Влияние нанотехнологий на политическую жизнь. Конкретные опасности и риски от нанотехнологий и наноматериалов

В перспективе нанотехнология может сыграть значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Речь идет, в первую очередь, об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, о создании новых "чистых" технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также о переработке мусора на свалках и очистке загрязненных водоемов. В дальнейшем предполагается осуществление непрерывного контроля и обработки обширных участков окружающей среды с целью их очистки от очень мелких частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воде (размер < 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).

Необходимо также учитывать, что наноструктурные материалы могут сами вызывать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Загрязнение может быть связано как с существующей техникой (например, наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей), так и с новыми веществами или технологическими процессами. Во многих случаях нанотехнологии представляют собой новые производственные процессы, и их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть тщательно оценена.

Сложные физико-химические процессы с участием наноструктур играют существенную роль во многих явлениях, определяющих изоляцию, высвобождение, подвижность и биологическую доступность различных веществ (полезных и вредных) в окружающей среде. Микропроцессы, происходящие на границах раздела природных физических и биологических систем, определяют разные проблемы медицины и биологии. Изучение динамики процессов, специфичных для наноструктур в природных системах, позволит не только понять механизмы переноса и биологического усвоения веществ, но и использовать для улучшения экологической обстановки.

В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ, однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях (например, при использовании кварцевых и асбестовых волокон) было обнаружено вредное воздействие наночастиц, в других — потенциальные опасности кажутся незначительными. Кроме того, следует учитывать, что аэрозоли из наноразмерных частиц постоянно участвуют в разнообразных атмосферных физико-химических процессах.

Нанотехнологии уже оказали значительное влияние на многие производства, связанные с окружающей средой и энергетикой. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.

Сокращение отходов производства и повышение энергетического к.п.д.

Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов во многих случаях позволило резко повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля или ксерогеля V205) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость, срок службы и скорость зарядки/разряда.

Экологически безопасные композитные материалы

Совместимость композиционных материалов с наномасштабными инородными включениями открывает возможность производить высококачественные материалы специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, малым воздействием на окружающую среду. На их базе можно производить легкие и небольшие конструкции и устройства, характеризующиеся низким энергопотреблением. Композиционные наноматериалы отличаются большим структурным разнообразием и могут быть как очень простыми (сталь с включениями из оксидов или нитридов), так и очень сложными (гетерогенные композиты, обладающие заранее заданной, высокофункциональной структурой).

Переработка отходов

Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТЮг до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТЮг, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая опасные органические соединения, клетки, вирусы и ядовитые химикаты. Наноразмерные частицы, после соответствующей химической обработки их поверхности (образования производных соединений) лигандами или реагентами, могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов или пассивировать загрязненные поверхности. Кроме того, предполагается, что нанотехнологии позволят так организовать химические производственные процессы, что в ходе их будет образовываться меньше отходов. В химии поверхностных явлений проводится изучение материалов со специально сконструированными наноструктурными поверхностями, которые обеспечат проведение требуемых реакций с образованием минимального количества отходов.

Преобразование энергии

Процессы, связанные с получением энергии (включая как непосредственное производство электрической энергии, так и добычу топлива, подлежащего транспортировке), наносят непоправимый вред окружающей среде. Наносистемы могут составить основу энергетических производств на возобновляемых источниках энергии, при функционировании которых образуется гораздо меньше вредных отходов. Примером может служить упомянутое выше использование наноразмерных или мезоразмерных материалов в электродах аккумуляторов или топливных элементах для транспортных средств.

Растения являются более уязвимыми для токсичных наночастиц, если их "родители" выращивались в загрязненной почве, согласно новому исследованию, опубликованному в NanoImpact. Результаты подчеркивают важность совершенствования и расширения исследований о воздействии наноматериалов на растения.

В другой работе, опубликованной в NanoImpact, ученые предупреждают, что наши знания о рисках для сельского хозяйства, связанные с использованием нанотехнологий и воздействием наноматериалов на растения, в частности, на продовольственные культуры, не являются достаточными и пришло время переосмыслить их.

Индустрия нанотехнологий продолжает расти быстрыми темпами. Она основана на использовании мельчайших частиц, размером в одну миллиардную долю метра, для самых разнообразных технологических применений - от солнцезащитного крема до батарей.

Наночастицы используются в тысячах коммерческих продуктов, и поэтому невозможно остановить их накопление в окружающей среде. Тем не менее, в отличие от многих других материалов, они могут быть очень химически активными и оказывать уникальное воздействие на здоровье и безопасность людей и окружающей среды.

