Что нужно знать о науке Нанотехнология, не уничтожит ли нас через 100 лет

Нанотехнология — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

История развития нанотехнологии

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

Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне (1981 г.), Позже они получили за эту разработку Нобелевскую премию. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп еще больше расширил типы исследуемых материалов (1986 г.).

В 1985 году Роберт Керл, Харольд Крото, Ричард Смолли открыли новый класс соединений — фуллерены (Нобелевская премия, 1996 год).

В 1988 году независимо друг от друга французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) (в 2007г. присуждена Нобелевская премия по физике), после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи. Открытие ГМС стало основой для развития спинтроники. С 1997 года компания IBM в промышленных масштабах начала изготавливать спинтронных приборы — головки для считывания магнитной информации на основе ГМС размерами 10-100 нм.

ГМС, или, иначе, гигантское магнетосопротивление (англ. giant magnetoresistance сокр., GMR) — представляет собой эффект изменения электрического сопротивления образца под действием магнитного поля (преимущественно в гетероструктурах и сверхрешетках), отличающееся от магнетосопротивления масштабом эффекта (возможно изменение сопротивления на десятки процентов, в отличие от магнетосопротивления, когда изменение сопротивления не превышает единиц процентов). Его открытие сделало возможным разработку современных носителей информации для компьютеров — накопителей на жестком магнитном диске (HDD)

1991 год ознаменовался открытием углеродных нанотрубок японским исследователем Сумио Ииджимою.

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

2004 год — открытие графена, за исследования его свойств А. К. Гейму и К. С. Новоселову в 2010 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Известные фирмы IBM, Samsung финансируют научные проекты с целью разработки новых электронных устройств, смогли бы заменить кремниевые технологии.

Первые открытия

Использование новых технологий привело к поразительному открытию. Когда прибор приближался к атому на расстояние в 1 нанометр, между ним и атомом возникала связь. Эта особенность позволила найти способ перемещать отдельные микрочастицы. Благодаря такому открытию появилась возможность использовать нанотехнологии для комфортного быта.

Как пояснил Джеймс Джимзевский, профессор университета Калифорнии, туннельный сканирующий микроскоп позволил практически прикасаться к молекулам и атомам. Ученые впервые смогли манипулировать атомами на поверхности вещества и создавать структуры, которые раньше нельзя было и представить.
Это новоприобретенное открытие (способность наблюдать и манипулировать мельчайшими частицами, составляющими материю) дало возможность использовать нанотехнологии во всех отраслях без исключения.

Что же такое нанотехнология?

Подчёркиваю — нанотехнологии работают с объектами порядка 1-100 нанометров.

А как же остальные маленькие объекты? Для понимания их размерности нужны иные приставки к слову технология. Т.е., если наука использует объекты от 1 до 100 микрометров, то мы имеем дело не с нанотехнологией, а с микротехнологией! А если с объектами порядка от 1 до 100 миллиметров — миллитехнология! И т.д.

В микро- диапазон входят все объекты, имеющие размер от 100 мкм до 100 нм. Приставка «нано-» используется для объектов только размером от 1 до 100 нм.

Так что же нам тогда за сказки рассказывают по созданные сегодня «нанотехнологии»:

Общая характеристика нанотехнологий и наноматериалов

Нанотехнологии (НТ) (греческое слово «nannos» означает «карлик») — это совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.

1 нанометр (нм) = 10-9 метра.

К нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Нанотехнологии используют: атомное сообщения молекул, локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне и др. Процессы нанотехнологий подлежат законам квантовой механики.

На сегодня основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.

Задача НТ:

• получения наноматериалов с заданной структурой и свойствами;
• применения наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств;
• контроль (исследования) структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.

Существует два основных подхода к нанопроизводства: сверху вниз и снизу вверх . Технология сверху вниз заключается в измельчении материала, имеющего большие размеры (массивный материал), до наноразмерных частиц. При подходе снизу вверх продукты нанопроизводства создаются путем выращивания (создания) их из атомного и молекулярного масштабов.

Производство на наноуровне известно как нанопроизводств — предусматривает масштабные мероприятия, создание надежного и экономически эффективного производства наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Оно предусматривает исследования, разработки и интеграции технологий сверху вниз и более сложную — снизу вверх или процессы самоорганизации.

Наноматериалы — это дисперсные или массивные материалы (структурные элементы — зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и имеющие качественно новые свойства, функциональные и эксплуатационные характеристики, которые проявляются вследствие наномасштабных размеров.

Все вещества в начальном состоянии или после определенного обработки (измельчения) имеют разную степень дисперсности, размер составляющих частиц можно не увидеть невооруженным глазом.

Объекты с размерами в пределах 1-100 нм принято считать нанообъектами , но такие ограничения являются весьма условными. При этом данные размеры могут касаться как всего образца (нанообъектом является весь образец), так и его структурных элементов (нанообъектом является его структура). Геометрические размеры некоторых веществ приведены в таблице.

Основные преимущества нанообъектов и наноматериалов состоит в том, что за малых размеров в них проявляются новые особые свойства, не характерные этим веществам в массивном состоянии.

Классификация вещества в зависимости от степени  дисперсности

Свойства наноматериалов определяются их структурой, для которой характерно обилие границ раздела (границы зерен и тройных стыков — линии соприкосновения трех зерен). Изучение структуры является одной из важнейших задач наноструктурного материаловедения. Основной элемент структуры — зерно или кристалит.

