Nanotehnologija. Kaj je nanotehnologija? Kakšna nanotehnologija

Ruski predsednik Dmitrij Medvedjev je prepričan, da ima država vse pogoje za uspešen razvoj nanotehnologije.

Nanotehnologija je nova smer znanosti in tehnologije, ki se v zadnjih desetletjih aktivno razvija. Nanotehnologije vključujejo ustvarjanje in uporabo materialov, naprav in tehničnih sistemov, katerih delovanje določa nanostruktura, to je njeni urejeni fragmenti, veliki od 1 do 100 nanometrov.

Predpona "nano", ki prihaja iz grškega jezika ("nanos" v grščini - gnome), pomeni milijardni del. En nanometer (nm) je milijarda metra.

Izraz »nanotehnologija« je leta 1974 skoval Norio Taniguchi, znanstvenik za materiale na Univerzi v Tokiu, ki ga je opredelil kot »proizvodno tehnologijo, ki lahko doseže ultra visoko natančnost in ultra majhne dimenzije ... reda velikosti 1 nm...” .

V svetovni literaturi se nanoznanost jasno loči od nanotehnologije. Za nanoznanost se uporablja tudi izraz nanoznanost.

V ruskem jeziku in v praksi ruske zakonodaje in regulativnih dokumentov izraz "nanotehnologija" združuje "nanoznanost", "nanotehnologijo" in včasih celo "nanoindustrijo" (področja poslovanja in proizvodnje, kjer se uporabljajo nanotehnologije).

Najpomembnejši sestavni deli nanotehnologije so nanomateriali, to je materialov, katerih neobičajne funkcionalne lastnosti določa urejena struktura njihovih nanofragmentov velikosti od 1 do 100 nm.

- nanoporozne strukture;
- nanodelci;
- nanocevke in nanovlakna
- nanodisperzije (koloidi);
- nanostrukturne površine in filmi;
- nanokristali in nanoklastri.

Nanosistemska tehnologija- funkcionalno zaokroženi sistemi in naprave, ki so v celoti ali delno ustvarjeni na osnovi nanomaterialov in nanotehnologij, katerih značilnosti se radikalno razlikujejo od sistemov in naprav za podobne namene, ustvarjenih s tradicionalnimi tehnologijami.

Področja uporabe nanotehnologije

Skoraj nemogoče je našteti vsa področja, na katerih lahko ta globalna tehnologija pomembno vpliva na tehnološki napredek. Naštejemo jih le nekaj:

- elementi nanoelektronike in nanofotonike (polprevodniški tranzistorji in laserji);
- foto detektorji; Sončne celice; različni senzorji);
- ultrazgoščene naprave za snemanje informacij;
- telekomunikacije, informacijske in računalniške tehnologije; superračunalniki;
- video oprema - ploski zasloni, monitorji, video projektorji;
- molekularne elektronske naprave, vključno s stikali in elektronskimi vezji na molekularni ravni;
- nanolitografija in nanoodtiskovanje;
- gorivne celice in naprave za shranjevanje energije;
- naprave mikro- in nanomehanike, vključno z molekularnimi motorji in nanomotorji, nanoroboti;
- nanokemija in kataliza, vključno z nadzorom zgorevanja, premazovanjem, elektrokemijo in farmacevtskimi izdelki;
- aplikacije v letalstvu, vesolju in obrambi;
- naprave za nadzor okolja;
- ciljna dostava zdravil in proteinov, biopolimerov in celjenje bioloških tkiv, klinična in medicinska diagnostika, izdelava umetnih mišic, kosti, implantacija živih organov;
- biomehanika; genomika; bioinformatika; bioinstrumentacija;
- registracija in identifikacija rakotvornih tkiv, patogenov in biološko škodljivih povzročiteljev;
- varnost v kmetijstvu in pridelavi hrane.

Računalništvo in mikroelektronika

Nanoračunalnik— računalniška naprava, ki temelji na elektronskih (mehanskih, biokemičnih, kvantnih) tehnologijah z velikostjo logičnih elementov reda več nanometrov. Tudi sam računalnik, razvit na podlagi nanotehnologije, ima mikroskopske dimenzije.

DNK računalnik- računalniški sistem, ki uporablja računalniške zmogljivosti molekul DNK. Biomolekularno računalništvo je skupno ime za različne tehnike, tako ali drugače povezane z DNK ali RNK. V DNK-računalniškem sistemu podatki niso predstavljeni v obliki ničel in enic, temveč v obliki molekularne strukture, zgrajene na osnovi vijačnice DNK. Vlogo programske opreme za branje, kopiranje in upravljanje podatkov opravljajo posebni encimi.

Mikroskop na atomsko silo- skenirni sondni mikroskop visoke ločljivosti, ki temelji na interakciji konzolne igle (sonde) s površino proučevanega vzorca. Za razliko od vrstičnega tunelskega mikroskopa (STM) lahko pregleduje tako prevodne kot neprevodne površine tudi skozi plast tekočine, kar omogoča delo z organskimi molekulami (DNA). Prostorska ločljivost mikroskopa na atomsko silo je odvisna od velikosti konzole in ukrivljenosti njegove konice. Horizontalno dosega atomsko ločljivost, vertikalno pa jo znatno presega.

Antena-oscilator- 9. februarja 2005 je bil v laboratoriju bostonske univerze pridobljen antenski oscilator z dimenzijami približno 1 mikrona. Ta naprava ima 5.000 milijonov atomov in je sposobna nihanja s frekvenco 1,49 gigaherca, kar ji omogoča prenos ogromnih količin informacij.

Nanomedicina in farmacevtska industrija

Smer v sodobni medicini, ki temelji na uporabi edinstvenih lastnosti nanomaterialov in nanoobjektov za sledenje, načrtovanje in spreminjanje človeških bioloških sistemov na nanomolekularni ravni.

DNK nanotehnologija- uporabljajo specifične baze DNK in molekule nukleinske kisline, da na njihovi osnovi ustvarijo jasno definirane strukture.

Industrijska sinteza molekul zdravil in farmakoloških pripravkov jasno določene oblike (bis‑peptidi).

V začetku leta 2000 je hiter napredek tehnologije nanodelcev dal zagon razvoju novega področja nanotehnologije: nanoplazmonika. Izkazalo se je, da je mogoče prenašati elektromagnetno sevanje vzdolž verige kovinskih nanodelcev z vzbujanjem plazmonskih nihanj.

Robotika

Nanoroboti- roboti, ustvarjeni iz nanomaterialov in po velikosti primerljivi z molekulo, s funkcijami gibanja, obdelave in prenosa informacij ter izvajanja programov. Nanoroboti, ki so sposobni ustvarjati kopije samih sebe, tj. samoreprodukcijo imenujemo replikatorji.

Trenutno so že ustvarjene elektromehanske nanonaprave z omejeno mobilnostjo, ki jih lahko štejemo za prototipe nanorobotov.

Molekularni rotorji- sintetični motorji nano velikosti, ki lahko ustvarjajo navor, ko se jim dovaja dovolj energije.

Mesto Rusije med državami, ki razvijajo in proizvajajo nanotehnologije

Vodilne v svetu po skupnih vlaganjih v nanotehnologijo so države EU, Japonska in ZDA. V zadnjem času so Rusija, Kitajska, Brazilija in Indija močno povečale naložbe v to panogo. V Rusiji bo znesek financiranja v okviru programa "Razvoj infrastrukture nanoindustrije v Ruski federaciji za obdobje 2008 - 2010" znašal 27,7 milijarde rubljev.

Zadnje (2008) poročilo londonskega raziskovalnega podjetja Cientifica, imenovano Nanotechnology Outlook Report, dobesedno opisuje ruske naložbe takole: »Čeprav je EU še vedno na prvem mestu glede naložb, sta Kitajska in Rusija že prehiteli ZDA. ”

Obstajajo področja nanotehnologije, kjer so ruski znanstveniki postali prvi na svetu, saj so dobili rezultate, ki so postavili temelje za razvoj novih znanstvenih trendov.

Rusija že proizvaja številne nanoproizvode, po katerih je povpraševanje na trgu: nanomembrane, nanopraške, nanocevke. Vendar pa po mnenju strokovnjakov Rusija pri komercializaciji nanotehnoloških dosežkov zaostaja za ZDA in drugimi razvitimi državami za deset let.

Gradivo je bilo pripravljeno na podlagi informacij iz odprtih virov

Na spletni strani britanske revije New Scientist so osnovne informacije o nanotehnologiji predstavljene v zelo priročni obliki – v obliki odgovorov na pogosto zastavljena vprašanja, piše dp.ru.

Kaj je nanotehnologija?

Izraz "nanotehnologija" je treba razumeti kot kompleks znanstvenih in inženirskih disciplin, ki preučujejo procese, ki se odvijajo na atomski in molekularni ravni. Nanotehnologija vključuje manipulacijo materialov in naprav, ki so tako majhne, da nič manjšega ne more obstajati. Ko govorimo o nanodelcih, običajno mislimo na velikosti od 0,1 nm do 100 nm. Upoštevajte, da so velikosti večine atomov v območju od 0,1 do 0,2 nm, širina molekule DNK je približno 2 nm, značilna velikost krvne celice je približno 7500 nm, človeški las pa 80.000 nm.

Zakaj majhni predmeti pridobijo tako specifične lastnosti na ravni nanometra? Na primer, majhne skupine (imenovane grozdi) atomov zlata in srebra kažejo edinstvene katalitične lastnosti, medtem ko so večji vzorci običajno inertni. In nanodelci srebra izkazujejo izrazite antibakterijske lastnosti in se zato običajno uporabljajo v novih vrstah oblog.

Ko se velikost delcev zmanjšuje, se razmerje med površino in prostornino poveča. Zaradi tega nanodelci veliko lažje vstopajo v kemične reakcije. Poleg tega se učinki kvantne fizike pojavijo na ravneh pod 100 nm. Kvantni učinki lahko vplivajo na optične, električne ali magnetne lastnosti materialov na nepredvidljive načine.

Majhni kristalni vzorci nekaterih snovi postanejo močnejši, ker preprosto dosežejo stanje, ko ne morejo razpasti, kot to storijo večji kristali, če so izpostavljeni sili. Kovine postanejo v nekaterih pogledih podobne plastiki.

Kakšni so obeti za uporabo nanotehnologije?

Že leta 1986 je futurist Eric Dressler zamislil utopično prihodnost, v kateri bodo samopodvajajoči se nanoroboti opravljali vse delo, ki ga družba potrebuje. Te majhne naprave so sposobne popraviti človeško telo od znotraj navzven, zaradi česar so ljudje tako rekoč nesmrtni. Nanoroboti se lahko tudi prosto gibljejo v okolju, zaradi česar so nepogrešljivi v boju proti onesnaževanju tega okolja.

Nanotehnologija naj bi zagotovila pomembne preboje v računalniški tehnologiji, medicini in tudi v vojaških zadevah. Medicinska znanost je na primer razvila načine za dostavo zdravil neposredno v rakasta tkiva v majhnih "nanobombah". V prihodnosti bi lahko nanonaprave "patruljirale" arterije, se zoperstavljale okužbam in zagotavljale diagnostiko bolezni.

Ameriški znanstveniki so uspešno uporabili pozlačene "nanometke" za iskanje in uničenje neoperabilnih tumorjev raka. Znanstveniki so nanokrogle pritrdili na protitelesa, ki lahko stopijo v stik z rakavimi celicami. Če so nanokrogle izpostavljene sevanju, ki je po frekvenci blizu infrardečemu, se bo njihova temperatura zvišala, kar pomaga uničiti rakotvorna tkiva.

Raziskovalci z vojaškega inštituta za nanotehnologijo v Cambridgeu (ZDA), ki ga financira ameriška vojska, uporabljajo nanotehnologijo za ustvarjanje popolnoma nove vrste uniforme. Njihov cilj je ustvariti tkanino, ki lahko spreminja barvo, odbija naboje in energijo udarca ter celo lepi kosti.

Kje se trenutno uporabljajo nanotehnologije?

Nanotehnologija se že uporablja pri izdelavi trdih diskov za osebne računalnike, katalizatorjev - elementov motorjev z notranjim zgorevanjem, teniških žogic z dolgo življenjsko dobo, pa tudi visokotrdnih in hkrati lahkih teniških loparjev, orodij za rezanje kovin. , antistatične prevleke za občutljivo elektronsko opremo in posebne prevleke za okna, ki zagotavljajo njihovo samočiščenje.

Kako nastanejo nano naprave?

Trenutno obstajata dve glavni metodi za izdelavo nanonaprav.

Dol gor. Sestavljanje nanonaprav po principu “molecule to molecule”, kar spominja na sestavljanje hiše oz. Enostavne nanodelce, kot sta titanov dioksid ali železov oksid, ki se uporabljajo v kozmetiki, je mogoče proizvesti s kemično sintezo.

Nanonaprave je mogoče ustvariti z vlečenjem posameznih atomov naokoli z uporabo tako imenovanega mikroskopa na atomsko silo (ali vrstičnega tunelskega mikroskopa), ki je dovolj občutljiv za izvajanje takšnih postopkov. To tehniko so prvi pokazali IBM-ovi strokovnjaki - s pomočjo skenirnega tunelskega mikroskopa so postavili IBM-ovo kratico in ustrezno postavili 35 atomov ksenona na površino vzorca niklja.

Zgoraj navzdol. Ta tehnika predvideva, da uporabimo makroskopski vzorec in na primer z jedkanjem na njegovi površini ustvarimo običajne komponente mikroelektronskih naprav s parametri, značilnimi za nanometrsko merilo.

Ali nanotehnologija ogroža zdravje ljudi ali okolje?