Одним из важных конечных пунктов для наночастиц являются сельскохозяйственные почвы. Наночастицы переносятся в почву через орошение и внесение удобрений из очистных сооружений. Из-за этого зерновые культуры могут быть подвержены повышенному воздействию наночастиц в почве, в которой они растут.

Более того, нанотехнологии потенциально могут революционизировать сельское хозяйство таким же образом как медицину и коммуникации, поэтому исследователям необходимо понять, как они влияют не только на растения, которые выращивают в данный момент, но и на будущие поколения культур.

"Нам необходимо исследовать влияние наночастиц на рост растений в настоящее время", - сказал д-р Джейсон С. Уайт из опытной станции сельского хозяйства в Коннектикуте, США, который является одним из ученых, призывающих к проведению дополнительных исследований. - "Любая технология имеет как риски, так и выгоды, и даже в тех случаях, когда польза может быть огромной, риски должны быть тщательно изучены. Необходимы дополнительные исследования влияния наночастиц на несколько поколений растений."

Д-р Ма из Texas A & M University вместе с другими исследователями изучали влияние наночастиц оксида церия на здоровье растений и их урожайность на трех поколениях растений - впервые было сделано такое всеобъемлющее исследование. Они выращивали три поколения растений Brassica rapa в почве, загрязненной оксидом церия, и исследовали влияние наночастиц на рост и размножение растений. Их результаты показали, что такое воздействие снизило качество семян и пострадали последующие поколения растений, уменьшилась урожайность. Последующие поколения также демонстрировали больше признаков стресса, чем их "родители" в одних и тех же условиях выращивания.

"Наше исследование значительно расширило горизонты изучения взаимодействий растений с наночастицами и воздействия наночастиц на сельскохозяйственные культуры, чем большинство предыдущих исследований," сказал д-р Ма.

В реферат рассмотрен вопрос инновационных технологий, а именно нанотехнологий. ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение……………………………………………>…………………

Аннотация…………………………………………>…………………

1. История возникновения нанотехнологии………………………..

2. Фундаментальные положения…………………………………..

2.1 Атомно-силовая микроскопия……………………………….

2.2 Наночастицы……………………………………>…………….

2.3 Самоорганизация наночастиц………………………………

3. Нанотехнологии и общество……………………………………..

3.1 Влияние нанотехнологий на основные социальные сферы…..

3.2 Нанотехнологии и этика………………………………………..

3.3 Нанотехнологии и образ жизни человека………………….

Заключение………………………………………>…………………..

Список литературы………………………………………>…………..

АННОТАЦИЯ

В реферат рассмотрен вопрос инновационных технологий, а именно нанотехнологий. Описана история развития нанотехнологии, фундаментальные положения нанотехнологии как науки, а также влияние их на жизнь общества, на различные социальные сферы. Указана взаимосвязь нанотехнологий с такими понятиями философии, как этика и мораль. Предложены перспективы развития нанотехнологий.

ВВЕДЕНИЕ

Наступил 21-й век и всех, естественно, волнуют вопросы о будущем, о развитии науки и техники в наступающем столетии. Удастся ли человечеству победить страшные болезни (рак, СПИД и некоторые другие), станут ли путешествия на Луну простыми туристическими поездками, как будут выглядеть космические станции? Станут ли реальностью фантастические проекты в информационных технологиях, т.е. войдут ли в нашу жизнь крошечные компьютеры с поразительным быстродействием и огромным объемом памяти, способные мгновенно записать, обработать и переслать в цифровой форме информацию любого вида? Будут ли созданы «личные» микрочипы, на которых будет записана не только все данные о владельце (полная идентификационная карта), но и даже весь его генетический код? Станут ли такие личные миниатюрные компьютеры настолько умными, что при необходимости (например, при несчастном случае) смогут связаться с ближайшей больницей и провести «консультацию» с врачом? Можно ли надеяться, что промышленность начнет выпускать экологически безопасные автомобили, в выхлопных газах которых не будут содержаться вредные вещества? Осуществится ли, наконец, мечта человечества о жизни «в гармонии» с природой? /10/.

Развитие нанонауки и нанотехнологии, возможно, сможет дать ответ на все эти вопросы и значительно изменить все условия человеческого существования.

1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

НАНОТЕХНОЛОГИИ

«…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» /9/. Этими словами в канун 1960 г. на Рождественском обеде Американского физического общества начал свою лекцию знаменитый американский физик-теоретик, один из создателей квантовой электродинамики Ричард Филлипс Фейнман. Именно в его выступлении впервые упоминаются методы, которые впоследствии будут названы нанотехнологией.

