„nanotechnologia we współczesnym świecie”. „nanotechnologia we współczesnym świecie” Przykład zastosowania nanotechnologii

Miejska placówka oświatowa „Liceum Humanitarno-Pedagogiczne”

Nanotechnologia dla uczniów

Ukończyli: Sagaidachnaya Anastasia, 10 klasa „B”.

Wprowadzenie________________________________________________________________________________3

Historia nanotechnologii__________________________________________________________4

Narzędzia nanotechnologii________________________________________________10

Tajemnice nanoświata______________________________________________________25

Nanotechnologia i medycyna________________________________________________________________36

Nanotechnologie w życiu codziennym i przemyśle__________________________________________42

Dla tych, którzy chcą związać przyszłość z nanotechnologią__________________________________________52

Referencje____________________________________________________________________________56

Wstęp

Samoloty, rakiety, telewizory i komputery zmieniły otaczający nas świat w XX wieku. Naukowcy przekonują, że w nadchodzącym XXI wieku rdzeniem nowej rewolucji technicznej będą materiały, leki, urządzenia, urządzenia komunikacyjne i dostawcze wykonane przy użyciu nanotechnologii.

W tłumaczeniu z języka greckiego słowo „nano” oznacza karła. Jeden nanometr (nm) to jedna miliardowa część metra (10–9 m). Nanometr to bardzo, bardzo mały rozmiar. Nanometr to tyle samo razy mniej niż jeden metr, o ile grubość palca jest mniejsza niż średnica Ziemi. Większość atomów ma średnicę od 0,1 do 0,2 nm, a grubość nici DNA wynosi około 2 nm. Średnica czerwonych krwinek wynosi 7000 nm, a grubość ludzkiego włosa 80 000 nm.

Na naszych oczach fantastyka naukowa staje się rzeczywistością – możliwe staje się przemieszczanie poszczególnych atomów i układanie ich niczym kostki w urządzenia i mechanizmy o niezwykle małych rozmiarach, a przez to niewidocznych dla zwykłego oka. Nanotechnologia, wykorzystująca najnowsze osiągnięcia fizyki, chemii i biologii, to nie tylko ilościowy, ale jakościowy skok od pracy z materią do manipulacji pojedynczymi atomami.

Historia powstania i rozwoju nanotechnologii

Richard Feynman – prorok rewolucji nanotechnologicznej

Pomysł, że możliwe byłoby składanie urządzeń i praca z obiektami w nanoskali, został po raz pierwszy zaproponowany w przemówieniu zdobywcy Nagrody Nobla Richarda Feynmana z Caltech w 1959 r. („Tam na dole jest dużo miejsca!”). Słowo „poniżej” w tytule wykładu oznaczało „świat bardzo małych wymiarów”. Następnie Feynman powiedział, że pewnego dnia, na przykład w 2000 roku, ludzie będą się zastanawiać, dlaczego naukowcy z pierwszej połowy XIX wieku przeskoczyli ten zakres rozmiarów w nanoskali, koncentrując wszystkie swoje wysiłki na badaniu atomu i jądra atomowego. Według Feynmana ludzie żyli bardzo długo, nie zauważając, że obok nich żył cały świat przedmiotów, których nie dało się zobaczyć. Cóż, gdybyśmy nie widzieli tych obiektów, nie moglibyśmy z nimi pracować.

Jednak my sami składamy się z urządzeń, które doskonale nauczyły się pracować z nanoobiektami. To są nasze komórki – cegły, z których składa się nasze ciało. Komórka przez całe życie współpracuje z nanoobiektami, składając cząsteczki złożonych substancji z różnych atomów. Po zebraniu tych cząsteczek komórka umieszcza je w różnych częściach - niektóre trafiają do jądra, inne do cytoplazmy, a jeszcze inne do błony. Wyobraź sobie możliwości, jakie otworzą się przed ludzkością, jeśli opanuje tę samą nanotechnologię, którą posiada już każda ludzka komórka.

Feynman opisuje konsekwencje rewolucji nanotechnologicznej dla komputerów. „Jeśli na przykład średnica drutów łączących wynosi od 10 do 100 atomów, wówczas rozmiar dowolnego obwodu nie przekroczy kilku tysięcy angstremów. Każdy, kto jest związany z technologią komputerową, wie o możliwościach, jakie niesie jej rozwój i komplikacje. Jeśli liczba wykorzystywanych elementów wzrośnie miliony razy, możliwości komputerów znacznie się zwiększą. Nauczą się rozumować, analizować doświadczenia i obliczać własne działania, znajdować nowe metody obliczeniowe itp. Wzrost liczby elementów doprowadzi do ważnych zmian jakościowych w charakterystyce komputera.

Wzywając naukowców do nanoświata, Feynman od razu ostrzega przed czekającymi ich tam przeszkodami, podając przykład produkcji mikrosamochodu o długości zaledwie 1 mm. Ponieważ części zwykłego samochodu wykonuje się z dokładnością 10 -5 m, części mikrosamochodu należy wykonywać z dokładnością 4000 razy większą, tj. 2.5. 10 -9 m. Zatem wymiary części mikrosamochodu muszą odpowiadać wymiarom obliczonym z dokładnością ± 10 warstw atomów.

Nanoświat jest nie tylko pełen przeszkód i problemów. W nanoświecie czekają na nas dobre wieści – wszystkie elementy nanoświata okazują się bardzo trwałe. Dzieje się tak dlatego, że masa nanoobiektów zmniejsza się proporcjonalnie do trzeciej potęgi ich wielkości, a pole przekroju poprzecznego – proporcjonalnie do drugiej potęgi. Oznacza to, że obciążenie mechaniczne każdego elementu obiektu – stosunek ciężaru elementu do jego pola przekroju poprzecznego – zmniejsza się proporcjonalnie do wielkości obiektu. Zatem proporcjonalnie zmniejszona nanotablica ma nanonogi miliard razy grubsze niż jest to konieczne.

F Einman wierzył, że człowiek może z łatwością opanować nanoświat, jeśli stworzy robotyczną maszynę zdolną do wykonania mniejszej, ale działającej kopii samego siebie. Niech na przykład nauczymy się, jak zbudować robota, który bez naszego udziału będzie w stanie stworzyć kopię samego siebie pomniejszoną 4-krotnie. Wtedy ten mały robot będzie mógł wykonać kopię oryginału, zmniejszoną 16 razy itp. Oczywiste jest, że 10. generacja takich robotów stworzy roboty, których wymiary będą miliony razy mniejsze od pierwotnych (patrz rys. 3).

Rysunek 3. Ilustracja koncepcji R. Feynmana, który zaproponował jeden z algorytmów wejścia do nanoświata – roboty autonomicznie wykonują mniejsze kopie samych siebie. Na podstawie „Scientific American”, 2001, wrzesień, s. 25. 84.

Oczywiście w miarę zmniejszania się rozmiarów będziemy stale napotykać bardzo niezwykłe zjawiska fizyczne. Niewielka waga części nanorobota sprawi, że pod wpływem sił oddziaływania międzycząsteczkowego będą się one sklejać ze sobą i np. nakrętka nie będzie oddzielała się od śruby po odkręceniu. Znane nam prawa fizyki nie zabraniają jednak tworzenia obiektów „atom po atomie”. Manipulacja atomami jest w zasadzie całkiem realna i nie narusza żadnych praw natury. Praktyczne trudności w jego realizacji wynikają jedynie z tego, że sami jesteśmy obiektami zbyt dużymi i nieporęcznymi, w efekcie czego trudno nam przeprowadzać tego typu manipulacje.

Aby w jakiś sposób pobudzić tworzenie mikroobiektów, Feynman obiecał zapłacić 1000 dolarów każdemu, kto zbuduje silnik elektryczny o średnicy 1/64 cala (1 cal » 2,5 cm). I bardzo szybko powstał taki mikrosilnik (patrz ryc. 4). Od 1993 roku Nagroda Feynmana przyznawana jest corocznie za wybitne osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii.

Rysunek 4. Na zdjęciu (a) R. Feynman (po prawej) bada pod mikroskopem wykonany mikrosilnik o wielkości 380 mikronów, pokazany na rysunku po prawej stronie. Zdjęcie (b) powyżej przedstawia główkę szpilki.

W swoim wykładzie Feynman mówił także o perspektywach nanochemii. Chemicy stosują obecnie złożone i różnorodne techniki syntezy nowych substancji. Gdy fizycy stworzą urządzenia umożliwiające manipulowanie pojedynczymi atomami, wiele metod tradycyjnej syntezy chemicznej będzie można zastąpić technikami „składania atomów”. Jednocześnie, jak uważał Feynman, fizycy w zasadzie mogą naprawdę nauczyć się syntetyzować dowolną substancję na podstawie zapisanego wzoru chemicznego. Chemicy uporządkują syntezę, a fizycy po prostu „uporządkują” atomy w proponowanej kolejności. Rozwój technik manipulacji na poziomie atomowym rozwiąże wiele problemów chemii i biologii.

Maszyny tworzenia autorstwa E. Drexlera

Nanotechnologia stała się odrębną dziedziną nauki i długoterminowym projektem technicznym po szczegółowej analizie przeprowadzonej przez amerykańskiego naukowca Erica Drexlera na początku lat 80. XX wieku i publikacji jego książki Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology.

Tak zaczyna się jego książka. „WĘGIEL i DIAMENT, piasek i chipy komputerowe, rak i zdrowa tkanka – na przestrzeni dziejów, w zależności od kolejności atomów, pojawiały się tanie lub cenne, chore lub zdrowe. Ułożone w ten sam sposób atomy tworzą glebę, powietrze i wodę; zamówione przez innego, stanowią dojrzałe truskawki. Ułożone w jeden sposób tworzą domy i świeże powietrze; zamówione przez innych, tworzą popiół i dym.

Nasza zdolność do porządkowania atomów leży u podstaw technologii. Zaszliśmy daleko w umiejętnościach porządkowania atomów, od ostrzenia krzemienia na groty strzał po obróbkę aluminium do statków kosmicznych. Jesteśmy dumni z naszej technologii, leków ratujących życie i komputerów stacjonarnych. Jednak nasze statki kosmiczne są nadal prymitywne, nasze komputery wciąż głupie, a cząsteczki w naszych tkankach wciąż stopniowo ulegają nieuporządkowaniu, niszcząc najpierw zdrowie, a potem samo życie. Mimo wszystkich naszych sukcesów w porządkowaniu atomów nadal używamy prymitywnych metod porządkowania. Przy naszej obecnej technologii wciąż jesteśmy zmuszeni manipulować dużymi, słabo kontrolowanymi grupami atomów.

Ale prawa natury dają wiele możliwości postępu, a presja globalnej konkurencji zawsze popycha nas do przodu. Na dobre i na złe, przed nami największy postęp technologiczny w historii.”

Według definicji Drexlera nanotechnologia to „oczekiwana technologia produkcyjna, ukierunkowana na tanie wytwarzanie urządzeń i substancji o określonej strukturze atomowej”. Wielu ekspertów uważa, że ​​w ciągu najbliższych 50 lat wiele urządzeń stanie się tak małych, że tysiąc takich nanomaszyn z łatwością zmieściłoby się w obszarze zajmowanym przez kropkę na końcu tego zdania. Do złożenia nanomaszyn potrzebne są:

(1) naucz się pracować z pojedynczymi atomami - weź je i umieść w odpowiednim miejscu.

(2) opracować asemblery - nanourządzenia mogące pracować z pojedynczymi atomami w sposób wyjaśniony w (1), wykorzystując programy napisane przez człowieka, ale bez jego udziału. Ponieważ każda manipulacja atomem wymaga określonej ilości czasu, a atomów jest dużo, naukowcy szacują, że konieczne jest wyprodukowanie miliardów, a nawet bilionów takich nanoasemblerów, aby proces składania nie zajmował dużo czasu.

(3) opracować replikatory – urządzenia, które byłyby produkowane przez nanoasemblery, ponieważ trzeba będzie ich zrobić bardzo, bardzo dużo.

Miną lata, zanim pojawią się nanoasemblery i replikatory, ale ich pojawienie się wydaje się niemal nieuniknione. Co więcej, każdy krok na tej ścieżce sprawi, że następny będzie bardziej realny. Pierwsze kroki w kierunku stworzenia nanomaszyn zostały już podjęte. Są to „inżynieria genetyczna” i „biotechnologia”.

Maszyny leczące

E. Drexler zaproponował zastosowanie nanomaszyn w leczeniu ludzi. Ciało ludzkie składa się z cząsteczek, a ludzie chorują i starzeją się, ponieważ pojawiają się „niepotrzebne” cząsteczki, a stężenie „potrzebnych” maleje lub zmienia się ich struktura. W rezultacie ludzie cierpią. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wynaleźć nanomaszyny zdolne do porządkowania atomów w „zepsute” cząsteczki lub ponownego ich składania. Nie ulega wątpliwości, że takie nanomaszyny mogą zrewolucjonizować medycynę.

W przyszłości powstaną nanomaszyny (nanoroboty), przystosowane do penetracji żywej komórki, analizy jej stanu i w razie potrzeby „leczenia” jej poprzez zmianę struktury cząsteczek, z których się składa. Te nanomaszyny, przeznaczone do naprawy komórek, będą wielkości porównywalnej do bakterii i będą przemieszczać się przez ludzką tkankę jak leukocyty (białe krwinki) i przedostawać się do komórek jak wirusy (patrz rysunek 6).

Wraz z powstaniem nanomaszyn do naprawy komórek leczenie pacjenta zamieni się w sekwencję następujących operacji. Po pierwsze, pracując cząsteczka po cząsteczce i struktura po strukturze, nanomaszyny będą przywracać (leczyć) komórkę po komórce dowolnej tkanki lub narządu. Następnie, pracując narząd po narządzie w całym ciele, przywrócą zdrowie danej osoby.

Rysunek 6. Schematyczne przedstawienie nanorobota na powierzchni komórki. Można zobaczyć macki nanorobota penetrujące wnętrze komórki.

Fotolitografia – droga do nanoświata: od góry do dołu

Naukowcy i technolodzy od dawna starają się wejść w świat małych rozmiarów, zwłaszcza ci, którzy opracowują nowe urządzenia i urządzenia elektroniczne. Aby urządzenie elektroniczne było inteligentne i niezawodne, musi składać się z ogromnej liczby bloków, co oznacza, że ​​musi zawierać tysiące, a czasem miliony tranzystorów.

Fotolitografia optyczna stosowana jest w produkcji tranzystorów i układów scalonych. Jego istota jest następująca. Na powierzchnię utlenionego krzemu nakłada się warstwę fotomaski (polimerowego materiału światłoczułego), a następnie nakłada się na nią fotomaskę - szklaną płytkę z wzorem elementów układu scalonego (patrz rys. 7).

Rysunek 7. Fotomaska ​​dla układu scalonego zegara elektronicznego.

Przez fotomaskę przechodzi wiązka światła, a tam, gdzie nie ma koloru czarnego, światło uderza w fotomaskę i oświetla ją (patrz rys. 8).

Rysunek 8. Schemat wytwarzania mikroukładów przy użyciu fotolitografii (od lewej do prawej). W pierwszej kolejności wykonywana jest fotomaska, dla której płytkę szklaną pokrytą warstwą chromu i fotomaski naświetla się wiązką lasera, a następnie usuwa się naświetlone części fotomaski wraz z chromem. Szablon umieszcza się w równoległej wiązce światła ultrafioletowego, które jest skupiane przez soczewkę i pada na powierzchnię płytki krzemowej pokrytej cienką warstwą tlenku krzemu i fotorezystu. Późniejsza obróbka cieplna i chemiczna tworzy złożony dwuwymiarowy wzór rowków niezbędnych do montażu obwodów elektronicznych.

Następnie wszystkie obszary fotomaski, które nie zostały poddane działaniu światła, są usuwane, a te, które zostały oświetlone, poddawane są obróbce cieplnej i trawieniu chemicznemu. W ten sposób na powierzchni tlenku krzemu powstaje wzór, a płytka krzemowa jest gotowa, aby stać się główną częścią obwodu elektronicznego. Tranzystor wynaleziono w 1947 r., a następnie jego wymiary wynosiły około 1 cm.Ulepszenia metod fotolitograficznych umożliwiły zwiększenie rozmiaru tranzystora do 100 nm. Podstawą fotolitografii jest jednak optyka geometryczna, co oznacza, że ​​przy zastosowaniu tej metody nie da się narysować dwóch równoległych linii prostych w odległości mniejszej niż długość fali. Dlatego obecnie fotolitograficzna produkcja mikroukładów wykorzystuje światło ultrafioletowe o krótkiej długości fali, ale dalsze zmniejszanie długości fali staje się kosztowne i trudne, chociaż nowoczesne technologie wykorzystują już wiązki elektronów do tworzenia mikroukładów.

Wprowadzenie w świat nanowymiarów, jakim do tej pory podążali producenci chipów, można nazwać drogą „od góry do dołu”. Korzystają z technologii, które sprawdziły się w świecie makro i próbują jedynie zmienić skalę. Ale jest inny sposób - „od dołu do góry”. A co jeśli zmusimy same atomy i cząsteczki do samoorganizacji w uporządkowane grupy i struktury o wielkości kilku nanometrów?Przykładami samoorganizacji cząsteczek tworzących nanostruktury są nanorurki węglowe, kropki kwantowe, nanodruty i dendrymery, o czym będzie więcej szczegóły poniżej.

NARZĘDZIA NANOTECHNOLOGII

Mikroskop z sondą skanującą

Pierwszymi urządzeniami, które umożliwiły obserwację nanoobiektów i ich przemieszczanie, były mikroskopy z sondą skaningową – mikroskop sił atomowych i działający na podobnej zasadzie skaningowy mikroskop tunelowy. Mikroskopię sił atomowych (AFM) opracowali G. Binnig i G. Rohrer, którzy w 1986 roku otrzymali za te badania Nagrodę Nobla. Stworzenie mikroskopu sił atomowych, zdolnego do wyczucia sił przyciągania i odpychania powstających pomiędzy poszczególnymi atomami, umożliwiło w końcu „dotknięcie i zobaczenie” nanoobiektów.

Rysunek 9. Zasada działania mikroskopu z sondą skanującą. Linia przerywana pokazuje ścieżkę wiązki lasera. Pozostałe wyjaśnienia znajdują się w tekście.

Podstawą AFM (patrz ryc. 9) jest sonda, zwykle wykonana z krzemu i reprezentująca cienką płytę wspornikową (nazywa się to wspornikiem, od angielskiego słowa „wspornik” - konsola, belka). Na końcu wspornika (długość  500 μm, szerokość  50 μm, grubość  1 μm) znajduje się bardzo ostry kolec (długość  10 μm, promień krzywizny od 1 do 10 nm), kończący się grupą po jednym lub więcej atomów (patrz ryc. 10).

Rysunek 10. Mikrofotografie elektronowe tej samej sondy wykonane przy małym (górnym) i dużym powiększeniu.

Kiedy mikrosonda porusza się po powierzchni próbki, czubek igły unosi się i opada, zarysowując mikrorzeźbę powierzchni, podobnie jak rysik gramofonowy ślizga się po płycie gramofonowej. Na wystającym końcu wspornika (nad kolcem, patrz rys. 9) znajduje się obszar lustrzany, na który pada i odbija się wiązka lasera. Kiedy kolec opada i wznosi się na nierównościach powierzchni, odbita wiązka ulega odchyleniu, a odchylenie to rejestrowane jest przez fotodetektor, a siła, z jaką kolec jest przyciągany do pobliskich atomów, rejestrowana jest przez czujnik piezoelektryczny.

Dane z fotodetektora i czujnika piezoelektrycznego wykorzystywane są w układzie sprzężenia zwrotnego, który może zapewnić np. stałą wartość siły oddziaływania pomiędzy mikrosondą a powierzchnią próbki. Dzięki temu możliwe jest skonstruowanie w czasie rzeczywistym reliefu wolumetrycznego powierzchni próbki. Rozdzielczość metody AFM wynosi około 0,1-1 nm w poziomie i 0,01 nm w pionie. Obraz bakterii Escherichia coli uzyskany za pomocą mikroskopu z sondą skanującą pokazano na ryc. jedenaście.

Rycina 11. Bakteria Escherichia coli ( Escherichia coli). Obraz uzyskano za pomocą mikroskopu z sondą skanującą. Długość bakterii wynosi 1,9 mikrona, szerokość 1 mikrometr. Grubość wici i rzęsek wynosi odpowiednio 30 nm i 20 nm.

Inna grupa mikroskopów z sondą skanującą wykorzystuje tak zwany „efekt tunelu” mechaniki kwantowej do konstruowania reliefu powierzchni. Istota efektu tunelowego polega na tym, że prąd elektryczny pomiędzy ostrą metalową igłą a powierzchnią znajdującą się w odległości około 1 nm zaczyna zależeć od tej odległości – im mniejsza odległość, tym większy prąd. Jeśli między igłą a powierzchnią zostanie przyłożone napięcie 10 V, wówczas prąd „tunelowy” może wynosić od 10 pA do 10 nA. Mierząc ten prąd i utrzymując go na stałym poziomie, można również utrzymać stałą odległość między igłą a powierzchnią. Pozwala to na zbudowanie profilu wolumetrycznego powierzchni (patrz ryc. 12). W przeciwieństwie do mikroskopu sił atomowych, skaningowy mikroskop tunelowy może badać jedynie powierzchnie metali lub półprzewodników.

Rycina 12. Igła skaningowego mikroskopu tunelowego umieszczona w stałej odległości (patrz strzałki) nad warstwami atomów badanej powierzchni.

Skaningowy mikroskop tunelowy może być również użyty do przeniesienia atomu do punktu wybranego przez operatora. Na przykład, jeśli napięcie między igłą mikroskopu a powierzchnią próbki zostanie nieco wyższe niż konieczne do zbadania tej powierzchni, wówczas najbliższy mu atom próbki zamienia się w jon i „przeskakuje” do igły. Następnie, lekko poruszając igłą i zmieniając napięcie, można zmusić uciekający atom do „wyskoczenia” z powrotem na powierzchnię próbki. W ten sposób można manipulować atomami i tworzyć nanostruktury, tj. struktury na powierzchni o wymiarach rzędu nanometra. Już w 1990 roku pracownicy IBM pokazali, że jest to możliwe, łącząc nazwę swojej firmy z 35 atomów ksenonu na niklowej płytce (patrz ryc. 13).

Rysunek 13. Nazwa firmy IBM złożona z 35 atomów ksenonu na niklowej płytce, wykonana przez pracowników tej firmy przy użyciu mikroskopu z sondą skanującą w 1990 roku.

Za pomocą mikroskopu sondującego można nie tylko przenosić atomy, ale także stwarzać warunki do ich samoorganizacji. Na przykład, jeśli na metalowej płytce znajduje się kropla wody zawierającej jony tiolowe, wówczas sonda mikroskopowa pomoże zorientować te cząsteczki tak, aby ich dwa ogony węglowodorowe były skierowane w stronę przeciwną do płytki. W rezultacie możliwe jest zbudowanie monowarstwy cząsteczek tiolu przylegających do metalowej płytki (patrz rys. 14). Ta metoda tworzenia monowarstwy cząsteczek na powierzchni metalu nazywa się „nanolitografią piórową”.