O negativnih učinkih nanodelcev ni veliko podatkov. Leta 2003 je ena študija pokazala, da lahko ogljikove nanocevke poškodujejo pljuča miši in podgan. Študija iz leta 2004 je pokazala, da se lahko fulereni kopičijo in povzročijo poškodbe možganov pri ribah. Toda obe študiji sta uporabili velike količine snovi v neobičajnih pogojih. Po mnenju enega od strokovnjakov, kemika Kristena Kulinowskega (ZDA), "bi bilo priporočljivo omejiti izpostavljenost tem nanodelcem, kljub dejstvu, da trenutno ni podatkov o njihovi nevarnosti za zdravje ljudi."

»Nihče ne more zanikati, da je razširjena uporaba mobilnih telefonov in interneta povzročila ogromne spremembe v družbi,« pravi Kristen Kulinowski. "Kdo bi si upal reči, da nanotehnologija v prihodnjih letih ne bo imela večjega vpliva na družbo?"

Kaj je nanotehnologija?

Objavil kur 29. junija 2007 - 22:51.

Ne glede na to, kako čudno se sliši to vprašanje v našem času, bo treba nanj odgovoriti. Vsaj zase. V komunikaciji z znanstveniki in strokovnjaki, ki se ukvarjajo s to industrijo, sem prišel do zaključka, da vprašanje še vedno ostaja odprto.

Nekdo na Wikipediji je to definiral takole:

Nanotehnologija je področje uporabne znanosti in tehnologije, ki se ukvarja s preučevanjem lastnosti predmetov in razvojem naprav z dimenzijami reda nanometra (po sistemu enot SI 10-9 metrov).

Popularni tisk uporablja še enostavnejšo in povprečnemu človeku razumljivejšo definicijo:

Nanotehnologija je tehnologija za manipulacijo snovi na atomski in molekularni ravni.

(Obožujem kratke definicije :))

Ali tukaj je definicija profesorja G. G. Elenina (MSU, Inštitut za uporabno matematiko M. V. Keldysha RAS):

Nanotehnologija je interdisciplinarno področje znanosti, v katerem se preučujejo zakonitosti fizikalnih in kemijskih procesov v prostorskih območjih nanometrskih dimenzij z namenom nadzora posameznih atomov, molekul, molekularnih sistemov pri ustvarjanju novih molekul, nanostruktur, nanonaprav in materialov s posebnimi fizikalnimi lastnostmi. , kemijske in biološke lastnosti.

Ja, na splošno je vse povsem jasno.. Toda naš (še posebej poudarjam, domači) pedantni skeptik bo rekel: "Kaj, vsakič, ko raztopimo košček sladkorja v kozarcu čaja, ali ne manipuliramo s snovjo pri na molekularni ravni?"

In imel bo prav. Vodilnim konceptom je treba dodati »nadzor in natančnost manipulacije«.

Zvezna agencija za znanost in inovacije v "Konceptu razvoja dela na področju nanotehnologije v Ruski federaciji do leta 2010" daje naslednjo definicijo:

»Nanotehnologija je niz metod in tehnik, ki zagotavljajo zmožnost ustvarjanja in spreminjanja objektov na nadzorovan način, vključno s komponentami velikosti manj kot 100 nm, vsaj v eni dimenziji, in kot rezultat tega pridobivanje bistveno novih lastnosti, ki omogočajo njihovo integracijo v polno delujoče obsežne sisteme; v širšem smislu ta izraz zajema tudi metode diagnostike, karakterologije in raziskovanja takšnih objektov."

Vau! Močno povedano!

Ali pa državni sekretar Ministrstva za izobraževanje in znanost Ruske federacije Dmitrij Livanov definira nanotehnologijo kot:

"niz znanstvenih, tehnoloških in industrijskih področij, ki so združeni v enotno kulturo, ki temelji na operacijah s snovjo na ravni posameznih molekul in atomov."

Preprost skeptik je zadovoljen, skeptik-strokovnjak pa bo rekel: »Ali niso te iste nanotehnologije, s katerimi se tradicionalna kemija ali molekularna biologija in številna druga področja znanosti nenehno ukvarjajo, ustvarjajo nove snovi, v katerih so določene njihove lastnosti in struktura. s predmeti nano velikosti, povezanimi na določen način?"

Kaj storiti? Razumemo, kaj je "nanotehnologija".. čutimo, lahko bi rekli.. Poskusimo definiciji dodati še nekaj izrazov.

Occamova britvica
Nanotehnologija: vsaka tehnologija za ustvarjanje predmetov, katerih potrošniške lastnosti so določene s potrebo po nadzoru in manipulaciji posameznih predmetov nano velikosti.

Kratko in varčno? Razložimo izraze, uporabljene v definiciji:

"Kaj": Ta izraz je namenjen združevanju strokovnjakov z različnih znanstvenih in tehnoloških področij. Po drugi strani pa ta izraz zavezuje organizacije, ki obvladujejo proračun za razvoj nanotehnologije, da skrbijo za financiranje najrazličnejših področij. Vključno seveda z molekularnimi biotehnologijami. (Brez potrebe po umetnem dodajanju predpone "nano-" imenu teh smeri). Menim, da je precej pomemben izraz za stanje nanotehnologije pri nas na trenutni stopnji :).

"Potrošniške lastnosti"(seveda lahko uporabite tradicionalni izraz "uporabniška vrednost" - kakor želite): ustvarjanje predmetov z uporabo tako naprednih metod, kot sta nadzor in manipulacija snovi na nanoravni, bi moralo dati nekaj novih potrošniških lastnosti ali vplivati na ceno predmetov, v sicer postane brez pomena.

Jasno je tudi, da pod to definicijo spadajo na primer tudi nanocevke, pri katerih ena od linearnih dimenzij leži v območju tradicionalnih dimenzij. Hkrati so lahko sami ustvarjeni predmeti poljubne velikosti - od "nano" do tradicionalnih.

"Posameznik": prisotnost tega pojma oddaljuje definicijo od tradicionalne kemije in jasno zahteva prisotnost najnaprednejših znanstvenih, meroslovnih in tehnoloških orodij, ki so sposobna zagotoviti nadzor nad posameznimi, po potrebi pa tudi specifičnimi nano-objekti. Z individualno kontrolo pridobimo predmete, ki imajo potrošniško novost. Lahko bi trdili, da na primer številne obstoječe tehnologije za industrijsko proizvodnjo ultrafinih materialov ne zahtevajo takega nadzora, vendar je to le na prvi pogled; certificirana proizvodnja ultrafinih materialov namreč nujno zahteva nadzor nad velikostjo posameznih delcev.

"Nadzor", brez "Manipulacija" razširi definicijo na ti. nanotehnologije »prejšnje generacije«.
"Nadzor" skupaj z "Manipulacija" razširja definicijo na napredne nanotehnologije.

Torej, če smo sposobni najti točno določen objekt nano velikosti, nadzorovati in po potrebi spremeniti njegovo strukturo in povezave, potem je to »nanotehnologija«. Če dobimo objekte nano velikosti brez možnosti takšnega nadzora (nad določenimi nano objekti), potem to ni nanotehnologija ali v najboljšem primeru nanotehnologija »prejšnje generacije«.

"Predmet nano velikosti": atom, molekula, nadmolekulska tvorba.

Na splošno definicija poskuša povezati znanost in tehnologijo z ekonomijo. Tisti. ustreza doseganju glavnih ciljev programa razvoja nanoindustrije: ustvarjanje tehnologij, ki temeljijo na naprednih raziskovalnih in proizvodnih metodah, ter komercializacija doseženih dosežkov.

Na splošno bi se za zdaj ustavil pri tem. In ti?

Http://www.nanonewsnet.ru/what-are-the-nanotechnologies

Nanotehnologija je področje temeljne in uporabne znanosti in tehnologije, ki se ukvarja s kombinacijo teoretičnih utemeljitev, praktičnih metod raziskovanja, analize in sinteze ter metod za proizvodnjo in uporabo izdelkov z dano atomsko strukturo z nadzorovano manipulacijo posameznih atomi in molekule.

Zgodba

Številni viri, predvsem angleško govoreči, povezujejo prvo omembo metod, ki bi jih pozneje poimenovali nanotehnologija, z znamenitim govorom Richarda Feynmana »Na dnu je veliko prostora«, ki ga je imel leta 1959 na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo na letnem srečanje Ameriškega fizikalnega društva. Richard Feynman je predlagal, da je možno mehansko premikati posamezne atome z uporabo manipulatorja ustrezne velikosti, vsaj tak postopek ne bi bil v nasprotju z danes poznanimi zakoni fizike.

Zadnja stopnja - nastali mehanizem bo sestavil svojo kopijo iz posameznih atomov. Načeloma je število takšnih kopij neomejeno, v kratkem času bo mogoče izdelati poljubno število takih strojev. Ti stroji bodo lahko sestavljali makrostvari na enak način, z atomskim sestavljanjem. To bo precej pocenilo stvari - takšnim robotom (nanorobotom) bo treba dati le potrebno število molekul in energije ter napisati program za sestavljanje potrebnih predmetov. Te možnosti doslej še nihče ni mogel ovreči, vendar še nikomur ni uspelo ustvariti takšnih mehanizmov. Med teoretičnim preučevanjem te možnosti so se pojavili hipotetični scenariji sodnega dne, ki predvidevajo, da bodo nanoroboti absorbirali vso biomaso Zemlje in izvajali svoj program samorazmnoževanja (tako imenovani »grey goo« ali »grey slurry«).

Prve predpostavke o možnosti preučevanja predmetov na atomski ravni najdemo v knjigi Isaaca Newtona Optika, ki je bila objavljena leta 1704. V knjigi Newton izraža upanje, da bodo prihodnji mikroskopi nekega dne lahko raziskovali »skrivnosti korpuskul«.

Izraz "nanotehnologija" je leta 1974 prvič uporabil Norio Taniguchi. Ta izraz je uporabil za opis proizvodnje izdelkov v velikosti več nanometrov. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je izraz uporabil Eric K. Drexler v svojih knjigah Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology in Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation.

Kaj lahko naredi nanotehnologija?

Tukaj je le nekaj področij, na katerih nanotehnologija obljublja preboj:

Zdravilo

Nanosenzorji bodo omogočili napredek pri zgodnji diagnostiki bolezni. To bo povečalo vaše možnosti za ozdravitev. Lahko premagamo raka in druge bolezni. Stara zdravila proti raku niso uničila le obolelih celic, ampak tudi zdrave. S pomočjo nanotehnologije bo zdravilo dostavljeno neposredno v obolelo celico.

DNK nanotehnologija– uporabljajo specifične baze DNK in molekule nukleinske kisline, da na njihovi osnovi ustvarijo jasno definirane strukture. Industrijska sinteza molekul zdravil in farmakoloških pripravkov jasno določene oblike (bis‑peptidi).

V začetku leta 2000 je bil zahvaljujoč hitremu napredku tehnologije izdelave delcev nano velikosti dan zagon razvoju novega področja nanotehnologije – nanoplazmonika. Izkazalo se je, da je mogoče prenašati elektromagnetno sevanje vzdolž verige kovinskih nanodelcev z vzbujanjem plazmonskih nihanj.

Gradnja

Nanosenzorji gradbenih konstrukcij bodo spremljali njihovo trdnost in zaznavali morebitne grožnje njihovi celovitosti. Objekti, zgrajeni z uporabo nanotehnologije, lahko trajajo petkrat dlje kot sodobne strukture. Domovi se bodo prilagajali potrebam stanovalcev, jih poleti hladili, pozimi pa greli.

Energija

Manj bomo odvisni od nafte in plina. Sodobni solarni paneli imajo približno 20-odstotni izkoristek. Z uporabo nanotehnologije se lahko poveča 2-3 krat. Tanki nanofilmi na strehi in stenah lahko oskrbujejo z energijo celotno hišo (če je seveda dovolj sonca).

Strojništvo

Vso zajetno opremo bodo zamenjali roboti – enostavno nadzorovane naprave. Lahko bodo ustvarili poljubne mehanizme na ravni atomov in molekul. Za proizvodnjo strojev bodo uporabljeni novi nanomateriali, ki lahko zmanjšajo trenje, zaščitijo dele pred poškodbami in prihranijo energijo. To niso vsa področja, na katerih se lahko (in se bo!) uporablja nanotehnologija. Znanstveniki verjamejo, da je pojav nanotehnologije začetek nove znanstvene in tehnične revolucije, ki bo močno spremenila svet v 21. stoletju. Velja pa opozoriti, da nanotehnologija ne pride tako hitro v pravo prakso. Malo naprav (predvsem elektronike) deluje "nano". To je deloma posledica visoke cene nanotehnologije in ne tako visokega donosa izdelkov nanotehnologije.

Verjetno bodo v bližnji prihodnosti s pomočjo nanotehnologije ustvarjene visokotehnološke, mobilne, enostavno vodljive naprave, ki bodo uspešno nadomestile avtomatizirano, a težko vodljivo in okorno opremo današnjega časa. Na primer, sčasoma bodo lahko računalniško vodeni bioroboti opravljali funkcije sedanjih obsežnih črpališč.

DNK računalnik– računalniški sistem, ki uporablja računalniške zmogljivosti molekul DNK. Biomolekularno računalništvo je skupno ime za različne tehnike, tako ali drugače povezane z DNK ali RNK. V DNK-računalniškem sistemu podatki niso predstavljeni v obliki ničel in enic, temveč v obliki molekularne strukture, zgrajene na osnovi vijačnice DNK. Vlogo programske opreme za branje, kopiranje in upravljanje podatkov opravljajo posebni encimi.
Mikroskop na atomsko silo– skenirni sondni mikroskop visoke ločljivosti, ki temelji na interakciji konzolne igle (sonde) s površino proučevanega vzorca. Za razliko od vrstičnega tunelskega mikroskopa (STM) lahko pregleduje tako prevodne kot neprevodne površine tudi skozi plast tekočine, kar omogoča delo z organskimi molekulami (DNA). Prostorska ločljivost mikroskopa na atomsko silo je odvisna od velikosti konzole in ukrivljenosti njegove konice. Horizontalno dosega atomsko ločljivost, vertikalno pa jo znatno presega.
Antena-oscilator– 9. februarja 2005 so v laboratoriju bostonske univerze pridobili anteno-oscilator z dimenzijami okoli 1 mikrona. Ta naprava ima 5.000 milijonov atomov in je sposobna nihanja s frekvenco 1,49 gigaherca, kar ji omogoča prenos ogromnih količin informacij.

