В помощь слушателю курсов. Что такое нано?
| Вид материала | Документы |
- Т. П. Возможно ли «объективистское» религиоведение?, 75.66kb.
- Программа курсов, 80.75kb.
- Десять нерешенных проблем теории сознания и эмоций. Эмоции, 306.48kb.
- Аннотированный список книг по нанотехнологиям, 145.53kb.
- Тема: Что такое вич? Что такое вич- инфекция? Что такое спид?, 31.26kb.
- Что такое диагностика и каковы её основные методические задачи?, 47.6kb.
- 1. что такое нефтехимия, 823.72kb.
- Сочинение. Что такое словесный мусор?, 32.51kb.
- Для начала разберемся в базовых определениях. Разберем, что такое вычислительная сеть, 81.21kb.
- Павел Рогозин, 2063.97kb.
В помощь слушателю курсов.
Что такое нано?
В переводе с греческого слово «нано» означает «карлик». Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра. Он во столько раз меньше одного метра, во сколько раз толщина пальца человека меньше диаметра Земли. Большинство атомов имеет размер от 0,1 до 0,2 нм. Диаметр эритроцита – 7000 нм, а средняя толщина человеческого волоса – 80000 нм. С объектами, имеющими наноразмеры, и предстоит работать нанотехнологиям. Нанотехнологии, использующие самые последние достижения физики, химии, биологии, - это не просто количественный, но и качественный скачок от работы с веществом к манипуляции с отдельными атомами.
С чего все начиналось?
Мысль о том, что, возможно, работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в лекции «Там внизу, полно места», прочитанной лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году. По словам Фейнмана. Люди очень долго жили, не замечая, что рядом с ними существует целый мир объектов, разглядеть которые было невозможно. Наномир полон препятствий и проблем. Но есть и хорошие новости: все детали объектов наномира оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса объектов уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, а площадь их поперечного сечения – пропорционально второй степени. Поэтому механическая нагрузка на каждую деталь объекта (отношение веса детали к площади ее поперечного сечения) уменьшается пропорционально размерам объекта.
Для того чтобы электронное устройство было умным и надежным, оно должно состоять из огромного числа электронных схем, содержать тысячи, а иногда и миллионы элементов. Первый транзистор был создан в 1947 году. Тогда его размеры составляли около 1 см. Совершенствование метода фотолитографии позволило довести размеры современных транзисторов до 200 нм.
Тем не менее, мы сами состоим из устройств, прекрасно научившихся работать с нанообъектами. Эти устройства – клетки- кирпичики, из которых построен наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из разных атомов молекулы сложных веществ. Собрав молекулы, клетка размещает их в разных своих частях: одни молекулы оказываются в ядре, другие - в цитоплазме, а третьи – в мембране.
Перспективы нанохимии.
В своей лекции Фрейнман говорил о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». При этом «…физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики – просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии…».
Нанотехнология – самостоятельная область науки.
Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским ученым Эриком Дрекслером в начале 80-х годов прошлого века. И публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии». По определению Дрекслера, нанотехнологии – это «ожидаемые технологии производства, ориентированные на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атамарной структурой». Как считают специалисты. В течение следующих 50 лет многие устройства станут такими маленькими, что 1000 таких наномашин вполне могут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце предложения.
Чтобы собирать наномашины, необходимо:
- научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить в нужное место;
- разработать сборщики, или ассемблеры, наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами по программам, написанным человеком, но без его участия;
- разработать репликаторы – устройства, производящие ассемблеры.
Пройдут годы, пока появятся ассемблеры и репликаторы, но их появление почти неизбежно.
Эрик Дрекслер предложил использовать наномашины для лечения человека. Человеческое тело сделано из молекул. Люди становятся больными и старыми. Страдают потому, что в клетках появляются «неправильные» молекулы с измененными структурами. А концентрация «правильных» уменьшается. Ничто не мешает человеку изобрести устройства, способные упорядочить атомы в «неправильных» молекулах, установив их в правильное положение, или собрать «правильные» молекулы заново. В будущем будут созданы нанороботы. Способные проникать в живые клетки, анализировать их состояние и вслучае необходимости «ремонтировать», изменяя структуру молекул, из которых они состоят.
Инструменты нанотехнологий.
Сканирущие зондовые микроскопы: атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп способен регистрировать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, что дает возможность «ощупать» и «увидеть» увидеть нанообъекты. За создание туннельного микроскопа ученые Герд Биллинг и Генрих Рорер получили Нобелевскую премию по физике. Суть способа исследования. Тонкая металлическая игла микроскопа подводится к поверхности исследуемого образца, между ними прикладывается напряжение. На расстоянии около 1 нм между иглой и образцом начинает протекать туннельный ток. Величина этого тока зависит от расстояния между иглой и поверхностью образца: чем меньше расстояние, тем больше ток. Измеряемый в процессе сканирования образца туннельный ток можно поддерживать постоянным с помощью системы обратной связи. Таким образом, можно получить объемный рельеф поверхности с нанометровым (атомным) разрешением. Сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников.
Оптический (лазерный) пинцет представляет собой устройство. Использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов или для удержания их в определенном месте. Вблизи точки фокуса лазерный луч притягивает все, что находится вокруг. Как только наночастица оказывается ее можно передвигать вместе с лазерным лучом. Так можно передвигать наночастицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры.
Элементы наномира.
Наноструктуры можно собирать не только из отдельных атомов или одиночных молекул, но из молекулярных блоков. Такими структурными блоками для создания наноструктур, являются графен, углеродные нанотрубки и фуллерены.
