I øjeblikket er nanoteknologi et meget omfattende forskningsområde, herunder en række områder inden for fysik, kemi, biologi, elektronik, medicin og andre videnskaber.

"Nano"-æraen kommer i midten af ​​århundredet

Men på trods af betydelige resultater, forskernes entusiasme, stadigt stigende finansiering på dette område og den ret korte tidsramme for moderne industriel udvikling af videnskabelig udvikling i udviklede lande (10-15 år), kan det næppe forventes, at æraen af nanoteknologi vil komme før midten af ​​dette århundrede. Selvom individuelle udviklinger af ret udbredt brug utvivlsomt vil dukke op og allerede er på markedet.

Hvis vi ser på det moderne nanoproduktmarked, vil vi se, at mere end 90 % af det er optaget af nanopulvere (de begyndte at blive brugt tilbage i 50'erne af forrige århundrede, selvom de før nanoboomet blev kaldt ultrafine), nanokatalysatorer og nanoporøse materialer (filtre). De mest attraktive og lovende anvendelser af nanoteknologi, som normalt diskuteres, når man taler om de fremragende udsigter på dette område, er dog stadig på grundforskningsstadiet.

Dette refererer til udviklingen og den udbredte brug af nanoteknologi (selvom dette koncept endnu ikke eksisterede) i ånden af ​​Feynmans berømte foredrag "There's Plenty of Room Below: An Invitation to a New World of Physics" (december 1959).

Hvordan man "arrangerer" atomer korrekt

De elementære byggesten til konstruktion af ethvert stof er atomer og molekyler. Et "produkt" med dimensioner i nanoskala kan "samles" af dem, hvis de nødvendige atomer er arrangeret i den rigtige rækkefølge. Samtidig er den specifikke teknologi for en sådan samling efter vores mening ikke så vigtig (dette kan være epitaksial vækst, selvorganisering, kemiske eller biokemiske reaktioner osv.). Afgørende her er evnen til at designe "nanoprodukter" med bestemte egenskaber eller funktioner, besiddelse af teknologier, der gør det muligt at fremstille dette "produkt" med atomær præcision, samt komplekse diagnostiske metoder, herunder overvågning under fremstillingsprocessen (in situ ). Og kontrol med den teknologiske proces baseret på det.

Nanoteknologier på dette niveau er i øjeblikket hovedsagelig kun tilgængelige i individuelle videnskabelige laboratorier. De er baseret på de seneste resultater af grundforskning. Desuden spiller sidstnævnte en nøglerolle her. Forskning i fysiske og kemiske processer inden for nanoteknologi, udvikling af metoder til design, diagnostik og forskning af nanostrukturer, nanomaterialer og nanoanordninger, studiet af deres egenskaber og nye fænomener, der opstår på nanoskalaen - for størstedelens vedkommende er og vil forblive emnet af grundforskning eller orienteret grundforskning i lang tid.

Derfor, hvis vi ønsker at bevæge os i takt med udviklede lande inden for nanoteknologi og nanoindustrien, så bør der primært være fokus på grundforskning. De skal udstyres og udføres på det mest moderne niveau. Ellers risikerer vi ikke kun at befinde os på siden af ​​den lange nanoteknologiske vej, men også snart holde op med at forstå de globale resultater på dette område tilstrækkeligt.

Det betyder dog ikke, at indsatsen for at organisere produktionen og udvikle markedet for udviklinger, der rent praktisk er fremskredne, skal svækkes.

Fremtidens nanoteknologer: krav

Det skal bemærkes, at der er et andet vigtigt problem, der skal løses for en vellykket udvikling af nanoindustrien. Faktum er, at ved overgangen til nanometerskalasystemer begynder kvanteeffekter tydeligt at vise sig. Som et resultat heraf opstår en fundamentalt ny situation, når kvantefænomener (størrelseskvantisering, tunnelering, interferens af elektroniske tilstande osv.) spiller en nøglerolle i fysiske processer i sådanne objekter og i funktionen af ​​enheder baseret på dem.

De viser sig også i teknologiske processer og kemiske reaktioner, da interatomisk interaktion er af kvantenatur. Således vil fremtidige nanoteknologer (og denne profession skulle blive udbredt med udviklingen af ​​nanoindustrien) være i stand til at tænke i kvantemekaniske kategorier, der adskiller sig væsentligt fra almindelige klassiske begreber. Det betyder, at ingeniøruddannelsen vil kræve en betydelig omstrukturering - den vil blive mestret med vægt på grundlæggende discipliner.

Misforståelser om nanoteknologi

Grundforskning og dens materielle støtte er af fundamental betydning for udviklingen af ​​nanoteknologi og nanoindustrien. I dag udtrykkes ofte den opfattelse, at vi inden for nanoteknologi har de samme udgangspunkter som avancerede lande. Dette er en farlig misforståelse! Selvom vi har højt kvalificeret personale og indtager ledende stillinger på en række områder, tillader manglen på moderne teknologisk, diagnostisk og forskningsudstyr os ikke tilstrækkeligt at realisere de eksisterende muligheder.

Sidste gang en mere eller mindre massiv fornyelse af den videnskabelige udstyrsflåde blev udført, var for omkring 20 år siden under implementeringen af ​​USSR State Program "Højtemperatursuperledning". Derudover begyndte forskningen i Vesten på mange områder tidligere. Og de føres på en meget bredere front.

Det ser ud til, at der ikke er noget at bekymre sig om nu. I de senere år har landets ledelse, efter at have indset det afgørende behov for udvikling af nanoteknologi, gjort en betydelig indsats for at organisere arbejdet på dette område på statsniveau. Regeringsrådet for højteknologier og statsselskabet "Rosnanotech" er blevet oprettet, og betydelige økonomiske ressourcer er blevet tildelt. Det ser dog ud til, at grundforskningens rolle i udviklingen af ​​nanoteknologier er undervurderet af offentlige myndigheder.

Uddannelses- og Videnskabsministeriet finansierer praktisk talt ikke grundforskning. Grundforskning inden for nanoteknologi udføres på bekostning af de relevante afdelinger. Det centrale sted i udviklingen af ​​grundlæggende forskning i vores land tilhører traditionelt det russiske videnskabsakademi.

I 2008 udgjorde finansieringen af ​​nanoteknologiprojekter ifølge de grundlæggende forskningsprogrammer fra Præsidiet og Filialer af Det Russiske Videnskabsakademi kun omkring 100 millioner rubler (bortset fra grundfinansiering til lønninger og forsyningsregninger). Finansiering blev også ydet gennem projekter fra den russiske fond for grundforskning (RFBR) og internationale projekter. Analysen viser, at en sådan finansiering er næsten to størrelsesordener mindre, end hvad der kræves for at sikre det moderne niveau af grundforskning og dens udvikling, der er nødvendig for etableringen af ​​den indenlandske nanoindustri. Til reference: Alene i det amerikanske føderale budget for 2007 blev der afsat omkring 1,3 milliarder USD til arbejde udført inden for rammerne af National Nanotechnology Initiative. Heraf blev 401 millioner USD (ca. 31%) afsat til grundforskning i fænomener og processer ved nanoskala. , $250 millioner (20%) - til arbejde med nanomaterialer, $164 millioner (13%) - til indkøb af forskningsudstyr.

Nationalt Grundforskningsprogram

Denne situation virker fuldstændig uacceptabel. Efter vores mening bør der skabes et nationalt program for grundlæggende forskning inden for nanoteknologi med målrettede midler fra det føderale budget, der kan sammenlignes med finansieringen af ​​tilsvarende programmer i udviklede lande og tilsvarende kapitalinvesteringer. Kun i dette tilfælde kan vi regne med den succesfulde og konkurrencedygtige udvikling af den indenlandske nanoindustri.

Til dato har RAS-kommissionen for nanoteknologi udviklet et program for grundlæggende forskning fra det russiske videnskabsakademi "Nanoteknologier", som blev godkendt af RAS's generalforsamling. Ud over medlemmer af Kommissionen var videnskabsmænd, der arbejder aktivt inden for nanoteknologi, involveret i udviklingen af ​​programmet. Omkring tusind forslag modtaget fra mere end 100 institutter i det russiske videnskabsakademi blev overvejet. En analyse af de indkomne forslag viser, at arbejdet med nanoteknologi på RAS dækker over en bred vifte af problemstillinger. Og deres niveau er generelt ret højt.

Afsnit af nanoteknologiprogrammet

Valget af hovedområder for forskning, da programmet blev dannet, var baseret på moderne resultater og tendenser i udviklingen af ​​verdensvidenskab, betydningen af ​​de forventede resultater og udsigter til praktisk brug. Og også under hensyntagen til det grundlag, der er tilgængeligt i russiske videnskabelige organisationer. Programmet omfatter seks sådanne sektioner: "Nanostrukturernes fysik", "Nanoelektronik", "Nanomaterialer", "Nanobioteknologier", "Nanodiagnostik" og "Uddannelse".

Det er planlagt at involvere omkring 60 ikke-akademiske organisationer, virksomheder og universiteter som medudøvere i implementeringen af ​​RAS Fundamental Research Program. Grundlæggende kan det udviklede program tjene som grundlag for det nationale program for grundlæggende forskning inden for nanoteknologi.

Ekspertvurderinger af mængden af ​​midler, der kræves til en vellykket implementering af RAS Fundamental Research Program "Nanoteknologier", viser, at der kræves omkring 12-13 milliarder rubler for at udføre forsknings- og udviklingsarbejde. om året (eller omkring 90 milliarder rubler for hele gennemførelsesperioden for programmet indtil 2015). Den nødvendige mængde kapitalinvesteringer anslås til 55 milliarder rubler. For det nationale program skal disse beløb justeres.

TsKP løser ikke problemer

Det skal understreges, at hver effektivt arbejdende videnskabelig gruppe, der udfører et af programmets projekter, skal forsynes med det nødvendige moderne udstyr, da dets anvendelse til specifik forskning ofte er af en bestemt karakter. Fælles centre løser ikke problemet her, selvom de er nyttige til at udføre mere eller mindre standardmålinger (for eksempel til diagnostik og test). Eller at arbejde på unikke, ekstremt dyre installationer lavet i enkeltkopier.

Forskere bør, som det er sædvanligt her og i verdenspraksis, bruge konventionelt udstyr på deres arbejdsplads, selvom moderne udstyr som regel er dyrt. En anden ting er, at det skal bruges så effektivt som muligt.

Statslige programmer og grundforskning

I år begyndte det tiltrængte føderale målprogram "Udvikling af nanoindustriinfrastruktur i Den Russiske Føderation for 2008-2010" at fungere. Selvom det meste af arbejdet inden for nanoteknologi og nanomaterialer i vores land udføres på det russiske videnskabsakademi, blev dette program udviklet uden deltagelse af det russiske videnskabsakademi. Og det russiske videnskabsakademi optræder ikke i det som en statskunde. Andre afdelinger, hvor lignende arbejde udføres, er repræsenteret i denne rolle.

Vi kender ikke årsagerne til, at forskningsorganisationer fra Det Russiske Videnskabsakademi er udelukket fra den russiske nanoindustris infrastruktur (kun Institut for Metallurgi fra Det Russiske Videnskabsakademi er inkluderet i dette program). Denne beslutning fra programarrangørerne virker dog mildest talt underlig.

