Ученика 1 1 -Б класса

ООШ /-/// ступеней №41

Колосова Никиты Руководитель: учитель физики Минаева И.А.

Нанотехнологии: место среди других наук

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Химия, атомная и ядерная физика

Астрономия

волос

пылевой клещ

клетка

континент

планеты

Земля

атомы

человек

Социальные науки

Геология

Биология

Можно заставить наномир работать на нас !!!

Почему «нанотехнологии» - это интересно?

бактериофаг

бактериофаг

Частица Au , окружённая более мелкими

Частица Au , окружённая более мелкими

Вирус гриппа

Вирус гриппа

Наномир живёт внутри нас и работает на нас !!!

Мозаика из 1 нм С 60

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. 1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. 1990 г. Манипуляции единичными атомами. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Медицина .

Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации - первая половина XXI века.

Эритроциты и бактерии - перевозчики нанокапсул с лекарствами

Способ доставки наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток

Эритроциты с приклеенными к ним нанокапсулами, способными прилипать только к определённым типам клеток (больным), доставят эти капсулы клеткам-адресатам.

Геронтология.

Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.

Промышленность.

Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации - начало XXI века

Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными

• Перспективы использования нанотехнологий в автомобилестроении на сегодняшний день не совсем четко обозначены. Однако, радует тот факт, что наноматериалы уже используются в автомобильной промышленности, хотя, большинство из них еще находится в стадии конструкторских разработок. Производителями автомобилей уже накоплен достаточно объемный опыт в данной области.

Нановолоски делают поверхность чистой.

Слева - капля не смачивает поверхность, состоящую из нановолосков, и поэтому не растекается по ней. Справа – схематическое изображение поверхности, похожей на массажную щётку; тэта - краевой угол, величина которого говорит о смачиваемости поверхности: чем больше тэта, тем меньше смачиваемость.

Сельское хозяйство.

Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.

Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "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.

Срок реализации – вторая - четвертая четверть XXI века.

Биология

Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Срок реализации: середина XXI века.

Нанотехнологии в криминалистике.

Отпечаток пальца на бумаге и тот же после контрастирования с помощью золотых наночастиц, прилипших к жирным следам бороздок, оставшимся на бумаге.

Экология

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.

• Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье;
• А во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.

Освоение космоса

По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами.

Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции.

Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

Кибернетика

Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.

Гибкий дисплей из нанотрубок.

матрица гибкого дисплея на основе нанотрубок;

гибкий дисплей с изображением Леонардо де Винчи.

Безопасность нанотехнологий?

По крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. FDA пока разрешает продавать их, не снабжая специальной наклейкой «Содержит наночастицы». В то же время многие исследователи утверждают, что проникая внутрь такие наночастицы могут вызывать воспалительные или иммунологические реакции. Поэтому в какой-то мере, вступая в эру нанотехнологий мы ставим себя на место подопытных морских свинок.

Нанотехнологии уже давно вокруг нас

Антимикробное покрытие из наночастиц TiO2 и Ag

Простыни с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным и противогрибковым действием

Антимикробные раневые повязки с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным действием

Солнцезащитный крем с наночастицами ZnO - не липкий и прозрачный

Баллончик, распыляющий стерилизующую взвесь из наночастиц Ag

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Нанотехнологии и их применение

Цель научной работы заключается в комплексной характеристике нанотехнологий, с учетом специфики и всех особенностей данной области прикладной науки.

Объектом настоящего исследования является нанотехнология как область науки и техники, а предметом – особенности применения нанотехнологии.

К основным задачам работы относятся: 1. Определение понятия «нанотехнология». 2. Рассмотрение истории развития нанотехнологии в мире вообще и в России в частности. 3. Выяснение прикладного аспекта нанотехнологий, то есть особенностей применения в различных отраслях. 4. Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий. 5. Выделение технологических особенностей применения нанотехнологий. 6. Указание и прогнозирование перспектив развития нанотехнологий в России.

Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба

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. Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Применение нанотехнологий. Наноэлектроника и нанофотоника Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.

Наноэнергетика Солнечные батареи.

Батарейки и аккумуляторы Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%.

Наномедицина Наноструктурированные материалы. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. 2. Наночастицы. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и заболеваниями сосудов.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. 4. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. 6. Наноинструменты. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

Нанокосметика Несколько лет назад L"Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц

Нанотехнологии для легкой промышленности Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства

изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит производить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях

Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов

Нанотехнология - наука и техника создания,
изготовления, характеризации и реализации
материалов и функциональных структур и
устройств на атомном, молекулярном и
нанометровом уровнях.
Наноматериалы - материалы, созданные с
использованием наночастиц или посредством
нанотехнологий, обладающие какими-либо
уникальными свойствами, обусловленными
присутствием этих частиц в материале.

