Дрекслер
[3].
Однако,
нанотехнология в широком смысле не
ограничивается лишь конструированием
вещества из отдельных атомов. Нанотехнологию
следует рассматривать как умение
целенаправленно создавать и использовать
материалы, устройства и системы, структура
которых регулируется в диапазоне
размеров приблизительно 1-100 нм. Материалы
в таком диапазоне размеров, благодаря
проявлению размерных эффектов, обладают
новыми свойствами, отличающимися от их
крупномасштабных аналогов. В настоящее
время разработано множество способов
применения наноматериалов в различных
областях химии, техники, медицины и т.д.
Использование наноматериалов зачастую
позволяет улучшить характеристики
традиционных материалов или заменить
их, а в некоторых случаях – создать
новые материалы, обладающие ранее
недоступными характеристиками. Данный
аспект применения наноматериалов и
технологий их получения несомненно
является весомым аргументом в поддержку
развития нанонауки и нанотехнологии.
Однако,
важно отметить, что размерные эффекты,
проявляемые в наноматериалах, могут
вызывать также неожиданные негативные
действия. Примером такого отрицательного
воздействия некоторых наноматериалов
является их высокая токсичность и
реакционоспособность. Противники
нанотехнологии в частности и
технологического прогресса в общем
рассматривают данный факт как аргумент
против нанотехнологии. Действительно,
они правы в том, что при разработке
нового материала или новой технологии
следует уделять внимание не только их
преимуществам, но и рассматривать
возможные опасности получаемого
материала или создаваемого метода.
Однако, данной позиции следует
придерживаться любому исследователю,
независимо от области его деятельности.
Список
используемых
источников:
1.
National Nanotechnology Initiative (NNI) http://www.nano.gov
2.
Feynman Richard P.: Classic talk that Richard Feynman gave on
December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical
Society at the California Institute of Technology (Caltech). «There’s
Plenty of Room at the Bottom».
http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/14388
3.
Drexler K. Eric. Engines of Creation 2.0: The Coming Era of
Nanotechnolo-gy – Updated and Expanded. WOWIO
Books, 2007.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире далеко не все знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Главная цельданной работы заключается в ознакомлении с нанотехнологией. Ещё одной целью является выяснить применение данной науки в различных сферах и узнать, опасны ли нанотехнологии для человека.
Часть науки и техники, называемаянанотехнологией, появилась относительно недавно. Перспективы этой науки поистине масштабны. Само понятие «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. К примеру, нанометр – одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами нуклонов и атомов. Точное определение нанотехнологий выражается так: нанотехнологии – это технологии, с помощью которых можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией). Толчком к прогрессу в нанотехнологиях стала лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно обосновал, что с физической точки зрения нет никаких преград для того, чтобы создавать объекты прямо из атомов. Для обозначения способа эффективного манипулирования атомами было придумано понятие ассемблера – молекулярной наномашины, которая способна построить любую молекулярную структуру. Пример естественного ассемблера – рибосома, синтезирующая белки в живых организмах. Ясно,чтонанотехнологии – это не просто отдельная часть науки, это масштабная, крупная зона исследований, связанных с естественными науками. Можно утверждать, что практически каждая дисциплина, из тех, что изучаются в школьной программе, каким-либо будет связана с технологиями будущего. Наиболее тесно нанотехнологии связаны с физикой, химией и биологией. Скорее всего, именно эти дисциплины получат самый значимый толчок в развитии в связи с приближающейся нанотехнологической революцией.
1. НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННости
1.1.История возникновениянанотехнологий
Прародителемнанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он первым начал использовал понятие “атом” для описания наименьшей частицы вещества. На протяжении двадцати с лишним веков люди пытались понять тайну строения данной частицы. Решение этой нерешаемой для многих поколений физиков задачи стало реальным в первой половине ХХ века после изобретения немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который дал возможность исследовать нанообъекты.
Уже сейчас проведены исследования по удалению неоперабельных раковых опухолей. Ученые применили «нанопулю» – белковый комплекс, содержащий атомы серебра. «Нанопули» прошивают раковые клетки и болезнетворные бактерии, при этом не повреждаются здоровые клетки.
Свое применение в быту нанотехнологии могут найти в сфере пыле- и влагозащиты поверхностей. Только представьте, как это удивительно и прекрасно – дом, в котором нет пыли, грязи и болезнетворных бактерий.
Одна из самых перспективных отраслей – это военная отрасль. Самовосстанавливающиеся боевые машины, нанокостюмы, сверхпрочные материалы, и это – далеко не весь перечень возможного применения наночастиц. Шпионаж и разведка местности – вот где не будет равным нанороботам, а также – точечное уничтожение военной техники или противника. Так, например, облако нанороботов оседает на объекте и путем нагрева поверхности за счет создаваемого трения происходит перегрев и полное уничтожение живых организмов.
Те же нанороботы могут быть и санитарами – помогать в защите окружающей среды. Например, поглощая и транспортируя для переработки загрязняющие агенты из окружающей среды.
Нанороботы–строители смогут собирать из атомов необходимые минералы или вещества, минуя сложный химических синтез элементов. А наличие наноконструктора будет таким же привычным для нас делом, как телевизор или сотовый телефон.
В скором будущем появится возможность создавать любые продукты питания, перерабатывая что угодно. К примеру, нанороботы будут способны создать бифштекс из отходов салата, сначала разобрав салат на отдельные атомы или молекулы, а потом собрать их заново, но уже в виде блюда.
[message_box title=”” type=”success” close=”no”]Удивительный мир нанотехнологий подарит нам безграничные возможности познания и совершенствования мира и воплощение наших заветных желаний в реальность.[/message_box]
Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Едва ли не каждый месяц появляются сообщения о новых проектах, казавшихся еще год-другой назад абсолютной фантастикой. По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология – “ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой”. Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от современных “объемных” bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.
Напомним читателю, что нано – приставка, обозначающая 10-9. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода.
Нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные и от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см3.
Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук, часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела, электроники.
Ведущий мировой специалист в области наномедицины Роберт Фрайтас сказал: “Будущие наномашины должны состоять из миллиардов атомов, поэтому их проектирование и построение потребуют усилий команды специалистов. Каждая конструкция наноробота потребует объединения усилий нескольких исследовательских коллективов. В проектировании и построении самолета “Боинг-777″ участвовало множество коллективов во всем мире. Наномедицинский робот будущего, состоящий из миллиона (или даже больше) рабочих частей, по сложности конструкции будет не проще самолета”.