På nuværende tidspunkt er anvendt forskning og udvikling ofte (men ikke altid) en naturlig fortsættelse af grundforskningen. Desuden er det ikke altid muligt at trække en linje mellem den første og den sidste. Ifølge den britiske fysiker D. Porters figurative udtryk anvendes al videnskabelig forskning, kun nogle har allerede fundet anvendelser, og nogle vil finde dem i fremtiden.

Programmet udviklet af RAS Commission on Nanotechnologies er først og fremmest et program for grundforskning. Det omfatter samtidig også værker af anvendt karakter, hvoraf en række kan bringes til industriel brug i den nærmeste fremtid. I øjeblikket overvejer RAS-kommissionen for nanoteknologi adskillige store "ende-til-ende"-projekter, herunder alle faser af arbejdet - fra grundforskning til organisering af pilotproduktion.

For at gennemføre sådanne projekter er det planlagt at oprette distribuerede (virtuelle) laboratorier, hvis arbejde er underordnet et enkelt mål og dækker hele kæden af ​​forskning og udvikling for projektet (fra grundforskning til organisering af produktionen) . Samtidig fortsætter de videnskabelige grupper, der er en del af sådanne laboratorier og udfører specifikke opgaver, med at arbejde i deres organisationer. Laboratorier af denne art forventes også at blive oprettet til at løse større videnskabelige problemer og udføre tværfaglig forskning inden for rammerne af RAS Nanotechnologies Program.

"Prince-teknologi" og LED'er

Afslutningsvis er her et par eksempler på grundlæggende og anvendte resultater opnået af russiske videnskabsmænd og udviklere i de seneste år. Inden for fysik af nanostrukturer og nanoelektronik bemærker vi produktionen af ​​grafenplader (grafit monolag) og undersøgelsen af ​​dets elektroniske egenskaber, som viste, at ladningsbærere i grafen har et neutrino-lignende elektronisk spektrum (IPTM RAS).

Den første pålidelige observation af Bose-Einstein-kondensering af rumligt indirekte excitoner i dobbeltbrønds nanostrukturer (IPP RAS), udviklingen af ​​den såkaldte "prinsteknologi" og skabelsen af ​​en ny klasse af periodiske nanostrukturer til kvanteenheder (IPP SB RAS), tærskelfri halvlederinjektionslasere på kvanteprikker, halvlederlasere med rekordeffekt baseret på asymmetriske heterostrukturer og hvidt lys-LED'er (Ioffe Physicotechnical Institute RAS), matrixfotodetektorer for IR-stråling og mikrobølgefelteffekttransistorer (IPP SB RAS), bredspektrede magnetoresistive sensorer (IPM Ural Branch RAS).

Inden for nanomaterialer kan man nævne udviklingen af ​​højressource kulfiberplastik med særlige egenskaber indeholdende funktionaliserede nanopartikler af fulleren og astralen, hvis anvendelse i femte generations jagerfly vil øge forskellige præstationskarakteristika med 20-100% (VIAM) , IPCP RAS, Institut for Kemi SB RAS). Udviklingen af ​​katalysatorer baseret på guldnanopartikler aflejret på aluminiumoxid blev udført for at løse problemet med "koldstart" af efterbrændende udstødningsgasser fra bilmotorer (IC SB RAS).

Inden for nanobioteknologi og medicinsk diagnostik blev udviklingen og skabelsen af ​​en influenza nanovaccine "influenza" udført (IBCh RAS, State Scientific Center Institute of Immunology FMBA, NPO Petrovax, State Unitary Enterprise Microgen), som i 2004-2007. 70 millioner mennesker er blevet vaccineret. Metoder til opnåelse af røntgenstrålebrydningsbilleder af humant blødt væv er blevet udviklet (RRC "Kurchatov Institute").

Bemærk, at mange moderne videnskabelige og teknologiske resultater er baseret på resultaterne af forskning påbegyndt for tredive eller endnu flere år siden. Lad os håbe, at offentlige myndigheder endelig vil evaluere den afgørende rolle, som grundforskning spiller for udviklingen af ​​nanoindustrien i landet. Og på dette område vil vi bevæge os i takt med de udviklede lande.

Akademiker Zhores Alferov,
Nobelprismodtager, vicepræsident for Det Russiske Videnskabsakademi,
Formand for RAS-kommissionen for nanoteknologi.

Nanoteknologi er ved sin specificitet et tværfagligt videnskabeligt område inden for anvendt teknologi, der beskæftiger sig med undersøgelse og skabelse af innovative og innovative metoder til fremstilling af nye materialer med visse egenskaber, som efterfølgende bruges i en bred vifte af sektorer af det moderne menneskeliv.

Generelt arbejder nanoteknologi med strukturer, der har værdier på 100 nm eller endnu mindre, og bruger samtidig enheder såvel som materialer med ovennævnte dimensioner. I dag er nanoteknologi ekstremt forskelligartet og bruges i en bred vifte af forskning, lige fra skabelsen af ​​nye tekniske enheder til den nyeste forskning relateret til studiet af det molekylære-atomare niveau.

Grundlæggende om nanoteknologi.

Atomkraftmikroskopimetode.

Det skal siges, at et af de vigtigste værktøjer, der bruges til at arbejde med mikropartikler, er mikroskoper, for uden denne enhed er det ikke kun muligt at arbejde med mikropartikler, men også at studere mikroverdenen. Stigningen i moderne mikroskopers opløsningsegenskaber og erhvervelsen af ​​mere og mere ny viden om elementarpartikler i dag hænger sammen. I øjeblikket er moderne videnskabsmænd ved hjælp af udstyr som atomkraftmikroskoper eller AFM og scanningselektronmikroskoper i stand til ikke kun at observere individuelle atomer, men endda finde måder at påvirke dem på, for eksempel ved at feje atomer hen over en overflade. Samtidig har moderne videnskabsmænd allerede formået at skabe såkaldte todimensionelle nanostrukturer på overflader ved hjælp af ovenstående indflydelsesmetode. For eksempel, i forskningscentrene i den velkendte virksomhed IBM, ved sekventielt at blande xenon-atomer på overfladen af ​​nikkel nanokrystaller, var forskere i stand til at skabe et firmalogo bestående af 35 atomer af stoffet.

Mens de udførte disse handlinger relateret til blanding af stoffer, samt adskillelse og kombination af dem, stødte forskerne på nogle tekniske vanskeligheder. For at overvinde, hvilket det er nødvendigt at skabe betingelser for et supersonisk vakuum (10-11 torr), er det nødvendigt at afkøle stativet og mikroskopet til en ultralav temperatur på 4 til 10 K, mens overfladen af ​​dette substrat skal være glat og rent på atomniveau. Til dette formål anvendes specialiserede teknologier til mekanisk og kemisk behandling af produkter, og formålet med denne behandling er at reducere overfladediffusionen af ​​aflejrede atomer, ved hjælp af hvilken basen afkøles.

Nanopartikler.

Det vigtigste kendetegn ved nye materialer, der opnås under brug nanoteknologi, er den uforudsigelige opnåelse af fysiske og tekniske egenskaber erhvervet af disse materialer. Takket være dette har moderne videnskabsmænd mulighed for at opnå nye kvantefysiske og mekaniske egenskaber af stoffer, hvori de elektroniske strukturer er modificeret, hvilket automatisk ændrer manifestationsformen af ​​disse forbindelser. For eksempel er evnen til at reducere partikelstørrelsen ikke i alle tilfælde egnet til bestemmelse eller måling ved hjælp af makro- eller mikromålinger. Målinger kan dog være mulige, hvis partikelstørrelsen er i millimikronområdet. Det skal også bemærkes, at visse fysiske og mekaniske egenskaber ændres, hvis størrelsen af ​​elementerne ændres. I øjeblikket er tilstedeværelsen af ​​usædvanlige mekaniske egenskaber i nanomaterialer genstand for forskning af forskere, der arbejder inden for nanomekanik. Samtidig indtager en særlig plads i moderne nanoteknologi produktionen af ​​nye stoffer ved hjælp af forskellige katalysatorer, der påvirker nanomaterialers adfærd, når de interagerer med forskellige biomaterialer.

Som vi sagde tidligere, kaldes partikler med størrelser fra 1 til 100 nanometer nanopartikler, og forskning har vist, at nanopartikler af mange materialer har høj absorption og katalytiske egenskaber. Andre materialer giver unikke optiske egenskaber. For eksempel lykkedes det forskerne at opnå gennemsigtige keramiske materialer baseret på nanopulvere 2-28 nm store, som har bedre egenskaber end for eksempel kroner. Forskere var også i stand til at opnå interaktionen af ​​kunstigt fremstillede nanopartikler med naturlige objekter af nanostørrelse, for eksempel med proteiner, nukleinsyrer osv. Derudover har rensede nanopartikler, på grund af deres unikke egenskaber, evnen til at blive integreret i forskellige strukturer . Sådanne strukturer, der indeholder nanopartikler, opnår egenskaber og karakteristika, der tidligere var ukendte for dem.

I dag er alle nanoobjekter opdelt i tre klasser:

Den første klasse omfatter tredimensionelle partikler, der opnås ved at eksplodere ledere, ved plasmasyntese eller ved at reducere tynde film.

Den anden klasse omfatter de såkaldte todimensionelle objekter, som er film og opnås ved hjælp af molekylær deposition, ALD, CVD og iondepositionsmetoder.

Den tredje klasse omfatter whiskers eller endimensionelle genstande opnået ved molekylære lagdelingsmetoder eller ved at indføre forskellige stoffer i en cylindrisk mikroport.

Derudover er der også nanokompositter, som opnås ved at indføre nanopartikler i specialiserede matricer. Til dato er kun mikrolitografimetoden blevet brugt i vid udstrækning, hvilket gør det muligt at opnå flade øobjekter med en størrelse på 50 nm eller mere på overfladen af ​​matrixen og bruges i moderne elektronik. Det er også nødvendigt at bemærke metoderne til molekylær og ionisk lagdeling, da det ved hjælp af disse metoder er muligt at opnå ægte filmbelægninger i form af et monolag.

Selvorganisering af nanopartikler.

En af de største udfordringer, som nanoteknologi står over for, er, hvordan man tvinger atomer og molekyler til at gruppere sig på bestemte måder, hvilket giver dem mulighed for at reparere sig selv og udvikle sig selv, hvilket i sidste ende fører til nye materialer eller enheder. Disse problemer løses af kemikere, der arbejder inden for supramolekylær kemi. Samtidig studerer de ikke individuelle molekyler, men samspillet mellem dem, samt hvordan de er organiseret under en særlig påvirkning, og om de har evnen til at danne nye stoffer. Mange videnskabsmænd mener, at naturen virkelig besidder sådanne systemer, og sådanne processer forekommer i den. For eksempel kendes allerede biopolymerer, der kan organiseres i specielle strukturer. Ligeledes er der givet lignende eksempler på proteiner, der på grund af deres egenskaber ikke kun kan folde og opnå en kugleform, men også danne hele komplekser og strukturer, der indeholder flere proteinmolekyler på én gang. Allerede i dag har forskere været i stand til at skabe en syntesemetode, der bruger de specifikke egenskaber, som DNA-molekyler har.

