Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
КОНТРОЛЬНА РОБОТА
на тему: «Основи нанотехнологій»
1. Перерахуйте області, в яких використовуються нанотехнології. Наведіть приклади одержуваних матеріалів
Нанотекстиль
Нанотекстиль займає одне з провідних місць у світовому виробництві нанопродукції після наноелектроніки, нанофармацевтики та нанокосметики.
Обсяг виробництва ~ 50 млрд. DS (2006 р.)
Приріст ~ 10% на рік
Лідер США ~ 40%
РФ закуповує на ~ 1,5 млрд. DS (технічний, гігієна, спорт)
Гігієнічний текстиль
(памперси, білизна лікарняна)
200 млн. чол. - споживачі (діти, похилого віку) памперсів. Населення планети старіє, ринок памперсів розширюється.
Гігієнічний текстиль = нанотехнологія: Нановолокна (суперсорбенти), наносрібло, нановіддушки, etc.
Хімічні волокна
Нановолокна по діаметру< 100 нм.
Найпоширеніша технологія отримання нанотонких волокон - електропрядіння, коли на виході з фільєри розчин або розплав полімеру потрапляє до зони дії електричного поля. В електричному полі відбувається потонання струменя полімеру, що витікає, до нанорозмірів, як це показано на схемі:
Звичайні хімічні волокна з включенням наночастинок різної хімічної природи та форми (вуглець-фулерени, метали, оксиди металів, алюмосилікати та ін.), Наповнені наночастинками волокна - це композитні волокна з новими властивостями.
Від природи наночастинок залежать нові властивості: електропровідність, механічна міцність, антимікробність, здатність фарбуватись, etc.
Захисний текстиль
Точного визначення, що таке захисний текстиль немає ні у зарубіжній, ні у вітчизняній літературі. Спробуємо дати своє (може бути скориговано):
«Текстильний матеріал та виріб з нього, що захищає людину та навколишнє середовище (нерукотворне та рукотворне)».
Складність визначення пов'язана з тим, що захисний текстиль частково потрапляє в технічний, коли захищає техніку, і спортивний і медичний і косметичний, геотекстиль.
Сам текстиль та вироби з нього також вимагають в умовах експлуатації та зберігання захисту від термо-, хемо-, механо-, біо-, фото- та радіаційної деструкції. Захист матеріалу та виробів від цих впливів не означає автоматичного захисту від них людини. І все ж таки часто ці функції поєднуються, наприклад, надаючи матеріалу вогнезахищеність, ми захищаємо від вогню та людини! Захищаючи матеріал від мікроорганізмів, захищаємо і людину!
Актуальність проблеми розробки технологій та виробництва захисного текстилю полягає в тому, що мільйони людей на планеті, об'єкти природи та техніки потребують захисту від специфічних умов праці людей та експлуатації техніки.
Умови роботи людей багатьох професій шкідливо впливають на організм людини, що потребує захисту за допомогою виробів з текстилю. Робота в промисловості, у силових структурах, у госпіталях, на електро-, гідро- та атомних електростанціях пов'язана з певними та специфічними ризиками. Кожна професія висуває свої специфічні вимоги до захисту.
Основні захисні функції, властивості текстилю та виробів із нього:
Перегріву
Переохолодження
Хімічний захист від рідких та газоподібних отруйних речовин
Від шкідливих мікроорганізмів
Балістичний захист
Від радіації
Від УФ-випромінювання
Від кліщів, кровососних
Більшість із цих властивостей в даний час надається текстилю з використанням нановолокон, нанопрепаратів та інших прийомів різних нанотехнологій.
Медичний текстиль та нанотехнологія
Медичний текстиль іноді відносять до технічного текстилю, що не так. Це звісно – нетехнічний текстиль. Медтекстиль – це гуманітарне, соціальне використання текстилю. У цій сфері нанотехнології знайшли застосування обігнавши (річне зростання 5%) всі інші види текстилю, і тому є причини, які зумовлюють надзвичайно динамічний розвиток виробництва медтекстилю:
Зростання населення планети, особливо в країнах, що розвиваються. У світі – 6,5 млрд. осіб, у Китаї – 1 млрд. 200 млн. осіб, в Індії – 900 млн. осіб.
Зміна демографічної структури, збільшення частки літнього населення.
Підвищення рівня та якості життя.
Підвищення ризиків, пов'язаних із погіршенням екології (збільшення захворювань серця, раку, СНІДу, гепатиту), природні катаклізми, теракти та ін.
Більшість останніх досягнень у галузі медтекстилю пов'язано з нано-, біо- та інформаційними технологіями, полімерною хімією та фізики.
Медтекстиль охоплює дуже широкий асортимент виробів і за призначенням їх можна класифікувати таким чином:
Перев'язувальні матеріали (традиційні захисту ран, сучасні лікувальні).
Імплантати (біологічно розкладаються і не розкладаються нові матеріали, сухожилля, зв'язки, шкіра, контактні лінзи, рогова оболонка, кістки, суглоби, судини, серцеві клапани). Не означає, що текстиль цілком формує імплантат, може входити до нього складовою.
Пристрої, що замінюють органи (штучні нирки, печінка, легені тощо), де текстиль, волокна входять у конструкцію.