Нанопродукты вокруг нас
Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм.
Более того, как недавно заявили представители компании “Хьюлетт-Паккард”, транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами. Один такой элемент – это три проводника шириной в несколько нанометров: два из них параллельны, а третий расположен под прямым углом к ним. Проводники не соприкасаются, а проходят, как мосты, один над другим. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из материала нанопроводников под воздействием приложенного к ним напряжения. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить данные и выполнять логические операции, то есть – заменять транзисторы.
С новой технологией размеры деталей микросхем опустятся существенно ниже планки в 10-15 нанометров, в масштабы, где традиционные полупроводниковые транзисторы просто физически не могут работать. Вероятно, уже в первой половине следующего десятилетия появятся серийные микросхемы (пока еще традиционные, кремниевые), в которые будет встроено некоторое количество наноэлементов, созданных по новой технологии.
Компания “Кодак” в 2004 году выпустила бумагу для струйных принтеров Ultima. Она имеет девять слоев. Верхний слой состоит из керамических наночастиц, которые делают бумагу более плотной и блестящей. Во внутренних слоях расположены пигментные наночастицы размерами 10 нм, улучшающие качество печати. А быстрой фиксации краски способствуют включенные в состав покрытия полимерные наночастицы.
Директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин считает, что “нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры. Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем доски, из проводящего металла – проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые “строительные блоки”, которые составят основу будущей промышленности”.
Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также “Наука и жизнь” №№ 2, 4, 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.
В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.
Отечественный концерн “Наноиндустрия” разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.
Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.
Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.
Еще один вид наноматериалов – обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. “Наука и жизнь” № 5, 2002 г.; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.
Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.
Россия на рынке нанотехнологий
Отечественная компания “Nanotechnology News Network” недавно представила в России другую новинку – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов – на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.
Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.
Концерн “Наноиндустрия”, например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный состав “РВС” и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная нанотехнологическая установка “ЛУЧ-1,2” и учебная нанотехнологическая установка “УМКА”.
Состав “РВС”, который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования “УМКА”, который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). “УМКА” обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.
Основная сфера применения комплекса “УМКА” – обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс “УМКА” включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.
В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологические продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете – http://www.nanobot.ru
Проблемы безопасности
Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).
Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.
Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.
Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо – для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.
Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.
Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.
Нанотехнологиям нужна поддержка государства
К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.
Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть: за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана аналитическая компания “Nanotechnology News Network (NNN)”, отслеживающая сотни открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500 информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов и экспертных комментариев. Созданы сайты http://www.mno.ru и http://www.nanonewsnet.ru, с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ.
Конкурс молодежных проектов
В апреле 2004 года совместно с концерном “Наноиндустрия” при поддержке “Юниаструм Банка” был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.
Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика – подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье – школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.
При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник “Нанотехнологии для всех”, заслуживший высокую оценку ведущих ученых.
Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса “Юниаструм Банк”. Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания “Powercom” – международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал “Наука и жизнь”.
Цель конкурса – привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.
Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию “УМКА”. Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал “Наука и жизнь”. В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал “Универсум” и ежемесячные CD “Мир нанотехнологий”.
Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте http://www.nanonewsnet.ru.
В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них – новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.
Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.
Источник: Наука и жизнь
Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также “Наука и жизнь” №№ 2, 4, 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.
В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.
Отечественный концерн “Наноиндустрия” разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.
Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.
Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.
Еще один вид наноматериалов – обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. “Наука и жизнь” № 5, 2002 г.; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С60. Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.
Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.
РОССИЯ НА РЫНКЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Отечественная компания “Nanotechnology News Network” недавно представила в России другую новинку – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов – на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.
Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.
Концерн “Наноиндустрия”, например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических
продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный
состав “РВС” и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная
нанотехнологическая установка “ЛУЧ-1,2” и учебная нанотехнологическая установка
“УМКА”.
Состав “РВС”, который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования “УМКА”, который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). “УМКА” обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.
Основная сфера применения комплекса “УМКА” – обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс “УМКА” включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.
В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологичес кие продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете – http://www.nanobot.ru
ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С60, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).
Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C60, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.
Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.
Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо – для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.
Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.
Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.
НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
НУЖНА ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА
К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.
Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть:
за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых
ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального
изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана
аналитическая компания “Nanotechnology News Network (NNN)”, отслеживающая сотни
открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500
информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов
и экспертных комментариев. Созданы сайты http://www.mno.ru и http://www.nanonewsnet.ru, с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ.
КОНКУРС МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ
В апреле 2004 года совместно с концерном “Наноиндустрия” при поддержке “Юниаструм Банка” был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.
Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика – подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье – школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.
При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник “Нанотехнологии для всех”, заслуживший высокую оценку ведущих ученых.
Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса “Юниаструм Банк”. Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания “Powercom” – международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал “Наука и жизнь”.
Цель конкурса – привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.
Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию “УМКА”. Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал “Наука и жизнь”. В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал “Универсум” и ежемесячные CD “Мир нанотехнологий”.
Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте http://www.nanonewsnet.ru.
В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них – новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.
Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.
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.
1.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
1.1.История возникновений нанотехнологий
Дедушкой 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.
1.2. Что 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.
Мы живём в современном мире медицины, науки и различных технологий. И наверное, каждый человек уже слышал, что такое нанотехнология, и чем она занимается.
В общем смысле нанотехнология создаёт какие-либо объекты. Но они отнюдь не являются обычными, как, например, ваш стол или кровать. Скажем так — приставка «нано» это одна из миллиардных долей чего-либо. То есть в одном нанометре 0,000000001 метра. Это означает, что если мы представим всю Землю в нанометрах, то очень удивимся, когда узнаем, что она будет размером с грецкий орех.
Так вот, нанотехнология занимается созданием нанообъектов, оперируя отдельными атомами и создавая из них определённую структуру. В будущем для нас с вами будет обычной вещью непромокаемая футболка или несгораемая бумага, именно благодаря нанотехнологиям. Но даже сейчас, например, производимые транзисторы, которые, собственно, являются основой всех чипов, производятся с точностью до 90 нанометров. Совсем недавно представители ТМ «Хьюлетт-Пакет» сообщили, что в скором времени нанотехнология сможет заменить современные традиционные технологии создания транзисторов.
