Мысль о том, что человечество сможет создавать необходимые ему вещи, собирая их « молекула за молекулой» а то и «атом за атомом», впервые пришла в голову совсем не фантастам, а весьма серьезным ученым. Первым ее высказал один из крупнейших физиков 20 века, лауреат Нобелевской премии, профессор Калифорнийского технологического университета Ричард Фейнман в своей знаменитой лекции «Там внизу много места», прочитанной 29 декабря 1959 года. «Низом» профессор назвал микромир. Материалы этой лекции были опубликованы в феврале 1960 года. Большинство современников восприняли это как фантастику или шутку.
Сам Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать атомами, мы сможем синтезировать все, что угодно: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов…», то есть использовать атомы как обыкновенный материал, что-то вроде кирпичиков.
Ученые и конструкторы прочитали откровения Файмана, посмеялись, но задумались.
Термин «нанотехнологии» был предложен в 1974 году японцем Норио Танигучи для обозначения процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Название новой науки возникло в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано», обозначающий изменение масштаба в 1 миллиард раз, то есть 1 нанометр (нм) это составляет одну миллионную часть привычного миллиметра, это уровень атомов, молекул. Чтобы это представить зримо, надо вспомнить о вирусах - многие из них имеют размер 10 нм.
Нанотехнология объединяет все технические процессы, непосредственно связанные с атомами и молекулами. Именно поэтому она перспективна для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов, что делает ее развитие актуальным во многих странах мира. Мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий достигли более 10 миллиардов долларов, мировыми лидерами капиталовложений в этой сфере стали Япония и США.
Цель исследования:
Показать неограниченные возможности современной науки и техники в развитии нанотехнологий.
Задачи исследования:
1 . Показать многоликость микромира, единицы его измерений.
2 . Попытаться понять как можно увидеть невидимое.
3 . Дать определение понятию «Нанотехнология».
4 . Определить открывающиеся возможности настоящего и будущего нанотехнологий.
5 . Познакомиться с развитием нанотехнологий в России.
Гипотезы исследования:
Обычно разговоры о «Нанотехнологиях» будят в людях 2 чувства: отчаяние от невозможности понять, что это такое, и подозрение, что речь идет о какой-то грандиозной авантюре.
Вот мы попытаемся понять, что же это такое?
Методы исследования:
Сбор материала по теме, его анализ и обработка, оформление работы, создание презенгации.
Литература, как информационный источник:
Бирючева О.Н. Человек будет жить до 150 лет. Марийская правда.№ 93, 2008, с.8 дает понятие нанотехнологии и повествует
об их использовании известным марийским врачом Виктором
Севастьяновым в борьбе со злокачественными опухолями.
Лаговский В.М. Жуки диверсанты. Комсомольская правда. №155, 2009, с. 16-17 рассказывает о применении управляемых жуков разведчиков армией США.
Степанов И.Н. Невидимая революция. Вокруг света №12, 2009, с.118 знакомит читателей, как из атомов можно создать нужные нам предметы.
Детская энциклопедия техники. Техника будущего. Москва, Росмэн, 2007 подсказывает нам, что предсказание о будущем техники - задача неблагодарная.
Детская энциклопедия №5. Популярно о нанотехнотехнологиях. Москва, 2009 помогла создать главы о единицах измерения микромира, о нанотехнологии как новейшей и перспективной отрасли мирового хозяйства.
Интернет ресурсы позволили написать заключительную главу о развитии нанотехнологий в России, создать презентацию.
Основная часть
Многоликий микромир
С древнейших времен люди использовали орудия труда, каждая вещь изготовлялась по особой технологии. Технологии совершенствовались, но в их основе всегда была универсальная метрическая мера – рост человека. С самого начала зарождения производства предметов, используемых человеком, эта мера была определяющей, так как ни сами предметы, ни механизмы, используемые при их изготовлении, начиная от палки и топора и кончая современными станками, было не разумно делать слишком маленькими. Таким образом, окружающий мир вещей и механизмов в большинстве своем является продуктом метровой технологии.
В то же время умельцам всех времен и народов всегда хотелось удивить мир какой - нибудь миниатюрной вещью или механизмом. Маленькое, да удаленькое! Почти невидимое, а работает! Помните лесковского Левшу, умудрившегося блоху подковать. Правда, вес подковок он не сумел рассчитать, знаний не хватило и блоха у него перестала скакать. Но образованным потомкам тульского Левши, подружившимся с математикой, эта задача оказалась по плечу- у них подковки получились отменные, и механическое насекомое запрыгало не хуже настоящего.