Классификация по размеру. По размерной признаком нанообъекты разделяют на три типа: нульмерные/ квазинульмерные (0D), одномерные (1D), двумерные (2D).

Нанообъекты нульмерные/ квазинульмерные (0D) — это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и фуллерены), содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов, сгруппированных в связи или ансамбли в форме клетки. В этом случае частица имеет нанометровые размеры во всех трех направлениях.

Наночастицы — это нанообъекты, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины (до 100 нм). Как правило, наночастицы имеют сферическую форму и, если они имеют ярко выраженное упорядоченное размещение атомов (или ионов), то их называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью энергетических уровней часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами».

Сравнение геометрических размеров материалов

Нанообъекты одномерные (1D) — углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода, то есть цилиндрические объекты с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. В данном случае один характерный размер объекта, по крайней мере на порядок превышает два других.

Нанообъекты двумерные (2D) — покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности массивного материала (подложке). В этом случае только одно измерение — толщина должна нанометровые размеры, два других являются макроскопическими.

Принцип работы с наночастицами

Сканирующий микроскоп использует зонд, представляющий собой иглу толщиной в 1 атом. Когда она приближается всего на несколько нанометров к образцу, происходит обмен электронами с ближайшей наночастицей. Это явление называется эффектом туннеля. Система управления фиксирует изменение величины туннельного тока, и вот уже на основе этой информации идет более точное построение топографии поверхности исследуемого образца. Программное обеспечение позволяет преобразовать полученные данные в изображение, которое дает ученым ключ к новому миру, используя нанотехнологии в быту и других отраслях.

Как утверждает Джеймс Джимзевский, благодаря сканирующему электронному микроскопу ученые впервые получили изображения атомов и молекул и смогли изучить их форму. Это стало настоящей революцией в науке, ведь ученые начали смотреть на многие вещи совсем по-другому, обратив внимание на свойства отдельных атомов, а не миллионы и миллиарды частиц, как это было в прошлом.

Методы нанотехнологий

Основное и наиболее тривиальное различие между различными методами нанопроизводства — это методы «сверху вниз» и «снизу вверх». Нанопроизводство «сверху вниз» предполагает извлечение мелких наноразмерных материалов из более крупного материала путем удаления из него остатков до получения желаемого размера и свойств. В этой категории используются печатные методы производства нанотехнологий.

Другой метод, то есть метод «снизу вверх», является полярной противоположностью сверху вниз. В этом методе объекты создаются на атомном или ядерном уровне и масштабируются до тех пор, пока не будет извлечен соответствующий продукт.

Методы сверху вниз

• Обычная литография — этот метод состоит из трех этапов: нанесения покрытия, экспонирования и проявки. Покрытие включает в себя нанесение на вещество, называемое подложкой, полимерного слоя, который называется резистом. Экспонирование включает в себя воздействие на резист электронными лучами. Проявка включает извлечение позитивного или негативного изображения из резиста с помощью химического вещества.
• Фотолитография — как ясно из названия, фотолитография использует ультрафиолетовые или рентгеновские лучи для экспонирования полимера через маску. Изображение, нанесенное на маску, воспроизводится путем наложения маски на резист.
• Сканирующая литография — этот метод использует высокоскоростные электроны и ионы для создания желаемых рисунков на резисте через маску. Достигаемое при этом разрешение больше, чем при фотолитографии.
• Мягкая литография — В этом методе используется форма, изготовленная из жидкого полимерного прекурсора. Этот метод в первую очередь помогает в создании крупного оборудования из наноструктур. Самым большим преимуществом этого метода является то, что форма обычно состоит из нетоксичных веществ и поэтому может быть использована из биологических наноматериалов.

Нанометоды сверху вниз

• Нанопечатная литография — литография наноотпечатков позволяет получить обратную 3D-структуру предварительно существующего наноматериала. Взятый объект называется мастером, и процесс осуществляется под очень высоким давлением, чтобы процесс репликации был точным. Этот метод можно представить как наномасштабное тиснение, поэтому он требует очень сложного оборудования.
• Наносферная литография — В наносферной литографии несколько наносфер размещаются вместе, что в конечном итоге создает упорядоченный рисунок на маске. Маска помещается в коллоид, который отличается для каждого материала поверхности объекта. Пустое пространство между выстроенными в ряд наносферами создает возможность для создания относительно плоских узоров на поверхности маски. Отверстия, оставшиеся на маске после процесса, могут быть использованы для создания чрезвычайно сложных 3D наноструктур и узоров.
• Коллоидная литография — в коллоидной литографии электростатические силы действуют на маску для создания очень сложных наноструктур и конструкций в виде небольших массивов. Это единственное отличие коллоидной литографии от наносферной. С помощью этого метода можно формировать различные типы наноструктур, такие, как отверстия, конусы и даже многослойные структуры.
• Сканирующая зондовая литография — для получения изображений используются самые маленькие вообразимые кончики, подобные структурам атомного масштаба. Этот метод оптимален для производства наноструктур высокого разрешения с очень сложными геометрическими рисунками.

Методы «снизу вверх»

Плазменная дуга — к электродам прикладывается рассчитанный потенциал, в котором возникает плазма. Газ ионизируется, и на двух электродах образуются пары. Этот метод в основном используется для сбора слоев на поверхностях.

Химическое осаждение из паровой фазы — вещество, которое необходимо осадить, переводится в газообразную форму, а затем ему дают возможность осадиться в твердом виде на поверхности другого объекта. Обычно для этого предпочтительна плоская поверхность.