Fjernundervisningskurser er en moderne form for effektiv supplerende uddannelse og avanceret træning inden for uddannelse af specialister til udvikling af lovende teknologier til produktion af funktionelle materialer og nanomaterialer. Dette er en af ​​de lovende former for moderne uddannelse, der udvikler sig over hele verden. Denne form for tilegnelse af viden er især relevant inden for et så tværfagligt område som nanomaterialer og nanoteknologi. Fordelene ved fjernkurser er deres tilgængelighed, fleksibilitet i at konstruere uddannelsesveje, forbedret effektivitet og effektivitet af processen med interaktion med studerende, omkostningseffektivitet sammenlignet med fuldtidskurser, som dog kan kombineres harmonisk med fjernundervisning. Inden for grundlæggende principper for nanokemi og nanomaterialer er videomaterialer blevet udarbejdet af Moscow State University Scientific and Educational Center for Nanotechnologies:

• . Grundlæggende begreber og definitioner af nanosystemvidenskab og nanoteknologi. Historie om fremkomsten af ​​nanoteknologi og nanosystemvidenskab. Tværfaglighed og tværfaglighed. Eksempler på nanoobjekter og nanosystemer, deres egenskaber og teknologiske anvendelser. Objekter og metoder inden for nanoteknologi. Principper og perspektiver for udvikling af nanoteknologi.
• . Grundlæggende principper for nanosystemdannelse. Fysiske og kemiske metoder. Processer til at opnå nanoobjekter "fra top til bund". Klassisk, "blød", mikrosfære, ionstråle (FIB), AFM - litografi og nanoindentation. Mekanisk aktivering og mekanosyntese af nanoobjekter. Processer til at opnå nanoobjekter "bottom-up". Kernedannelsesprocesser i gasformige og kondenserede medier. Heterogen kernedannelse, epitaksi og heteroepitaxi. Spinodalt henfald. Syntese af nanoobjekter i amorfe (glasagtige) matricer. Kemiske homogeniseringsmetoder (co-præcipitation, sol-gel metode, kryokemisk teknologi, aerosol pyrolyse, solvotermisk behandling, superkritisk tørring). Klassificering af nanopartikler og nanoobjekter. Teknikker til at opnå og stabilisere nanopartikler. Aggregation og disaggregering af nanopartikler. Syntese af nanomaterialer i en- og todimensionelle nanoreaktorer.
• . Statistisk fysik af nanosystemer. Funktioner af faseovergange i små systemer. Typer af intra- og intermolekylære interaktioner. Hydrofobicitet og hydrofilicitet. Selvsamling og selvorganisering. Micelle dannelse. Selvsamlede monolag. Langmuir-Blodgett film. Supramolekylær organisering af molekyler. Molekylær genkendelse. Polymer makromolekyler, metoder til deres fremstilling. Selvorganisering i polymersystemer. Mikrofaseseparation af blokcopolymerer. Dendrimerer, polymerbørster. Lag-for-lag selvsamling af polyelektrolytter. Supramolekylære polymerer.
• . Stof, fase, materiale. Hierarkisk struktur af materialer. Nanomaterialer og deres klassificering. Uorganiske og organiske funktionelle nanomaterialer. Hybride (organisk-uorganiske og uorganisk-organiske) materialer. Biomineralisering og biokeramik. Nanostrukturerede 1D, 2D og 3D materialer. Mesoporøse materialer. Molekylsigter. Nanokompositter og deres synergistiske egenskaber. Strukturelle nanomaterialer.
• . Katalyse og nanoteknologi. Grundlæggende principper og begreber i heterogen katalyse. Indflydelse af præparations- og aktiveringsbetingelser på dannelsen af ​​den aktive overflade af heterogene katalysatorer. Strukturfølsomme og strukturufølsomme reaktioner. Specificitet af termodynamiske og kinetiske egenskaber af nanopartikler. Elektrokatalyse. Katalyse på zeolitter og molekylsigter. Membrankatalyse.
• . Polymerer til strukturelle materialer og funktionelle systemer. "Smarte" polymersystemer, der er i stand til at udføre komplekse funktioner. Eksempler på "smarte" systemer (polymervæsker til olieproduktion, smarte vinduer, nanostrukturerede membraner til brændselsceller). Biopolymerer som de mest "smarte" systemer. Biomimetisk tilgang. Sekvensdesign for at optimere egenskaberne af smarte polymerer. Problemer med molekylær udvikling af sekvenser i biopolymerer.
• . Den nuværende tilstand og problemer med at skabe nye materialer til kemiske strømkilder: fast oxid brændselsceller (SOFC) og lithium batterier tages i betragtning. Der analyseres væsentlige strukturelle faktorer, som påvirker egenskaberne af forskellige uorganiske forbindelser, som bestemmer muligheden for deres anvendelse som elektrodematerialer: komplekse perovskitter i SOFC'er og overgangsmetalforbindelser (komplekse oxider og fosfater) i lithiumbatterier. De vigtigste anode- og katodematerialer, der anvendes i lithiumbatterier og anerkendes som lovende, betragtes: deres fordele og begrænsninger samt muligheden for at overvinde begrænsninger ved rettede ændringer i atomstrukturen og mikrostrukturen af ​​kompositmaterialer gennem nanostrukturering for at forbedre egenskaberne af aktuelle kilder.

Udvalgte problemstillinger diskuteres i følgende bogkapitler (Binom Publishing):

Illustrerende materialer om nanokemi, selvsamling og nanostrukturerede overflader:

Videnskabeligt populære "videobøger":

Udvalgte kapitler om nanokemi og funktionelle nanomaterialer.

Tilføj din pris til databasen

En kommentar

Nanoteknologi er et felt inden for grundlæggende og anvendt videnskab og teknologi, der beskæftiger sig med en kombination af teoretisk begrundelse, praktiske metoder til forskning, analyse og syntese, samt metoder til fremstilling og anvendelse af produkter med en given atomstruktur gennem kontrolleret manipulation af individer. atomer og molekyler.

Historie

Mange kilder, primært engelsksprogede, forbinder den første omtale af metoder, der senere ville blive kaldt nanoteknologi, med Richard Feynmans berømte tale "There's Plenty of Room at the Bottom", som han holdt i 1959 ved California Institute of Technology ved det årlige møde i American Physical Society. Richard Feynman foreslog, at det var muligt mekanisk at flytte enkelte atomer ved hjælp af en manipulator af passende størrelse, i det mindste ville en sådan proces ikke modsige fysikkens love, der kendes i dag.

Han foreslog at gøre denne manipulator på følgende måde. Det er nødvendigt at bygge en mekanisme, der ville skabe en kopi af sig selv, kun en størrelsesorden mindre. Den skabte mindre mekanisme skal igen skabe en kopi af sig selv, igen en størrelsesorden mindre, og så videre, indtil dimensionerne af mekanismen står mål med dimensionerne af størrelsen af ​​et atom. I dette tilfælde vil det være nødvendigt at foretage ændringer i strukturen af ​​denne mekanisme, da gravitationskræfterne, der virker i makrokosmos, vil have mindre og mindre indflydelse, og kræfterne fra intermolekylære interaktioner og van der Waals-kræfter vil i stigende grad påvirke driften af mekanismen.

Den sidste fase - den resulterende mekanisme vil samle sin kopi fra individuelle atomer. I princippet er antallet af sådanne kopier ubegrænset; det vil være muligt at oprette et vilkårligt antal af sådanne maskiner på kort tid. Disse maskiner vil være i stand til at samle makro-ting på samme måde, ved atomar samling. Dette vil gøre tingene meget billigere - sådanne robotter (nanorobotter) skal kun tildeles det nødvendige antal molekyler og energi og skrive et program til at samle de nødvendige emner. Hidtil har ingen været i stand til at tilbagevise denne mulighed, men ingen har endnu formået at skabe sådanne mekanismer. Under den teoretiske undersøgelse af denne mulighed dukkede hypotetiske dommedagsscenarier op, som antager, at nanorobotter vil absorbere al jordens biomasse og udføre deres selvreproduktionsprogram (den såkaldte "grå goo" eller "grå gylle").

De første antagelser om muligheden for at studere objekter på atomniveau kan findes i bogen "Opticks" af Isaac Newton, udgivet i 1704. I bogen udtrykker Newton håb om, at fremtidige mikroskoper en dag vil være i stand til at udforske "legemernes hemmeligheder."

Udtrykket "nanoteknologi" blev første gang brugt af Norio Taniguchi i 1974. Han brugte dette udtryk til at beskrive produktionen af ​​produkter flere nanometer i størrelse. I 1980'erne blev udtrykket brugt af Eric K. Drexler i hans bøger Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology and Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.

Hvad kan nanoteknologi?

Her er blot nogle af de områder, hvor nanoteknologi lover gennembrud:

Medicin

Nanosensorer vil give fremskridt i den tidlige diagnose af sygdomme. Dette vil øge dine chancer for helbredelse. Vi kan besejre kræft og andre sygdomme. Gamle kræftmedicin ødelagde ikke kun syge celler, men også sunde. Ved hjælp af nanoteknologi vil medicinen blive leveret direkte til den syge celle.

DNA nanoteknologi– bruge specifikke baser af DNA og nukleinsyremolekyler til at skabe klart definerede strukturer på deres basis. Industriel syntese af lægemiddelmolekyler og farmakologiske præparater i en klart defineret form (bis-peptider).

I begyndelsen af ​​2000, takket være hurtige fremskridt inden for teknologien til fremstilling af partikler i nanostørrelse, blev der givet skub til udviklingen af ​​et nyt område inden for nanoteknologi - nanoplasmonik. Det viste sig at være muligt at transmittere elektromagnetisk stråling langs en kæde af metalnanopartikler ved hjælp af excitation af plasmonoscillationer.

Konstruktion

Nanosensorer af bygningsstrukturer vil overvåge deres styrke og opdage eventuelle trusler mod deres integritet. Objekter bygget ved hjælp af nanoteknologi kan holde fem gange længere end moderne strukturer. Husene vil tilpasse sig beboernes behov, holde dem kølige om sommeren og holde dem varme om vinteren.

Energi

Vi bliver mindre afhængige af olie og gas. Moderne solpaneler har en effektivitet på omkring 20%. Ved brug af nanoteknologi kan den vokse 2-3 gange. Tynde nanofilm på tag og vægge kan give energi til hele huset (hvis der selvfølgelig er sol nok).

Maskiningeniør

Alt omfangsrigt udstyr vil blive erstattet af robotter - let betjente enheder. De vil være i stand til at skabe alle mekanismer på atom- og molekylniveau. Til produktion af maskiner vil der blive brugt nye nanomaterialer, der kan reducere friktionen, beskytte dele mod skader og spare energi. Det er ikke alle de områder, hvor nanoteknologi kan (og vil!) blive brugt. Forskere mener, at fremkomsten af ​​nanoteknologi er begyndelsen på en ny videnskabelig og teknisk revolution, som i høj grad vil ændre verden i det 21. århundrede. Det er dog værd at bemærke, at nanoteknologi ikke kommer ret hurtigt ind i praksis. Ikke mange enheder (for det meste elektronik) fungerer "nano". Det skyldes blandt andet den høje pris på nanoteknologi og det ikke særlig høje afkast på nanoteknologiske produkter.