Rysunek 14. U góry po lewej stronie – wspornik (stalowoszary) mikroskopu z sondą skanującą nad metalową płytką. Po prawej stronie znajduje się powiększony widok obszaru (zaznaczonego na biało na rysunku po lewej) pod końcówką wspornika, który schematycznie pokazuje cząsteczki tiolu z fioletowymi ogonami węglowodorowymi ułożonymi w monowarstwę na końcu sondy.

Pęseta optyczna

Pęsety optyczne (lub laserowe) to urządzenia wykorzystujące skupioną wiązkę lasera do przesuwania mikroskopijnych obiektów lub utrzymywania ich w określonym miejscu. W pobliżu ogniska wiązki lasera światło przyciąga wszystko wokół w kierunku ogniska (patrz rys. 15).

Rysunek 15. Schematyczna ilustracja pęsety optycznej. Wiązka laserowa padająca na soczewkę z góry skupia się wewnątrz kropli. W tym przypadku na każdą cząsteczkę wody działają siły (pomarańczowe strzałki), których wypadkowa (zielona strzałka) jest zawsze skierowana w stronę ogniska.

Siła, z jaką światło działa na otaczające obiekty, jest niewielka, ale wystarczająca, aby wychwycić nanocząstki w ognisku wiązki lasera. Gdy cząstka jest już skupiona, można ją przesuwać wraz z wiązką lasera. Za pomocą pęsety optycznej można przesuwać cząstki o wielkości od 10 nm do 10 μm i składać z nich różne struktury (patrz ryc. 16). Istnieją podstawy, aby wierzyć, że w przyszłości pęseta laserowa stanie się jednym z najpotężniejszych narzędzi nanotechnologii.

Rysunek 16. Różne wzory nanocząstek żelowych złożonych za pomocą pęsety laserowej.

Dlaczego niektóre cząstki, gdy znajdą się w wiązce lasera, kierują się do obszaru, w którym natężenie światła jest maksymalne, tj. w centrum uwagi (patrz rys. 17)? Są ku temu co najmniej DWA powody.

Rysunek 17. Schematyczne przedstawienie wiązki czerwonej zbiegającej się w kierunku ogniska i rozchodzącej się za nim. W miejscu skupienia wiązki widoczna jest szara kulista cząstka.

PrzyczynaI - spolaryzowane cząstki są wciągane w pole elektryczne

Zanim wyjaśnimy tendencję cząstek do skupiania się, należy pamiętać, że wiązka światła jest falą elektromagnetyczną i im większe jest natężenie światła, tym większe jest natężenie pola elektrycznego w przekroju wiązki. Dlatego w ognisku wartość średnia kwadratowa natężenia pola elektrycznego może wzrosnąć wielokrotnie. W ten sposób pole elektryczne skupionej wiązki światła staje się nierównomierne, a jego intensywność wzrasta w miarę zbliżania się do ogniska.

Niech cząstka, którą chcemy uchwycić pęsetą optyczną, będzie wykonana z dielektryka. Wiadomo, że zewnętrzne pole elektryczne działa na cząsteczkę dielektryka, przemieszczając w niej przeciwne ładunki w różnych kierunkach, w wyniku czego cząsteczka ta staje się dipolem, który jest zorientowany wzdłuż linii pola. Zjawisko to nazywa się polaryzacja dielektryk. Kiedy dielektryk jest spolaryzowany, na jego powierzchniach przeciwnych do pola zewnętrznego pojawiają się ładunki elektryczne o przeciwnej i równej wielkości, tzw powiązany.

Rysunek 18. Schematyczne przedstawienie kulistej cząstki znajdującej się w JEDNORODNYM polu elektrycznym o natężeniu mi. Znaki „+” i „-” wskazują powiązane ładunki powstające na powierzchni cząstki podczas jej polaryzacji. Siły elektryczne działające na związane ładunki dodatnie (F +) i ujemne (F -) są takie same.

Niech nasza cząstka dielektryczna będzie zlokalizowana w wiązce światła oddalonej od ogniska. Można wówczas założyć, że znajduje się on w jednolitym polu elektrycznym (patrz rys. 18). Ponieważ natężenie pola elektrycznego po lewej i prawej stronie cząstki jest takie samo, siły elektryczne działające na dodatni ( F+) i ujemne ( F-) powiązane opłaty są również takie same. W rezultacie cząstka znajdująca się w JEDNORODNYM polu elektrycznym pozostaje nieruchoma.

Niech teraz nasza cząstka znajdzie się obok obszaru ogniskowania, gdzie natężenie pola elektrycznego (gęstość linii pola) stopniowo wzrasta (cząstka najbardziej lewa na ryc. 19) podczas przemieszczania się od lewej do prawej. W tym momencie cząstka również będzie spolaryzowana, ale siły elektryczne działające na dodatni ( F+) i ujemne ( F-) powiązane opłaty będą inne, ponieważ Natężenie pola po lewej stronie cząstki jest mniejsze niż po prawej stronie. Dlatego na cząstkę działa siła wypadkowa skierowana w prawo, w stronę obszaru ogniskowego.

Rysunek 19. Schematyczne przedstawienie TRZECH kulistych cząstek znajdujących się w niejednorodnym polu elektrycznym skupionej wiązki światła w pobliżu obszaru ogniskowania. Znaki „+” i „-” oznaczają związane ładunki, które pojawiają się na powierzchni cząstek podczas ich polaryzacji. Siły elektryczne działające na związane ładunki dodatnie (F+) i ujemne (F-) powodują przemieszczanie się cząstek w kierunku obszaru ogniskowego.

Łatwo się domyślić, że na cząstkę skrajnie prawą (patrz rys. 19), znajdującą się po drugiej stronie ogniska, oddziałuje cząstka wypadkowa skierowana w lewo, w stronę obszaru ogniskowania. Zatem wszystkie cząstki złapane w skupioną wiązkę światła będą dążyć do jej skupienia, tak jak wahadło dąży do swojego położenia równowagi.

PrzyczynaII - załamanie światła utrzymuje cząstkę w środku wiązki

Jeżeli średnica cząstki jest znacznie większa niż długość fali światła, wówczas dla takiej cząstki obowiązują prawa optyki geometrycznej, a mianowicie cząstka może załamywać światło, tj. zmienić jego kierunek. Jednocześnie, zgodnie z prawem zachowania pędu, suma impulsów światła (fotonów) i cząstki musi pozostać stała. Innymi słowy, jeśli cząstka załamuje światło na przykład w prawo, to sama musi przesunąć się w lewo.

Należy zaznaczyć, że natężenie światła w wiązce lasera jest największe wzdłuż jej osi i stopniowo maleje wraz z odległością od niej. Jeśli więc cząstka znajduje się na osi wiązki światła, to liczba fotonów, które odchyla w lewo i w prawo, jest taka sama. W rezultacie cząstka pozostaje na osi (patrz ryc. 20). B).

Rysunek 20. Schematyczne przedstawienie sferycznej cząstki znajdującej się w skupionej wiązce światła na lewo od jej osi (a) i na jej osi (b). Intensywność cieniowania czerwonego odpowiada natężeniu światła w danym obszarze wiązki. 1 i 2 - promienie, których załamanie pokazano na rysunku, a grubość odpowiada ich intensywności. F 1 i F 2 to siły działające na cząstkę zgodnie z prawem zachowania pędu podczas załamania odpowiednio promieni 1 i 2. F netto - wynikowe F 1 i F 2.

W przypadku przemieszczenia cząstki w lewo względem osi wiązki światła (patrz rys. 20a) liczba fotonów odchylonych w lewo (patrz wiązka 2 na rys. 20a) przekracza liczbę fotonów odchylonych do po prawej stronie (patrz belka 1 na rys. 20a). Powstaje zatem składowa siły F, skierowana w stronę osi belki, w prawo.

Jest oczywiste, że na cząstkę przesuniętą w prawo od osi wiązki oddziałuje cząstka wypadkowa skierowana w lewo i ponownie w kierunku osi tej wiązki. Zatem wszystkie cząstki, które nie znajdują się na osi wiązki, będą dążyć do jej osi, niczym wahadło do położenia równowagi.

Wyjątki od zasad

Aby pęseta optyczna wykorzystała siły opisane powyżej w „powód I", konieczne jest, aby cząstka została spolaryzowana w zewnętrznym polu elektrycznym, a na jej powierzchni pojawiły się związane ładunki. W takim przypadku związane ładunki muszą wytworzyć pole skierowane w przeciwnym kierunku. Tylko w tym przypadku cząstki będą pędzić w kierunku Jeśli stała dielektryczna ośrodka, w którym pływa cząstka, jest większa od stałej dielektrycznej substancji cząstki, wówczas polaryzacja cząstki ulegnie odwróceniu i cząstka będzie miała tendencję do ucieczki z ogniska Tak zachowują się na przykład pęcherzyki powietrza unoszące się w glicerynie.

Te same ograniczenia dotyczą „powodu II„Jeśli bezwzględny współczynnik załamania światła materiału cząstki jest mniejszy niż współczynnik załamania ośrodka, w którym się znajduje, wówczas cząstka będzie odchylać światło w przeciwnym kierunku i dlatego będzie miała tendencję do oddalania się od osi wiązki Przykładem mogą być te same pęcherzyki powietrza w glicerynie.Dlatego pęseta optyczna działa lepiej, jeśli względny współczynnik załamania światła materiału cząsteczkowego jest wyższy.

Grafen, nanorurki węglowe i fulereny

Nanostruktury można składać nie tylko z pojedynczych atomów czy pojedynczych cząsteczek, ale także z bloków molekularnych. Takimi blokami lub elementami do tworzenia nanostruktur są grafen, nanorurki węglowe i fulereny.

Grafen

Grafen to pojedynczy płaski arkusz składający się z atomów węgla połączonych ze sobą, tworząc siatkę, której każda komórka przypomina plaster miodu (ryc. 21). Odległość pomiędzy najbliższymi atomami węgla w grafenie wynosi około 0,14 nm.

Rysunek 21. Schematyczne przedstawienie grafenu. Lekkie kule to atomy węgla, a pręty między nimi to wiązania utrzymujące atomy w arkuszu grafenu.

Grafit, z którego wykonane są grafity zwykłych ołówków, to stos arkuszy grafenu (ryc. 22). Grafeny w graficie są bardzo słabo związane i mogą się przesuwać obok siebie. Dlatego też, jeśli położysz grafit na papierze, stykający się z nim arkusz grafenu zostanie oddzielony od grafitu i pozostanie na papierze. To wyjaśnia, dlaczego grafit może być używany do pisania.

Rysunek 22. Schematyczne przedstawienie trzech arkuszy grafenu umieszczonych jeden na drugim w graficie.

Nanorurki węglowe

Wiele obiecujących obszarów nanotechnologii jest związanych z nanorurkami węglowymi. Nanorurki węglowe to struktury szkieletowe lub gigantyczne cząsteczki składające się wyłącznie z atomów węgla. Łatwo wyobrazić sobie nanorurkę węglową, jeśli wyobrazisz sobie, że zwijasz jedną z molekularnych warstw grafitu – grafen – w rurkę (ryc. 23).

Rysunek 23. Jeden ze sposobów wyobrażenia sobie budowy nanorurki (po prawej) z molekularnej warstwy grafitu (po lewej).

Sposób składania nanorurek – kąt pomiędzy kierunkiem osi nanorurek względem osi symetrii grafenu (kąt skrętu) – w dużej mierze determinuje jej właściwości. Oczywiście nikt nie wytwarza nanorurek poprzez walcowanie ich z arkusza grafitu. Nanorurki tworzą się np. na powierzchni elektrod węglowych podczas wyładowania łukowego pomiędzy nimi. Podczas wyładowania atomy węgla odparowują z powierzchni i łącząc się ze sobą, tworzą różnego rodzaju nanorurki – jednowarstwowe, wielowarstwowe i o różnym kącie skręcenia (ryc. 24).

Rysunek 24. Po lewej stronie schematyczne przedstawienie jednościennej nanorurki węglowej; po prawej (od góry do dołu) – nanorurki dwuwarstwowe, proste i spiralne.

Średnica jednościennych nanorurek wynosi zazwyczaj około 1 nm, a ich długość jest tysiące razy większa i wynosi około 40 mikronów. Rosną na katodzie prostopadle do płaskiej powierzchni jej końca. Następuje tzw. samoorganizacja nanorurek węglowych z atomów węgla. W zależności od kąta skręcenia nanorurki mogą mieć wysoką przewodność, podobnie jak metale, lub mieć właściwości półprzewodnikowe.

Nanorurki węglowe są mocniejsze od grafitu, chociaż zbudowane są z tych samych atomów węgla, ponieważ w graficie atomy węgla są ułożone w arkusze (rys. 22). A każdy wie, że kartkę papieru zwiniętą w tubę znacznie trudniej zgiąć i rozerwać niż zwykłą kartkę. Dlatego nanorurki węglowe są tak mocne. Nanorurki można wykorzystać jako bardzo mocne mikroskopijne pręty i nici, gdyż moduł Younga jednościennej nanorurki osiąga wartości rzędu 1-5 TPa, czyli o rząd wielkości większe niż stali! Dlatego nić wykonana z nanorurek o grubości ludzkiego włosa może wytrzymać obciążenie setek kilogramów.

Co prawda obecnie maksymalna długość nanorurek wynosi zwykle około stu mikronów – co oczywiście jest za krótkie do codziennego użytku. Jednak długość nanorurek wytwarzanych w laboratorium stopniowo rośnie – obecnie naukowcy zbliżyli się już do milimetra. Można zatem mieć nadzieję, że w niedalekiej przyszłości naukowcy nauczą się hodować nanorurki o długości centymetrów, a nawet metrów!

Fulereny

Atomy węgla odparowane z nagrzanej powierzchni grafitu, łącząc się ze sobą, mogą tworzyć nie tylko nanorurki, ale także inne cząsteczki będące wypukłymi zamkniętymi wielościanami, na przykład w postaci kuli lub elipsoidy. W cząsteczkach tych atomy węgla znajdują się na wierzchołkach regularnych sześciokątów i pięciokątów, które tworzą powierzchnię kuli lub elipsoidy.

Wszystkie te molekularne związki atomów węgla mają nazwy fulereny nazwany na cześć amerykańskiego inżyniera, projektanta i architekta R. Buckminstera Fullera, który do budowy kopuł swoich budynków wykorzystał pięciokąty i sześciokąty (ryc. 25), będące głównymi elementami konstrukcyjnymi szkieletu molekularnego wszystkich fulerenów.

Ryc. 25. Biosfera Fullera (pawilon amerykański pod adresem Wystawa 67, obecnie Muzeum Biosfery w Montreal, Kanada.

Cząsteczki najbardziej symetrycznego i najlepiej zbadanego fulerenu, składającego się z 60 atomów węgla (C 60), tworzą wielościan, składający się z 20 sześciokątów i 12 pięciokątów i przypominający piłkę nożną (ryc. 26). Średnica fulerenu C 60 wynosi około 1 nm.

Rysunek 26. Schematyczne przedstawienie fulerenu C 60.

Za odkrycie fulerenów amerykańskiemu fizykowi R. Smoleyowi, a także angielskim fizykom H. Croto i R. Curlowi w 1996 Został nagrodzony nagroda Nobla. Wizerunek fulerenu C 60 przez wielu uważany jest za symbol nanotechnologii.

Dendrymery

Jednym z elementów nanoświata są dendrymery (polimery drzewiaste) – nanostruktury o wielkości od 1 do 10 nm, powstałe w wyniku połączenia cząsteczek o rozgałęzionej strukturze. Synteza dendrymerów to jedna z nanotechnologii ściśle powiązana z chemią – chemią polimerów. Podobnie jak wszystkie polimery, dendrymery składają się z monomerów, ale cząsteczki tych monomerów mają rozgałęzioną strukturę. Dendrymer upodabnia się do drzewa z kulistą koroną, jeśli podczas wzrostu cząsteczki polimeru rosnące gałęzie nie łączą się ze sobą (podobnie jak nie rosną razem gałęzie jednego drzewa lub korony drzew sąsiednich). Rycina 27 pokazuje, jak można utworzyć takie dendrymery, podobne do struktur kulistych.

Rysunek 27. Zespół dendrymeru z rozgałęzionej cząsteczki Z-X-Z (na górze) i różnych typów dendrymerów (na dole).

Wewnątrz dendrymeru mogą tworzyć się wnęki wypełnione substancją, w obecności której powstały dendrymery. Jeśli dendrymer zostanie zsyntetyzowany w roztworze zawierającym dowolny lek, wówczas dendrymer ten staje się nanokapsułką z tym lekiem. Ponadto wnęki wewnątrz dendrymeru mogą zawierać radioaktywnie znakowane substancje wykorzystywane do diagnozowania różnych chorób.

Naukowcy uważają, że wypełniając wnęki dendrymerów niezbędnymi substancjami, można np. za pomocą mikroskopu z sondą skanującą złożyć obwody nanoelektroniczne z różnych dendrymerów. W tym przypadku dendrymer wypełniony miedzią mógłby służyć jako przewodnik itp.

Oczywiście obiecującym kierunkiem wykorzystania dendrymerów jest możliwość ich wykorzystania jako nanokapsułek dostarczających leki bezpośrednio do komórek, które tych leków potrzebują. Centralna część takich dendrymerów, zawierająca lek, musi być otoczona otoczką uniemożliwiającą wyciek leku, do zewnętrznej powierzchni której konieczne jest przyłączenie cząsteczek (przeciwciał) mogących specyficznie przylegać do powierzchni komórek docelowych . Gdy takie nanokapsułki dendrymeru dotrą i przylgną do chorych komórek, konieczne jest zniszczenie zewnętrznej otoczki dendrymeru, na przykład za pomocą lasera lub spowodowanie samodegradacji tej otoczki.

Dendrymery są jedną z dróg do nanoświata w kierunku „oddolnym”.

Nanodruty

Nanodruty to druty o średnicy rzędu nanometra, wykonane z metalu, półprzewodnika lub dielektryka. Długość nanodrutów często może przekraczać ich średnicę 1000-krotnie lub więcej. Dlatego nanodruty nazywane są często strukturami jednowymiarowymi, a ich wyjątkowo mała średnica (około 100 rozmiarów atomowych) pozwala na manifestację różnych efektów mechaniki kwantowej. To wyjaśnia, dlaczego nanodruty są czasami nazywane „drutami kwantowymi”.

Nanodruty nie istnieją w naturze. W laboratoriach nanodruty najczęściej otrzymuje się metodą epitaksja gdy krystalizacja substancji zachodzi tylko w jednym kierunku. Na przykład nanodrut krzemowy można hodować w sposób pokazany na rysunku (po lewej).

Rysunek 28. Po lewej - produkcja nanodrutu krzemowego (różowego) metodą epitaksji przy użyciu nanocząstki złota w atmosferze SiH4. Po prawej stronie „las” nanodrutów ZnO uzyskanych metodą epitaksji. Na podstawie Yang i in. (Chem. Eur. J., v.8, s.6, 2002)

Nanocząsteczka złota umieszczana jest w atmosferze gazowego silanu (SiH 4), a nanocząstka ta staje się katalizatorem rozkładu silanu na wodór i ciekły krzem. Ciekły krzem stacza się z nanocząstki i krystalizuje pod nią. Jeśli stężenie silanu wokół nanocząstki pozostanie niezmienione, wówczas proces epitaksji będzie kontynuowany, a na jego już zestalonych warstwach krystalizuje coraz więcej nowych warstw ciekłego krzemu. W rezultacie nanodrut krzemowy rośnie, unosząc nanocząsteczkę złota coraz wyżej. W tym przypadku oczywiście wielkość nanocząstki determinuje średnicę nanodrutu. Po prawej stronie na ryc. Rysunek 28 przedstawia las nanodrutów ZnO przygotowanych w podobny sposób.

Unikalne właściwości elektryczne i mechaniczne nanodrutów stwarzają warunki do ich zastosowania w przyszłych urządzeniach nanoelektronicznych i nanoelektromechanicznych, a także elementach nowych materiałów kompozytowych i biosensorach.

TAJEMNICE NANOMORALNOŚCI

Tarcie pod mikroskopem

Na każdym kroku spotykamy się z tarciem, ale bez tarcia nie zrobilibyśmy ani jednego kroku. Nie sposób wyobrazić sobie świata bez sił tarcia. W przypadku braku tarcia wiele krótkoterminowych ruchów trwałoby w nieskończoność. Ziemią wstrząsnęłyby ciągłe trzęsienia ziemi, gdy płyty tektoniczne nieustannie zderzały się ze sobą. Wszystkie lodowce natychmiast stanęłyby z gór, a po powierzchni ziemi uniósłby się pył z zeszłorocznego wiatru. Jak dobrze, że na świecie istnieje jeszcze siła tarcia!

Z drugiej strony tarcie pomiędzy częściami maszyn prowadzi do zużycia i dodatkowych kosztów. Zgrubne szacunki pokazują, że badania w dziedzinie tribologii – nauki o tarciu – mogłyby zaoszczędzić około 2 do 10% krajowego produktu brutto.

Dwa najważniejsze wynalazki człowieka – koło i rozpalenie ognia – kojarzą się z siłą tarcia. Wynalezienie koła umożliwiło znaczne zmniejszenie siły utrudniającej ruch, a wytworzenie ognia oddało w służbę człowieka siłę tarcia. Jednak naukowcom wciąż daleko do pełnego zrozumienia fizycznych podstaw siły tarcia. I wcale nie dlatego, że ludzie już od jakiegoś czasu przestali się interesować tym zjawiskiem.

Pierwsze sformułowanie praw tarcia należy do wielkiego Leonarda (1519), który twierdził, że siła tarcia powstająca przy zetknięciu ciała z powierzchnią innego ciała jest proporcjonalna do siły docisku, skierowanej przeciwnie do kierunku ruchu i nie zależy od obszaru kontaktu. Prawo to zostało odkryte 180 lat później przez G. Amontona, a następnie udoskonalone w pracach C. Coulomba (1781). Amonton i Coulomb wprowadzili pojęcie współczynnika tarcia jako stosunku siły tarcia do obciążenia, nadając mu wartość stałej fizycznej, która całkowicie określa siłę tarcia dla dowolnej pary stykających się materiałów. Do tej pory taka jest formuła

F tr = μ N, (1)

Gdzie F tr – siła tarcia, N jest składową siły docisku normalną do powierzchni styku, a μ jest współczynnikiem tarcia, jest jedynym wzorem, jaki można znaleźć w szkolnych podręcznikach fizyki (patrz rys. 29).

Rysunek 29. W stronę sformułowania klasycznego prawa tarcia.

Przez dwa stulecia nikt nie był w stanie obalić udowodnionego eksperymentalnie prawa (1), a ono nadal brzmi tak samo, jak 200 lat temu:

 siła tarcia jest wprost proporcjonalna do składowej normalnej siły ściskającej powierzchnie ciał ślizgowych i działa zawsze w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu.

 siła tarcia nie zależy od wielkości powierzchni styku.

 siła tarcia nie zależy od prędkości poślizgu.

 siła tarcia statycznego jest zawsze większa niż siła tarcia ślizgowego.

 siły tarcia zależą tylko od ślizgania się dwóch materiałów względem siebie.

