Нанотехнологии. История развития

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ НАУК

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Коллоидная химия

на тему: « Нанотехнологии. История развития»

Выполнила студентка группы № 472

Маджидова Сафия Рустамовна

Специализация: Химия

Новосибирск 2015

Содержание

Введение

1. Что такое нанотехнология

2. История возникновения и развития нанотехнологий

3. Области применения нанотехнологий

3.1 Нанотехнологии в строительстве

3.2 Нанотехнологии и медицина

3.3 Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Список используемой литературы

Введение

Нанотехнологии в современном мире занимают высокую ступень в развитии технических наук, химии, физики, биологии, генетики и т.д. Нанотехнология носит инновационный характер и делает большие шаги в развитии научно-технической революции.

На сегодняшний день, развитие нанотехнологий открывает большие перспективы при разработке новых инновационных материалов, развитии биотехнологии, совершенствовании связи, энергетики, здравоохранения и вооружения. Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в высшей степени наукоемкими и стимулируют развитие прикладных направлений, таких как, наномашиностроение, нанокосмонавтика, наномеханика, создание и развитие такой отрасли как наноматериалы.

Нанотехнологии позволяют контролировать размеры частиц и тем самым, появляется возможность улучшения свойств материалов. Уменьшение размеров структур ведет к появлению новых видов объектов, таких как нанотрубки, углеродные наномагистрали, тонкие пленки, квантовые проводники и элементы матрицы, лазерные генераторы, которые обладают уникальными свойствами.

Будущее стоит на пути развития нанотехнологий, которое в корне изменяет пути развития различных устройств и материалов.

Нанотехнология открывает новую эру в фундаментальных исследованиях, объединяя науку, технику и образование. Нанотехнология представляет собой некий «конструктор», что делает эту отрасль науки мощным инструментом образования всех сторон производственной и общественной жизни.

1. Что такое нанотехнология

Термин технология происходит от греческого слова «techno» - искусство, мастерство, умение + «logos» - наука; как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойство, формы) первоначального сырья, материала в процессе производства конечной продукции.

Задача технологии состоит в том, чтобы использование законов природы шло на благо человека. Существуют различные отрасли технологии - технологии машиностроения, технологии химической очистки воды, информационные технологии и другие.

Технологии различаются лишь природой исходного сырья, материала. Именно значительная разница между такими видами сырья, как информация и металлические конструкции, определяют и существенные различия в методах их обработки и преобразования [4, 14, 18].

Любая наука обладает собственной системой терминов и понятий. Теперь перейдем непосредственно к терминологии. Само слово «нанотехнология» ? это по сути междисциплинарная область науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размерами в несколько десятков нанометров. В макроскопическом представлении физико-химические свойства вещества инвариантны относительно его количества или размера. Нанотехнология призвана сверхточно манипулировать индивидуальными атомами и молекулами. Она кардинально изменит наш окружающий мир, чем мы можем себе это представить [ 2, 14].

В последнее время термин «нанотехнология» (НТ) стал очень популярным. Он объединяет разнородные представления и подходы, а так же разные методы воздействия на вещество. Следует отметить что термин «нанотехнологии» имеет приставку «нано», означающая изменение масштаба в 10^-9 (миллиард) раз, т.е. 1 нанометр = 1 нм = 10^-9 м, что составляет одну миллионную привычного нам миллиметра [5, 16]. Примерно таковы размеры молекул (поэтому часто нанотехнологию называют также молекулярной технологией). Для сравнения, человеческий волос приблизительно в 60 тысяч раз толще одной молекулы [14]. Разумеется, человеческое воображение, используемые термины, образы и слова почти не способны в полной степени описать «окружающий мир» со столь крошечными объектами. При этом образующие систему наночастицы по своим свойствам отличаются как от объемной фазы вещества, так и от атомов или молекул, их составляющих. В основе качественно новых достижений в научно-технических разработках на наноуровне лежит использование новых, ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасщтабам [2, 8]. Классические представления о закономерностях природы начинают нарушаться при размерах составляющих десятые доли микрометра. За этой гранью начинается территория, подчиненная квантовым законам, в которых проявляет себя волновая природа электрона и системы микрочастиц. Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов именно в интервале наноразмеров (на молекулярном уровне). Нанотехнологический подход означает такое же, но целенаправленное регулирование свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем фундаментальные параметры вещества. Поэтому, к примеру, такие проекты, как производство самовоспроизводящихся роботов, с одной стороны, и клеточных роторных моторчиков, - с другой, не кажутся ни фантастическими, ни осуществимыми.

Специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе и связанные с этим новые физические явления обусловлены тем, что характерные размеры элементов структуры нанообъектов лежат в диапазоне, соответствующем средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. С этой точки зрения следовало бы рассматривать наноструктуры в качестве особого фазового и стабильного состояния вещества. Свойства веществ и материалов, образованных структурными элементами с размерами в нанометровом интервале, в объемной фазе не определяются однозначно. Это вызвано тем, что изменения характеристик обусловлены не только уменьшением размеров структурных элементов, но и проявлением квантовомеханических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. Управляя размерами и формой наноструктур, таким материалам можно придавать совершенно новые функциональные характеристики, резко отличающиеся от характеристик обычных материалов. К числу уже известных наноструктур относятся - углеродные нанотрубки, белки, ДНК и работающие при комнатных температурах «одноэлектронные» транзисторы. Рациональный подход к производству таких материалов и устройств знаменовал бы революцию в науке и технике, если бы удалось выявить и полностью использовать закономерности и принципы, определяющие структуру и свойства таких нанообъектов.

На сегодняшний день, основной проблемой нанотехнологии является то, что исследователи еще почти ничего не знают о фундаментальных закономерностях поведения отдельных частиц, структур и целых систем в этом нанометровом пространственном масштабе. Наночастицы одновременно и слишком малы и слишком велики (для квантовомеханических расчетов, которые в нанообласти оказываются весьма приближенными).

Исследователи пока не умеют достаточно точно моделировать поведение наночастиц, поскольку их характеристики непрерывно изменяются во времени и пространстве, а число объединяющихся в наносистемы частиц все еще недостаточно велико, чтобы рассматривать эти системы в качестве статистических ансамблей.

Поэтому для реального прогресса в производстве наноструктурных материалов и наноустройств предстоит значительно углубить фундаментальные представления о поведении наночастиц и разработать надежные методики расчета их свойств [7, 10, 12].

2. История возникновения и развития нанотехнологий

Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первыми учеными, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать швейцарского физика Альберта Эйнштейна, который в 1905 году опубликовал работу, в которой доказывалось, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр (10^-9 м). Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.

Впервые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения будущих нанотехнологий, - это труды физика-теоретика российского происхождения Георгия Антоновича Гамова. Он впервые, еще в 20-е годы XX века, произвел решения уравнений Эрвина Шредингера. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, в том числе и электронов, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное «туннельным эффектом», позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение было применено для описания процессов при вылете частицы из ядра, составляющих в настоящее время основу атомной науки и техники. Уже в 1956 году Гамов Г.А. получил премию Калинга за популяризацию науки [2, 14].

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В этом же году компания Siemens, в которой работал Э.А. Руска, выпустила первый коммерчиский электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда сотрудник картографической службы военного ведомства США Джон Алоизиус О'Кифи предложил конструкцию микроскопа, в котором свет должен был выходить из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещать объект, расположенный очень близко от экрана. Свет, прошедший через образец или отраженный от него обратно в отверстие, регистрировал в процессе возвратно-поступательного движения (сканирования) образца. Американец назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля и указал, что разрешение такого микроскопа ограничивается не длиной волны свет, а только размером отверстия. Теоретически подобное устройство могло бы давать изображение деталей размером меньше половины длины волны.

Бурное развитие электроники 50-х годов XX века привело к открытию туннельного диода японским физиком Лео Эсаки. В это же время, руководитель сектора физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходеев, впервые предложил расчеты параметров и варианты применения приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных на тот период результатов по быстродействию.

Мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из крупнейших физиков XXвека, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института [1, 18, 12]. Ученый впервые прочел лекцию на годичном собрании американского физического общества, которая называлась «Полно игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии. Фейнман с очень общей точки зрения проанализировал возможности изменения масштабов электромеханических приборов, электрических схем и проблему записи, сжатия и сохранения информации. Идеи Ричарда Фейнмана казались слушателям фантастическими, поскольку практическая реализация предлагаемых им устройств и механизмов считалась проблемой далекого будущего или вообще невозможной. Сегодня мы вновь убеждаемся, что идеи великого американского физика оказались вполне реалистичными, а многие из них уже воплощены в математических расчетах и практических применениях [14, 16].

Наиболее актуальной оставалась задача разработки и создания инструментального (метрологического) оборудования для изучения атомного строения конструкционных материалов на наноуровне.

В 1964 году, Гордон Эрл Мур, почетный президент и один из основателей американской корпорации выдвинул предложение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени. При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое. Таким образом, развитие микроэлектроники стремительно подталкивало к дальнейшей миниатюризации компонентной базы, а следовательно, и к исследованиям в области ее инструментального обеспечения.

Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, в 1966 году предложил пьезоэлектрическое управляющее устройство, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов.

В это же время Дэвид Джонс теоретически конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объектом, внедренным в гексагональную решетку обычного графита и приводящим к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

В 1971 году Р.Янг предложил идею прибора Topografiner, послужившего прообразом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам вскоре работы над прибором были прекращены. Через год, в 1972 году Янг сумел осуществить перемещение и позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 Ангстрем, применив перемещающие устройства на базе пьезоэлектриков. Со времени создания пьезодвигателя прошло более пяти лет. Длительные сроки разработки подобных устройств объясняются тем, что наблюдение за атомарными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому требовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин «нанотехнология» впервые предложил японский физик Норио Танигучи из Токийского университета. Нанотехнология, по мнению Танигучи - это технология объектов, размеры которых составляют порядка 109 м (атомы, молекулы), включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопления знаний в области нанотехнологий позволило по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. К примеру в 1975 году немецкие ученые-ботаники В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили и запонтентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктуированных поверхностных областях.

Термин «нанотехнология» стал популярен в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К. Э. Дрекслера «Машины творения: наступающая эра нанотехнологий». В настоящее время понятие «нанотехнология» включает в себя не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание систем с новыми свойствами, которые обусловлены проявлением наномасштабных (на уровне молекул и атомов) явлений и факторов, но и систему знаний, умений, навыков, материаловедческое, аппаратурное, информационное обеспечение процессов, а также технологических операций.

В России первая отечественная нанотехнологическая установка, осуществлявшая направленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева, заработала в 1987 - 1988 годах в научно-исследовательском институте «Дельта». Она была создана под руководством П. Н. Лускиновича. Практически в это же время в 1990 году был выделен первый способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллерита в институте ядерной физики в Германии.

В области прикладных нанотехнологических исследований также можно отметить работы, проводимые корпорацией НТ-МДТ, созданной в 1991 году в Зеленограде выпускниками Московского физико-технического института. Постановлением Правительства РФ от 2 августа 2007 года № 498 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы. Целью данной программы явилось - создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала отечественной наноиндустрии [1, 6, 18].

Таким образом, история развития нанотехнологий показывает нам, что не все грани нашего человечества открыты и доказаны. Нанотехнологии развиваются и играют незаменимую роль в нашей повседневной жизни.

3. Области применения нанотехнологий

3.1 Нанотехнологии в строительстве

Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно -- это строительство. Основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.

Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки -- так называемые наноинициаторы -- значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин -- в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2--3 раза.

Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.

В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.

Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве -- различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы. На выставке в Испании был показан еще один продукт -- покрытие для плитки, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерн -- одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом для душевых кабин.

В ассортименте окрасочных материалов появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, -- фасадная силикатная краска с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию. Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски -- грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.

Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночасти-цами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафталевых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологии -- разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться [1, 15, 11].