Нанотехнология может быть определена как совокупность технических процессов, связанных с манипуляциями молекулами и атомами в масштабах 1 – 100 нм.

Слайд 2

Слайд 3: Свойства нанообъектов

На многих объектах в физике, химии и биологии показано, что переход на наноуровень приводит к появлению качественных изменений физико-химических свойствах отдельных соединений и получаемых на их основе систем. Речь идет о коэффициенте оптического сопротивления, электропроводности, магнитных свойствах, прочности, термостойкости.

Слайд 4

Более того, согласно наблюдениям новые материалы, получаемые с использованием нанотехнологий, значительно превосходят по своим физическим, механическим, термическим и оптическим свойствам аналоги микрометрического масштаба.

Слайд 5

Слайд 6: Нанохимия

С развитием новых методов исследования строения вещества появилась возможность получать информацию о частицах, содержащих небольшое (< 100) количество атомов. Подобные частицы с размером около 1 нм (10 -9 м) обнаружили необычные, трудно предсказуемые химические свойства. Оказалось, что такие наночастицы обладают высокой активностью и с ними возможно осуществление реакций, которые не идут с частицами макроскопического размера. Изучением химических свойств таких частиц и занимается нанохимия.

Слайд 7: Частицы, например, металлов размером ≤ 1 нм содержат около 10 атомов, которые формируют поверхностную частицу, не имеющую объема и обладающую высокой химической активностью

Классификация частиц по размерам Физико-химические свойства начинают описывать количеством атомов

Слайд 8: Нанохимия – это область, исследующая получение, строение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые по крайней мере в одном измерении имеют размер ≤ 10 нм

Появляется представление о размерных эффектах, свойства зависят от количества атомов или молекул в частице. Наночастицы можно рассматривать как промежуточные образования между отдельными атомами с одной стороны, и твердым телом – с другой. Важно расположение атомов внутри структуры, формируемой из наночастиц. Понятие фазы выражено менее четко.

Слайд 9

10

Слайд 10: В нанохимии возникают вопросы, связанные с терминологией

7-я Международная конференция по наноструктурным материалам (г. Висбаден, 2004) предложила следующую их классификацию: нанопористые твердые вещества наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии наноструктурные поверхности и пленки нанокристаллические материалы

11

Слайд 11

12

Слайд 12

13

Слайд 13: Продолжение Таблицы 10

Кислотные дожди Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии Новые топливные элементы Уменьшение или прекращение выброса окислов серы и азота транспортными и промышленными установками

14

Слайд 14

15

Слайд 15

Ожидается, что наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии Катализаторы на основе наночастиц Применение нанопористых материалов. Пористые углеродные материалы применяются в качестве молекулярных сит, сорбентов, мембран. Цель – получение структур с высокой удельной способностью к газопоглощению (в частности, водорода или метана). Это основа для разработки топливных элементов нового типа, обеспечивающих экологическую чистоту транспорта и энергетических установок.

16

Слайд 16: Наноразмерные катализаторы и сорбенты

Наноразмерный катализ приводит как к возрастанию активности катализатора и его селективности, так и к регулированию процессов химической реакции и свойств конечного продукта. Такая возможность появляется не только путем изменения размеров нанокластеров, входящих в катализатор, и удельной поверхности, но и за счет появления новых размерных свойств и химического состава поверхности.

17

Слайд 17

18

Слайд 18

19

Слайд 19

20

Слайд 20: Фотокаталитическая активность TiO 2. Процессы с участием растворенного кислорода

21

Слайд 21: Нанокластеры золота

В качестве примера можно рассмотреть возникновение каталитической активности кластеров золота с размерами 3–5 нм, в то время как массивное золото не активно. Так, нанокластеры золота, нанесенные на подложку из оксида алюминия, эффективно катализируют окисление СО при низких температурах до –70 °С, а также обладают высокой избирательностью в реакциях восстановления оксидов азота при комнатной температуре. Подобные катализаторы эффективны для устранения запахов в закрытых помещениях.

22

Слайд 22

23

Слайд 23

24

Слайд 24

В США в ближайшем будущем ожидается коммерческое производство нанокластеров оксидов металлов для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов, а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха, например, в самолетах, казармах и т.д.

25

Слайд 25: Полимерные нановолокна

Широкое распространение получает изготовление полимерных нановолокон диаметром менее 100 нм. Эти волокна используют для изготовления так называемой активной одежды, которая способствует самозаживлению ран и обеспечивает диагностику состояний с восприятием команд извне, т.е. работает также в режиме сенсора.