Czy klasyczne prawo tarcia zawsze obowiązuje?

Już w XIX wieku stało się jasne, że prawo Amtonona-Coulomba (1) nie zawsze poprawnie opisuje siłę tarcia, a współczynniki tarcia bynajmniej nie są charakterystyką uniwersalną. Przede wszystkim zauważono, że współczynniki tarcia zależą nie tylko od tego, jakie materiały się stykają, ale także od gładkości obróbki stykających się powierzchni. Okazało się np., że współczynniki tarcia w próżni są zawsze większe niż w normalnych warunkach (patrz tabela poniżej).

Komentując te rozbieżności, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki R. Feynman pisał w swoich wykładach: …Tabele zawierające współczynniki tarcia „stal o stal”, „miedź o miedź” i tak dalej, są kompletnym oszustwem, ponieważ pomijają te drobnostki, ale określają wartość μ. Tarcie „miedź o miedź” itp. – to właściwie tarcie „o zanieczyszczenia przylegające do miedzi".

Można oczywiście pójść inną drogą i badając tarcie „miedzi o miedź”, zmierzyć siły występujące podczas ruchu idealnie wypolerowanych i odgazowanych powierzchni w próżni. Ale wtedy dwa takie kawałki miedzi po prostu się skleją, a współczynnik tarcia statycznego zacznie rosnąć wraz z czasem, jaki upływa od początku kontaktu powierzchni. Z tych samych powodów współczynnik tarcia ślizgowego będzie zależał od prędkości (wzrost w miarę jej zmniejszania). Oznacza to, że niemożliwe jest dokładne określenie siły tarcia także dla czystych metali.

Jednak w przypadku suchych powierzchni standardowych klasyczne prawo tarcia jest prawie dokładne, chociaż przyczyna tego typu prawa pozostawała niejasna do niedawna. Przecież nikt nie był w stanie teoretycznie oszacować współczynnika tarcia między dwiema powierzchniami.

W jaki sposób atomy „ocierają się” o siebie?

Trudność w badaniu tarcia polega na tym, że miejsce, w którym zachodzi ten proces, jest ukryte przed badaczem ze wszystkich stron. Mimo to naukowcy już dawno doszli do wniosku, że siła tarcia wynika z faktu, że na poziomie mikroskopowym (czyli patrząc przez mikroskop) stykające się powierzchnie są bardzo chropowate, nawet jeśli zostały wypolerowane. Dlatego nasuwanie się dwóch powierzchni na siebie może przypominać fantastyczny przypadek, gdy odwrócone Kaukaz ociera się np. o Himalaje (ryc. 30).

Rysunek 30. Schematyczne przedstawienie miejsca styku powierzchni ślizgowych z małą (góra) i dużą (dół) siłą ściskającą.

Wcześniej sądzono, że mechanizm tarcia jest prosty: powierzchnia pokryta jest nierównościami, a tarcie powstaje w wyniku kolejnych cykli „wznoszenia się i opadania” części ślizgowych. Jest to jednak błędne, ponieważ wtedy nie byłoby strat energii, ale tarcie zużywa energię.

Poniższy model tarcia można uznać za bliższy rzeczywistości. Gdy powierzchnie trące się przesuwają, ich mikronieregularności stykają się, a w punktach styku przeciwstawne sobie atomy przyciągają się do siebie, jakby „zablokowały się”. W miarę dalszego względnego ruchu ciał sprzęgła te pękają i powstają wibracje atomowe, podobne do tych, które występują po zwolnieniu naciągniętej sprężyny. Z biegiem czasu wibracje te zanikają, a ich energia zamienia się w ciepło, rozprzestrzeniając się po obu ciałach. W przypadku ślizgania się ciał miękkich możliwe jest również niszczenie mikronieregularności, tzw. „orka”, w tym przypadku energia mechaniczna jest zużywana na niszczenie wiązań międzycząsteczkowych lub międzyatomowych.

Jeśli więc chcemy badać tarcie, musimy umieć przesunąć ziarnko piasku składające się z kilku atomów po powierzchni w bardzo małej odległości od niej, mierząc jednocześnie siły działające na to ziarnko piasku od powierzchni. Stało się to możliwe dopiero po wynalezieniu mikroskopii sił atomowych. Stworzenie mikroskopu sił atomowych (AFM), zdolnego do wyczucia sił przyciągania i odpychania powstających pomiędzy poszczególnymi atomami, pozwoliło w końcu „poczuć”, czym są siły tarcia, otwierając nową dziedzinę nauki o tarciu - nanotribologia.

Od początku lat 90-tych XX wieku za pomocą AFM prowadzono systematyczne badania siły tarcia mikrosond podczas ich ślizgania się po różnych powierzchniach i zależności tych sił od siły docisku. Okazało się, że dla powszechnie stosowanych sond wykonanych z krzemu mikroskopijna siła tarcia ślizgowego wynosi około 60-80% siły docisku, czyli nie więcej niż 10 nN (patrz rys. 31, góra). Jak można się spodziewać, siła tarcia ślizgowego rośnie wraz z rozmiarem mikrosondy, ponieważ wzrasta liczba atomów, które ją jednocześnie przyciągają (patrz rys. 31, na dole).

Rysunek 31. Zależność siły tarcia ślizgowego mikrosondy od siły zewnętrznej, N dociskając go do grafitowej powierzchni. Góra – promień krzywizny sondy, 17 nm; dół – promień krzywizny sondy, 58 nm. Widać, że dla małych N zależność jest krzywoliniowa i przy dużych wartościach zbliża się do linii prostej oznaczonej linią przerywaną. Dane zaczerpnięte z Holschera i Schwartza (2002).

Zatem siła tarcia ślizgowego mikrosondy zależy od obszaru jej kontaktu z powierzchnią, co jest sprzeczne z klasycznym prawem tarcia. Okazało się również, że siła tarcia ślizgowego nie staje się zerowa w przypadku braku siły dociskającej mikrosondę do powierzchni. Tak, jest to zrozumiałe, ponieważ atomy powierzchniowe otaczające mikrosondę znajdują się tak blisko niej, że przyciągają ją nawet przy braku zewnętrznej siły ściskającej. Dlatego też główne założenie prawa klasycznego – o bezpośredniej proporcjonalnej zależności siły tarcia od siły ściskającej – również nie jest przestrzegane w nanotribologii.

Jednak wszystkie te rozbieżności pomiędzy prawem klasycznym (1) a danymi nanotrybologicznymi uzyskanymi za pomocą AFM można łatwo wyeliminować. Wraz ze wzrostem siły dociskającej korpus ślizgowy zwiększa się liczba mikrostyków, co oznacza, że ​​wzrasta całkowita siła tarcia ślizgowego. Nie ma zatem sprzeczności między właśnie uzyskanymi danymi naukowców a starym prawem.

Przez długi czas panowało powszechne przekonanie, że zmuszając jedno ciało do ślizgania się po drugim, rozbijamy drobne niejednorodności jednego ciała, które przyczepiają się do niejednorodności powierzchni drugiego, a aby przełamać te niejednorodności, stosuje się siłę tarcia jest potrzebne. Dlatego stare pomysły często kojarzą występowanie siły tarcia z uszkodzeniem mikrowystępów powierzchni trących, ich tzw. zużyciem. Badania nanotribologiczne z wykorzystaniem AFM i innych nowoczesnych technik wykazały, że siły tarcia pomiędzy powierzchniami mogą występować nawet w przypadku, gdy nie są one uszkodzone. Przyczyną tej siły tarcia jest stale powstające i zrywające wiązania pomiędzy trącymi się atomami.

Dlaczego nanocząstki topią się w niskich temperaturach?

Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek zmieniają się nie tylko jego właściwości mechaniczne, ale także właściwości termodynamiczne. Na przykład jego temperatura topnienia staje się znacznie niższa niż w przypadku próbek o normalnej wielkości. Rysunek 35 pokazuje, jak zmienia się temperatura topnienia nanocząstek aluminium w miarę zmniejszania się ich rozmiaru. Można zauważyć, że temperatura topnienia cząstki o wielkości 4 nm jest o 140 o C niższa niż próbki aluminium o normalnej wielkości.

Rysunek 35. Zależność temperatury topnienia nanocząstek aluminium T m od ich promienia R w angstremach (Å) 1 Å=0,1 nm.

Zależności podobne do pokazanych na rys. Dla wielu metali uzyskano 35. Zatem po zmniejszeniu średnicy nanocząstek cyny do 8 nm temperatura ich topnienia spada o 100°C (z 230°C do 130°C). Jednocześnie największy spadek temperatury topnienia (o ponad 500°C) stwierdzono w przypadku nanocząstek złota.

Nanocząstki mają prawie wszystkie atomy na powierzchni!

Powodem obniżenia temperatury topnienia nanocząstek jest to, że atomy na powierzchni wszystkich kryształów znajdują się w specjalnych warunkach, a udział takich atomów „powierzchniowych” w nanocząstkach staje się bardzo duży. Oszacujmy tę frakcję „powierzchniową” dla aluminium.

Łatwo obliczyć, że 1 cm 3 aluminium zawiera około 6. 10 22 atomy. Dla uproszczenia założymy, że atomy znajdują się w węzłach sześciennej sieci krystalicznej, wówczas odległość między sąsiednimi atomami w tej sieci będzie wynosić około 4. 10 -8 cm Oznacza to, że gęstość atomów na powierzchni wyniesie 6. 10 14 cm -2 .

Weźmy teraz sześcian aluminium o krawędzi 1 cm, w którym liczba atomów na powierzchni będzie równa 36. 10 14, a liczba atomów w środku wynosi 6. 10 22. Zatem ułamek atomów powierzchniowych w takim aluminiowym sześcianie o „regularnych” rozmiarach wynosi tylko 6. 10 -8.

Jeśli te same obliczenia wykonamy dla sześcianu aluminiowego o wielkości 5 nm, okaże się, że 12% wszystkich jego atomów znajduje się już na powierzchni takiej „nanokostki”. Cóż, na powierzchni sześcianu o wielkości 1 nm, ogólnie rzecz biorąc, znajduje się ponad połowa wszystkich atomów! Zależność frakcji „powierzchniowej” od liczby atomów pokazano na rysunku 36.

Rysunek 36. Zależność udziału „powierzchniowego” atomów (oś rzędnych) od pierwiastka sześciennego ich liczby N w sześcianie materii krystalicznej.

Na powierzchni kryształu nie ma porządku

Od początku lat 60. ubiegłego wieku naukowcy uważali, że atomy znajdujące się na powierzchni kryształów znajdują się w specjalnych warunkach. Siły, które zmuszają je do przebywania w węzłach sieci krystalicznej, działają na nie tylko od dołu. Dlatego atomom (lub cząsteczkom) powierzchniowym łatwo jest „ominąć rady i objąć” cząsteczki znajdujące się w siatce, a jeśli tak się stanie, to kilka powierzchniowych warstw atomów jednocześnie podejmie tę samą decyzję. W rezultacie na powierzchni wszystkich kryształów tworzy się płynny film. Nawiasem mówiąc, kryształki lodu nie są wyjątkiem. Dlatego lód jest śliski (patrz ryc. 37).

Rysunek 37. Schematyczne przedstawienie przekroju lodu. Losowe rozmieszczenie cząsteczek wody na powierzchni odpowiada warstwie cieczy, a sześciokątna struktura w grubości odpowiada lodzie. Czerwone kółka to atomy tlenu; biały - atomy wodoru (z książki K.Yu. Bogdanowa „O fizyce jaj… i nie tylko”, Moskwa, 2008).

Grubość warstwy cieczy na powierzchni kryształu wzrasta wraz z temperaturą, ponieważ wyższa energia cieplna cząsteczek wyrywa więcej warstw powierzchniowych z sieci krystalicznej. Teoretyczne szacunki i eksperymenty pokazują, że gdy tylko grubość warstwy cieczy na powierzchni kryształu zacznie przekraczać 1/10 wielkości kryształu, cała sieć krystaliczna ulega zniszczeniu, a cząstka staje się płynna. Dlatego temperatura topnienia cząstek stopniowo maleje wraz ze zmniejszaniem się ich wielkości (patrz rys. 35).

Oczywiście przy każdej nanoprodukcji należy wziąć pod uwagę „topliwość” nanocząstek. Wiadomo na przykład, że wymiary nowoczesnych elementów mikroukładów elektronicznych mieszczą się w zakresie nanoskali. Dlatego obniżenie temperatury topnienia nanoobiektów krystalicznych nakłada pewne ograniczenia na warunki temperaturowe pracy współczesnych i przyszłych mikroukładów.

Dlaczego kolor nanocząstek może zależeć od ich wielkości?

W nanoświecie zmienia się wiele mechanicznych, termodynamicznych i elektrycznych właściwości materii. Ich właściwości optyczne nie są wyjątkiem. Zmieniają się także w nanoświecie.

Otaczają nas przedmioty normalnych rozmiarów i jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że kolor przedmiotu zależy wyłącznie od właściwości substancji, z której jest wykonany lub barwnika, jakim jest pomalowany. W nanoświecie pomysł ten okazuje się niesprawiedliwy i to właśnie odróżnia nanooptykę od optyki konwencjonalnej.

Około 20-30 lat temu „nanooptyka” w ogóle nie istniała. A jak mogłaby istnieć nanooptyka, skoro z przebiegu optyki konwencjonalnej wynika, że ​​światło nie może „wyczuć” nanoobiektów, bo ich rozmiary są znacznie mniejsze niż długość fali światła λ = 400 – 800 nm. Zgodnie z falową teorią światła nanoobiekty nie powinny mieć cieni, a światło nie może się od nich odbijać. Niemożliwe jest także skupienie światła widzialnego na obszarze odpowiadającym nanoobiektowi. Oznacza to, że nie da się zobaczyć nanocząstek.

Jednak z drugiej strony fala świetlna musi nadal oddziaływać na nanoobiekty, jak każde pole elektromagnetyczne. Na przykład światło padające na nanocząstkę półprzewodnika może za pomocą swojego pola elektrycznego oderwać jeden z elektronów walencyjnych z jej atomu. Elektron ten na jakiś czas stanie się elektronem przewodzącym, a następnie ponownie „powróci do domu”, emitując kwant światła odpowiadający szerokości „zakazanego pasma” – minimalnej energii potrzebnej do uwolnienia elektronu walencyjnego (patrz ryc. 40).

Zatem nawet półprzewodniki o wielkości nano powinny wyczuwać padające na nie światło, emitując jednocześnie światło o niższej częstotliwości. Inaczej mówiąc, nanocząstki półprzewodnikowe pod wpływem światła mogą stać się fluorescencyjne, emitując światło o ściśle określonej częstotliwości odpowiadającej szerokości „przerwy energetycznej”.

Rysunek 40. Schematyczne przedstawienie poziomów energii i pasm energii elektronu w półprzewodniku. Pod wpływem światła niebieskiego elektron (białe kółko) oddziela się od atomu i przemieszcza się do pasma przewodnictwa. Po pewnym czasie schodzi na najniższy poziom energetyczny tej strefy i emitując kwant światła czerwonego, wraca do pasma walencyjnego.

Świeć zgodnie z rozmiarem!

Choć zdolność fluorescencyjną nanocząstek półprzewodnikowych znano już pod koniec XIX wieku, zjawisko to zostało szczegółowo opisane dopiero pod koniec ubiegłego wieku. A co najciekawsze, okazało się, że częstotliwość światła emitowanego przez te cząstki maleje wraz ze wzrostem wielkości tych cząstek (ryc. 41).

Rycina 41. Fluorescencja zawiesin cząstek koloidalnych CdTe różne rozmiary (od 2 do 5 nm, od lewej do prawej). Wszystkie kolby są oświetlone od góry niebieskim światłem o tej samej długości fali. Zaczerpnięto z H. Wellera (Instytut Chemii Fizycznej Uniwersytetu w Hamburgu).

Jak pokazano na ryc. 41, kolor zawiesiny (zawiesiny) nanocząstek zależy od ich średnicy. Zależność barwy fluorescencji, tj. jego częstotliwość ν od wielkości nanocząstki oznacza, że ​​szerokość „pasma przerwy” Δ zależy również od wielkości cząstki mi. Patrząc na rysunki 40 i 41, można argumentować, że wraz ze wzrostem rozmiarów nanocząstek szerokość „przerwy”, Δ mi powinien się zmniejszyć, ponieważ ΔE = H w. Zależność tę można wyjaśnić w następujący sposób.

Łatwiej jest się wyrwać, jeśli wokół jest dużo sąsiadów

Minimalna energia potrzebna do usunięcia elektronu walencyjnego i przeniesienia go do pasma przewodnictwa zależy nie tylko od ładunku jądra atomowego i położenia elektronu w atomie. Im więcej jest atomów, tym łatwiej jest wyrwać elektron, ponieważ jądra sąsiednich atomów również przyciągają go do siebie. Ten sam wniosek dotyczy również jonizacji atomów (patrz ryc. 42).

Rysunek 42. Zależność średniej liczby najbliższych sąsiadów w sieci krystalicznej (rzędna) od średnicy cząstki platyny w angstremach (odciętych). 1 Å=0,1 nm. Na podstawie Frenkla i in. (J. Phys. Chem., B, w. 105:12689, 2001).

Na ryc. 42. pokazuje, jak zmienia się średnia liczba najbliższych sąsiadów atomu platyny wraz ze wzrostem średnicy cząstki. Gdy liczba atomów w cząstce jest mała, znaczna ich część znajduje się na powierzchni, co oznacza, że ​​średnia liczba najbliższych sąsiadów jest znacznie mniejsza niż odpowiadająca sieci krystalicznej platyny (11). Wraz ze wzrostem wielkości cząstek średnia liczba najbliższych sąsiadów zbliża się do granicy odpowiadającej danej sieci krystalicznej. Z ryc. 42 wynika, że ​​trudniej jest zjonizować (usunąć elektron) atom, jeśli znajduje się on w małej cząstce, ponieważ średnio taki atom ma niewielu najbliższych sąsiadów.

Rysunek 43. Zależność potencjału jonizacyjnego (funkcji pracy w eV) od liczby atomów N w nanocząstce żelaza. Zaczerpnięto z wykładu E. Rodunera (Stuttgart, 2004).

Na ryc. Rysunek 43 pokazuje, jak zmienia się potencjał jonizacji (funkcja pracy w eV) dla nanocząstek zawierających różną liczbę atomów żelaza N. Widać to wraz ze wzrostem N funkcja pracy maleje, zmierzając do wartości granicznej odpowiadającej funkcji pracy dla próbek o normalnych rozmiarach. Okazało się, że zmiana A wyjście ze średnicą cząstek D można dość dobrze opisać wzorem:

A na zewnątrz = A wyjście0 + 2 Z mi 2 / D , (6)

Gdzie A wyjście0 - funkcja pracy dla próbek o normalnych rozmiarach, Z jest ładunkiem jądra atomowego, oraz mi– ładunek elektronowy.

Oczywiste jest, że szerokość „strefy zabronionej” Δ mi zależy od wielkości cząstki półprzewodnika w taki sam sposób, jak funkcja pracy cząstek metalu (patrz wzór 6) - maleje wraz ze wzrostem średnicy cząstki. Dlatego długość fali fluorescencji nanocząstek półprzewodnikowych wzrasta wraz ze wzrostem średnicy cząsteczki, jak pokazano na rysunku 41.

Kropki kwantowe to atomy stworzone przez człowieka

Nanocząstki półprzewodnikowe są często nazywane „kropkami kwantowymi”. Swoimi właściwościami przypominają atomy – „sztuczne atomy” o nanorozmiarach. Przecież elektrony w atomach, przemieszczając się z jednej orbity na drugą, również emitują kwant światła o ściśle określonej częstotliwości. Jednak w przeciwieństwie do prawdziwych atomów, których wewnętrznej struktury i widma emisji nie możemy zmienić, parametry kropek kwantowych zależą od ich twórców, nanotechnologów.

Kropki kwantowe są już użytecznym narzędziem dla biologów próbujących dostrzec różne struktury wewnątrz żywych komórek. Faktem jest, że różne struktury komórkowe są równie przezroczyste i niebarwione. Dlatego jeśli spojrzysz na komórkę przez mikroskop, nie zobaczysz nic poza jej krawędziami. Aby uwidocznić określone struktury komórkowe, stworzono kropki kwantowe, które mogą przylegać do określonych struktur wewnątrzkomórkowych (ryc. 44).

Aby pokolorować komórkę na ryc. 44 w różnych kolorach, kropki kwantowe wykonano w trzech rozmiarach. Najmniejsze, świecące na zielono, zostały przyklejone do cząsteczek zdolnych do przyklejenia się do mikrotubul tworzących wewnętrzny szkielet komórki. Średniej wielkości kropki kwantowe mogłyby przyklejać się do membran aparatu Golgiego, a największe do jądra komórkowego. Gdy komórkę zanurzono w roztworze zawierającym wszystkie te kropki kwantowe i trzymano w nim przez jakiś czas, przedostały się one do środka i przykleiły tam, gdzie się dało. Następnie komórkę przepłukano roztworem niezawierającym kropek kwantowych i umieszczono pod mikroskopem. Jak można było się spodziewać, wspomniane struktury komórkowe stały się wielokolorowe i wyraźnie widoczne (ryc. 44).

Rysunek 44. Kolorowanie różnych struktur wewnątrzkomórkowych na różne kolory za pomocą kropek kwantowych. Czerwony – rdzeń; zielony – mikrotubule; żółty – aparat Golgiego.

Nanotechnologia w walce z nowotworami

W 13% przypadków ludzie umierają na raka. Choroba ta zabija co roku około 8 milionów ludzi na całym świecie. Wiele rodzajów nowotworów nadal uważa się za nieuleczalne. Badania naukowe pokazują, że nanotechnologia może być potężnym narzędziem w walce z tą chorobą.

Nanotechnologia i medycyna

Nanocząsteczki złota to bomby cieplne dla komórek nowotworowych

Sferyczna nanocząstka krzemu o średnicy około 100 nm pokryta jest warstwą złota o grubości 10 nm. Taka nanocząstka złota ma zdolność pochłaniania promieniowania podczerwonego o długości fali 820 nm, jednocześnie podgrzewając otaczającą ją cienką warstwę cieczy o kilkadziesiąt stopni.

Promieniowanie o długości fali 820 nm praktycznie nie jest pochłaniane przez tkanki naszego organizmu. Dlatego jeśli wytworzysz nanocząsteczki złota, które przyklejają się tylko do komórek nowotworowych, to przepuszczając promieniowanie o tej długości fali przez ludzkie ciało, możesz ogrzać i zniszczyć te komórki bez uszkadzania zdrowych komórek w organizmie.

