Тема: Нанотехнологии. Что? Где? Когда? учитель физики МОУ СОШ 2 г. Алагира Селиверстова Горислава Павловна 2011 год

Содержание Введение Глава 1. Сущность нанотехнологий. Глава 2. Получение наночастиц. Глава 3. Классификация наноматериалов. Глава 4. Применение нанотехнологий. Глава 5. Нанотехнологии в Северной Осетии. Заключение

«Там внизу много места» Первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Филлипса Фейнмана Ричарда Филлипса Фейнмана Р. Фейнмана «Там внизу много места», сделанным в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества, в котором заявил: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами». Он ввел понятие нанотехнологии как совокупности методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

Иллюстрация к понятию нанометра: соотношение объектов и их размеров на логарифмической шкале

Уровневая организация вещества Сущность нанотехнологий Сущность нанотехнологий состоит в том, что к традиционным уровням организации материи – микроуровню (уровню атомов и молекул) и макроуровню (уровню вещества), добавляется новый, так называемый наноуровень, занимающий граничное положение и обеспечивающий уникальные свойства наночастиц и нанокластеров, существенно отличающих их от частиц микро- и макромира.

Эффекты пограничного состояния Если какой-то объект находится на границе между двумя мирами, с различными свойствами, то этот объект, благодаря пограничному состоянию, обретет сам по себе некоторую уникальность. Расположение уровня наночастиц и нанокластеров на границе между микромиром, характеризующегося дискретностью, прерывностью, описываемыми законами квантовой механики и макромиром, включающим микромир, характеризующимся другими законами - классической физики, позволяет достичь уникальных пограничных физических, химических, биологических свойств.

Диалектический закон перехода количественных изменений в качественные Демонстрация существенного изменения свойств нанокластеров и наночастиц при незначительном изменении числа атомов, входящих в их состав в точности соответствует этому закону диалектики. Так добавление одного атома к составу нано кластера или наночастицы способно существенно поменять его свойства.

Возможность самоорганизации Возможность самоорганизации или появления порядка появляется тогда, когда система обменивается с окружающим миром веществом и энергией, то есть является открытой системой. Открытые системы, к которым относятся и биологические объекты, имеющие возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, знанием, могут само организовывать с я и упорядочиваться.

Получение наночастиц Первый способ это способ кристаллизации слева – начало кристаллизации; справа – наблюдается рост кристалла) Стратегия «снизу-вверх»

В последние годы достигнут значительный прогресс в получении нанокристаллов. Используя методы коллоидной химии, удалось получить в нанокристаллической форме многие известные вещества, в том числе металлы, полупроводники и магнитные материалы. Примеры выращенных монокристаллов различных веществ

Стратегия «сверху-вниз » Второй способ получения наночастиц – это дробление. Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы можно получить, перемалывая в специальной мельнице материал макроскопических размеров Один из методов получения наночастиц в стратегии «сверху-вниз»

Сами наночастицы тоже могут иметь разные свойства и размеры. Это позволит получить значительное количество материалов с самыми разнообразными свойствами. Разные размеры и формы наночастиц и нанокластеров – возможность получения материалов с самыми разнообразными свойствами

Возможность получения огромного количества материалов с разнообразными свойствами, исходит из многообразия структурных материалов и способов их укладки. Так можно получить стену с разными свойствами, складывая ее из камня или из кирпича

Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные каркасные структуры, напоминающие по форме футбольный мяч. Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре. Классификация наноматериалов Модель фуллерена

В 1991 году японский ученый Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубки Нанотрубки необыкновенно прочны на растяжение и на изгиб. Под действием больших механических напряжений они не рвутся, не ломаются, а просто перестраивают свою структуру. УНТ способны проводить ток очень высокой плотности, менять свои свойства при присоединении других атомов и молекул, испускать электроны

Фотонные кристаллы. Термин «фотонный кристалл» (photonic crystal) появился в 80-х годах ХХ века. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки, в них периодически изменяется коэффициент преломления электромагнитных волн общие модели фотонных кристаллов; 1D-, 2D-, 3D-фотонные кристаллы

Фотонные кристаллы в природе. Австралийские ученые обнаружили причину эффекта яркого, радужно переливающегося «меха» у глубоководного морского червя «морская мышь Оказалось, что радужные переливы на чешуйках и перьях ряда животных объясняются не столько цветом их пигментов, сколько их периодичной структурой фотонного кристалла. Морской червь (а), его радужные иголки (б, в) и изображение поперечного сечения иголки в сканирующем электронном микроскопе (г)

Фотонные кристаллы в природе Бельгийско-венгерская группа ученых с помощью электронной микроскопии продемонстрировала упорядоченную структуру в виде решета с отверстиями субмикронных размеров на крыльях самцов тропических бабочек. Бабочка Morpho rhetenor и детали выделенного участка ее крыла

Применение нанотехнологий РАЗРАБОТАНА НОВАЯ СИСТЕМА ЭФФЕКТИВНОЙ ДОСТАВКИ НАНОЧАСТИЦ В ЖИВЫЕ КЛЕТКИ Наночастицы были помещены в капсулы из био-разлагаемого гидрогеля и нужным образом изменены антителами. Полученная наноструктура, проникает в клетки организма без разрушения его биологических мембран, высвобождая лечебные наночастицы. Таким образом достигается высокая концентрация наночастиц лекарства в непосредственной близости от белков- мишеней в клетке.