Термин «нанотехнологии» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанометр — одна миллиардная часть метра. Размер атома — несколько десятых нанометра. Все предыдущие научно-технические революции сводились к тому, что человек все более умело, копировал механизмы и материалы, созданные Природой. Прорыв в область нано-технологий — совсем другое дело. Впервые человек будет создавать новую материю, которая Природе была неизвестна и недоступна. Фактически наука подошла к моделированию принципов построения живой материи, которая основана на самоорганизации и саморегуляции.

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии 20-го века. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реально существует, и в этой области ученые многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой новых технологий /10/.

Примерно через сорок лет после знаменитой лекции Ричарда Ф. Фейнмана, Эрик К. Дрекслер в своей книге «Машины творения» (1986) предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии. Воображаемые устройства Дрекслера по своим размерам были значительно меньше, чем хорошо известные всем биологические клетки.

В 1981 году сотрудники фирмы IВМ Г. Бининг и Г. Рорер, создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов, что явилось исключительно важным научным достижением, поскольку исследователи впервые получили возможность непосредственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном масштабе /8/.

Японские фирмы и научные организации, в свою очередь, начали энергично развивать методики в области микроскопии, в результате чего, за короткое время были созданы новые типы сканирующих туннельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень высоким разрешением (напомним, что разрешением оптического прибора физики называют размер наименьшей детали, которую можно выделить на получаемом изображении), позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию экспериментальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило наши представления о микромире и нанообъектах. В 1991 году Япония начала осуществлять государственную программу по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная Технология»), которая привлекла внимание исследователей во многих странах.

В 1990 году началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 миллиардов нуклеотидных остатков в записи генетической информации (проект «Геном Человека»), ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые огромные возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе (биоинформатика). Можно даже сказать, что до 1990 года информационная технология (ИТ) была всего лишь составной частью или «ветвью» электроники, а после 1990 года от нее отросла (как от ветви настоящего дерева) независимая отдельная веточка, которую можно назвать биоинформационной технологией. В связи с осуществлением проекта «Геном Человека» произошло также быстрое и энергичное развитие разнообразных исследовательских методик в области собственно биотехнологий.

Проект «Геном Человека» был завершен в 2000 году и позволил ученым прочитать генетическую информацию, связанную с человеческим организмом, что уже привело к созданию новых лекарств по новым принципам и на новой основе (геномика). Следующим естественным этапом стало развитие новых отраслей фармацевтической промышленности и создание новых производственных процессов и мощностей, а также расширение сферы всего бизнеса и деловой активности в этой обширной отрасли.

Можно ожидать, что лекарственные препараты в XXI веке будут выпускаться буквально в индивидуальном порядке (т. е. для каждого конкретного пациента на основе его генной информации будут разрабатываться препараты, обеспечивающие максимальный лечебный эффект при данном заболевании и т. п.). Такая ориентированная на заданного человека система лечения уже даже получила название «индивидуальной» терапии или «лечения по заказу» (tailor-made therapy) и она, безусловно, открывает перед практикующими врачами огромные перспективы. Дальнейшие исследования позволят перейти от генома человека к изучению молекулярной структуры белков, особенностей их функционирования в живых организмах, механизмов их взаимодействия и т. п., что вновь неожиданно приводит нас ко многим задачам и проблемам, связанным с информационной технологией. Понимание и использование механизмов взаимодействия на молекулярном уровне важны не только для биологии, но и составляют основу нанонауки в целом.

Поэтому фундаментальные исследования XXI века в области нанотехнологий должны обязательно нацеливаться именно на изучение механизмов процессов на молекулярном уровне. В прикладных задачах, по-видимому, основное внимание будет уделяться проблемам биотехнологии, а также дальнейшему развитию и прогрессу полупроводниковой техники и информационных приложений (созданию новых типов интегральных схем, запоминающих устройств и т. д.).

В области медицины мы уже можем всерьез задуматься о реализации самых немыслимых фантазий (борьба со старостью, лечение всех заболеваний, полная победа над раком). Возможно, в XXI веке мы будем заниматься даже проблемой бессмертия человека. Нанотехнология должна стать основой для практической реализации многих вечных стремлений человека. В 2000 году нанотехнология делает первые шаги и начинает бурно развиваться, но к середине столетия уже можно ожидать существенного прорыва во многих областях, включая информационные технологии, биологию, создание «информационного общества», медицину и т. п./11/

2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" — это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

2.1 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 ксенонa /5/.