Синтез золь-геля — этот процесс осуществляется в жидкой фазе. Жидкости затем дают возможность осесть на поверхности, и в конечном итоге она превращается в гелеобразное вещество.

Особые свойства наноматериалов

В макромасштабе химические и физические свойства материалов не зависят от размера, но при переходе к наномасштабу все меняется, включая цвет материала, точку плавления и химические свойства. В нанокристаллических материалах существенно изменяются механические свойства. При определенных условиях эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными. Твердость нанокристаллического никеля при переходе к наноразмерных размеров увеличивается в несколько раз, а прочность на растяжение возрастает в 5 раз. Температура плавления кластеров (более 1000 атомов) золота становится такой же как и для объемного золота. Добавление наноструктурированного алюминия в ракетное топливо радикально меняет его скорость сгорания. Теплопроводность моторного масла существенно возрастает при добавлении многослойных углеродных нанотрубок.

Так, в нанокристаллических и нанопористых материалах резко увеличивается удельная поверхность, то есть доля атомов, находящихся в тонком (~ 1 нм) приповерхностном слое. Это приводит к повышению реакционной способности нанокристаллов, поскольку атомы, находящиеся на поверхности, имеют ненасыщенные связи в отличие от тех, что находятся в объеме и связанных с соседними атомами.

Экспериментальные данные, полученные в разных лабораториях для нанопорошков, свидетельствуют, что в большинстве случаев чувствительность к возгоранию от электрической искры, сталкивания или механического трения и интенсивность горения возрастают при уменьшении размера частиц в пылевом облаке (и соответственно при увеличении удельной поверхности).

Если металлические частицы имеют размеры порядка мкм — нм, то их минимальная энергия воспламенения (МЭЗ) значительно уменьшается и составляет менее 1 мДж (это нижняя граница чувствительности аппарата, который обычно используется для измерения МЭЗ). Была изучена зависимость размеров частиц Al, полиэтилена и оптического отбеливателя от МЭЗ. Результаты по огнеопасности Al приведены в таблице. Согласно полученным данным, максимальное давление взрыва Pmax возрастает при переходе в  нанодиапазон, минимальная концентрация воспламенения (МКЗ) существенно не меняется, а МЭЗ резко уменьшается как минимум, в 60 раз.

Огнеопасность частиц Al

Размерная зависимость поверхностной энергии нанокристаллов приводит соответствующую зависимость температуры плавления, которая для нанокристаллов становится меньше, чем для макрокристаллов. В целом в нанокристаллах наблюдается заметное изменение тепловых свойств, что связано с изменением характера тепловых колебаний атомов. В ферромагнитных наночастицах при уменьшении размера ниже некоторого критического значения для системы становится энергетически невыгодным состояние разбиение на домены. В результате наночастицы превращаются из полидоменных в однодоменных, при этом получая особые магнитные свойства.

1. Нанотехнологии в космосе

Если размер спутника составляет 10 см, т.е., 1 дм, это — децитехнология (от 1 до 100 дециметров) или сантитехнология (от 1 до 100 сантиметра). Почему же его называют наноспутником? Опять тяга к модным словам?

А остальное даже комментировать лень: отнести к «нанотехнологиям» огромные луноходы и марсоходы, космический телескоп, роботов и солнечные батареи — бездоказательно и антинаучно!

2. Наноснаряды

Продолжает столь же безграмотный подход к «нанотехнологиям» термин «наноснаряды» — которые также слишком велики даже для миллитехнологий.

3. Нанороботы или наноботы или наниты

Это — правильное определение. Но, у нас в прессе постоянно пишут об уже созданных наноботах! Посмотрим:

100 микромиллиметров — это что за зверь? Знаю микроны, знаю метры, знаю миллиметры, микромиллиметры — не знаю!

Респироцит (искусственная механическая красная кровяная клетка) имеет размер 1 микрон (в диаметре) = 1 микрометр = 1000 нанометров, т.е., к нанотехнологиям никакого отношения не имеет (те. как мы уже выяснили, имеют размер от 1 до 100 нанометров). Это — микротехнология. Но, в большинстве случаев пишут — наноробот.

Моторчики для наноботов — очередной миф из нашей современной истории. Хорошо, хоть признают, что их пока нет. Когда появится «моторчик» диаметром 500 нкм, он никак на самом деле не сможет привести в движение нанобота — ибо тот должен быть размером до 100 нкм. Снова речь идёт о микротехнологии.

«Цинковые наноракеты» — название же придумали! И чего пишут дальше? Что «наниты» собираются из трубок длиной 20 микрон и диаметров 5 микрон.

Т.е., снова речь идёт о микротехнологии, а не о нанотехнологии.

4. Военные «нанотехнологии»

Уважаемый журнал «Военное обозрение» в статье про военные нанотехнологии пишет следующее:

Интересно, на каком основании «Военное обозрение» причислило объекты размером 5 квадратных миллиметров к нанотехнологиям? Это — однозначно — миллтехнология.

А уж сколько бредятины в презентациях по нанотехнологиям! При чём здесь броники? Нанокомпозиты внутри? Не факт! Или, например, сидящий на пальце «наноробот» — получается, что сопоставимый с ним палец должен быть размерами в нанометры — где они таких крохотных людей видели? На самом деле, длина «робота» — порядка сантиметра, т.е., это — миллитехнология .

Впрочем, чтоль же безграмотно называть это устройство микроботом — ну, не тянет оно на микротехнологию. Интересно, сколько понадобится микроботов, чтобы взорвать машину? Я даже считать устал — понял, что чересчур много.