Нанотехнологии применяются в различных областях науки и всюду сопровождаются прогрессом. Например, в медицине, если провести диагностику еще на ранней стадии заболевания, наносенсоры помогут обеспечить скорейшее выздоровление. Возможно, таким образом, человечество сможет победить как рак, так и другие тяжёлые заболевания, ведь нанотехнологии помогут поступить лекарству сразу в больные клетки, а не распространятся по всему организму.
В энергетике также могут применяться нанотехнологии. Возможно, в будущем, мы перестанем зависеть от газа и нефти благодаря солнечным батареям, ведь их КПД может возрасти в два — три раза именно с использованием нанотехнологий.
Мы также не можем не упомянуть о нанотехнологиях в такой сфере, как машиностроение. Ведь в будущем, с помощью наноматериалов мы сможем уменьшать трение при езде на автомобиле, и, возможно, сможем сделать так, чтобы детали сохранялись намного дольше, чем на сегодняшний день.
Профессор Н. Танигути оказался первым, кто использовал сам термин «нанотехнология» в своем докладе, на Международной конференции в Японии, Токио, в 1974 году.
Сейчас очень часто мы можем встретить новости о том, что ученые изобрели что-то новое с использованием нанотехнологий, к примеру, самая маленькая нано решетка, мономолекулярная субмарина, самый темный материал на земле, или новая форма углерода, по структуре, прочнее алмаза. Так, «Кодак» уже в 2004 году произвела выпуск девяти слойной бумагу для принтеров Ultima, в которой верхний слой образован керамическими наночастицами, делающими бумагу плотной, гладкой и обладающей приятным блеском.
Также, например, раствор из наночастиц серебра обладает мощным антисептическим действием. Таким образом, если приложить к ране бинт с таким серебряным раствором, она заживет в разы быстрее, чем, например, при использовании обычных антисептических средств.
Такими быстрыми темпами развития нанотехнологий, мы сможем интенсивнее осваивать космос, подводные глубины, и вообще, сделать обыденную жизнь проще и приятнее. И, может быть, скоро, подобно различным фильмам на тему будущего, в нашу кожу будут вживляться чипы, которые будут нам в чем-либо помогать; может быть нашу обычную технику заменит нанотехника; люди перестанут умирать от рака и подобных тяжелых болезней.
Нанотехнология — это окно в будущее, которое ученые открывают уже сегодня. Мы уверены, в будущем, нам будет казаться совершенно обыкновенным то, что сейчас считается фантастикой.
Похожие статьи:
Двадцать первый век, век науки, нанотехнологий, кибирнетики. Немногие люди задумываются над вопросом:нанотехнологии-это вред или наоборот помощь человеку? Каждый человек к этому подходит со своей стороны. Кто-то думает, что нанотехнологии-это самое лучшее, что могло было бы быть на земле, а другие наборот этого остерегаются. Почему же люди делятся на эти две категории? Верить нанотехнологиям, и быть “за”них, считать, что это самые нужные изобретения или же опасаться их и быть “против”так как они приносят вред здоровью. Но казалось бы, как они могут приносить вред здоровью? Ведь это простые жестянки, которые ничего дурного не делают. Но если задуматься, то даже самый простой телефон оказывает дурное воздействие на организм. Но как? Это конечно же радиация, и вред глазам, большая нагрузка на хрусталики. Но если посмотреть с другой стороны, то телефон это очень нужная вещь. В чем же он способствует человеку? Это конечно же, что человек может общаться с родственникоми, созваниваться, а не как в древние времена общались голубиной почтой или гонцами, так же можно узнать много новостей, посмотреть погоду, то есть, быть в курсе всех событий, которые произошли за недолгое время. Поэтому, я думаю, что люди именно из-за этого делятся на две категории. А может быть, они просто боятся прогресса, и не воспринимают новые технологии и следовательно нанотехнологии. Но я думаю, что конечно же, большинство людей за нанотехнологии. Ведь люди к ним уже привыкли, и это огромная помощь человечеству, что если сейчас убрать все нанотехнологии, я думаю, что человечеству будет очень трудно, потому что мы к ним уже привыкли. Например:стиральная машина, человек к ней уже привык, что положил белье, а она все делает сама, но если ее забрать, то человеку придется делать все вручную, как раньше-это огромный труд, человеку будет очень трудно привыкнуть к такому натиску безинновационных технологий. Поэтому, я думаю, что нанотехнологии в двадцать пнрвом веке просто необходимы, так как мы без них уже не сможем, нам будет трудно без них. И конечно же, застоя в информационных технологиях не будет, они будут только развиваться, и постоянно улучшаться или будет добавляться что-то новое.
?Нижегородский Государственный Технический Университет
Реферат на тему:
Нанотехнологии в медицине: возможные риски и перспективы
Выполнила:
Ст.группы 04-УИ
Смирнова Юлия
Проверил:
Булюбаш Б В.
Н. Новгород 2005
Введение
Ученые утверждаю, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопическиедатчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации – 1-ая половина XXI века.
А пока ученые трудятся над созданием медицинских нанороботов, журналисты и общественность спорят, могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Каквыразился Эрик Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота, покрывающие землю «серая слизь» (gray goo)». Короче говоря, крохотная причина конца света.
Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых?
Что такое нанотехнологии?
Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах нанотехнологий сначала надо сказать, что же этотакое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «Нанотехнологии» – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:
– изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);
– разработка и изготовление машин;- манипуляция атомами и молекулами.
Что такое наномедицина?
«Наномедицина» – это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).
В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине.Через несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образомстане «бессмертными».
Перспективы развития
Ученые из штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни. Так в США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениямитак перед стартом астронавт используя шприц для подкожных инъекций, вводят в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. Побеспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будут приниматься необходимые меры.
Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.
А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК.Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым…
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №2 им. А.А. Араканцева г. Семикаракорска»
Содержание:
Введение…………………………………………………………………..
3
1. Нанотехнологии в современном мире…………………………………
5
1.1 История возникновения нанотехнологий……………………………
5
1.2 Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека….
9
1.2.1 Нанотехнологии в космосе…………………………………………
11
1.2.2 Нанотехнологии в медицине……………………………………….
12
1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности……………………
16
1.2.4 Нанотехнологии в военном деле…………………………………..
17
Заключение………………………………………………………………..
20
Список литературы………………………………………………………………..
21
Введение.
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее.
Цель работы:
-узнать что такое нанотехнологии;
– выяснить применение этой науки в различных отраслях;
-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.
Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями нано технологий в:
медицине, в том числе авиационно-космической;
фармакологии;
гериатрии;
защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф;
глобальных вычислительных сетях и информационных коммуникациях на новых физических принципах;
системах сверхдальней связи;
автомобильной, тракторной и авиационной технике;
безопасности дорожного движения;
системах информационной безопасности;
решении экологических проблем мегаполисов;
сельском хозяйстве;
решении проблем питьевого водоснабжения и очистки сточных вод;
принципиально новых системах навигации;
возобновление природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов.
Мы решили остановиться на применении нанотехнологии в медицине, пищевой промышленности, военном деле и космосе, так как эти области у нас вызвали интерес.
1. Нанотехнологии в современном мире.
1.1 История возникновения нанотехнологий.
Наука «Нанотехнология» возникла из-за революционных изменений в информатике!
В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались. Термин «нанотехнология» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Название происходит от слова «нанометр» – одна миллиардная часть метра (10-9м).
В современном звучании нанотехнологии – это технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи, объединяющие все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами.
У современной нанотехнологии достаточно глубокий исторический след. Археологические находки свидетельствуют о существовании коллоидных рецептур еще в античном мире например, “китайские чернила” в Древнем Египте. Знаменитая Дамасская сталь, изготавливалась благодаря наличию в ней нанотрубок.
Отцом идеи нанотехнологии условно можно считать греческого философа Демокрита приблизительно в 400 г.д.н. эры он впервые использовал слово “атом”, что в переводе с греческого означает “нераскалываемый”, для описания самой малой частицы вещества.
Вот примерный путь развития:
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1934 год. Американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер теоретически обосновал возможность создания ультрадисперсного металла с достаточно малым числом электронов проводимости.
1951 год. Джон фон Нейман выделил принципы самокопирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность.
В 1953 году Ватсон и Крик описали структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации. Нобелевский лауреат Р. Фейнман написал фразу, воспринимаемую сейчас как пророчество: “Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами”. Эта мысль прозвучала тогда, когда начало постиндустриальной эпохи ещё не было осознано; в эти годы не было ни интегральных схем, ни микропроцессоров, ни персональных компьютеров.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехнологии”, которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово “нанос” означает примерно “старичок”.
1981 год. Глейтер впервые обратил внимание на возможность создания уникальных по свойствам материалов, структура которых представлена кристаллитами наноразмерного интервала.
27 марта 1981 года новости радио CBS процитировали ученого, работающего в NASA, который сказал, что инженеры будут способны строить самовоспроизводящихся роботов в пределах двадцати лет, для использования в космосе или на Земле. Эти машины строили бы копии себя, и копиям можно было бы делать предписания создавать полезные продукты.
1982 год Г. Бининг и Г. Рорер создали первый сканирующий туннельный микроскоп.
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский ученый Эрик Дрекслер опубликовал книгу “Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии”, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1991 год, Хьюстон (США), химический факультет университета Раиса. В своей лаборатории доктор Р. Смоли (лауреат Нобелевской премии за 1996 год) с помощью лазера испарял под вакуумом графит, газовая фаза которого состояла из достаточно крупных крастеров: в каждом по 60 атомов углерода. Кластер из 60 атомов более устойчив, так как имеет повышенную величину свободной энергии. Этот кластер – структурное образование похожее на футбольный мяч и предложил назвать эту молекулу фуллереном.
1991 год, Сотрудник лаборатории фирмы NEC в Японии Сумио Идзима впервые обнаружил углеродные нанотрубки, которые ранее были предсказаны за несколько месяцев до этого российским физиком Л. Чернозатонским и американецем Дж. Минтмиром.
1995 год. В Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я. Карпова разработали на основе пленочного нанокомпозита датчик, выявляющий различные вещества в атмосфере (аммиак, спирт, водяной пар).
1997 год. Ричард Е.Смоли, Лауреат Нобелевской премии 1996 г. в области химии, профессор химии и физики предсказал сборку атомов уже к 2000 г. и к этому же времени спрогнозировал появление первых коммерческих наноизделий. Этот прогноз оправдался в предсказанный срок.
1998 год. были экспериментально подтверждены зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нано-технологий.
1998 год. Темпы развития нанотехники стали резко нарастать. Япония определила нанотехнологию как вероятную технологическую категорию 21-го века.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что от-дельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Исследовательская группа фирмы “Хьюлетт-Паккард” создала с помощью новейших нанотехнологических методов самосборки молекулу-переключатель или минимикродиод.
2000 год. Начало эры гибридной наноэлектроники.
2002 год. С. Деккер объединил нанотрубку с ДНК, получив единый наномеханизм.
2003 год. Японские ученые стали первыми в мире, кому удалось создать твер-дотельное устройство, в котором реализован один из двух основных элементов, необходимых для создания квантового компьютера. 2004 года. Был презентован “первый в мире” квантовый компьютер
7 сентября 2006 года Правительство Российской Федерации одобрило концепцию Федеральной целевой программы развития нанотехнологий на 2007-2010 годы.
Таким образом, сформировавшись исторически, к настоящему моменту, нанотехнология, завоевав теоретическую область общественного сознания продолжает проникновение в его обыденный пласт.
Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). 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.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.
1.2. Нанотехнологии в разных сферах жизнедеятельности человека
Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.
На сегодняшний день (2000 г. – 2010 г.) имеется следующая картина:
биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.
простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов.
наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, “умных” песков, бумаги, углеродных волокон.
защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали.
катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания.
Легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики.
Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.
Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.
Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран.
Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров.
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.
Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения.
Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.
1.2.1 Нанотехнологии в космосе
В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.
Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое – когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.
Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.
Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. 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. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м – в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).
1.2.2 Нанотехнологии в медицине
Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели – в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.
На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.
Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron – дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров – 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.
Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты – белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды – простуду или воздействие радиации, к примеру, – белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.
Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.
Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества – человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким – это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и не живым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.
Наномедицина представлена следующими возможностями:
1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.
2. ДНК – чипы(создание индивидуальных лекарств).
3. Искусственные ферменты и антитела.
4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического
5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или “детальки” нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.
В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. 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.
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии – как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.
Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения “вечной молодости” наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.
Основная сложность с нанотехнологией – это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.
Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.
Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.
1.2.3 Нанотехнологии в пищевой промышленности
Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это — любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется — органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых “мягких” частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то “твёрдые” частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий — нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: 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.
1.2.4 Нанотехнологии в военном деле
Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:
1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.
2. Разрушение макроустройств с наноуровня.
