Составить перечень и обосновать приоритетные направления развития нанотехнологий

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Казахский Национальный университет имени Аль-Фараби

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ  ФАКЛЬТЕТ

СРС

Тема: Составить перечень и обосновать приоритетные направления развития нанотехнологий

                                                             Проверил: Никулин В.Э.

                                                                       Выполнила: Жумагалиева А.Н.

                                                                        Магистратура 1 курс «Наноматериалы и нанотехнологии»

Алматы 2013 г.

Составить перечень и обосновать приоритетные направления развития нанотехнологий.

Нанотехнологии, меры по преодолению мирового финансового кризиса, переход на инновационный путь развития – наиболее популярные сегодня темы экономических дискуссий. Становление и рост нового технологического уклада будет определять глобальное экономическое развитие в ближайшие два-три десятилетия.

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.

Нанотехнологии  – детище современной фундаментальной  науки, междисциплинарная область  деятельности, основанная на достижениях  химии, физики, биологии, механики и  других классических наук, а также  на связанном с закономерной эволюцией  этих и других областей исследований прорыве в разработке методов  синтеза и анализа веществ  и материалов. В этом плане нанотехнологии – зачастую существенное улучшение свойств многих практически важных устройств, но не всеобъемлющий переворот наших знаний, как иногда полагают.

Развитие нанотехнологий поражает своей динамичностью, перспективность  подобных разработок сложно переоценить, поэтому огромное количество средств  направляется именно в данную научную  сферу. С точки зрения человечества, можно уверенно утверждать, что нанотехнологии способны перевернуть основы современных  человеческих технологий. При помощи нанотехнологий возможно создать, так называемые, наномашины, основная задача которых – выполнение заранее запрограммированных задач. Многие ученные сравнивают потенциальные наномашины с микроорганизмами, которые называют микроскопическими роботами либо нанороботами. Теоретически, возможно создание определенных наномашин, которые будут внедрятся в организм человека для борьбы вирусными заболеваниями. Кроме того, нанороботы позволят ускорить процесс регенерации человеческих тканей и клеток. Особо «активные» ученые утверждают, что развитие нанотехнологий в медицине будет способствовать внедрению понятия вечной молодости, либо физического бессмертия. Нанотехнологии поистине несут в себе грандиозные перспективы, которые сулят более спокойную и бесхлопотную жизнь современному человеку.

Сфера применения нанотехнологий настолько широка, что процессе своего формирования сумела выделить несколько основных направления развития, которые, тем не мене, тесно переплетаются между собой. Первое направление – компьютерные схемы на базе активных элементов. При помощи нанотехнологий предоставляется возможность создавать деталей отдельных схем размеров в единичную молекулу. Следующее направление обозначилось разработкой и испытанием машин, созданных на основе нанотехнологий. Подобные технологии получили условное название «наномашины». Использование наномашин открывает перед человечеством неизведанные горизонты и масштабы применения новых технологий. Уникальность наномашин состоит в том, что при своем микроскопическом размере они могут выполнять запрограммированные человеком функции. Последнее направление связанно с управлением и манипуляцией атомными и молекулярными частичками, при помощи которых можно воссоздать определенные материальные объекты. В свою очередь последнее направление можно разделить на две основные части: создание новых структур, и воссоздание ранее имеющихся с использованием масштабирования.

Применения молекулярных элементов возможно практически  в любой сфере человеческой деятельности, одной из которых является создание микроскопических машин. Подобные машины могут использоваться человеком  в различных целях, сложно представить  себе технологию позволяющую создать  механизм размером в несколько атомов, исполняющий определенный запрограммированные  функции. На данном этапе достаточно проблематично собрать полноценный  механизм столь незначительных размеров, однако простейшие элементы уже могут  быть созданы на основе существующих знаний. Управление молекулами возможно при помощи акустических, электромагнитных и прочих влияющих факторов. Конечная цель – это создание молекулярных роботов, способных исполнять сложнейшие функции в человеческом организме, человеческой среде и пр. Как утверждают специалисты, разработка подобных компьютерных наномашин уже не является фантастической задумкой, а находится на стадии воплощения в реальность.