Зачем под подписью «нанотехнологии» писать про микророботов, понимая, что они гораздо большего размера? Под правым рисунком сколько не читал, ни слова не встретил про нанотехнологии. Не относить же к ним лазерный дальномер? Наноразмерные химические детекторы проиллюстрированы крайне странно.

На этом слайде презентации я вообще завис, пытаясь понять — где там нанотехнологии? Морской чёрт, разве что?

Как же можно было под термином «нанореволюция» понамешать всего этого! Какой хаос надо иметь в голове!

Или этот «шедевр» — объект наноразмера в пластиковой оболочке! До такого надо додуматься — автор хоть посмотрел бы на размеры частиц пластика.

5. Молекулярная кухня

С молекулярной кухней — обратный эффект: она — однозначно во многих аспектах — нанотехнология, но обычно про неё этого не пишут, уже въелся в мозги стереотип «молекулярная кухня». Нанопища пишут, а вот молекулярную кухню нано- не считают. Странно.

Основные достижения нанотехнологии, проблемы и перспективы развития наноматериалов

Нанотехнологии – это совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.

Задача нанотехнологии: получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами; применение наноматериалов по определенному назначению с учетом их структуры и свойств; исследование структуры и свойств наноматериалов как в ходе их получения, так и в период их применения.

Основными отраслями нанотехнологий являются: наноматериалы, наноинструменты, наноэлектроника, микроэлектромеханические системы и нанобиотехнологии.

Наноматериалы и физические свойства наноматериалов

Наноматериалы – это материалы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм хотя бы в одном измерении, обладающие качественно новыми свойствами вследствие наномасштабных размеров.

Различают одномерные (1D) и двумерные (2D) наноматериалы. Одномерными наноматериалами называют углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопровода. Одномерные объекты – это цилиндры длиной в несколько микрон с диаметром, равным нескольким нанометрам. Двумерные – это покрытие или пленки толщиной несколько нанометров на поверхности подложки. Толщина двумерного материала должна иметь нанометровые размеры.

У наноматериалов при переходе от больших размеров к малым, наномасштабным меняются механические, тепловые и химические свойства. Эти материалы могут быть сверхтвердыми или сверхпластичными, процессы происходят за меньший промежуток времени, меняется цвет, электропроводность, теплопроводность вещества.

Интересно знать! Выпускники МФТИ А. Гейм и К. Новоселов получили Нобелевскую премию «за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена» в 2010 г. В настоящее время Андрей Гейм занимает пост директора нанотехнологического центра, Константин Новоселов является профессором британского университета Манчестера (рис. 261).

Один из самых перспективных наноматериалов – графен, полученный и исследованный фи­зиками Манчестерского университета А. Геймом и К. Новоселовым. Графен представляет собой сверхтонкий слой из атомов углерода, толщиной в один атом. Атомы образуют гексагональную структуру, состоящую из шестиугольников с общими сторонами (рис. 262). Графен обладает высокой электропроводностью, превышающую электропроводность меди. По сравнению со сталью графен прочнее в сто раз, обладает прочностью на разрыв 42 Н/м. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Он имел бы массу 0,77 мг. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Если бумажная салфетка рвется в руках, то с графеном такого не случится. Практически светопрозрачный материал, он поглощает не более 2 % видимого спектра. Плотность его такова, что даже легкие газы, такие как гелий и водород, не проходят сквозь слой графена.

Способы получения наноматериалов

Существует два основных подхода в производстве наноматериалов: измельчение материала, имеющего большие размеры до наноразмеров или путем выращивания их из атомов и молекул. Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. В основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава. К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

При изготовлении двумерного графена К. Новоселов и А. Гейм использовали метод отслаивания или «отшелушивания» на подложке окисленного кремния 
Так им удалось решить проблему стабилизации двумерной пленки. Метод отслаивания позволяет работать со слоистыми материалами. Открытие графена привело к созданию целого класса принципиально новых двумерных материалов с уникальными свойствами: двумерные кристаллы 

Сферы применения нанотехнологии

Нанотехнологии приобретают все большее значение и могут использоваться во всех промышленных отраслях, в частности в электронике, энергетике, медицине, строительстве и автомобилестроении.

Электроника

Развитие нанотехнологического процесса при изготовлении транзисторов для микро-процессоров в компьютерной технике позволило уменьшить их размеры от 90 до 14 нм. При таких размерах на одном сантиметре кремния можно разместить миллиард транзисторов. Благодаря развитию наноэлектроники происходит уменьшение элементарной ячейки запоминающих устройств. Использование наноматериалов позволяет создавать устройства с уникальными гибкими, влаго- и ударопрочными свойствами, которые имеют высокий коэффициент полезного действия и длительный срок службы. Ученые предполагают, что графеновые транзисторы будут работать на порядки быстрее, чем современная кремниевая техника (рис. 264). Графен обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые делают его незаменимым в самых разных сферах, на его базе можно создавать сенсорные экраны, гибкие электронные приборы (рис. 265). Графен – будущее микроэлектроники, на базе графена будут создавать элементы электронных схем, увеличится объем обрабатываемой информации в компьютерах от гигагерц до терагерц.