Захисний одяг (хірургічні маски, шапочки, бахіли, постільна та натільна білизна, ковдри, фіранки). Всім цим матеріалам надаються антимікробні, антивірусні властивості, а в одязі хірурга також водовідштовхувальні властивості (затримка фізіологічних рідин пацієнта під час операції).
Сенсорний текстиль та одяг для моніторингу на відстані основних параметрів організму пацієнта (це використовується і для стеження за тренуванням спортсменів, за армійським персоналом при виконанні завдань, пов'язаних із надзусиллями). Мініатюрні датчики, що інкорпоруються в текстиль одягу, відстежують динаміку зміни електрокардіограми, дихальних функцій, пульсу, температури шкіри, рівень кисню в крові та положення тіла у просторі. Всі ці показники записуються на спеціальні портативні пристрої (розмір мобільного телефону) і передаються на центральний сервер лікарні і далі лікаря, що приймає рішення у разі позаштатної ситуації.
Косметичний текстиль
Косметичний текстиль значно менш різноманітний за асортиментом порівняно з медтекстилем. Основною групою видом косметичного текстилю є косметичні маски на текстильній основі. Вони виконують роль омолоджування шкіри, затримують її старіння, згладжують зморшки, у разі проблемної шкіри (висипання, вугри, пігментація і т.д.) маски мають лікувальну дію.
Косметичні маски містять косметичні препарати різної природи (екстракти рослин, вітаміни, біологічно активні речовини, ліки, срібло наночастинки).
Способи введення цих препаратів у маски різні: просочення, використання технології апретування та друку.
У будь-якому випадку завдання, як і у разі лікувальних пов'язок, полягає у створенні маски – депо косметичних чи лікарських засобів.
Вітчизняна фірма «Тексаль» розробила технологію та випускає косметичні маски на текстильній основі під торговою назвою «Тексаль». За основу взята описана вище технологія «Колетекс», тільки для масок підібрані спеціальні текстильні матеріали, полімерні композиції та косметичні засоби та ліки, що вводяться в них.
Цікавим напрямом у виробництві косметичного та медичного текстилю є використання спеціальних органічних молекул - контейнерів косметичних засобів та ліків.
Як такі молекулярні контейнери (слайд 70) використовують циклічні похідні декстрину - циклодекстрин. Циклодекстрини різної будови (число членів циклу) мають внутрішню гідрофобну порожнину (5085 нм) та зовнішню гідрофільну (безліч гідроксилів) поверхню. Якщо в порожнину циклодекстрину помістити ліки або косметичні засоби, а сам циклодекстрин ввести в текстильний матеріал і зафіксувати його в ньому, то формується депо – ліки чи депо – косметичний засіб.
Спортивний нанотекстиль
Спортивний текстиль сьогодні широко використовує прийоми та методи нанотехнології:
Спортивний одяг, що створює комфорт у просторі (вологість, температура).
Діагностичний сенсорний одяг, що стежить у режимі on-line за станом організму спортсмена.
Надміцний спортінвентар нового покоління.
нанотехнологія текстиль ризик екологічний
2. Потенційні ризики, пов'язані з розвитком нанотехнологій
В даний час велика кількість пасивних наноструктур (перше покоління) знаходять застосування в косметиці, виготовлення фарб і мастильних матеріалів. Експерти виділяють такі характеристики ризиків: токсичність, екотоксичність, енергозалежність, займистість, здатність накопичуватися в клітинах. Особливі ризики «відкритого» характеру виникають при виробництві, транспортуванні та зберіганні відходів. Отже, дослідники звертають увагу на такі сфери, у яких виникають ризики, пов'язані з пасивними наноструктурами:
У сфері людського здоров'я: - наноструктури можуть бути токсичними та завдавати шкоди деяким органам людини, таким як печінка та через нервову систему проникати в мозок; - деякі наноматеріали можуть взаємодіяти із залізом та іншими металами, що збільшує їх токсичність; - в даний час немає достатнього матеріалу, що дозволяє оцінити небезпеку наноматеріалів залежно від ступеня їхньої концентрації в клітинах.
Екологічні ризики. Наноструктури можуть завдати певної шкоди навколишньому середовищу, враховуючи, що: - можуть абсорбувати інші забруднюючі речовини (пестициди, кадмій); - у зв'язку з малими розмірами, існують ризики, пов'язані з труднощами виявлення шкідливих речовин. - Ризики здоров'ю людини та навколишньому середовищу. Дискусія, що розгортається між європейськими та американськими експертами з приводу того, яку роль мають відігравати нанотехнології в житті людини, ставить нові питання перед особами, які приймають політичні рішення: нанотехнології роблять людину кращою, чи роблять її сильнішою? Як ставитися до імплантатів, які контролюють не лише поведінку людського тіла, а й його мозок? Як ставитись до майбутнього (у зв'язку з використанням продуктів, вироблених із застосуванням нанотехнологій) зміни якості життя людини, а отже, і нового розуміння терміна «human security».