3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.
4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.
5. Наноснаряжение для солдат.
6. Защита от химического и биологического оружия.
7. Наноустройства в системах управления военной техникой.
8. Нанопокрытия для военной техники.
Нанотехнология позволит производить мощные взрывчатые вещества. Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки раз. Атака управляемых снарядов с нановзрывчаткой на заводы по регенерации ядерного топлива может лишить страну физической возможности производства оружейного плутония. Внедрение малогабаритных роботизированных устройств в электронную технику может нарушать работу электрических контуров и механики при помощи. Сбой работы центров управления и командных пунктов невозможно предотвратить если не изолировать наноустройства. Роботы для разборки материалов на уровне атомов, станут мощным оружием превращающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Но это пока лишь перспектива для развитой формы нанотехнологии. А пока исследования ведутся в области нейронных технологий, развитие которых приведет к появлению боевых наноустройств, осуществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функциями человеческого организма, используя подключение с помощью наноустройств к нервной системе. В лабораториях NASA уже созданы действующие образцы оборудования для перехвата внутренней речи. Фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой систем космического мониторинга, наземного наблюдения и шпионажа. С помощью наноустройств внедрённых в мозг возможно получение “искусственного” (технического) зрения с расширенным спектром восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы.
Следующим применением нанотехнологии в военной сфере являются наноустройства генетического наведения. Наноустройство с генетическим наведением может быть запрограммировано на выполнение тех или иных разрушительных действий в зависимости от генетической структуры ДНК клетки, в которой оно оказалось. В качестве условия активации устройства задаётся уникальный участок генетического кода конкретного человека или шаблон для действий над группой людей. Отличить обычную эпидемию от этнической чистки будет практически невозможно без средств обнаружения нанороботов. Наноустройства будут срабатывать только против заданного типа людей и при строго определенных условиях. Попав в организм, наноустройство никак себя не проявит, до команды активизации. Следующим применением нанотехнологий является экипировка и снаряжение солдат. Предлагается сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом.
Нанотехнология дала прорыв в изготовлении брони и бронежилетов.
Военную технику предполагают оснастить специальной “электромеханической краской”, которая позволит менять цвет и предотвратит коррозию. Нанокраска сможет “затягивать” мелкие повреждения на корпусе машины и будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. С помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в “краске”, исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.
Нанотехнология внесёт изменения в военной сфере. Новая качественно преобразованная и неконтролируемая гонка вооружений. Контроль за нанотехнологией может быть реально осуществлён лишь в глобальной цивилизации. Нанотехнология позволит произвести полную механизацию полевой войны, исключающие присутствие модернизированных солдат.
Таким образом, главным выводом о результате проникновения нанотехнологии в сферу вооружения является перспектива образования глобального общества способного контролировать нанотехнологию и гонку вооружения. Это тенденция универсализма определяется рациональностью техногенной цивилизации и выражает её интересы и ценности.
Заключение
Прояснив понятие нанотехнологии, обозначив её перспективы и остановившись на возможных опасностях и угрозах, хочу сделать вывод. Я считаю, что нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. И каковы будут эти изменения – полезными, несравненно облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству – зависит от взаимопонимания и разумности людей. А взаимопонимание и разумность напрямую зависят от уровня гуманности, предполагающей ответственность человека за свои поступки. Поэтому важнейшей необходимостью в последние перед неизбежным нанотехнологическим «бумом» годы становится воспитание человеколюбия. Только разумные и гуманные люди могут превратить нанотехнологии в ступеньку к познанию Вселенной и своего места в этой Вселенной.
Список литературы
Основы объектно-ориентированного программирования в Delphi: Учеб. пособие / В. В. Кузнецов, И. В. Абдрашитова; Под ред. Т. Б. Корнеевой. – изд. 3-е, перераб. и доп. – Томск, 2008. – 120 с.
Киммел П. Создание приложениё в Delphi./П. Кимел – М: Вильямс, 2003. – 114с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси. – М.:Бином, 2005 – 134с
Чаплыгин А. «нанотехнологии в электронике» / А.Чаплыгин. – 2005 М.:техносфера
http://www.delphi.com
http://www.delphisources.ru
http://www.delphimaster.ru
http://www.nano-alife.ru
nanoprom.info
2012 год
Исследовательская работа
«Нанотехнологии –
технологии будущего»
Выполнил: Маркин Кирилл 9 «Б» класс
Руководитель учитель физики: Маркина Н.Г.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Донбасский государственный технический университет
Кафедра АЭМС
На тему:
«Нанотехнологии и нанороботы »
Алчевск 2008
Содержание
Введение. 3
1. История развития нанотехнологии в датах. 4
2. Нанотехнологии. 9
3. Нанороботы… 12
4. Перспективы развития нанороботов. 15
Заключение. 22
Ссылки. 23
Введение
Нанотехнологии являются очень перспективными, но пока не развитыми в полной мере. Нанотехноло?гия – междисциплинарная 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Нанороботы, или нанобо?ты – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.
В данной научно-исследовательской работе рассматривается история возникновения нанотехнологии, общий принцип действия, а также пути развития в будущем.
1. История развития нанотехнологии в датах
Один нанометр (от греческого «нано» – карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.
В 1932 г.голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).
Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме «Цейс», но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.
В 1939 г. компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции «Как много места там, внизу» («There’s plenty of room at the bottom»), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).
1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов
1971 г.Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Столь длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.
Правда, вскоре работы над Topografiner были прекращены, и признание к Янгу пришло только в 1979 г., после чего он получил множество наград.
1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин «нанотехнологии» (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.
1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.
СТМ действовал по принципу, схожему с заложенным в Topografiner, но швейцарцы создали его независимо от Янга, добившись значительно большей разрешающей способности и распознав отдельные атомы в кальциево-иридиево-оловянных кристаллах.
Главной проблемой в исследовании были фоновые помехи – острие микроскопа, позиционировавшееся с точностью до долей атома, сбивалось от малейших шумов и вибраций на улице.
1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу «Машины созидания» («Engines of Creation»), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.
Эта идея была, видимо, навеяна Дрекслеру его основной деятельностью – в задачах искусственного интеллекта идея самовоспроизводящихся устройств встречается постоянно.
Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологий, и начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.
1987–1988 гг. В НИИ «Дельта» под руководством П.Н. Лускиновича заработала первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.
1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.
Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго – атомы быстро разбежались с поверхности.