Энергетика

На основе нанотехнологий разработаны солнечные элементы, поглощающие энергию в инфракрасной части спектра. Металлические наноантенны в виде крошечных квадратных спиралек наносятся на пластмассовую подложку. КПД такой конструкции достигает 80 %, КПД стандартных солнечных батарей только 20 %. Часть солнечной энергии, поглощенной Землей, интенсивно излучается в течение нескольких часов после захода Солнца; наноантенны чувствительны к инфракрасному излучению и действуют дольше, чем обычные солнечные батареи. Изготовлены солнечные батареи из графена, они более эффективны в сравнении с кремниевыми батареями, имеют толщину бумажного листа (рис. 266).

Появились большие перспективы в изготовлении накопителей энергии. На несколько порядков увеличились емкости зарядных устройств, изготовленных на основе нановолокон кремния, а также графена. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд. Ионная проводимость нанокомпозитов позволяет создавать миниатюрные гибкие батареи. Вновь привлекли внимание ионисторы – суперконденсаторы, благодаря нанотехнологиям ими можно заменить аккумуляторы (рис. 267). Суперконденсаторы обладают преимуществом: для зарядки нужны считанные секунды, емкость конденсатора значительно превышает емкость аккумулятора.

Медицина

Сочетание биологических и медицинских знаний вместе с достижениями электроники позволяют, используя нанотехнологии и наноматериалы, создавать микроэлектронные устройства (чипы) для контроля здоровья человека или животного.

В перспективе наночастицы будут использовать как средство доставки лекарств в пораженный участок организма. В перспективе графен будет широко применяться в таких отраслях, как медицина – суперпрочные имплантаты.

Интересно знать! Компании Sunvault Energy удалось создать крупнейший в  мире графеновый суперконденсатор емкостью 10 тысяч фарад. Графеновые суперконденсаторы  – это революционный прорыв в  области накопления энергии. В сочетании с недорогими солнечными панелями графеновые конденсаторы дадут миллионам людей шанс обрести энергетическую независимость от сетей электроснабжения.

Строительство

Покрасочные материалы для фасадов зданий на основе порошка известняка и графена, способны длительное время защищать стены от атмосферных воздействий и перепадов температур. При эксплуатации в экстремальных условиях износ строений будет минимальным. Уникальные по прочности конструкции, тросы, кабеля и балочные элементы зданий в сочетании с классическими строительными материалами позволят создавать сооружения, поражающие воображение.

Интересно знать! В компании Sunvault графен получили с помощью обычного СD-диска, на который налили порцию взвеси графита. Затем диск был вставлен в DVD привод. Диск прожгли лазером по специальной программе (рис. 268). Фирма работает над тем, чтобы графеновые накопители энергии можно было изготавливать обычной печатью на 3D-принтере.

Физика в нашей жизни

Графеновый фильтр для очистки и опреснения воды Ряд ученых для изготовления фильтров, быстро очищающих воду, предполагают использовать графен. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что ее толщина будет порядка 0,3 нм, что позволит ускорить процесс очистки воды. Кроме того, она позволит опреснить морскую воду. Таким образом, графеновый фильтр – незаменимый атрибут в походных условиях и в морских путешествиях.

Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие – тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Инженерами Массачусетского технологического института был найден способ восстанавливать разрывы, заполняя их полимерами в результате химического осаждения, но этот метод пока эффективен в лабораторных условиях при постоянном контроле за процессом очистки и состоянием мембраны.

Инженеры из Университета Вашингтона в Сент-Луисе разработали биопленку, состоящую из целлюлозы и оксида графена. Покрыв грязные или соленые водоемы, пленка впитывает в себя воду, как губка, и затем испаряется в верхнем слое под воздействием солнечных лучей, оставляя соли и примеси в фильтре – нижнем слое пленки. Для уничтожения бактерий в биопленку инженеры решили включить кроме графена другие наноструктурные материалы. Продолжается работа над улучшением качества пленки для производства безопасной питьевой воды из любого загрязненного источника (рис. 269).

Интересно знать!

1974 г. Японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.

1981 г. Немецкими физиками Гердом Биннигом и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне.

1985 г. Открыт новый класс соединений – фуллерены, за что американский химик Роберт Керл, британский химик Харольд Крото и американский физик Ричард Смолли получили Нобелевскую премию в 1986 г. 1

986 г. Сканирующий атомно-силовоймикроскоп (АСМ) расширил типы исследуемыхматериалов. 1988 г. Французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления, после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи.

1991 г. Японский исследователь Сумио Иидзима открыл углеродные нанотрубки.

1998 г. Голландский физик Сиз Деккер создал первый транзистор на основе нанотрубок.

2004 г. Сиз Деккер соединил углеродную нанотрубку с ДНК, заложил основу для начала развития бионанотехнологии.

2004 г. Российские физики: подданный Нидерландов А.К. Гейм и  британский подданный К.С. Новоселов открыли новый материал графен, за исследования свойств которого получили Нобелевскую премию в 2010 г.

Глоссарий:

• Графен – сверхтонкий слой из атомов углерода, толщиной в один атом.
• Нанотехнологии (НТ) – совокупность методов манипулирования веществом на атомном или молекулярном уровне с целью получения заранее заданных свойств.
• Наноматериалы – материалы, геометрические размеры которых не превышают 100 нм хотя бы в одном измерении, обладающие качественно новыми свойствами вследствие наномасштабных размеров.

Что такое наночастицы

Современная медицина имеет в своем арсенале множество патентов на лекарственные препараты.

Но уровень заболеваемости населения остается на прежнем пике и весьма высоком.

Прежде всего, это касается ЦНС и сердечно — сосудистой системы. Так происходит из-за невозможности лекарственных соединений проникнуть в мозг. Тогда ученые задумались о создании мельчайших частиц, которые смогут проникать сквозь мембрану.