Naukowcy odkryli, że błona normalnych komórek różni się od błon komórek nowotworowych i zaproponowali nałożenie na powierzchnię nanocząstek złota cząsteczek ułatwiających ich adhezję do komórek nowotworowych. Takie nanocząstki posiadające zdolność przylegania do komórek nowotworowych zostały wyprodukowane w przypadku kilku typów nowotworów.

W doświadczeniach na myszach udowodniono skuteczność nanocząstek złota w niszczeniu komórek nowotworowych. Najpierw wywołano u myszy raka, następnie wstrzyknięto im odpowiednie nanocząsteczki, a następnie poddano działaniu promieniowania o określonej długości fali. Okazało się, że po kilku minutach takiego naświetlania większość komórek nowotworowych obumarła w wyniku przegrzania, natomiast komórki prawidłowe pozostały nieuszkodzone. Naukowcy wiążą duże nadzieje z tą metodą walki z nowotworem.

Dendrymery – kapsułki z trucizną dla komórek nowotworowych

Komórki nowotworowe potrzebują dużych ilości kwasu foliowego do podziału i wzrostu. Dlatego cząsteczki kwasu foliowego bardzo dobrze przylegają do powierzchni komórek nowotworowych, a jeśli zewnętrzna otoczka dendrymerów zawiera cząsteczki kwasu foliowego, to takie dendrymery będą selektywnie przylegać tylko do komórek nowotworowych. Za pomocą takich dendrymerów można uwidocznić komórki nowotworowe, jeśli do otoczki dendrymerów przyłączą się inne cząsteczki, świecące na przykład w świetle ultrafioletowym. Przyłączając lek zabijający komórki nowotworowe do zewnętrznej powłoki dendrymeru, można je nie tylko wykryć, ale także zabić (ryc. 45).

Rycina 45. Dendrymer z cząsteczkami kwasu foliowego (fioletowy) przyczepionymi do zewnętrznej powłoki przykleja się wyłącznie do komórek nowotworowych. Świecące cząsteczki fluoresceiny (kolor zielony) umożliwiają wykrycie tych komórek, cząsteczki metotreksatu (kolor czerwony) zabijają komórki nowotworowe. Dzięki temu możliwe jest selektywne zabijanie wyłącznie komórek nowotworowych.

Nanocząsteczki srebra są trucizną dla bakterii

Właściwości fizyczne wielu substancji zależą od wielkości próbki. Nanocząstki substancji często mają właściwości, których na ogół nie można znaleźć w próbkach tych substancji o normalnej wielkości.

Wiadomo, że złoto i srebro nie biorą udziału w większości reakcji chemicznych. Jednak nanocząstki srebra czy złota nie tylko stają się bardzo dobrymi katalizatorami reakcji chemicznych (przyspieszają ich zachodzenie), ale także bezpośrednio uczestniczą w reakcjach chemicznych. Przykładowo zwykłe próbki srebra nie reagują z kwasem solnym, natomiast nanocząsteczki srebra reagują z kwasem solnym i reakcja ta przebiega według schematu: 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H 2 .

Wysoka reaktywność nanocząstek srebra tłumaczy fakt, że mają one silne działanie bakteriobójcze – zabijają niektóre rodzaje bakterii chorobotwórczych. Jony srebra uniemożliwiają zajście wielu reakcji chemicznych wewnątrz bakterii, dlatego w obecności nanocząstek srebra wiele bakterii nie rozmnaża się. Najbardziej wrażliwe na działanie nanocząstek srebra są tzw. bakterie Gram-ujemne, których nie można wybarwić metodą Grama (Escherichia coli, Salmonella itp.) (ryc. 47).

Rycina 47. Wpływ różnych stężeń nanocząstek srebra o wielkości 10-15 nm na proliferację bakterii Escherichia coli ( Escherichia coli) – (A) i salmonelli ( Tyfus Salmonella) – (B). Od lewej do prawej oba panele przedstawiają zdjęcia szalek Petriego ze stężeniami nanocząstek srebra 0, 5, 10, 25 i 35 μg/ml. Bakterie sprawiają, że pożywka na płytkach staje się żółtawa (patrz trzy płytki znajdujące się skrajnie po lewej stronie). W przypadku braku bakterii szalki Petriego mają kolor ciemnobrązowy ze względu na obecność nanocząstek srebra. Na podstawie Shrivastavy i in. (Nanotechnologia, 18:225103, 2007).

Aby wykorzystać bakteriobójcze właściwości nanocząstek srebra, zaczęto je dodawać do tradycyjnych materiałów, takich jak tkaniny pościelowe. Stwierdzono, że skarpetki wykonane z tkanin zawierających nanocząsteczki srebra zapobiegają infekcjom grzybiczym stóp.

Warstwa nanocząstek srebra zaczęła pokrywać sztućce, klamki, a nawet klawiatury i myszy komputerowe, które okazały się pożywką dla bakterii chorobotwórczych. Nanocząsteczki srebra znalazły zastosowanie do tworzenia nowych powłok, środków dezynfekcyjnych i detergentów (m.in. past do zębów, past czyszczących i proszków do prania)

Bakterie i czerwone krwinki transportują nanokapsułki z lekami

Choroba ludzka z reguły wiąże się z chorobą nie wszystkich, ale często niewielkiej części jej komórek. Ale kiedy bierzemy pigułki, lek rozpuszcza się we krwi, a następnie poprzez krwiobieg wpływa na wszystkie komórki – chore i zdrowe. Jednocześnie w zdrowych komórkach niepotrzebne leki mogą powodować tzw. skutki uboczne, na przykład reakcje alergiczne. Dlatego też wieloletnim marzeniem lekarzy było selektywne leczenie wyłącznie chorych komórek, w ramach którego lek dostarczany był celowo i w bardzo małych porcjach. Rozwiązaniem tego problemu medycznego mogłyby być nanokapsułki zawierające lek, który może przyklejać się tylko do określonych komórek.

Główną przeszkodą uniemożliwiającą wykorzystanie nanokapsułek z lekami do celowanego dostarczania do chorych komórek jest nasz układ odpornościowy. Gdy tylko komórki układu odpornościowego natkną się na ciała obce, w tym nanokapsułki z lekami, starają się zniszczyć i usunąć ich pozostałości z krwiobiegu. A im skuteczniej to robią, tym lepsza jest nasza odporność. Dlatego jeśli wprowadzimy jakiekolwiek nanokapsułki do krwi, nasz układ odpornościowy zniszczy nanokapsułki, zanim dotrą do komórek docelowych.

Aby oszukać nasz układ odpornościowy, proponuje się wykorzystanie czerwonych krwinek (erytrocytów) do dostarczenia nanokapsułek. Nasz układ odpornościowy z łatwością rozpoznaje „swój” i nigdy nie atakuje czerwonych krwinek. Dlatego też, jeśli dołączysz nanokapsułki do czerwonych krwinek, wówczas komórki układu odpornościowego, „widząc” „swoje” czerwone krwinki przepływające przez naczynie krwionośne, nie „sprawdzą” jego powierzchni, a czerwone krwinki z nanokapsułkami sklejone będą pływać dalej do komórek, do których adresowane są te nanokapsułki. Czerwone krwinki żyją średnio około 120 dni. Eksperymenty wykazały, że żywotność nanokapsułek przyczepionych do czerwonych krwinek jest 100 razy dłuższa niż w przypadku prostego wstrzyknięcia ich do krwi.

Zwykłą bakterię można również obciążyć nanocząsteczkami zawierającymi leki, a następnie pełnić rolę transportera dostarczającego te leki do chorych komórek. Rozmiary nanocząstek wahają się od 40 do 200 nanometrów; naukowcy nauczyli się przyczepiać je do powierzchni bakterii za pomocą specjalnych cząsteczek. Na jednej bakterii można umieścić nawet kilkaset nanocząstek różnego typu (ryc. 59).

Rysunek 59. Sposób dostarczania nanocząstek z lekami lub fragmentami DNA (genami) do leczenia komórek.

Bakterie mają naturalną zdolność do inwazji żywych komórek, co czyni je idealnymi kandydatami do dostarczania leków. Jest to szczególnie cenne w terapii genowej, gdzie konieczne jest dostarczenie fragmentów DNA do miejsca przeznaczenia bez zabijania zdrowej komórki. Gdy geny dostaną się do jądra komórkowego, zaczyna ono wytwarzać określone białka, korygując w ten sposób chorobę genetyczną. Otwiera to nowe możliwości w dziedzinie terapii genowej. Dodatkowo można zmusić bakterie do transportu nanocząstek trucizną pod wskazany adres, np. w celu zabicia komórek nowotworowych.

Nanowłókna – rusztowanie do odbudowy rdzenia kręgowego

Wiadomo, że obecnie uszkodzeń rdzenia kręgowego często nie da się wyleczyć. W takich przypadkach uraz rdzenia kręgowego powoduje, że osoba na całe życie porusza się na wózku inwalidzkim. Powodem nieuleczalności urazu rdzenia kręgowego jest funkcja ochronna naszego organizmu - szybkie powstawanie blizny z twardej tkanki łącznej, która służy jako granica pomiędzy uszkodzonymi i nieuszkodzonymi nerwami biegnącymi wzdłuż rdzenia kręgowego.

Blizna zawsze chroni żywe komórki przed pobliskimi martwymi komórkami i powstaje, gdy wszystkie tkanki ciała ulegają uszkodzeniu. Jednakże, gdy rdzeń kręgowy ulegnie uszkodzeniu, powstała blizna uniemożliwia wzrost nerwów i przywrócenie głównej funkcji rdzenia kręgowego - przewodzenia impulsów nerwowych z mózgu do różnych części ciała i z powrotem.

Nerwy nie mogą rosnąć przez blizny i puste jamy. Aby rosnąć, podobnie jak dom, potrzebują ramy lub prowadnic (rusztowania), a także braku barier. Zatem dla szybkiego powrotu do zdrowia po urazie rdzenia kręgowego konieczne jest (1) zapobieganie tworzeniu się blizny oraz (2) wypełnienie przestrzeni pomiędzy uszkodzonymi i nieuszkodzonymi włóknami nerwowymi rusztowaniem. Nanotechnologia rozwiązuje oba powyższe problemy.

Wiadomo, że cząsteczki amfifilowe, tj. cząsteczki, w których obszary hydrofilowe i hydrofobowe są przestrzennie oddzielone, mają zdolność do samoorganizacji. Cząsteczki te ostatecznie łączą się w cylindryczne nanowłókna. Jednocześnie na powierzchni tych nanowłókien można umieścić różne cząsteczki, np. hamując powstawanie blizn i stymulując wzrost tkanki nerwowej. Takie nanowłókna tworzą struktury siatkowe, tworząc szkielet dla wzrostu nerwów (ryc. 61). Jeśli wypełnisz miejsce urazu rdzenia kręgowego takimi samoorganizującymi się włóknami, uszkodzone nerwy zaczną rosnąć w miejscu urazu, eliminując skutki urazu.

Rysunek 61. Po prawej stronie schematyczne przedstawienie nanowłókien utworzonych z amfifilowych cząsteczek niosących struktury chemiczne, które blokują wzrost blizn i aktywują wzrost nerwów (oznaczone różnymi kolorami). Po lewej stronie mikrofotografia rusztowania utworzonego z nanowłókien w miejscu uszkodzenia rdzenia kręgowego; kalibracja, 200 nm. Na podstawie Hartgerink i in., Science, 294, 1684 (2001).

Jeśli użyjesz strzykawki (ryc. 62) do wstrzyknięcia roztworu takich cząsteczek amfifilowych w miejsce urazu w ciągu 24 godzin od urazu, to po zebraniu się w trójwymiarową sieć nanowłókien zapobiegną tworzeniu się blizna i włókna nerwowe będą mogły rosnąć, przywracając przewodzenie impulsów przez rdzeń kręgowy i eliminując konsekwencje urazu. Takie eksperymenty przeprowadzono na szczurach i zakończyły się sukcesem.

R Rycina 62. Schematyczne przedstawienie uszkodzonego obszaru rdzenia kręgowego (strzałka) i strzykawka, za pomocą której wstrzykuje się w ten obszar płyn z cząsteczkami amfifilowymi. Na podstawie Silvy i in., Science, 303, 1352 (2004).

Nanotechnologia w życiu codziennym i przemyśle

Nanorurki to pojemniki do przechowywania wodoru, najczystszego paliwa.

Zasoby węgla, ropy i gazu na Ziemi są ograniczone. Ponadto spalanie paliw konwencjonalnych prowadzi do gromadzenia się w atmosferze dwutlenku węgla i innych szkodliwych zanieczyszczeń, a to z kolei prowadzi do globalnego ocieplenia, którego oznak ludzkość już doświadcza. Dlatego dzisiaj ludzkość stoi przed bardzo ważnym zadaniem – jak w przyszłości zastąpić tradycyjne rodzaje paliw?

Najbardziej opłacalne jest wykorzystanie jako paliwa najpowszechniejszego we Wszechświecie pierwiastka chemicznego – wodoru. Podczas utleniania (spalania) wodoru powstaje woda, a reakcja ta zachodzi z wydzieleniem bardzo dużej ilości ciepła (120 kJ/kg). Dla porównania ciepło właściwe spalania benzyny i gazu ziemnego jest trzykrotnie mniejsze niż wodoru. Należy również wziąć pod uwagę, że podczas spalania wodoru nie powstają szkodliwe dla środowiska tlenki azotu, węgla i siarki.

Zaproponowano całkiem sporo, w miarę tanich i przyjaznych dla środowiska metod wytwarzania wodoru, jednakże magazynowanie i transport wodoru stanowi jak dotąd jeden z nierozwiązanych problemów energetyki wodorowej. Powodem tego jest bardzo mały rozmiar cząsteczki wodoru. Z tego powodu wodór może przenikać przez mikroskopijne pęknięcia i pory występujące w zwykłych materiałach, a jego wyciek do atmosfery może doprowadzić do eksplozji. Dlatego ścianki butli do przechowywania tlenu powinny być grubsze, co powoduje, że są one cięższe. Ze względów bezpieczeństwa butle z wodorem lepiej jest schłodzić do kilkudziesięciu K, co dodatkowo zwiększa koszty przechowywania i transportu tego paliwa.

Rozwiązaniem problemu magazynowania i transportu wodoru mogłoby być urządzenie pełniące rolę „gąbki”, która miałaby zdolność pochłaniania wodoru i zatrzymywania go w nieskończoność. Oczywiście taka wodorowa „gąbka” musi mieć dużą powierzchnię i powinowactwo chemiczne do wodoru. Wszystkie te właściwości charakteryzują nanorurki węglowe.

Jak wiadomo, nanorurki węglowe mają wszystkie atomy na powierzchni. Jednym z mechanizmów absorpcji wodoru przez nanorurki jest chemisorpcja, czyli adsorpcja wodoru H2 na powierzchni rurki, po której następuje dysocjacja i utworzenie wiązań chemicznych C–H. Tak związany wodór można wyekstrahować z nanorurki np. poprzez podgrzanie do temperatury 600 o C. Dodatkowo cząsteczki wodoru wiążą się z powierzchnią nanorurek na drodze fizycznej adsorpcji poprzez oddziaływanie van der Waalsa.

Uważa się, że najbardziej efektywnym wykorzystaniem wodoru jako paliwa jest jego utlenianie w ogniwie paliwowym (rys. 46), w którym energia chemiczna jest bezpośrednio zamieniana na energię elektryczną. Zatem ogniwo paliwowe jest podobne do ogniwa galwanicznego, różni się jednak od niego tym, że substancje biorące udział w reakcji są do niego w sposób ciągły wprowadzane z zewnątrz.

Rysunek 46. Schematyczna ilustracja ogniwa paliwowego składającego się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem. Do anody doprowadzany jest wodór, który wnikając do elektrolitu przez bardzo małe pory w materiale elektrody i biorąc udział w reakcji chemisorpcji, przekształca się w dodatnio naładowane jony. Do katody doprowadzany jest tlen, a woda będąca produktem reakcji jest usuwana. Katalizatory służą do przyspieszenia reakcji. Elektrody ogniwa paliwowego są podłączone do obciążenia (lampy).

Zdaniem naukowców, aby stworzyć efektywne ogniwo paliwowe, konieczne jest stworzenie wodorowej „gąbki”, której każdy metr sześcienny zawierał co najmniej 63 kg wodoru. Inaczej mówiąc, masa wodoru zmagazynowanego w „gąbce” musi wynosić co najmniej 6,5% masy „gąbki”. Obecnie przy pomocy nanotechnologii w warunkach eksperymentalnych udało się wytworzyć wodorowe „gąbki”, w których masa wodoru przekracza 18%, co otwiera szerokie perspektywy rozwoju energii wodorowej.

Materiały nanofazowe są trwalsze

Przy odpowiednio dużym obciążeniu wszystkie materiały pękają, a w miejscu pęknięcia sąsiednie warstwy atomów trwale oddalają się od siebie. Jednak wytrzymałość wielu materiałów nie zależy od tego, ile siły należy przyłożyć, aby oddzielić dwie sąsiednie warstwy atomów. W rzeczywistości znacznie łatwiej jest rozerwać każdy materiał, jeśli ma pęknięcia. Dlatego wytrzymałość materiałów stałych zależy od tego, ile i jakiego rodzaju jest w nich mikropęknięć oraz w jaki sposób pęknięcia te rozprzestrzeniają się w tym materiale. W miejscach, w których występuje pęknięcie, siła badająca wytrzymałość materiału przykładana jest nie do całej warstwy, ale do łańcucha atomów znajdującego się w górnej części pęknięcia, dzięki czemu bardzo łatwo jest rozsunąć warstwy (patrz rys. 48).

Rysunek 48. Schematyczne przedstawienie pęknięcia pomiędzy dwiema warstwami atomów, rozszerzającego się pod działaniem sił (czerwone strzałki).

Propagację pęknięć często utrudnia mikrostruktura ciała stałego. Jeśli korpus składa się z mikrokryształów, takich jak metale, wówczas pęknięcie, dzieląc jeden z nich na dwie części, może napotkać zewnętrzną powierzchnię sąsiedniego mikrokryształu i zatrzymać się. Zatem im mniejszy jest rozmiar cząstek, z których uformowany jest materiał, tym trudniej jest rozprzestrzeniać się przez niego pęknięciom.

Materiały składające się z nanocząstek nazywane są nanofazą. Przykładem materiału nanofazowego może być miedź nanofazowa, której jedną z metod wytwarzania przedstawiono na rysunku 49.

Rysunek 49. Wytwarzanie miedzi nanofazowej.

Aby wytworzyć miedź nanofazową, arkusz zwykłej miedzi podgrzewa się do wysokiej temperatury, w której atomy miedzi zaczynają parować z jej powierzchni. W wyniku przepływu konwekcyjnego atomy te przemieszczają się na powierzchnię zimnej rurki, na której osadzają się, tworząc konglomeraty nanocząstek. Gęsta warstwa nanocząstek miedzi na powierzchni zimnej rurki to tzw nanofaza miedź.

Materiały nanofazowe, często nazywane nanostrukturalny, można wytwarzać na różne sposoby, na przykład przez prasowanie proszku nanocząstek w podwyższonych temperaturach (prasowanie na gorąco).

Próbki materiałów „uformowanych” z nanocząstek okazują się znacznie wytrzymalsze od konwencjonalnych. Obciążenie mechaniczne materiału nanofazowego, podobnie jak konwencjonalnego, powoduje powstawanie w nim mikropęknięć. Jednakże liniową propagację tego mikropęknięcia i jego przekształcenie w makropęknięcie utrudniają liczne granice nanocząstek tworzących ten materiał. Zatem mikropęknięcie napotyka granicę jednej z nanocząstek i zatrzymuje się, a próbka pozostaje nienaruszona.

Rysunek 50 pokazuje, jak wytrzymałość miedzi zależy od wielkości mikrokryształów lub nanocząstek, z których jest zbudowana. Można zauważyć, że wytrzymałość próbki miedzi nanofazowej może być 10 razy większa niż wytrzymałość zwykłej miedzi, która z reguły składa się z kryształów o wielkości około 50 mikronów.

Rysunek 50. Zależność wytrzymałości miedzi od wielkości granul (cząstek). Na podstawie „Scientific American”, 1996, grudzień, s. 25. 74.

Przy małych odkształceniach ścinających cząstki materiałów nanofazowych mogą nieznacznie przemieszczać się względem siebie. Dlatego drobnokomórkowa struktura materiałów nanofazowych jest silniejsza nie tylko podczas odkształcania przy rozciąganiu, ale także podczas zginania, gdy sąsiednie warstwy próbki w różny sposób zmieniają swoją długość.

Nanocząstki TiO 2 - nanomydło i pułapka ultrafioletowa

Dwutlenek tytanu, TiO2, jest najpowszechniejszym związkiem tytanu na Ziemi. Proszek dwutlenku tytanu ma jaskrawą białą barwę i dlatego jest stosowany jako barwnik w produkcji farb, papieru, past do zębów i tworzyw sztucznych. Przyczyną białości proszku dwutlenku tytanu jest jego bardzo wysoki współczynnik załamania światła (n=2,7).

Tlenek tytanu TiO 2 ma bardzo silne działanie katalityczne – przyspiesza zachodzenie reakcji chemicznych. W obecności promieniowania ultrafioletowego dwutlenek tytanu rozkłada cząsteczki wody na wolne rodniki - grupy hydroksylowe OH - i aniony ponadtlenkowe O 2 - (ryc. 51).

Rysunek 51. Schematyczne przedstawienie powstawania wolnych rodników OH - i O 2 - podczas katalizy wody na powierzchni dwutlenku tytanu w obecności światła słonecznego.

Aktywność powstałych wolnych rodników jest tak duża, że ​​na powierzchni dwutlenku tytanu wszelkie związki organiczne rozkładają się na dwutlenek węgla i wodę. Należy zauważyć, że dzieje się to tylko w świetle słonecznym, o którym wiadomo, że zawiera składnik ultrafioletowy.

Aktywność katalityczna dwutlenku tytanu wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wielkości cząstek, ponieważ wzrasta stosunek powierzchni cząstek do ich objętości. Dlatego też nanocząstki tytanu stają się bardzo skuteczne i służą do oczyszczania wody, powietrza i różnych powierzchni ze związków organicznych, które zwykle są szkodliwe dla człowieka.

W skład betonów autostradowych można włączyć fotokatalizatory wykonane na bazie nanocząstek dwutlenku tytanu. Eksperymenty pokazują, że podczas eksploatacji takich dróg stężenie podtlenku azotu jest znacznie niższe niż w przypadku dróg konwencjonalnych. Zatem dodanie nanocząstek dwutlenku tytanu do betonu może poprawić środowisko wokół autostrad. Ponadto proponuje się dodanie proszku z tych nanocząstek do paliwa samochodowego, co powinno także zmniejszyć zawartość szkodliwych zanieczyszczeń w spalinach.

Powłoka nanocząstek dwutlenku tytanu naniesiona na szkło jest przezroczysta i niewidoczna dla oka. Jednak takie szkło pod wpływem światła słonecznego jest w stanie samooczyścić się z zanieczyszczeń organicznych, zamieniając wszelkie zabrudzenia organiczne w dwutlenek węgla i wodę. Szkło pokryte nanocząsteczkami tlenku tytanu jest wolne od tłustych plam, dzięki czemu jest dobrze zwilżane wodą. W rezultacie takie szkło mniej paruje, ponieważ kropelki wody natychmiast rozprzestrzeniają się po powierzchni szkła, tworząc cienką przezroczystą warstwę.