Графен – это материал, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, связанных между собой в двухмерную решетку, напоминающую пчелиные соты. Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.
Углеродные нанотрубки – это цилиндрические структуры, или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Углеродную нанотрубку легко представить, если вообразить, что вы берете графитовую плоскость, вырезаете из нее полоску, затем сворачиваете полоску в трубку. В зависимости от угла закручивания графитовой плоскости нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников. Углеродные нанотрубки гораздо прочнее графита.
Фуллерены. Атомы углерода, испаряясь с поверхности графитового углерода и соединяясь друг с другом, могут образовывать не только нанотрубки, но и другие молекулы, представляющие выпуклые замкнутые многогранники. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Молекула самого симметричного и наиболее изученного фуллерена С-60 состоит из 60 атомов углерода, образующих многогранник из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, напоминающих по форме футбольный мяч. Диаметр фулерена – 60 составляет около 1 нм.
Дендримеры – древообразные полимеры – наноструктуры размером от 1 до 10 нм, образующиеся из мономеров, обладающих ветвящейся структурой. Синтез дендримеров – это нанотехнология, тесно связанная с химией полимеров. Внутри дендримера образуются полости, которые могут быть заполнены различными веществами, химически не связанными с ними. Дендример становится нанокапсулой с данным веществом. С помощью дендримеров-нанокапсул можно доставлять лекарственные препараты непосредственно тем клеткам, которые в них нуждаются. Внутренняя полость дендримеров. Содержащая лекарство, должна быть окружена оболочкой. Предотвращающей его утечку. К внешней поверхности полимера необходимо прикрепить молекулы. Способные соединяться с поверхностью только клеток-адресатов. Дендримеры можно использовать также как микроскопические контейнеры для доставки веществ с радиоактивной меткой, применяемых для диагностики различных заболеваний.
Нанопроволоки.
Нанопроволоками называют проволоки с размером поперечного сечения порядка 10 нм. Их изготавливают из металлов, полупроводников и диэлектриков. Длина нанопроволок может превышать их толщину в 1000 и более раз. Уникальные электрические и механические свойства нанопроволок создают предпосылки для их использования в будущих наноэлектронных и наноэлектромеханических приборах, а также в качестве элементов новых композитных материалов и биосенсоров. У нанопроволок практически отсутствует пластическая деформация, а предел прочности в десятки раз выше, чем у образцов макроразмеров, состоящих из того же вещества. Это происходит потому, что нанопроволока имеет диаметр около 10 нм, и силы поверхностного натяжения сжимают ее со всех сторон.
Нанотехнологии вокруг нас.
«Тепловые бомбы» для раковых клеток. Кремниевая наночастица сферической формы (диаметром около 100 нм), покрытая слоем золота толщиной около 10 нм, обладает способностью поглощать инфрокрасное излучение с длиной волны 820 нм. Нагревая при этом тонкий слой жидкости вокруг себя на несколько десятков градусов. Тканями организма человека это излучение не поглощается. Если ввести в клетки ткани такие «золотые» наночастицы, которые будут связываться с раковыми клетками, а затем подействовать на эти частицы инфрокрасным излучением, то больные клетки можно нагреть и уничтожить. При этом здоровые клетки (без наночастиц) нагреваться и повреждаться не будут. Ученые обнаружили, что мембраны здоровых клеток отличаются от мембран раковых клеток, и предложили наносить на поверхности наночастиц молекулы, облегчающие «прилипание» частиц к больным клеткам такие наночастицы были созданы для лечения различных типов заболевания.
Дендримеры – капсулы с ядом для раковых клеток. Раковые клетки для деления нуждаются в большом количестве фолиевой кислоты. Если внешняя оболочка дендримеров будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такие дендримеры будут избирательно «прилипать» к поверхности только раковых клеток. Если одновременно с фолиевой кислотой на поверхности дендримеров прикрепить молекулы вещества, светящиеся, например, в ультрафиолетовых лучах, то с помощью дендримеров можно раковые клетки сделать видимыми, а, прикрепив к дендримеру лекарственный препарат, можно эти клетки уничтожить.
Нанотрубки – емкости для хранения водорода. Запасы угля, нефти, газа на Земле ограничены. Кроме того, сжигание топлива приводит к накоплению углекислого газа и примесей в атмосфере, что ведет к глобальному потеплению. Перед человечеством стоит задача: чем в будущем заменить традиционные виды топлива? Экономически эффективно использование в качестве топлива водорода – самого распространенного химического элемента Вселенной. Известны достаточно дешевые и экологически чистые способы получения водорода. Однако хранение и транспортировка его является нерешенной проблемой. Очень маленькие молекулы водорода позволяют ему «утекать» через микротрещины и поры, присутствующие в емкостях для хранения водорода. Для хранения и транспортировки водорода может быть использовано устройство, исполняющее роль «губки», которая обладает способностью «всасывать» водород, удерживать его неограниченно долго. Такая водородная «губка» должна иметь большую площадь поверхности и обладать химическим сродством к водороду. Эти свойства присутствуют у углеродных нанотрубок.
Наночастицы серебра- яд для бактерий. Покрытия, модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антибактериальных и антимикробных средств защиты в местах, где велика опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях.
Об этом и многом другом вы можете узнать, прочитав книгу
Богданова К. Ю. Что могут Нанотехнологии? М., «Просвещение», 2009
из серии «Все это НАНО», основанной в 2009 году.
Подготовила Л. О. Воробьева