10 nanotehnologij z neverjetnim potencialom

Poskusite se spomniti kakšnega kanoničnega izuma. Verjetno si je nekdo zdaj zamislil kolo, nekdo letalo, nekdo pa iPod. Koliko vas je razmišljalo o izumu povsem nove generacije – nanotehnologije? Ta svet je malo raziskan, vendar ima neverjeten potencial, ki nam lahko da resnično fantastične stvari. Neverjetno: področje nanotehnologije ni obstajalo vse do leta 1975, čeprav so se znanstveniki na tem področju začeli ukvarjati veliko prej.

Človeško prosto oko lahko prepozna predmete, velike do 0,1 milimetra. Danes bomo govorili o desetih izumih, ki so 100.000-krat manjši.

Električno prevodna tekoča kovina

Z uporabo elektrike je mogoče narediti preprosto tekočo kovinsko zlitino galija, iridija in kositra, da oblikuje zapletene oblike ali vije kroge znotraj petrijevke. Z določeno mero verjetnosti lahko rečemo, da je to material, iz katerega je nastal slavni kiborg serije T-1000, ki smo ga lahko videli v Terminatorju 2.

»Mehka zlitina se obnaša kot pametna oblika, sposobna se deformirati, kadar je to potrebno, ob upoštevanju spreminjajočega se okoliškega prostora, skozi katerega se premika. Tako kot bi lahko naredil kiborg iz priljubljenega znanstvenofantastičnega filma,« pravi Jin Li z univerze Tsinghua, eden od raziskovalcev, ki sodeluje pri tem projektu.

Ta kovina je biomimetična, kar pomeni, da posnema biokemične reakcije, čeprav sama po sebi ni biološka snov.

To kovino je mogoče nadzorovati z električnimi razelektritvami. Vendar pa je sam sposoben samostojnega gibanja zaradi nastajajočega neravnovesja obremenitve, ki nastane zaradi razlike v tlaku med sprednjo in zadnjo stranjo posamezne kapljice te kovinske zlitine. In čeprav znanstveniki verjamejo, da je ta proces lahko ključ do pretvorbe kemične energije v mehansko, molekularni material še ne bo kmalu uporabljen za gradnjo zlobnih kiborgov. Celoten "čarobni" proces se lahko zgodi le v raztopini natrijevega hidroksida ali fiziološki raztopini.

Nanoplastike

Raziskovalci z Univerze v Yorku delajo na razvoju posebnih obližev, ki bodo zasnovani tako, da bodo v telo vnesli vsa potrebna zdravila brez uporabe igel in brizg. Obliži, ki so povsem normalne velikosti, se prilepijo na vašo roko in v vaše telo dostavijo določen odmerek nanodelcev zdravila (dovolj majhnih, da prodrejo v lasne mešičke). Nanodelci (vsak velik manj kot 20 nanometrov) bodo sami našli škodljive celice, jih uničili in zaradi naravnih procesov izločili iz telesa skupaj z drugimi celicami.

Znanstveniki ugotavljajo, da bi lahko v prihodnosti takšne nanoobliže uporabili v boju proti eni najstrašnejših bolezni na Zemlji - raku. Za razliko od kemoterapije, ki je v takšnih primerih pogosto sestavni del zdravljenja, bodo nanoobliži sposobni individualno najti in uničiti rakave celice, zdrave celice pa pustiti nedotaknjene. Projekt nanopatch se imenuje NanJect. Njegov razvoj izvajata Atif Syed in Zakaria Hussain, ki sta leta 2013, ko sta bila še študenta, prejela potrebno sponzorstvo v okviru kampanje množičnega zbiranja sredstev.

Nanofilter za vodo

Ko se ta film uporablja v kombinaciji s fino mrežico iz nerjavečega jekla, se olje odbija, tako da je voda na tem območju popolnoma čista.

Zanimivo je, da je znanstvenike za ustvarjanje nanofilma navdihnila narava sama. Lotosovi listi, znani tudi kot lokvanji, imajo nasprotne lastnosti kot nanofilm: namesto olja odbijajo vodo. To ni prvič, da so znanstveniki vohunili za temi neverjetnimi rastlinami zaradi njihovih prav tako neverjetnih lastnosti. To je na primer povzročilo ustvarjanje superhidrofobnih materialov leta 2003. Kar zadeva nanofilm, raziskovalci poskušajo ustvariti material, ki posnema površino vodnih lilij in ga obogatiti z molekulami posebnega čistilnega sredstva. Sam premaz je človeškemu očesu neviden. Proizvodnja bo poceni: približno 1 USD na kvadratni čevelj.

Čistilec zraka za podmornice

Malo verjetno je, da je kdo razmišljal o tem, kakšen zrak morajo dihati posadke podmornic, razen članov posadke samih. Medtem je treba zrak očistiti iz ogljikovega dioksida takoj, saj mora med enim potovanjem isti zrak več stokrat preiti skozi lahke posadke podmornice. Za čiščenje zraka pred ogljikovim dioksidom se uporabljajo amini, ki imajo zelo neprijeten vonj. Za reševanje te težave je bila ustvarjena tehnologija čiščenja, imenovana SAMMS (akronim za Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Predlaga uporabo posebnih nanodelcev, nameščenih znotraj keramičnih granul. Snov ima porozno strukturo, zaradi katere absorbira presežek ogljikovega dioksida. Različne vrste čiščenja SAMMS vplivajo na različne molekule v zraku, vodi in prsti, vendar so vse te možnosti čiščenja neverjetno učinkovite. Samo ena žlica teh poroznih keramičnih granul je dovolj za čiščenje površine, ki je enaka enemu nogometnemu igrišču.

Nanoprevodniki

Raziskovalci na univerzi Northwestern (ZDA) so ugotovili, kako ustvariti električni prevodnik na nanometru. Ta prevodnik je trden in vzdržljiv nanodelec, ki ga je mogoče konfigurirati za prenos električnega toka v različne nasprotne smeri. Študija kaže, da je vsak tak nanodelec sposoben posnemati delovanje "usmernikov, stikal in diod." Vsak 5-nanometrski debel delec je prevlečen s pozitivno nabito kemikalijo in obdan z negativno nabitimi atomi. Uporaba električne razelektritve ponovno konfigurira negativno nabite atome okoli nanodelcev.

Potencial tehnologije je, kot poročajo znanstveniki, brez primere. Na njegovi podlagi je mogoče ustvariti materiale, "ki se lahko neodvisno spreminjajo, da ustrezajo specifičnim računalniškim nalogam." Uporaba tega nanomateriala bo dejansko "reprogramirala" elektroniko prihodnosti. Nadgradnje strojne opreme bodo postale tako enostavne kot nadgradnje programske opreme.

Nanotech polnilec

Ko bo ta stvar ustvarjena, vam ne bo treba več uporabljati žičnih polnilnikov. Nova nanotehnologija deluje kot goba, vendar ne vpija tekočine. Iz okolja posrka kinetično energijo in jo usmeri neposredno v vaš pametni telefon. Tehnologija temelji na uporabi piezoelektričnega materiala, ki med mehanskimi obremenitvami proizvaja elektriko. Material je opremljen z nanoskopskimi porami, ki ga spremenijo v prožno gobo.

Uradno ime te naprave je "nanogenerator". Takšni nanogeneratorji bi lahko nekega dne postali del vsakega pametnega telefona na planetu ali del armaturne plošče vsakega avtomobila in morda del vsakega žepa oblačil – pripomočke bomo polnili neposredno v njem. Poleg tega ima tehnologija potencial za uporabo v večjem obsegu, na primer v industrijski opremi. Vsaj tako menijo raziskovalci z Univerze Wisconsin-Madison, ki so ustvarili to neverjetno nanosubo.

Umetna mrežnica

Izraelsko podjetje Nano Retina razvija vmesnik, ki se bo neposredno povezal z očesnimi nevroni in posredoval rezultat nevronskega modeliranja v možgane ter tako zamenjal mrežnico in ljudem povrnil vid.

Poskus na slepem piščancu je pokazal upanje za uspeh projekta. Nanofilm je piščancu omogočil, da vidi svetlobo. Res je, da je končna faza razvoja umetne mrežnice za povrnitev vida ljudem še daleč, vendar napredek v tej smeri ne more razveseliti. Nano Retina ni edino podjetje, ki se ukvarja s takšnim razvojem, vendar se prav njihova tehnologija trenutno zdi najbolj obetavna, učinkovita in prilagodljiva. Zadnja točka je najpomembnejša, saj govorimo o izdelku, ki bo nekomu vpet v oči. Podoben razvoj dogodkov je pokazal, da so trdni materiali neprimerni za takšne namene.

Ker se tehnologija razvija na nanotehnološkem nivoju, odpravlja uporabo kovine in žic ter se izogiba nizki ločljivosti simulirane slike.

Svetleča oblačila

Šanghajski znanstveniki so razvili odsevne niti, ki jih je mogoče uporabiti pri izdelavi oblačil. Osnova vsake niti je zelo tanka žica iz nerjavečega jekla, ki je prevlečena s posebnimi nanodelci, plastjo elektroluminiscenčnega polimera in zaščitno ovojnico iz prozornih nanocevk. Rezultat so zelo lahke in prožne niti, ki lahko žarijo pod vplivom lastne elektrokemične energije. Hkrati delujejo z veliko nižjo močjo v primerjavi z običajnimi LED.

Pomanjkljivost tehnologije je, da "lahka rezerva" niti še vedno zadostuje le za nekaj ur. Vendar pa razvijalci materiala optimistično verjamejo, da bodo lahko povečali "vir" svojega izdelka za vsaj tisočkrat. Tudi če jim uspe, rešitev še ene pomanjkljivosti ostaja pod vprašajem. Pranje oblačil na osnovi takšnih nanonitk najverjetneje ne bo mogoče.

Nanoigle za obnovo notranjih organov

Nanoplasti, o katerih smo govorili zgoraj, so zasnovani posebej za zamenjavo igel. Kaj pa, če bi bile igle same velike le nekaj nanometrov? Če je tako, bi lahko spremenili naše razumevanje kirurgije ali pa ga vsaj bistveno izboljšali.

Pred kratkim so znanstveniki izvedli uspešne laboratorijske teste na miših. Z uporabo drobnih igel je raziskovalcem uspelo v telo glodalcev vnesti nukleinske kisline, s čimer so spodbudili regeneracijo organov in živčnih celic ter tako obnovili izgubljeno delovanje. Ko iglice opravijo svojo funkcijo, ostanejo v telesu in se po nekaj dneh v njem popolnoma razgradijo. Hkrati znanstveniki niso našli nobenih stranskih učinkov med operacijami za obnovo krvnih žil v hrbtnih mišicah glodalcev s temi posebnimi nanoiglami.

Če upoštevamo primere pri ljudeh, lahko takšne nanoigle uporabimo za vnos potrebnih zdravil v človeško telo, na primer pri presaditvi organov. Posebne snovi bodo okoliška tkiva okoli presajenega organa pripravile na hitro okrevanje in odpravile možnost zavrnitve.

3D kemični tisk

Kemik Martin Burke z univerze Illinois je Willy Wonka kemije. Z uporabo zbirke molekul "gradbenega materiala" za različne namene lahko ustvari ogromno število različnih kemikalij, obdarjenih z najrazličnejšimi "osupljivimi in hkrati naravnimi lastnostmi." Ena takih snovi je na primer ratanin, ki ga najdemo le v zelo redki perujski roži.

Potencial za sintezo snovi je tako ogromen, da bo omogočil proizvodnjo molekul, ki se uporabljajo v medicini, pri ustvarjanju LED diod, sončnih baterijskih celic in tistih kemičnih elementov, za katere so celo najboljši kemiki na planetu potrebovali leta, da so jih sintetizirali.

Zmogljivosti trenutnega prototipa 3D kemičnega tiskalnika so še vedno omejene. Sposoben je samo ustvarjati nova zdravila. Vendar pa Burke upa, da mu bo nekega dne uspelo ustvariti potrošniško različico svoje neverjetne naprave, ki bo imela veliko večje zmogljivosti. Čisto možno je, da bodo takšni tiskalniki v prihodnosti delovali kot nekakšni domači farmacevti.

Ali nanotehnologija ogroža zdravje ljudi ali okolje?

Nekateri komentatorji so tudi predlagali, da lahko široka uporaba nanotehnologije povzroči družbena in etična tveganja. Tako na primer, če uporaba nanotehnologije sproži novo industrijsko revolucijo, bo to povzročilo izgubo delovnih mest. Poleg tega lahko nanotehnologija spremeni koncept človeka, saj bo njena uporaba pomagala podaljšati življenje in znatno povečati odpornost telesa. »Nihče ne more zanikati, da je razširjena uporaba mobilnih telefonov in interneta povzročila ogromne spremembe v družbi,« pravi Kristen Kulinowski. "Kdo bi si upal reči, da nanotehnologija v prihodnjih letih ne bo imela večjega vpliva na družbo?"

Mesto Rusije med državami, ki razvijajo in proizvajajo nanotehnologije

Obstajajo področja nanotehnologije, kjer so ruski znanstveniki postali prvi na svetu, saj so dobili rezultate, ki so postavili temelje za razvoj novih znanstvenih trendov.