Еще в 1960 году 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, который смог бы создать 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 - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Природа химических связей налагает ряд ограничений на подвижность атомов в кристаллической структуре или молекуле, и зачастую необходимо знать, с какой силой нужно воздействовать на один атом, чтобы случайно не отделить остальные, связанные с ним. И позже, учеными IBM было получено значение минимальной энергии, необходимой для отделения атома от той или иной поверхности /1/.

2.2 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. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Страницы: следующая →

12Смотреть все

1. История развития нанотехнологий

   Реферат >> Физика

2. Нанотехнологии для школьников

   Реферат >> Физика

   … с веществом к манипуляции отдельными атомами. История возникновения и развития нанотехнологий Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции …

3. Философские проблемы развития и применения нанотехнологий

   Научная работа >> Философия

   … . Редукционизм имеет богатейшую философскую историю , восходящую к досократикам, но … быть четкой границы. В истории европейской философии Нового времени такой … потребность явилась доминирующей для возникновения нанотехнологии . Одной из причин необходимости …

4. Философия истории П.А. Сорокина

   Реферат >> Философия

   … была такая необходимость? Абдусалам Гусейнов: История возникновения института немного сложней. Сталин его … проблем. Новые проблемы возникают и с появлением нанотехнологий К примеру, стоит насыпать немного «нанопорошка» …

5. История развития современных реставрационных материалов

   Реферат >> Медицина, здоровье

   … аппарата. Как выглядит история развития современных реставрационных … пломбировочные материалы на основе нанотехнологий . Полимерные пломбировочные материалы … полимеризационной усадки пломбировочного материала, возникновение полимери-зационного стресса — …

Хочу больше похожих работ…

Краткая история развития нанотехнологий.

Примерно в 400 г. до н.э. греческий философ Демокрит впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "не раскалываемый", для описания самой малой частицы вещества, тем самым положив начало развитию нанотехнологий.

Примером первого использования нанотехнологии можно назвать ч изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. В этом докладе, он подчеркнул, что речь идет не только о миниатюризации, но и о таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки.

По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. "Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне".

Он предложил награду в 1000$ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25000 ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа. В 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу "Истории двух городов" Чарльза Диккенса на кончике булавки. Отправив результаты своего труда Фейману, он в течение двух недель получил от него чек.

Многие ученые до сих пор удивляются, насколько точны были предположения Ричарда Феймана.

1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 Ао).

1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологии в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

1971 г. Рассел Янг выдвинул идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа.

1974 г. Японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил английский термин "nanotechnology"-"нанотехнологии" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), быстро завоевавший популярность в научных кругах.

1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г.) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

1985 г. Три американских химика: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены — молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший, наконец, визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.

1986 г. Американский ученый Эрик Дрекслер, работавший в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, написал книгу "Машины созидания" ("Engines of Creation"), в которой выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих что угодно (в том числе и себе подобных) из подручных молекул.

Ученый довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, и, начиная с 1989 г. его прогнозы сбываются, причем нередко со значительным опережением сроков.

1987-1988 гг. В НИИ "Дельта" под руководством П. Н. Лускиновича была заработана первая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева.

1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

Для первого в мире целевого переноса отдельных атомов в новое место они использовали СТМ производства IBM. Правда, такая надпись просуществовала недолго — атомы быстро разбежались с поверхности.

1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.

Оставалось научиться делать такие трубки как можно более длинными — их размеры оказались напрямую связаны с прочностью изготавливаемых веществ. Кроме того, открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.

1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.

1998 г. Сиз Деккер, голландский профессор технического университета создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

Появились технологии создания нанотрубок длиной 300 нм.

В Японии запущена программа "Astroboy" по развитию наноэлектроники, способной работать в условиях космического холода и при жаре в тысячи градусов.

1999 г. Американские ученые — профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) — разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.

2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.

Его коллега Роберт Магерле предложил технологию нанотомографии — создания трехмерной картины внутреннего строения вещества с разрешением 100 нм.

Правительство США открыло Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). В бюджете США на это направление выделено 270 млн. долл., коммерческие компании вложили в него в 10 раз больше.

2001 г. Реальное финансирование NNI превысило запланированное (422 млн. долл.) на 42 млн.

2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм. Финансирование NNI составило 697 млн. долл. (на 97 млн. больше плана).

2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

История развития нанотехнологий

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), 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.