Но сам факт наличия постороннего атома в молекулярной структуре некоторого вещества открывал потенциальную возможность создания молекулярных автоматов, трактующих наличие или отсутствие такого атома в некоторой позиции как логическое состояние.
1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали. Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными – их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубокразличные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Компьютерщик Уоррен Робинет и химик Стэн Уильямс, сотрудники университета Северной Каролины, изготовили наноманипулятор – робот размером с человека, состыкованный с атомным микроскопом и управляемый через интерфейс виртуальной реальности.
Оператор, манипулируя отдельными атомами, с его помощью мог физически ощущать многократно усиленную отдачу от модифицируемого вещества, что значительно ускоряло работу.
Пытаться делать прикладные наноустройства без такого комплекса до того времени было немыслимо.
1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.
1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.
1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор Технического университета г. Делфтса, создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.
Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.
В Японии запущена программа «Astroboy» по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.
1999 г. Американские ученые – профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) – разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.
2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы. Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии – создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм. Проект финансировала компания Volkswagen.
Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.
2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.
2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).
2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.
На NNI отпущено 770 млн. долл. В бюджете NNI 2004 г. заложена сумма 849 млн. долл.
2. Нанотехнологии
Нанотехнологии – это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами – это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
– изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов
– создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу
– непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно 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 до 100 нм).
– наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
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.
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. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология – новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. 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. Нанотехнология – следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
3. Нанороботы
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты.
Немало нанотехнологических устройств уже создано и хотя они пока являются экспериментальными разработками, практические перспективы очевидны. Разработан наноэлектродвигатель, имеющий обмотку из одной длиной молекулы, способной без потерь передавать ток. При подаче напряжения начинал вращаться ротор, состоящий из нескольких молекул. Существует также устройство линейной транспортировки, способное перемещать молекулы на заданное расстояние. Разрабатываются также молекулярные биосенсоры, антенны, манипуляторы.
Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей – данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
Логично задать вопрос – когда же нанороботы придут в наш мир, станут такой же обыденностью, как персональные компьютеры и интернет. По прогнозам ученых, век нанороботов уже не за горами.
Существующие прототипы двигателя, процессора, захвата будут собраны в единое устройство, и эпоха нанороботов наступит до 2015 года. Все названные перспективы могут осуществиться, наномашины будут в состоянии воссоздавать любые предметы из атомов, смогут омолаживать человека, станут искусственными производителями пищи, заполнят околоземное пространство и сделают пригодными для человека планеты и их луны.
Существуют, однако, и опасения по поводу наномеханики. Так, упомянутая выше книга «Машины Созидания» повествует о сбое в программе роботов, в силу чего они превращают всю землю в месиво из самих себя. Читатель также может вспомнить «Непобедимый» Станислава Лемма, в котором крошечные роботы, наследие цивилизации Лиры, будучи примитивными механизмами, объединяются миллионами, образуя мыслящие конструкции, готовые уничтожить человека с бездушием механизма чтобы затем снова погрузиться в тысячелетний стазис.
Данные взгляды не являются прерогативой фантастов, их поддерживает ряд ученых, которых в прессе иногда называют наноапокалиптиками. Профессор Евгений Абрамян в своей статье «Угрозы новых технологий» рисует ситуацию, при которой роботы, предназначенные для разборки на атомы отходов, начнут разбирать в силу сбоя и все остальное. При этом такие машины будут самореплицироваться. Кроме того, как отмечает ученый, эти микромашины могут стать основой для новых, еще более чудовищных, чем современные, средств ведения войны.
Так или иначе, шаг к созданию нанороботов уже сделан и мы в очередной раз сталкиваемся с вопросом постановки формулировки: меняют ли наши нововведения нашу же жизнь, или мы сами её меняем. Сможем ли мы создать на основе наномеханики мир, свободный от голода, нужды и при этом имеющий потенциал к развитию, или дорога из желтого нанокирпича приведет нас к хаосу новых войн будет зависеть от нас самих, но ясно одно: мир меняется и мы стремительно меняемся вместе с ним.
4. Перспективы развития нанороботов
В ходе истории люди всегда только тем и занимались, что пытались упорядочивать атомы с целью получения структур с заданными свойствами. Все развитие техники, по сути, сводится к постоянному уменьшению частиц вещества, с которыми можно работать. Первобытные люди обтесывали камни, откалывая кусочки, содержащие бесконечное число атомов. Позже появились более тонкие инструменты, позволявшие оперировать значительно меньшим количеством атомов, но счет все равно шел на квадриллионы. В двадцатом веке освоили технологии создания тонких пленок. Напыляемые слои состояли из нескольких молекул.
Идеальный вариант – манипулирование отдельными атомами. Расположив их определенным образом, можно было бы создавать структуры с любыми заданными свойствами. На сегодняшний день такая задача не относится к области фантастики. Уже примерно двадцать лет, как химики научились собирать структуры поатомно. Первоначально такая операция представлялась проблематичной, но, понимая все значение новой области науки, ученые нашли различные методы ее выполнения. Это нанотехнологии – принципиально новые технологии, по сути, преддверие очередной интеллектуальной революции. Элементарной структурной единицей, с которой они работают, являются отдельные атомы, имеющие размеры порядка десятых долей нанометра, – отсюда и их название.
Но как можно оперировать отдельными атомами? Ответом на данный вопрос являемся мы сами. Ведь внутри каждого из нас – большое количество разнообразных белков, ферментов и гормонов, а занимаются они именно тем, что выборочно разбирают или собирают те или иные молекулы. Отличие от нанотехнологий, конечно, есть: перечисленные химические соединения оперируют группами атомов, и для работы с отдельными атомами не приспособлены.
Манипулирование атомами стало возможным после появления так называемого сканирующего электронного микроскопа с туннельным эффектом. Он мог перемещать отдельные атомы с помощью специальных электромагнитных полей. Принципиальная дорога в мир нанотехнологий оказалась открытой, и ученые не преминули ею воспользоваться. Укладывая атомы углерода в определенной последовательности, они одержали в восьмидесятых годах первую победу: собрали из них две шестеренки, сидящие на валах и свободно на них вращающиеся. Эти шестеренки имели размер порядка нескольких нанометров. Как только выяснилось, что таким образом можно построить работающий механизм, началось бурное развитие нанотехнологий. И уже через несколько лет удалось построить первый наноэлектродвигатель. В нем использовалась способность некоторых длинных органических молекул передавать электрический ток практически без потерь. Мотор работал: когда на «обмотку», представляющую собой одну «длинную» молекулу, подавали напряжение, ротор, состоящий всего из нескольких молекул, начинал вращаться. Путь к наноманипулятору был открыт. С его созданием люди перестанут нуждаться в громоздких электронных микроскопах – переставлять атомы можно будет с помощью самого манипулятора. Что вплотную приблизит ученых к конечной цели.