26

Слайд 26: Биоактивные фильтры

На основе нановолокон создаются биоактивные фильтры. Так, американские фирмы Argonide и NanoCeram наладили выпуск волокон диаметром 2 нм и длиной 10–100 нм из минерала бемита (AlOOH). Благодаря большому количеству гидроксильных групп эти волокна, объединенные в более крупные агрегаты, активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, различного рода неорганические и органические фрагменты и обеспечивают тем самым эффективную очистку воды, а также стерилизацию медицинских сывороток и биологических сред.

27

Слайд 27: Прогноз развития нанотехнологий

Текущие применения: термозащита, оптическая защита (видимый и УФ диапазон излучения), самоочищающиеся стекла, цветные стекла, солнечные экраны, пигменты, чернила для принтеров, косметика, абразивные наночастицы, носители для записи информации.

28

Слайд 28

2) Перспектива 1–5 лет: идентификация и выявление подделок среди банкнот, документов, лейблов различных товаров, частей автомобилей и механизмов и т.д., нанесение открытых и тайных красящих меток, проявляемыхпри высвечивании, химические и биологические сенсоры, диагностика заболеваний и генная терапия, направленный транспорт лекарств, люминесцентные метки для биологического скрининга, лечебная спецодежда, нанесение специальных кодов, нанокомпозиционные материалы для транспорта, легкие и антикоррозионные материалы для авиационной промышленности, нанотехнология для производства пищевых продуктов, светоперестраиваемые лазеры и излучающие, в том числе фотоэлектрохимические диоды, электромеханические активаторы.

29

Слайд 29

3) Перспектива 6–10 лет: плоские панельные дисплеи, солнечные ячейки и батареи, термоэлектронные устройства для микророботов и нанороботов, устройства хранения информации, устройства контроля и обеззараживания объектов и окружающей среды, нанокатализаторы высокой производительности и селективности, использование нанотехнологии для изготовления протезов и искусственных органов. 4) Перспектива 10–30 лет: одноэлектронные устройства, квантовые компьютеры.

30

Слайд 30: Наночастицы на основе углерода

Аллотропные модификации – различные структурные формы одного элемента. Широко распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз, известен также карбин. В углероде заложена способность к созданию в трехмерном мире химически стабильных двумерных мембран толщиной в один атом. Это свойство углерода имеет важное значение для химии и технологического развития в целом.

31

Слайд 31: Фуллерены – новые аллотропные модификации углерода

В 1985 г. произошло важное открытие в химии одного из наиболее изученных элементов – углерода. Коллектив авторов: Крото (Англия), Хит, О ’ Брайен, Керл и Смолли (США), исследуя масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (импульсный эксимерный лазер ArF, λ =193 нм, энергия 6,4 эВ) твердого образца, обнаружили пики, соответствующие массам 720 и 840. Они предположили, что данные пики соответствуют индивидуальным молекулам С 60 и С 70.

32

Слайд 32: Фуллерен С 60 принадлежит к тем редким химическим структурам, которые обладают наивысшей точечной симметрией, а именно симметрией икосаэдра I h

Сферическая оболочка из 60 атомов образована пяти- и шестичленными циклами. Каждый пятичленный цикл соединен с пятью шестичленными. В молекуле отсутствуют пятичленные циклы, соединенные друг с другом. Всего в молекуле 12 пентагонов и 20 гексагонов. В 1996 г. Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие, разработку методов получения и исследование фуллеренов, причем Нобелевский комитет сравнил это открытие по значимости не более не менее как с открытием Америки Колумбом.

33

Слайд 33

Рис. 2. Изомер С 60 в виде "початка". Заштрихованные области показывают смещение  -электронного облака относительно атомов молекулы, образующих боковую поверхность структуры

34

Слайд 34: Молекулы были названы фуллеренами по имени архитектора Фуллера, автора сетчатых ажурных конструкций (павильон США на Всемирной выставки ЭКСПО-67 в Монреале и др.)

35

Слайд 35: Зависимость масс-спектров от условий кластеризации

Было обнаружено, что относительная интенсивность пика С 60 зависит от условий, увеличиваясь при повышении температуры. Следовательно, изомер (или изомеры), ответственный за высокую интенсивность пика, должен обладать повышенной химической стабильностью, чтобы «выживать» при увеличении числа соударений. Изомеры с висячими углеродными связями будут обладать высокой реакционной способностью и не смогут выжить при столкновениях. Роль химически активных столкновений проявляется в том, что в масс-спектрах наблюдаются только фуллерены с четным числом атомов углерода (С 60, С 70 и др.).