История развития нанотехнологии

До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

Во второй половине 20 столетия был дан старт реализации нескольких долговременных научных программ. Выполнение их продолжается в настоящее время, а завершение работ по ним планируется в середине 21 века. Одной их таких программ является космическая программа, которая подразумевает исследования, как ближайшего космоса, так и отдаленных уголков Вселенной. В результате реализации этой программы объединенным усилием научных коллективов разных стран мира были созданы международные космические станции, на которых используется новейшее оборудование, изготовленное в различных лабораториях. К таким программам относится также грандиозная по замыслу международная программа «Геном человека», целью которой является расшифровка генного кода человека. Параллельно развиваются программы «Геномы животных». Успешно реализуются международные экологические программы, международные программы мониторинга объектов окружающей среды. Примером сплава науки и техники является интереснейшая и перспективнейшая научная программа «Развитие нанотехнологий».

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с длиной от 1 до 100 нм. 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра. Если сравнить 1 нм с толщиной волоса, то получится что 1 нм примерно в 100 раз меньше толщины волоса. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в больших интегральных схемах, которые широко применяются в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм. Нанотехнологии имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика 20 века при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными для нас микрообъектами.

В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям:

1. изготовление электронных схем с активными элементами, величиной, примерно, со среднюю молекулу;

2. разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера;

3. непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего.

Именно поэтому они представляются весьма перспективными для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.

Нанотехнологии имеют междисциплинарный характер – они объединяют все связанные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках.

Начало нанонауки положил в 1959 году Ричард Ф.Фейнман при прочтении лекции, в которой была рассмотрена возможность создания веществ совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке.

В 1986 году Эрик К.Дрекслер предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологий.

Начиная с 1980 года, в технологии производства транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусственно создаваемые пленки толщиной около 10нм, что позволяло изготавливать устройства с новыми, повышенными техническими характеристиками. В 1980 году в Японии был изготовлен первый полевой транзистор с высокой подвижностью носителей. В 1981 году сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов. Работая со сканирующим микроскопом, экспериментаторы вышли на следующий этап развития, а именно стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне.

В 1990 году началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 млрд нуклеотидных остатков в записи генетической информации – проекта «Геном человека», ставшим ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе. В 1991 году в Японии начала осуществляться первая государственная программа по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная технология»). Это ознаменовало новый этап в развитии нанонауки и нанотехнологий: государство стало поддерживать направление, признав его приоритетность не только для национальной науки, но и для государства в целом.

В настоящее время нанотехнологии все больше входят в нашу жизнь. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны в промышленных устройствах очистки питьевой воды и получении сверхчистой воды так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в технологии получения полупроводников, которые эффективнее известных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

· «нановолокна», состоящие из 60-70 молекул, как новое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

· Нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

· Атомная игла – сверхтонкая игла, которая изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

· Нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

· Наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

· Сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

· Диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

· Наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени, но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

· Нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов по иммунной реакции;

· Наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы.

Что-то из выше перечисленного уже становится реальностью, что-то находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу. Потенциальные возможности нанотехнологий поистине не знают границ, поэтому необходимо государственное участие в проектах по нанотехнологиям. На сегодняшний день государственную поддержку имеют нанотехнологии в США, Японии, России. Существует Объединенный комитет Евросоюза по нанотехнологиям.

Основные даты в истории развития нанотехнологий

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год "Инициатива" запрашивает $710 млн.

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Танигути.

Норио Танигути (яп.谷口 紀男 Танигути Норио ) - японский физик, впервые предложивший термин «нанотехнологии».

Биография

Норио Танигути родился в 1912 году. Свои исследования Танигути начинал в области высокоточной абразивной обработки твердых и хрупких материалов. Позднее, в Токийском университете (Tokyo Science University) занимался изучением ультрапрецизионной обработки материалов с помощью различных технологий - электрического разряда, микроволн, ионных и электронных пучков, а также лазеров.

В 1974 году в своей работе предложил термин «нанотехнология».

2. История возникновения и развития нанотехнологий

Нанотехнологиями («nano-technology») он называл процессы создания полупроводниковых структур с точностью порядка нанометра с помощью методов фокусированных ионных пучков, осаждения атомных слоев и др.

В 1986 году термин «нанотехнологии» независимо от Норио Танигути предложил американский инженер и популяризатор Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии».

Танигути ушёл из жизни в 1999 году.

Источники

• Taniguchi N. On the Basic Concept of «Nano-Technology» // Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo. Part II. - Japan Society of Precision Engineering, 1974.