3.2 Нанотехнологии и медицина

Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике -- обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы -- частицы дисперсной фазы золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло -- чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологии в здравоохранении и косметологии.

Другим древнейшим применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.

В наше время, многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитовую воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов. Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить -- через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.

Проведенные на Украине и в Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале -- шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра. Это связано с тем, что в обычной воде (Н2О) состояние и количество образующихся кластеров является нестабильным (мерцающим). Кластеры существуют миллиардные доли секунды (наносекунды) и распадаются, а затем образуются вновь, то есть мерцают.

Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений» и разрушающие живой организм.

Перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний, смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.

Директор Лаборатории нанофотоники, профессор Университета Раиса в Хьюстоне, Наоми Халас и Питер Нордлендер создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами -- наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки -- антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.

В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998--2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологии при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН на базе нанотехнологии создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, к которым относится, например, туберкулез. Раньше только на необходимые медицинские исследования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, то экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. рублей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехнологиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими [ 1, 13, 8].

3.3 Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр -- 50--180 нм, масса -- не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50--200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20--90%) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Ученый СССР С. Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, -- источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе -- достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод -- соседи по таблице Менделеева, оба элемента -- неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства -- быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия -- это, по существу, химия углеводородов и их производных.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве, а также для создания биосовместимых материалов; перестройки, облагораживания и восстановления тканей; создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду. В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5--3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.

Огромное значение имеет применение нанотехнологии для очистки и дезинфекции воды. Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра способствует упрощению и повышению качества содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.

Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 1% потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и систем фильтрации нового поколения [3, 6, 11, 14].

нанотехнология строительство медицина мембранный

Список используемой литературы

1. Балабанов, В. И. Нанотехнологии. Наука будущего. - М.: Издательство Эксмо, 2009 г.

2.Азаренков, Н. А. Основы нанотехнологий и наноматериалов / Н. А. Азаренков, А. А. Веревкин, Г. П. Ковтун // учебное пособие. - Харьков, - 2009.

3.Анищук, В. М. Наноматериалы и нанотехнологии / В. М. Анищук, В. З. Борисенко, С. А. Жданюк, Н. К. Толочко // - Минск.: Изд. центр. БГУ, 2008. - 375 с.

4.Верещагина, Я. А. Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии: учебное пособие / Я. А. Верещагина. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2009. - 115 с.

5.Головин, Ю. И. Введение в нанотехнику. - М.: Машиностроение, 2007. - 496 с.

6. Бородин, И. Ф. Нанотехнологии в сельском хозяйстве / И. Ф. Бородин // Механизация и электрификация сельского хозяйства, - 2005. - № 10. - С. 2-5.

7. Ковшов, А. Н. Основы нанотехнологии в технике / А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров, И. М. Ибрагимов // учеб. пособие. - М.: изд-во МГОУ, 2006.

8. Пул. Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэнс // 2-е изд-во. - М.: Техносфера, 2006 - 260 с.

9. Неволин, В. К. Зондовые технологии в электронике / В. К. Неволин // - М.: Техносфера, 2005.

10. Kroto H. W. // Science. 1988 - V. 242. - P. 1139.

11. Латыпов, З. З. Фуллерены и углеродные нанокластеры / З. З. Латыпов, Л.Н. Гааль // Науч. приборостроение. - 2005. - Т. 15, № 2. - С. 82-87

12. Ратнер, М. Ратнер, Д. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 240 с.

13. Freitas R. A. Nanomedicine. - V. I. Basic Capabilites / R. A. Freitas / - 1999/

14. Рыбалкина, М. Нанотехнологии для всех - 2005. - 444 с.

15. Суздалев, И. П. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с.

16. Нанотехнологии. Азбука для всех. / Под. ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 368 с.

17. Лучинин, В. В. Введение в индустрию наносистем / В. В. Лучинин // Нано- и микросистемная техника. - 2005. - № 5. - С. 2-8.

18. Сергеев, Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. - 228.

Размещено на Allbest.ru