Політичні ризики та ризики у сфері безпеки: - використання відповідних технологій у кримінальних та терористичних цілях; несправедливий та нерівний розподіл ризиків, пов'язаних з розвитком нанотехнологій між країнами та регіонами (традиційний конфлікт Північ-Південь). Особливе занепокоєння експертів викликають ризики, що виникають з появою другого та третього покоління наноструктур. Йдеться про перспективу появи активних наноструктур та цілих наносистем.
Ризики структурного характеру. Йдеться про те, що сучасне суспільство дуже повільно реагує на нові технології і продукти, що швидко з'являються, вироблені з їх застосуванням. Запізнюється з розробкою норм та процедур, що регламентують застосування подібної продукції. В умовах глобалізації велика можливість безконтрольного доступу до продукції військового характеру, виробленої з використанням нанотехнологій. Слабко вивчено економічний ефект від масового застосування нанотехнологій. З розвитком біо- та нанотехнологій формуватиметься нова культура, кардинальним чином зміняться деякі традиційні етичні норми та принципи. Проблеми ідентичності, толерантного ставлення до "нано-біо", інше наповнення поняття "приватне життя" тощо.
Розміщено на Allbest.ru
...Подібні документи
Концепція нанотехнологій. Нанотехнологія як науково-технічний напрямок. Історія розвитку нанотехнологій. Сучасний рівень розвитку нанотехнологій. Застосування нанотехнологій у різних галузях. Наноелектроніка та нанофотоніка. Наноенергетика.
дипломна робота , доданий 30.06.2008
Розвиток нанотехнологій у ХХІ столітті. Нанотехнології у сучасній медицині. Ефект лотоса, приклади використання його унікальної якості. Цікаве у нанотехнологіях, види нанопродукції. Сутність нанотехнологій, досягнення у цій галузі науки.
реферат, доданий 09.11.2010
Поняття нанотехнологій та сфери їх застосування: мікроелектроніка, енергетика, будівництво, хімічна промисловість, наукові дослідження. Особливості використання нанотехнологій у медицині, парфумерно-косметичній та харчовій промисловості.
презентація , доданий 27.02.2012
Використання нанотехнологій у харчовій промисловості. Створення нових харчових продуктів та контроль за їх безпекою. Метод великомасштабного фракціонування харчової сировини. Продукти з використанням нанотехнологій та класифікація наноматеріалів.
презентація , додано 12.12.2013
Нанотехнологія – високотехнологічна галузь, спрямована на вивчення та роботу з атомами та молекулами. Історія розвитку нанотехнологій, особливості та властивості наноструктур. Застосування нанотехнологій в автомобільній промисловості: проблеми та перспективи.
контрольна робота , доданий 03.03.2011
Нанотехнології та перехід до водневої енергетики, розробка та виготовлення наномашин. Основний внесок нанотехнологій у "чисте" виробництво водню. Розвиток нової галузі знань про поведінку нанорозмірних систем з іонною та змішаною провідністю.
курсова робота , доданий 16.11.2009
Режими роботи скануючого тунельного мікроскопа. Вуглецеві нанотрубки, супрамолекулярна хімія. Розробка хіміків Уральського державного університету в галузі нанотехнологій. Випробовує лабораторний середньотемпературний паливний елемент.
презентація , доданий 24.10.2013
Лідерство країн у галузі нанотехнологій. Перспективи використання нових технологій у галузях енергетики, обчислювальної техніки, хімічної та біомолекулярної технології, в оптиці та електроніці, медицині. Приклади наукових досягнень та розробок.
презентація , додано 14.04.2011
Історія розвитку нанотехнологій; їх значення у медицині, науці, економіці, інформаційному оточенні. Схематичне зображення та напрямки застосування одношарової вуглецевої нанотрубки. Створення нанотехнологічних центрів Російської Федерації.
презентація , доданий 23.09.2013
Матеріальна основа та функції технічного сервісу шляху його розвитку. Сучасний стан підприємств ТЗ, напрями їхнього реформування. Види та застосування наноматеріалів та нанотехнологій при виготовленні, відновленні та зміцненні деталей машин.
Курс «Фундаментальні засади нанотехнологій» / 26.02.2009
Джерело: НОЦ з нанотехнологій МДУ
Лекції з курсу «Фундаментальні основи нанотехнологій» проходитимуть у весняному семестрі 2009 року у вівторки та п'ятниці з 17-00 в аудиторії 02 Головної будівлі МДУ.
Курс лекцій «Фундаментальні основи нанотехнологій» відкритий для відвідування всіх бажаючих. Якщо Ви не є студентом, аспірантом чи співробітником МДУ, то потрапити на лекцію Ви зможете лише попередньо записавшись на неї.
Матеріали лекцій «Фундаментальні засади нанотехнологій»викладаються у міру читання лекцій.
Підбір та компонування матеріалів є предметом авторського права лекторів, проте частина ілюстративного матеріалу може мати відношення до інших суб'єктів авторського права.
Лекція 1 (PDF, 3.2Мб), академік РАН, професор Ю.Д. Третьяков.
Тематика лекції: основні поняття та визначення наук про наносистеми та нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій та наук про наносистеми. Міждисциплінарність та мультидисциплінарність.
Приклади нанооб'єктів та наносистем, їх особливості та технологічні програми. Об'єкти та методи нанотехнологій. Принципи та перспективи розвитку нанотехнологій.