Med njimi so proizvodnja ultradisperznih nanomaterialov, načrtovanje enoelektronskih naprav, pa tudi delo na področju atomske sile in vrstične sondne mikroskopije. Samo na posebni razstavi v okviru XII Sanktpeterburškega gospodarskega foruma (2008) je bilo naenkrat predstavljenih 80 specifičnih dogodkov. Rusija že proizvaja številne nanoproizvode, po katerih je povpraševanje na trgu: nanomembrane, nanopraške, nanocevke. Vendar pa po mnenju strokovnjakov Rusija pri komercializaciji nanotehnoloških dosežkov zaostaja za ZDA in drugimi razvitimi državami za deset let.

Nanotehnologija v umetnosti

Številna dela ameriške umetnice Natashe Vita-Mor obravnavajo teme nanotehnologije.

V sodobni umetnosti se je pojavila nova smer: "nanoumetnost" (nanoart) - vrsta umetnosti, povezana z umetnikovim ustvarjanjem skulptur (kompozicij) mikro- in nano velikosti (10 -6 oziroma 10 -9 m) pod vplivom kemijskih ali fizikalnih procesov obdelave materialov, fotografiranje nastalih nano slik z elektronskim mikroskopom in obdelava črno-belih fotografij v grafičnem urejevalniku.

V znanem delu ruskega pisatelja N. Leskova "Lefty" (1881) je zanimiv fragment: "Če bi," pravi, "obstajal boljši mikroskop, ki poveča pet milijonov, potem bi se počastili," pravi, "da vidite, da je na vsaki podkvi prikazano ime rokodelca: kateri ruski mojster je naredil to podkev." 5.000.000-kratno povečavo omogočajo sodobni elektronski mikroskopi in mikroskopi na atomsko silo, ki veljajo za glavno orodje nanotehnologije. Tako lahko literarnega junaka Leftyja štejemo za prvega "nanotehnologa" v zgodovini.

Zamisli, ki jih je predstavil Feynman v svojem predavanju "Tam spodaj je veliko prostora" o tem, kako ustvariti in uporabljati nanomanipulatorje, skoraj besedilno sovpadajo z znanstvenofantastično zgodbo "Mikrorukki" slavnega sovjetskega pisatelja Borisa Žitkova, objavljeno leta 1931. Nekatere negativne posledice nenadzorovanega razvoja nanotehnologije so opisane v delih M. Crichtona (»The Swarm«), S. Lema (»On-Site Inspection« in »Peace on Earth«), S. Lukyanenko (»Nothing to Razdeli«).

Glavni junak romana "Transman" Yu. Nikitina je vodja nanotehnološke korporacije in prva oseba, ki je izkusila učinke medicinskih nanorobotov.

V znanstvenofantastičnih serijah Stargate SG-1 in Stargate Atlantis sta eni od tehnološko najnaprednejših ras dve rasi »replikatorjev«, ki sta nastali kot rezultat neuspešnih eksperimentov z uporabo in opisovanjem različnih aplikacij nanotehnologije. V dnevu, ko je Zemlja obstala, s Keanujem Reevesom v glavni vlogi, tuja civilizacija obsodi človeštvo na smrt in skoraj uniči vse na planetu s pomočjo samopodvajajočih se nanoreplikantnih hroščev, ki požrejo vse na svoji poti.

1. Definicije in terminologija

2. Nanotehnologija: zgodovina nastanka in razvoja

3. Osnove

Mikroskop z vrstično sondo

Nanomateriali

Nanodelci

Samoorganizacija nanodelcev

Problem nastajanja aglomeratov

Mikro- in nanokapsule

Nanotehnološki senzorji in analizatorji

4. Aplikacije nanotehnologija

Medicina in biologija

V avtomobilski industriji

Kmetijstvo

Ekologija

Raziskovanje vesolja

kibernetika

5. Odnos družbe do nanotehnologije

Nanotehnologija je interdisciplinarno področje temeljne in uporabne znanosti in tehnologije, ki se ukvarja s sklopom teoretičnih utemeljitev, praktičnih metod raziskovanja, analize in sinteze ter metod za proizvodnjo in uporabo izdelkov z dano atomsko strukturo z nadzorovano manipulacijo posamezne atome in molekule.

Nanotehnologija je tehnologija za preučevanje objektov nanometrskega merila in delo z objekti reda velikosti nanometra (milijontina milimetra), ki je primerljiva z velikostjo posameznih molekul in atomov.

Definicije in terminologija

V tehničnem odboru ISO/TC 229 nanotehnologija pomeni naslednje:

poznavanje in nadzor procesov, običajno na lestvici 1 nm, vendar ne izključuje lestvice pod 100 nm, v eni ali več dimenzijah, kjer uvedba učinka velikosti (pojava) vodi do možnosti novih aplikacij;

uporaba lastnosti predmetov in materialov na nanometrskem merilu, ki se razlikujejo od lastnosti prostih atomov ali molekul, pa tudi od lastnosti mase snovi, sestavljene iz teh atomov ali molekul, za ustvarjanje naprednejših materialov, naprav, sistemov ki uresničujejo te lastnosti.

V skladu s "Konceptom razvoja v Rusiji dela na področju nanotehnologije do 2010« (2004) je nanotehnologija opredeljena kot skupek metod in tehnik, ki zagotavljajo možnost ustvarjanja in spreminjanja predmetov na nadzorovan način, vključno s komponentami z dimenzijami, manjšimi od 100 nm, vsaj v eni dimenziji. , in kot rezultat tega pridobivanje bistveno novih lastnosti, ki omogočajo njihovo integracijo v polno delujoče sisteme večjega obsega.

Praktični vidik nanotehnologije vključuje proizvodnjo naprav in njihovih komponent, potrebnih za ustvarjanje, obdelavo in manipulacijo atomov, molekul in nanodelcev. Razume se, da ni nujno, da ima objekt vsaj eno linearno velikost manjšo od 100 nm – to so lahko makroobjekti, katerih atomsko zgradbo nadzorujemo z ločljivostjo na nivoju posameznih atomov oz. lahko vsebujejo nanopredmete. V širšem smislu ta izraz zajema tudi metode diagnostike, karakterologije in raziskovanja tovrstnih objektov.

Nanotehnologije se kvalitativno razlikujejo od tradicionalnih disciplin, saj so na takšnih merilih običajne, makroskopske tehnologije za ravnanje s snovjo pogosto neuporabne, mikroskopski pojavi, ki so na običajnih merilih zanemarljivo šibki, pa postanejo veliko pomembnejši: lastnosti in interakcije posameznih atomov in molekul ali agregatov. molekul (npr. Vanove sile -der Waals), kvantni učinki.

Nanotehnologija in še posebej molekularna tehnologija sta novi, zelo malo raziskani disciplini. Večja odkritja, predvidena na tem področju, še niso bila narejena. Vendar tekoče raziskave že dajejo praktične rezultate. Uporaba naprednih znanstvenih dosežkov nanotehnologije nam omogoča, da jo uvrščamo med visoko tehnologijo.

Razvoj sodobne elektronike gre po poti zmanjševanja velikosti naprav. Po drugi strani pa se klasične proizvodne metode približajo svoji naravni ekonomski in tehnološki oviri, ko se velikost naprave ne zmanjša veliko, ekonomske pa eksponentno naraščajo. Nanotehnologija je naslednji logični korak v razvoju elektronike in drugih visokotehnoloških industrij.

Nanotehnologija je logično nadaljevanje in razvoj mikrotehnologije.

Mikrotehnologija, kombinacija znanosti, ki proučuje mikro objekte in tehnologijo delo z objekti velikosti mikrometra (tisočinka milimetra), je postala osnova za nastanek sodobne mikroelektronike. Mobilni telefoni, računalniki, internet, različna gospodinjska, industrijska in zabavna elektronika, vse to je spremenilo tako svet kot ljudi do neprepoznavnosti.

Nanotehnologija bo prav tako spremenila svet. Nanotehnologija zahteva zelo veliko računalniško moč za simulacijo obnašanja atomov ter visoko natančne električne in mehanske naprave za razporeditev atomov in molekul različnih materialov na nove načine. Na ta način nastane nova snov. Prvič v zgodovini civilizacije nastajajo materiali z novimi lastnostmi, ki jih ljudje potrebujejo. Naj jih naštejemo le nekaj. To je prozoren in prožen material z lahkoto plastike in trdoto jekla, prožna plastična prevleka, ki je sončna baterija, material za elektrodo električne baterije, ki je deset in stokrat močnejša od običajne. .

Tudi na sodobni ravni nanotehnologija omogoča pridobivanje fleksibilnih plastičnih zaslonov z debelino lista papirja in svetlostjo sodobnega monitorja, kompaktno elektroniko na osnovi ogljikovih spojin, z dimenzijami in energijsko intenzivnostjo stokrat nižjo od sodobnih. Nanotehnologija pomeni tudi lahke in fleksibilne strukturne in gradbene materiale, visoko učinkovite filtre za zrak in vodo, zdravila in kozmetiko, ki delujejo na globlji ravni, hitro znižanje stroškov poletov v vesolje in še veliko, veliko več.

Do zdaj so vsi nanotehnološki materiali zelo dragi. Toda, tako kot pri računalniški industriji, bo množična proizvodnja povzročila dramatične cenovne kompromise. V nevidnem boju za dobičke in vpliv, ki ga bo dala nanotehnologija, so glavni špekulanti ZDA in Rusija. Izrael, evropske države in države Latinska Amerika na tem področju hitro povečuje svoj potencial.

Na žalost, kljub prisotnosti dobre znanstvene baze in velikega zasebnega kapitala, so ukrajinski znanstveni razvoj in uporabni izdelki v svetu slabo zastopani.

Za nanotehnološki razvoj so še posebej pomembni znanstveni nacionalni nanotehnološki programi. Več kot 50 razvitih države napovedali začetek lastnih nanotehnoloških programov.

Nanotehnologija: zgodovina nastanka in razvoja

Richard Feynman je predlagal, da bi bilo mogoče mehansko premikati posamezne atome z uporabo manipulatorja ustrezne velikosti, vsaj te velikosti. postopek ne bi bilo v nasprotju s trenutno znanimi fizikalnimi zakoni.

Predlagal je, da ta manipulator naredite na naslednji način. Treba je zgraditi mehanizem, ki bi ustvaril kopijo samega sebe, le za red velikosti manjšo. Ustvarjeni manjši mehanizem mora znova ustvariti kopijo samega sebe, spet za red velikosti manjšo in tako naprej, dokler dimenzije mehanizma niso sorazmerne z dimenzijami reda enega atoma. V tem primeru bo treba spremeniti strukturo tega mehanizma, saj bodo imele vse manjši vpliv gravitacijske sile, ki delujejo v makrokozmosu, vse bolj pa bodo na delovanje mehanizma vplivale sile medmolekulskih interakcij in van der Waalsove sile. mehanizem. Zadnja stopnja - nastali mehanizem bo sestavil svojo kopijo iz posameznih atomov. Načeloma je število takšnih kopij neomejeno, v kratkem času bo mogoče izdelati poljubno število takih strojev. Ti stroji bodo lahko sestavljali makrostvari na enak način, z atomskim sestavljanjem. To bo precej pocenilo stvari - takšnim robotom (nanorobotom) bo treba dati le potrebno število molekul in energije ter napisati program za sestavljanje potrebnih predmetov. Te možnosti doslej še nihče ni mogel ovreči, vendar še nikomur ni uspelo ustvariti takšnih mehanizmov. Takole je R. Feynman opisal svojega domnevnega manipulatorja:

Razmišljam o ustvarjanju električno vodenega sistema, ki uporablja konvencionalno izdelane "servisne robote" v obliki štirikrat manjših kopij operaterjevih "rok". Takšni mikromehanizmi bodo z lahkoto izvajali operacije v zmanjšanem obsegu. Govorim o majhnih robotih, opremljenih s servo motorji in majhnimi "rokicami", ki lahko zategnejo enako majhne vijake in matice, izvrtajo zelo majhne luknje itd. Skratka, zmogli bodo vse delo v merilu 1:4. Za to je seveda treba najprej narediti potrebne mehanizme, orodja in manipulativne roke na eno četrtino običajne velikosti (pravzaprav je jasno, da to pomeni zmanjšanje vseh kontaktnih površin za faktor 16). V končni fazi bodo te naprave opremljene s servo motorji (s 16-krat zmanjšano močjo) in priključene na klasičen električni krmilni sistem. Po tem boste lahko uporabljali roke manipulatorja, ki so 16-krat manjše! Področje uporabe takih mikrorobotov, pa tudi mikrostrojev, je lahko precej široko - od kirurških operacij do transporta in predelave radioaktivnih snovi. Upam, da so načelo predlaganega programa, pa tudi nepričakovane težave in vznemirljive priložnosti, povezane z njim, jasni. Poleg tega lahko razmišljate o možnosti nadaljnjega znatnega zmanjšanja obsega, kar bo seveda zahtevalo nadaljnje spremembe in modifikacije zasnove (mimogrede, na določeni stopnji boste morda morali opustiti "roke" običajne oblike ), vendar bo omogočila proizvodnjo novih, veliko naprednejših naprav opisane vrste. Nič me ne ustavi, da tega ne bi nadaljeval postopek in ustvarite toliko majhnih strojev, kot želite, saj ni nobenih omejitev glede namestitve strojev ali njihove porabe materiala. Njihova prostornina bo vedno veliko manjša od prostornine prototipa. Enostavno je izračunati, da bo skupna prostornina 1 milijona strojev, zmanjšana za 4000-krat (in torej masa materialov, uporabljenih za izdelavo), manjša od 2% prostornine in teže običajnega stroja normalnih dimenzij.