Niestety dwutlenek tytanu przestaje działać w zamkniętych pomieszczeniach, ponieważ... W sztucznym świetle praktycznie nie ma ultrafioletu. Naukowcy uważają jednak, że zmieniając nieznacznie strukturę dwutlenku tytanu, uda się uwrażliwić go na widzialną część widma słonecznego. Na bazie takich nanocząstek dwutlenku tytanu będzie można wykonać powłokę np. do toalet, dzięki której kilkukrotnie obniżymy zawartość bakterii i innych substancji organicznych na powierzchniach toalet.

Ze względu na zdolność pochłaniania promieniowania ultrafioletowego dwutlenek tytanu jest już wykorzystywany do produkcji filtrów przeciwsłonecznych, takich jak kremy. Producenci kremów zaczęli stosować dwutlenek tytanu w postaci nanocząstek, które są tak małe, że zapewniają filtrowi przeciwsłonecznemu niemal całkowitą przezroczystość.

Samoczyszcząca nanotrawa i „efekt lotosu”

Nanotechnologia umożliwia stworzenie powierzchni przypominającej mikroszczoteczkę masującą. Taka powierzchnia nazywana jest nanotrawą i składa się z wielu równoległych nanodrutów (nanoprętów) tej samej długości, rozmieszczonych w równych odległościach od siebie (ryc. 52).

Rysunek 52. Mikrofotografia elektronowa nanotrawy składającej się z prętów krzemowych o średnicy 350 nm i wysokości 7 μm, oddalonych od siebie o 1 μm.

Kropla wody spadająca na nanotrawę nie może przeniknąć pomiędzy nanotrawę, gdyż zapobiega temu wysokie napięcie powierzchniowe cieczy. W końcu, aby przeniknąć pomiędzy nanotrawami, kropla musi zwiększyć swoją powierzchnię, a to wiąże się z dodatkowymi kosztami energii. Dlatego kropla „unosi się na pointach”, pomiędzy którymi znajdują się pęcherzyki powietrza. W rezultacie siły adhezji pomiędzy kropelką a nanotrawą stają się bardzo małe. Oznacza to, że kropelka niekorzystnie rozprzestrzenia się i zwilża „kolczastą” nanotrawę, przez co zwija się ona w kulkę, wykazując bardzo duży kąt zwilżania q, będący ilościową miarą zwilżalności (rys. 53).

Rysunek 53. Kropla wody na nanotrawce.

Aby jeszcze bardziej zmniejszyć zwilżalność nanotrawy, jej powierzchnię pokryto cienką warstwą jakiegoś hydrofobowego polimeru. A wtedy nie tylko woda, ale także wszelkie cząsteczki nigdy nie przylgną do nanotrawy, ponieważ dotykaj go tylko w kilku punktach. Dlatego cząsteczki brudu, które znajdą się na powierzchni pokrytej nanokosmkami, albo same z niej opadają, albo są porywane przez toczące się krople wody.

Samooczyszczanie miękkiej powierzchni z cząstek brudu nazywa się „efektem lotosu”, ponieważ Kwiaty i liście lotosu są czyste nawet wtedy, gdy woda wokół jest mętna i brudna. Dzieje się tak dzięki temu, że liście i kwiaty nie są zwilżane przez wodę, dlatego krople wody spływają po nich niczym kulki rtęci, nie pozostawiając śladów i zmywając cały brud. Nawet krople kleju i miodu nie mogą pozostać na powierzchni liści lotosu.

Okazało się, że cała powierzchnia liści lotosu jest gęsto pokryta mikropryszczami o wysokości około 10 mikronów, a same pryszcze z kolei pokryte są jeszcze mniejszymi mikrokosmkami (ryc. 54). Badania wykazały, że wszystkie te mikropryszcze i kosmki wykonane są z wosku, o którym wiadomo, że ma właściwości hydrofobowe, dzięki czemu powierzchnia liści lotosu wygląda jak nanotrawa. To pryszczowata struktura powierzchni liści lotosu znacznie zmniejsza ich zwilżalność. Dla porównania na ryc. 54 przedstawiono stosunkowo gładką powierzchnię liścia magnolii, która nie ma zdolności samooczyszczania.

Ryc. 54. Mikrofotografia powierzchni liści lotosu i magnolii. Poniżej po lewej stronie znajduje się schematyczny diagram jednego mikropryszcza. Pochodzi z Roślina (1997), 202: 1-8.

Tym samym nanotechnologia umożliwia tworzenie samoczyszczących powłok i materiałów, które posiadają jednocześnie właściwości hydrofobowe. Materiały wykonane z takich tkanin zawsze pozostają czyste. Produkowane są już szyby samoczyszczące, których zewnętrzna powierzchnia pokryta jest nanokosmkami. Na takim szkle wycieraczki nie mają nic do roboty. W sprzedaży dostępne są trwale czyste felgi do kół samochodowych, które samooczyszczają się za pomocą „efektu lotosu”, a teraz możesz pomalować zewnętrzną część domu farbą, do której nie przyklei się brud.

Nanobaterie – mocne i trwałe

W przeciwieństwie do tranzystorów miniaturyzacja baterii zachodzi bardzo powoli. Rozmiar baterii galwanicznych, zmniejszony do jednostki mocy, zmniejszył się w ciągu ostatnich 50 lat zaledwie 15 razy, a rozmiar tranzystora w tym samym czasie zmniejszył się ponad 1000 razy i wynosi obecnie około 100 nm. Wiadomo, że o wielkości autonomicznego obwodu elektronicznego często decyduje nie jego elektroniczne wypełnienie, ale wielkość źródła prądu. Co więcej, im inteligentniejsza elektronika urządzenia, tym większej baterii potrzebuje. Dlatego w celu dalszej miniaturyzacji urządzeń elektronicznych konieczne jest opracowanie nowych typów akumulatorów. I tu znowu z pomocą przychodzi nanotechnologia

Nanocząsteczki zwiększają powierzchnię elektrod

Im większa powierzchnia elektrod baterii i akumulatorów, tym większy prąd mogą wytworzyć. Aby zwiększyć powierzchnię elektrod, ich powierzchnia jest pokryta przewodzącymi nanocząsteczkami, nanorurkami itp.

W 2005 roku firma Toshiba stworzyła prototyp akumulatora litowo-jonowego, którego elektroda ujemna została pokryta nanokryształami tytanianu litu, w wyniku czego powierzchnia elektrody wzrosła kilkadziesiąt razy. Nowy akumulator jest w stanie uzyskać 80% swojej pojemności w ciągu zaledwie jednej minuty ładowania, podczas gdy konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe ładują się z szybkością 2-3% na minutę, a pełne naładowanie zajmuje godzinę.

Oprócz dużej szybkości ładowania akumulatory zawierające elektrody nanocząstkowe charakteryzują się wydłużoną żywotnością: po 1000 cyklach ładowania/rozładowania traci się jedynie 1% ich pojemności, a łączny czas życia nowych akumulatorów wynosi ponad 5 tysięcy cykli. Co więcej, akumulatory te mogą pracować w temperaturach do -40 o C, tracąc zaledwie 20% swojego ładunku w porównaniu do 100% w przypadku typowych nowoczesnych akumulatorów już przy -25 o C.

Od 2007 roku w sprzedaży dostępne są akumulatory z elektrodami wykonanymi z przewodzących nanocząstek, które można montować w pojazdach elektrycznych. Te akumulatory litowo-jonowe są w stanie magazynować energię o mocy do 35 kW. godzinę, a ładowanie do maksymalnej pojemności zajmuje zaledwie 10 minut. Obecnie zasięg samochodu elektrycznego z takimi akumulatorami wynosi 200 km, ale opracowano już kolejny model tych akumulatorów, który pozwala zwiększyć zasięg samochodu elektrycznego do 400 km, co jest niemal porównywalne z maksymalnym zasięgiem samochodów benzynowych (od tankowania do tankowania).

Nanoprzełącznik akumulatora

Jedną z głównych wad nowoczesnych akumulatorów jest to, że w ciągu kilku lat całkowicie tracą swoją moc, nawet jeśli nie pracują, ale leżą w magazynie (co roku traci się 15% energii). Przyczyną spadku energii akumulatora w czasie jest to, że nawet przy niedziałających akumulatorach elektrody i elektrolit cały czas stykają się ze sobą, w związku z czym skład jonowy elektrolitu i powierzchnia elektrod stopniowo się zmieniają, co powoduje spadek mocy akumulatorów.

H Aby uniknąć kontaktu elektrolitu z elektrodami podczas przechowywania akumulatora, ich powierzchnię można zabezpieczyć nanowłoskami, które nie zwilżają się wodą (patrz rysunek 55), symulując opisany powyżej „efekt lotosu”.

Rysunek 55. Schematyczne przedstawienie „nanotrawy” składającej się z nanoprętów o średnicy 300 nm rosnących na jednej z elektrod akumulatora. Dzięki hydrofobowym właściwościom materiału nanohair niebieskawy roztwór elektrolitu nie może zbliżyć się do powierzchni „czerwonej” elektrody, a akumulator nie traci mocy przez wiele lat. Na podstawie „Scientific American”, 2006, luty, s. 15. 73.

Wiadomo, że przyczepność (sklejanie) można kontrolować za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. Każdy widział, jak małe kawałki papieru, okruszki, kurz itp. Przyklejają się do naelektryzowanego plastikowego grzebienia. Zwilżalność zależy od adhezji, dlatego pole elektryczne przyłożone pomiędzy cieczą a powierzchnią ciała stałego zawsze zwiększa zwilżalność tego ostatniego.

Hydrofobowa powłoka nanowłosków zabezpiecza powierzchnię jednej z elektrod akumulatora przed kontaktem z elektrolitem (rys. 55). Jeśli jednak chcemy zastosować akumulator, wystarczy przyłożyć do nanowłosków niewielkie napięcie, a staną się one hydrofilowe, w wyniku czego elektrolit wypełni całą przestrzeń pomiędzy elektrodami, dzięki czemu akumulator będzie sprawny.

Uważa się, że opisana powyżej nanotechnologia włączania i wyłączania będzie zapotrzebowanie na baterie w różnych czujnikach, na przykład zrzucane z samolotu w trudno dostępnych miejscach, które planuje się wykorzystać tylko w kilku lat lub w niektórych szczególnych przypadkach za pomocą sygnału.

Kondensatory z płytkami nanorurkowymi

Naukowcy uważają, że kondensator elektryczny, wynaleziony około 300 lat temu, mógłby stać się doskonałą baterią, gdyby został ulepszony przy użyciu nanotechnologii. W przeciwieństwie do źródeł prądu galwanicznego, kondensator może służyć jako akumulator energii elektrycznej w nieskończoność. Jednocześnie kondensator można ładować znacznie szybciej niż jakikolwiek akumulator.

Jedyną wadą kondensatora elektrycznego w porównaniu do źródeł prądu galwanicznego jest jego niska energochłonność właściwa (stosunek zmagazynowanej energii do objętości). Obecnie energochłonność właściwa kondensatorów jest około 25 razy mniejsza niż baterii i akumulatorów.

Wiadomo, że pojemność i energochłonność kondensatora są wprost proporcjonalne do powierzchni jego płytek. Wykorzystując nanotechnologię do zwiększania powierzchni płytek kondensatorów, można wyhodować na ich powierzchni las przewodzących nanorurek (ryc. 56). W rezultacie pojemność energetyczna takiego kondensatora może wzrosnąć tysiące razy. Uważa się, że takie kondensatory staną się powszechnymi źródłami prądu w najbliższej przyszłości.

Rysunek 56. Powierzchnia jednej z płytek kondensatora, którą stanowi las i pionowo zorientowane nanorurki węglowe.

Dla tych, którzy chcą związać przyszłość z nanotechnologią

Obecnie wiele rosyjskich uniwersytetów kształci specjalistów w dziedzinie nanotechnologii. Na wielu prestiżowych uczelniach powstają wydziały i katedry nanotechnologii. Każdy rozumie obietnicę tego kierunku, rozumie jego postępowość... a może nawet korzyści. Ostatnie lata charakteryzują się szybkim wzrostem zainteresowania nanotechnologią i wzrostem inwestycji w nią na całym świecie. Jest to całkiem zrozumiałe, biorąc pod uwagę, że nanotechnologia zapewnia wysoki potencjał wzrostu gospodarczego, od którego zależy jakość życia ludności, bezpieczeństwo technologiczne i obronne, oszczędność zasobów i energii. Obecnie prawie wszystkie kraje rozwinięte posiadają krajowe programy w dziedzinie nanotechnologii. Mają one charakter długoterminowy, a ich finansowanie odbywa się ze środków pochodzących zarówno ze źródeł rządowych, jak i innych funduszy.

Lista uczelni, na których można studiować na kierunku nanotechnologia

1. Moskiewski Uniwersytet Państwowy im. M.V. Łomonosow,

2. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii (Państwowy Uniwersytet)”,

3. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Techniczny w Moskwie im. N.E. Baumana,

4. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Moskiewski Państwowy Instytut Stali i Stopów (Politechnika)”,

5. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Moskiewski Państwowy Instytut Technologii Elektronicznej (Politechnika)”,

6. Federalna Państwowa Instytucja Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Uniwersytet Państwowy w Petersburgu”,

7. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Taganrog State Radio Engineering University” (w ramach Południowego Uniwersytetu Federalnego),

8. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Uniwersytet Państwowy w Niżnym Nowogrodzie im. N.I. Łobaczewskiego”,

9. Federalna Państwowa Instytucja Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Tomski Uniwersytet Państwowy”.

10. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Dalekiego Wschodu”,

11. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Samara State Aerospace University im. Akademika S.P. Korolewa”,

12. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Państwowy Instytut Górniczy w Petersburgu im. G.V. Plechanowa (Politechnika)”,

13. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Tomski Państwowy Uniwersytet Systemów Sterowania i Radioelektroniki”,

14. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Politechnika Tomska”,

15. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Nowosybirski Uniwersytet Państwowy”,

16. Państwowy Uniwersytet Badawczy Jądrowy „MEPhI”,

17. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Politechniczny w Petersburgu”,

18. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Moskiewski Instytut Energetyczny (Politechnika)”,

19. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Elektrotechniczny w Petersburgu „LETI” imienia V.I. Uljanowa (Lenina)”,

20. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Technologii Informatycznych, Mechaniki i Optyki w Petersburgu”,

21. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Państwowy Uniwersytet w Biełgorodzie”,

22. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Uniwersytet Przyjaźni Narodów Rosyjskich”,

23. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Uralski Uniwersytet Państwowy im. A.M. Gorkiego”,

24. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet w Saratowie im. N.G. Czernyszewskiego”,

25. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Vladimir State University”,

26. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Moskiewski Państwowy Uniwersytet Inżynierii Lądowej”,

27. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Techniczny Dalekiego Wschodu (FEPI im. V.V. Kuibysheva)”,

28. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Nowosybirski Państwowy Uniwersytet Techniczny”,

29. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Uniwersytet Państwowy Południowego Uralu”,

30. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Perm State Technical University”,

31. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Kazański Państwowy Uniwersytet Techniczny im. A.N. Tupolewa”,

32. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Techniczny Lotniczy w Ufie”,

33. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Tiumeń Państwowy Uniwersytet”,

34. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Uralski Państwowy Uniwersytet Techniczny - UPI im. Pierwszego Prezydenta Rosji B.N. Jelcyna”,

35. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Jakucki Uniwersytet Państwowy im. M.K. Amosowa”,

36. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Vyatka State University”,

37. Federalna Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Rosyjski Uniwersytet Państwowy im. Immanuela Kanta”,

38. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Kształcenia Zawodowego „Moskiewski Państwowy Uniwersytet Pedagogiczny”,

39. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Rosyjski Państwowy Uniwersytet Nafty i Gazu im. I.M. Gubkina”,

40. Państwowa Instytucja Edukacyjna Wyższego Szkolnictwa Zawodowego „Państwowy Uniwersytet Tambowski im. G.R. Derzhavina”.

Bibliografia

http://abitur.nica.ru/

http://www.med.umich.edu/opm/newspage/2005/nanoparticles.htm.

http://probes.invitrogen.com/servlets/photo?fileid=g002765&company=probes

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers.

http://www.nanometr.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Miejska placówka oświatowa

szkoła ogólnokształcąca – internat nr 1 gimnazjum (pełny)

szkolnictwo ogólne w Tomsku

ABSTRAKCYJNY

w tym temacie: Nanotechnologia we współczesnym świecie

Wykonane: Uczeń klasy 8A

Maria Sachnienko

Kierownik: Pakhorukova D.P.

Nauczyciel fizyki

Tomsk 2010

WSTĘP

Obecnie niewiele osób wie, czym jest nanotechnologia, choć przyszłość kryje się za tą nauką. Głównym celem mojej pracy jest zapoznawanie się z nanotechnologią. Chcę także poznać zastosowanie tej nauki w różnych gałęziach przemysłu i dowiedzieć się, czy nanotechnologia może być niebezpieczna dla człowieka.

Dziedzina nauki i technologii zwana nanotechnologią pojawiła się stosunkowo niedawno. Perspektywy tej nauki są ogromne. Sama cząsteczka „nano” oznacza jedną miliardową części. Na przykład nanometr to jedna miliardowa część metra. Rozmiary te są podobne do rozmiarów cząsteczek i atomów. Dokładna definicja nanotechnologii jest następująca: nanotechnologia to technologia manipulująca materią na poziomie atomów i cząsteczek (dlatego nanotechnologia nazywana jest także technologią molekularną). Impulsem do rozwoju nanotechnologii był wykład Richarda Feynmana, w którym naukowo udowadnia, że ​​z punktu widzenia fizyki nie ma przeszkód, aby tworzyć rzeczy bezpośrednio z atomów. Aby wyznaczyć sposób efektywnego manipulowania atomami, wprowadzono pojęcie asemblera – molekularnej nanomaszyny potrafiącej zbudować dowolną strukturę molekularną. Przykładem naturalnego asemblera jest rybosom, który syntetyzuje białko w organizmach żywych. Oczywiście nanotechnologia to nie tylko odrębny zasób wiedzy, to zakrojona na szeroką skalę, kompleksowa dziedzina badań powiązana z naukami podstawowymi. Można powiedzieć, że prawie każdy przedmiot nauczany w szkole będzie w taki czy inny sposób powiązany z technologiami przyszłości. Najbardziej oczywisty wydaje się związek „nano” z fizyką, chemią i biologią. Wydaje się, że to właśnie te nauki otrzymają największy impuls rozwojowy w związku ze zbliżającą się rewolucją nanotechnologiczną.

1. NANOTECHNOLOGIA WE WSPÓŁCZESNYM ŚWIECIE

1.1.Historia powstania nanotechnologii

Dziadka nanotechnologii można uznać za greckiego filozofa Demokryta. Po raz pierwszy użył słowa „atom” do opisania najmniejszej cząstki materii. Przez ponad dwadzieścia stuleci ludzie próbowali zgłębić tajemnicę budowy tej cząstki. Rozwiązanie tego problemu, niemożliwego dla wielu pokoleń fizyków, stało się możliwe w pierwszej połowie XX wieku po stworzeniu przez niemieckich fizyków Maxa Knolla i Ernsta Ruską mikroskopu elektronowego, który po raz pierwszy umożliwił badanie nanoobiektów .

Wiele źródeł, przede wszystkim anglojęzycznych, pierwsze wzmianki o metodach, które później nazwano nanotechnologią, kojarzy ze słynnym przemówieniem Richarda Feynmana „There’s Plenty of Roo at the Bottom”, wygłoszonym przez niego w 1959 roku w California Institute of Technology na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. Richard Feynman zasugerował, że możliwe jest mechaniczne przemieszczanie pojedynczych atomów za pomocą manipulatora o odpowiedniej wielkości, przynajmniej taki proces nie byłby sprzeczny ze znanymi dziś prawami fizyki.

Zasugerował wykonanie tego manipulatora w następujący sposób. Konieczne jest zbudowanie mechanizmu, który stworzyłby swoją kopię, tylko o rząd wielkości mniejszą. Utworzony mniejszy mechanizm musi ponownie stworzyć swoją kopię, znowu o rząd wielkości mniejszą i tak dalej, aż wymiary mechanizmu będą współmierne do wymiarów rzędu jednego atomu. W takim przypadku konieczne będzie dokonanie zmian w strukturze tego mechanizmu, gdyż siły grawitacyjne działające w makrokosmosie będą miały coraz mniejszy wpływ, a siły oddziaływań międzycząsteczkowych będą w coraz większym stopniu wpływać na działanie mechanizmu. Ostatni etap - powstały mechanizm złoży swoją kopię z poszczególnych atomów. W zasadzie ilość takich egzemplarzy jest nieograniczona, w krótkim czasie możliwe będzie stworzenie dowolnej liczby takich maszyn. Maszyny te będą mogły składać makro-rzeczy w ten sam sposób, poprzez montaż atomowy. Dzięki temu będzie znacznie taniej – takim robotom (nanorobotom) trzeba będzie dostarczyć jedynie wymaganą ilość cząsteczek i energii oraz napisać program, który złoży potrzebne elementy. Jak dotąd nikt nie był w stanie obalić tej możliwości, ale nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takich mechanizmów. Podstawową wadą takiego robota jest niemożność stworzenia mechanizmu z jednego atomu.