Sandsynligvis vil der i den nærmeste fremtid ved hjælp af nanoteknologi blive skabt højteknologiske, mobile, let kontrollerbare enheder, som med succes vil erstatte det automatiserede, men vanskelige at administrere og besværlige udstyr i dag. For eksempel vil computerstyrede biorobotter over tid kunne udføre funktionerne på de nuværende omfangsrige pumpestationer.

• DNA computer– et computersystem, der bruger computeregenskaberne fra DNA-molekyler. Biomolecular computing er et fællesnavn for forskellige teknikker relateret på den ene eller anden måde til DNA eller RNA. I DNA computing er data ikke repræsenteret i form af nuller og ettaller, men i form af en molekylær struktur bygget på basis af DNA-helixen. Softwarens rolle til læsning, kopiering og håndtering af data udføres af specielle enzymer.
• Atomkraftmikroskop– et højopløsnings scanningprobemikroskop baseret på interaktionen af ​​en cantilevernål (probe) med overfladen af ​​prøven under undersøgelse. I modsætning til et scanning tunneling microscope (STM) kan det undersøge både ledende og ikke-ledende overflader selv gennem et lag væske, som gør det muligt at arbejde med organiske molekyler (DNA). Den rumlige opløsning af et atomkraftmikroskop afhænger af størrelsen af ​​cantileveren og krumningen af ​​dens spids. Opløsningen når atomare vandret og overstiger den lodret betydeligt.
• Antenne-oscillator– Den 9. februar 2005 blev en antenneoscillator med dimensioner på omkring 1 mikron anskaffet i laboratoriet ved Boston University. Denne enhed har 5.000 millioner atomer og er i stand til at oscillere med en frekvens på 1,49 gigahertz, hvilket giver den mulighed for at transmittere enorme mængder information.

10 nanoteknologier med fantastisk potentiale

Prøv at huske en kanonisk opfindelse. Sandsynligvis har nogen nu forestillet sig et hjul, nogen et fly og nogen en iPod. Hvor mange af jer har tænkt på opfindelsen af ​​en helt ny generation - nanoteknologi? Denne verden er lidt undersøgt, men har et utroligt potentiale, der kan give os virkelig fantastiske ting. En forbløffende ting: området for nanoteknologi eksisterede først i 1975, selvom videnskabsmænd begyndte at arbejde på dette område meget tidligere.

Menneskets blotte øje er i stand til at genkende objekter op til 0,1 millimeter i størrelse. I dag vil vi tale om ti opfindelser, der er 100.000 gange mindre.

Elektrisk ledende flydende metal

Ved hjælp af elektricitet kan en simpel flydende metallegering af gallium, iridium og tin laves til at danne komplekse former eller vindcirkler inde i en petriskål. Det kan siges med en vis grad af sandsynlighed, at dette er materialet, hvorfra den berømte T-1000-serie cyborg, som vi kunne se i Terminator 2, blev skabt.

"Den bløde legering opfører sig som en smart form, der er i stand til at deformere sig selv, når det er nødvendigt, under hensyntagen til det skiftende omgivende rum, som det bevæger sig igennem. Ligesom en cyborg fra en populær sci-fi-film kunne gøre,” siger Jin Li fra Tsinghua University, en af ​​forskerne involveret i dette projekt.

Dette metal er biomimetisk, hvilket betyder, at det efterligner biokemiske reaktioner, selvom det ikke i sig selv er et biologisk stof.

Dette metal kan styres af elektriske udladninger. Det er dog selv i stand til at bevæge sig uafhængigt på grund af den opståede belastningsubalance, som er skabt af forskellen i tryk mellem forsiden og bagsiden af ​​hver dråbe af denne metallegering. Og selvom videnskabsmænd mener, at denne proces kan være nøglen til at omdanne kemisk energi til mekanisk energi, vil det molekylære materiale ikke blive brugt til at bygge onde cyborgs når som helst snart. Hele den "magiske" proces kan kun ske i en natriumhydroxidopløsning eller saltopløsning.

Nanoplastik

Forskere fra University of York arbejder på at udvikle specielle plastre, der vil blive designet til at levere alle de nødvendige lægemidler inde i kroppen uden brug af kanyler og sprøjter. Plastrene, som er ganske normale i størrelsen, limes på din hånd og afgiver en vis dosis lægemiddelnanopartikler (små nok til at trænge ind i hårsækkene) inde i din krop. Nanopartikler (hver mindre end 20 nanometer i størrelse) vil selv finde skadelige celler, dræbe dem og blive elimineret fra kroppen sammen med andre celler som følge af naturlige processer.

Forskere bemærker, at sådanne nanoplastre i fremtiden kunne bruges i kampen mod en af ​​de mest forfærdelige sygdomme på jorden - kræft. I modsætning til kemoterapi, som ofte er en integreret del af behandlingen i sådanne tilfælde, vil nanoplastre individuelt kunne finde og ødelægge kræftceller, mens raske celler efterlades uberørte. Nanopatch-projektet hedder NanJect. Dets udvikling udføres af Atif Syed og Zakaria Hussain, som i 2013, mens de stadig var studerende, modtog det nødvendige sponsorat som en del af en crowdsourcing-kampagne for at rejse midler.

Nanofilter til vand

Når denne film bruges i kombination med et fint rustfrit stålnet, afstødes olien, hvilket efterlader vandet i dette område uberørt rent.

Interessant nok blev videnskabsmænd inspireret til at skabe nanofilm af naturen selv. Lotusblade, også kendt som åkander, har de modsatte egenskaber af nanofilm: i stedet for olie afviser de vand. Det er ikke første gang, at forskere har udspioneret disse fantastiske planter for deres lige så fantastiske egenskaber. Dette resulterede for eksempel i skabelsen af ​​superhydrofobe materialer i 2003. Hvad angår nanofilmen, forsøger forskere at skabe et materiale, der efterligner overfladen af ​​åkander og beriger det med molekyler af et specielt rengøringsmiddel. Selve belægningen er usynlig for det menneskelige øje. Det vil være billigt at producere: omkring $1 pr. kvadratfod.

Luftrenser til ubåde

Det er usandsynligt, at nogen har tænkt over, hvilken slags luftubådsbesætninger skal trække vejret, bortset fra besætningsmedlemmerne selv. I mellemtiden skal luften renses for kuldioxid med det samme, da den samme luft under en sejlads skal passere gennem ubådens lette besætninger hundredvis af gange. For at rense luften fra kuldioxid bruges aminer, som har en meget ubehagelig lugt. For at løse dette problem blev der oprettet en renseteknologi kaldet SAMMS (et akronym for Self-Assembly Monolays on Mesoporous Supports). Hun foreslår brug af specielle nanopartikler placeret inde i keramiske granulat. Stoffet har en porøs struktur, på grund af hvilken det absorberer overskydende kuldioxid. De forskellige typer SAMMS-rensning interagerer med forskellige molekyler i luften, vandet og jorden, men alle disse oprensningsmuligheder er utroligt effektive. Bare en spiseskefuld af disse porøse keramiske granula er nok til at rense et område svarende til en fodboldbane.

Nanoledere

Forskere ved Northwestern University (USA) har fundet ud af, hvordan man kan skabe en elektrisk leder på nanoskala. Denne leder er en hård og holdbar nanopartikel, der kan konfigureres til at transmittere elektrisk strøm i forskellige modsatte retninger. Undersøgelsen viser, at hver sådan nanopartikel er i stand til at efterligne driften af ​​"ensrettere, kontakter og dioder." Hver 5 nanometer tyk partikel er belagt med et positivt ladet kemikalie og omgivet af negativt ladede atomer. Ved at anvende en elektrisk udladning omkonfigureres de negativt ladede atomer omkring nanopartiklerne.

Teknologiens potentiale, som videnskabsmænd rapporterer, er uden fortilfælde. Baseret på det er det muligt at skabe materialer "i stand til selvstændigt at ændre sig, så de passer til specifikke computeropgaver." Brugen af ​​dette nanomateriale vil faktisk "omprogrammere" fremtidens elektronik. Hardwareopgraderinger bliver lige så nemme som softwareopgraderinger.

Nanotech oplader

Når denne ting er oprettet, behøver du ikke længere at bruge kablede opladere. Den nye nanoteknologi fungerer som en svamp, men den absorberer ikke væske. Den suger kinetisk energi fra miljøet og leder den direkte ind i din smartphone. Teknologien er baseret på brugen af ​​et piezoelektrisk materiale, der genererer elektricitet, mens det er under mekanisk belastning. Materialet er udstyret med nanoskopiske porer, der gør det til en fleksibel svamp.

Det officielle navn på denne enhed er "nanogenerator". Sådanne nanogeneratorer kan en dag blive en del af enhver smartphone på planeten, eller en del af instrumentbrættet i enhver bil, og måske en del af enhver tøjlomme - gadgets vil blive opladet direkte i den. Derudover har teknologien potentiale til at blive brugt i større skala, såsom i industrielt udstyr. Det mener i hvert fald forskere fra University of Wisconsin-Madison, der har skabt denne fantastiske nanosvamp.

Kunstig nethinde

Det israelske firma Nano Retina er ved at udvikle en grænseflade, der direkte forbinder til øjets neuroner og overfører resultatet af neural modellering til hjernen, erstatter nethinden og genopretter synet til mennesker.

Et eksperiment på en blind kylling viste håb om projektets succes. Nanofilmen tillod kyllingen at se lyset. Sandt nok er den sidste fase af udviklingen af ​​en kunstig nethinde for at genoprette folks syn stadig langt væk, men fremskridt i denne retning kan ikke andet end glæde sig. Nano Retina er ikke den eneste virksomhed, der er engageret i sådanne udviklinger, men det er deres teknologi, der i øjeblikket ser ud til at være den mest lovende, effektive og tilpasningsdygtige. Det sidste punkt er det vigtigste, da vi taler om et produkt, der vil blive integreret i nogens øjne. Lignende udviklinger har vist, at faste materialer er uegnede til sådanne formål.

Da teknologien udvikles på det nanoteknologiske niveau, eliminerer den brugen af ​​metal og ledninger og undgår også den lave opløsning af det simulerede billede.

Glødende tøj

Shanghai-forskere har udviklet reflekterende tråde, der kan bruges i tøjproduktion. Grundlaget for hver tråd er en meget tynd rustfri ståltråd, som er belagt med specielle nanopartikler, et lag elektroluminescerende polymer og en beskyttende skal af gennemsigtige nanorør. Resultatet er meget lette og fleksible tråde, der kan gløde under påvirkning af deres egen elektrokemiske energi. Samtidig fungerer de med meget lavere effekt sammenlignet med konventionelle LED'er.

Ulempen ved teknologien er, at "lysreserven" af trådene stadig kun er nok til et par timer. Udviklerne af materialet tror dog optimistisk, at de vil være i stand til at øge deres produkts "ressource" med mindst tusind gange. Selvom det lykkes, er løsningen på en anden mangel stadig i tvivl. Det vil højst sandsynligt være umuligt at vaske tøj baseret på sådanne nanotråde.

Nanonåle til restaurering af indre organer

De nanoplastere, vi talte om ovenfor, er designet specifikt til at erstatte nåle. Hvad hvis nålene i sig selv kun var nogle få nanometer store? Hvis det er tilfældet, kan de ændre vores forståelse af kirurgi eller i det mindste forbedre den markant.

