Министерство образования и науки Российской Федерации.
Государственное научно-образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный
Политехнический университет».
Гуманитарный институт.
РЕФЕРАТ
на тему: «Нанотехнологии: достижения и перспективы»
по дисциплине: «Концепции современного естествознания»
Выполнил: Студент I курса, группы
№383421/30002
Реджепов Атабек
Санкт-Петербург, 2023г.
Оглавление
Введение ......................................................................................................................................... 3
1 Ключевые достижения нанотехнологий .................................................................................. 4
1.1 Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) ..........................................................................4
1.2. Наночастицы ............................................................................................................................5
1.3 Достижения 21 века ..................................................................................................................6
2 Перспективы развития нанотехнологий ................................................................................ 10
Заключение .................................................................................................................................. 12
Список использованной литературы ......................................................................................... 13
2
Введение
Люди всегда стремились улучшить условия своей жизни. В первобытных обществах
люди использовали для этого различные орудия труда, а позже одомашнили диких животных
на благо человеческого общества. С течением времени мир менялся, менялись и люди, и их
потребности. Большинство из нас уже не представляют себе жизни без благ современной
цивилизации, плодов науки, техники и медицины. Следующим шагом в этом развитии
являются нанотехнологии, в частности разработка очень маленьких систем, способных
выполнять команды человека.
Современные технологии стремятся к разработке машин, которые будут иметь
большую мощность, скорость, компактность и элегантность. Однако, существует предел
этого развития - машины размером с молекулу. Такие машины, состоящие из связанных
атомов, обладают огромной мощностью, скоростью и компактностью. Молекулярная
нанотехнология занимается проектированием, созданием и управлением подобными
машинами. Эта область открывает уникальные и впечатляющие возможности для
взаимодействия человека с окружающим миром.
Новые прорывы в наноматериалах и нанотехнологиях открывают новые перспективы
для усовершенствования систем безопасности в десять раз. Прогресс достигнут в различных
областях, включая медицину, красоту и энергетику. Особую важность для современного
общества имеют достижения нанотехнологий в информатизации и возможности их развития
в этой сфере.
3
1 Важные успехи нанотехнологий
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) - это устройство для сканирования поверхности с
высокой точностью и разрешением.)
Существует распространенное мнение, что для исследования атомов требуется
использование дорогостоящего электронного микроскопа. Однако, как говорится в
популярном выражении, верить стоит лишь тому, что видишь. Иногда больше информации
можно получить, прикоснувшись к атомам. Это обеспечивает сканирующая зондовая
микроскопия. Зонд, который является тонким и чувствительным, проходит по поверхности
атома, сканируя и отображая его неровности. В некоторых случаях зонд даже способен
физически перемещать атомы [2].
Метод сканирования или "ручного зондирования" основан на простом принципе. Чем
ближе атомы расположены друг к другу на кончике зонда, тем более точно мы можем
ощутить атомы на поверхности. Это аналогично отталкиванию двух сухих шариков, которые
заряжены шерстяными мочалками или волосами: в случае сканирующей зондовой
микроскопии сила взаимодействия между атомами вызывает незначительное перемещение
зонда, которое может быть обнаружено высокочувствительным детектором. Аналогичным
образом мы распознаем приближение заряженного шарика, который еще не соприкоснулся с
волосом.
Первый зондовый микроскоп, основанный на авторучке, был разработан отделом
G.P.G. компании IBM в Цюрихе в 1982 году. Однако, вместо регистрации изменений
положения зонда, этот микроскоп регистрирует изменения туннельного тока, вызываемого
электронами, перемещающимися между поверхностью материала и иглой, когда они
приближаются к поверхности на расстояние, сравнимое с расстоянием между атомами. С
помощью специального "пьезодвигателя" игла может перемещаться по поверхности образца
на расстояние до 1000 метров за миллиард минут. Этот метод был быстро принят научным
сообществом, и в 1986 году Бинниг и Рорер разработали "сканирующий туннельный
микроскоп" (СТМ), за что Бинниг был удостоен Нобелевской премии. Затем был создан
"атомно-силовой микроскоп" (АСМ, 1986) и совершены улучшения в технологии
сканирующих зондов. В результате появления новых микроскопов мы смогли сделать новые
открытия в изучении окружающего нас мира. Современные методы зондовой микроскопии
позволяют нам визуализировать и перемещать отдельные атомы и молекулы, а также изучать
их топографию, состав и структуру. За последние десять лет использование зондовой
микроскопии значительно расширило наши знания в областях физики, химии и биологии.