Лекція 2 (PDF, 3.8Мб), професор О.М. Зразків.
Тематика лекції: особливості фізичної взаємодії на наномасштабах. Роль об'єму та поверхні у фізичних властивостях нанорозмірних об'єктів. Механіка нанооб'єктів. Механічні коливання та резонанси в нанорозмірних системах. Сила тертя. Кулонівська взаємодія. Оптика нанооб'єктів. Співвідношення довжини хвилі світла та розмірів наночастинок. Відмінності поширення світла в однорідних і наноструктурованих середовищах. Магнетизм нанооб'єктів.
Лекція 3 (PDF, 1.7Мб), професор В.Ю. Тимошенко.
Тематика лекції: квантова механіка наносистем. Квантоворозмірні ефекти у нанооб'єктах. Квазичастинки у твердому тілі та в наноструктурованих матеріалах. Квантові точки. Ниткоподібні кристали, волокна, нанотрубки, тонкі плівки та гетероструктури. Квантові ефекти у наноструктурах у магнітному полі. Електропровідність нанооб'єктів. Поняття балістичної провідності. Одноелектронне тунелювання та кулонівська блокада. Оптичні властивості квантових точок. Спінтроніка нанооб'єктів.
Лекція 4 (PDF, 4.7Мб), член-кореспондент РАН, професор О.О. Гудилін.
Тематика лекції: методи отримання наночастинок
Лекція 5 (PDF, 2.5Мб), академік РАН, професор О.Р. Хохлів.
Тематика лекції: нанотехнології та "м'яка" матерія.
Програма курсу
Основні поняття та визначення наук про наносистеми та нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій та наук про наносистеми. Міждисциплінарність та мультидисциплінарність. Приклади нанооб'єктів та наносистем, їх особливості та технологічні програми. Об'єкти та методи нанотехнологій. Принципи та перспективи розвитку нанотехнологій.
(Академік РАН, професор Ю.Д. Третьяков)
Особливості фізичних взаємодій на наномасштабах. Роль об'єму та поверхні у фізичних властивостях нанорозмірних об'єктів. Механіка нанооб'єктів. Механічні коливання та резонанси у нанорозмірних системах. Сила тертя. Кулонівська взаємодія. Оптика нанооб'єктів. Співвідношення довжини хвилі світла та розмірів наночастинок. Відмінності у поширенні світла в однорідних та наноструктурованих середовищах. Магнетизм нанооб'єктів.
(Професор О.М. Образцов)
Квантова механіка наносистем. Квантоворозмірні ефекти у нанооб'єктах. Квазичастинки у твердому тілі та в наноструктурованих матеріалах. Квантові точки. Ниткоподібні кристали, волокна, нанотрубки, тонкі плівки та гетероструктури. Квантові ефекти у наноструктурах у магнітному полі. Електропровідність нанооб'єктів. Поняття балістичної провідності. Одноелектронне тунелювання та кулонівська блокада. Оптичні властивості квантових точок. Спінтроніка нанооб'єктів.
(професор В.Ю. Тимошенко)
Основні засади формування наносистем. Фізичні та хімічні методи. Процеси отримання нанооб'єктів "згори - вниз". Класична, "м'яка", мікросферна, іонно-пучкова (FIB), АСМ - літографія та наноіндентування. Механоактивація та механосинтез нанооб'єктів. Процеси отримання нанооб'єктів «знизу вгору». Процеси зародка утворення в газових та конденсованих середовищах. Гетерогенне зародокутворення, епітаксия та гетероепітаксія. Спінодальний розпад. Синтез нанооб'єктів у аморфних (склоподібних) матрицях. Методи хімічної гомогенізації (співосадження, золь-гель метод, кріохімічна технологія, піроліз аерозолів, сольвотермальна обробка, сверкритична сушка). Класифікація наночастинок та нанооб'єктів. Прийоми одержання та стабілізації наночастинок. Агрегація та дезагрегація наночастинок. Синтез наноматеріалів в одно та двовимірних нанореакторах.
Статистична фізика наносистем. Особливості фазових переходів у малих системах. Типи внутрішньо- та міжмолекулярних взаємодій. Гідрофобність та гідрофільність. Самоскладання та самоорганізація. Міцелоутворення. Самошарові моношари. Плівки Ленгмюра - Блоджетт. Супрамолеклярна організація молекул. Молекулярне розпізнавання. Полімерні макромолекули, методи їх одержання. Самоорганізація у полімерних системах. Мікрофазне розшарування блок-кополімерів. Дендрімери, полімерні щітки. Пошарове самозбирання поліелектролітів. Супрамолекулярні полімери.
(Академік РАН, професор О.Р. Хохлов)
Комп'ютерне моделювання наноструктур та наносистем. Мікроскопічні та мезоскопічні методи моделювання (Монте-Карло та молекулярна динаміка, дисипативна динаміка частинок, теоретико-польові методи, методи кінцевих елементів та перидинаміка). Поєднання різних просторових та тимчасових масштабів. Молекулярне конструювання. Комп'ютерна візуалізація нанооб'єктів. Можливості чисельного експерименту. Приклади молекулярного моделювання наноструктур, молекулярних перемикачів, білків, біомембран, іонних каналів, молекулярних машин.