Нанотехнологии работают с молекулами размером менее 10-9 метра. Отсюда и пошло название методики.

Такие размеры позволяют учитывать механические свойства электронов и фотонов, взаимодействия между атомами. Важная особенность таких разработок состоит в том, что физические характеристики вещества остаются прежними.

Нановолокна можно создавать на плоскости или в трехмерном объеме. Всего в 5 нм содержится 103 атомов.

Соединения могут быть органического происхождения, белковые структуры, так и металлические, углеродные.

Преимущества использования нанотехнологий

Появление и развитие нанотехнологий дали толчок к возникновению и активному внедрению наномедицины в лечебные учреждения.

Отрасль различает следующие функции:

• Наблюдение и отслеживание воспалительных процессов, доставки лекарственных препаратом с точностью до 1 мм;
• Контролирование биологических структур организма;
• Исправление и восстановление на молекулярном уровне тканей, внутренних органов.

Внедрение в общую медицину позволит быстро и безболезненно лечить пациентов, устранять врожденные и приобретенные дефекты.

Практическое применение нанотехнологий в медицине

Главными задачами перед наномедициной стоит разработка и создание систем доставки лекарств к клеткам.

Сооружение на месте поражения и воспалительных процессов внутри организма комплексных структур, матриц для восстановления тканей.

Большое применение находят инновации в нейрохирургии, травматологии. Уже сейчас применяются новейшие разработки в косметологии.

Охватывают все области медицины:

• Широко применяются биомаркеры, которые позволяют быстро и точно определить очаг воспаления, новообразований.

Диагностические центры используют оптико-биосенсорные, нанопроводящие, атомно-силовые нанотехнологии для визуального осмотра, внедрения биомаркеров в геномику и протеомику.

• Полупроводниковые кристаллы для диагностики имеют первостепенное значение, благодаря уникальным оптическим и электрическим свойствам.
• Микросенсорные чипы помогают определить содержание инсулина и глюкозы в крови.
• Карманный наноцитометр позволяет диагностировать инфекционные и соматические болезни по одной капле крови.

Говорить, что микрочастички являются панацеей от всех бед, не стоит.

Но достигнутые результаты уже сейчас восхищают и внушают надежду на излечивание любых болезней и поддержание отличного здоровья каждого человека.

Специальные нанороботы помогают доставить препараты непосредственно в место поражения.

Для того, чтобы ваше здоровье и здоровье вашей семьи всегда было в норме, а организм всегда отлично справлялся с сложными задачами, которые стоят перед ним, помимо лечения, грамотного приема пищи и воды , надо держать себя в хорошей физической форме .

10 примеров необычного применения нанотехнологий

10 примеров необычного применения нанотехнологий

Трудно представить себе будущее без нанотехнологий. Управление материей на уровне атомов и молекул открыло путь к большинству самых неимоверных открытий в химии, биологии и медицине. Но возможности нанотехнологий намного шире и до конца еще не изучены.

10. Создание фильмов

Если бы не изобретение растрового туннельного микроскопа (STM) в 1980 году, то сфера нанотехнологий осталась бы простой фантазией ученых. При помощи микроскопа ученые смогли изучать структуры материи способом, который не был бы возможным при использовании обычных оптических микроскопов, которые не могли обеспечить атомарную точность.

Удивительные возможности растрового микроскопа были продемонстрированы исследователями компании IBM, когда создали “A Boy and His Atom” («Мальчик и его атом»), самый маленький в мире мультипликационный фильм. Его создали, двигая отдельные атомы материи по медной поверхности. На протяжении 90 секунд мальчик из молекул окиси углерода мог играть с мячом, танцевать и подпрыгивать на батуте. Весь сюжет фильма, состоящего из 202 кадров, происходил на площади размером в 1/1000 толщины человеческого волоса. Атомы ученые двигали при помощи электрически заряженного и очень острого стилуса, на кончике которого находился один атом в качестве наконечника. Подобный стилус не только способен отделить молекулу, но и передвинуть ее в нужное место и положение.

9. Добыча нефти

Добыча нефти

За последнее десятилетие расходы на добычу нефти во всем мире выросли, но эффективность при этом не возросла. Дело в том, что когда добыча нефти консервируется нефтяной компанией в определенном месте, в недрах земли остается еще чуть меньше половины добытой ранее нефти. Но к этим залежам трудно и дорого добраться. К счастью, ученые из Китая придумали способ, как решить эту проблему путем улучшения уже существующего метода бурения. Оригинальность методики заключается в том, что в поры нефтеносной породы закачивается вода, которая под давлением выталкивает нефть наружу. Но в этой методике есть свои трудности, так как после вытеснения нефти наружу начнет выходить и закаченная ранее вода. И вот, чтобы не допустить такого эффекта, китайские ученые Пэн и Мин Юань Ли предложили идею смешения воды с наночастицами, которые смогут закрыть поры в горной породе, давая возможность воде выбирать более узкие проходы, чтобы выталкивать нефть.

8. Экраны с высокой разрешающей способностью

Экраны с высокой разрешающей способностью

Изображение на экране компьютера передается пикселями – крошечными точками. Из-за количества таких точек, а не от их размера или формы, зависит качество изображения. Если увеличить количество пикселей на традиционных мониторах, то автоматически необходимо увеличивать и размер самого экрана, Ведущие производители как раз заняты тем, что продают экраны больших размеров потребителю.