4
Ученые успешно применяют этот метод для создания двумерных изображений и
исследования различных материалов. на поверхностях можно создавать наноструктуры. На
примере исследовательского центра IBM было показано успешное использование 35 атомов
ксенона для формирования трех букв логотипа компании. Это было достигнуто путем
последовательного перемещения атомов ксенона на поверхности монокристалла никеля.
Выполнение таких операций включает в себя решение множества технических
проблем. Особенно важными являются создание условий для высокого вакуума, охлаждение
подложки и микроскопа до низких температур, а также обеспечение атомарной чистоты и
гладкости поверхности подложки. Охлаждение подложки необходимо для предотвращения
диффузии осажденных атомов на поверхность.
Как уже упоминалось, все разновидности сканирующей зондовой микроскопии
основаны на воздействии механических, электрических и магнитных сил на поверхность,
которую исследуют, с помощью зонда. Характер этого воздействия определяет тип прибора,
входящего в семейство зондовых микроскопов.
1.2. Наночастицы
Современное направление в миниатюризации демонстрирует, что при использовании
мельчайших частиц данного материала, они могут приобрести новые характеристики.
Частицы размером от 1 до 1000 нанометров называются "наночастицами". Например,
исследования показали, что наночастицы данного вещества обладают отличными
каталитическими и адсорбционными свойствами. Также, тонкие пленки органических
материалов используются в солнечных батареях, благодаря их низкой стоимости и гибкости.
Взаимодействие между искусственными наночастицами и наноразмерными естественными
компонентами (например, белками, нуклеиновыми кислотами) может быть достигнуто.
Очищенные наночастицы могут самоорганизоваться в определенные структуры, которые
содержат
упорядоченные
наночастицы
и
обладают
специфическими
свойствами.
Нанообъекты можно классифицировать как трехмерные частицы, двумерные объекты и
одномерные нитевидные объекты: существует три основные категории [3].
Частями, образующими сложные структуры, такие как наночастицы. Этот процесс
самосборки наночастиц играет важную роль в создании новых материалов и устройств в
области нанотехнологий. когда молекулы объединяются в определенные системы, возникает
возможность создавать новые материалы. Природа уже предоставляет нам примеры таких
5
систем и процессов. Например, биополимеры могут организовываться в специфические
структуры. Другими словами, уже существуют синтетические методы, которые используют
уникальные свойства структурных молекул ДНК, содержащих несколько белковых молекул
(протеинов).
Проблема формирования агрегатов наночастиц, которые имеют размер порядка
нанометра и широко известны в научном сообществе, осложняет их применение. В сфере
керамической
и
металлургической
промышленности
наночастицы
имеют
большой
потенциал, поэтому необходимо найти решение этой проблемы. Одним из возможных
способов является использование нерастворимых в воде веществ, таких как диспергаторы.
Добавление диспергаторов в среду, содержащую наночастицы, может помочь предотвратить
их агрегацию.
1.3 Достижения 21 века
Сегодня в производстве различных товаров используются наноматериалы. Они
применяются для создания защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного
оборудования, транзисторов, светодиодов, топливных элементов, фармацевтических и
медицинских приборов, а также упаковочных материалов для продуктов питания, косметики
и одежды. Для повышения эффективности работы двигателей и снижения загрязнения
выхлопных газов, в дизельное топливо добавляют наночастицы оксида церия в объеме 4-5%.
В 2002 году на Кубке Дэвиса были впервые использованы теннисные мячи, произведенные с
использованием нанотехнологий. А с 2007 года в Новосибирске началось производство
лекарственных
препаратов,
разработанных
совместно
фармацевтами
и
физиками-
ядерщиками.
Производители
уже
приняли
первые заявки
на наноустройства. Например,
американская военная организация приобрела технологию без трения для создания будущей
военной экипировки. Компания должна изготовить носки, основанные на применении
нанотехнологий, которые одновременно удаляют влагу и сохраняют ноги в тепле. Пока
неизвестно, будет ли необходимость в стирке этих носков.
В Манчестерском университете в период с 2004 по 2010 год производился графен материал, который был предложен Робертом Фрейтасом для использования в качестве
подложки при создании механических устройств алмазного синтеза.
Компания Intel начала производство новых процессоров 19 июня 2007 года. Эти
процессоры имеют размер структурных элементов около 45 нм, что является самым
маленьким значением на тот момент. В будущем компания планирует дальнейшее
6
уменьшение размеров до максимум 5 нм. Также в планах Intel - переход на использование
новых материалов, таких как квантовые точки, полимерные пленки и нанотрубки. Главный
конкурент Intel, компания AMD, планирует выпустить свой 45 нм процессор к концу 2008
года.