For nylig udførte forskere vellykkede laboratorietest på mus. Ved hjælp af små nåle var forskerne i stand til at introducere nukleinsyrer i gnavernes kroppe, hvilket fremmer regenereringen af ​​organer og nerveceller og derved genoprette tabt ydeevne. Når nålene udfører deres funktion, forbliver de i kroppen, og efter et par dage nedbrydes de fuldstændigt i den. Samtidig fandt forskerne ingen bivirkninger under operationer for at genoprette blodkarrene i gnaveres rygmuskler ved hjælp af disse specielle nanonåle.

Hvis vi tager menneskelige tilfælde i betragtning, kan sådanne nanonåle bruges til at levere nødvendige lægemidler ind i den menneskelige krop, for eksempel ved organtransplantation. Særlige stoffer vil forberede det omgivende væv omkring det transplanterede organ til hurtig genopretning og eliminere muligheden for afstødning.

3D kemisk print

University of Illinois kemiker Martin Burke er kemiens Willy Wonka. Ved at bruge en samling af "byggemateriale"-molekyler til en række forskellige formål, kan han skabe et stort antal forskellige kemikalier udstyret med alle mulige "fantastiske og på samme tid naturlige egenskaber." For eksempel er et sådant stof ratanin, som kun kan findes i en meget sjælden peruviansk blomst.

Potentialet for at syntetisere stoffer er så enormt, at det vil gøre det muligt at producere molekyler, der bruges i medicin, i skabelsen af ​​LED-dioder, solcellebattericeller og de kemiske grundstoffer, som selv de bedste kemikere på planeten tog årevis at syntetisere.

Mulighederne for den nuværende prototype 3D kemiske printer er stadig begrænsede. Han er kun i stand til at skabe nye stoffer. Burke håber dog, at han en dag vil være i stand til at skabe en forbrugerversion af sin fantastiske enhed, som vil have meget større muligheder. Det er meget muligt, at sådanne printere i fremtiden vil fungere som en slags hjemmefarmaceuter.

Udgør nanoteknologi en trussel mod menneskers sundhed eller miljøet?

Der er ikke meget information om de negative virkninger af nanopartikler. I 2003 viste en undersøgelse, at kulstofnanorør kunne beskadige lungerne hos mus og rotter. En undersøgelse fra 2004 viste, at fullerener kan akkumulere og forårsage hjerneskade hos fisk. Men begge undersøgelser brugte store mængder af stoffet under usædvanlige forhold. Ifølge en af ​​eksperterne, kemiker Kristen Kulinowski (USA), "vil det være tilrådeligt at begrænse eksponeringen for disse nanopartikler, på trods af at der i øjeblikket ikke er nogen information om deres trussel mod menneskers sundhed."

Nogle kommentatorer har også foreslået, at den udbredte brug af nanoteknologi kan føre til sociale og etiske risici. Så hvis brugen af ​​nanoteknologi for eksempel indleder en ny industriel revolution, vil dette føre til tab af arbejdspladser. Desuden kan nanoteknologi ændre begrebet en person, da dets brug vil hjælpe med at forlænge livet og øge kroppens modstandskraft betydeligt. "Ingen kan benægte, at den udbredte anvendelse af mobiltelefoner og internettet har medført enorme ændringer i samfundet," siger Kristen Kulinowski. "Hvem ville vove at sige, at nanoteknologi ikke vil have en større indflydelse på samfundet i de kommende år?"

Ruslands plads blandt lande, der udvikler og producerer nanoteknologi

De førende i verden med hensyn til samlede investeringer i nanoteknologi er EU-landene, Japan og USA. For nylig har Rusland, Kina, Brasilien og Indien øget investeringerne i denne industri betydeligt. I Rusland vil mængden af ​​finansiering under programmet "Udvikling af nanoindustriinfrastruktur i Den Russiske Føderation for 2008-2010" beløbe sig til 27,7 milliarder rubler.

Den seneste (2008) rapport fra det London-baserede analysefirma Cientifica, kaldet Nanotechnology Outlook Report, beskriver russiske investeringer ordret som følger: “Selvom EU stadig ligger på førstepladsen med hensyn til investeringer, har Kina og Rusland allerede overhalet USA. ”

Der er områder inden for nanoteknologi, hvor russiske videnskabsmænd blev de første i verden efter at have opnået resultater, der lagde grundlaget for udviklingen af ​​nye videnskabelige tendenser.

Blandt dem er produktion af ultradisperse nanomaterialer, design af enkeltelektronenheder samt arbejde inden for atomkraft og scanningprobemikroskopi. Kun på en særudstilling afholdt inden for rammerne af XII St. Petersburg Economic Forum (2008), blev 80 specifikke udviklinger præsenteret på én gang. Rusland producerer allerede en række nanoprodukter, der er efterspurgte på markedet: nanomembraner, nanopulvere, nanorør. Men ifølge eksperter, i kommercialiseringen af ​​nanoteknologiske udviklinger Rusland halter bagefter USA og andre udviklede lande med ti år.

Nanoteknologi i kunsten

En række værker af den amerikanske kunstner Natasha Vita-Mor omhandler nanoteknologiske emner.

I moderne kunst er der opstået en ny retning: "nanoart" (nanoart) - en type kunst forbundet med kunstnerens skabelse af skulpturer (kompositioner) af mikro- og nanostørrelse (henholdsvis 10 −6 og 10 −9 m) under påvirkning af kemiske eller fysiske processer af bearbejdning af materialer, fotografering af de resulterende nanobilleder ved hjælp af et elektronmikroskop og behandling af sort-hvide fotografier i et grafikredigeringsprogram.

I det velkendte værk af den russiske forfatter N. Leskov "Lefty" (1881) er der et interessant fragment: "Hvis," siger han, "der var et bedre mikroskop, som forstørrer fem millioner, så ville du nedværdige." siger han, "for at se, at på hver hestesko står navnet på håndværkeren: hvilken russisk mester, der har lavet den hestesko." Forstørrelse på 5.000.000 gange leveres af moderne elektron- og atomkraftmikroskoper, som betragtes som nanoteknologiens vigtigste værktøjer. Således kan den litterære helt Lefty betragtes som den første "nanoteknolog" i historien.

De ideer, som Feynman præsenterede i hans foredrag fra 1959 "Der er meget plads dernede" om, hvordan man skaber og bruger nanomanipulatorer, falder næsten tekstmæssigt sammen med science fiction-historien "Mikrorukki" af den berømte sovjetiske forfatter Boris Zhitkov, udgivet i 1931. Nogle negative konsekvenser af den ukontrollerede udvikling af nanoteknologi er beskrevet i værker af M. Crichton ("The Swarm"), S. Lem ("On-Site Inspection" og "Peace on Earth"), S. Lukyanenko ("Nothing to Dele").

Hovedpersonen i romanen "Transman" af Yu. Nikitina er leder af et nanoteknologiselskab og den første person, der oplever virkningerne af medicinske nanorobotter.

I science fiction-serien Stargate SG-1 og Stargate Atlantis er nogle af de mest teknologisk avancerede racer to racer af "replikatorer", som er opstået som et resultat af mislykkede eksperimenter med brug og beskrivelse af forskellige anvendelser af nanoteknologi. I The Day the Earth Stood Still, med Keanu Reeves i hovedrollen, dømmer en fremmed civilisation menneskeheden til døden og ødelægger næsten alt på planeten ved hjælp af selvreplikerende nanoreplikante insekter, der fortærer alt på deres vej.

Kursuspensum

Avis nr.	Pædagogisk materiale
17	Foredrag nr. 1. Hvad gemmer sig bag præfikset "nano"? Nanovidenskab og nanokemi. Dimensionel effekt. Klassificering af nanoobjekter.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
18	Foredrag nr. 2. Metoder til syntese og forskning af nanopartikler. Klassificering af metoder til syntese af nanopartikler. Kemiske syntesemetoder ("bottom up"). Metoder til visualisering og forskning af nanopartikler.(Eremin V.V., Drozdov A.A.)
19	Foredrag nr. 3. Nanoteknologi. Grundforskning og anvendt forskning: sammenhæng mellem nanovidenskab og nanoteknologi. Mekaniske nanoenheder. Magnetiske nanomaterialer. Nanoteknologi i medicin. Udvikling af nanoteknologi.(Eremin V.V., Drozdov A.A.) Test nr. 1(forfaldsdato: 25. november 2009)
20	Foredrag nr. 4. Kulstof nanomaterialer. Allotrope former for kulstof er "nano" og "ikke-nano". Nanodiamanter. Fullerener og deres derivater. Nanorør, deres klassificering og egenskaber. Generelle egenskaber ved carbon nanoformer.(Eremin V.V.)
21	Foredrag nr. 5. Nanomaterialer til energi. Traditionelle og alternative energikilder. Nanomaterialer i brændselsceller. Nanomaterialer til brintlagring.(Eremin V.V.)
22	Foredrag nr. 6. Nanokatalyse. Generelle egenskaber af katalysatorer. Klassificering af katalytiske reaktioner. Principper for strukturel og energetisk overholdelse. Katalyse på nanopartikler og zeolitter.(Eremin V.V.) Test nr. 2(forfaldsdato – 30. december 2009)
23	Foredrag nr. 7. Nanokemi i Olympiade-problemer. 1. Simple opgaver. Metoder til fremstilling af nanopartikler. Struktur af nanopartikler. Nanopartiklers egenskaber.(Eremin V.V.)
24	Foredrag nr. 8. Nanokemi i Olympiade-problemer. 2. Komplekse kombinerede opgaver. (Eremin V.V.)
Afsluttende arbejde. En kort rapport om det afsluttende arbejde, ledsaget af en attest fra uddannelsesinstitutionen, skal sendes til Pædagogisk Universitet senest den 28. februar 2010. (Flere detaljer om det endelige arbejde vil blive offentliggjort efter forelæsning nr. 8.)

V.V.EREMIN,
A.A.DROZDOV

Artiklen blev offentliggjort med støtte fra Mozhe Product Distribution Company. I mere end 50 år har Mozhe Product Distribution produceret præparater til mikroinjektioner i træstammer, gødning til træer og produkter til forebyggelse og behandling af træskadedyr. Dette bidrager til træets modstandsdygtighed over for skader og ugunstige forhold. Besøg virksomhedens officielle hjemmeside http://mauget.ru og find ud af mere.

FOREDRAG nr. 3
Nanoteknologi

Grundforskning og anvendt forskning: sammenhæng mellem nanovidenskab og nanoteknologi

Metoderne til fremstilling af nanopartikler foreslået af fysikere og kemikere (se foredrag nr. 2) kan sammenlignes med laboratoriemetoder til fremstilling af ammoniak eller svovlsyre. Det er klart, at fremstilling udgør større udfordringer for videnskabsmænd og teknologer. Lad os som eksempel tage en trådløs nanoenhed, der udsender lys. Den består af det tyndeste lag af halvleder - galliumnitrid - med en tykkelse på kun 3 nm, dvs. bestående af kun et dusin atomlag. Nanosfærer påføres oven på det - modificerede fullerenmolekyler, som, når de accepterer elektroner, udsender lys. Den indledende kemiske opgave er at få stoffer i en nanostat, men den teknologiske opgave er meget sværere - at danne dem, så der opnås en enhed, og denne enhed virker.