Понимая перспективы использования нанопикселей, исследователи из Оксфордского университета придумали способ, как создать пиксели в несколько сотен нанометров в диаметре. Во время эксперимента, когда ученые зажали между прозрачными электродами несколько слоев, 300 на 300 нанометров каждый, материала GST в качестве пикселя, то получили изображение высокого качества и высокой контрастности. Нанопиксели благодаря своим крошечным размерам будут намного практичнее традиционных и могут стать основой развития оптических технологий, например, умные очки, искусственная сетчатка и складной экран. Кроме этого, нанотехнологии не энергозатратны, так как способны обновлять только часть экрана для передачи изображения, на что требуется меньше энергии.

7. Краска, которая способна менять цвет

Краска, которая способна менять цвет

Экспериментируя с наночастицами золота, ученые Калифорнийского университета заметили, что при растягивании или сжимании удивительным образом меняется цвет золотой нити от ярко-синего до фиолетового и красного. Им в голову пришла идея создать специальные датчики из наночастиц золота для индикации определенных процессов, которые тем или иным способом будут воздействовать на частицы. Например, если установить подобный датчик на мебели, то можно будет определить, сидит человек или спит.

Чтобы создать такие датчики ученые добавляли наночастицы золота к пластичной пленке. В тот момент, когда на пленку воздействовали, она растягивалась, и наночастицы золота меняли цвет. При легком нажатии датчик становился фиолетовым, а при сильном – красным. Частицы серебра, например, тоже способны менять цвет, но на желтый. Такие датчики, несмотря на использование драгоценных металлов, не будут дорогими, так как их размер ничтожно мал.

6. Зарядка телефона

Компания StoreDot

Какой бы модели или марки не был телефон или смартфон, iPhone или Samsung, у каждого из них есть существенный недостаток – ресурс аккумулятора и время его зарядки. Израильским ученым удалось создать аккумулятор, зарядка которого длится 30 секунд благодаря открытию в области медицины. Дело в том, что при изучении болезни Альцгеймера в Университете Тель-Авива ученые обнаружили способность молекул пептидов, которые вызывают болезнь, аккумулировать электрический заряд. Компания StoreDot, заинтересовалась этим открытием, так как давно работает в сфере практических применений нанотехнологий, и ее исследователи разработали технологию NanoDots для эффективной и более длительной работы батарейки смартфонов. Во время демонстрации на выставке достижений ThinkNext, организованной компанией Microsoft, аккумулятор телефона Samsung Galaxy S3 был заряжен меньше чем за минуту от 0 до 100%.

5. Разумная доставка лекарств

Организму не нужны лекарства

Некоторые медицинские компании, понимая угрозу распространения таких заболеваний, как рак, лечение которых часто становится неэффективным и несвоевременным, занялись исследованиями дешевых и эффективных способов борьбы с ними. Одна из таких компаний, Immusoft, заинтересовалась разработкой способов доставки лекарств в организм. Их революционный подход основан на том принципе, что человеческий организм при помощи иммунной системы сам способен вырабатывать нужное лекарство, тем самым будут экономиться миллиарды долларов на производство лекарств фармацевтическими компаниями и терапию. Иммунная система человека будет «перепрограммирована» на уровне генетической информации с помощью специальной капсулы наноразмера, в результате клетки начнут вырабатывать собственное лекарство. Метод пока представлен только в виде теоретических разработок, хотя эксперименты над мышами были успешными. В случае эффективности метод ускорит выздоровление и уменьшит затраты на лечение серьезных заболеваний.

4. Коммуникация на уровне молекул

Коммуникация на уровне молекул

Электромагнитные волны, основа современных коммуникационных технологий, не являются надежным средством, так как любой электромагнитный импульс, может не только нарушить работу спутника связи, но и вывести его из строя. Неожиданное решение данной проблемы было предложено учеными Университета в Уорвике, Англия, и Университета в Йорке, Канада. Решение было подсказано ученым самой природой, а именно тем, как животные общаются на расстоянии при помощи запаха, которым они кодируют послание. Ученые тоже попробовали закодировать молекулы испаряющегося спирта, применив революционную коммуникационную технологию, и отправили сообщение, которое содержала следующее: «О, Канада».

Для кодирования, передачи и приема подобного сообщения необходимо наличие передатчика и приемника. На передатчике набирается текстовое сообщение с помощью Arduino One (микроконтроллера для кодировки), который преобразует текст через двоичный код. Это послание распознается электронным распылителем со спиртом, который «1» он заменяет на один впрыск, а «0» — как пробел. Затем приемник с химическим сенсором улавливает спирт в воздухе и декодирует его в текст. Сообщение преодолело путь в несколько метров на открытом пространстве. Если технологию усовершенствовать, то человек будет способен передавать сообщения в труднодоступные места, например, туннели или трубопроводы, где электромагнитные волны бесполезны.

3. Запоминающее устройство

Запоминающее устройство

Компьютерные технологии за последнее десятилетие сделали огромный скачок в развитии относительно мощности и емкости хранения информации. В свое время, 50 лет назад, такой скачок предсказывал Джеймс Мур. Его именем даже был назван соответствующий закон. Но современные физики, а именно Мичио Каку, заявляют, что закон прекратит свою работу, так как мощь и емкость вычислительной техники не соответствует существующим производственным технологиям.