3 февраля 2005 года научное сообщество узнало о создании генераторной антенны в
лаборатории Бостонского университета. Размер данного устройства составляет примерно 1
микрон, а количество атомов в нем составляет 50 миллиардов. Важной характеристикой этой
антенны является ее способность колебаться с частотой 1,49 гигагерца, что позволяет
передавать большие объемы информации.
В начале 2005 года, компания Altair Nanotechnologies (США) представила свои новые
материалы для электродов в литий-ионных батареях, которые сделали возможным быстрое
зарядное время - всего 10-15 минут. Производство этих батарей началось в 2006 году на
заводе, расположенном в Индиане.
Компания Casio разработала инновационный водородный топливный элемент для
мобильных устройств. В отличие от традиционных литиевых батарей, он обладает
значительными преимуществами: в два раза меньший вес и в три раза более длительный срок
службы. Уже выпущены первые образцы данного устройства, а скорое начало серийного
производства не за горами.
Ученые из Австралии предлагают использовать материал, созданный на основе
углеродных нанотрубок, чтобы отражать пули. Если пуля попадает в этот материал, тонкая
трубка изгибается, затем возвращается в исходное состояние и реагирует на энергию.
(В 2006 году Джеймс Тур из Университета Райса разработал нанобагги, имеющие
большое значение в области наномеханики. Эти молекулярные транспортеры используют
световую энергию для перемещения атомов на золотой подложке. Несмотря на отсутствие
задней передачи, руля или колес из фуллеренов, эти нанотранспортные средства состоят
всего из 300 атомов золота и обладают собственным автономным мотором. Размеры
наномашин настолько малы (3-4 нанометра), что на кончике человеческого волоса можно
разместить до 20 000 таких устройств. Работа Джеймса была высоко оценена научным
сообществом, так как ранее никому не удавалось создать столь сложные мобильные
наносистемы.
В области нанотехнологий стали активно развиваться в последние годы. В 2006 году
японские ученые представили одномолекулярный двигатель внутреннего сгорания, который
отличался от традиционных моделей. Они использовали принципы кривошипно-шатунного
механизма на атомном уровне, чтобы создать новый тип наномотора со световым приводом.
Этот мотор состоял из двух молекул, которые работали с поршнем, что позволило решить
7
одну из нерешенных проблем - передачу и преобразование различных видов энергии на
наноуровне. В результате этого исследования достигнуты значительные прогрессы в области
наномеханики и нанотехнологий. развитие нанороботов может содействовать в решении
важной задачи для японских ученых.
Создание нанороботов: новый виток развития ДНК-машин (2006). Десять лет назад
появились периодические структуры на основе молекул ДНК, и сейчас ученые
приближаются к созданию наномеханических ДНК-машин. Под руководством известного
дизайнера ДНК Неда Симана нанотехнологи разработали роботизированную руку, которую
объединили с двумерной кристаллической матрицей ДНК. Исследователи считают это
открытие первым серьезным шагом в создании нанороботов. Благодаря разнообразию
молекул ДНК удалось воспроизвести данное устройство с помощью генной инженерии, и в
результате ученые сумели создать наномашины, способные разрабатывать сложные
наномашины.
В 2006 году американские ученые из компании IBM разработали первый микрочип,
использующий углеродные нанотрубки. Эта полнофункциональная интегральная схема
способна работать на терагерцовых частотах и стала первым своего рода в мире. Графен,
открытый также в 2006 году, является главным конкурентом для углеродных нанотрубок в
области наноэлектроники. Углеродные нанотрубки и графеновые наноматериалы, которые
представляют собой двумерные листы, уже используются для создания графеновых полевых
транзисторов. Благодаря уникальным свойствам углерода, графен имеет высокую
подвижность электронов и считается многообещающим материалом для наноэлектронных
устройств [1].
В 2006 году была разработана флэш-память на базе нанотрубок. Исследователи
стремятся ускорить процесс выпуска электроники на основе нанотрубок на рынок
потребительских товаров. Хотя данное устройство еще не является полноценным
коммерческим продуктом, ученые уверены, что новый метод молекулярной записи может
обеспечить массовое производство таких электронных устройств. Новые флэш-ячейки
имеют структуру "сэндвича", состоящего из нанотрубок, композитных материалов и
кремниевой подложки, и их толщина составляет всего несколько нанометров. Естественно,
что память на основе "нанопластин" будет значительно компактнее современных аналогов.