Jasno je, da to takoj odpravi težavo stroški materialov. Načeloma bi bilo možno organizirati na milijone enakih miniaturnih tovarn, v katerih bi drobni stroji neprestano vrtali luknje, štancali dele itd. Ko se bomo zmanjševali, se bomo nenehno srečevali z zelo nenavadnimi fizikalnimi pojavi. Vse, s čimer se srečujete v življenju, je odvisno od dejavnikov velikega obsega. Poleg tega obstaja tudi problem »zlepljenja« materialov pod vplivom medmolekularnih interakcijskih sil (t.i. van der Waalsovih sil), kar lahko privede do učinkov, ki so neobičajni na makroskopskem merilu. Na primer, matica se ne bo ločila od vijaka, ko je odvita, in se bo v nekaterih primerih tesno "prilepila" na površino itd. Obstaja več fizičnih težav te vrste, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju in izdelavi mikroskopskih mehanizmov.

Med teoretičnim preučevanjem te možnosti so se pojavili hipotetični scenariji sodnega dne, ki predvidevajo, da bodo nanoroboti absorbirali vso biomaso Zemlje in izvajali svoj program samorazmnoževanja (tako imenovani »grey goo« ali »grey slurry«).

Izraz "nanotehnologija" je leta 1974 prvič uporabil Norio Taniguchi. Ta izraz je uporabil za opis proizvodnje komercialnih predmetov velikosti reda nanometrov. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Eric K. Drexler uporabil izraz, predvsem v svoji knjigi iz leta 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Ta izraz je uporabil za označevanje novega področja znanosti, ki ga je raziskoval v svoji doktorski disertaciji na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Rezultate svojih raziskav je nato objavil v knjigi Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. Veliko vlogo pri njegovih raziskavah so imeli matematični izračuni, saj je z njihovo pomočjo še vedno mogoče analizirati hipotetične lastnosti in razvijati naprave z dimenzijami reda nanometrov.

V bistvu se trenutno preučuje možnost mehanske manipulacije molekul in ustvarjanje samopodvajajočih se manipulatorjev za te namene.

Kot je bilo že rečeno, bo to omogočilo večkratno znižanje stroškov vseh obstoječih izdelkov in ustvarjanje bistveno novih, ki bodo rešile vse obstoječe okoljske probleme. Prav tako imajo takšni manipulatorji ogromen medicinski potencial: sposobni so popravljati poškodovane človeške celice, kar dejansko vodi do prave tehnične nesmrtnosti človeka. Po drugi strani pa lahko ustvarjanje nanomanipulatorjev vodi do scenarija "sivega blata". Predlagajo tudi možen scenarij, ko določena skupina ljudi pridobi popoln nadzor nad takšnim manipulatorjem in ga uporabi za popolno uveljavitev svojega položaja nad drugimi ljudmi. Če se ta scenarij uresniči, bo rezultat idealen, ki ga očitno ne bo mogoče uničiti.

Najbolj popolna definicija NT je podana v gradivu nacionalne nanotehnološke pobude ZDA:

NT - znanstvene raziskave in tehnološki razvoj na atomski, molekularni ali makromolekularni ravni s subnanometrsko lestvico vzdolž ene ali več koordinat za zagotavljanje temeljnega razumevanja pojavov in lastnosti materialov na takšnih dimenzijah ter za izdelavo in uporabo struktur, naprav in sistemi, ki imajo zaradi svoje majhnosti nove lastnosti in funkcije.

Delo obenem pokaže, da so bili temelji NT postavljeni v drugi polovici 19. stoletja v povezavi z razvojem koloidne kemije. Leta 1857 je M. Faraday prvi dobil stabilne koloidne raztopine (sole) zlata rdeče barve. Leta 1861 je T. Grahamu uspelo koagulirati sole in jih spremeniti v gele. Uvedel je tudi delitev snovi glede na stopnjo razpršenosti strukture na koloidne (amorfne) in kristaloidne (kristalne).

Kristalno ali amorfno stanje snovi je odvisno predvsem od njenih lastnosti, nato pa od pogojev, pod katerimi pride do prehoda v trdno stanje.

Leta 1869 je kemik I. Borshchov postavil hipotezo, da je glede na pogoje snov mogoče dobiti tako v kristalnem (nagnjenost k tvorbi kristalov) kot v koloidnem (amorfnem) stanju. Z ustrezno spremembo pogojev za prehod snovi v trdno stanje je možno dobiti tipično amorfne snovi (kavčuk, lepilo, steklo) v kristalnem stanju in obratno tipično kristalne snovi (kovine in kuhinjsko sol) v amorfnem (steklastem) stanju.

Ker so v 19. stoletju obstajali le optični mikroskopi za opazovanje predmetov in merjenje njihovih velikosti, ki niso omogočali zaznavanja delcev v koloidnih raztopinah in zrnc v koloidnih snoveh, snovi z ultravisoko stopnjo disperzije, delcev, vlaken, zrnc in filmov. ki jih ni mogoče zaznati z optičnimi mikroskopi z ločljivostjo 300 nm pri uporabi bele svetlobe in 150 nm pri uporabi ultravijolične svetlobe.

Leta 1892 je D. Ivanovsky odkril prvi biološki koloidni delec, virus tobačne mozaične bolezni, leta 1901 pa je W. Reed izoliral prvi človeški virus, virus rumene mrzlice. Treba je opozoriti, da imajo virusi značilne velikosti od 40 do 80 nm.

Leta 1903 sta R. Zsigmondy in R. Siedentopf izumila optični ultramikroskop, ki je imel ločljivost do 5 nm in je omogočal opazovanje koloidnih delcev. Ultramikroskop je zgrajen na principu opazovanja v odbiti svetlobi, zaradi česar postanejo vidni manjši predmeti kot pri navadnem mikroskopu. S pomočjo ultramikroskopa R. Zsigmondyja je bilo mogoče ugotoviti, da v koloidnih raztopinah (soli) zlato rumeni delci imajo velikost 20 nm, rdeči - 40 nm in modri - 100 nm.

Leta 1904 je P. Weymarn ugotovil: Med svetom molekul in mikroskopsko vidnimi delci obstaja posebna oblika snovi s kompleksom novih fizikalno-kemijskih lastnosti, ki so ji lastne - ultradisperzno ali koloidno stanje, ki nastane, ko je njena stopnja razpršenosti v območje 105-107 cm-1, v katerem imajo filmi debelino, vlakna in delci pa imajo premer v območju 1,0-100 nm.

Razvrstitev agregatnega stanja snovi glede na stopnjo razpršenosti je podana v tabeli 1. Vidimo lahko, da je koloidno stanje izjemno visoko disperzno ali ultradisperzno stanje snovi.

Vsi disperzni sistemi so heterogeni, saj so sestavljeni iz neprekinjene kontinuirane faze - disperzijskega medija in zdrobljenih delcev, ki se nahajajo v njem - disperzne faze. Predpogoj za njihov obstoj je medsebojna netopnost disperzne faze in disperzijskega medija.

Koloidni sistemi se pogosto imenujejo ultramikroheterogeni, da bi poudarili, da faznega ločevanja v njih ni mogoče zaznati z optičnimi mikroskopi. Če so delci disperzne faze enake velikosti, se sistemi imenujejo monodisperzni, če pa so različni, se imenujejo polidisperzni sistemi.

Lastnosti snovi in materialov so odvisne od njihove strukture, za katero so značilne med seboj povezane ravni, ki vplivajo na te lastnosti.

Prva raven strukture se imenuje kristalna in označuje prostorsko razporeditev atomov, ionov in molekul v kristalni mreži trdne snovi, na katero lahko vplivajo točkasti defekti (prazna mesta, atomi v medprostorih, tuji atomi). Točkovni defekti so mobilni in v veliki meri določajo difuzijske in električne lastnosti materialov, predvsem polprevodnikov.

Druga stopnja je povezana s prisotnostjo v trdni snovi različnih linearnih in ravninskih strukturnih napak (dislokacij), katerih število na enoto prostornine se poveča pod mehanskimi obremenitvami, kar vodi do pojava notranjih napetosti v materialu. Tako kot točkaste napake so tudi dislokacije mobilne, njihova gostota in sposobnost gibanja v trdnem telesu pa določata mehanske lastnosti materialov, zlasti kovine.

Tretja raven strukture so volumetrične napake, kot so pore in kapilare, ki lahko nastanejo v materialih med njihovim nastajanjem ali uporabo. Povezani so z odsotnostjo določenih delov trdnega telesa.

Vse snovi v trdnem stanju lahko razdelimo na monokristalne, polikristalne, amorfne (ali nanokristalne) in molekularne trdne raztopine.

Če se urejena razporeditev delcev (atomov, molekul ali ionov), ki jih odseva enota celice, ohrani v celotnem volumnu trdne snovi, potem nastanejo monokristali.

Če je urejenost strukture ohranjena v makroskopskih (>100 µm) in mikroskopskih (>0,1 µm) območjih trdne snovi (glej tabelo 1), potem nastanejo polikristalne snovi s tako imenovanimi kristaliti ali kristalitnimi zrni ustrezne velikosti in prostorsko napačno usmerjene kristalne mreže druga glede na drugo.

Do sredine osemdesetih let prejšnjega stoletja je veljalo, da amorfne snovi nimajo urejene razporeditve delcev. Vendar pa so študije, izvedene z visokoločljivim prenosom elektronov, skenirajočimi tunelskimi mikroskopi in mikroskopi na atomsko silo, zlasti na kovinskih steklih, omogočile zaznavanje kristalitov ali zrn z velikostjo v subnanometrskem območju v amorfnih snoveh.

Tako je za amorfne snovi in materiale značilna ultradisperzna (koloidna) stopnja razdrobljenosti zrn kristalne faze in jih lahko imenujemo nanokristalni.

V molekularnih trdnih raztopinah, tako kot v tekočih raztopinah, običajno imenovanih prave raztopine ali preprosto raztopine, je porazdeljena snov enakomerno pomešana z molekulami disperzijskega medija na molekularni ravni. Zato so molekularne trdne in tekoče raztopine, ki nimajo faz ali vmesnikov, homogeni sistemi.

Kristalno stanje snovi je vedno stabilnejše od amorfnega (nanokristalnega) stanja, zato je možen spontan prehod iz amorfnega v kristalno stanje, obratno pa ne. Primer je devitrifikacija – spontana kristalizacija stekla pri povišanih temperaturah.

Razpršeni sistemi, vključno s koloidnimi, so razvrščeni glede na stopnjo disperzije, stanje agregacije disperzne faze in disperzijskega medija, intenzivnost interakcije med njimi, odsotnost ali nastanek struktur.

Raznolikost koloidnih sistemov je posledica dejstva, da so lahko faze, ki jih tvorijo, v katerem koli od treh agregatnih stanj; so anorganske, organske in biološke narave. Glede na agregatno stanje disperzne faze in disperznega medija je možnih naslednjih 9 tipov disperznih sistemov:

Zh1 - G2, Zh1 - Z2, Zh1 - T2,

T1 - G2, T1 - G2, T1 - T2,

G1 - G2, G1 - T2, T1(F1) - T1(F2),

kjer so G, F in T plinasto, tekoče in trdno stanje, številki 1 in 2 pa se nanašata na disperzno fazo oziroma disperzijski medij. Za slednji tip disperznega sistema F1 in F2 označujeta različne faze (polimorfne modifikacije) trdnega stanja ene snovi.

V plinastem disperzijskem mediju lahko dispergiramo le tekočine in trdne snovi, saj se vsi plini neomejeno raztapljajo drug v drugem pri ne zelo visokih tlakih.

Razpršene sisteme s plinastim disperzijskim medijem imenujemo aerosoli. Megle so aerosoli s tekočo razpršeno fazo (L1 - G2), dimi pa aerosoli s trdno razpršeno fazo (T1 - G2). Najenostavnejši primer aerosola je tobačni dim, katerega povprečna velikost delcev je 250 nm, medtem ko je velikost delcev saj ali vulkanskega pepela lahko manjša od 100 nm, njihovi aerosoli pa spadajo med ultrafine (koloidne) sisteme.

Plini, tekočine in trdne snovi se lahko razpršijo v tekočem disperzijskem mediju. Pene so disperzija plina v tekočini (G1 - G2). Emulzije so disperzni sistemi, v katerih je ena tekočina zdrobljena v drugo tekočino, ki je ne raztopi (L1 - L2). Za kemijo in biologijo so najpomembnejši koloidni sistemi, v katerih je disperzijski medij tekoča faza, disperzna faza pa trdna snov (T1 - L2), imenovane koloidne raztopine ali soli, pogosto liosoli. Če je disperzijski medij voda, se takšni soli imenujejo hidrosoli, če pa je organska tekočina, se imenujejo organosoli. Koloidne raztopine so zelo pomembne, saj so z njimi povezani številni procesi, ki potekajo v živih organizmih.

Plini, tekočine in trdne snovi so lahko razpršene v trdnem disperzijskem mediju. Sistemi (G1 - T2) se imenujejo trdne pene ali kapilarno razpršeni sistemi, v katerih je plin v obliki ločenih zaprtih celic, ločenih s trdnim disperzijskim medijem. Trdne pene vključujejo polistirensko peno, penasti beton, plovec, žlindro, kovine z vključitvijo plinov, različnih poroznih materialov (aktivno oglje, silikagel, les), pa tudi membran in diafragm, fotonskih kristalnih vlaken, usnja, papirja, tkanin.

Sistem (G1 - T2) vključuje širok razred kristalnih hidratov - kristalov, ki vsebujejo molekule kristalizacijske vode. Tipični kristalni hidrati so številni naravni minerali, na primer sadra CaSO4∙2H2O, karnalit MgCl2∙KCl∙6H2O, kalijev galun KAl(SO4)2·12H2O.

Velik praktični pomen imajo razpršeni sistemi tipa (T1 - T2), ki vključujejo najpomembnejše gradbene materiale, kovinsko-keramične sestave, nekatere zlitine, emajle, številne minerale, zlasti nekatere drage in poldrage kamne, številne kamnine. v katerem so se sprostili kristali, ko se je magma strdila.