Tak R. Feynman opisał swojego rzekomego manipulatora:

Myślę o tworząc system sterowany elektrycznie , w którym wykorzystuje się konwencjonalnie produkowane „roboty usługowe” w postaci zmniejszonych czterokrotnie kopii „rąk operatora”. Takie mikromechanizmy będą mogły z łatwością wykonywać operacje w zmniejszonej skali. Mówię o maleńkich robotach wyposażonych w serwomotory i małe „ramiona”, które potrafią dokręcić równie małe śruby i nakrętki, wywiercić bardzo małe otwory itp. Krótko mówiąc, będą w stanie wykonać całą pracę w skali 1:4. Aby to zrobić, niezbędne mechanizmy, narzędzia i ramiona manipulacyjne muszą być najpierw wykonane do jednej czwartej zwykłego rozmiaru (w rzeczywistości jest jasne, że oznacza to zmniejszenie wszystkich powierzchni styku 16-krotnie). W końcowym etapie urządzenia te zostaną wyposażone w serwomotory (o 16-krotnie zmniejszonej mocy) i podłączone do konwencjonalnego elektrycznego układu sterowania. Dzięki temu będziesz mógł używać ramion manipulatora, które są 16 razy mniejsze! Zakres zastosowania takich mikrorobotów, a także mikromaszyn może być dość szeroki – od operacji chirurgicznych po transport i przetwarzanie materiałów radioaktywnych. Mam nadzieję, że zasada proponowanego programu, a także nieoczekiwane problemy i ekscytujące możliwości z nim związane są jasne. Co więcej, możesz pomyśleć o możliwości dalszego znacznego zmniejszenia skali, co oczywiście będzie wymagało dalszych zmian i modyfikacji projektu (nawiasem mówiąc, na pewnym etapie być może będziesz musiał porzucić „ręce” zwykłego kształtu ), ale umożliwi produkcję nowych, znacznie bardziej zaawansowanych urządzeń opisywanego typu. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby kontynuować ten proces i stworzyć dowolną liczbę małych maszyn, ponieważ nie ma żadnych ograniczeń związanych z rozmieszczeniem maszyn i zużyciem materiałów. Ich objętość będzie zawsze znacznie mniejsza niż objętość prototypu. Łatwo policzyć, że całkowita objętość 1 miliona maszyn zmniejszona 4000 razy (a tym samym masa materiałów użytych do produkcji) będzie mniejsza niż 2% objętości i masy konwencjonalnej maszyny o normalnych wymiarach. Oczywiste jest, że natychmiast eliminuje to problem kosztów materiałów. W zasadzie możliwe byłoby zorganizowanie milionów identycznych miniaturowych fabryk, w których maleńkie maszyny w sposób ciągły wierciłyby otwory, stemplowały części itp. W miarę zmniejszania się będziemy stale napotykać bardzo niezwykłe zjawiska fizyczne. Wszystko, co spotykasz w życiu, zależy od czynników o dużej skali. Dodatkowo istnieje również problem „sklejania się” materiałów pod wpływem sił oddziaływań międzycząsteczkowych (tzw. sił van der Waalsa), co może prowadzić do efektów nietypowych w skali makroskopowej. Przykładowo nakrętka po odkręceniu nie oddzieli się od śruby, a w niektórych przypadkach „przyklei się” ściśle do powierzchni itp. Istnieje kilka problemów fizycznych tego typu, o których należy pamiętać przy projektowaniu i budowaniu mechanizmów mikroskopowych.

1.2. Co to jest nanotechnologia

Pojawiająca się całkiem niedawno nanotechnologia coraz częściej wkracza w obszar badań naukowych, a co za tym idzie – w nasze życie codzienne. Rozwój naukowców coraz częściej dotyczy obiektów mikroświata, atomów, cząsteczek i łańcuchów molekularnych. Sztucznie stworzone nanoobiekty nieustannie zaskakują badaczy swoimi właściwościami i obiecują najbardziej nieoczekiwane perspektywy ich zastosowania.

Podstawową jednostką miary w badaniach nanotechnologicznych jest nanometr – jedna miliardowa metra. W takich jednostkach mierzone są cząsteczki i wirusy, a obecnie także elementy chipów komputerowych nowej generacji. To właśnie w nanoskali zachodzą wszystkie podstawowe procesy fizyczne determinujące makrointerakcje.

Sama natura podsuwa człowiekowi pomysł stworzenia nanoobiektów. Tak naprawdę każda bakteria jest organizmem składającym się z nanomaszyn: DNA i RNA kopiują i przekazują informacje, rybosomy tworzą białka z aminokwasów, mitochondria wytwarzają energię. Oczywiście na tym etapie rozwoju nauki naukowcom przychodzi do głowy kopiowanie i udoskonalanie tych zjawisk.

Y. SVIDINENKO, inżynier-fizyk

Nanostruktury zastąpią tradycyjne tranzystory.

Kompaktowa edukacyjna instalacja nanotechnologiczna „UMKA” pozwala manipulować poszczególnymi grupami atomów.

Za pomocą instalacji „UMKA” istnieje możliwość zbadania powierzchni płyty DVD.

Opublikowano już podręcznik dla przyszłych nanotechnologów.

Nanotechnologia, która pojawiła się w ostatniej ćwierci XX wieku, dynamicznie się rozwija. Niemal co miesiąc pojawiają się wiadomości o nowych projektach, które jeszcze rok czy dwa lata temu wydawały się absolutną fantazją. Zgodnie z definicją podaną przez pioniera tej dziedziny, Erica Drexlera, nanotechnologia to „oczekiwana technologia produkcyjna, ukierunkowana na niskonakładowe wytwarzanie urządzeń i substancji o określonej strukturze atomowej”. Oznacza to, że działa na poszczególne atomy w celu uzyskania struktur z atomową precyzją. Na tym polega zasadnicza różnica pomiędzy nanotechnologią a nowoczesnymi technologiami „objętościowymi” manipulującymi makroobiektami.

Przypomnijmy, że nano to przedrostek oznaczający 10 -9. W segmencie o długości jednego nanometra można umieścić osiem atomów tlenu.

Nanoobiekty (na przykład nanocząstki metali) zazwyczaj mają właściwości fizyczne i chemiczne, które różnią się od właściwości większych obiektów z tego samego materiału i od właściwości poszczególnych atomów. Załóżmy, że temperatura topnienia cząstek złota o wielkości 5-10 nm jest o setki stopni niższa niż temperatura topnienia kawałka złota o objętości 1 cm3.

Badania prowadzone w zakresie nanoskali leżą na styku nauk, często badania z zakresu inżynierii materiałowej wpływają na dziedziny biotechnologii, fizyki ciała stałego i elektroniki.

Czołowy światowy ekspert w dziedzinie nanomedycyny, Robert Freitas, powiedział: "Przyszłe nanomaszyny muszą składać się z miliardów atomów, więc ich zaprojektowanie i budowa będzie wymagało wysiłku zespołu specjalistów. Każdy projekt nanorobota będzie wymagał połączonych wysiłków kilku zespoły badawcze. Samolot Boeing 777 został zaprojektowany i zbudowany przez „Wiele zespołów na całym świecie. Nanomedyczny robot przyszłości, składający się z miliona (a nawet więcej) pracujących części, nie będzie prostszy w złożoności konstrukcyjnej niż samolot. "

NANOPRODUKTY WOKÓŁ NAS

Nanoświat jest złożony i wciąż stosunkowo mało zbadany, a jednak nie tak odległy od nas, jak wydawało się kilka lat temu. Większość z nas regularnie korzysta z różnych osiągnięć nanotechnologii, nawet o tym nie wiedząc. Przykładowo współczesna mikroelektronika to już nie mikro, lecz nano: produkowane dziś tranzystory – podstawa wszystkich chipów – mieszczą się w zakresie do 90 nm. W planach jest już dalsza miniaturyzacja elementów elektronicznych do 60, 45 i 30 nm.

Co więcej, jak niedawno poinformowali przedstawiciele firmy Hewlett-Packard, tranzystory wytwarzane w tradycyjnej technologii zostaną zastąpione nanostrukturami. Jednym z takich elementów są trzy przewodniki o szerokości kilku nanometrów: dwa z nich są równoległe, a trzeci jest umieszczony do nich pod kątem prostym. Przewodniki nie stykają się ze sobą, lecz przechodzą jak pomosty, jeden nad drugim. W tym przypadku łańcuchy molekularne utworzone z materiału nanoprzewodnikowego pod wpływem przyłożonego do nich napięcia schodzą z górnych przewodników do dolnych. Układy zbudowane w tej technologii wykazały już zdolność do przechowywania danych i wykonywania operacji logicznych, czyli zastępowania tranzystorów.

Dzięki nowej technologii wymiary części mikroukładów spadną znacznie poniżej poziomu 10-15 nanometrów, do skali, w której tradycyjne tranzystory półprzewodnikowe po prostu fizycznie nie mogą działać. Prawdopodobnie już w pierwszej połowie następnej dekady pojawią się seryjne mikroukłady (wciąż tradycyjne, krzemowe), w które wbudowana zostanie pewna liczba nanoelementów powstałych przy użyciu nowej technologii.

W 2004 roku firma Kodak wypuściła papier do drukarek atramentowych Ultima. Ma dziewięć warstw. Wierzchnia warstwa składa się z nanocząstek ceramicznych, dzięki którym papier jest gęstszy i bardziej błyszczący. Wewnętrzne warstwy zawierają nanocząsteczki pigmentu o wielkości 10 nm, które poprawiają jakość druku. Szybkie utrwalanie farby ułatwiają nanocząsteczki polimerowe zawarte w kompozycji powłokowej.

Dyrektor Amerykańskiego Instytutu Nanotechnologii Chad Mirkin uważa, że ​​„nanotechnologia odbuduje wszystkie materiały od podstaw. Wszystkie materiały uzyskane w drodze produkcji molekularnej będą nowe, ponieważ do tej pory ludzkość nie miała możliwości opracowania i wytworzenia nanostruktur. Teraz my w przemyśle stosujcie tylko to „To, co daje nam natura. Produkujemy deski z drzew, druty z metalu przewodzącego. Podejście nanotechnologiczne polega na tym, że niemal każdy zasób naturalny przetworzymy na tzw. „cegiełki”, które staną się podstawą przyszłego przemysłu .”

Teraz jesteśmy już świadkami początku nanorewolucji: są to nowe chipy komputerowe, nowe tkaniny nieplamiące i zastosowanie nanocząstek w diagnostyce medycznej (patrz także „Science and Life” nr , 2005). Nanomateriałami interesuje się nawet przemysł kosmetyczny. Potrafią stworzyć wiele nowych, niestandardowych kierunków w kosmetykach, które wcześniej nie istniały.

W skali nano prawie każdy materiał wykazuje unikalne właściwości. Wiadomo na przykład, że jony srebra mają działanie antyseptyczne. Roztwór nanocząstek srebra charakteryzuje się znacznie większą aktywnością. Jeśli potraktujesz bandaż tym roztworem i nałożysz go na ropną ranę, stan zapalny zniknie, a rana zagoi się szybciej niż przy użyciu konwencjonalnych środków antyseptycznych.

Krajowy koncern Nanoindustry opracował technologię wytwarzania nanocząstek srebra stabilnych w roztworach i w stanie zaadsorbowanym. Powstałe leki mają szerokie spektrum działania przeciwdrobnoustrojowego. Tym samym stało się możliwe stworzenie całej gamy produktów o właściwościach antybakteryjnych przy niewielkich zmianach w procesie technologicznym przez producentów istniejących produktów.

Nanocząstki srebra można wykorzystać do modyfikacji tradycyjnych i tworzenia nowych materiałów, powłok, środków dezynfekcyjnych i detergentów (m.in. past i past do zębów, proszków do prania, mydeł) oraz kosmetyków. Powłoki i materiały (kompozytowe, tekstylne, farbowo-lakiernicze, węglowe i inne) modyfikowane nanocząsteczkami srebra mogą być stosowane jako profilaktyczna ochrona antybakteryjna w miejscach, w których zwiększa się ryzyko rozprzestrzeniania się infekcji: w transporcie, w zakładach gastronomicznych, w rolnictwie i budynki inwentarskie, w placówkach dziecięcych, sportowych i medycznych. Nanocząsteczki srebra można wykorzystać do oczyszczania wody i zabijania patogenów w filtrach systemów klimatyzacji, basenach, prysznicach i innych podobnych miejscach publicznych.

Podobne produkty produkowane są za granicą. Jedna firma produkuje powłoki z nanocząsteczkami srebra do leczenia przewlekłych stanów zapalnych i otwartych ran.

Innym rodzajem nanomateriałów są nanorurki węglowe, które charakteryzują się kolosalną wytrzymałością (por. „Science and Life” nr 5, 2002; nr 6, 2003). Są to swoiste cylindryczne cząsteczki polimeru o średnicy około pół nanometra i długości dochodzącej do kilku mikrometrów. Po raz pierwszy odkryto je niecałe 10 lat temu jako produkty uboczne syntezy fulerenu C60. Niemniej jednak, w oparciu o nanorurki węglowe, powstają już urządzenia elektroniczne o wielkości nanometrów. Oczekuje się, że w najbliższej przyszłości zastąpią one wiele elementów w obwodach elektronicznych różnych urządzeń, w tym nowoczesnych komputerów.

Nanorurki znajdują jednak zastosowanie nie tylko w elektronice. Na rynku dostępne są już rakiety tenisowe wzmocnione nanorurkami węglowymi, które ograniczają skręcanie i zapewniają większą siłę uderzenia. Są one również stosowane w niektórych częściach rowerów sportowych.

ROSJA NA RYNKU NANOTECHNOLOGII

Krajowa firma Nanotechnology News Network zaprezentowała niedawno w Rosji kolejną nowość - samoczyszczące nanopowłoki. Wystarczy spryskać szybę samochodu specjalnym roztworem zawierającym nanocząsteczki dwutlenku krzemu, a brud i woda nie będą się na niej trzymać przez 50 000 km. Na szybie pozostaje przezroczysta ultracienka warstwa, na której woda po prostu nie ma się do czego przyczepić i spływa wraz z brudem. Nowością zainteresowali się przede wszystkim właściciele drapaczy chmur – na mycie fasad tych budynków przeznacza się ogromne sumy pieniędzy. Istnieją takie kompozycje do powlekania ceramiki, kamienia, drewna, a nawet odzieży.

Trzeba powiedzieć, że niektóre rosyjskie organizacje już z sukcesem radzą sobie na międzynarodowym rynku nanotechnologii.

Przykładowo koncern Nanoindustry posiada w swoim portfolio szereg produktów nanotechnologicznych mających zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu. Są to kompozycja redukcyjna „RVS” i nanocząstki srebra dla biotechnologii i medycyny, przemysłowa instalacja nanotechnologiczna „LUCH-1,2” oraz edukacyjna instalacja nanotechnologiczna „UMKA”.

Na bazie adaptacyjnych nanocząstek przygotowana jest kompozycja „RVS”, która może chronić przed zużyciem i przywracać prawie każdą trącą powierzchnię metalową. Produkt pozwala na utworzenie modyfikowanej wysokowęglowej warstwy ochronnej z krzemianu żelaza o grubości 0,1-1,5 mm w obszarach intensywnego tarcia powierzchni metalowych (np. w parach ciernych w silnikach spalinowych). Wlewając taką kompozycję do skrzyni korbowej oleju, można na długo zapomnieć o problemie zużycia silnika. Podczas pracy części mechaniczne nagrzewają się w wyniku tarcia, a to ogrzewanie powoduje, że nanocząsteczki metalu przylegają do uszkodzonych obszarów. Nadmierny wzrost powoduje intensywniejsze nagrzewanie, a nanocząsteczki tracą zdolność wiązania. Dzięki temu w zespole trącym stale utrzymywana jest równowaga, a części praktycznie się nie zużywają.

Szczególnie interesujący jest kompleks sprzętu nanotechnologicznego UMKA, który jest przeznaczony do prowadzenia prac demonstracyjnych, badawczych i laboratoryjnych na poziomie atomowo-molekularnym w zakresie fizyki, chemii, biologii, medycyny, genetyki i innych nauk podstawowych i stosowanych. Przykładowo niedawno obrazował powierzchnię płyty DVD z rozdzielczością 0,3 mikrona, a to nie jest limit. Unikalna technologia pracy przy prądach pikoamperowych umożliwia skanowanie nawet słabo przewodzących próbek biologicznych bez wstępnego osadzania metalu (zwykle konieczne jest, aby wierzchnia warstwa próbki była przewodząca). „UMKA” charakteryzuje się dużą stabilnością temperaturową, pozwalającą na długotrwałą manipulację poszczególnymi grupami atomów oraz dużą szybkością skanowania, pozwalającą na obserwację szybkich procesów.

Głównym obszarem zastosowań kompleksu UMKA jest szkolenie w zakresie nowoczesnych, praktycznych metod pracy ze strukturami nano. W skład kompleksu UMKA wchodzą: mikroskop tunelowy, system ochrony przed wibracjami, komplet próbek do badań, komplet materiałów eksploatacyjnych i narzędzi. Urządzenia mieszczą się w niewielkiej obudowie, pracują w warunkach pokojowych i kosztują niecałe 8 tysięcy dolarów. Możesz kontrolować eksperymenty ze zwykłego komputera osobistego.

W styczniu 2005 roku został otwarty pierwszy w Rosji sklep internetowy sprzedający produkty nanotechnologiczne. Stały adres sklepu w Internecie to www.nanobot.ru

PROBLEMY Z BEZPIECZEŃSTWEM

Niedawno odkryto, że kuliste cząsteczki C60 zwane fulerenami mogą powodować poważne choroby i szkodzić środowisku. Toksyczność rozpuszczalnych w wodzie fulerenów poddawanych działaniu dwóch różnych typów komórek ludzkich została ustalona przez naukowców z uniwersytetów Rice i Georgia (USA).

Profesor chemii Vicki Colvin z Rice University wraz ze współpracownikami odkryła, że ​​po rozpuszczeniu fulerenów w wodzie powstają koloidy C 60, które po wystawieniu na działanie ludzkich komórek skóry i komórek raka wątroby powodują ich śmierć. Jednocześnie stężenie fulerenów w wodzie było bardzo niskie: ~20 C 60 cząsteczek na 1 miliard cząsteczek wody. Jednocześnie badacze wykazali, że toksyczność cząsteczek zależy od modyfikacji ich powierzchni.

Badacze sugerują, że toksyczność prostych fulerenów C60 wynika z faktu, że ich powierzchnia jest zdolna do wytwarzania anionów ponadtlenkowych. Rodniki te uszkadzają błony komórkowe i prowadzą do śmierci komórki.

Colvin i jego współpracownicy stwierdzili, że tę negatywną właściwość fulerenów można wykorzystać na dobre – w leczeniu nowotworów nowotworowych. Konieczne jest jedynie szczegółowe wyjaśnienie mechanizmu powstawania rodników tlenowych. Oczywiście możliwe będzie stworzenie superskutecznych leków przeciwbakteryjnych na bazie fulerenów.

Jednocześnie niebezpieczeństwo stosowania fulerenów w produktach konsumenckich wydaje się naukowcom całkiem realne.

Najwyraźniej dlatego amerykańska Komisja ds. Bezpieczeństwa Żywności i Leków (FDA) ogłosiła niedawno potrzebę licencjonowania i regulowania szerokiej gamy produktów (żywności, kosmetyków, leków, sprzętu i medycyny weterynaryjnej) wytwarzanych przy użyciu nanotechnologii oraz przy użyciu nanomateriałów i nanostruktur.

NANOTECHNOLOGIE POTRZEBUJĄ WSPARCIA RZĄDU

Niestety w Rosji nadal nie ma państwowego programu rozwoju nanotechnologii. (Nawiasem mówiąc, w 2005 roku amerykański program nanotechnologii skończył pięć lat.) Bez wątpienia istnienie scentralizowanego rządowego programu rozwoju nanotechnologii bardzo pomogłoby w praktycznym wdrażaniu wyników badań. Niestety, ze źródeł zagranicznych dowiadujemy się, że w kraju zachodzą pomyślne zmiany w dziedzinie nanotechnologii. Na przykład latem amerykański Instytut Normalizacyjny ogłosił utworzenie najmniejszego na świecie zegara atomowego. Jak się okazało, nad ich stworzeniem pracował także rosyjski zespół.

W Rosji nie ma programu państwowego, ale są badacze i entuzjaści: w ciągu ostatniego roku Młodzieżowe Towarzystwo Naukowe (YSS) zjednoczyło ponad 500 młodych naukowców, doktorantów i studentów myślących o przyszłości swojego kraju. W celu szczegółowego badania zagadnień nanotechnologii w lutym 2004 roku na bazie MNO utworzono firmę analityczną „Nanotechnology News Network (NNN)”, która monitoruje setki źródeł otwartego świata w tym obszarze i przetworzyła obecnie ponad 4500 komunikatów informacyjnych z mediów zagranicznych i rosyjskich, artykułów i komunikatów prasowych oraz komentarzy ekspertów. Powstały strony internetowe www.mno.ru i www.nanonewsnet.ru, które odwiedziło ponad 170 000 obywateli Rosji i WNP.

KONKURS PROJEKTÓW MŁODZIEŻOWYCH

W kwietniu 2004 roku wspólnie z koncernem Nanoindustry przy wsparciu Banku Uniastrum udało się przeprowadzić pierwszy ogólnorosyjski konkurs młodych projektów na stworzenie krajowej nanotechnologii molekularnej, który wzbudził duże zainteresowanie rosyjskich naukowców.

Zwycięzcy konkursu zaprezentowali wybitne osiągnięcia: pierwsze miejsce przyznano zespołowi młodych naukowców z Rosyjskiego Uniwersytetu Technologii Chemicznej. D.I. Mendelejew pod przewodnictwem Kandydata Nauk Chemicznych Galiny Popowej, który stworzył materiały biomimetyczne (biomimetyka - imitacja struktur istniejących w naturze) dla nanosensorów optycznych, elektroniki molekularnej i biomedycyny. Drugie miejsce zajął absolwent Państwowego Uniwersytetu Pedagogicznego w Taszkencie. Nizami Marina Fomina, która opracowała system ukierunkowanego dostarczania leków do chorych tkanek, a trzecia to uczeń z Tomska Aleksiej Khasanov, autor technologii wytwarzania materiałów nanoceramicznych o unikalnych właściwościach. Zwycięzcy otrzymali cenne nagrody.

Przy wsparciu banku powstał i jest przygotowywany do publikacji popularnonaukowy podręcznik „Nanotechnologie dla każdego”, który zyskał uznanie czołowych naukowców.

Firma NNN, która w ciągu roku stała się wiodącą agencją analityczną w dziedzinie nanotechnologii, w grudniu 2004 roku ogłosiła rozpoczęcie II Ogólnorosyjskiego Konkursu Projektów Młodzieżowych, którego generalnym sponsorem po raz kolejny był Uniastrum Bank, zadowolony z wyniki pierwszego konkursu. Ponadto, tym razem sponsorem został także Powercom, międzynarodowy producent zasilaczy UPS. Magazyn „Nauka i Życie” bierze czynny udział w przygotowaniach i relacji z konkursu.

Celem konkursu jest przyciągnięcie utalentowanej młodzieży do rozwoju nanotechnologii w swoim kraju, a nie za granicą.

Zwycięzca konkursu otrzyma laboratorium nanotechnologii „UMKA”. Laureaci drugiego i trzeciego miejsca zostaną nagrodzeni nowoczesnymi laptopami; Najlepsi uczestnicy otrzymają bezpłatną prenumeratę magazynu Nauka i Życie. Nagrody obejmują zestawy do naprawy i renowacji pojazdów na bazie nanocząstek, prenumeratę magazynu Universum oraz miesięczniki CD „Świat Nanotechnologii”.

Tematyka projektów jest niezwykle różnorodna: od obiecujących nanomateriałów dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego po implanty i interfejsy neurotechnologiczne. Szczegółowe materiały konkursowe znajdują się na stronie internetowej www.nanonewsnet.ru.

W grudniu 2004 roku w mieście Fryazino (obwód moskiewski) odbyła się pierwsza konferencja poświęcona przemysłowemu zastosowaniu nanotechnologii, podczas której naukowcy zaprezentowali dziesiątki rozwiązań gotowych do wdrożenia w produkcji. Wśród nich znajdują się nowe materiały na bazie nanorurek, ultramocnych powłok, związków przeciwciernych, polimerów przewodzących do elastycznej elektroniki, kondensatorów dużej pojemności itp.