Теоретически, с помощью  нанотехнологий возможно создание определенных наномашин с использованием молекулярного синтеза. Под молекулярным синтезом понимается создание объектов, которым присущи определенные, ранее обозначенные функции и свойства, из элементарного сырья. Не исключается возможность синтеза готовых объектов посредством компьютерного моделирования. Перспективы молекулярного синтеза поистине велики, ведь человечество в одночасье сможет решить проблему голода и дефицита материальных средств, что обусловить всеобщее изобилие необходимых для существования элементов. Плюс к этому, наномашины смогут перерабатывать промышленные отходы и влиять на экологическую ситуацию на планете. Молекулярный синтез несет в себе огромные перспективы, к которым должно стремиться человечество.

Наиболее значительные практические результаты могут быть достигнуты в следующих областях:

• в создании твердотельных поверхностных и многослойных наноструктур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами с помощью конструирования их на атомном уровне (например, средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций) и использования современных высоких технологий (различные модификации молекулярно-пучковой и молекулярно-химической эпитаксии, самоорганизация, электронная литография, технологические методы туннельной микроскопии) с получением в результате принципиально новых объектов и приборов для исследований и различных приложений - сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры, фотонные кристаллы, спин-туннельные структуры;
• в экстремальной ультрафиолетовой (ЭУФ) литографии на основе использования длины волны, равной 13,5 нм, обеспечивающей помимо создания наноэлектронных суперпроизводительных вычислительных систем переход в мир атомных точностей, что неизбежно скажется на смежных областях знаний и производства;
• в микроэлектромеханике, в основе которой лежит объединение поверхностной микрообработки, использующейся в микроэлектронной технологии, с объемной обработкой и применением новых наноматериалов, физических эффектов и LIGA-технологии на основе синхротронного излучения, обеспечивших прорыв в области создания микродвигателей, микророботов, микронасосов для микрофлюидики, микрооптики, сверхчувствительных сенсоров различных физических величин - давления, ускорения, температуры, а также создания сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, передвигаться, накапливать и передавать информацию, осуществлять определенные воздействия по заложенной программе или команде ("умная пыль", микророботы);
• в конструировании молекулярных устройств (наномашин и нанодвигателей, устройств распознавания и хранения информации) и в создании наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и обработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная электроника);
• в разнообразном применении фуллереноподобных материалов и нанотрубок, обладающих рядом особых характеристик, включая химическую стойкость, высокие прочность, жесткость, ударную вязкость, электро- и теплопроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Углеродные нанотрубки используются также в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов, в дисплеях с полевой эмиссией, высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах, в водородной энергетике в качестве контейнеров для хранения водорода;

в создании новых  классов наноматериалов и наноструктур, включая:

• фотонные кристаллы, поведение света в которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием более высоким, чем у полупроводниковых аналогов;
• разупорядоченные нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора;
• функциональную керамику на основе литиевых соединений для твердотельных топливных элементов, перезаряжаемых твердотельных источников тока, сенсоров газовых и жидких сред для работы в жестких технологических условиях;
• квазикристаллические наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого коэффициента трения и термостабильности, что делает их перспективными для использования в машиностроении, альтернативной и водородной энергетике;
• конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, а также наноструктурные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия;
• полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью;
• биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью;
• наноразмерные порошки с повышенной поверхностной энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и краскам;
• органические наноматериалы, обладающие многими свойствами, недоступными неорганическим веществам. Органическая нанотехнология на базе самоорганизации позволяет создавать слоистые органические наноструктуры, являющиеся основой органической наноэлектроники и конструировать модели биомембран клеток живых организмов для фундаментальных исследований процессов их функционирования (молекулярная архитектура);
• полимерные нанокомпозитные и пленочные материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных композитных мембран;
• покровные полимеры для защитных пассивирующих, антифрикционных, селективных, просветляющих покрытий;
• полимерные наноструктуры для гибких экранов;
• двумерные сегнетоэлектрические пленки для энергонезависимых запоминающих устройств;
• жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и эргономичных типов дисплеев, новых типов жидкокристаллических дисплеев (электронная бумага).
• Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.
• §      В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости та кого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.
• §      В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.
• §      В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.
• §      В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.
• §      В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). 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 и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.
• §      В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.
• §      В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.
• §      В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.