Barvna stekla nastanejo kot posledica disperzije kovinskih nanodelcev ali njihovih oksidov v silikatnem steklu. Emajli so silikatna stekla z vključki pigmentov SnO2, TiO2 in ZrO2, ki dajejo emajlom motnost in barvo.

Tako koloide ne razumemo kot ločen razred snovi, temveč kot posebno stanje katere koli snovi, za katero so značilne predvsem določene velikosti delcev. Nanostrukturiranje trdne snovi je treba razumeti kot prehod snovi ali materiala v koloidno (ultradisperzno) stanje, tj. ustvarjanje v strukturi fizikalnih ali kemičnih faz subnanometrskih velikosti, ki jih lahko obravnavamo kot svojevrstne nanodelce, ločene od preostale strukture z vmesniki.

Takšni nanodelci so poleg mehansko dispergiranih nanoprahov še:

Nanokristalna zrna;

Polimorfne faze nano velikosti;

Strukturne napake nano velikosti (nanobloki);

Površinske nanostrukture (jame, izbokline, utori, stene);

Volumetrične nanostrukture (pore in kapilare);

Kemične faze nano velikosti tujih atomov ali molekul, oblikovane na njeni površini ali v prostornini in imajo vlaknasto ali korpuskularno obliko;

Strukture nano velikosti, ki nastanejo kot posledica fizičnega ali kemičnega nanosa iz plinske ali tekoče faze (fulereni, ogljikove nanocevke);

Filmi nano velikih snovi, oblikovani v periodičnem zaporedju;

Makromolekule, polimolekulski sklopi, molekularni filmi, molekularni kompleksi tipa "gostitelj-gost" (prisotnost porazdelitve velikosti je značilnost, ki razlikuje nanodelce od makromolekul); nanovelike in nanostrukturne biološke strukture (virusi, proteini, geni, proteini, kromosomi, molekule DNA in RNA).

Koloidno stanje snovi je kvalitativno posebna oblika njenega obstoja s kompleksom inherentnih fizikalno-kemijskih lastnosti. Zato je področje naravoslovja, ki proučuje objektivne fizikalne in kemijske zakonitosti heterogenega ultradisperznega stanja snovi, visokomolekularne spojine ( polimeri, kompleksne spojine in molekulski sklopi) in medfazne površine, ki se je v začetku dvajsetega stoletja oblikovala v samostojno disciplino - koloidno kemijo.

Hiter razvoj koloidne kemije je posledica velikega pomena pojavov in procesov, ki jih proučuje ta veda, na različnih področjih človeške prakse. Tako na videz popolnoma različni področji, kot so življenjski procesi v organizmih, tvorba številnih mineralov, zgradba in produktivnost tal, so tesno povezani s koloidnim stanjem snovi. Koloidna kemija je tudi znanstvena osnova za indekse industrijske proizvodnje številnih materialov.

Z razvojem tehničnih sredstev za oblikovanje in manipulacijo nanoobjektov ter metod za njihovo preučevanje so se v koloidni kemiji začele pojavljati bolj specializirane discipline, kot je kemija polimeri in površinska fizikalna kemija (pozna 1950-a), supramolekularna kemija (pozna 1970-a).

Preučevanje in preučevanje nanodimenzioniranih in nanostrukturiranih bioloških struktur (proteini, geni, kromosomi, proteini, aminokisline, DNA, RNA), ki so predmet biologije ultradisperznih sistemov, je v 30-ih in 50-ih letih privedlo do nastanka virologije, molekularna biologija in v zadnji četrtini dvajsetega stoletja genetika in imunokemija.

Če so dimenzije materiala v vsaj eni dimenziji manjše od kritičnih dolžin, ki so značilne za številne fizikalne pojave, tak material pridobi nove edinstvene fizikalne in kemijske lastnosti kvantnomehanske narave, ki jih preučuje in uporablja za ustvarjanje novih naprav. fizika nizkodimenzionalnih struktur, ki je najbolj dinamično razvijajoče se področje sodobne fizike trdnih teles.

Rezultat študij nizkodimenzionalnih sistemov (kvantne vrtine, žice in pike) je bilo odkritje popolnoma novih pojavov - celoštevilski in frakcijski kvantni Hallov učinek v dvodimenzionalnem elektronskem plinu, Wignerjeva kristalizacija kvazi-dvodimenzionalnih elektronov in luknje, odkritje novih sestavljenih kvazidelcev in elektronskih vzbujevanj z delnimi naboji.

Področje koloidne kemije, ki preučuje procese deformacije, razgradnje in nastajanja materialov in disperznih struktur, se je razvilo v fizikalno in kemijsko mehaniko trdnih teles in ultradisperznih struktur. Oblikovana je bila sredi dvajsetega stoletja zahvaljujoč delu akademika P. Rebinderja in njegove šole kot nova znanja, mejna koloidna kemija, molekularna fizika trdnih snovi, mehanika materialov in njihova proizvodna tehnologija.

Glavna naloga fizikalne in kemijske mehanike je ustvarjanje konstrukcijskih materialov z določenimi lastnostmi in optimalno strukturo za namene njihove uporabe.

Druga panoga, ki preučuje in ustvarja elemente, strukture in naprave v subnanometrskem območju, je mikroelektronika, v kateri lahko ločimo nanoelektroniko (razvoj in proizvodnja integriranih vezij s podnanometrskimi elementi - integrirana nanovezja (INS), molekularna elektronika, funkcionalna elektronika nanostrukturnih materialov). in nanoelektromehanski sistemi (NEMS).

Če povzamemo zgoraj navedeno in na podlagi analize, opravljene v delu, lahko oblikujemo definicijo NT: nanotehnologija je nadzorovana proizvodnja snovi in materialov v koloidnem (ultradisperznem, nanostrukturnem stanju z velikostjo strukturnih elementov v območju od 1,0-100 nm) navajajo, raziskujejo in merijo njihove lastnosti in značilnosti ter njihovo uporabo v različnih industrije znanost, tehnologijo in industrija.

Vsi izrazi, povezani z ustvarjanjem in preučevanjem koloidne (nanostrukturne) ravni strukture snovi pod blagovno znamko "nanotehnologija", so samodejno prejeli predpono "nano", čeprav so se do sredine osemdesetih let prejšnjega stoletja temu primerno imenovali: mehanika, fotonika, kristalografija. , kemija, biologija in elektronika ultrafini ali koloidni sistemi; in objekte svojih raziskav so poimenovali: ultrafini prahovi in kompoziti, aero-, hidro- in organosoli, reverzibilni in ireverzibilni geli, ultrafina keramika itd.

Pojav zanimanja za koloidno stanje snovi pod blagovno znamko "nanotehnologija" v zadnjih 20 letih je posledica, prvič, njegovih edinstvenih lastnosti, in drugič, razvoja in ustvarjanja tehnološke in nadzorne opreme za pridobivanje in preučevanje sub - nanostopenjska raven strukture snovi: njena fizika, kemija in biologija.

Namesto odkrivanja novih materialov in pojavov z naključjem ali kaotičnim raziskovanjem, nadzorovano preoblikovanje snovi v nanostrukturno (koloidno) stanje, imenovano koncept nanotehnologije, omogoča to sistematično. Namesto iskanja nanodelcev in nanostruktur z dobrimi lastnostmi z uporabo intuicije, poznavanje zakonitosti nastajanja in stabilizacije ultradisperznih sistemov odpira možnost njihovega umetnega oblikovanja po določenem sistemu.

Posebej zanimivo je bilo pridobivanje popolnoma novih lastnosti nekaterih dobro znanih snovi v nanometrskih velikostih.

Nanostrukturne (koloidne) sisteme lahko v skladu z njihovim vmesnim položajem med svetom atomov in molekul ter svetom mikroskopskih in makroskopskih teles dobimo predvsem na dva načina: disperzijo, t.j. mletje (drobljenje) velikih sistemov, ter kondenzacija, t.j. nastanek nanosistemov iz atomov, molekul, grozdov in nanostruktur.

Metode za pridobivanje nanostrukturnih sistemov po prvi poti se imenujejo disperzija, po drugi pa kondenzacija. Obstajajo mešane metode za proizvodnjo nanostrukturnih sistemov, ki se imenujejo disperzijska kondenzacija oziroma kondenzacijska disperzija.

V tradicionalni nanoelektroniki se pri izdelavi integriranih nanovezij (ANC) s klasično tehnologijo CMOS nadzorovano nanostrukturiranje funkcionalnih plasti (FL) na silicijevih rezinah zagotavlja s projekcijo (foto šablone in nanostamp) masko (uporovne maske) litografskim vzorčenjem.

V tem primeru se uporablja pristop strateške disperzije ali pristop od zgoraj navzdol, tj. Lokalno odstranjevanje nepotrebnih območij FS se izvede z jedkanjem. Natančnost reprodukcije dimenzij strukturnih elementov v vodoravni ravnini je zagotovljena z uporovnimi maskami, oblikovanimi v postopkih litografije.

V zvezi s tem, s poudarkom na strateški razpršenosti ali uporabljenem pristopu od zgoraj navzdol, se tradicionalna industrijska nanoelektronika bolj priročno imenuje D-nanoelektronika.

Kondenzacijske metode (metode nelitografske sinteze), ki za pridobivanje nanostrukturnih sistemov uporabljajo pristop od spodaj navzgor, lahko razdelimo v dve skupini: tradicionalne in nove, nastale v okviru najnovejših dosežkov nanotehnologije.

Temeljne določbe

Mikroskop z vrstično sondo

Ena od metod, ki se uporablja za preučevanje nanopredmetov, je mikroskopija z vrstično sondo. V okviru vrstične sondne mikroskopije se izvajajo tako neoptične kot optične tehnike.

Študije površinskih lastnosti z uporabo vrstičnega sondnega mikroskopa (SPM) se izvajajo na zraku pri atmosferskem tlaku, v vakuumu in celo v tekočini. Različne SPM tehnike omogočajo preučevanje tako prevodnih kot neprevodnih objektov. Poleg tega SPM podpira kombinacijo z drugimi raziskovalnimi metodami, kot so klasična optična mikroskopija in spektralne metode.

Z uporabo vrstičnega sondnega mikroskopa (SPM) ne morete le videti posameznih atomov, temveč tudi selektivno vplivati nanje, zlasti premikati atome po površini. Znanstvenikom je s to metodo že uspelo ustvariti dvodimenzionalne nanostrukture na površini. Na primer, v IBM-ovem raziskovalnem centru so lahko zaposleni z zaporednim premikanjem atomov ksenona na površini monokristala niklja postavili tri črke logotipa podjetja z uporabo 35 atomov ksenona.

Pri izvajanju takšnih manipulacij se pojavijo številne tehnične težave. Zlasti je treba ustvariti pogoje ultra visokega vakuuma (10-11 torr), substrat in mikroskop je treba ohladiti na ultra nizke temperature (4-10 K), površina substrata mora biti atomsko čista. in atomsko gladko, za kar se uporabljajo posebne metode njene priprave. Substrat se ohladi, da se zmanjša površinska difuzija nanesenih atomov.

Nanomateriali

Nanomateriali so materiali, strukturirani na ravni molekulske velikosti ali blizu nje. Struktura je lahko bolj ali manj pravilna ali naključna. Površine z naključno nanostrukturo lahko pridobimo z obdelavo z žarki delcev, plazemskim jedkanjem in nekaterimi drugimi metodami.

Kar zadeva pravilne strukture, je mogoče majhne površine površine strukturirati "od zunaj" - na primer z uporabo vrstičnega sondnega mikroskopa (glej spodaj). Vendar pa je dovolj velika (~ 1 μ2 ali več) površin, pa tudi količine snovi, mogoče strukturirati očitno le z metodo samosestavljanja molekul.

Samosestavljanje je v živi naravi zelo razširjeno. Zgradbo vseh tkiv določa njihova samosestava iz celic; Struktura celičnih membran in organelov je določena s samosestavljanjem iz posameznih molekul.

Samosestavljanje molekularnih komponent se razvija kot način konstruiranja periodičnih struktur za izdelavo nanoelektronskih vezij in dosežen je bil pomemben napredek.

V medicini se materiali z nanostrukturno površino lahko uporabljajo za nadomestitev določenih tkiv. Telesne celice takšne materiale prepoznajo kot »svoje« in se pritrdijo na njihovo površino.

Trenutno je bil dosežen napredek pri proizvodnji nanomaterialov, ki posnemajo naravno kostno tkivo. Tako so znanstveniki z univerze Northwestern ( ZDA) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp in drugi so uporabili tridimenzionalno samosestavljanje vlaken s premerom približno 8 nm, ki posnemajo naravna kolagenska vlakna, čemur je sledila mineralizacija in tvorba nanokristalov hidroksiapatita, usmerjenih vzdolž vlaken. Lastne kostne celice so bile dobro pritrjene na nastali material, kar omogoča uporabo kot »lepilo« ali »kit« za kostno tkivo.

Zanimiv je tudi razvoj materialov, ki imajo nasprotno lastnost: celicam ne omogočajo pritrditve na površino. Ena od možnih aplikacij takih materialov bi lahko bila izdelava bioreaktorjev za gojenje matičnih celic. Dejstvo je, da se matična celica, ki se pritrdi na površino, trudi diferencirati in tvori določene specializirane celice. Uporaba materialov z nanometrsko površinsko strukturo za nadzor procesov proliferacije in diferenciacije izvornih celic predstavlja ogromno raziskovalno področje.

Nanopore membrane se lahko uporabljajo v mikrokapsulah za dostavo zdravil in druge namene. Tako jih lahko uporabimo za filtriranje telesnih tekočin pred škodljivimi snovmi in virusi. Membrane lahko zaščitijo nanosenzorje in druge naprave za vsaditev pred albuminom in podobnimi prevlečnimi snovmi.