Какова же эта цель? Судя по затратам на исследования, их результаты должны быть поистине грандиозными: некая волшебная палочка, решающая если не все, то по крайней мере очень многие проблемы, стоящие перед человечеством. Поиски призваны привести к появлению универсального инструмента – наноробота, способного манипулировать отдельными атомами, просто «захватывая» их и расставляя в нужных местах. Таким образом, можно будет создавать структуры любой сложности с требуемыми свойствами. Нужно только писать соответствующие программы.
Нанотехнологии открывают огромные перспективы. Они позволят создавать сверхчистые материалы, которые нельзя получить другими способами. Если кому-либо для выполнения уникального эксперимента потребуется алмаз, превышающий по величине знаменитый Кохинор, создание его не проблема. Да и не только для расстановки атомов пригодятся нанороботы. Они и сами являются сверхточным инструментом. С их помощью можно конструировать новые нанороботы, существенно удешевляя производство. А недорогим нанороботам уже под силу складывать из атомов и уникальные изделия, и предметы повседневного пользования.
После создания развитой инфраструктуры нанороботов необходимость в огромных заводах отпадет. Представьте себе устройство величиной с холодильник, снабженное компьютером. Внутри будут находиться емкость с различными химическими элементами и колония нанороботов. Допустим, вы захотели почистить зубы. Отдаете команду компьютеру – и тот активирует программу сборки зубной щетки. Нанороботы начинают ловить атомы в растворе и расставлять их по местам. Через некоторое время щетка готова, причем, если пожелаете, уже с зубной пастой. После гигиенической процедуры кладете ее обратно в емкость, где она разлагается на исходные атомы. Таким образом, стоимость изделия значительно уменьшается, поскольку нужно платить лишь за электричество и сам прибор. Кроме того, вещи не будут накапливаться, загромождая квартиру.
Не менее грандиозные перспективы открываются и перед медициной – человечество получит лекарства от всех существующих болезней, и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического. Нанороботы смогут проникать в клетки организма и исправлять все повреждения на молекулярном уровне – т.е. зубная щетка не понадобится вовсе. И наконец, прекратится дальнейшее загрязнение окружающей среды, ведь новая технология, по сути, безотходна.
Однако чтобы достичь всего этого, нужно ответить на множество вопросов. Так, например, никто пока не знает, какие размеры должны иметь механические части роботов и как сделать так, чтобы они отвечали определенным требованиям.
Данную проблему можно решить экспериментально. Предположим, нам нужно знать, какую толщину должна иметь «рука» наноробота. Мы могли бы просто создать опытный образец и посмотреть, сломается она или нет. Если сломается, то сделать «руку» потолще, и т.д. Но у этого метода есть серьезный недостаток. Сейчас нанообъекты приходится создавать макрометодами, что очень дорого, трудоемко и долго. Чтобы перебрать много вариантов и выбрать наилучший, возможно, не хватит и жизни. Поэтому надо искать другие пути.
Итак, нам нужно знать характеристики манипулятора, по сути представляющего собой одну гигантскую молекулу. Свойства любой молекулы полностью определяются прочностью химических связей между атомами, из которых она состоит. А как известно, химическая связь – не что иное, как взаимодействие электронов и ядер атомов. Чтобы определить эти связи, мы должны знать вероятность пребывания электронов в конкретном месте в определенное время. Если вероятность того, что электрон находится между ядрами атомов велика, то связь крепка. Чем ниже вероятность этого, тем слабее связь.
Проблема была решена в начале XX столетия. Австрийский исследователь Шредингер создал уравнение, позволяющее узнать все свойства химического соединения, даже не получив его на практике. В уравнении учтены все силы, которые воздействуют на электрон. Ученый решил его для простейшего случая – атома водорода – и получил точно такие же значения, как и на практике. Проблема описания связей исчезла, но возникла новая – как решить само уравнение Шредингера. Подумаешь, уравнение – покажется кому-то. Однако не стоит недооценивать проблему. Ведь получить результат типа «икс равно» удается не так уж часто. И чем точнее уравнение описывает реальный мир, тем меньше вероятность, что оно решаемо на бумаге. Что же делать? Надо либо упрощать уравнение, либо вычислять его приближенными методами, а чаще всего приходится делать и то и другое. Уравнение Шредингера хорошо упрощается для кристаллов, в которых атомы размещены строго в узлах решетки. А границы кристалла, где регулярная структура обрывается, расположены относительно далеко, и их влиянием можно попросту пренебречь. Именно такой подход позволил узнать свойства полупроводников, что в конечном итоге привело к созданию современных интегральных схем. Для манипуляторов нанороботов все обстоит иначе. Атомов столь мало, что все они являются граничными, и решать уравнение в упрощенном виде бессмысленно. Приходится искать точное решение. С другой стороны, атомов столь много, что найти точное решение невероятно сложно. Для самого простого случая – молекулы водорода, состоящей из двух атомов, решение уравнения Шредингера не составляет проблемы. Но чем сложнее молекула, тем дольше его считать.
Среди самых распространенных наноустройств на сегодняшний день – нанотрубки. Они играют различные роли: от молекулярных фильтров, действующих как обычные сита, и до трехмерных шестеренок, без которых трудно представить себе какой-либо механизм. Нанотрубки на рисунке почти целиком состоят из углерода, а точнее из замкнутых графитовых слоев. Обратите внимание на выступы по бокам трубок: именно они выполняют функции зубьев, превращающих нанотрубки в шестерни.
Еще лет двадцать назад понятие сложности алгоритма было известно абсолютно всем. Когда объем вычислений линейно зависит от объема входных данных, говорят о линейной сложности. Это идеал, мечта программиста. Если зависимость степенная, дело обстоит хуже, но терпимо. Но если количество данных является показателем степени – это приговор алгоритму. Экспоненциальная сложность – почти то же, что и отсутствие решения задачи.
Шли годы, перед программистами возникли новые проблемы, и основное внимание было уделено им. Разумеется, постоянный рост производительности компьютеров и многократное уменьшение их стоимости позволили смириться с наличием неэффективных алгоритмов. Однако такие «тепличные» условия не вечны. Стоит появиться задаче, требующей большого объема вычислений, и проблемы сложности снова становятся предельно актуальными.