РАКОВЫЕ КЛЕТКИ ТЕПЕРЬ БУДУТ... ВЗРЫВАТЬ! Совместная команда ученых из Миссурийского университета (Колумбия) и армии США разработали особую нано взрывчатку, способную порождать сверхзвуковую ударную волну, которая поможет доставлять лекарственные вещества прямо в раковые клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма.

ЯДЕРНЫЙ УДАР ПО ТРОМБАМ Противоинфарктные таблетки состоят из уникальной цепочки ферментов, которые при взаимодействии с тромбом растворяют его и выводят мертвые ткани из сосудов. Эти ферменты без оболочки вредны для организма. Поэтому основной задачей было придумать уникальное покрытие для пилюль. Совместными усилиями с физиками-ядерщиками при помощи электронно-лучевой технологии создали эту оболочку. Человек глотает таблетку в водородно-полимерном покрытии, но только в кишечнике оболочка начинает постепенно растворяться, ферменты выводятся в кровь и разбивают смертельные тромбы!

РАЗРАБОТКА ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Уникальные нанотрубки на основе MnO2 для химических источников Наноматериалы работают в батарейках дольше, лучше и, конечно, быстрее перезаряжаются в аккумуляторах. Так, созданы прототипы литий- содержащих аккумуляторов, которые восстанавливают десятки процентов своей мощности при зарядке в течение всего нескольких секунд.

НАНОПОКРЫТИЯ Нанопокрытие для автомобильного стекла (на левом рисунке обработана левая половина лобового стекла, на правом – правая ) Запотевание автомобильных стекол, защитных очков спортсменов является проблемой и даже может привести к серьезным авариям

ПРОИЗВОДСТВО СПОРТИВНЫХ ТОВАРОВ Успехи применения нанотехнологии в этой области связаны в основном с новыми материалами Швейцарская компания изготовила спортивный велосипед весом всего 1 кг. Его рама была сделана из композиционного материала на основе углеродных нанотрубок. Одна из японских компаний производит клюшки для гольфа, которые на 12% жестче титановых и увеличивают дальность полета мяча на 13 м. Мазь для лыж с использованием наночастиц позволяет им лучше скользить по снегу. Новым утеплительным материалом для обувных стелек пользуется одна из канадских лыжных команд, выигравшая в 2004 году марафон к Северному полюсу. Материал состоит из полимера с нанопорами, на рисунке хорошо видны его теплоизолирующие свойства.

Костюм солдата будущего Костюм будет способен распознавать химическую или биологическую атаку. Это позволит ему защититься от химической или биологической атаки раньше, чем она станет смертоносной. Нанотехнологии в военном деле

Оружие будущих войн Удалось создать математическую модель собирания кибернетических микроустройств в стаи. Собранные в одном месте тысячи роботов образуют ударную группу, готовую действовать по воле человека. По мнению военных, ее можно применять, например, для поражения танков противника: «облако» микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается.

Владикавказский технологический центр Баспик" – это современное научно-производственное объединение Научные и технологические лаборатории ВТЦ «Баспик» оснащены новейшим оборудованием: электронными и атомно-силовыми микроскопами, сверхвакуумными установками, позволяющими работать на уровне нанотехнологий.

Микроканальные пластины, которые разрабатывает и выпускает центр используются во многих областях науки и техники, в том числе и в приборах ночного видения: биноклях, ночных очках, прицелах, приборах наблюдения. Эти приборы и другие эффективные средства наблюдения немыслимы без применения микроканальных пластин.

Генеральный директор ООО «Владикавказский технологический центр «Баспик» Сослан КУЛОВ и министр обороны РФ Сергей Иванов. Микроканальные пластины, выпускаемые центром "Баспик", находят широкое применение в астрономии, аэрокосмической технике, машиностроении, экспериментальной физике, химии, биологии, медицине.

ИННОВАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ВЛАДИКАВКАЗСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН И РСО-А много лет занимается нанотехнологиями Научный руководитель Центра к.х.н. Т.Н. Беляева (справа).

Центр занимается созданием новых нанокомпозиционных материалов, обладающих специальными свойствами. Уникальные физические явления, наблюдающиеся в таких материалах, используются в настоящее время для разработки новых устройств, датчиков, светоизлучающих диодов.

Рисунок из брошюры Европейской комиссии «Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня» В ближайшем будущем планируется создание «умных» материалов с памятью, самозалечивающихся материалов, нанороботов, существующих внутри человеческого тела и обеспечивающих его нормальное функционирование, освоение дальних районов космоса нанороботами и т.д.