Nanodelci

Sodobni trend miniaturizacije je pokazal, da ima snov lahko popolnoma nove lastnosti, če vzamete zelo majhen delček te snovi. Delci, ki so veliki od 1 do 100 nanometrov, se običajno imenujejo "nanodelci". Izkazalo se je na primer, da imajo nanodelci nekaterih materialov zelo dobre katalitične in adsorpcijske lastnosti. Drugi materiali kažejo neverjetne optične lastnosti, na primer ultratanke plasti organskih materialov se uporabljajo za izdelavo sončnih celic. Takšne baterije, čeprav imajo relativno nizek kvantni izkoristek, so cenejše in lahko mehansko upogljive. Možno je doseči interakcijo umetnih nanodelcev z naravnimi objekti nano velikosti – proteini, nukleinske kisline itd. Skrbno prečiščeni nanodelci se lahko sami sestavijo v določene strukture. Ta struktura vsebuje strogo urejene nanodelce in pogosto izkazuje nenavadne lastnosti.

Nanoobjekte delimo v 3 glavne razrede: tridimenzionalni delci, pridobljeni z eksplozijo prevodnikov, plazemsko sintezo, redukcijo tankih plasti itd.; dvodimenzionalni objekti - filmi, proizvedeni z molekularnim nanašanjem, CVD, ALD, ionskim nanašanjem itd.; enodimenzionalni predmeti - brki, ti predmeti so pridobljeni z metodo molekularnega plastenja, vnosa snovi v cilindrične mikropore itd. Obstajajo tudi nanokompoziti - materiali, pridobljeni z vnosom nanodelcev v poljubne matrice. Trenutno se široko uporablja le metoda mikrolitografije, ki omogoča pridobivanje ravnih otočnih objektov velikosti 50 nm na površini matrik, uporablja se v elektroniki; Metodi CVD in ALD se uporabljata predvsem za ustvarjanje mikronskih filmov. Druge metode se uporabljajo predvsem v znanstvene namene. Izpostaviti velja predvsem ionsko in molekularno metodo plastenja, saj je z njuno pomočjo možno ustvariti prave monosloje.

ameriški organizacija C-Sixty Inc. Izvaja predklinična testiranja izdelkov na osnovi C60 fuleren nanosfer z urejenimi kemičnimi skupinami na njihovi površini. Te skupine je mogoče izbrati tako, da se vežejo na vnaprej izbrane biološke tarče. Spekter možnih aplikacij je izjemno širok. Vključuje boj proti virusnim boleznim, kot sta gripa in HIV, raku in nevrodegenerativnim boleznim, osteoporozi in boleznim ožilja. Nanosfera lahko na primer vsebuje atom radioaktivnega elementa v notranjosti, na površini pa skupine, ki ji omogočajo, da se pritrdi na rakavo celico.

Podoben razvoj poteka v Ruska federacija. Inštitut za eksperimentalno medicino (St. Petersburg) je uporabil adukt fulerena s polivinilpirolidonom (PVP). Ta spojina je zelo topna v vodi, votline v njeni strukturi pa so po velikosti podobne molekulam C60. Votline se zlahka napolnijo z molekulami fulerena, kar povzroči nastanek vodotopnega adukta z visoko protivirusno aktivnostjo. Ker sam PVP nima protivirusnega učinka, se vsa aktivnost pripisuje molekulam C60, ki jih vsebuje adukt.

Kar zadeva fuleren, je njegova učinkovita doza približno 5 μg/ml, kar je bistveno manj od ustrezne vrednosti za rimantadin (25 μg/ml), ki se tradicionalno uporablja v boju proti virusu gripe. Za razliko od rimantadina, ki je najbolj učinkovit pri zgodnjih obdobje okužbe ima adukt C60/PVP stabilen učinek skozi celoten cikel razmnoževanja virusa. Druga značilnost konstruiranega zdravila je njegova učinkovitost proti virusom gripe tipa A in B, medtem ko rimantadin deluje samo na prvi tip.

Nanosfere lahko uporabljamo tudi v diagnostiki, na primer kot rentgensko kontrastno sredstvo, ki se pritrdi na površino določenih celic in pokaže njihovo lokacijo v telesu.

Posebej zanimivi so dendrimeri. Predstavljajo novo vrsto polimerov, ki imajo razvejano strukturo namesto običajne linearne.

Pravzaprav je bila prva spojina s tako strukturo pridobljena že v 50. letih prejšnjega stoletja, glavne metode za njihovo sintezo pa so bile razvite predvsem v 80. letih. Izraz "dendrimerji" se je pojavil prej kot "nanotehnologija" in sprva niso bili povezani drug z drugim. Vendar se v zadnjem času dendrimerji vse pogosteje omenjajo v kontekstu njihovih nanotehnoloških (in nanomedicinskih) aplikacij.

To je posledica številnih posebnih lastnosti, ki jih imajo dendrimerne spojine. Med njimi:

Predvidljive, nadzorovane in ponovljive velikosti makromolekul z veliko natančnostjo;

Prisotnost kanalov in por v makromolekulah, ki imajo dobro ponovljive oblike in velikosti;

Sposobnost visoko selektivne inkapsulacije in imobilizacije nizkomolekularnih snovi s tvorbo supramolekularnih konstruktov "gost-gostitelj".

Samoorganizacija nanodelcev

Eno najpomembnejših vprašanj, s katerimi se sooča nanotehnologija, je, kako prisiliti molekule, da se na določen način združujejo, da se samoorganizirajo, da bi na koncu dobili nove materiale ali naprave. S tem problemom se ukvarja veja kemije - supramolekularna kemija. Ne preučuje posameznih molekul, temveč interakcije med molekulami, ki lahko razporedijo molekule na določen način in ustvarjajo nove snovi in materiale. Spodbudno je, da podobni sistemi in podobni procesi dejansko obstajajo v naravi. Tako so znani biopolimeri, ki se lahko organizirajo v posebne strukture. Eden od primerov so beljakovine, ki se ne samo lahko zložijo v kroglasto obliko, ampak tudi tvorijo komplekse - strukture, ki vključujejo več beljakovinskih molekul (proteinov).

Že obstaja metoda sinteze, ki uporablja specifične lastnosti molekule DNA. Vzame se komplementarna DNA, na enega od koncev se poveže molekula A ali B. Imamo 2 substanci: ----A in ----B, kjer je ---- konvencionalna slika ene same molekule DNA. Zdaj, če zmešate ti dve snovi, se med dvema enojnima verigama DNK oblikujejo vodikove vezi, ki bodo pritegnile molekuli A in B druga k drugi. Približno ponazorimo nastalo povezavo: ====AB. Molekulo DNK je mogoče enostavno odstraniti po končanem procesu.

Problem nastajanja aglomeratov

Delci z velikostjo reda nanometrov ali nanodelci, kot jih imenujemo v znanstvenih krogih, imajo eno lastnost, ki močno ovira njihovo uporabo. Lahko tvorijo aglomerate, to je, da se držijo drug drugega. Ker nanodelci obetajo v industrije proizvodnja keramike, metalurgija, ta problem je treba rešiti. Ena od možnih rešitev je uporaba disperzijskih snovi, kot so amonijev citrat (vodna raztopina), imidazolin, oleinski alkohol (netopen v vodi). Lahko jih dodamo mediju, ki vsebuje nanodelce. To je podrobneje obravnavano v viru "Organic Additives And Ceramic Processing," D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (angleščina).

Mikro- in nanokapsule

Za dostava Miniaturne (~1 μ) kapsule z nanoporami se lahko uporabljajo za dostavo zdravil na želeno mesto v telesu. Podobne mikrokapsule že testirajo dostava in fiziološko regulirano sproščanje insulina pri sladkorni bolezni tipa 1. Uporaba por velikosti približno 6 nm omogoča zaščito vsebine kapsule pred učinki imunskega sistema telesa. To omogoča, da se živalske celice, ki proizvajajo inzulin, dajo v kapsule, ki bi jih telo sicer zavrnilo.

Mikroskopske kapsule sorazmerno preproste zasnove lahko tudi podvojijo in razširijo naravne zmožnosti telesa. Primer takega koncepta je respirocit, ki ga je predlagal R. Freitas - umetni nosilec kisika in ogljikovega dioksida, ki je po svojih zmogljivostih bistveno boljši od rdečih krvnih celic in obstoječih krvnih nadomestkov (na primer na osnovi fluoroogljikovih emulzij). Možna zasnova respirocita bo podrobneje obravnavana spodaj.

Nanotehnološki senzorji in analizatorji

Uporaba mikro- in nanotehnologij omogoča močno povečanje sposobnosti detekcije in analize ultra majhnih količin različnih snovi. Ena od različic tovrstne naprave je "laboratorij na čipu".To je plošča, na površini katere so urejeno razporejeni receptorji za želene snovi, na primer protitelesa.Pritrditev molekule snovi do receptorja zaznavamo električno ali s fluorescenco.Na eno ploščo je mogoče namestiti senzorje za več tisoč snovi.

Takšna naprava, ki je sposobna zaznati dobesedno posamezne molekule, se lahko uporablja za določanje zaporedja baz DNK ali aminokislin (za namene identifikacije, odkrivanje genetskih ali onkoloških bolezni), odkrivanje povzročiteljev nalezljivih bolezni, strupenih snovi.

Napravo, veliko nekaj milimetrov, lahko namestimo na površino kože (za analizo snovi, ki se izločajo z znojem) ali v notranjost telesa (v usta, prebavila, pod kožo ali v mišico). Hkrati bo lahko poročal o stanju notranjega okolja telesa in signaliziral morebitne sumljive spremembe.

Na Inštitutu za molekularno biologijo poim. Engelhardt z Ruske akademije znanosti je razvil sistem za hitro odkrivanje seva patogena; En čip hrani približno sto fluorescentnih senzorjev.

Zanimivo idejo razvija več skupin raziskovalcev hkrati. Njegovo bistvo je, da molekulo DNK (ali RNK) »spravi« skozi nanopore v membrani. Velikost por mora biti tolikšna, da DNK prehaja skoznje v "zravnani" obliki, ena baza za drugo. Merjenje električnega gradienta ali kvantnega tunelskega toka skozi pore bi nam omogočilo ugotoviti, katera baza trenutno prehaja skozi pore. Naprava, ki temelji na tem principu, bi omogočila pridobitev celotnega zaporedja DNK v enem prehodu.

Uporaba nanotehnologije

Medicina in biologija

Postalo bo mogoče "uvesti" v živi organizem na atomski ravni. Posledice so lahko zelo različne - od "obnove" izumrlih vrst do ustvarjanja novih vrst živih bitij in biorobotov. Izdelava molekularnih robotov zdravnikov, ki bi »živeli« v človeškem telesu in odpravljali vse nastale poškodbe oziroma preprečevali nastanek le-teh, tudi genetskih.

Po mnenju znanstvenikov z univerze v Michiganu bo prišel dan, ko bo mogoče s pomočjo nanotehnologije v človeške krvne celice vgraditi mikroskopske senzorje, ki bodo opozarjali na prve znake ogroženosti zaradi sevanja ali razvoja bolezni.

V preteklih letih so zaposleni v Centru za biološko nanotehnologijo, ki ga vodi dr. James Baker, delali na ustvarjanju mikrosenzorjev, ki bodo uporabljeni za odkrivanje rakavih celic v telesu in boj proti tej strašni bolezni.

Nova tehnika za prepoznavanje rakavih celic temelji na vsaditvi drobnih sferičnih rezervoarjev iz sintetičnih polimerov, imenovanih dendrimeri (iz grščine dendron – les) v človeško telo. Ti polimeri so bili sintetizirani v zadnjem desetletju in imajo bistveno novo, netrdno strukturo, ki spominja na strukturo koral ali lesa. Takšni polimeri se imenujejo hiperrazvejani ali kaskadni. Tiste, pri katerih je razvejanost pravilna, imenujemo dendrimeri. V premeru vsaka taka krogla ali nanosenzor doseže le 5 nanometrov - 5 milijard metrov, kar omogoča namestitev milijard podobnih nanosenzorjev na majhno površino prostora.

Ko pridejo v telo, ti drobni senzorji prodrejo v limfocite – bele krvne celice, ki zagotavljajo obrambni odziv telesa pred okužbo in drugimi dejavniki, ki povzročajo bolezni. Med imunskim odzivom limfoidnih celic na določeno bolezen ali okoljske razmere – na primer prehlad ali izpostavljenost sevanju – se proteinska struktura celice spremeni. Vsak nanosenzor, prevlečen s posebnimi kemičnimi reagenti, bo s takšnimi spremembami začel fluorescirati ali svetiti.

Da bi videli ta sij, bodo dr. Baker in njegovi sodelavci izdelali posebno napravo, ki bo skenirala mrežnico očesa. Laser takšne naprave naj bi zaznal sij limfocitov, ko ti eden za drugim prehajajo skozi ozke kapilare fundusa. Če je v limfocitih dovolj označenih senzorjev, bo za odkrivanje poškodb celic potrebno 15-sekundno skeniranje, pravijo znanstveniki.

Sama ideja je še v fazi raziskav, a je že pritegnila pozornost vodstva Nase, ki je za nadaljnje raziskave namenila 2 milijona dolarjev. Naso je zanimala možnost izdelave zgoraj opisanih senzorjev, ki nenehno spremljajo raven sevanja, ki mu je astronavt izpostavljen, in pojav morebitnih znakov bolezni ali okužbe v njegovem telesu.

Baker je dejal, da njegova ekipa dela na podobni tehnologiji za odkrivanje rakavih celic, vendar raziskava še zdaleč ni končana. Ni še na primer jasno, kako bo mogoče zaznati sij nanosenzorjev v belih krvnih celicah, ko je naokoli ogromno temnejših rdečih krvničk. Raziskovalci so že dosegli nekaj uspeha v laboratorijskih poskusih s celičnimi kulturami, letos pa nameravajo novo tehnologijo preizkusiti na živalih.

