1 Лекционный курс «Физические основы измерений» Раздел ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема МЕСТО «НАНО» В ПРИРОДНЫХ МАСШТАБАХ. ВОЗНИКНОВЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ИДЕИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.

2 МЕСТО «НАНО» В ПРИРОДНЫХ МАСШТАБАХ ( ОТ БОЛЬШОГО – К МАЛОМУ )

3 На масштабе световых лет (10 26 метров) Это – предел известной Вселенной. Либо мы ничего не видим за этим пределом, либо там и нет ничего.

4 На масштабе световых лет (10 21 метров) Структура нашей спиральной галактики – Млечного Пути.

5 На масштабе 1 Петаметр (1 Пм = метров) Наше Солнце видно как рядовая звезда Млечного Пути. На эти масштабы выходят самые протяженные орбиты комет солнечной системы.

6 На масштабе 1 Гигаметр (1 Гм = 10 9 метров) За пределами орбиты Луны Земля видна лишь как яркое пятнышко на фоне космической тьмы.

7 На масштабе км (10 8 метров) Такой Землю с орбиты вблизи поверхности Луны увидел экипаж Аполлона 8 (Lovell, Borman and Anders) 24 декабря 1968 года.

8 На масштабе км (10 7 метров) Вид с орбитального спутника облачного покрова над Северной Америкой.

9 На масштабе км (10 6 метров) Озеро Мичиган, на берегу которого расположен город Чикаго. Фото получено американскими космонавтами с борта орбитальной станции Skylab, запущенной 14 мая 1973 г.

10 На масштабе 100 км (10 5 метров) Город Чикаго и часть берега озера Мичиган

11 На масштабе 10 км (10 4 метров) Центральные районы Чикаго. Хорошо видны отдельные улицы и портовые сооружения.

12 На масштабе 1 км (10 3 метров) На протяжении 1 км расположены футбольный стадион и гавань для яхт. До последнего времени - предел разрешения изображений, получаемых с орбитальных спутников.

13 На масштабе 100 м (10 2 метров) Уголок зоны отдыха (съемка с вертолета).

14 На масштабе 10 м (10 1 метров) Семейный пикник.

15 На масштабе 1 метр Один метр – средний размер торса человека

16 На масштабе 10 см = 100 мм (10 -1 метров) 10 см – ширина кисти руки взрослого человека.

17 На масштабе 1 см = 10 мм (10 -2 метров) Сетчатая структура человеческой кожи.

18 На масштабе 1 мм (10 -3 метров) Виды отдельные клетки на складках кожи.

19 На масштабе 100 микрон (10 -4 метров) Полупрозрачные клетки кожи (фото с помощью оптического микроскопа при увеличении 100x).

20 На масштабе 10 нанометров (10 -8 метров = 100 Å) Двойная спираль молекулы ДНК в хромосоме человека. Увеличение x – вблизи предела электронной микроскопии.

21 На масштабе 1 нанометр (10 -9 метров = 10 Å) Молекулярная структура ДНК. Видно взаимное расположение разнообразных атомов. Увеличение 10Mx, ставшее доступным после создания атомно-силовых микроскопов.

22 На масштабе 100 пикометров ( метров = 1 Å) Схематическое изображение плотности вероятности обнаружения электронов (электронного облака) атома углерода

23 На масштабе 1 пикометр ( метров) Уже можно различить «сердце» атома углерода – атомное ядро.

24 На масштабе 1 ферми (фемтометр) (1 фм = метров) Кварковая структура протона: 2 u-кварка и 1 d-кварк

От мельчайших объектов в метров, до границ известной Вселенной на расстоянии метров, линейные масштабы изменяются всего на 40 порядков величины.

26 Характерные размеры в нанометрах Молекулы ДНК 10 нм Вирусы 100 нм Бактерии нм Амёбы нм Пыльца растений нм Нематоды нм Насекомые нм Мелкие млекопитающие нм Крупные млекопитающие нм Простые молекулы 1 нм НАНООБЪЕКТЫ

27 Сопоставление масштабов Клетки Микробы Вирусы Атомы Молекулы Нанообъекты Масштабы микромира

28 ТЫСЯЧЕЛЕТНЯЯ ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

29 Еще в 500 г. художники делали стеклянные витражи очень ярких цветов, которые невозможно получить с помощь красок. Яркость и долговечность обеспечивали, добавляя в стекло наночастицы благородных металлов. Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий

30 Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий Кубок Ликурга изготовлен римлянами до 640 г. Кубок меняет цвет при освещении изнутри. Этот эффект создают наночастицы золота и серебра.