Переход от метровой к широкомасштабной миллиметровой технологии состоялась недавно - во второй половине двадцатого века, когда возникла промышленная электроника. Используя высокоточные для своего времени инструменты и приборы, ученые исследовали строение веществ на клеточном, молекулярном и атомарном уровнях. Они смогли доказать, что, комбинируясь в различных сочетаниях, атомы создают многообразие окружающего нас мира. Даже если атомы однотипны, они могут объединяться по-разному. Например, углерод может предстать углем, черным графитом и ослепительным алмазом. Причем свойства их будут разительно отличаться друг от друга. Все зависит от условий, созданных природой или человеком.
Некоторые ученые считают, что «атомная эпоха»- пройденный этап, поскольку уже открыты электрон, протон. Но практика доказывает другое: у атома и всех соразмерных с ним частиц и структур область использования неограниченна. Познавая тайны микромира, мы открываем новые возможности для изучения и преобразования реального мира в целом.
Единицы измерений
В метрологии есть базовый принцип – «если нельзя правильно измерить, то невозможно создать».
Чтобы не было путаницы в том, о каких величинах малых или сверхмалых идет речь им присвоили кратные приставки, отражающие их названия. Исходной точкой считается 1 метр – это единица измерения.
Одна десятая доля единицы называется деци (от латинского «десять»), 1дм = 0,1 м.
Далее идет санти (от латинского «сто»), значит 1см = 0,01м.
За ним следует милли (от латинского « тысяча»), 1мм = 0,001м.
За мили идет микро (от греческого «малый») 1микрометр или микрон равен 1/1 000 000 м, то есть 1мкм = 0,000 001 м.
Наконец за микро идет нано (от греческого нанос-«карлик») в 1 нанометре содержится одна миллиардная часть метра, 1нм = 0,000 000 001 м.
Но и нано еще не предел, за нано идет пико, он в 1000 раз меньше нано и равен 1/1 000 000 000 000 (одна триллионная).
За ним идет фемто от латинского «пятнадцать»), он равен 10 в минус 15 степени от исходной единицы измерения – 1 метра.
Люди способны видеть деци, санти, милли, но за пределами невооруженного восприятия стоят микро, нано, пико, фемто.
Гномики
В семиэтажном домике
Проживают гномики.
В нем просторно малышам-
Разбрелись по этажам.
Кто поменьше – тот пониже,
Познакомься с ними ближе.
Это Фемто, Пико, Нано
Просыпаться любят рано.
Труд не прост их, да не тужат
И с наукой крепко дружат.
Микро, Милли, Санти, Деци -
Никуда от них не деться.
Ведь их общий интерес-
Весь технический прогресс.
И для всех порядок строгий,
Черед у нанотехнологий!
Можно ли увидеть невидимое?
Первооткрыватель оптического микроскопа Антонии ван Левенгук, изучал с помощью своего инструмента живые организмы –клетки. Микрообъекты более мелкие – микробы, бактерии, вирусы, а тем более молекулы и атомы, простым микроскопам «не по зубам». Но необходимость исследования все более мелких объектов ощущалась на практике очень остро. Большинство тяжелейших болезней связано с деятельностью микроскопических организмов, коварство бактерий и вирусов поистине не имеет границ. Например, вирус оспы, имеет диаметр около 260 нм. Это заболевание описано еще за 1000 лет до нашей эры. Потери человечества от оспы лишь в 18 веке составили 60 млн человек. Вирус гриппа, более мелких размеров, чем оспенный, вызывает эпидемии в глобальных масштабах. Страшной была эпидемия в 1918-1919 годах, охватившая почти половину населения мира, тогда от гриппа погибло 20 млн человек, больше чем на полях сражений за всю Первую войну. Вирус - незримый враг человека. Вот почему процесс познания микроорганизмов сегодня переходит в область наноисследований, что стало возможным только с развитием электронной микроскопии.
Что такое «Нанотехнологии?»
НТ – это конкретные способы использования современных достижений познания микромира на уровне сверх малых объектов в практических интересах человечества.
Справедливо также утверждение о том, что НТ – область науки, манипулирующая объектами, размеры которых кратны нанометру.
Освоение этой науки началось после того, как американцы случайно открыли возможности создания в лазерном разряде миниатюрных частиц, состоящих только из атомов углерода. Оказалось, что атомы углерода при определенных условиях могут между собой соединяться, образуя нанотрубки и шарики (фуллерены). Они обладают очень интересными свойствами, если все органические молекулы подвергаются разрушению под влиянием температур или света, то нанотрубки и фуллерены - абсолютно инертны и потрясающе прочны.
