Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Российская олимпиада школьников

«Инновационные технологии»

Творческий конкурс «Выбираю профессию»

Профиль олимпиады

Нанотехнологии и наноматериалы

РЕФЕРАТ

на тему

Роль наноматериалов и нанотехнологий в современном мире

Работу выполнила:

Логвинова НаталияВалерьевна

Липецк, 2010

Оглавление

Введение

1. Роль наноматериалов и нанотехнологий в современном мире

1.1 Нанотехнологии в медицине

1.2 Нанотехнологии в военном деле

1.3 Нанотехнологии в космосе

1.4 Нанотехнологии в пищевой промышленности

Заключение

Библиография

Введение

Parvo est natura contenta.

Малое есть содержание природы.

Cicero (106-43 до н.э.)

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Мною был проведен обобщающий анализ статей, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема работы заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь людей на абсолютно новый уровень.

Цель моего теоретического исследования состоит в раскрытии особенности физических процессов в области нанотехнологий, их влияния на людей и применения в современном мире.

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

нанотехнология современный микроспутник пищевой

1. Роль наноматериалов и нанотехнологий в современном мире

Уже сегодня мы можем пользоваться преимуществами и новыми возможностями нано технологий в:

§ медицине, в том числе авиационно-космической;

§ фармакологии;

§ гериатрии;

§ защите здоровья нации в условиях нарастающего экологического кризиса и техногенных катастроф;

§ глобальных вычислительных сетях и информационных коммуникациях на новых физических принципах;

§ системах сверхдальней связи;

§ автомобильной, тракторной и авиационной технике;

§ безопасности дорожного движения;

§ системах информационной безопасности;

§ решении экологических проблем мегаполисов;

§ сельском хозяйстве;

§ решении проблем питьевого водоснабжения и очистки сточных вод;

§ принципиально новых системах навигации;

§ возобновление природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов.

Более подробно остановимся на применении нанотехнологии в медицине, военном деле, космосе и пищевой промышленности

1.1 Нанотехнологии в медицине

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Даже вирус отчасти можно считать живой системой, поскольку он содержит в себе информацию о своём построении. А вот рибосома, хотя и состоит из тех же атомов, что и вся органика, но такой информации не содержит и поэтому является лишь органической молекулярной машиной. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и не живым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК - чипы(создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Работы по изучению начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки, многие полагают, это будущее медицины.

Рис. Наноботы во рту занимаются оздоровлением человеческого зуба

Рис. Наноробот ищет места закупорки в человеческом кровеносном сосуде, чтобы, используя ротационные лезвия, разбить "завал" и всосать образовавшуюся слизь.

1.2 Нанотехнологии в военном деле

Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:

1. Создание новых мощных миниатюрных взрывных устройств.

2. Разрушение макроустройств с наноуровня.

3. Шпионаж и подавление боли с использованием нейротехнологий.

4. Биологическое оружие и наноустройства генетического наведения.

5. Наноснаряжение для солдат.

6. Защита от химического и биологического оружия.

7. Наноустройства в системах управления военной техникой.

8. Нанопокрытия для военной техники.

Нанотехнология позволит производить мощные взрывчатые вещества. Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки раз. Внедрение малогабаритных роботизированных устройств в электронную технику может нарушать работу электрических контуров и механики. Роботы для разборки материалов на уровне атомов, станут мощным оружием превращающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов, корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Но это пока лишь перспектива для развитой формы нанотехнологии. А пока исследования ведутся в области нейронных технологий, развитие которых приведет к появлению боевых наноустройств, осуществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функциями человеческого организма, используя подключение с помощью наноустройств к нервной системе. В лабораториях NASA уже созданы действующие образцы оборудования для перехвата внутренней речи. Фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой систем космического мониторинга, наземного наблюдения и шпионажа. С помощью наноустройств внедрённых в мозг возможно получение "искусственного" (технического) зрения с расширенным спектром восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разрабатываются нейрочипы.

Следующим применением нанотехнологии в военной сфере являются наноустройства генетического наведения. Наноустройство с генетическим наведением может быть запрограммировано на выполнение тех или иных разрушительных действий в зависимости от генетической структуры ДНК клетки, в которой оно оказалось. В качестве условия активации устройства задаётся уникальный участок генетического кода конкретного человека или шаблон для действий над группой людей. Отличить обычную эпидемию от этнической чистки будет практически невозможно без средств обнаружения нанороботов. Наноустройства будут срабатывать только против заданного типа людей и при строго определенных условиях. Попав в организм, наноустройство никак себя не проявит, до команды активизации. Следующим применением нанотехнологий является экипировка и снаряжение солдат. Предлагается сделать из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы которого будут настолько тесно связаны между собой, что полностью экипированного солдата будущего можно будет назвать отдельным организмом.

Нанотехнология дала прорыв в изготовлении брони и бронежилетов.

Военную технику предполагают оснастить специальной "электромеханической краской", которая позволит менять цвет и предотвратит коррозию. Нанокраска сможет "затягивать" мелкие повреждения на корпусе машины и будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. С помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в "краске", исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.

Нанотехнология внесёт изменения в военной сфере. Новая качественно преобразованная и неконтролируемая гонка вооружений. Контроль за нанотехнологией может быть реально осуществлён лишь в глобальной цивилизации. Нанотехнология позволит произвести полную механизацию полевой войны, исключающие присутствие модернизированных солдат.

Таким образом, главным выводом о результате проникновения нанотехнологии в сферу вооружения является перспектива образования глобального общества способного контролировать нанотехнологию и гонку вооружения. Это тенденция универсализма определяется рациональностью техногенной цивилизации и выражает её интересы и ценности.

1.3 Нанотехнологии в космосе

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники и наноприборы до 20 килограмм.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Сегодня космос -- это не экзотика, и освоение его -- не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

1.4 Нанотехнологии в пищевой промышленности

Наноеда (nanofood) - термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это -- любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда - это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется -- органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами - всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ - это большое белое пятно на пересечении двух территорий -- нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

Заключение

1. Нанотехнологии - символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации.

2. Возможности использования нанотехнологий практически неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

3. Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.

4. Большие перспективы несут в себе и большие опасности. В этом отношении человек должен с максимальной осторожностью отнестись к небывалым возможностям нанотехнологий, направляя свои исследования на мирные цели. В противном случае он может подставить под удар свое собственное существование.

Библиография

1. Материалы с сайта о нанотехнологиях #1 в России Nanonewsnet (http://www.nanonewsnet.ru)

2. Материалы с сайта наноклуба (http://nano.thedoor.ru/home/)

3. Материалы с сайта коллекции рефератов Revolution «Физика и энергетика» (http://revolution.allbest.ru/)

4. Материалы с сайта «Планета IT» (http://www.itdrom.com/planeta-it/)

Размещено на Allbest.ru