Из письма Бенжамина Франклина (7 ноября 1773 г.)...being at Clapham, where there is…a large Pond... I fetched out a Cruet of Oil, and dropt a little of it on the Water. I saw it spread itself with surprising Swiftness upon the Surface... the Oil tho' not more than a Tea Spoonful... which spread amazingly, and extended itself gradually … making all that Quarter of the Pond, perhaps half an Acre, as smooth as a Looking Glass.... Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий 31

... the Oil tho' not more than a Tea Spoonful perhaps half an Acre Какова была толщина пленки масла ? Объем = (Площадь)х(Толщина) Численная оценка показывает, что толщина 1 нм – одиночный слой молекул Такие пленки называют монослойными (лэнгмюровскими) ~1 нм 32 ….не более чайной ложки масла…. ….примерно, половину акра (0,2 гектара)…

33 Первую в истории фотографию «Вид из окна» сделал в 1826 г. Жозеф Ньепс. Уже через несколько лет был изобретены фоточувствительные материалы, содержащие нанокристаллы галогенида серебра. Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий

34 Наночастицы не оседают из жидкой среды. Все цвета радуги можно получить при рассеянии света нанколлоидами с различными размерами частиц. Эти эффекты обнаружил Майкл Фарадей (Michael Faraday) в 1857 году. Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий НАНОКОЛЛОИДЫ

35 Основные этапы современной истории Фейнман – Танигучи - Дрекслер

36 ФОРМУЛИРОВАНИЕ ИДЕИ. «ДЕДУШКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

© H. Schroeder Loughborough University 1998Lecture 1.37 «Типичный гений» Эксцентричный Ричард Фейнман ( Richard Feynman )

38 Детство / Обучение В 15 лет освоил дифференциальное и интегральное исчисления –В средней школе имел индекс IQ равный 123 В выпускном классе стал победителем «Чемпионата по математике» Университета Нью Йорка Поступил в Массачусетский Институт Технологий (MIT), прослушал все курсы по физике При поступлении в Принстонский Университет впервые в истории получил на экзаменах высшие оценки и по физике, и по математике –Защитил диссертацию (PhD) в 1942 году

39 Проект «Манхэттен» После атомной бомбардировки, надолго впал в депрессию –Считал, что бессмысленно работать на будущее, так как мир в конце концов будет разрушен Работал в Лос Аламосе Руководил группой «людей- компьютеров» В свободное время занимался взламыванием замков, играл на барабанах

40 Преподавание Несмотря на иные многочисленные предложения. Фейнман выбрал должность профессора в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) –Получил прозвище The Great Explainer (Великий Объяснитель) –Старался сделать изложение любой научной темы доступным для первокурсников Награжден медалью Эрстеда за выдающиеся успехи в преподавании

41 Лекции Фейнмана, записанные вначале на магнитофон, а затем «переведенные» на «письменный английский» профессорами М.Сэндсом и Р.Лейтоном, не похожи ни на один известный курс. Они отличаются оригинальным методом изложения, в котором отразилась яркая научная индивидуальность автора, его точка зрения на пути обучения студентов физике, его умение заразить читателей интересом к науке.

42 Создание квантовой электродинамики За разработку этой теории в 1965 году награжден Нобелевской премией по физике (совместно с двумя другими учеными) «Диаграммы Фейнмана» используют для расчета взаимодействий элементарных частиц Имеют большое значение для современной теории «струн»

43 «Дедушка нанотехнологий» Лекция Theres Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics (Там, внизу еще много места: приглашение в новый мир физики ) Прочитана перед Американским Физическим Обществом в 1959 году Опубликована в журнале Engineering and Science, в 1960 году

44 … Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений. Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу (т. е. «внизу или внутри пространства», если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира

45 … Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

46 «И наконец, рискну предложить еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира!» – Фейнман, 1959 D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, (1990). «Дедушка нанотехнологий»

47 ПОЯВЛЕНИЕ ТЕРМИНА «НАНОТЕХНОЛОГИЯ»

48 Норио Танигучи ( Norio Taniguchi ) Ввел термин в статье 1974 года: "On the Basic Concept of Nanotechnology" («Об основных принципах нанотехнологий») Свой термин Танигучи относил прежде всего к допускам обработки макроскопических объектов и материалов. По сути, в его трактовке нанотехнологии сводились к доведению до молекулярного совершенства существующих принципов механической обработки материалов.

49 Широкая общественная популяризация возможных практических приложений «ОТЕЦ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

50 Эрик Дрекслер ( Eric Drexler ), 1955 г.р. (1986) – Книга «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology» ( «Машины создания : грядущая эра нанотехнологии» )

51 В 1991 году Эрик Дрекслер защитил первую в истории диссертацию (PhD), по нанотехнологиям «Отец нанотехнологий»

год - Эрик Дрекслер – основатель и председатель американского Института Предвидения и Формирования Будущего (Foresight Institute) «Отец нанотехнологий»

53 ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПРОГРАММЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

54 С Ш А

55 ФУЛЛЕРЕН обнаружен осенью 1985 г. СТИМУЛЫ

56 УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ обнаружены в 1991 г. Японский ученый Профессор Sumio Iijima СТИМУЛЫ

57 В 1999 году Президент Клинтон объявляет программу «Национальная Нанотехнологическая Инициатива» (NNI) РЕАКЦИЯ

58 Национальная программа нанотехнологий Белый Дом – ноябрь 2003

59 National Science and Technology Council (NSTC) Committee on Technology The Interagency Working Group on NanoScience, Engineering and Technology (IWGN) Администрация Президента США Государственный Совет по Науке и Технологиям Комитет по Нанонауке, Нанотехнике и Нанотехнологии

60 Книга «ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ» Автор: G Ali Mansoori (Университет штата Иллинойс, Чикаго, США) Научно-технический журнал «Нефтяная наука и техника» Главный редактор: G Ali Mansoori (Университет штата Иллинойс, Чикаго, США)

61 А ЧТО В РОССИИ ??