Ожидается, что НТ обеспечат существенный прорыв в компьютерных технологиях, медицине, в военном деле. Например, медицинская наука разработала способы доставки лекарств непосредственно к больным органам и тканям человека в крошечных «нанобомбах». В будущем наноустройства могут «патрулировать» артерии, противодействуя инфекциям и обеспечивая диагностику заболеваний.
Изобретенное учеными Калифорнийского университета нанорадио способно работать внутри живой клетки, передавая информацию напрямую в клетки мозга и мышц.
НТ называют локомотивом научно – технического прогресса. Почему так? Во – первых, научные исследования в этой области вносят огромный вклад в развитие технологического прогресса. Во – вторых, затраты на создание НТ быстро окупаются, дают ощутимый социальный и экономический эффект.
Использование наноразмерных величин многогранно, поэтому рано говорить о том, что область их применения определилась в окончательном виде. Скорее всего мы находимся в начале пути.
Делать предсказания о будущем техники и технологии – задача неблагодарная. Даже ее творцы порой не понимали, насколько важно и полезно их детище. Томас Эдисон, построивший первое устройство для записи звука – фонограф,- считал, что он пригодится только фокусникам. Создатель компьютера, на пример, предполагал, что во всем мире потребуется не более 4-5 этих аппаратов. (Прообраз компьютера – арифмометр Ч. Бэббиджа).
Возможности нанотехнологий
Для промышленного получения наночастиц существует много способов: биохимический, радиационный, химический, фотохимический, электровзрывной, микроэмульсионный, лазерная конденсация, вакуумное испарение.
Сегодня ученые могут получить наноструктуры из всех химических элементов, что дает свободу для исследований. В последнее время стало известно, что наночастицы серебра гораздо лучше убивают бактерии, чем серебро в компактном соединении, что делает их полезными для очистки воды и борьбы с инфекциями.
Использование возможностей НТ может уже в ближайшей перспективе дать значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики:
●машиностроение- увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий; получение высокопрочных и износостойких материалов.
●двигателестроение и автомобильная промышленность - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижение втрое расхода топлива. Металл не вечен. Его главный враг – коррозия, которая рано или поздно появляется на кузове любого автомобиля. Для защиты от коррозии наноинженеры разработали специальные мастики и лакокрасочные материалы, надежно предохраняющие металлические поверхности и тем самым увеличивающие срок службы машин. Созданы самовосстанавливающиеся материалы. Например, «самозалечивающиеся» шины могут быстро закрыть повреждение от прокола. В камерах таких шин циркулирует каучук, который в случае разрыва направляется в места повреждений и заполняет собой дыры.
●энергетика (в том числе атомная)- здесь наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, развития альтернативной энергетики, увеличения в несколько раз эффективности солнечных батарей. Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива. Нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива. В будущем будет осуществлен переход на альтернативные источники энергии. На смену огромным электростанциям придут маломасштабные генерирующие системы, которые будут создаваться вблизи потребителей электроэнергии. К концу 21 века децентализованные системы, основанные главным образом на использовании водородных топливных элементов и преобразователях солнечной энергии,будутобеспечиватьпочти половину потребностей рынка в электроэнергии.
●сельское хозяйство-применение нанопрепаратов показало существенное (в среднем в 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (зерновые, овощные, плодово-ягодные_ и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям.
Наноеда пригодится и в животноводстве. В некоторые корма уже добавляются наночастицы железа и кобальта, которые очень усваиваются. Эти металлы «отвечают» за количество и качество крови, поэтому животные быстро растут, их мясо получается сочным, с низким содержанием холестирина.
Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут «собирать» пищу их атомов, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно делать молоко прямо из травы, минуя «промежуточное звено- корову. Подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и нуждаться а тяжелом физическом труде. А производительности его хватает, чтобы решить продовольственную проблему человечества раз и навсегда.
●здравоохранение - НТ позволяет ускорить разработку новых лекарств, их доставку к очагу заболевания. Широка перспектива разработок средств диагностики, проведения нетравматических операций, создание искусственных органов, новых перевязочных материалов. НТ могут оказать геронтологам – специалистам, занимающимися проблемами продления жизни человека. Здесь перспективы просто фантастические. Например, за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и «облагораживающих» ткани, что важно воживлении и излечении безнадежно больных людей. Уже доказана принципиальная возможность создания нанороботов – врачей, которые способны «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращающие их возникновение. Уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану, и они самостоятельно проведут анализ крови, определят, какие медикаменты надо использовать, и впрыснут их в кровь. Ткани, одежда, белье, обработанное наночастицами способны сохранять бактерицидные свойства в течение 6 месяцев, а если в лакокрасочные материалы добавить наночастицы серебра, то на покрашенных такими красками стенах и потолках не сможет «жить» большинство патогенных микроорганизмов.