Nanotechnologia w Rosji nabiera tempa. Jeśli jednak badania nie będą koordynowane przez stan lub kompleksowy program federalny, prawdopodobnie nic nie zmieni się na lepsze. Opublikowano już podręcznik dla przyszłych nanotechnologów.

Temat: Nanotechnologia we współczesnym świecie 31.10

Cele Lekcji

Edukacyjny:

wprowadzić nową koncepcję nanotechnologii.

kontynuuj rozwijanie umiejętności obserwacji, wyciągania wniosków i podkreślania najważniejszych rzeczy.

Rozwojowy:

rozwijać obserwację, uwagę, mowę, pamięć.

rozwijać zainteresowanie i logiczne myślenie poprzez rozwiązane problemy.

rozwinąć zainteresowanie poszukiwaniem dodatkowych informacji w Internecie.

Edukacyjny:

nadal rozwijać horyzonty uczniów.

rozwijać umiejętność pracy w zespole i samodzielnego wykonywania czynności.

Typ lekcji: nauka nowego materiału

Typ lekcji: lekcja-konferencja

Podczas zajęć

Organizowanie czasu

Tworzenie środowiska współpracy z wykorzystaniem strategii „Atom, Molecule”.

2. Etap motywacyjny

Zapoznanie się z planem konferencji.

Historia nanotechnologii

Czym jest nanotechnologia?

Nanotechnologia w kosmosie

Nanotechnologia w medycynie

Nanotechnologia w rolnictwie i przemyśle

3. Nauka nowego materiału

1 para

1. Historia nanotechnologii

Dziadka nanotechnologii można uznać za greckiego filozofa Demokryta. Po raz pierwszy użył słowa „atom” do opisania najmniejszej cząstki materii. Przez ponad dwadzieścia stuleci ludzie próbowali zgłębić tajemnicę budowy tej cząstki. Rozwiązanie tego problemu, niemożliwego dla wielu pokoleń fizyków, stało się możliwe w pierwszej połowie XX wieku po stworzeniu przez niemieckich fizyków Maxa Knolla i Ernsta Ruską mikroskopu elektronowego, który po raz pierwszy umożliwił badanie nanoobiektów .

Wiele źródeł, przede wszystkim anglojęzycznych, pierwsze wzmianki o metodach, które później nazwano nanotechnologią, kojarzy ze słynnym przemówieniem Richarda Feynmana „There’s Plenty of Roo at the Bottom”, wygłoszonym przez niego w 1959 roku w California Institute of Technology na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. Richard Feynman zasugerował, że możliwe jest mechaniczne przemieszczanie pojedynczych atomów za pomocą manipulatora o odpowiedniej wielkości, przynajmniej taki proces nie byłby sprzeczny ze znanymi dziś prawami fizyki.

Zasugerował wykonanie tego manipulatora w następujący sposób. Konieczne jest zbudowanie mechanizmu, który stworzyłby swoją kopię, tylko o rząd wielkości mniejszą. Utworzony mniejszy mechanizm musi ponownie stworzyć swoją kopię, znowu o rząd wielkości mniejszą i tak dalej, aż wymiary mechanizmu będą współmierne do wymiarów rzędu jednego atomu. W takim przypadku konieczne będzie dokonanie zmian w strukturze tego mechanizmu, gdyż siły grawitacyjne działające w makrokosmosie będą miały coraz mniejszy wpływ, a siły oddziaływań międzycząsteczkowych będą w coraz większym stopniu wpływać na działanie mechanizmu. Ostatni etap - powstały mechanizm złoży swoją kopię z poszczególnych atomów. W zasadzie ilość takich egzemplarzy jest nieograniczona, w krótkim czasie możliwe będzie stworzenie dowolnej liczby takich maszyn. Maszyny te będą mogły składać makro-rzeczy w ten sam sposób, poprzez montaż atomowy. Dzięki temu będzie znacznie taniej – takim robotom (nanorobotom) trzeba będzie dostarczyć jedynie wymaganą ilość cząsteczek i energii oraz napisać program, który złoży potrzebne elementy. Jak dotąd nikt nie był w stanie obalić tej możliwości, ale nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takich mechanizmów. Podstawową wadą takiego robota jest niemożność stworzenia mechanizmu z jednego atomu.

2 pary

2. Czym jest nanotechnologia

Pojawiająca się całkiem niedawno nanotechnologia coraz częściej wkracza w obszar badań naukowych, a co za tym idzie – w nasze życie codzienne. Rozwój naukowców coraz częściej dotyczy obiektów mikroświata, atomów, cząsteczek i łańcuchów molekularnych. Sztucznie stworzone nanoobiekty nieustannie zaskakują badaczy swoimi właściwościami i obiecują najbardziej nieoczekiwane perspektywy ich zastosowania.

Podstawową jednostką miary w badaniach nanotechnologicznych jest nanometr – jedna miliardowa metra. W takich jednostkach mierzone są cząsteczki i wirusy, a obecnie także elementy chipów komputerowych nowej generacji. To właśnie w nanoskali zachodzą wszystkie podstawowe procesy fizyczne determinujące makrointerakcje.

Stworzenie w 1980 roku skaningowego mikroskopu tunelowego umożliwiło naukowcom nie tylko rozróżnienie poszczególnych atomów, ale także przemieszczanie ich i składanie z nich struktur, w szczególności elementów przyszłych nanomaszyn – silników, manipulatorów, zasilaczy, sterowników. Powstają nanokapsułki do bezpośredniego dostarczania leków do organizmu, nanorurki 60 razy mocniejsze od stali, elastyczne ogniwa słoneczne i wiele innych niesamowitych urządzeń.

Innym dobrze znanym nanopierwiastkiem jest nanorurka węglowa. Jest to jednoatomowa warstwa węgla zwinięta w cylinder o średnicy kilku nanometrów. Obiekty te po raz pierwszy uzyskano w 1952 r., ale dopiero w 1991 r. przykuły uwagę naukowców. Wytrzymałość tych rur dziesiątki razy przewyższa wytrzymałość stali, wytrzymują ogrzewanie do 2500 stopni i ciśnienie tysięcy atmosfer. Kolejnym nanomateriałem jest grafen – dwuwymiarowa warstwa węgla, płaszczyzna złożona z atomów węgla. Materiał ten po raz pierwszy uzyskali rosyjscy fizycy pracujący w Anglii. Wielu naukowców wierzy, że ten materiał, posiadający unikalne właściwości, stanie się w przyszłości podstawą mikroprocesorów, wypierając nowoczesne półprzewodniki. Ponadto materiał ten jest również niezwykle trwały.

Wszystkie te nanoelementy znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach techniki – od medycyny po badania kosmiczne.

. 3 pary

3. Nanotechnologia w kosmosie

Powstał system mikrosatelitów, który jest mniej podatny na próby jego zniszczenia. Czym innym jest zestrzelenie na orbicie kolosa ważącego kilkaset kilogramów, a nawet ton, natychmiast uniemożliwiając wszelką komunikację kosmiczną lub rozpoznanie, a czym innym, gdy na orbicie znajduje się cały rój mikrosatelitów. Awaria jednego z nich w tym przypadku nie zakłóci działania systemu jako całości. W związku z tym można zmniejszyć wymagania dotyczące niezawodności działania każdego satelity.

Młodzi naukowcy uważają, że do kluczowych problemów mikrominiaturyzacji satelitów należy m.in. tworzenie nowych technologii w zakresie optyki, systemów łączności, metod przesyłania, odbierania i przetwarzania dużych ilości informacji. Mówimy o nanotechnologiach i nanomateriałach, które pozwalają zmniejszyć masę i wymiary urządzeń wystrzeliwanych w przestrzeń kosmiczną o dwa rzędy wielkości. Na przykład wytrzymałość nanoniklu jest 6 razy większa niż w przypadku konwencjonalnego niklu, co umożliwia zmniejszenie masy dyszy o 20-30% w przypadku stosowania w silnikach rakietowych. Zmniejszenie masy technologii kosmicznej rozwiązuje wiele problemów: wydłuża żywotność urządzenia w kosmosie, pozwala mu latać dalej i przenosić bardziej przydatny sprzęt do badań. Jednocześnie rozwiązany zostaje problem zaopatrzenia w energię. Miniaturowe urządzenia wkrótce będą wykorzystywane do badania wielu zjawisk, np. wpływu promieni słonecznych na procesy zachodzące na Ziemi i w przestrzeni okołoziemskiej.

Kosmos nie jest dziś egzotyczny, a jego eksploracja to nie tylko kwestia prestiżu. Przede wszystkim jest to kwestia bezpieczeństwa narodowego i konkurencyjności narodowej naszego państwa. To właśnie rozwój wysoce złożonych nanosystemów może stać się przewagą narodową kraju. Podobnie jak nanotechnologia, nanomateriały dadzą nam możliwość poważnego porozmawiania o załogowych lotach na różne planety Układu Słonecznego. To właśnie zastosowanie nanomateriałów i nanomechanizmów może sprawić, że załogowe loty na Marsa i eksploracja powierzchni Księżyca staną się rzeczywistością. Kolejnym niezwykle popularnym obszarem rozwoju mikrosatelitów jest tworzenie teledetekcji Ziemi (ERS). Zaczął kształtować się rynek konsumentów informacji o rozdzielczości obrazów przestrzeni kosmicznej wynoszącej 1 m w zakresie radarowym i mniejszej niż 1 m w zakresie optycznym (dane takie wykorzystywane są przede wszystkim w kartografii).

Oczekuje się, że już w 2025 roku pojawią się pierwsze asemblery stworzone w oparciu o nanotechnologię. Teoretycznie jest możliwe, że z gotowych atomów uda im się zbudować dowolny obiekt. Wystarczy zaprojektować dowolny produkt na komputerze, a on zostanie zmontowany i pomnożony przez kompleks montażowy nanorobotów. Ale to wciąż najprostsze możliwości nanotechnologii. Z teorii wiadomo, że silniki rakietowe pracowałyby optymalnie, gdyby mogły zmieniać swój kształt w zależności od trybu pracy. Tylko dzięki zastosowaniu nanotechnologii stanie się to rzeczywistością. Konstrukcja mocniejsza od stali i lżejsza od drewna będzie mogła rozszerzać się, kurczyć i zginać, zmieniając siłę i kierunek trakcji. Statek kosmiczny będzie mógł się przekształcić za około godzinę. Nanotechnologia wbudowana w skafander kosmiczny i zapewniająca obieg substancji pozwoli człowiekowi przebywać w nim przez nieograniczony czas. Nanoroboty są także w stanie zrealizować marzenie pisarzy science fiction o kolonizacji innych planet – urządzenia te będą w stanie stworzyć na nich siedlisko niezbędne do życia człowieka. Możliwe stanie się automatyczne budowanie systemów orbitalnych, dowolnych konstrukcji w oceanach świata, na powierzchni ziemi i w powietrzu (eksperci przewidują to do 2025 roku).

4 pary

4. Nanotechnologia w medycynie

Zdaniem naukowców najnowsze osiągnięcia nanotechnologii mogą być bardzo przydatne w walce z nowotworami. Opracowano lek przeciwnowotworowy skierowany bezpośrednio do celu – do komórek dotkniętych nowotworem złośliwym. Nowy system oparty na materiale znanym jako biokrzem. Nanosilikon ma porowatą strukturę (o średnicy dziesięciu atomów), do której wygodnie jest wprowadzać leki, białka i radionuklidy. Po dotarciu do celu biosilikon zaczyna się rozpadać, a dostarczane przez niego leki zaczynają działać. Co więcej, zdaniem twórców, nowy system pozwala regulować dawkowanie leku.

Przez ostatnie lata pracownicy Centrum Nanotechnologii Biologicznych pracowali nad stworzeniem mikroczujników, które posłużą do wykrywania komórek nowotworowych w organizmie i zwalczania tej straszliwej choroby.

Nowa technika rozpoznawania komórek nowotworowych polega na wszczepianiu do organizmu człowieka maleńkich, kulistych zbiorników z syntetycznych polimerów, zwanych dendrymerami (od greckiego dendron – drewno). Polimery te zostały zsyntetyzowane w ostatniej dekadzie i mają zasadniczo nową, niestałą strukturę, która przypomina strukturę koralowca lub drewna.

Po wejściu do organizmu te maleńkie czujniki będą penetrować limfocyty – białe krwinki, które zapewniają reakcję obronną organizmu przed infekcjami i innymi czynnikami chorobotwórczymi. Podczas odpowiedzi immunologicznej komórek limfoidalnych na określoną chorobę lub warunki środowiskowe – na przykład przeziębienie lub narażenie na promieniowanie – zmienia się struktura białkowa komórki. Każdy nanosensor pokryty specjalnymi odczynnikami chemicznymi zacznie świecić pod wpływem takich zmian.

Aby zobaczyć ten blask, naukowcy stworzą specjalne urządzenie skanujące siatkówkę oka. Laser takiego urządzenia powinien wykrywać świecenie limfocytów, gdy jedna po drugiej przechodzą one przez wąskie naczynia włosowate dna oka. Naukowcy twierdzą, że jeśli w limfocytach znajduje się wystarczająca liczba znakowanych czujników, do wykrycia uszkodzenia komórek potrzebne jest 15-sekundowe skanowanie.

myć się. Do chwili obecnej stworzono tylko jednego prymitywnego, chodzącego robota DNA.

Nanomedycyna reprezentowana jest przez następujące możliwości:

1. Laboratoria na chipie, ukierunkowane dostarczanie leków do organizmu.

2. Chipy DNA (tworzenie indywidualnych leków).

3. Sztuczne enzymy i przeciwciała.

4. Sztuczne narządy, sztuczne polimery funkcjonalne (substytuty tkanek organicznych). Kierunek ten jest ściśle powiązany z ideą sztucznego życia i w przyszłości prowadzi do stworzenia robotów posiadających sztuczną świadomość i zdolnych do samoleczenia na poziomie molekularnym. Wynika to z ekspansji koncepcji życia poza organiczne

5. Chirurdzy nanoroboci (biomechanizmy dokonujące zmian i wymaganych działań medycznych, rozpoznawania i niszczenia komórek nowotworowych). To najbardziej radykalne zastosowanie nanotechnologii w medycynie - stworzenie molekularnych nanorobotów, które potrafią niszczyć infekcje i nowotwory nowotworowe, naprawiać uszkodzone DNA, tkanki i narządy, powielać całe systemy podtrzymywania życia organizmu i zmieniać jego właściwości.

Traktując pojedynczy atom jako element konstrukcyjny lub „część”, nanotechnologia poszukuje praktycznych sposobów konstruowania z tych części materiałów o określonych właściwościach. Wiele firm wie już, jak łączyć atomy i cząsteczki w określone struktury.

W przyszłości dowolne cząsteczki będą składane niczym zestaw konstrukcyjny dla dzieci. W tym celu planuje się wykorzystanie nanorobotów (nanobotów). Tak naprawdę można zbudować dowolną chemicznie stabilną konstrukcję, którą można opisać. Ponieważ nanobota można zaprogramować do zbudowania dowolnej konstrukcji, a w szczególności do zbudowania kolejnego nanobota, będą one bardzo tanie. Pracując w ogromnych grupach, nanoboty będą w stanie stworzyć dowolne obiekty niskim kosztem i dużą dokładnością. W medycynie problemem stosowania nanotechnologii jest konieczność zmiany struktury komórki na poziomie molekularnym, tj. przeprowadzić „chirurgię molekularną” przy użyciu nanobotów. Oczekuje się, że stworzą molekularnych lekarzy-robotów, którzy będą mogli „żyć” w organizmie człowieka, eliminując wszelkie powstałe uszkodzenia lub zapobiegając ich wystąpieniu. Manipulując pojedynczymi atomami i cząsteczkami, nanoboty będą w stanie naprawiać komórki. Przewidywany okres powstania lekarzy-robotów, pierwsza połowa XXI wieku.

Pomimo obecnego stanu rzeczy nanotechnologia, jako podstawowe rozwiązanie problemu starzenia się, jest więcej niż obiecująca.

5 par

5. Nanotechnologia w rolnictwie i przemyśle

Nanotechnologia może zrewolucjonizować rolnictwo. Roboty molekularne będą mogły produkować żywność, „uwalniając” od niej rośliny i zwierzęta. W tym celu wykorzystają dowolne „surowce”: wodę i powietrze, które zawierają główne niezbędne pierwiastki - węgiel, tlen, azot, wodór, aluminium i krzem, a resztę, jak w przypadku „zwykłych” organizmów żywych, będą wymagane w mikro ilościach. Przykładowo teoretycznie możliwa jest produkcja mleka bezpośrednio z trawy z pominięciem ogniwa pośredniego – krowy. Nie trzeba zabijać zwierząt, żeby cieszyć się smażonym kurczakiem lub kawałkiem wędzonego smalcu. Dobra konsumpcyjne będą produkowane „bezpośrednio w domu”

Nanożywność to termin nowy, niejasny i nieestetyczny. Jedzenie dla nanoludzi? Bardzo małe porcje? Żywność produkowana w nanofabrykach? Oczywiście nie. Ale mimo to jest to ciekawy kierunek w branży spożywczej. Okazuje się, że nanofood to cały zestaw pomysłów naukowych, które są już na drodze do wdrożenia i zastosowania w przemyśle. Po pierwsze, nanotechnologia może zapewnić producentom żywności wyjątkowe możliwości całkowitego monitorowania w czasie rzeczywistym jakości i bezpieczeństwa produktów bezpośrednio podczas procesu produkcyjnego. Mowa o maszynach diagnostycznych wykorzystujących różnorodne nanosensory, czyli tzw. kropki kwantowe, potrafiące szybko i niezawodnie wykryć w produktach najmniejsze zanieczyszczenia chemiczne czy niebezpieczne czynniki biologiczne. Metody produkcji, transportu i przechowywania żywności mogą zyskać część przydatnych innowacji z branży nanotechnologii. Zdaniem naukowców pierwsze tego typu maszyny produkcyjne pojawią się w masowej produkcji żywności już za cztery lata. Ale w porządku obrad są także bardziej radykalne pomysły. Czy jesteś gotowy połknąć nanocząstki, których nie widać? A co jeśli nanocząstki zostaną specjalnie wykorzystane do dostarczania przydatnych substancji i leków do precyzyjnie wybranych części ciała? A gdyby takie nanokapsułki można było wprowadzić do produktów spożywczych? Nikt jeszcze nie stosował nanożywności, ale wstępne prace nad nią już trwają. Eksperci twierdzą, że jadalne nanocząstki można wytwarzać z krzemu, ceramiki lub polimerów. I oczywiście - substancje organiczne. I jeśli wszystko jest jasne, jeśli chodzi o bezpieczeństwo tzw. cząstek „miękkich”, podobnych budową i składem do materiałów biologicznych, to cząstki „twarde” złożone z substancji nieorganicznych są wielką białą plamą na styku dwóch terytoriów – nanotechnologii i biologii . Naukowcy nie są jeszcze w stanie określić, jaką trasą takie cząstki będą podróżować w organizmie i dokąd trafią. To się jeszcze okaże. Jednak niektórzy eksperci już rysują futurystyczne obrazy zalet nanojadaczy. Oprócz dostarczania cennych składników odżywczych do odpowiednich komórek. Pomysł jest taki: każdy kupuje ten sam napój, ale wtedy konsument będzie mógł kontrolować nanocząsteczki tak, aby smak, kolor, aromat i stężenie napoju zmieniały się na jego oczach.

4. Konsolidacja nowego materiału

Stworzenie projektu „Nasz NANOświat!”

Odbicie

Stosowanie strategii trzech M

Nanotechnologia to dziedzina nauki i technologii podstawowej i stosowanej, zajmująca się połączeniem uzasadnienia teoretycznego, praktycznych metod badań, analiz i syntezy, a także metod wytwarzania i stosowania produktów o danej strukturze atomowej poprzez kontrolowaną manipulację indywidualnymi atomy i cząsteczki.

Fabuła

Wiele źródeł, przede wszystkim anglojęzycznych, pierwsze wzmianki o metodach, które później nazwano nanotechnologią, kojarzy ze słynnym przemówieniem Richarda Feynmana „There’s Plenty of Room at the Bottom”, wygłoszonym przez niego w 1959 roku w California Institute of Technology na dorocznej konferencji Spotkanie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. Richard Feynman zasugerował, że możliwe jest mechaniczne przemieszczanie pojedynczych atomów za pomocą manipulatora o odpowiedniej wielkości, przynajmniej taki proces nie byłby sprzeczny ze znanymi dziś prawami fizyki.

Zasugerował wykonanie tego manipulatora w następujący sposób. Konieczne jest zbudowanie mechanizmu, który stworzyłby swoją kopię, tylko o rząd wielkości mniejszą. Utworzony mniejszy mechanizm musi ponownie stworzyć swoją kopię, znowu o rząd wielkości mniejszą i tak dalej, aż wymiary mechanizmu będą współmierne do wymiarów rzędu jednego atomu. W tym przypadku konieczne będzie dokonanie zmian w strukturze tego mechanizmu, gdyż siły grawitacyjne działające w makrokosmosie będą miały coraz mniejszy wpływ, a siły oddziaływań międzycząsteczkowych i siły van der Waalsa będą w coraz większym stopniu wpływać na działanie Mechanizm.

Ostatni etap - powstały mechanizm złoży swoją kopię z poszczególnych atomów. W zasadzie ilość takich egzemplarzy jest nieograniczona, w krótkim czasie możliwe będzie stworzenie dowolnej liczby takich maszyn. Maszyny te będą mogły składać makro-rzeczy w ten sam sposób, poprzez montaż atomowy. Dzięki temu będzie znacznie taniej – takim robotom (nanorobotom) trzeba będzie dostarczyć jedynie wymaganą ilość cząsteczek i energii oraz napisać program, który złoży potrzebne elementy. Jak dotąd nikt nie był w stanie obalić tej możliwości, ale nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takich mechanizmów. W trakcie teoretycznych badań tej możliwości wyłoniły się hipotetyczne scenariusze zagłady, które zakładają, że nanoroboty pochłoną całą biomasę Ziemi, realizując swój program samoreprodukcji (tzw. „szara maź” lub „szara zawiesina”).

Pierwsze założenia o możliwości badania obiektów na poziomie atomowym można znaleźć w wydanej w 1704 roku książce Izaaka Newtona „Optyka”. Newton wyraża w swojej książce nadzieję, że pewnego dnia przyszłe mikroskopy będą mogły zgłębiać „sekrety ciałek”.

Terminu „nanotechnologia” użył po raz pierwszy Norio Taniguchi w 1974 r. Użył tego terminu do opisania wytwarzania produktów o wielkości kilku nanometrów. W latach 80. XX wieku terminu tego użył Eric K. Drexler w jego książkach Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology i Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation.

Co może zrobić nanotechnologia?

Oto tylko niektóre obszary, w których nanotechnologia może stanowić przełom:

Medycyna

Nanosensory zapewnią postęp we wczesnej diagnostyce chorób. Zwiększy to Twoje szanse na wyzdrowienie. Możemy pokonać raka i inne choroby. Stare leki na raka niszczyły nie tylko chore komórki, ale także zdrowe. Dzięki nanotechnologii lek zostanie dostarczony bezpośrednio do chorej komórki.

