Нанотехнологии

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

      Нижегородский государственный университет имени

      Н.И. Лобачевского

 Экономический  факультет

Кафедра маркетинга и предпринимательской  деятельности

Реферат

 

По дисциплине: Концепции современного естествознания

На тему: «Нанотехнологии»

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Выполнила: студентка второго курса

      дневного  отделения

      группы  К-721

      Говоркова Людмила Евгеньевна

Научный руководитель:

Каржина Г. А. 

Нижний Новгород

2009 г.

 

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

     Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень  маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например сверхтонкие пленки органических материалов, применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

     Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением  тонких плёнок и т.д., двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д., одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты — материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.

     Одним из важнейших вопросов, стоящих перед  нанотехнологией — как заставить  молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы  в итоге получить новые материалы  или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

     Наноматериалы

     Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

     Углеродные  нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

     Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие  классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

     Графен  — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

     Наноаккумуляторы  — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.

     Наномедицина  и химическая промышленность

     Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

     ДНК-нанотехнологии — используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых  кислот для создания на их основе четко  заданных структур.

     Промышленный  синтез молекул лекарств и фармакологических  препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

     Компьютеры  и микроэлектроника

     Центральные процессоры — 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего  наименьший структурный элемент  размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Основной конкурент Intel, компания AMD, также давно использует для производства своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно с компанией IBM. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 45 нм и опытные образцы на 32 нм.

     Жесткие диски — в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую  премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной  плотностью информации.

     Атомно-силовой микроскоп — сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использовании специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

     Антенна-осциллятор — 9 февраля 2005 года в лаборатории  Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать  с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

     Плазмоны  — коллективные колебания свободных  электронов в металле. Характерной  особенностью возбуждения плазмонов  можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный  Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

     Робототехника

     Молекулярные  роторы — синтетические наноразмерные  двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к  ним достаточного количества энергии.

     Нанороботы (на данный момент (2009) фантастика) — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.

     Молекулярные  пропеллеры — наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать  вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта.

     С 2006 года в рамках проекта RoboCup (чемпионат  по футболу среди роботов) появилась  номинация «Nanogram Competition», в которой  игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2.5 мм. Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.

     Концептуальные  устройства

     Nokia Morph - проект сотового телефона  будущего, созданный совместно научно-исследовательским  подразделением Nokia и Кембриджским  университетом на основе использования нанотехнологических материалов.

     Нанотехнологии  в России

     ГК  «Роснанотех»

     Государственная корпорация Российская корпорация нанотехнологий (сокращённо ГК «Роснанотех») создана  в Российской Федерации в соответствии с Федеральным законом «О Российской корпорации нанотехнологий» № 139-ФЗ от 19 июля 2007. Корпорация должна содействовать реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развитию инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии.

     ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии»

     Федеральная целевая программа «Развитие  инфраструктуры наноиндустрии в  Российской Федерации на 2008—2010 годы»  утверждена Постановлением Правительства  РФ от 2 августа 2007 № 498. Цель программы: создание в Российской Федерации современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии

     Федеральная целевая программа «Развитие  инфраструктуры наноиндустрии в  Российской Федерации на 2008—2010 годы» 

     Объём финансирования в рамках программы  — 27,7 млрд. руб.

     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».
• Композиционные наноматериалы — ФГУП «Всероссийский НИИ авиационных материалов».
• Нанотехнологии для систем безопасности — ФГУП «Центральный НИИ химии и механики».