В наше безумное время, когда человека отовсюду окружают современные технологии, когда с каждым днем всё больше совершенствуются технологии, а мы не успеваем следить за их новинками, вообще не представляем жизнь без них, стало появляться новое, часто звучащее на слуху, направление «нанотехнология». Что же такое нанотехнология? Чтобы в этом разобраться я провел небольшой опрос среди знакомых и друзей, что же они знают о нанотехнологиях:

25% ответили, что не знают;

65% ответили, что их применяют в компьютерах;

10% - что в военной промышленности.

Цель моей работы рассказать, что могут дать нанотехнологии людям и конкретно: как они могут быть использованы в моей будущей профессий. Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь на абсолютно новый уровень.

Так что же такое нанотехнологии? Разберем само слово «нано» - это переход от микро к нано, «нано - это наименьшая часть микро», или 1нм = 10-9 м.

В наше время мы уже давно сталкиваемся с нанотехнологиями. Возьмем первый компьютер, который занимал целый спортзал, или современный сотовый телефон и сравним их возможности, так же уже давно знакомые нам CD диски производятся с применением нанотехнологий.

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. В настоящее время нанотехнологии развиваются в разных направлениях.

Медицина. Создаются и уже созданы «молекулярные роботы-врачи», которые внедряются вовнутрь человека, устраняют или предотвращают как бы из нутрии, возникающие заболевания. Так же это позволит доносить организму те вещества, которые ему надо, они смогут восстанавливать поврежденные ткани.

Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

Сельское хозяйство. Мы сможем заменять природных производителей пищи (растения, животных) аналогичными компонентами из молекул роботов, они будут воспроизводить те же химические процессы, что в нашем организме

Биология. Уже стало возможно внедрять в живые организмы наноэлементы, что позволит восстанавливать вымершие виды животных, даже создавать новые.

Экология. Внедрение нанотехнологий позволит устранить вредное влияние деятельности человека на окружающую среду. Это возможно с помощью роботов санитаров, которые превращают отходы в исходное сырье, что позволит перейти на безотходное производство.

Космос. Нанотехнологии позволят быстрому и лучшему освоению космоса. С помощью нанотехнологий станет возможным создать огромную армию нанороботов, и они смогут подготовить ближайшие планеты к проживанию на них людей.

Кибернетика. Уже происходит переход рабочей системы микросхем к уменьшению в размерах до величины белковой молекулы, что позволит увеличить в себе объем памяти от байта к терабайтам.

Основные этапы в развитии нанотехнологии.

Что такое нанотехногии мы уже разобрались. Давайте же узнаем, как давно они существуют. Рассмотрим основные этапы развития нанотехнологий.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей лекции «Полно игрушек на полу комнаты» высказал мысль, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной

Инициативы в Области нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. СМИ назвали нанотехнологии "прорывом года" (Science) и "новой многообещающей идеей" (Forbes).

Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Электронные элементы на основе нанотехнологий

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли новые типы транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов.

Так же было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность.

Электроника на нанотрубках.

Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.

Квантовая электроника.

Так же удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Создан миниатюрный механический выключатель, подобный тем,

7 которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случае размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.

Солнечные батареи.

Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Батарейки и аккумуляторы.

Создана батарея, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора в 600 миллиампер-часов заполняется через несколько минут.

Технологическое машиностроение (на примере автомобильной промышленности).

Нанотехнологии открыли целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован.

Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния

В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем: при попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные ионы. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO ), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стёкол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности. Так же созданы самоочищающихся покрытия на основе нанопорошков, прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологий. Новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак

По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.

Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает экологическим требованиям.

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигатели, трансмиссия.

При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Его использование позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза; на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер; за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой снижаются вибрации и шум.

В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.

Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля: с помощью нанотехнологий позволяют объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.

Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях они находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т. д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также представляют интерес для

10 создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров АВS может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, используется в системах GPS-навигации.

В результате эволюции происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшаются константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.

Также наиболее перспективными являются углеродные нанотрубки. Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для машиностроения.

Углеродные нанотрубки (УНТ) уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, пластиковые бамперы и дверные панели автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.

Практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая пресловутый холодильник с доступом в интернет. Микроробототехникой занимается множество лабораторий по всему миру. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно, эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, как мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.

Возможности нанотехнологий поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Я думаю, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.

Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью.

Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться от них. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.

Подводя итог своей работы, я бы хотел заметить, что нанотехнологии незаметно входят в нашу жизнь - хотим мы этого или нет. Я считаю, что нанотехнологии в моей будущей профессии дадут большое развитие, облегчат работу и повысят производительность. Произойдет переход от большого громоздкого оборудования, к его уменьшению, это облегчит его обслуживание и продлит работоспособность. Я считаю, что нанотехнологии, как и все новое в нашей жизни, делается для того, чтобы облегчить и улучшить жизнь человечества.