(Професор П.Г. Халатур)
Методи дослідження та діагностика нанооб'єктів та наносистем. Електронна растрова і мікроскопія, що просвічує. Електронна томографія. Електронна спектроскопія. Дифракційні методи дослідження. Оптичні та нелінійно-оптичні методи діагностики. Особливості конфокальної мікроскопії. Сканувальна зондова мікроскопія: Силова мікроскопія. Спектроскопія атомних силових взаємодій Тунельна мікроскопія та спектроскопія. Оптична мікроскопія та поляриметрія ближнього поля. Застосування скануючої зондової мікроскопії у нанотехнологіях.
(Професор В.І. Панов)
Речовина, фаза, матеріал. Ієрархічна будова матеріалів. Наноматеріали та їх класифікація. Неорганічні та органічні функціональні наноматеріали. Гібридні (органо-неорганічні та неоргано-органічні) матеріали. Біомінералізація та біокераміка. Наноструктуровані 1D, 2D та 3D матеріали. Мезопористі матеріали. Молекулярні сита. Нанокомпозити та їх синергетичні властивості. Конструкційні наноматеріали.
(Член-кореспондент РАН, професор О.О. Гуділін)
Капілярність та змочування в наносистемах. Поверхнева енергія та поверхневий натяг. Краплі на твердій та рідкій поверхні. Повне та неповне змочування. Поверхневі (електростатичні та молекулярні) та капілярні сили. Гістерезис кута змочування: роль хімічної неоднорідності та шорсткості. Супергідрофобні поверхні. Фрактальні та впорядковані текстури. Еластокапілярність. Динаміка змочування та розтікання. Проблеми перебігу, перемішування та сепарації у малих каналах та пристроях для мікро- та нанофлюїдики. Цифрова мікрофлюїдика, електрокінетика, анізотропні та супергідрофобні текстури, як приклади вирішення проблем мікро- та нанофлюїдики. Додатки: самоочищення та водозахист, струменевий друк, «lab-on-a-chip», ДНК-чіпи, біомедицина, паливні елементи.
(Професор О.І. Виноградова)
лекція 10.
Каталіз та нанотехнології. Основні принципи та уявлення в гетерогенному каталізі. Вплив умов приготування та активації на формування активної поверхні гетерогенних каталізаторів. Структурно-чутливі та структурно-нечутливі реакції. Специфіка термодинамічних та кінетичних властивостей наночастинок. Електрокаталіз. Каталіз на цеолітах та молекулярних ситах.Мембранний каталіз.
(Академік РАН, професор В.В. Лунін)
лекція 11.
Фізика наноустрою. Методи створення наноустрою. Механічні та електромеханічні мікро та наноустрою. Сенсорні елементи мікро- та нано-системної техніки. Сенсори температури на основі термопар. Сенсори кутових швидкостей. Сенсори магнітного поля. Мікро- та нано-насоси. Інтегральні мікродзеркала. Інтегральні мікромеханічні ключі. Інтегральні мікро- та нано-двигуни. Фізичні принципи роботи основних елементів мікро- та наноелектроніки. Закон Мура. Одноелектронні пристрої. Одноелектронний транзистор. Одноелектронні елементи цифрових схем.
(Професор О.М. Образцов)
лекція 12.
Фізика наноустрою. Пристрої оптоелектроніки та наноелектроніки. Світлодіоди та лазери на подвійних гетероструктурах. Фотоприймачі на квантових ямах. Лавинні фотодіоди на системі квантових ям. Пристрої та прилади нанофотоніки. Фотонні кристали. Штучні опали. Волоконна оптика. Оптичні перемикачі та фільтри. Перспективи створення фотонних інтегральних схем, пристроїв зберігання та обробки інформації. Магнітні наноустрою для запису та зберігання інформації. Наносенсори: напівпровідникові, п'єзоелектричні, піроелектричні, на поверхневих акустичних хвилях, фотоакустичні.
(професор В.Ю. Тимошенко)
лекція 13.
Молекулярні засади живих систем. Уявлення про живу клітину; будова та функції органел, принцип самоорганізації живого. Застосовність термодинамічних та кінетичних підходів до процесів, що протікають у живій матерії. Бактерії, еукаріоти, багатоклітинні організми. Нуклеїнові кислоти: класифікація, будова, властивості. Природні наносистеми у зберіганні, відтворенні та реалізації генетичної інформації клітини. Системи контролю клітинного поділу лише на рівні організму. Рак як збій генетичної програми клітини.
(Член-кореспондент РАН, професор О.О. Донцова)
лекція 14.
Структура та функції білків. Функції, що виконуються білками, різноманітність амінокислот, що входять до складу білка. p align="justify"> Рівні білкової організації, методи дослідження різних рівнів організації білкової молекули. Первинна структура білка, посттрансляційні модифікації. Вторинна та третинна структури білка, проблеми правильного згортання білків, хвороби, зумовлені неправильною упаковкою білка. Створення штучних білків із «поліпшеною» структурою — важливе нанотехнологічне завдання. Уявлення про четвертинну структуру та використання четвертинної структури для розширення можливостей регуляції та для виконання механічних функцій. Білки сполучних тканин (колаген), механізми регулювання механічної міцності. Білки, що формують цитоскелет (актин, тубулін, білки промужеточних філаментів), регуляція збирання та розбирання елементів цитосклету. Використання білків цитоскелета як «рейки» для білків-моторів. Міозини, кінезини та дінеїни як приклади високоспеціалізованих білків-наномоторів, що забезпечують внутрішньоклітинний транспорт та біологічну рухливість. Можливості використання білків-моторів для вирішення деяких задач нанотехнології.