Ученые сейчас вынуждены искать альтернативные решения данной проблемы. Например, исследователи из Университета RMIT в Мельбурне во главе с Шаратой Шрирамой уже на пути создания таких устройств, которые будут имитировать работу человеческого мозга, а именно отдела хранения информации. В роли «мозга» выступает нанопленка, химически запрограммированная на хранение электрических зарядов по принципу «включен», «выключен». Пленка в 10000 раз тоньше человеческого волоса станет ключевым фактором в развитии революционных устройств хранения информации.

2. Нанотехнологии на службе у искусства

Нанопортрет президента США

Перспективы, связанные с применением нанотехнологий в науке, уже давно восхищают общество, но возможности настолько велики, что не могут ограничиваться такими сферами, как медицина, биология и техника. Применение нанотехнологий в искусстве приведет к появлению наноискусства – создание крошечного мира под микроскопом, который люди будут воспринимать совершенно по-другому. Наноискусство предполагает связь между наукой и искусством. Ярким примером такой связи является портрет президента США под названием «Нанобама», созданный в 2008 году инженером-механиком из Мичиганского университета. Портрет выполнен из 150 нанотрубок, а размер его лица составляют менее 0,5 миллиметра.

1. Новые рекорды

Teeny Ted From Turnip

Человек усердно работал над созданием чего-то большего по размеру, самого быстрого по скорости и самого сильного по силе и мощности. Когда же нужно создать нечто совсем маленькое, то без нанотехнологий здесь не обойтись. Например, благодаря нанотехнологиям была напечатана самая маленькая книга в мире, Teeny Ted From Turnip. Ее размеры составляют 70х100 микрометров. Сама книга состоит из 30 страниц, на которых размещены буквы из кристаллического кремния. Стоимость книги оценивают в 15 000 долларов, а чтобы ее прочитать понадобится не менее дорогой микроскоп.

Отношение общества к нанотехнологиям

Прогресс в области нанотехнологий вызвал определенный общественный резонанс.

Отношение общества к нанотехнологиям изучалось ВЦИОМ  и европейской службой «Евробарометр».

Ряд исследователей указывают на то, что негативное отношение к нанотехнологии у неспециалистов может быть связано с религиозностью , а также из-за опасений, связанных с токсичностью наноматериалов . Особо это актуально для широко разрекламированного коллоидного серебра, свойства и безопасность которого находятся под большим вопросом.

Реакция мирового сообщества на развитие нанотехнологий

C 2005 года функционирует организованная CRN международная рабочая группа, изучающая социальные последствия развития нанотехнологий.

В октябре 2006 г. Международным Советом по нанотехнологиям выпущена обзорная статья, в которой, в частности, говорилось о необходимости ограничения распространения информации по нанотехнологическим исследованиям в целях безопасности. Первые научные статьи о безопасности наночастиц появились только в 2001 г.  В 2008 г. учреждена международная нанотоксикологическая организация (International Alliance for NanoEHS Harmonization) призванной установить протоколы для воспроизводимого токсикологического тестирования наноматериалов на клетках и живых организмах.

В 2004 г. в эстонском Институте физической химии создана научно-исследовательская группа по экотоксикологическим исследованиям нанооксидов металлов, которая уже получила международное признание. В 2011 г. присуждена Государственная премия Эстонии руководителю этой группы доктору наук Анне Кахру за цикл работ по нанотоксикологии.

Организация «Гринпис» требует полного запрета исследований в области нанотехнологий  .

Тема последствий развития нанотехнологий становится объектом философских исследований. Так, о перспективах развития нанотехнологий говорилось на прошедшей в 2007 году международной футурологической конференции Transvision, организованной WTA.

Реакция российского общества на развитие нанотехнологий

26 апреля 2007 года президент России Владимир Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники». Он предположил, что для большинства россиян нанотехнологии сегодня — «некая абстракция вроде атомной энергии в 30-е годы».

Затем о необходимости развития нанотехнологий заявляет ряд российских общественных организаций.

8 октября 2008 года было создано «Нанотехнологическое общество России», в задачи которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны»

6 октября 2009 года президент Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию — мировая экономика начинает расти, экспортный потенциал возрастает, и никакие нанотехнологии не нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий был бы для нашей страны просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призываю», — подчеркнул Д. Медведев, обращаясь к участникам форума. При этом президент особо отметил, что «пока эта (государственная) поддержка (бизнеса) носит безалаберный характер, пока мы не смогли ухватить суть этой работы, надо наладить эту работу». Д. Медведев также подчеркнул, что Роснано до 2015 года на эти цели будет выделено 318 млрд рублей. Д. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадрах для нанотехнологий, а также создать госзаказ на инновации и открыть «зеленый коридор» для экспорта высокотехнологичных товаров.

Взгляд в будущее: пикотехнологии

Нанотехнологии только осваиваются человечеством, и во многих новых продуктах встречаются реально. Но, они — не тупик развития. Дальше — пикотехнологии, фемтотехнологии и аттотехнологии. Боюсь, что зациклившись на «нанотехнологиях», мы и эти новые шаги в возможностях человечества будем обзывать со временем добрыми старыми нанотехнологиями. Ох. уж это пренебрежение терминами…

Подведём итоги: в который раз убеждаюсь сам и убеждаю вас: термины — это основа — основ, нельзя ими пренебрегать, получается абсолютный хаос и ерунда, порождающая мифы, фейки и глупости. Человечество успешно осваивает микротехнологии на уровне управления объектами и нанотехнологии на уровне неуправляемого использования нанообъектов. Это — очевидная реальность. Не надо всё сваливать в понятие нанотехнологий, и надо понимать, что нанотехнологии в истории человечества — между микротехнологиями и пикотехнологиями.