●военное дело - Большие возможности открывают нанотехнологии для военных. Солдат будущего станет, собственно, уже не солдатом, в привычном сегодня понимании, а отдельным самостоятельным боевым комплексом. Например, форма у него будет из нанополиуретана, напоминающего по своей структуре паутину. Это, по сути, мягкая броня, защищающая от любого кол-ва пуль, в отличие от современных бронежилетов, где количество принятых пуль имеет пределы. Пульс, давление, температуру бойца будут считывать микроскопические датчики, вшитые в его «костюм». Данные они передадут врачу, который находиться в сотнях километров от места боевых действий. В случае необходимости, то даст «костюму» команду сделать нужные инъекции. « Костюм» предупредит и о химической, и о биологической атаках. Приказы универсальному солдату будут приходить, отображаясь на защитном стекле его шлема. Шлем так же заменит бинокль и прибор ночного видения, в рюкзаке за спиной разместится аппаратура позиционирования, которая не позволит заблудиться в самой сложной местности. В разработках находиться создание краски, которая сможет затягивать мелкие пробоины в металле. С помощью такой краски боевые машины пехоты будут способны менять цвет в зависимости от местности, а при необходимости сделаться невидимыми. С помощью антенн можно управлять безэкипажной боевой техникой на расстоянии. В армиях Израиля, Великобритании, США создаются летательные аппараты для обнаружения и уничтожения противника на поле боя, в первую очередь в районах жилой застройки. Для чего привлекаются насекомые: жуки, стрекозы, мухи, пчелы, шершни, бабочки. По словам ученых, подобная ювелирная манипуляции возможны благодаря прогрессу в нанотехнологиях. Управляемые жуки могли бы нести на себе биологическое или химическое оружие, или просто взрывчатку. Больших разрушений она не несет, но компьютеры противника она уничтожить способна. Да и убить террориста можно, посадив жука на голову.
●Защита природы - Хозяйственная деятельность человека часто становится источником загрязнения биосферы.В природную среду в больших количествах попадают газообразные, жидкие и твердые отходы производства. Ученые убеждены: НТ способны уже сегодня стабилизировать экологическую обстановку. Исследования, проведенные с образцами почв ( в том числе чернобыльскими), пораженных радиацией и химическими веществами, показали возможность восстановления их с помощью нанопрепаратов до естественного состояния микрофлоры и плодородия за 2-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.
Развитие нанотехнологий в России
В нашей стране была создана Государственная корпорация НТ (сокращенно «ГК Роснанотех») в соответствии с Федеральным законом «О Российской корпорации НТ» №139 – ФЗ от 19 июля 2007 года.
Корпорация должна содействовать реализации государственной политики в сфере НТ, развитию инновационной инфраструктуры в сфере НТ, реализации проектов создания перспективных НТ и наноиндустрии.
Разработана федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноидустрии в РФ на 2008-2010 годы». Объем финансирования в рамках программы составил 27,7 млрд рублей. Главой Корпорации утвержден Анатолий Чубайс.
Программой назначены головные организации отраслей по направлениям развития нанотехнологий:
Наноэлектроника (в части прикладных и ориентированных научно-исследовательских опытно-конструкторских работ) — ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф. В. Лукина».
Наноинженерия — Московский государственный институт электронной техники (технический университет).
Функциональные наноматериалы для энергетики — ФГУП «Всероссийский НИИ неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара».
Функциональные наноматериалы для космической техники — ФГУП «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша».
Нанобиотехнологии — ФГУП Российский научный центр «Курчатовский институт».
Конструкционные наноматериалы — ФГУП «ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»» и
ФГУП «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов».
Нанотехнологии для систем безопасности — ФГУП «Центральный НИИ химии и механики».
6 октября 2009 года президент Дмитрий Медведев на открытии Международного форума по НТ в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию – мировая экономика начнет расти ,экспортный капитал возрастает и никакие НТ не нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий для нашей страны был просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики».