(Професор Н.Б. Гусєв)
лекція 15.
Вуглеводи. Моно-, оліго- та полісахариди. Особливості структури, способи уявлення. Можливість використання полісахаридів як нанобіоматеріалів. Ліпіди. Класифікація та особливості структури. Наноструктури, що утворюються ліпідами. Моносли, міцели, ліпосоми. Перспективність для цілей нанотехнології. Біомембрани. Особливості будови та основні функції.
(Професор А.К. Гладілін)
лекція 16.
Ферменти – білки з особливою функцією каталізу. Основні принципи структури ферментів та особливості ферментативного каталізу. Активний центр ферменту - самоорганізована та високоорганізована функціоналізована наночастка та наномашина. Вітаміни та коферменти, їх участь у каталізі. Молекулярний дизайн та зміна специфічності ферментів – нанотехнологічні завдання та перспективи. Розмірні ефекти у нанодіапазоні у білковому каталізі. Ферменти в мембранах та мембраноподібних наноструктурах: регуляція каталітичних властивостей та олігомерного складу розміром матриці. Біомолекулярні наночастки; фермент у «сорочці» (оболонка з неорганічних та органічних молекул) – новий стабільний каталізатор. Поліферментні комплекси: реалізація принципу «пізнання» у природі та матрицях нанорозмірів.
(професор Н.Л. Клячко)
лекція 17.
Структурний та функціональний аспекти біонанотехнології. Різноманітність надмолекулярних структур, що утворюються біомолекулами. Принцип самоскладання. Використання біоструктур з унікальною геометрією як темплати для отримання наноматеріалів та наноструктур (отримання нанопроводів, нанотрубок та наностержнів з металів, які проводять полімерів, напівпровідників, оксидів та магнітних матеріалів з використанням ДНК, вірусних частинок та білкових філаментів). Створення двовимірних нанопаттернів та тривимірних надструктур з використанням ДНК, S-шарів, вірусних частинок та ліпосом. Штучні методи самоорганізації у нанодіапазоні. Біофункціоналізація наноматеріалів. Загальні методи кон'югації нанооб'єктів із біомолекулами. Специфічна спорідненість деяких біомолекул до нанооб'єктів.
(Професор І.М. Курочкін)
лекція 18.
Нанобіоаналітичні системи. Історія розвитку сучасних біоаналітичних систем. Біосенсори. Основні поняття, сфери застосування. «Дізнаються» елементи біосенсорів: ферменти, нуклеїнові кислоти, антитіла та рецептори, клітинні органели, клітини, органи та тканини. «Детектуючі елементи» біосенсорів. Фізичні засади реєстрації сигналу. Типи біосенсорів: електрохімічні, напівпровідникові, мікрогравіметричні, оптоволоконні, поверхневі плазмони, дифракційні грати, інтерферометричні, мікро- та наномеханічні. Нанобіоаналітичні системи на основі нанорозмірних напівпровідникових та металевих структур (квантові точки, молекулярні «пружини», гігантські нелінійні оптичні ефекти на поверхні наночастинок металів – SERS, методи ферментативної та автометалографії та ін.). Застосування для цілей екологічного моніторингу та медико-біологічних досліджень. Нанобіоаналітичні системи на основі скануючої зондової мікроскопії.
(Професор І.М. Курочкін)
Дистанційні освітні курси є сучасною формою ефективної додаткової освіти та підвищення кваліфікації в галузі підготовки фахівців для розвитку перспективних технологій отримання функціональних матеріалів та наноматеріалів. Це одна з перспективних форм сучасної освіти, що розвиваються в усьому світі. Особливо актуальною є подібна форма отримання знань у такій міждисциплінарній галузі, як наноматеріали та нанотехнології. Перевагами дистанційних курсів є їхня доступність, гнучкість у побудові освітніх маршрутів, покращення ефективності та оперативності процесу взаємодії зі слухачами, економічна ефективність порівняно з очною формою, яка, тим не менш, може гармонійно поєднуватися з дистанційною підготовкою. В галузі фундаментальних основ нанохімії та наноматеріалів підготовлено відеоматеріали Науково-освітнього Центру МДУ з нанотехнологій:
- . Основні поняття та визначення наук про наносистеми та нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій та наук про наносистеми. Міждисциплінарність та мультидисциплінарність. Приклади нанооб'єктів та наносистем, їх особливості та технологічні програми. Об'єкти та методи нанотехнологій. Принципи та перспективи розвитку нанотехнологій.