Одной из таких задач стало определение свойств, которыми должны обладать наноустройства. Согласно закону Мерфи, если неприятность может произойти, она обязательно произойдет. В полном соответствии с этой сентенцией алгоритм решения уравнения Шредингера имеет экспоненциальную сложность. Свойства молекулы водорода вычисляются за доли секунды. Но на расчет прочностей связей в воде уходит несколько минут, а в метане – уже около часа. С усложнением молекулы дела идут все хуже. Ничего не поделаешь, при увеличении числа связей на единицу требуется в тысячи раз больше ресурсов. Одним словом, определить свойства молекулы с несколькими десятками связей уже малореально.
Ученые прибегли к многочисленным упрощениям, вплоть до того, что молекулу представляли в виде совокупности шариков-атомов, соединенных между собой пружинками. Если исходить из сказанного, то все просто, и даже сверхгигантские молекулы «считаются» быстро. Но вот результат таких расчетов отличается от практического на порядки. Атомы не шарики, что еще Бор показал. Следовательно, остается постоянно искать компромисс между сложностью молекулы и точностью расчетов. А компромисс этот так близок к нулю, что рано думать о создании реальных манипуляторов.
Поэтому нужны обходные пути. Где они, никто не может предсказать. Но опыт решения, на первый взгляд, безнадежных задач уже есть. К примеру, классическая задача коммивояжера также имеет экспоненциальную сложность. Однако, создав новый тип самоорганизующейся системы, Хопфилд смог реализовать алгоритм ее решения с полиномиальной сложностью. Впрочем, за экономию ресурсов пришлось платить. Лишь половина решений является оптимальной, поэтому, используя систему Хопфилда, никогда нельзя сказать наверняка, что задача решена. Но, как известно, стопроцентную гарантию дает только страховой полис, а иметь 99%-ю уверенность в решаемости задачи, которая ранее не считалась таковой, – совсем неплохо.
Для наноустройств системы, подобной системе Хопфилда, пока не существует, но будем надеяться, что это «пока» не затянется слишком надолго.
Заключение
В ходе выполнения данной НИРС мною были проработано множество статей, посвященных вопросам нанотехнологии. Также была прочитана повесть Станислава Лемма «Непобедимый» и просмотрены видеоролики, освещающие работу нанороботов в различных сферах деятельности. После проделанной работы я пришел к следующим выводам:
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм.
Ссылки
1. http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/index.html
2. nanorobots.ru
3. cooler-online.com
4. membrana.ru
5. nanonewsnet.ru
6. ibtechno.com
7. r0b.biz
8. nanoenot.pisem.net
9. nanodigest.ru
напишите сочинение-рассуждение на тему : я за нанотехнологии
Ответы:
Двадцать первый век,век науки ,нанотехнологий,кибирнетики.Немногие люди задумываются над вопросом:нанотехнологии-это вред или наоборот помощь человеку?Каждый человек к этому подходит со своей стороны.Кто-то думает,что нанотехнологии-это самое лучшее ,что могло было бы быть на земле,а другие наборот этого остерегаются.Почему же люди делятся на эти две категории?Верить нанотехнологиям,и быть “за”них,считать,что это самые нужные изобретения или же опасаться их и быть “против”так как они приносят вред здоровью.Но казалось бы,как они могут приносить вред здоровью?Ведь это простые жестянки,которые ничего дурного не делают.Но если задуматься,то даже самый простой телефон оказывает дурное воздействие на организм.Но как?Это конечно же радиация,и вред глазам,большая нагрузка на хрусталики.Но если посмотреть с другой стороны,то телефон это очень нужная вещь.В чем же он способствует человеку?Это конечно же,что человек может общаться с родственникоми,созваниваться,а не как в древние времена общались голубиной почтой или гонцами,так же можно узнать много новостей,посмотреть погоду,то есть ,быть в курсе всех событий,которые произошли за недолгое время.Поэтому ,я думаю ,что люди именно из-за этого делятся на две категории.А может быть,они просто боятся прогресса,и не воспринимают новые технологии и следовательно нанотехнологии.Но я думаю,что конечно же,большинство людей за нанотехнологии.Ведь люди к ним уже привыкли,и это огромная помощь человечеству,что если сейчас убрать все нанотехнологии,я думаю,что человечеству будет очень трудно,потому что мы к ним уже привыкли.Например:стиральная машина,человек к ней уже привык,что положил белье,а она все делает сама,но если ее забрать,то человеку придется делать все вручную,как раньше-это огромный труд,человеку будет очень трудно привыкнуть к такому натиску безинновационных технологий.Поэтому,я думаю,что нанотехнологии в двадцать пнрвом веке просто необходимы,так как мы без них уже не сможем,нам будет трудно без них.И конечно же,застоя в информационных технологиях не будет,они будут только развиваться,и постоянно улучшаться или будет добавляться что-то новое.
Перевод:
Современный человек едва ли может представить свою жизнь без машин. Ежедневно или появляются новые устройства, или улучшаются уже существующие. Люди по-разному относятся к новым изобретениям. Некоторые полагают, что сложные гаджеты на самом деле полезны и необходимо, в то время, как другие считают их ужасными из-за их отрицательного влияния на людей. Что касается меня, я абсолютно уверена в том, что новые устройства делают нашу жизнь легче.
Во-первых, они выполняют всю грязную и тяжелую работу, такую как уборка. Во-вторых, устройства экономят как время, так и место. Например, компьютерный диск может вмещать столько же информации, как несколько толстых книг. Итак, машины помогают людям в разных сферах деятельности.
Однако противники этой точки зрения абсолютно уверены в том, что новые изобретения отрицательно влияют на людей. Люди не хотят работать из-за влияния устройств. Они становятся ленивыми и неорганизованными. Они ждут, когда их последние изобретения сделают всё за них. Более того, по мнению ученых, многие широко распространенные гаджеты обладают излучением, которое может вызвать серьёзные проблемы со здоровьем. Кроме того, всё больше и больше людей становятся зависимыми от компьютера, телевизора или мобильного телефона. Они игнорируют свои домашние обязанности, учебу или работу и проводят всё своё время перед ноутбуком или экраном телевизора.
В заключение, я считаю, что, несмотря на все имеющиеся недостатки, достоинства гаджетов намного более занчительны, так как они экономят время и позволяют людям наслаждаться жизнью!
Каменская Татьяна