Проект по теме «Нанотехнологии» 7 класса A гимназии Проект по теме «Нанотехнологии» 7 класса A гимназии 7 Гудзь Артёма. - презентация

1 Проект по теме «Нанотехнологии» 7 класса A гимназии Проект по теме «Нанотехнологии» 7 класса A гимназии 7 Гудзь Артёма

2 Нанотехнологии

3 Отличительная особенность нанотехнологий Историческая справка Нанороботы Сфера применения нанороботов(в настоящее время) Фундаментальные положения Атомно-силовая микроскопия Наночастицы Самоорганизация наночастиц Перспективные науки Индустрия нанотехнологий Нанотехнологии в медицине Патенты в области нанотехнологий и объемы инвестиций Научный фонд США и его инвестиции в нанотехнологии

4 В чем же отличие нанотехнологий от остальных? Нанотехнологии- это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Часто употребляемое определение нанотехнологий как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

5 Историческая справка Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам. Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле таким роботам (нанороботам ) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота невозможность создания механизма из одного атома. Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

6 Нанороботы Наноро́боты, или нанобо́ты роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. На данный момент (2009) реальных нанороботов создать не удалось. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов. Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. Идея нанороботов широко используется в современной фантастике. Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью можно считать нанороботами. Нанороботы находятся в основном в научно-исследовательской стадии создания, однако, уже были созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах. Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации. Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.

7 Сфера применения Ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки Биомедицинский инструментарий Хирургия Фармакокинетика Мониторинг больных диабетом Производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам Военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия Космические исследования и разработки (например, зонды фон Неймана, способные нести на околоземной орбите пушку Гаусса)

8 Фундаментальные положения Атомно-силовая микроскопия Наночастицы Самоорганизация наночастиц

9 Атомно-силовая микроскопия Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно- силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона. При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

10 Наночастицы Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами ». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок итд, двумерные объекты плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д, одномерные объекты вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике.

11 Самоорганизация наночастиц Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: -- --А и ----Б, где ---- условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

12 Науки, появившиеся благодаря нанотехнологиям Наномедицина ( слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры ) Наноэлектроника ( область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм.) Наноинжене́рия ( научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий. ) Наноионика ( свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с быстрым ионным транспортом в твердотельных наносистемах.) Наноробототехника ( прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем(роботов) в области нанотехнологий.) Нанохимия ( наука, которая занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации)

13 Нанотехнологии в России Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО) учреждена федеральным законом 139-ФЗ 19 июля 2007 года для «реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии». Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров – частных инвесторов. Корпорация участвует в создании объектов нанотехнологической инфраструктуры, например, центров коллективного пользования, бизнес-инкубаторов и фондов раннего инвестирования. РОСНАНО выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития, к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты. На деятельность Корпорации Правительством Российской Федерации выделено 130 млрд. рублей, которые были внесены в уставный капитал РОСНАНО в ноябре 2007 года. В июне 2008 года временно-свободные средства были размещены на счетах в 8 коммерческих банках в соответствии с рекомендациями Министерства финансов РФ. Органами управления являются наблюдательный совет, правление и генеральный директор. В сентябре 2008 года генеральным директором Российской корпорации нанотехнологий назначен Анатолий Борисович Чубайс.

14 Статистика

15 Объемы инвестиций правительства США в разработки в области нанотехнологий

16 Распределение патентов США, связанных с нанотехнологиями