В 2006 году был разработан самый быстрый полевой нанотранзистор. Данный
уникальный прибор был создан учеными Гарвардского университета и состоит из ядра из
германиево-кремниевого соединения и наностержней из кремния. Ge/Si nanorail field-effect
transistor - это передовой полевой транзистор, основанный на современных кремниевых
транзисторах.
8
Однако, в 2006 году были разработаны одномолекулярные транзисторы, которые
были еще меньше по размеру, что представляло собой значительный прогресс в области
микроэлектроники. размер нового безшумного нанотранзистора составляет всего 1 нанометр,
что пока является самым маленьким размером для таких устройств. Ученые считают, что
производство транзисторов меньшего размера будет возможно только после завершения
естественной эволюции обычных кремниевых чипов.
В 2006 году исследователи из Калифорнийского технологического института
разработали уникальный анализатор крови в виде лабораторных чипов. Этот портативный
прибор позволяет проводить точные анализы всего за две минуты. Они смогли уменьшить
размеры обычного лабораторного счетного устройства до размеров мобильного телефона. В
результате получилась маленькая и удобная лаборатория, способная анализировать даже
одну каплю крови.
Методика
восстановления
поврежденной
нервной
ткани
с
использованием
углеродных нанотрубок является одним из наиболее интересных достижений в области
наномедицины. Эксперименты показали, что при имплантации специальной матрицы из
нанотрубок, смешанной с раствором стволовых клеток, в поврежденный участок мозга,
происходит восстановление нервной ткани за восемь недель. Однако использование
нанотрубок и стволовых клеток отдельно не дает аналогичных результатов. Ученые считают,
что данное открытие может быть полезным для лечения болезней Альцгеймера и
Паркинсона. Кроме того, наноструктуры могут применяться в регенеративной терапии после
острых сердечных заболеваний. Например, введение наночастиц в кровеносные сосуды
мышей помогло восстановить работу сердечно-сосудистой системы после инфаркта
миокарда. Принцип этого метода заключается в использовании самособирающихся
полимерных наночастиц, которые активируют естественные механизмы восстановления
сосудов.
9
2 Возможности развития нанотехнологий
На сегодняшний день мы находимся в периоде изменения основных принципов в
развитии науки. Очевидно, что наше понимание мира достигло столь высокого уровня, что
практически все его аспекты стали доступны для исследования. Наша способность
отправиться на Луну и свободно перемещаться по ее поверхности, прожить месяцами в
космических кораблях или подводных лодках, затоптывая ледяные просторы, невероятна.
Возможность обнаружить универсальное средство от множества болезней, однако, требует
огромных ресурсов, как материальных, так и интеллектуальных. Но самая серьезная
проблема заключается в ограниченности этих ресурсов [4].
Давайте возьмем, к примеру, рождение метода молекулярно-лучевой эпитаксии одного из самых выдающихся достижений в области твердотельной микроэлектроники. Для
производства органических тонких пленок уже давно известен аналогичный метод,
известный как метод Ленгмюра-Блоджетт, где разные атомы впрыскиваются слой за слоем, и
путем манипулирования потоком атомов разного размера можно контролируемым образом
получить нужные полупроводниковые структуры. В таком контексте существует идеальная
связь между процессами проектирования органических и неорганических материалов, а
также объединение технологических достижений в области неорганических материалов с
реальностью органических материалов.
Создание наноструктур, используя квантовые точки, представляет собой значимое
достижение в исследовании неорганических (полупроводниковых) материалов. Основой для
формирования таких структур служит принцип самоорганизации, который является
фундаментальным принципом в живой природе.
Необходимо отметить, что в отрасли машиностроения нанотехнологии активно
используются для модернизации группы высокоточных станков путем применения
специальных покрытий и эмульсий, что значительно увеличивает срок службы режущих и
обрабатывающих инструментов. Разработанные с использованием нанотехнологий методы
измерения и позиционирования позволяют осуществлять адаптивное управление режущим
инструментом на основе оптических измерений поверхностей заготовки и станка уже на
этапе проектирования.
Нанотехнологии обладают огромным потенциалом для развития и применения в
различных сферах. В данной статье представлены некоторые из перспектив развития данной
области.
Позволить создавать более точные диагностические методы, улучшить процессы
регенерации
тканей
и
разработать
инновационные
10
способы
лечения.
Внедрение
нанотехнологий в медицину открывает новые возможности для эффективного борьбы с
различными заболеваниями и улучшения качества жизни пациентов. можно применять для
разработки более точных приемов диагностики и обнаружения заболеваний.
