Нанотехнологии вчера, сегодня, завтра

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

 

Кафедра  физики

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

                                       на тему: 

«Нанотехнологии вчера, сегодня, завтра »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                  Выполнила студентка               группы 30-91             Стрельцова Л.Н.                                                                                          Преподаватель:              Мухетдинова З. З.

                                                                         

 

 

 

Альметьевск 2012

Содержание:

1. Введение……………………………………………………….....3

2. Нанотехнологическое сегодня………………………………….4

3. Безоблачное нанозавтра………………………………………....7

4. Краткая наноистория………………………………………….....9

5. Призрачная угроза……………………………………………....12

6. Оценка риска………………………………………………….…16

7. Заключение……………………………………………………....19

8. Литература……………………………………………………….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Самое интересное, что есть в этом мире, самое загадочное и не объяснимое, вызывающее наибольший интерес у человека – это «будущее», всем нам всегда хочется заглянуть чуть-чуть дальше чем «вчера» и «сейчас». На этой плодовитой почве неудержимого любопытства и безумного интереса порой рождались самые причудливые сказки или непревзойденные произведения из области фантастики, которые в свою очередь со временем становились классикой. Я Вам предлагаю заглянуть в будущее, но для этого нам придется вспомнить недалекое прошлое.

Нанотехноло́гия — 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 атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Еще в 1959 году американский физик Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии, высказал предположение, что в скором времени многие материалы и устройства будут изготавливать на атомарном или молекулярном уровне и что это поможет получать материалы с невиданными доселе свойствами. Однако лишь четверть века спустя, в 80-х годах, появилась измерительная и рабочая аппаратура, необходимая для обращения с наноразмерными объектами, — сканирующие зондовые микроскопы. С этого момента и можно говорить о нанонауке как о самостоятельной дисциплине, причем настолько всеобъемлющей и важной, что она, по всей видимости, будет задавать тон в развитии XXI века в целом.

 

 

 

 

 

 

Нанотехнологическое сегодня

В последние годы темпы  научно-технического прогресса стали  зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что то же самое, одной миллионной доле миллиметра). Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров.

Альманах "Понимая  Нанотехнологию"\Understanding Nanotechnology отмечает, что несмотря на то, что термин "нанотехнология" стал весьма популярным в последние  годы, даже люди, выступавшие в поддержку развития этой отрасли науки и техники, часто весьма приблизительно представляют о чем идет речь. Показательно, что в академическом словаре американского английского Webster Dictionary выпуска 1966 года слово "нанотехнология" не значится, несмотря на то, что исследования в наносфере к тому времени проводились достаточно давно.

США впервые выделили значительные бюджетные средства на развитие нанотехнологий при президенте Билле Клинтоне\Bill Clinton. В анонсирующей этот факт речи (была произнесена в 2000 году) Клинтон объяснил, что нанотехнологии позволяют создать из куска вещества, размером с кусочек сахара, материал, который в десять раз крепче стали. Это определение ныне воспринимается, как вульгарное и донельзя примитивное, однако нет гарантии, что и нынешние определения нанотехнологии в обозримом будущем не устареют и не будут выглядеть кошмарным анахронизмом. Вероятно наибольшие шансы на выживание имеет определение, данное Ритой Колвелл\Rita Colwell, директором Национального Фонда Науки США\National Science Foundation: "Нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в иной мир".

Общемировые затраты  на нанотехнологические проекты  сейчас превышают $9 млрд. в год. На долю США ныне приходится примерно треть  всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.

Нанотехнологии принято  делить на три типа. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей  и автокосметике - пример "инкрементных" нанотехнологий. "Эволюционные" нанотехнологии представлены наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии. "Радикальные" нанотехнологии пока что не встречаются, их можно увидеть только в фантастических триллерах. Стоит также ожидать сближения этих трех технологий.

Однако переход от производства в лаборатории к  массовому производству чреват значительными  проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. В настоящее время, наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. В 2002 году на Кубке Дэвиса\Davis Cup были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий.

В общей сложности  американская промышленность и индустрия  других развитых стран сейчас применяют нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $464 млн. в 2001 году до $1 млрд. в 2005-м. По данным Исследовательской Службы Конгресса США\Congressional Research Service, в 2006 году США планируют выделить на эти цели $1.1 млрд. Еще $2 млрд. в 2005 году потратили на те же цели американские корпорации (нанолаборатории создали такие гиганты бизнеса, как HP, NEC и IBM, университеты и власти отдельных штатов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Безоблачное нанозавтра

В последние годы опубликовано множество оптимистических прогнозов о способах применения нанотехнологий. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в микроэлектронике, оптоэлектронике и медицине. Поэтому нанотехнологии обладают поистине гигантским потенциалом.

Известный ученый Джей Сторрс Холл\J. Storrs Hall, автор научно-популярной книги "Нанобудущее"\Nanofuture: What's Next For Nanotechnology, утверждает, что нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего - электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.

Физик Тед Сэрджент\Ted Sargent, автор  книги "Танец Молекул"\The Dance of Molecules : How Nanotechnology is Changing Our Lives, пишет, что существует проект создания наносистемы для введения медикаментов, изменяющих определенные биологические функции внутри живых организмов, к примеру, для развития или укрепления иммунитета против конкретных болезнетворных организмов. Рэй Курцвейл\Ray Kurzweil, автор книги "Фантастическое Путешествие"\Fantatic Voyage: Live Long Enough to Live Ever, прогнозирует, что возможно создание нанороботов-врачей, которые способны "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение.

Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

Ожидается, что уже  в 2025 году появятся первые роботы, созданные  на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой  предмет. Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете."

 

Краткая наноистория

Историк науки Ричард Букер\Richard D. Booker отмечает, что историю  нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам - во-первых, "размытости" самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются "технологиями" в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом.

Чарльз Пул\Charles P. Poole, автор книги "Введение в Нанотехнологию"\Introduction to Nanotechnology, приводит показательный пример: в Британском Музее хранится, так называемый "Кубок Ликурга" (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами - он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет - от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году Ирландский химик Роберт Бойл\Robert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из "корпускулов" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.

Вероятно впервые в современной  истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном\George Eastmen (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).

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. 

1968 год. Альфред Чо\Alfred Cho и Джон  Артур\John Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио  Танигучи ввел в научный оборот  слово "нанотехнологии", которым  предложил называть механизмы,  размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает "гном", им обозначают биллионные части целого.

1981 год. Германские физики Герд  Бинниг и Генрих Рорер создали  микроскоп, способный показывать  отдельные атомы. 

1985 год. Американские физики  Роберт Керл\Robert Curl, Хэрольд Крото\Harold Kroto и Ричард Смэйли\Richard Smalley создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала  известна широкой публике. Американский  футуролог Эрик Дрекслер\Eric Dreхsler опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер\Donald Eigler, сотрудник компании IBM, выложил название  своей фирмы атомами ксенона. 

1993 год. В США начали  присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда Фейнамана\Richard P. Feynman, который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики - ныне это одна из областей нанонауки.