I processen med at udvikle vores ideer om nanoverdenen har begrebet nanoteknologi undergået flere ændringer. Udtrykket "nanoteknologi" blev første gang brugt i 1974 af den japanske ingeniør Norio Taniguchi, der definerede det som "en produktionsteknologi, der gør det muligt at opnå ultrahøj præcision og ultrasmå dimensioner ... i størrelsesordenen 1 nm."

Under indflydelse af den amerikanske videnskabsmand K.E. Drexler blev nanoteknologi introduceret i 1980'erne og 1990'erne. begyndte at blive kaldt skabelsen af ​​forskellige enheder fra individuelle molekyler. Udsigterne for nanoteknologi blev for eksempel beskrevet som autonome miniature-nanorobotter, der blev lanceret ind i den menneskelige krop og, som svævede gennem kredsløbssystemet, fandt syge organer og derefter "reparerede" dem. Samtidig blev nanoteknologi forstået som et videnskabsområde. Definitionen af ​​nanoteknologi givet af A. Franks i 1987 kom dog tættere på sandheden: ”Nanoteknologi er produktion med dimensioner og nøjagtigheder i området 0,1-100 nm."

Mens Drexlers "molekylære maskiner" blev skabt ved hjælp af formler og computersimuleringer, var der faktisk en støt forbedring i traditionelle teknologier, som på grund af øgede præcisionsegenskaber trådte ind på nanoteknologiens område. Dette er tydeligst manifesteret i udviklingen af ​​mikroelektronik: mikrokredsløb produceres allerede med sub-nanometer præcision, hvor de karakteristiske dimensioner af aktive elektroniske elementer er mindre end 100 nm. Mikroelektroniske teknologier tjente også som grundlag for skabelsen af ​​mikroelektromekaniske enheder, hvis krav til fremstillingsnøjagtighed har overskredet tærsklen på 100 nm betydeligt. Derfor er udtrykket "nanoteknologi" i de senere år først og fremmest forbundet med den praktiske anvendelse af nanoworld-objekter.

En klar definition af nanoteknologi blev givet af det statslige selskab Rosnanotech, som finansierer innovative projekter inden for nanoteknologi*:

Nanoteknologi er et sæt metoder og teknikker, der bruges i undersøgelse, design, produktion og brug af strukturer, enheder og systemer, herunder målrettet kontrol og modifikation af formen, størrelsen, integrationen og interaktionen af ​​deres konstituerende nanoskalaelementer (1-100 nm) at opnå genstande med nye kemiske, fysiske, biologiske egenskaber.

Der er flere nøgleudtryk i denne lange definition. For det første bestemmes skalaen af ​​nanoelementer - fra 1 til 100 nm i mindst én dimension. For det andet understreges det, at disse nanoelementer skal give nye egenskaber i sammenligning med objekter, der består af en makrofase af et stof med samme sammensætning. Faktisk indeholder ethvert stof nanostrukturer, men de bestemmer ikke altid stoffets egenskaber. For eksempel overstiger størrelsen af ​​enhedscellerne af fullerenkrystaller 1 nm, og nanometerstore klynger findes i sammensætningen af ​​almindeligt flydende vand; men fullerenpulver og vand er ikke klassificeret som objekter for nanoteknologi.

For det tredje afspejler definitionen tværfaglig karakter nanoteknologi - alle centrale naturvidenskaber, såvel som matematik og informationsteknologi, deltager i udviklingen heraf. Det videnskabelige indhold af nanoteknologi formidles af ordet "undersøgelse". Alle eksisterende teknologier, og "nano" er ingen undtagelse, er baseret på resultaterne af grundlæggende videnskab.

Endelig specificerer definitionen målene for nanoteknologi - design, produktion og brug af nanostrukturer. Hovedordet i definitionen af ​​målet er det sidste, "brug". Hovedmålet med nanoteknologi, som enhver anden teknologi, er produktion af varer og opnåelse af merværdi, derfor er nanoteknologiens tilstand og udvikling bestemt af markedsmekanismer. I forbindelse med nanoteknologi bruges ordet "innovation" ofte, hvilket betyder en videnskabelig opdagelse, der er bragt til praktisk brug. Innovationsvejen omfatter en række faser (diagram).

Ordning

Nanoteknologi dækker i princippet alle led i denne kæde og kombinerer derved de videnskabelige, produktionsmæssige og økonomiske aspekter af aktivitet.

Hvilke resultater inden for nanovidenskab har allerede fundet deres anvendelse eller lover at gøre det i den nærmeste fremtid? Lad os se på nogle få eksempler fra forskellige videnskabsområder.

Mekaniske nanoenheder

Et af de videnskabelige grundlag for nanoteknologi er nanomekanik, studere de mekaniske egenskaber af nanosystemer. For at kontrollere nanoverdenens egenskaber skal man først mestre mekanisk bevægelse og lære at kontrollere individuelle nanopartiklers bevægelser - translationelle eller roterende. Blandt de mest interessante problemer inden for nanomekanik er skabelsen nanomotorer– anordninger, der er i stand til at omdanne termisk, elektrisk eller lys energi til bevægelse. Et andet navn for disse enheder er aktuatorer(fra engelsk handling- handle). Sådanne motorer findes også i naturen; nogle bakterier bruger dem til at bevæge sig. En miniature flagelum er knyttet til bakteriecellen, hvis vibrationer sætter mikroorganismen i gang. "Akslen" af denne motor er et proteinmolekyle, og "brændstoffet" er adenosintrifosfat (ATP).

Den enkleste kunstige nanomotor fungerer under indflydelse af temperaturforskelle. Den består af et langt cylindrisk nanorør, hvorpå der er anbragt et kortere hult nanorør (fig. 1). Begge nanorør er samlet af kulstofatomer. Det andet rør kan bevæge sig i forhold til det første under påvirkning af en temperaturforskel - fra den varmere kant af det første rør til det koldere, og bevægelsens amplitude kan styres med en nøjagtighed på op til diameteren af ​​et atom . Desuden kan en "vægt" fastgøres til et bevægeligt nanorør og derved forvandle denne mekaniske enhed til en nanotransportør. Bevægelse i dette system udføres på grund af vibrationer af atomer i det første (stationære) nanorør.

Her er et eksempel på en kunstig aktuator, der omdanner lysenergi til mekanisk arbejde. Dets virkning er baseret på azobenzens evne til at isomerisere under påvirkning af lys. Når den udsættes for UV-bestråling, omdannes trans-isomeren til cis-formen, og den omvendte reaktion opstår, når den opvarmes eller udsættes for synligt (blåt) lys:

Under isomeriseringen roterer den ene del af molekylet i forhold til den anden, og der udføres mekanisk arbejde, som kan bruges i en nanomotor.

Amerikanske videnskabsmænd har skabt en nanomotor ud fra et lille DNA-molekyle (31 par nukleotider), hvortil flere azobenzenmolekyler er knyttet. Når den er samlet, ligner denne struktur en hårnål (fig. 2, EN). Under UV-bestråling åbner "hårnålen" sig på grund af isomeriseringen af ​​azobenzen (fig. 2, b), og under påvirkning af synligt lys sker den omvendte transformation - "hårnålen" er samlet. Når den er samlet, størrelsen af ​​en sådan nanomotor ( L 1) spænder fra 2 til 5 nm, og i åben ( L 2) – 10-12 nm. Dens effektivitet, dvs. graden af ​​lysenergiomdannelse når 40-50%. Nanomotoren fungerer reversibelt under milde forhold og producerer ikke affald.

For at overvåge reaktionens forløb blev to molekyler knyttet til enderne af nukleotidkæden - det ene (fluorescerende mærke) er i stand til at udsende lys, når det bestråles, og det andet (fluorescensdæmper) forhindrer denne proces. Når de er lukket, er quencheren og mærket tæt på hinanden, så der opstår ingen fluorescens. Når strukturen åbner, bevæger quencheren og mærket sig fra hinanden og interagerer ikke længere med hinanden, hvilket resulterer i fluorescens.

Amerikanske videnskabsmænd har skabt en nano-analog af en rigtig elektrisk motor. Den består af en lille guldplade placeret på en "nanovale" - et kulstof nanorør. Hele dette system er omgivet af elektroder. Når en vekslende elektrisk spænding påføres dem, begynder pladen at rotere - elektromagnetisk energi omdannes til mekanisk arbejde.

Mekanisk bevægelse kan også opnås ved hjælp af kemisk energi. Arbejdet med den katalytiske nanomotor, skabt i 2004, er baseret på dette. Den består af cylindriske stænger, der indeholder segmenter af platin og guld med en længde på 1 mikron og en diameter på 370 nm (fig. 3, se s. 8). Brændstoffet er hydrogenperoxid, som i nærværelse af platin nedbrydes til ilt og vand. Den frigjorte gas skaber overtryk, som sikrer translationel bevægelse af stængerne med en hastighed på op til 20 μm/s.

Forskere har også skabt en molekylær prototype af månens rover - et molekyle, der er i stand til at bevæge sig retlinet på en flad overflade. Det kemiske navn på denne forbindelse er 9,10-dithioanthracen:

Dens molekyle indeholder to svovlatomer, der rager ud fra den cykliske rygrad og fungerer som "ben". De fleste andre molekyler bevæger sig tilfældigt hen over overfladen, dvs. i en vilkårlig retning, og dette molekyle er en undtagelse. To svovlatomer fungerer som ben, skiftevis træder over dem og bevæger molekylet langs substratet langs en lige linje (fig. 4) uden at ændre dets retning. Sådanne "vandrende molekyler" kunne bruges til at skabe nye molekylære datalagringsenheder med ekstrem høj kapacitet. Men de kan også bruges til at transportere stoffer - det lykkedes forskerne at belaste et gående molekyle ved at knytte to CO 2 -molekyler til det.

For nylig er der blevet skabt "selvkørende enheder", der vagt ligner biler i udseende. Et organisk molekyle fungerer som bilens krop, og C 60 fullerener fungerer som hjulene (fig. 5). Bredden af ​​sådan en "nanobil" er lidt større end tykkelsen af ​​et DNA-molekyle. Et tværsnit af et menneskehår kan rumme omkring 20 tusinde nanobiler! Ved hjælp af et scanningsmikroskop har forskere præcist fastslået, at nanobiler ikke går, men snarere ruller langs overfladen på grund af rotationen af ​​fulleren-hjul. Nu sættes de i gang ved at opvarme en guldplade, som spiller rollen som en vej. Det er dog ubelejligt – for opvarmning sætter alle biler i gang på én gang. Forskere arbejder i øjeblikket på at skabe antenner, der gør det muligt for maskiner at modtage lysenergi udefra.

Der er også lavet maskiner med motor, hvis funktionsprincip minder om hjuldampere. Rollen som et roterende hjul, der tjener som en motor, spilles af et carboranmolekyle, der ligner en kugle med klinger. En sådan "blade" motor kan kun rotere i én retning - molekylerne tillader ikke "omvendt bevægelse".

I øjeblikket samles sådanne enheder næsten "i hånden". Til dette formål bruges oftest nålen til et atomkraftmikroskop. Så trin for trin, molekyle for molekyle, skaber videnskabsmænd interessante og nyttige nanostrukturer.

