Роль нанотехнологий в современном мире

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Приоритетные направления развития науки и техники

2. Возникновение нанотехнологий

3. Роль нанотехнологий в современном мире

Заключение

Список литературы

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, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема работы заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь людей на абсолютно новый уровень. [3]

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

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) (рис. 1). 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. [3]

В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом "проб и ошибок".

1. Приоритетные направления развития науки и техники

Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ были приняты президентом 20 марта 2002 года (на совместном заседании Совета безопасности, президиума Госсовета и Совета при президенте по науке и высоким технологиям) одновременно с Основами госполитики в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу. Цель выделения приоритетных направлений развития науки, технологий и техники - консолидировать финансовые, материальные и интеллектуальные ресурсы на стратегически значимых точках роста.

Принятый документ изначально включал 9 приоритетных направлений и перечень из 52 критических технологий. В течение 2004 г. по поручению правительства и Минобрнауки на основании комплексных научных исследований с привлечением ведущих ученых, экспертов и представителей бизнеса и при согласовании на межведомственном уровне перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники был сокращен до 7.

Основными критериями отбора были выбраны обеспечение национальной безопасности, снижение риска техногенных катастроф, ожидаемый вклад в ускорение роста ВВП и повышение конкурентоспособности экономики. Учитывались также имеющиеся условия для практической реализации технологий.

Новый вариант включает следующие приоритетные направления развития науки, технологий и техники:

1) информационно-телекоммуникационные системы;

2) индустрия наносистем и материалов;

3) живые системы;

4) рациональное природопользование;

5) энергетика и энергосбережение;

6) безопасность и противодействие терроризму;

7) перспективные вооружения, военная и специальная техника.

Перечень критических технологий сократился до 33, охватывающих следующие перспективные области:

Перечень критических технологий Российской Федерации:

· базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии;

· биоинформационные технологии;

· биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии;

· биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных;

· геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств;

· клеточные технологии.

Нанотехнологии и наноматериалы:

· технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом;

· технологии биоинженерии;

· технологии водородной энергетики;

· технологии механотроники создания микросистемной техники;

· технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы;

· технологии новых и возобновляемых источников энергии;

· технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений;

· технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации;

· технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы;

· технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов;

· технологии производства программного обеспечения;

· технологии производства топлив и энергии из органического сырья;

· технологии распределенных вычислений и систем;

· технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф;

· технологии создания биосовместимых материалов;

· технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления;

· технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов;

· технологии создания и обработки кристаллических материалов;

· технологии создания и обработки полимеров и эластомеров;

· технологии создания и управления новыми видами транспортных систем;

· технологии создания мембран и каталитических систем;

· технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники;

· технологии создания электронной компонентной базы;

· технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии;

· технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем;

· технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания;

· технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых.

Только рынок наноиндустрии к 2015 г., по оценкам экспертов, достигнет $1 трлн. Аналогичная судьба ждет и остальные сегменты в рамках выбранных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. И у России есть реальная возможность получить на этих рынках значительную долю.

Уже сейчас под эгидой Минобрнауки идет работа по объединению усилий государства, ученых и предпринимателей по реализации приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. Сегодня из девяти важнейших инновационных проектов государственного значения, реализуемых Роснаукой, три связаны с освоением нанотехнологий. Причем бюджетные средства составляют 2,76 млрд. руб., а частные инвестиции уже превысили 3 млрд. руб. Эти проекты - конкретный пример успешного частногосударственного партнерства и хороший старт системы коммерциализации технологий.

На основании указанных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники сформирована новая структура Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы, в соответствии с которой ведущие научные учреждения борются за государственное финансирование на конкурсной основе. [3]

2. Возникновение нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово "атом" для описания самой малой частицы вещества. В течение двадцати с лишним веков люди пытались проникнуть в тайну строения этой частицы. Решение этой непосильной для многих поколений физиков задачи стало возможным в первой половине ХХ века после создания немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа который впервые позволил исследовать нанообъекты. нанотехнология приоритетное направление критическая

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 Roo 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 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 произвольное 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.

Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор: "Я думаю о создании системы с электрическим управлением в которой используются изготовленные обычным способом "обслуживающие роботы" в виде уменьшенных в четыре раза копий "рук" оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими "руками" которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого конечно сначала следует изготовить необходимые механизмы инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле ясно что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой - от хирургических операций до транспортированияи переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов что естественно потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати на определенном этапе возможно придется отказаться от "рук" привычной формы) но позволит изготовить новые значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков поскольку не имеется ограничений связанных с размещением станков или их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн. уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Все с чем приходится встречаться в жизни зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует еще и проблема "слипания" материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно "приклеиваться" к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов". [3]

3. Роль нанотехнологий в современном мире

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

На сегодняшний день (2000 г. - 2010 г.) имеется следующая картина:

- биологические науки предполагают развитие технологии генных меток поверхности для имплантатов антимикробные поверхности лекарства направленного действия тканевая инженерия онкологическая терапия;

- простые волокна предполагают развитие бумажной технологии дешевых строительных материалов лёгких плит автозапчастей сверхпрочных материалов;

- наноклипсы предполагают производство новых тканей покрытие стёкол "умных" песков бумаги углеродных волокон;

- защита от коррозии способами нанодобавок к меди алюминию магнию стали;

- катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве дезодорировании а также производство продуктов питания.

Легкоочистимые материалы находят применение в быту архитектуре молочной и пищевой промышленности транспортной индустрии санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол больничного инвентаря и инструментов антиплесневого покрытия легкоочищающейся керамики.

Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.

Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.

Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции печатных паст пигментов нанопорошков микрочастиц мембран.

Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике наносенсорам бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей беспроводных коммуникаций квантовых и ДНК компьютеров.

Наномедицина как сфера применения нанотехнологии это наноматериалы для протезирования "умные" протезы нанокапсулы диагностические нанозонды имплантаты ДНК реконструкторы и анализаторы "умные" и прецизионные инструменты фармацевтики направленного действия.

Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии наноматериалы для космического применения.

Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя погодный контроль. [1]

Заключение

Нанотехнология без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь - вселяет страх. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Описанные технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК. [4]

Список литературы

1. Алексей Шаповалов, Алена Корнышева, Андрей Козенко, Наталья Гриб. Нанотехнологии зарядили энергией. - Газета "КоммерсантЪ" № 163(3739) от 08.09.2007.

2. Бёрд Киви "Микроботы: технология будущего сегодня"; Журнал "Компьютера" http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/ (15.01.15).

3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси. - М.: Бином 2005-134 с.

4. Свидиненко Ю. Нанотехнологии в нашей жизни / Свидиненко Ю. // Наука и жизнь. - 2005. - № 5.

Размещено на Allbest.ru