- . Основні засади формування наносистем. Фізичні та хімічні методи. Процеси отримання нанооб'єктів "згори - вниз". Класична, "м'яка", мікросферна, іонно-пучкова (FIB), АСМ - літографія та наноіндентування. Механоактивація та механосинтез нанооб'єктів. Процеси отримання нанооб'єктів «знизу вгору». Процеси зародка утворення в газових та конденсованих середовищах. Гетерогенне зародокутворення, епітаксия та гетероепітаксія. Спінодальний розпад. Синтез нанооб'єктів у аморфних (склоподібних) матрицях. Методи хімічної гомогенізації (співосадження, золь-гель метод, кріохімічна технологія, піроліз аерозолів, сольвотермальна обробка, надкритична сушка). Класифікація наночастинок та нанооб'єктів. Прийоми одержання та стабілізації наночастинок. Агрегація та дезагрегація наночастинок. Синтез наноматеріалів в одно та двовимірних нанореакторах.
- . Статистична фізика наносистем. Особливості фазових переходів у малих системах. Типи внутрішньо- та міжмолекулярних взаємодій. Гідрофобність та гідрофільність. Самоскладання та самоорганізація. Міцелоутворення. Самошарові моношари. Плівки Ленгмюра - Блоджетт. Супрамолеклярна організація молекул. Молекулярне розпізнавання. Полімерні макромолекули, методи їх одержання. Самоорганізація у полімерних системах. Мікрофазне розшарування блок-кополімерів. Дендрімери, полімерні щітки. Пошарове самозбирання поліелектролітів. Супрамолекулярні полімери.
- . Речовина, фаза, матеріал. Ієрархічна будова матеріалів. Наноматеріали та їх класифікація. Неорганічні та органічні функціональні наноматеріали. Гібридні (органо-неорганічні та неоргано-органічні) матеріали. Біомінералізація та біокераміка. Наноструктуровані 1D, 2D та 3D матеріали. Мезопористі матеріали. Молекулярні сита. Нанокомпозити та їх синергетичні властивості. Конструкційні наноматеріали.
- . Каталіз та нанотехнології. Основні принципи та уявлення в гетерогенному каталізі. Вплив умов приготування та активації на формування активної поверхні гетерогенних каталізаторів. Структурно-чутливі та структурно-нечутливі реакції. Специфіка термодинамічних та кінетичних властивостей наночастинок. Електрокаталіз. Каталіз на цеолітах та молекулярних ситах. Мембранний каталіз.
- . Полімери для конструкційних матеріалів та для функціональних систем. "Розумні" полімерні системи, здатні виконувати складні функції. Приклади "розумних" систем (полімерні рідини для нафтовидобутку, розумні вікна, наноструктуровані мембрани для паливних елементів). Біополімери як найрозумніші системи. Біоміметичний підхід. Дизайн послідовностей для оптимізації властивостей розумних полімерів. Проблеми молекулярної еволюції послідовностей у біополімерах.
- . Розглядаються сучасний стан та проблеми створення нових матеріалів для хімічних джерел струму: твердооксидних паливних елементів (ТОТЕ) та літієвих акумуляторів. Аналізуються ключові структурні фактори, що впливають на властивості різних неорганічних сполук, які визначають можливість їх застосування як електродних матеріалів: складних перовскітів у ТОТЕ та сполук перехідних металів (складних оксидів та фосфатів) у літієвих акумуляторах. Розглядаються основні анодні та катодні матеріали, що застосовуються в літієвих акумуляторах та визнані перспективними: їх переваги та обмеження, а також можливості подолання обмежень спрямованою зміною атомної структури та мікроструктури композиційних матеріалів шляхом наноструктурування з метою покращення характеристик джерел струму.
Окремі питання розглянуті у наступних розділах книг (видавництво Біном):
Ілюстративні матеріали з нанохімії, самоскладання та наноструктурованих поверхонь:
Науково - популярні "відеокниги":
Вибрані розділи нанохімії та функціональні наноматеріали.
Нанотехнологія за своєю специфікою є міждисциплінарною науковою областю прикладної техніки, що займається вивченням та створенням новаторських та інноваційних методів отримання новітніх матеріалів з певними властивостями, які надалі застосовують у найрізноманітніших галузях життєдіяльності сучасної людини.
Взагалі нанотехнологія працює зі структурами, які мають значення 100 нм і навіть менше, і при цьому використовує пристрої, а також матеріали, що мають вищевказані розміри. На сьогоднішній день нанотехнологія надзвичайно різноманітна і використовується в різних дослідженнях, починаючи від створення нових технічних пристроїв до новітніх досліджень пов'язаних з вивченням молекулярно-атомного рівня.
Фундаментальні засади нанотехнологій.
Метод атомно-силової мікроскопії.
Слід сказати, що одним із основних інструментів, які використовуються для роботи з мікрочастинками, є мікроскопи, адже без даного приладу немає можливості не лише працювати з мікрочастинками, а й вивчати мікросвіт. Збільшення розрізняючих особливостей сучасних мікроскопів та отримання нових і нових знань про елементарні частинки на сьогоднішній день взаємопов'язані один з одним. На даний момент за допомогою такого обладнання, як атомно-силові мікроскопи або АСМ і скануючі електронні мікроскопи, сучасні вчені отримують можливість не тільки спостерігати за окремими атомами, але навіть знаходити способи впливу на них, наприклад, перемічуючи атоми по поверхні. При цьому сучасним вченим вже вдалося створити так звані двомірні наноструктури на поверхнях за допомогою наведеного вище методу впливу. Так, наприклад, у дослідницьких центрах відомої компанії IBM вчені шляхом послідовного перемішування атомів ксенону на поверхні нанокристалів нікелю змогли створити логотип компанії, що складається з 35 атомів речовини.
