Нанотехнологии будущего: принципы, достижения и перспективы применения

Тип работы: Материал
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 7 страниц
В избранное:

Таразский региональный университет имени М. Х. Дулати

СРС

Группа : Б-21-1

Выполнила : Төрегелді Ақсезім

Приняла : Алимбетова Рабига

Тараз 2022г

Тема: Нанотехнологии будущего

Введение

В современном мире нанотехнологии играют важную роль в развитии технических наук, химии, физики, биологии, генетики и др. Нанотехнологии являются инновационными и делают большие шаги в развитии научно-технической революции.

Сегодня развитие нанотехнологий открывает большие перспективы для разработки новых инновационных материалов, развития биотехнологий, совершенствования коммуникаций, энергетики, здравоохранения и вооружений. Квантовая природа нанотехнологических процессов делает их очень наукоемкими и стимулирует развитие таких прикладных областей, как наномашины, нанокосмонавтика, наномеханика, создание и развитие такой отрасли промышленности, как производство наноматериалов.

Нанотехнологии позволяют контролировать размер частиц и, таким образом, улучшать свойства материалов. Миниатюризация структур приводит к созданию новых объектов, таких как нанотрубки, углеродные наноразмеры, тонкие пленки, квантовые проводники и матричные элементы, лазерные генераторы, обладающие уникальными свойствами.

Будущее заключается в развитии нанотехнологий, которые коренным образом изменят способы разработки различных приборов и материалов.

Нанотехнологии открывают новую эру фундаментальных исследований, сочетая науку, технологию и образование. Нанотехнологии - это своего рода «конструктор», который делает эту отрасль науки мощным инструментом для просвещения всех сторон производственной и общественной жизни.

Что такое нанотехналогия ?

Термин «технология» происходит от греческого слова «техно» - искусство, мастерство, умение «логотипы» - наука; как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойства, формы) исходного сырья, материала в процессе изготовления конечного продукта.

Задача технологии - обеспечить использование законов природы на благо человечества. Существуют различные отрасли техники - инженерные технологии, технологии химической водоподготовки, информационные технологии и другие.

Технологии различаются только по типу сырья, материалам. Именно существенная разница между таким сырьем, как информация и металлоконструкции, определяет значительные различия в методах обработки и трансформации.

У каждой науки своя система терминов и понятий. Давайте сразу перейдем к терминологии. Сам термин «нанотехнология», по сути, является междисциплинарной областью науки и техники, которая связана с исследованием свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размером в несколько десятков нанометров. В макроскопическом плане физические и химические свойства вещества инвариантны с точки зрения их количества или размера. Нанотехнологии направлены на манипулирование отдельными атомами и молекулами с высочайшей точностью. Это изменит наше окружение более радикально, чем мы можем себе представить.

В последнее время очень популярным стал термин «нанотехнология» (НТ) . Она объединяет различные идеи и подходы, а также различные методы работы с материей. Конечно, человеческое воображение, используемые термины, образы и слова вряд ли способны в полной мере описать «окружающий мир» такими крошечными объектами. В то же время, наночастицы, входящие в состав системы, отличаются по своим свойствам от объемной фазы материи, а также от атомов или молекул, из которых она состоит. Основой качественно новых достижений научно-технических разработок на наноуровне является использование новых, ранее неизвестных свойств и функций материальных систем при переходе на наномастах. Классические представления о законах природы начинают ломаться даже с десятых долей микрометра. За этим пределом начинается территория, подчиненная квантовым законам, в которой раскрывается волновая природа электрона и системы микрочастиц. Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Природа «программирует» основные свойства веществ, явлений и процессов именно на наноуровне (на молекулярном уровне) . Под нанотехнологическим подходом понимается та же, но целенаправленная регуляция свойств объектов на молекулярном уровне, определяющая основные параметры материи. Поэтому такие проекты, как саморазмножающиеся роботы, с одной стороны, и двигатели с сотовым ротором, с другой стороны, не кажутся фантастическими или осуществимыми.

Особенность свойств вещества нанометрического масштаба и связанные с ними новые физические явления обусловлены тем, что характерные размеры элементов структуры нанообъектов находятся в диапазоне, соответствующем средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. С этой точки зрения наноструктуры следует рассматривать как особую фазу и устойчивое состояние вещества. Свойства веществ и материалов, образованных структурными элементами с размерами в нанометровом диапазоне, в объемной фазе четко не определены. Это связано с тем, что изменение свойств обусловлено не только уменьшением размеров структурных элементов, но и проявлением квантово-механических эффектов, волновой природы передаточных процессов и доминирующей роли интерфейсов. Контролируя размер и форму наноструктур, можно придать совершенно новые функциональные свойства таким материалам, которые существенно отличаются от обычных материалов. К уже известным наноструктурам относятся углеродные нанотрубки, белки, ДНК и «одноэлектронные» транзисторы, которые работают при комнатной температуре. Рациональный подход к производству таких материалов и устройств означал бы революцию в науке и технике, если бы можно было определить и в полной мере использовать законы и принципы, определяющие структуру и свойства таких нанообъектов.

Новейшие достижения нанометрий

Производители уже получают первые заказы на наноустройства. К примеру, армия США заказала компании Friction Free Technologies разработку военной формы будущего. Компания должны изготовить носки с использованием нанотехнологий, которые должны будут выводить за пределы носков пот, но сохранять ноги в тепле, а носки в сухости. Неизвестно, будут ли такие носки нуждаться в стирке.

Графен. В октябре 2004 года в Манчестерском университете было создано небольшое количество материала, названного графен. Роберт Фрейтас предполагает, что этот материал может служить подложкой для создания алмазных механосинтетических устройств.

Новый процессор Intel. 19 июня 2007 года компания Intel начала выпускать обычные и многоядерные процессоры, содержащие наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. В дальнейшем компания намерена перейти на новые материалы, такие как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки. Основной конкурент Intel - AMD, во второй половине 2008 года запустит процессоры, выполненные по 45-нм техпроцессу.

Антенна-осциллятор. 9 февраля 2005 года сообщается, что в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5 миллиардов атомов и способно осциллировать с частотой 1, 49 гигагерц. Это позволит передавать с ее помощью большие объемы информации.

Наноаккумулятор. В начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с особыми электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане.

Новые топливные элементы для портативной техники. Был разработан водородный топливный элемент “Casio”. Топливный элемент вдвое легче литиевого аккумулятора. Время автономной работы больше в 3 раза. Уже появились первые образцы данного устройства. Ожидается его серийное производство в скором будущем.

Бронежилет. Австралийские ученые предложили изготавливать жилеты из материалов на основе углеродных нанотрубок. Последние обладают пулеотталкивающим свойством - под воздействием пули тоненькие трубки прогибаются, а затем восстанавливают форму с отдачей энергии.

Медицина и биология

Сейчас одной их самых обсуждаемых, самых волнующих является тема использования нанороботов в наномедицине (рис. 4), где в полной мере могли бы найти применения «таланты» нанороботов. Считается, что наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной, лимфатической и нервной системам, не нанося вреда организму, изменять характеристики тканей и клеток, уничтожить микроорганизмы, вирусы и раковые клетки (рис. 3) . Также они доставляют нужные лекарства именно в нужное место, не воздействуя на остальные части организма и не отторгаются его защитными системами. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие, за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки [8] . 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.

В области биологии станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Нанотехнология в сельском хозяйстве

Нанотехнологии 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. Подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. Однако пока что 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.

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.