Научное, экспертное сообщество стало осознавать в последнее время опасности и риски нерегулируемого развития наноиндустрии и нанопродукции из-за токсичности наноматериалов для живых систем и недостаточных исследований по этой проблеме. И дальше будет происходить радикальное преобразование современного производства, всех сфер жизни человека под воздействием нанотехнологий.

Однако эти перспективы останутся не реализованными без действенного контроля за негативными последствиями от использования нанотехнологий. Вернее изменения будут существенными, но в них будут преобладать реальные вредные последствия.

Можно сказать еще сильнее: от эффективности системы обеспечения безопасности зависит, выживет ли человечество в 21 веке. Эта проблема становится впереди опасностей, связанных с терроризмом и использованием оружия массового уничтожения.

Конечно, проблема безопасности нанотехнологий имеет свои специфические особенности, прежде всего связанные с тем, что наноматериалы станут общепринятыми, проникнут в быт, медицину, спорт, цивильную и военную технику, в одежду, обувь, продукты питания etc. Эти технологии междисциплинарные и межотраслевые и поэтому от них можно ждать успехов и рисков во всех сферах деятельности человека. Однако при всем при том положительный и негативный опыт, накопленный человечеством в 20ом веке при использовании мирного и немирного атома, методология, выработанная в этой отрасли, может быть перенесена, конечно, не механически, на защиту человека и природы от нанотехнологий.

А это означает, что с самого начала следует производить оценку безопасности для всего цикла, для любой вводимой в практику нанотехнологии и наноматериалов: на экспериментальной стадии, безопасность пилотных разработок, промышленного производства, во всех сферах использования, безопасность в потенциальных авариях, при остановке технологии, при хранении, захоронении отходов, содержащих наноматериалы. Об одной экстравагантной, грозной и непривычной опасности мы упоминали в другой главе книги, обсуждая спор между пионерами нанотехнологий Эриком Дрекслером и Робертом Смоли. Речь идет о выходе из под контроля самовоспроизводящихся, «размножающихся» молекулярных роботов-ассемблеров. Они способны продолжая бесконечную работу по самосборке из сырья окружающей среды в автономном режиме при адекватном снабжении энергией, перестроить, переработать любые среды, попадающиеся на их пути, в популяцию новых ассемблеров или как образно говорит Э.Дрекслер в «серую» грязь. Теоретически этот процесс, т.е. экспоненциальный рост, может продолжаться до тех пор, пока доступные энергии и материалы не будут исчерпаны. Веселенькая перспектива! Но это пока только теория.

Э. Дрекслер не только подробно обсуждал такую возможность и предлагал, в общих чертах, определить предостороженности, которые должны добровольно возложить на себя все страны, занимающиеся разработкой нанотехнологий.

Более традиционные виды опасностей связаны с химическими свойствами наночастиц, способными взаимодействовать с живыми системами. Как и в случае с ионизирующим излучением, наночастицы в клетке образуют суперактивные частицы - радикалы разной природы, сильные окислители (перекиси, синглетный кислород), способные нарушать процессы жизнедеятельности клетки, воздействую на ДНК, РНК и другие биологический объекты клетки.

Очень важным является дозиметрия наночастиц в живых организмах, что требует специальных прецизионных приборов и специальных методик. Поскольку проявление специфических, в том числе и токсилогических, свойств наночастицами связано с их характерным для них очень высоким соотношением поверхности к объему или массе, то эта величина S/V часто принимается за физическую меру потенциального воздействия на живую систему. Н, конечно, очень важно химическое строение, геометрия частиц, распределение их по размерам.

1. Перенос наночастиц (НЧ) в организме человека и окружающей среде (ОС).

Источники поступления НЧ в ОС.

Наночастицы в окружающей среде - явление не новое. К настоящему времени кроме естественных источников поступления наночастиц существует множество источников ненамеренного антропогенного загрязнения окружающей среде. С началом эры нанотехнологий к ним добавляется целый ряд намеренно созданных источников поступления нанообъектов в различные природные среды.

2. Пути поступления наночастиц в организм человека.

Поступление нанообъектов в организм человека не отличается от поступления других загрязнений и происходит:

• - через дыхательные пути (домашний текстиль);
• - с водой и пищей через кишечный тракт;
• - через кожные покровы (одежда, белье) и слизистые оболочки;
• - от загрязненных поверхностей.