62 «Надо, чтобы бизнес понял, что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии, то пропустит все на свете и будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине, которой будут управлять наши друзья и партнеры». России нужна долгосрочная стратегия развития инноваций, иначе «когда завершится раздел энергетического рынка в мире, можно остаться ни с чем». 15 декабря.2005 г. На заседании правительства РФ Михаил Фрадков предпочел нанотехнологии телогрейкам

63 "Нанотехнологии могут стать в ХХI веке примерно тем же, чем была разработка атомной бомбы в ХХ веке или создание информационных технологий ближе к концу века", - заявил он. "Если мы не обозначим это национальным приоритетом и не сделаем национальную программу, то мы отстанем", - подчеркнул Жуков, предложив выделить развитие нанотехнологий как один из основных приоритетов научной стратегии России Вице-премьер Александр Жуков предложил сделать развитие нанотехнологий одним из национальных приоритетов.

64 Приоритеты России в области наноиндустрии Приоритеты России Приоритеты России Наноинженерия и наноэлектроника Функциональные наноматериалы Метрологическое оборудование Нанобиотехнологи и Специальные применения нанотехнологий Конструкционные композиционные материалы

65 Головной исполнитель – Ассоциация «АСПЕКТ» (г.Москва) Доля внебюджетных средств - 67% (684 млн.руб.) Доля бюджетных средств - 33% ( 342 млн.руб.) Суммарный объем инвестиций – 1026 млн.руб Объемы продаж объектов для коммерциализации по проекту, млн.руб. План Основные показатели проекта ( гг.) Освоение 6 видов продукции для коммерциализации Внедрение 2 технологических инноваций Получение 2 патентов на объекты коммерциализации ОАО «Татнефтехиминвест- холдинг» (Казань) «Институт проблем химической физики РАН» (Черноголовка) ОАО «ВНИПИнефть» (Москва) Основные партнёры 700 РНЦ «Курчатовский институт» Московский институт стали и сплавов Московская академия тонкой химической технологии Инновационный проект «Каталитические наномембраны» ( гг.) Создание принципиально новой ресурсо- и энергосберегающей технологии переработки углеводородов, в том числе утилизации попутных нефтяных газов, на базе нанопористых каталитических структур

66 Особая экономическая зона технико-внедренческого типа г. Томск НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ информационно-коммуникационные и электронные технологии, технологии производства новых материалов, нанотехнологии, биотехнологии, медицинские технологии УЧРЕДИТЕЛИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕЗИДЕНТОВ ОАО «Газпром» ФГУП «Микроген» ОАО «Техснабэкспорт» Холдинг «В.А.В.С.» РЕЗИДЕНТЫ ООО «Научно-исследовательская организация «Сибур-Томскнефтехим». Разрабатываются новые технологии: производство сверхвысокомолекулярного полиэтилена производство нового титаново-магниевого катализатора для нефтехимии

Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше… Профессор Малинецкий Г.Г. Институт прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН Тел: Совещание по вопросам развития и применения отечественных достижений в области нанотехнологий НАЧАЛО ПРЕЗЕНТАЦИИ «НАНОПАРТИЙНОСТЬ»

68 Общий вывод Руководство партии «Единая Россия» приняло правильное и смелое решение о форсированном развитии сферы нанотехнологий. Успешная реализация этого решения позволит ответить на вызовы в сфере национальной безопасности и поднимет науку России на качественно новый уровень.

Российские реалии не позволяют копировать американский сценарий развития нанотехнологий

70 Опасности проекта нанотехнологий для «Единой России» Нанотехнологии – не нефть. Чтобы использовать достижения, их нужно иметь. Не очерчена область и не выделены приоритеты. Опасность распыления средств и утраты цели. Отсутствие комплексной координации работ по проекту. Проблемы с экспертизой. Отсутствие междисциплинарности и кооперации со специалистами - опасность изобретения велосипеда. Острый кадровый голод. Специалистов пока единицы. КОНЕЦ ПРЕЗЕНТАЦИИ

71 Нанотехногии в мире ( правительственные инвестиции в гг. ) Прогноз на лет: промышленное производство в секторе нанотехнологий превысит триллион долларов, в нем будут заняты примерно 2 миллиона работников – специалистов по нанотохнологиям.

Финансирование наноразработок в мире в 2004 году Россия явный аутсайдер в списке разработчиков в области нанотехнологий.