Развитие нанотехнологий может также способствовать созданию более эффективных
источников энергии. Например, применение наночастиц позволяет создать улучшенные
солнечные панели и разработать более продуктивные батареи и аккумуляторы [3].
Технологии на уровне нанометров также могут способствовать разработке более
эффективных и компактных электронных устройств. Микроскопические частицы могут быть
применены для производства передовых процессоров, памяти и других элементов
компьютеров и мобильных гаджетов.
Также возможно применение нанотехнологий для разработки материалов с
уникальными характеристиками. Примером может служить использование наночастиц для
производства
материалов,
обладающих
улучшенной
прочностью,
гибкостью
и
проводимостью.
Использование нанотехнологий позволяет создать более эффективные методы
очистки воды и воздуха. Наночастицы представляют собой эффективное средство для
извлечения вредных веществ и токсинов из окружающей среды.
В общем, в будущем нанотехнологии обладают огромным потенциалом. Они могут
привести к разработке новых продуктов и технологий, способных решить различные
проблемы
и
улучшить
качество
жизни
людей.
Однако
необходимо
разработать
соответствующие правила и нормы, которые учтут возможные риски и этические вопросы,
связанные с применением нанотехнологий.
11
Заключение
Нанотехнологии революционизируют информационные технологии, обеспечивая
компактность и индивидуальную адаптивность аппаратуры. На сегодняшний день одним из
наиболее перспективных направлений в наноэлектронике являются нанопровода, которые
представляют собой разнообразные материалы с толщиной до нанометров. Эти нанопровода
позволяют растягивать транзисторы вдоль своих нитей, что будет использоваться в гибких
электронных схемах для "умных тканей".
В
компьютерной
индустрии
уже
были
предложены
несколько
вариантов
использования нанотрубок. Например, проведены исследования и созданы прототипы
тонких плоских дисплеев, основанных на матрице из нанотрубок. Подача напряжения на
один конец нанотрубки приводит к выходу электронов с противоположного конца, которые
затем попадают на фосфоресцирующий экран и освещают пиксели. Размер частиц,
формирующих изображение, составляет всего 1 микрон.
Нанопроволоки имеют значительную ценность при создании нового поколения
энергонезависимой магнитной памяти. В информационных технологиях переход к
наномасштабу
предполагает
разработку
трехмерных
наноструктур
и
компонентов,
использующих фотоны и спин вместо электронного заряда в качестве носителей
информации. В перспективе компьютерные технологии претерпят радикальные изменения
благодаря созданию квантовых процессоров, которые работают на "кубитах". Квантовые
процессоры имеют огромную ценность благодаря своей способности решать задачи, которые
практически невозможны для обычных компьютеров, хотя пока это только теоретическая
возможность. Развитие информационных технологий в контексте нанотехнологической
революции предполагает переход к объемным микрочипам, и рабочая частота компьютеров
достигает терагерц.
Схемотехнические решения, основанные на нейронах, широко применяются.
Появляются новые варианты долговременной памяти, которые состоят из белковых молекул
и имеют огромную емкость - терабайты. В перспективе нанороботы будут создавать среды,
где возможно обитание. Они будут взаимодействовать друг с другом, формируя глобальные
сети, не требующие использования терминалов. Большое количество таких роботов
обеспечит параллельное функционирование сети.
Нанотехнологии могут внести положительный вклад в медицину и очистку
окружающей среды, а могут стать разрушительной силой, ведущей к полному уничтожению
человечества и планеты в целом. Нанотехнологии - одно из самых передовых и
12
перспективных
направлений
научно-технического
развития
на
сегодняшний
день.
Нанотехнологии радикально изменят нашу жизнь. Появляются новые возможности, идеи,
вопросы и ответы.
13
Список использованной литературы
1. Алфимова, М.М. Занимательные нанотехнологии / М.М. Алфимова. - М.: Бином.
ЛЗ, Парк-Медиа, 2021. - 96 c.
2. Альтман, Ю. Военные нанотехнологии. Возможности применения и превентивного
контроля вооружений / Ю. Альтман. - М.: Техносфера, 2018. - 424 c.
3. Баксанский, О.Е. Нанотехнологии, биомедицина, философия образования в зеркале
междисциплинарного контекста / О.Е. Баксанский, Е.Н. Гнатик, Е.Н. Кучер. - М.: КД
Либроком, 2019. - 224 c.
4. Мальцева П. П. Нанотехнологии. Наномате-риалы. Наносистемная техника. М. :
Техносфера, 2018. С. 128-130.
5. Нанотехнологии. 01.12.2023. URL: http://revolu-tion.allbest.ru/physics/00015398.html.
14