В тоже время нанообъекты могут поступать в организм человека не как загрязнения, а по другим причинам:

• - при использовании нанолекарств, нанокосметики, нанотекстиля;
• - при постоянном контакте с бытовыми предметами и материалами, содержащими нанообъекты и наночастицы.

Немногочисленные, несистемные исследования по изучению влияния нанообъектов на животных и человека все же позволяют сделать следующие выводы, которые обязательно необходимо учитывать:

• - разовое поступление нанообъектов в организм животного вызывает нежелательные изменения, интенсивность которых зависит от концентрации нанообъектов;
• - нанообъекты имеют свойство накапливаться в органах и тканях (костный мозг, нервные клетки центральной и периферической нервных систем, лимфоузлах, мозге, легких, печени, почках).

Внутрь живой клетки нанообъекты проникают, преодолевая блокбарьеры. При этом они могут:

• - воздействовать на составляющие живой клетки, нарушая его в основном за счет генерации активных частиц (радикалы, различные формы кислорода, перекиси);
• - проникать внутрь метахондрий и блокировать их активную функцию;
• - вызывать повреждение ДНК, блокировать активность рибосом.

Серьезность проблемы опасностей от применения нанотехнологий осознается в последнее время многими учеными и общественными деятелями во всем мире. С 2006 г. начал выходить специальный журнал Nanotоxicology; этой проблемой занимается Национальный институт здоровья США, Агентство по охране окружающей среды ЕРА, Национальный институт рака NCI и другие. В России и сама наноиндустрия пока очень слаба и соответственно должного, системного контроля над этой проблемой не существует. А в те же время из-за рубежа к нам поступает многочисленная нанопродукция (фармацевтика, питание, текстиль, косметика и др.) на десятки млрд. DS, которая не проходит никакой специальной сертификации. Необходима специальная независимая служба контроля, оборудованная на современном приборном уровне и работающая в рамках специального законодательство и при постоянном общественном контроле.

Опубликованные USEPA, EVSCENIHR и NRG, а также Международным Советом руководства рисками (JRGC) в 2006-2007 гг. отчеты подчеркивают недостаточность экспериментальных данных о потенциальных рисках в нанотехнологиях и в наномедицине.

До сих пор проводились исследования только на животных, целью которых было выявление принципов работы нанообъектов.

Проблема нанотоксичности может усугубляться из-за того, что токсичность нанообъектов не является простым переходом от токсичности массивных материалов того же химического строения к наномасштабам. Повторяем, что наночастицы по своей природе проявляют иные физико-химические свойства, зависящие не только от их размера, но и от адгезивных, каталитических, оптических, электрических, квантово-механических свойств, которые зависят не только от размера наночастиц, но и от их геометрии, распределения по размерам и порядка их организации в нанообъекте.

Более того, химические вещества, не проявляющие токсичности в обычной ненаноразмерной форме, могут ее проявлять в форме наночастиц. Типичный пример. Инертный углерод в обычной форме проявляет токсичность в форме фуллерена, углеродных нанотрубок. Подобная метаморфоза происходит с окислами металлов (титан).

• - токсичность зависит от концентрации в организме наночастиц и площади их поверхности;
• - токсичность зависит от физико-химической формы наночастиц;
• - токсичность зависит от наносистемы, в которую включены наночастицы;
• - токсичность наночастиц выше, чем микрочастиц;
• - наночастицы вредны и для животных и для растений;
• - практически нет данных по воздействию наночастиц и нанообъектов на человека и на экосистемы как целого, или на популяцию как части экосистемы.

В настоящее время в мире производится 2000 оригинальных наноматериалов. За 10 лет их использования не один вид из них не был изучен в полном объеме на безопасность.

Табл. 1. Опасности нанотехнологий и пути их преодоления

Помимо безопасности возникают и нравственно-этические проблемы от применения нанотехнологий, особенно для медицины, косметики, бытовой техники, одежды, домашнего текстиля, военной техники и др.

Общество должно иметь в своем распоряжении полную, объективную и ясную для понимания информацию о достоинствах и недостатках нанотехнологий и принимать участие в решениях стратегических вопросов в лице экспертного сообщества и общественных организаций.

Следует признать, что во всем мире исследования по безопасности нанотехнологий существенно отстоят от их разработки и коммерциализации. А затраты на выявление этических, юридических и социальных последствий внедрения нанотехнологий резко отстает от исследований влияния на здоровье человека и окружающей среды.

Это состояние необходимо срочно на планетарном уровне менять, если мы не хотим загубить нашу общую цивилизацию; менять путем законодательств международного и федерального уровней.