Nanotechnologia DNA– wykorzystywać określone zasady cząsteczek DNA i kwasów nukleinowych, aby na ich podstawie tworzyć jasno określone struktury. Przemysłowa synteza cząsteczek leków i preparatów farmakologicznych o ściśle określonej postaci (bis-peptydy).

Na początku 2000 roku, dzięki szybkiemu postępowi w technologii wytwarzania nanocząstek, nadano impuls rozwojowi nowej dziedziny nanotechnologii - nanoplazmonika. Okazało się, że możliwe jest przesyłanie promieniowania elektromagnetycznego wzdłuż łańcucha nanocząstek metali za pomocą wzbudzenia oscylacji plazmonowych.

Budowa

Nanosensory konstrukcji budynków będą monitorować ich wytrzymałość i wykrywać wszelkie zagrożenia dla ich integralności. Obiekty zbudowane przy użyciu nanotechnologii mogą wytrzymać pięć razy dłużej niż nowoczesne konstrukcje. Domy dostosowują się do potrzeb mieszkańców, zapewniając chłód latem i ciepło zimą.

Energia

Będziemy mniej zależni od ropy i gazu. Nowoczesne panele słoneczne mają sprawność około 20%. Dzięki zastosowaniu nanotechnologii może urosnąć 2-3 razy. Cienkie nanofilmy na dachu i ścianach mogą zapewnić energię całemu domowi (jeśli oczywiście jest wystarczająco dużo słońca).

Inżynieria mechaniczna

Cały nieporęczny sprzęt zostanie zastąpiony robotami – urządzeniami łatwo sterowanymi. Będą w stanie stworzyć dowolne mechanizmy na poziomie atomów i cząsteczek. Do produkcji maszyn zostaną wykorzystane nowe nanomateriały, które mogą zmniejszyć tarcie, chronić części przed uszkodzeniem i oszczędzać energię. To nie wszystkie obszary, w których nanotechnologia może (i będzie!) być wykorzystywana. Naukowcy uważają, że pojawienie się nanotechnologii to początek nowej rewolucji naukowo-technicznej, która ogromnie zmieni świat XXI wieku. Warto jednak zaznaczyć, że nanotechnologia nie wchodzi zbyt szybko do realnej praktyki. Niewiele urządzeń (głównie elektroniki) działa w trybie „nano”. Częściowo wynika to z wysokiej ceny nanotechnologii i niezbyt wysokiej rentowności produktów nanotechnologicznych.

Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości, przy pomocy nanotechnologii, powstaną zaawansowane technologicznie, mobilne, łatwe w sterowaniu urządzenia, które z powodzeniem zastąpią dzisiejszy zautomatyzowany, ale trudny w zarządzaniu i uciążliwy sprzęt. Przykładowo z biegiem czasu sterowane komputerowo bioroboty będą mogły pełnić funkcje obecnych, nieporęcznych przepompowni.

• Komputer DNA– system obliczeniowy wykorzystujący możliwości obliczeniowe cząsteczek DNA. Obliczenia biomolekularne to zbiorcza nazwa różnych technik związanych w taki czy inny sposób z DNA lub RNA. W obliczeniach DNA dane są reprezentowane nie w postaci zer i jedynek, ale w postaci struktury molekularnej zbudowanej na podstawie helisy DNA. Rolę oprogramowania do odczytu, kopiowania i zarządzania danymi pełnią specjalne enzymy.
• Mikroskop sił atomowych– mikroskop z sondą skanującą o wysokiej rozdzielczości, oparty na oddziaływaniu igły wspornikowej (sondy) z powierzchnią badanej próbki. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) może badać zarówno powierzchnie przewodzące, jak i nieprzewodzące, nawet przez warstwę cieczy, co umożliwia pracę z cząsteczkami organicznymi (DNA). Rozdzielczość przestrzenna mikroskopu sił atomowych zależy od wielkości wspornika i krzywizny jego końcówki. Rozdzielczość sięga atomowej w poziomie i znacznie ją przewyższa w pionie.
• Oscylator antenowy– 9 lutego 2005 roku w laboratorium Uniwersytetu Bostońskiego uzyskano antenę-oscylator o wymiarach około 1 mikrona. Urządzenie to ma 5 miliardów atomów i może oscylować z częstotliwością 1,49 gigaherca, co pozwala mu przesyłać ogromne ilości informacji.

10 nanotechnologii o niesamowitym potencjale

Spróbuj zapamiętać jakiś kanoniczny wynalazek. Prawdopodobnie ktoś teraz wyobraził sobie koło, ktoś samolot, a ktoś iPoda. Ilu z Was myślało o wynalezieniu zupełnie nowej generacji – nanotechnologii? Ten świat jest mało zbadany, ale ma niesamowity potencjał, który może dać nam naprawdę fantastyczne rzeczy. Zadziwiająca rzecz: dziedzina nanotechnologii nie istniała aż do 1975 roku, mimo że naukowcy rozpoczęli prace w tej dziedzinie znacznie wcześniej.

Ludzkie oko jest w stanie rozpoznać obiekty o wielkości do 0,1 milimetra. Dziś porozmawiamy o dziesięciu wynalazkach, które są 100 000 razy mniejsze.

Ciekły metal przewodzący prąd elektryczny

Wykorzystując energię elektryczną, można uformować prosty ciekły stop metalu galu, irydu i cyny w skomplikowane kształty lub koła wiatru wewnątrz szalki Petriego. Można z pewnym prawdopodobieństwem stwierdzić, że to właśnie z tego materiału powstał słynny cyborg z serii T-1000, którego mogliśmy zobaczyć w Terminatorze 2.

„Miękki stop zachowuje się jak inteligentny kształt, który w razie potrzeby może się odkształcać, biorąc pod uwagę zmieniającą się otaczającą przestrzeń, w której się porusza. Zupełnie jak cyborg z popularnego filmu science-fiction” – mówi Jin Li z Uniwersytetu Tsinghua, jeden z badaczy zaangażowanych w ten projekt.

Metal ten jest biomimetyczny, co oznacza, że ​​imituje reakcje biochemiczne, chociaż sam nie jest substancją biologiczną.

Metal ten może być kontrolowany przez wyładowania elektryczne. Jednak on sam może poruszać się niezależnie ze względu na powstającą nierównowagę obciążenia, która powstaje w wyniku różnicy ciśnień pomiędzy przodem i tyłem każdej kropli tego stopu metalu. I choć naukowcy uważają, że proces ten może być kluczem do przemiany energii chemicznej w energię mechaniczną, materiał molekularny nie będzie w najbliższym czasie używany do budowy złych cyborgów. Cały „magiczny” proces może nastąpić tylko w roztworze wodorotlenku sodu lub roztworze soli fizjologicznej.

Nanoplastie

Naukowcy z Uniwersytetu w Yorku pracują nad opracowaniem specjalnych plastrów, które będą miały za zadanie dostarczać do organizmu wszystkie niezbędne leki bez użycia igieł i strzykawek. Plastry, które są dość normalnej wielkości, przykleja się do dłoni i dostarczają do wnętrza ciała określoną dawkę nanocząsteczek leku (na tyle małych, że mogą przedostać się do mieszków włosowych). Nanocząstki (każda o wielkości mniejszej niż 20 nanometrów) same znajdą szkodliwe komórki, zabiją je i zostaną wyeliminowane z organizmu wraz z innymi komórkami w wyniku naturalnych procesów.

Naukowcy zauważają, że w przyszłości takie nanoplastry mogłyby znaleźć zastosowanie w walce z jedną z najstraszniejszych chorób na Ziemi – nowotworem. W przeciwieństwie do chemioterapii, która w takich przypadkach często stanowi integralną część leczenia, nanoplastry będą w stanie indywidualnie znajdować i niszczyć komórki nowotworowe, pozostawiając zdrowe komórki nietknięte. Projekt nanopatch nazywa się NanJect. Jego rozwojem zajmują się Atif Syed i Zakaria Hussain, którzy w 2013 roku, będąc jeszcze studentami, uzyskali niezbędny sponsoring w ramach kampanii crowdsourcingowej mającej na celu zbiórkę funduszy.

Nanofiltr do wody

Kiedy ta folia jest używana w połączeniu z drobną siatką ze stali nierdzewnej, olej jest odpychany, pozostawiając wodę w tym obszarze nieskazitelnie czystą.

Co ciekawe, do stworzenia nanofilmu zainspirowała się sama natura. Liście lotosu, zwane także liliami wodnymi, mają przeciwne właściwości nanofilmu: zamiast oleju odpychają wodę. To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy obserwowali te niesamowite rośliny ze względu na ich równie niesamowite właściwości. Zaowocowało to na przykład powstaniem materiałów superhydrofobowych w 2003 roku. Jeśli chodzi o nanofilm, badacze próbują stworzyć materiał imitujący powierzchnię lilii wodnych i wzbogacić ją cząsteczkami specjalnego środka czyszczącego. Sama powłoka jest niewidoczna dla ludzkiego oka. Będzie niedrogi w produkcji: około 1 dolara za metr kwadratowy.

Oczyszczacz powietrza dla łodzi podwodnych

Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek zastanawiał się, jakim rodzajem załogi powietrznych łodzi podwodnych muszą oddychać, z wyjątkiem samych członków załogi. Tymczasem oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla musi nastąpić natychmiast, gdyż podczas jednego rejsu to samo powietrze musi setki razy przechodzić przez lekkie załogi łodzi podwodnej. Do oczyszczania powietrza z dwutlenku węgla stosuje się aminy, które mają bardzo nieprzyjemny zapach. Aby rozwiązać ten problem, stworzono technologię oczyszczania zwaną SAMMS (skrót od Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Proponuje zastosowanie specjalnych nanocząstek umieszczonych wewnątrz granulek ceramicznych. Substancja posiada porowatą strukturę, dzięki czemu pochłania nadmiar dwutlenku węgla. Różne rodzaje oczyszczania SAMMS oddziałują z różnymi cząsteczkami w powietrzu, wodzie i glebie, ale wszystkie te opcje oczyszczania są niezwykle skuteczne. Wystarczy jedna łyżka tego porowatego granulatu ceramicznego, aby oczyścić powierzchnię równą jednemu boisku piłkarskiemu.

Nanoprzewodniki

Naukowcy z Northwestern University (USA) odkryli, jak wytworzyć przewodnik elektryczny w nanoskali. Przewodnik ten to twarda i trwała nanocząstka, którą można skonfigurować tak, aby przesyłała prąd elektryczny w różnych przeciwnych kierunkach. Z badań wynika, że ​​każda taka nanocząstka jest w stanie emulować działanie „prostowników, przełączników i diod”. Każda cząstka o grubości 5 nanometrów jest pokryta dodatnio naładowaną substancją chemiczną i otoczona ujemnie naładowanymi atomami. Zastosowanie wyładowania elektrycznego powoduje rekonfigurację ujemnie naładowanych atomów wokół nanocząstek.

Potencjał tej technologii, jak podają naukowcy, jest bezprecedensowy. Na jej podstawie można tworzyć materiały „zdolne do samodzielnego zmieniania się w celu dostosowania do konkretnych zadań obliczeniowych komputera”. Zastosowanie tego nanomateriału faktycznie „przeprogramuje” elektronikę przyszłości. Aktualizacje sprzętu staną się tak proste, jak aktualizacje oprogramowania.

Ładowarka Nanotech

Kiedy to coś zostanie stworzone, nie będziesz już musiał używać żadnych przewodowych ładowarek. Nowa nanotechnologia działa jak gąbka, ale nie wchłania cieczy. Pobiera energię kinetyczną z otoczenia i kieruje ją bezpośrednio do smartfona. Technologia opiera się na zastosowaniu materiału piezoelektrycznego, który wytwarza energię elektryczną pod wpływem naprężeń mechanicznych. Materiał wyposażony jest w nanoskopowe pory, które zamieniają go w elastyczną gąbkę.

Oficjalna nazwa tego urządzenia to „nanogenerator”. Takie nanogeneratory mogą pewnego dnia stać się częścią każdego smartfona na świecie, częścią deski rozdzielczej każdego samochodu, a być może częścią każdej kieszeni ubrania – gadżety będą ładowane bezpośrednio w nim. Ponadto technologia ta ma potencjał do zastosowania na większą skalę, np. w urządzeniach przemysłowych. Tak przynajmniej uważają badacze z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, którzy stworzyli tę niesamowitą nanogąbkę.

Sztuczna siatkówka

Izraelska firma Nano Retina opracowuje interfejs, który będzie bezpośrednio łączyć się z neuronami oka i przekazywać wyniki modelowania neuronowego do mózgu, zastępując siatkówkę i przywracając ludziom wzrok.

Nadzieję na powodzenie projektu dał eksperyment na ślepym kurczaku. Nanofilm pozwolił kurczakowi zobaczyć światło. To prawda, że ​​​​ostatni etap opracowywania sztucznej siatkówki przywracającej ludziom wzrok jest wciąż odległy, ale postęp w tym kierunku nie może się nie cieszyć. Nano Retina nie jest jedyną firmą zajmującą się takimi zmianami, ale to ich technologia wydaje się obecnie najbardziej obiecująca, skuteczna i adaptacyjna. Ostatni punkt jest najważniejszy, gdyż mówimy o produkcie, który będzie wkomponowany w czyjeś oczy. Podobne osiągnięcia wykazały, że materiały stałe nie nadają się do takich celów.

Ponieważ technologia jest rozwijana na poziomie nanotechnologicznym, eliminuje użycie metalu i drutów, a także pozwala uniknąć niskiej rozdzielczości symulowanego obrazu.

Świecące ubrania

Naukowcy z Szanghaju opracowali odblaskowe nici, które można wykorzystać w produkcji odzieży. Podstawą każdej nici jest bardzo cienki drut ze stali nierdzewnej, który jest pokryty specjalnymi nanocząsteczkami, warstwą polimeru elektroluminescencyjnego i ochronną powłoką z przezroczystych nanorurek. Rezultatem są bardzo lekkie i elastyczne nici, które mogą świecić pod wpływem własnej energii elektrochemicznej. Jednocześnie działają przy znacznie niższej mocy w porównaniu do konwencjonalnych diod LED.

Wadą tej technologii jest to, że „rezerwa światła” nici wystarcza jeszcze tylko na kilka godzin. Twórcy materiału optymistycznie wierzą jednak, że będą w stanie zwiększyć „zasoby” swojego produktu co najmniej tysiąckrotnie. Nawet jeśli im się to uda, rozwiązanie innego niedociągnięcia pozostaje wątpliwe. Najprawdopodobniej nie będzie można prać ubrań opartych na takich nanorurkach.

Nanoigły do ​​odbudowy narządów wewnętrznych

Nanoplastry, o których mówiliśmy powyżej, zostały zaprojektowane specjalnie w celu zastąpienia igieł. Co by było, gdyby same igły miały rozmiar zaledwie kilku nanometrów? Jeśli tak, mogliby zmienić nasze rozumienie chirurgii lub przynajmniej znacząco je ulepszyć.

Niedawno naukowcy przeprowadzili udane testy laboratoryjne na myszach. Za pomocą maleńkich igieł badacze byli w stanie wprowadzić kwasy nukleinowe do ciał gryzoni, promując regenerację narządów i komórek nerwowych, a tym samym przywracając utraconą wydajność. Kiedy igły spełnią swoją funkcję, pozostają w organizmie i po kilku dniach ulegają w nim całkowitemu rozkładowi. Jednocześnie naukowcy nie stwierdzili żadnych skutków ubocznych podczas operacji przywracania naczyń krwionośnych w mięśniach grzbietu gryzoni przy użyciu tych specjalnych nanoigieł.

Jeśli weźmiemy pod uwagę przypadki ludzi, takie nanoigły można wykorzystać do dostarczenia do organizmu człowieka niezbędnych leków, np. przy przeszczepianiu narządów. Specjalne substancje przygotują otaczające tkanki wokół przeszczepionego narządu do szybkiego powrotu do zdrowia i wyeliminują możliwość odrzucenia.

Druk chemiczny 3D

Chemik z Uniwersytetu Illinois, Martin Burke, to Willy Wonka chemii. Wykorzystując zbiór cząsteczek „materiału budowlanego” do różnych celów, może stworzyć ogromną liczbę różnych substancji chemicznych obdarzonych najróżniejszymi „niesamowitymi, a jednocześnie naturalnymi właściwościami”. Na przykład jedną z takich substancji jest ratanina, którą można znaleźć tylko w bardzo rzadkim peruwiańskim kwiacie.

Potencjał syntezy substancji jest tak ogromny, że umożliwi wytworzenie cząsteczek stosowanych w medycynie, przy tworzeniu diod LED, ogniw baterii słonecznych i tych pierwiastków chemicznych, których synteza nawet najlepszym chemikom na świecie zajmowała lata.

Możliwości obecnego prototypu chemicznej drukarki 3D są nadal ograniczone. Potrafi jedynie tworzyć nowe leki. Burke ma jednak nadzieję, że pewnego dnia uda mu się stworzyć konsumencką wersję swojego niesamowitego urządzenia, które będzie miało znacznie większe możliwości. Całkiem możliwe, że w przyszłości takie drukarki będą pełnić rolę swego rodzaju domowych farmaceutów.

Czy nanotechnologia stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska?

Niewiele jest informacji na temat negatywnego wpływu nanocząstek. W 2003 roku jedno z badań wykazało, że nanorurki węglowe mogą uszkodzić płuca myszy i szczurów. Badanie przeprowadzone w 2004 roku wykazało, że fulereny mogą gromadzić się i powodować uszkodzenia mózgu u ryb. Jednak w obu badaniach wykorzystano duże ilości substancji w nietypowych warunkach. Według jednej z ekspertów, chemiczki Kristen Kulinowski (USA), „wskazane byłoby ograniczenie narażenia na te nanocząstki, mimo że obecnie nie ma informacji o ich zagrożeniu dla zdrowia człowieka”.

Niektórzy komentatorzy sugerowali również, że powszechne stosowanie nanotechnologii może prowadzić do zagrożeń społecznych i etycznych. Na przykład zastosowanie nanotechnologii zapoczątkowuje nową rewolucję przemysłową, co doprowadzi do utraty miejsc pracy. Co więcej, nanotechnologia może zmienić koncepcję człowieka, gdyż jej zastosowanie pomoże przedłużyć życie i znacznie zwiększyć odporność organizmu. „Nikt nie może zaprzeczyć, że powszechne przyjęcie telefonów komórkowych i Internetu spowodowało ogromne zmiany w społeczeństwie” – mówi Kristen Kulinowski. „Kto odważy się powiedzieć, że w nadchodzących latach nanotechnologia nie będzie miała większego wpływu na społeczeństwo?”

Miejsce Rosji wśród krajów rozwijających i produkujących nanotechnologie

Światowymi liderami pod względem całkowitych inwestycji w nanotechnologię są kraje UE, Japonia i USA. W ostatnim czasie znacząco zwiększyły inwestycje w tę branżę Rosja, Chiny, Brazylia i Indie. W Rosji kwota dofinansowania w ramach programu „Rozwój infrastruktury nanoprzemysłowej w Federacji Rosyjskiej na lata 2008–2010” wyniesie 27,7 mld rubli.

Najnowszy raport (2008) londyńskiej firmy badawczej Cientifica, zatytułowany Nanotechnology Outlook Report, opisuje rosyjskie inwestycje dosłownie w następujący sposób: „Chociaż UE nadal zajmuje pierwsze miejsce pod względem inwestycji, Chiny i Rosja już wyprzedziły Stany Zjednoczone. ”

Istnieją obszary nanotechnologii, w których rosyjscy naukowcy jako pierwsi na świecie uzyskali wyniki, które położyły podwaliny pod rozwój nowych trendów naukowych.

Należą do nich produkcja ultradyspersyjnych nanomateriałów, projektowanie urządzeń jednoelektronowych, a także prace z zakresu sił atomowych i mikroskopii z sondami skanującymi. Dopiero na specjalnej wystawie zorganizowanej w ramach XII Forum Ekonomicznego w Petersburgu (2008) zaprezentowano jednocześnie 80 konkretnych wydarzeń. Rosja produkuje już szereg nanoproduktów, na które jest zapotrzebowanie na rynku: nanomembrany, nanoproszki, nanorurki. Jednak zdaniem ekspertów pod względem komercjalizacji osiągnięć nanotechnologicznych Rosja pozostaje o dziesięć lat w tyle za Stanami Zjednoczonymi i innymi krajami rozwiniętymi.

Nanotechnologia w sztuce

Wiele prac amerykańskiej artystki Natashy Vita-Mor porusza tematykę nanotechnologii.

W sztuce współczesnej pojawił się nowy kierunek: „nanoart” (nanoart) - rodzaj sztuki związany z tworzeniem przez artystę rzeźb (kompozycji) o rozmiarach mikro i nano (odpowiednio 10-6 i 10-9 m) pod wpływem chemicznych lub fizycznych procesów obróbki materiałów, fotografowanie powstałych nanoobrazów za pomocą mikroskopu elektronowego i obróbka czarno-białych fotografii w edytorze graficznym.

W znanym dziele rosyjskiego pisarza N. Leskowa „Lefty” (1881) znajduje się ciekawy fragment: „Gdyby – mówi – „był lepszy mikroskop, który powiększa pięć milionów, to raczyłbyś” – mówi – „aby zobaczyć, że na każdej podkowie widnieje nazwisko rzemieślnika: który rosyjski mistrz wykonał tę podkowę”. Powiększenie 5 000 000 razy zapewniają nowoczesne mikroskopy elektronowe i mikroskopy sił atomowych, uważane za główne narzędzia nanotechnologii. Tym samym bohatera literackiego Lefty’ego można uznać za pierwszego „nanotechnologa” w historii.

Idee zaprezentowane przez Feynmana w jego wykładzie „There's a Lot of Room Down There” z 1959 r. na temat tworzenia i używania nanomanipulatorów pokrywają się tekstowo z opowiadaniem science fiction „Mikrorukki” słynnego radzieckiego pisarza Borysa Żitkowa, opublikowanym w 1931 r. O negatywnych konsekwencjach niekontrolowanego rozwoju nanotechnologii można przeczytać w pracach M. Crichtona („Rój”), S. Lema („Kontrola na miejscu” i „Pokój na ziemi”), S. Łukjanienki („Nic do Dzielić").

Główny bohater powieści „Transman” Yu Nikitiny jest szefem korporacji nanotechnologicznej i pierwszą osobą, która doświadczyła działania nanorobotów medycznych.

W serialach science fiction Stargate SG-1 i Stargate Atlantis jednymi z najbardziej zaawansowanych technologicznie ras są dwie rasy „replikatorów”, które powstały w wyniku nieudanych eksperymentów wykorzystujących i opisujących różne zastosowania nanotechnologii. W Dniu, w którym zatrzymała się Ziemia, z Keanu Reevesem w roli głównej, obca cywilizacja skazuje ludzkość na śmierć i prawie niszczy wszystko na planecie za pomocą samoreplikujących się nanoreplikujących robaków, które pożerają wszystko na swojej drodze.