Президент особо отметил, что Роснано до 2015 года на эти цели выделено 318 млрд рублей. Дмитрий Медведев предложил Минобразнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребностей в квалифицированных кадрах для НТ, а также создать госзаказ на инновации и открыть «зеленый коридор» для экспорта высокотехнологических товаров.
Задача поставлена в лоб и абсолютно внятно: 900 млрд рублей объем продаж к 2015 году.
Для работы «Роснано» утвердило 50 бизнес – проектов.
В Мордовии будет создан первый в РФ завод по производства волокна. Проект одобрен «Роснано», скорость передачи волоконной связи в 10 в 5 степени быстрее, чем через радиоволны. В развитых странах волоконный световод приходит в каждый дом, он обеспечивает высокоскоростной Интернет.
Есть подвижки в развитии нанотехнологий и в Марий Эл. В Московском научно- исследовательском институте глазных болезней имени Гемгольца состоялась научно – практическая конференция «Нанотехнологии в диагностике и лечении патологии органа зрения». Марий Эл на форуме представлял главный врач Центра патологии речи и нейрореабиалитации нейросенсорных и двигательных нарушений профессор Виктор Севастьянов. Его работа посвящена вопросам использования НТ при лечении злокачественной опухоли – ретинобластомы у детей. Она исходит из сетчатки глаза, распространяется по зрительному нерву и прогрессирует очень быстро, если ставится поздно, ребенок погибает обычно в течение 6 месяцев.
В Марийский центр патологии речи поступил ребенок из Екатеринбурга. Кроме атрофии головного мозга, у него обнаружили ретинобластому левого глаза. Вопрос с операцией в Москве и за границей решался очень долго. Мы применили НТ при которой используются маленькие капсулы ДНК. Для прохождения искусственных ДНК – лекарств сквозь масляную клеточную мембрану их покрыли холестерином, и таким образом лекарство было доставлено непосредственно к опухолевым клеткам, то есть удалось избежать пагубного воздействия препарата на весь организм, лекарство разрушило только клетки опухоли. После лечения отмечался положительный эффект в течение нескольких месяцев, опухоль глаза спала, ребенок стал лучше видеть, ушли сильные боли.
Заключение
Ученые говорят, что в мире сегодня существует 50 основных направлений науки и технологий. Россия из них является лидером в 10-15 направлениях: космос, атомная промышленность, связь, самолетостроение, судостроение, военная техника… Конечно, во всем быть первыми нельзя, но НТ в особенности молекулярная технология – новые, очень малоисследованные дисциплиныи и основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Использование в НТ передовых научных достижений позволяет относить ее к высоким технологиям. Перспективы НТ очень заманчивы и очень важно их не упустить, это понимают многие, в том числе и в нашей стране.
Но есть и другая сторона медали. По мнению ряда депутатов ГД РФ, одной из причин сегодняшнего негативного отношения общества к НТ, а такие исследования проводились, является желание чиновников создать для себя дополнительную «нанокормушку». Популярное сегодня направление – НТ – привлекают мошенников.
Некий бизнесмен из Якутии, член президентского Совета Республики Якутия (Саха) представлял на российском конгрессе по НТ разработки, с помощью которых можно уменьшить потребление горючего в двигателях. У него был разработан план.1 этап: потребление горючего снижается на 20 – 30%, 2 этап – на 50%, на 3 этапе – машина едет без топлива, а с помощью таинственного энергоинформационного обмена между бензобаком и волшебной таблеткой.
Нельзя забывать и о том, что в процессе создания нанотехники и НТ могут выявиться опасные последствия. Представим себе, что в устройстве , предназначенном для разработки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой, и оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей. При этом самым неприятным может оказаться, что это будут нанороботы, способные к самовоспроизводству.
Другая опасность, о которой предупреждают ученые, - реальная возможность создания разрушительных вирусов и бактерий, которые быстро размножаясь, просто уничтожат всю жизнь на планете, разбирая белковые структуры на отдельные молекулы. Для этой гипотетической напасти даже придумали специальное название «зеленая слизь». Нанороботы, вышедшие из под контроля, могут стать оружием массового поражения. А значит, очень велика ответственность ученых и специалистов, открывающих новые возможности использования НТ.
Нам кажется, что НТ это бесконечно интересная программа с бесконечными возможностями. Право слово, трудно с этим не согласиться!
Литература
Бирючева О.Н.Человек будет жить до 150 лет. Марийская правда, №93, 2009,с. 8.
Детская энциклопедия №5. Популярно о нанотехнологиях. Москва, 2009.
Детская энциклопедия. Техника будущего. Москва, Росмэн,2007.