Виконуючи зазначені дії, пов'язані зі змішуванням речовин, а також щодо їх роз'єднання та з'єднання, вчені зіткнулися з деякими технічними труднощами. Для подолання яких необхідно створювати умови надзвукового вакууму (10-11 тор), для цього необхідно охолодити підніжку і мікроскоп до наднизької температури, що дорівнює від 4 до 10 К, при цьому поверхня даної підкладки повинна бути гладкою і чистою на рівні атомів. Для цього використовуються спеціалізовані технології з механіко-хімічної обробки виробів, причому метою даної обробки є створення зменшення поверхневих дифузій атомів, що осаджуються, за допомогою чого і проводиться охолодження основи.
Наночастинки.
Головною відмінністю нових матеріалів, які виходять в процесі використання нанотехнологій, є непередбачуване отримання фізикотехнічних характеристик матеріалами, що купуються. Завдяки цьому сучасні вчені отримують можливість отримувати нові квантові фізико-механічні характеристики у речовин, у яких видозмінюються електронні структури, що автоматично змінює форму прояву даних сполук. Так, наприклад, можливість зменшити розмір часток далеко не у всіх випадках піддається визначенню або проведенню вимірювання за допомогою макро або мікровимірів. Однак проведення вимірювань може стати можливим у тому випадку, якщо розмір частинок знаходиться у діапазоні мілімікронів. Також слід зазначити, що певні фізико-механічні властивості змінюються у разі зміни розміру елементів. На даний момент наявність у наноматеріалів незвичайних механічних властивостей є предметом дослідження у вчених, які працюють в галузі наномеханіки. При цьому окреме місце в сучасних нанотехнологіях займає одержання нових речовин за допомогою використання різних каталізаторів, які впливають на поведінку наноматеріалів при їх взаємодії з різними біоматеріалами.
Як ми вже говорили раніше, частинки, що володіють розмірами від 1 до 100 нанометрів, називаються наночастинками, при цьому, як показали дослідження, наночастинки багатьох матеріалів мають високі абсорційні та каталічні властивості. Інші матеріали дозволяють одержати унікальні оптичні властивості. Так, наприклад, дослідникам вдалося отримати керамічні прозорі матеріали, основою для яких стали нанопорошки розміром 2-28нм, що мають кращі властивості, ніж, наприклад, крон. Також вчені змогли отримати взаємодію штучно отриманих наночастинок з природними об'єктами, що володіють нанорозміром, наприклад з білками, нуклеїновими кислотами та ін. Крім того, очищені наночастинки завдяки своїм унікальним властивостям мають можливість вбудовуватися в різні структури. Такі структури, що містять у собі наночастки, отримують раніше небували у них властивості та характеристики.
На сьогоднішній день усі нанооб'єкти ділять на три класи:
До першого класу відносяться тривимірні частинки, які виходять при вибуху провідників, шляхом плазмового синтезу або відновлення тонких плівок.
До другого класу відносяться так звані двовимірні об'єкти, що є плівками та одержуються за допомогою методом молекулярного нашарування, ALD, CVD та методами іонного нашарування.
До третього класу відносяться віскери або одновимірні об'єкти, одержувані методами молекулярного нашарування або введенням різних речовин у мікропорт циліндричний.
Крім того, існують ще й нанокомпозити, які виходять шляхом введення наночастинок у спеціалізовані матриці. На сьогоднішній день велике використання отримав поки що тільки метод мікролітографії, який дає можливість отримувати на поверхні матриці острівцеві плоскі об'єкти, що мають розмір від 50 нм, та використовуються в сучасній електроніці. Також необхідно відзначити і методи молекулярного та іонного нашарування, так як за допомогою даних методів можна отримувати реальні плівкові покриття у вигляді моношару.
Самоорганізація наночастинок.
Однією з найважливіших завдань, що стоїть перед нанотехнологією, є те, як змусити атоми і молекули проводити угруповання певним чином, що дозволило б саморемонтуватися і саморозвиватися, що в кінцевому підсумку призводило б до отримання нових матеріалів або пристроїв. Розв'язанням даних завдань займаються вчені хіміки, які працюють у галузі супрамолекулярної хімії. При цьому вони проводять вивчення не окремих молекул, а взаємодію між ними, а також те, як вони організовуються при тій чи іншій дії і чи можуть утворювати нові речовини. Багато вчених вважають, що природа по-справжньому має подібні системи і в ній протікають такі процеси. Так, наприклад, вже відомі біополімери, які можуть бути організовані в особливі структури. Також як подібні приклади наводяться білки, які завдяки своїм властивостям не тільки можуть згортатися і набувати глобулярної форми, а й утворювати цілі комплекси та структури, які містять у собі відразу кілька молекул протеїну. Вже сьогодні вчені змогли створити метод синтезу, використовуваний специфічні властивості, які мають молекули ДНК.