Magnetiske nanomaterialer

En anden vigtig anvendelse af nanopartikler er relateret til fænomenet magnetisme. Lad os huske, hvordan stoffer klassificeres efter deres magnetiske egenskaber.

Partikler, der ikke har uparrede elektroner, danner stoffer, der ikke har deres eget magnetiske moment. De magnetiseres kun under påvirkning af et eksternt magnetfelt. Når et sådant stof indføres i et magnetfelt, i hvert af dets atomer, på grund af loven om elektromagnetisk induktion, opstår der inducerede cirkulære strømme - den cirkulære bevægelse af elektroner omkring magnetfeltets retning. Dette fører til, at der opstår et induceret magnetisk moment i hvert atom, rettet mod det eksterne magnetfelt. Det beskrevne fænomen blev kaldt diamagnetisme, og stoffer, der magnetiseres på denne måde er diamagnetiske materialer. Når det indføres i et magnetfelt, er et diamagnetisk materiale orienteret vinkelret på feltlinjerne, hvilket fører til dets udvisning fra det inhomogene magnetfelt.

Atomer med uparrede elektroner har deres eget magnetiske moment. Stoffer, der indeholder sådanne atomer, magnetiseres under påvirkning af et eksternt magnetfelt og trækkes ind i det. Denne egenskab kaldes paramagnetisme og stoffer – paramagnetisk. De partikler, som paramagneter er bygget af (atomer, molekyler, ioner) har deres eget magnetiske moment, men i mangel af et eksternt felt er de enkelte partiklers momenter orienteret tilfældigt, så deres sum er nul. I et eksternt felt er de magnetiske momenter af atomer af paramagnetiske stoffer ordnet og orienteret overvejende langs feltet. Dette skaber et lille totalt magnetisk moment i stoffet.

I nogle stoffer og materialer, såsom jern, er de magnetiske momenter af individuelle atomer orienteret i samme retning, selv i fravær af et eksternt magnetfelt. Denne egenskab kaldes ferromagnetisme og stoffer – ferromagneter. De tiltrækkes af permanente magneter og har spontan magnetisering. Disse omfatter nogle metaller (jern, kobolt, nikkel, gadolinium), legeringer, intermetalliske forbindelser (Fe 3 Al, Ni 3 Mn) samt oxider (magnetit Fe 3 O 4). Et stofs ferromagnetiske egenskaber forsvinder, når det opvarmes til en bestemt temperatur, kaldet Curie-temperaturen. For jern er det 770 °C, for nikkel – 358 °C. Ved lave temperaturer udviser nogle salte og komplekse forbindelser også ferromagnetisme. De stærkeste permanente magneter opnås ved at sammensmelte jern, neodym og bor. De bruges i elektriske motorer, generatorer og forskellige sensorer.

I de senere år, i stedet for massive magneter fremstillet ved presning eller sintring, er magnetoplaster, som er en blanding af magnetisk pulver og et polymerbindemiddel, ofte brugt. Alle, der bruger offentlig transport, kender de fleksible plastikstrimler på billetten, belagt med et tyndt magnetisk lag af magnetit eller ferrit. Disse bånd er formagnetiseret, hvilket gør dem til en informationsbærer, som læses af validatoren. Magnetiske materialer bruges også til at lagre information i computerhukommelseselementer. Den grundlæggende mekanisme til lagring af information er at magnetisere et lille område af magnetisk materiale kaldet en smule i en bestemt retning. Mængden af ​​lagret information er normalt udtrykt i bytes; en byte giver dig mulighed for at gemme 8 bits information.

Med en informationslagringstæthed på 1 gigabit (dvs. en milliard bits) pr. kvadrattomme (1 tomme = 2,54 cm, 1 tomme 2 = 6,45 cm 2), optager en enkelt bit et areal på 45 nm langt og 1 mikron bredt. For at øge tætheden af ​​informationsregistrering er det nødvendigt at fremstille magnetiske pulvere i nanostørrelse, dvs. bestående af nanopartikler. Hver partikel (domæne) skal være i en af ​​to tilstande (de kaldes "logisk 0" og "logisk 1") og under ekstern påvirkning skifte fra en tilstand til en anden. Individuelle domæner, der interagerer med hinanden, danner en struktur, der fungerer som en vogter af information.

Jo mindre størrelsen af ​​de magnetiske partikler er, jo større informationstæthed kan der opnås. Diske med en optagetæthed på mere end 20 Gbit pr. kvadrattomme er nu blevet oprettet. Dette giver dig mulighed for at gemme omkring 27 GB data på en 3,5-tommers harddisk, hvilket er mere end 25 tusind bøger i lommestørrelse eller 20 film optaget i høj kvalitet. Denne succes blev muliggjort takket være brugen af ​​magnetiske nanokorn af en jern-platin-legering. For at opnå dem blev forbindelser af jern og platin opvarmet i nærværelse af et reduktionsmiddel. For at stabilisere de resulterende nanopartikler blev der brugt et overfladeaktivt middel (overfladeaktivt middel) - oliesyre. Oliesyremolekyler blev adsorberet på overfladen af ​​legeringsnanopartiklerne, hvilket forhindrede dem i at klæbe sammen og danne større aggregater. En opløsning indeholdende nanopartikler blev påført substratet og inddampet. I dette tilfælde blev der dannet en tynd film bestående af individuelle nanopartikler på substratet. Den blev opvarmet for at hærde den. Størrelsen af ​​de legerede nanopartikler, der danner filmen, er kun tre nanometer!

En særlig type magnetiske nanomaterialer er porøse diamagnetiske materialer, i hvis hulrum der er ferromagnetiske nanopartikler. Et eksempel ville være ferritin– et særligt protein, der er ansvarlig for at lagre jern i kroppen. Ferritinmolekylet har form som en kugle med en diameter på 12 nm, sammensat af 24 underenheder - polypeptidfragmenter (fig. 6). Inde i bolden er der et hulrum med en diameter på 8 nm fyldt med nanopartikler af jernoxohydroxid FeOOH. Et ferritinmolekyle rummer mere end 4000 jernatomer i sit hulrum. Ferritin er en universel opbevaring af jern i kroppen. Om nødvendigt, gennem porerne inde i proteinskallen, kommer jernoxohydroxid-nanopartikler på 5 nm ud og kommer ind i blodet. De bruges på syntesen af ​​hæmoglobin. Hvordan ferritin "ved" om behovet for at frigive jern til blodet er endnu ikke fastlagt. Forskere arbejder på at skabe kunstige nanomaterialer, hvor partikler af jernoxohydroxid eller magnetit er en del af en porøs matrix. Vi vil tale om mulighederne for at bruge ferromagnetiske partikler i medicin i næste afsnit.

Ris. 6. Ferritin

Blandt ferromagnetiske nanomaterialer er en særlig plads optaget af ferromagnetiske væsker. Kan væske tiltrækkes af en magnet? Ved første øjekast ser det ikke ud til. Det er trods alt kun nogle metaller og deres forbindelser, der besidder ferromagnetisme, og de er alle faste stoffer ved stuetemperatur. Der findes dog ferromagnetiske væsker. Kun de er ikke individuelle stoffer, men kolloide opløsninger, hvor ferromagnetiske partikler er jævnt fordelt i væskefasen. Normalt anvendes magnetit Fe 3 O 4 nanopartikler eller ferritter. Og for at de ikke skal lægge sig til bunds, er der bundet overfladeaktive molekyler til dem. Størrelsen af ​​kolloide partikler varierer meget - fra fem til titusindvis af nanometer. Vand, ethanol samt ikke-polære opløsningsmidler - kulbrinter og silikoner - bruges som væskefase, når magnetiske væsker dannes. Magnetiske væsker forbliver stabile i flere år. De har ikke kun gode magnetiske egenskaber, men også høj fluiditet.

Magnetiske væsker bliver allerede brugt i teknologien. Med deres hjælp er det muligt at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi. Hvis en ampul med en magnetisk væske er placeret inde i en induktionsspole forbundet til en kondensator, vil væsken blive blandet med hver vibration af ampullen, og dens partikler vil blive placeret langs magnetfeltet. Den energi, der frigives i dette tilfælde, kan være nok til at betjene en lille radio eller lommeur. Det foreslås at skabe enheder baseret på dette princip, der omdanner regndråbernes energi til elektrisk strøm. Og hvis den magnetiske væske føres gennem specielle kanaler gravet i jorden, vil dens partikler blive orienteret under påvirkning af jordens magnetfelt og derefter give denne energi til spolen. Sådan omdannes energien fra Jordens magnetfelt til elektrisk energi. Sådanne systemer er allerede blevet brugt med succes til at levere elektricitet til individuelle landhuse.

For at fremstille en magnetisk væske er det nødvendigt at opnå nano- eller mikropartikler af det magnetiske stof, der danner den. Både fysiske (slibning eller laserfordampning af metal) og kemiske metoder bruges til at opnå dem. I et skolelaboratorium er det muligt at syntetisere en magnetisk væske, som er en kolloid opløsning af magnetit i vand. Sandt nok er magnetitpartikler opnået ved denne metode cirka en mikron i størrelse, dvs. 1000 nm.

Laboratorie erfaring. Forberedelse og egenskaber af magnetisk væske - kolloid opløsning af magnetit Fe3O4 i vand.

Bland 3 ml frisklavet 5 % jern(II)sulfatopløsning og 4 ml 5 % jern(III)sulfatopløsning. Til den resulterende blanding, tilsæt et par dråber natriumoleatopløsning (eller et andet overfladeaktivt middel, såsom en dråbe Fairy detergent), og tilsæt derefter en vandig ammoniakopløsning. Anbring kolben med den resulterende kolloide opløsning på en permanent magnet (det er bedre at tage en ringmagnet fra en højttaler), lad stå i flere timer, og dræn derefter det øverste lag, hold den tykke masse med en magnet. Den resulterende masse er en magnetisk væske. Hæld et tyndt lag magnetisk væske i en flad kop og hold en magnet tæt på den, så de magnetiske linjer kommer lodret ind i den. Væsken ændrer sin form og bliver dækket af "pigge", der minder om pindsvinerygge. Dyp en permanent magnet i væsken. Hvad sker der med ham? Er han ved at drukne? Når du udfører eksperimenter, skal du prøve ikke at ryste den magnetiske væske og ikke efterlade den i nærheden af ​​magneten i lang tid.

Nanoteknologi i medicin

En af de vigtigste opgaver, som menneskeheden har løst gennem næsten hele sin historie, er at forbedre livskvaliteten. Medicin spiller her en afgørende rolle.

I sin bog "Engines of Creation" forudsagde C. E. Drexler, at nanoteknologi ville føre til fundamentale opdagelser og radikale ændringer i medicin. At bemærke, at læger i det tyvende århundrede. hovedsageligt var afhængig af kirurgi og medicin, skriver Drexler: "Fra suturering af sår og amputering af organer flyttede kirurger sig til et højere niveau - de lærte at genoprette hjertefunktionen og fastgøre lemmer igen. Ved hjælp af mikroskoper og præcisionsmikroinstrumenter forbinder de sarte blodkar og nerver. Men selv den dygtigste mikrokirurg kan ikke skære og sy finere vævsstrukturer. Moderne skalpeller og suturmaterialer er for grove til at operere på kapillærer, celler og molekyler... Set fra cellens synspunkt er selv den mest delikate kirurgiske operation, udført med dygtighed og de fineste instrumenter, et slagterværk. Heling er kun mulig gennem cellernes evne til at udskille døde celler, omgruppere og formere sig. Lægemiddelterapi beskæftiger sig i modsætning til kirurgi med de fineste strukturer i celler. Lægemiddelmolekyler er simple molekylære maskiner. De påvirker specifikke molekyler i celler... Lægemiddelmolekylers virkning er dog ikke rettet... Selvom lægemiddelmolekyler påvirker væv på molekylært niveau, er de for primitive til at sanse, planlægge og handle på egen hånd. Molekylære maskiner styret af nanocomputere vil åbne nye muligheder for læger. De er systemer, der kombinerer sensorer, programmer og molekylære værktøjer, der kan undersøge og "reparere" de elementære komponenter i specifikke celler. Med deres fremkomst vil operationen bevæge sig ind i det molekylære felt. Hvis der inden for ti til femten år er et kvalitativt spring i udviklingen af ​​[molekylære] assemblere, så kan vi i 2020 forvente fremkomsten af ​​et helt nyt felt - nanomedicin."

Nu om dage forstås nanomedicin beskedent som "brugen af ​​makromolekyler og nanopartikler til diagnosticering og behandling af sygdomme, samt restaurering af beskadiget væv"**. Det forventes dog, at nanomedicin i fremtiden kan levere omfattende overvågning, kontrol, konstruktion, restaurering, beskyttelse og forbedring af alle menneskelige biologiske systemer på molekylært niveau ved hjælp af tekniske apparater og nanostrukturer i nanoskala.

I det 21. århundrede Nanomedicin vil udstyre lægen med de nyeste tekniske midler. De vil lette og fremskynde behandlingsproceduren og øge dens effektivitet, effektivitet og nøjagtighed betydeligt. Imidlertid vil klinisk praksis forblive af klassisk karakter. Som tidligere vil det bestå af seks traditionelle etaper:

Undersøgelse;

Diagnostik;

Vejrudsigt;

Behandling (terapi);

Evaluering af behandlingseffektivitet;

Forebyggelse.

Til dato har nanomedicin haft størst indflydelse på diagnosticering og behandling af visse sygdomme.

I de seneste årtier er de vigtigste diagnostiske værktøjer blevet magnetisk resonans Og CT-scanning. Nanoteknologi er med til dramatisk at øge følsomhedstærsklen for disse metoder, bringe den til cellulært eller endda subcellulært niveau og som et resultat opdage sygdommen på det tidligste stadie. Ved at indføre magnetiske jernnanopartikler i blodet, som på grund af deres størrelse bevæger sig frit gennem kredsløbs- og lymfesystemet, er det således muligt at påvise områder med nedsat blodgennemstrømning, såsom metastaser, ved hjælp af magnetisk resonans.

Essensen af ​​denne metode er som følger: jernnanopartikler injiceres intravenøst ​​i kroppen, kroppen reagerer på deres tilstedeværelse som et fremmedlegeme, og makrofager (celler i immunsystemet) forsøger at "spise" det. I dette tilfælde er makrofager i det væsentlige mærket med jern. Dernæst cirkulerer makrofager gennem lymfesystemet, kommer ind i blodbanen ind i halsvenen og derfra ind i metastasen (fig. 7), hvor de findes. Ulempen ved metoden er, at den er uspecifik, da makrofager, som et middel til at beskytte kroppen, kan akkumulere ikke kun i metastaser og tumorer, men også i ethvert fokus på inflammation.

Ris. 7. Påvisning af metastase ved hjælp af magnetiske nanopartikler

Andre partikler, f.eks. kvanteprikker, kan ophobes i ondartede tumorer. Når de bestråles, begynder kvanteprikker at lyse - de fluorescerer, takket være hvilke de kan påvises selv i meget lave koncentrationer. Den udbredte brug af kvanteprikker er hæmmet af deres toksicitet, men i de senere år har forskere lært at påføre beskyttende belægninger på dem uden at miste deres fluorescerende egenskaber.

Inden for terapeutik ligger det største løfte for nanomedicin i lægemiddellevering. Dette gælder primært antitumorlægemidler. For nogle typer kræft er der allerede skabt teknologier til levering af traditionelle lægemidler i nanokapsler direkte til tumorceller. Den nye generation af lægemidler, der i øjeblikket udvikles, vil trænge direkte ind i de berørte celler og ødelægge dem.

Forskere fra Sydkorea har foreslået en måde at opdage og ødelægge kræftceller ved hjælp af hule guld nanopartikler. Antistoffer er knyttet til overfladen af ​​nanopartiklerne, som gør det muligt for dem at binde sig til kræftceller. De indeholder også gadolinium, der tjener som kontrastmiddel til magnetisk resonansbilleddannelse og gør det muligt at se de berørte celler. Når nanopartikler bestråles med en infrarød laser, opvarmes de, og varmen ødelægger omkringliggende kræftceller. Sådanne nanostrukturer har ikke ulemperne ved konventionelle jernoxidbaserede kontrastmidler. Jern fører til interferens og negative kontrasteffekter, hvilket fører til fejl i diagnosen. Guld nanopartikeldesignet giver et klarere signal og en mere korrekt diagnose.

Den nye metode kan være effektiv på et tidligt stadie af sygdommen, fordi den i modsætning til kemoterapi, som påvirker hele kroppen, involverer behandling af enkelte områder.

En anden lovende tilgang er baseret på brugen af ​​specialdesignede supramolekylære*** nanopartikler, hvis kerne er dendrimerer– stærkt forgrenede bulkmolekyler indeholdende et stort antal aktive funktionelle grupper på den ydre overflade (fig. 8, se s. 14).

Folinsyremolekyler er knyttet til nogle af disse grupper. Tumorceller binder folinsyre meget tættere end raske celler. Og med andre funktionelle grupper af dendrimeren er molekyler af et antitumorstof forbundet, og når den berørte celle absorberer en dendrimer med folinsyre, tager den også et lægemiddel, der er dødeligt for sig selv. Derudover kan lægemidlet, som i en kapsel, også være placeret i mellemrummet mellem dendrimerkæderne (den såkaldte indre kugle). Når først det er inde i tumoren, ændrer dendrimermolekylet konformationen af ​​kæderne, og lægemidlet frigives. Eksperimenter på mus har vist, at brugen af ​​sådanne supramolekylære lægemidler er meget mere effektiv end traditionel kemoterapi. Kliniske forsøg på mennesker vil snart begynde, og udbredt brug af lægemidlet forventes tidligst om 10 år.

Nanomedicinens resultater er stadig ret beskedne. Store investeringer på dette lovende område vil dog uundgåeligt føre til, at det om få årtier vil være lige så umuligt at forestille sig medicin uden nanoteknologi, som det er nu uden blodprøver eller røntgenapparater.

Nanoteknologisk udvikling

Vi har kun gennemgået resultaterne af en lille del af forskningen inden for nanovidenskab og nanoteknologi. Nogle andre præstationer tæt relateret til nanokemi vil blive diskuteret i efterfølgende forelæsninger. Antallet af værker inden for "nano" stiger markant hvert år. Mange af projekterne har et reelt grundlag, for eksempel en effektiv brintmotor, systemer til påvisning af ondartede tumorer og lagerenheder med ultrahøj optagetæthed. Andre, såsom en rumelevator eller medicinske nanorobotter, er mere fantastiske og vil højst sandsynligt forblive urealiserede. Samfundet sætter dog stadig store forhåbninger til nanoteknologi relateret til skabelsen af ​​nye energikilder, opfyldelse af behovene for rent vand og luft, forbedring af sundheden og øget levetid samt udvikling af informationsteknologi.

Afhængigheden af ​​samfundets reaktion på fremkomsten af ​​nye teknologier til tiden er altid den samme: den hurtige vækst af uberettigede forventninger erstattes af den samme hurtige skuffelse, efterfulgt af en lang periode med stabilisering, systematisk arbejde og evolutionær udvikling (fig. 9). . I øjeblikket er vi tæt på toppen af ​​urimelige forventninger, selvom det ikke er klart på hvilken side - venstre eller højre.

Udsigterne for udviklingen af ​​nanoteknologi vil blive bestemt af mange faktorer, hvis samlede virkning er umulig at forudsige. Men nogle udsagn relateret til fremtiden for nanoteknologi virker ukontroversielle.

1. Mængden af ​​viden inden for nanovidenskab vokser konstant. En lille del af denne viden kan omdannes til teknologi, resten repræsenterer resultater af grundlæggende videnskab.

2. Økonomisk vækst og teknologisk udvikling er primært bestemt af uddannelse som processen med at erhverve og anvende viden på forskellige områder.

3. Nanoteknologi er baseret på naturvidenskab: fysik, kemi, biologi og matematik. Derfor vil udviklingen af ​​nanoteknologi kræve, at samfundet udbreder og understøtter den naturvidenskabelige tankegang. Dette vil påvirke uddannelsessystemet og føre til en reduktion af humaniora, som i det moderne samfund dominerer over naturvidenskaberne.

Vi vil som kemilærere virkelig håbe på en forøgelse af vores videnskabelige disciplins rolle i samfundet generelt og i skolen i særdeleshed. Nanoteknologi lover at hjælpe med dette.

Spørgsmål

1. Forklar forskellen mellem nanovidenskab og nanoteknologi.

2. Hvilke stadier omfatter innovationskæden?

3. Hvad kan tjene som energikilde for nanomotorer?

4. Giv et eksempel på en naturlig nanomotor.

5. Beskriv designet af en nanomotor, der omdanner lysenergi til mekanisk arbejde.

6. Hvad får en nanobil til at bevæge sig hen over en overflade?

7. Vælg blandt nedenstående stoffer: a) diamagnetiske stoffer; b) paramagnetiske materialer; c) ferromagneter.

Ilt, jern, natrium, kulilte (IV), aluminium, jernoxid (II, III).

8. Hvad er ferritin? Hvilken rolle spiller det i kroppen?

9. Definer nanomedicin.

10. Hvad, efter din mening, kunne være fordelen ved nanomedicin frem for traditionel medicin?

11. Tror du på fremtiden for nanoteknologi?

Litteratur

1. Taniguchi N. Om det grundlæggende koncept for nanoteknologi. Proc. ICPE Tokyo, 1974, v. 2, s. 18–23.

2. Drexler K.E.. Molekylær ingeniørvidenskab: En tilgang til udvikling af generelle evner til molekylær manipulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1981, v. 78, nr. 9, s. 5275-5278.

3. Franks A. Nanoteknologi. J. Phys. E: Sci. Instrument., 1987, v. 20, s. 1442-1451.

13. Yong Taik Lim e. en. Paramagnetiske guld nanostrukturer til dobbelt modal bioimaging og fototerapi af kræftceller. Chem. Commun., 2008, s. 4930.

**Definition fra US National Institutes of Health (NIH).

*** Supramolekylær er en sammensat partikel (supermolekyle), der er samlet af individuelle molekyler på grund af svage ikke-kovalente interaktioner.