Znanstveniki iz zvezne države Michigan pravijo, da bo s pomočjo nanotehnologije mogoče v človeške krvne celice vgraditi mikroskopske senzorje, ki bodo opozarjali na znake sevanja ali razvoj bolezni. Tako v ZDA na predlog Nase poteka razvoj takšnih nanosenzorjev. James Beiner si predstavlja »nanostoj« s kozmičnim sevanjem: pred izstrelitvijo astronavt s podkožno brizgo v posteljico vbrizga bistro tekočino, nasičeno z milijoni nanodelcev, med letom pa si v uho vstavi majhno napravo (kot sluh). pomoč). Med letom bo ta naprava z majhnim laserjem iskala žareče celice. To je mogoče, ker Celice prehajajo skozi kapilare bobniča. Celice bodo brezžično prenesene v glavni računalnik vesoljskega plovila in nato obdelane. Če se kaj zgodi, bodo sprejeti potrebni ukrepi.

Vse to lahko postane realnost v približno 5-10 letih. Znanstveniki nanodelce uporabljajo že več kot 5 let.

Zdaj so lahko senzorji, tanjši od človeškega lasu, 1000-krat bolj občutljivi od standardnih DNK testov. Ameriški znanstveniki, ki so razvili te nanosenzorje, menijo, da bodo lahko zdravniki z eno samo kapljico krvi opravili celo vrsto različnih testov. Ena od prednosti tega sistema je možnost takojšnjega pošiljanja rezultatov analize na žepni računalnik. Raziskovalci verjamejo, da bo trajalo približno pet let, da se razvije popolnoma delujoč nanosenzorski model, ki ga bodo zdravniki lahko uporabljali pri vsakdanjem delu.

S pomočjo nanotehnologije bo medicina lahko ne le zdravila katero koli bolezen, ampak tudi preprečila njen nastanek in bo lahko pomagala pri prilagajanju človeka v vesolju.

Ko bo mehanizem končal svoje delo, bodo morali nanozdravniki nanorobote odstraniti iz človeškega telesa. Zato je nevarnost, da »zastareli nanoroboti«, ki ostanejo v človeškem telesu, ne delovali pravilno, zelo majhna. Nanorobote bo treba oblikovati tako, da se bodo izognili okvaram in zmanjšali zdravstvene zaplete. Kako bodo nanorobote odstranili iz telesa? Nekateri izmed njih se bodo sposobni samoodstraniti iz človeškega telesa po naravnih kanalih. Druge bodo oblikovane tako, da jih bodo zdravniki lahko odstranili. odstranitev bo odvisna od zasnove danega nanorobota.

Menijo, da bo glavna nevarnost za bolnika nesposobnost lečečega zdravnika. Toda napake se lahko pojavijo tudi v nepričakovanih primerih. Eden od nepredvidenih dogodkov bi lahko bila interakcija med roboti, ko trčijo. Takšne napake bo težko prepoznati. Ilustracija tega primera je lahko delo dveh vrst nanorobotov A in B v človeškem telesu. Če nanorobot A odstrani posledice dela robota B, bo to vodilo do ponovnega dela A in to se bo nadaljevalo v nedogled, to pomeni, da bosta nanorobota drug drugemu popravljala delo. Da bi preprečili nastanek takšnih situacij, mora lečeči zdravnik nenehno spremljati delovanje nanorobotov in jih po potrebi reprogramirati. Zato je usposobljenost zdravnika zelo pomemben dejavnik.

Kot veste, se naš imunski sistem odziva na tujke. Zato bo pri tem pomembno vlogo igrala velikost nanorobota, pa tudi površinska hrapavost in mobilnost naprave. Trdi se, da problem biokompatibilnosti ni zelo težaven. Izhod iz te težave bo ustvarjanje robotov na osnovi diamantoidnih materialov. Zaradi močne površinske energije in diamantne površine ter njene močne gladkosti bo zunanja lupina robotov kemično inertna.

Nanotehnologije, ki se v zadnjem času uporabljajo v medicini

Nanotehnologije se že uporabljajo v medicini. Glavna področja njegove uporabe so: diagnostične tehnologije, medicinski pripomočki, protetika in implantati.

Osupljiv primer je odkritje profesorja Aziza. Ljudje s Parkinsonovo boleznijo imajo v možgane skozi dve drobni luknjici v lobanji vstavljene elektrode, ki so povezane s stimulatorjem. Po približno enem tednu se pacientu vsadi sam stimulator v trebušno votlino. Pacient si lahko sam nastavi napetost s stikalom. Bolečino je mogoče obvladati v 80 % primerov:

Pri nekaterih bolečina popolnoma izgine, pri drugih popusti. Približno štiri desetine ljudi je bilo podvrženih globoki možganski stimulaciji.

Številni Azizovi kolegi pravijo, da ta metoda ni učinkovita in ima lahko negativne posledice. Profesor je prepričan, da je metoda učinkovita. Ne eno ne drugo zdaj ni bilo dokazano. Zdi se mi, da bi morali verjeti le štiridesetim bolnikom, ki so bili osvobojeni neznosnih bolečin. In želeli so znova živeti. In če se ta metoda izvaja že 8 let in ne vpliva negativno na zdravje bolnikov, zakaj potem ne bi razširili njene uporabe.

Drugo revolucionarno odkritje je biočip - majhna ploščica, na katero so v določenem vrstnem redu nanesene DNK ali proteinske molekule, ki se uporabljajo za biokemične analize. Princip delovanja biočipa je preprost. Specifična zaporedja odsekov razcepljene DNK se nanesejo na plastično ploščo. Med analizo se testirani material namesti na čip. Če vsebuje enake genetske informacije, se parita. Rezultat je mogoče opazovati. Prednost biočipov je veliko število bioloških testov s pomembnimi prihranki pri testnem materialu, reagentih, stroških dela in času za analizo.

Generologija

Doseganje osebne nesmrtnosti ljudi z vnosom molekularnih robotov v telo, ki preprečujejo staranje celic, ter prestrukturirajo in »plemenitijo« tkiva človeškega telesa. Oživitev in ozdravitev tistih brezupno bolnih ljudi, ki so bili trenutno zamrznjeni s krioniškimi metodami. Predvideno obdobje izvedbe: tretja - četrta četrtina 21. stoletja.

Industrija

Zamenjava tradicionalnih proizvodnih metod z molekularnimi roboti, ki sestavljajo potrošniško blago neposredno iz atomov in molekul. Vse do osebnih sintetizatorjev in naprav za kopiranje, ki vam omogočajo izdelavo katerega koli predmeta. Prve praktične rezultate lahko dobimo na začetku 21. stoletja.

Grafen. Oktobra 2004 je bila na univerzi v Manchestru ustvarjena majhna količina materiala, imenovanega grafen. Robert Freitas predlaga, da bi ta material lahko služil kot substrat za ustvarjanje diamantnih mehanosintetičnih naprav.

Satelitske komunikacije se pogosto uporabljajo za televizijske, internetne in telefonske komunikacije. Sisteme za določanje položaja v prostoru uporabljajo letala, ladje, avtomobili in turisti.

Človeštvo je že zraslo iz zibelke – brez prostora si našega življenja ni več mogoče zamisliti. Zato danes številne države začenjajo lastne vesoljske programe, v začetku 21. stoletja pa se je začelo zasebno raziskovanje vesolja. Leta 2001 je v orbito poletel prvi vesoljski turist Dennis Tito. Leta 2004 je v okviru tekmovanja X-Prize vesoljsko plovilo za večkratno uporabo SpaceShipOne, ki so ga ustvarili neodvisni razvijalci, opravilo suborbitalni let (do višine 112 km). Leta 2005 se je začela gradnja zasebnih vesoljskih pristanišč v Mojave (ZDA), Ras Al Khaimah (ZAE) in Singapurju. Za prihodnja leta je načrtovana velika ekspanzija turizma (Virgin Galactic namerava do leta 2013 na vesoljska križarjenja poslati 7.000 ljudi, zahvaljujoč dostopni ceni 200.000 $). Lastnik največje verige motelov Robert Bigolow namerava leta 2010 odpreti prvi orbitalni hotel Skywalker.

Vse to in še veliko več bo postalo mogoče s prihodom nove poti v vesolje, učinkovitejše celo od sodobnih vesoljskih plovil za večkratno uporabo. Razvijajo se načrti za izgradnjo vesoljskega dvigala s sodelovanjem Nase! Zaradi majhne gravitacijske sile Lune je konstrukcija takšnega dvigala od Lagrangeovih točk (L-1 ali L-2), kjer so gravitacijske sile Lune, Zemlje in Sonca uravnotežene, do Lunine površine. mogoče tudi s pomočjo današnjih tehnologij! Potreben je le kabel iz ultra močnih vlaken M5, ki tehta skupno 7 ton, ki ga je mogoče dvigniti v vesolje v eni sami izstrelitvi.

Izgradnja takšnega dvigala na Zemlji bi zahtevala naprednejše materiale, vendar naj bi bile ogljikove nanocevke dovolj močne za ta namen. Potrebne tehnologije je mogoče razviti v 10-15 letih. Toda ko bo vesoljsko dvigalo zgrajeno, bodo stroški pošiljanja tovora v orbito padli na desetine dolarjev na kilogram. Verjetno bodo takoj po pojavu prvega dvigala vzdolž ekvatorja zgrajena nova, nato pa jih bodo izboljšali in ne bodo več videti kot več tankih trakov, temveč odprti stolpi s strukturami na vmesnih nivojih. mogoče. da bo čez nekaj časa na nivoju geostacionarne orbite nastal cel obroč - velikanska orbitalna vesoljska postaja, podobna tisti, ki jo opisuje A. Clark v Odiseji 3000.

Zdaj se resno razmišlja tudi o načrtih (nase) za rudarjenje virov na Luni in asteroidih. Ena vrsta mineralov, ki jih je mogoče ekonomično izkopati v vesolju, je helij-3. Na Zemlji ga ni, na Luni pa ga je v izobilju (zbira ga Luna iz sončnega vetra v milijardah let). In hkrati je odlično gorivo za termonuklearno energijo. Ob istem času, da bi našemu celotnemu planetu zagotovili porabo energije v obsegu leta 2005, bo treba na Zemljo dostaviti le 100 ton helija-3 na leto!

Ne glede na gospodarske obete ostaja na dnevnem redu gradnja bivalnih baz na Luni in Marsu. Kitajska je tik pred gradnjo prve baze na Luni, Rusija in ZDA se usmerjajo proti Marsu. S postopnimi izboljšavami tehnologije so ti projekti vedno bolj izvedljivi.

Zdaj pa o motorjih. Na začetku vesoljske dobe smo uporabljali raketne motorje. Od takrat je bilo predlaganih veliko alternativ, ki pa še niso postale prevladujoče. V prihodnosti bodo ionske motorje uporabljali za polete znotraj sončnega sistema. Že sedaj zagotavljajo nenavadno visoko učinkovitost. Laserski motorji se lahko uporabljajo za vzpon v orbito. Ko bo vesoljsko dvigalo zgrajeno, bo na tem področju nadomestilo rakete.

Drug primer: leta 1958 je bil razvit projekt Orion: projekt vesoljskega plovila, ki bo vzletelo s površja Zemlje z uporabo eksplozij jedrskih mikrobomb. Toda prepoved detoniranja jedrskih naprav v ozračju, ki je začela veljati leta 1963, je ta projekt končala. Trenutno obstaja projekt za tovrstno vesoljsko plovilo Prometheus, ki naj bi ga poslali na Mars.

Tudi za letenje do zvezd se lahko uporabljajo atomski in fotonski motorji, ki omogočajo potovanje s skoraj svetlobnimi hitrostmi. Če pa je to fizično mogoče, potem bo superum prihodnosti zagotovo našel način, kako zaobiti svetlobno pregrado, na primer z uporabo črvinih lukenj, stiskanja prostora ali drugih metod.

Pri tem je treba opozoriti, da je malo verjetno, da bo preprosto odkrivanje, preučevanje ali kolonizacija novih svetov ostalo pomembno za supercivilizacije. Navsezadnje bo računalniška tehnologija omogočila simulacijo celotnega bogastva zmogljivosti trilijonov zvezdnih sistemov v okviru računalniških generatorjev virtualne resničnosti. Prvi korak na tej poti bo storjen v prihodnjih letih z izidom računalniške igre Spore. Zato je verjetno, da bo odnos superuma do oddaljenih zvezd bolj pragmatičen.

Preden karkoli uporabite, morate to doseči. Zelo verjetno je, da bodo to nalogo prevzele tako imenovane Von Neumannove sonde: inteligentne samopodvajajoče avtomatske ladje, ki so sposobne doseči cilj, ga preučiti, posredovati informacije in ustvariti na stotine svojih kopij, ki bodo poslane novim zvezde. Takšna decentralizacija se lahko izkaže za veliko učinkovitejšo od romantičnih zvezdnih ekspedicij homo sapiensa z robotskimi pomočniki, opisanih v znanstveni fantastiki.

Razvoj raketne znanosti postavlja raziskovalno in eksperimentalno osnovo za prihodnost, najverjetneje posingularni supertehnološki preboj v bližnje in nato v globoko vesolje. Kakšni pa so obeti za človeško življenje v vesolju? Vidimo tri radikalno različne možnosti: teraformiranje, človeško prilagajanje vesoljskim razmeram in prestrukturiranje kozmične snovi v computernium. Poglejmo jih vse.

Projekti za teraformiranje Marsa že obstajajo. Prestrukturiranje površja drugih planetov je mogoče izvesti s pomočjo umetnih mikroorganizmov ali nanorobotov, ki ustvarijo atmosfero, zaščitno plast ozona, zemljo, reke in morja ... Superinteligenca lahko ustvari celo napravo - recimo ji " Genesis" - sposoben narediti planet naseljiv v nekaj dneh ali mesecih.

Možna pa je tudi druga alternativa: razvoj človekove avtotrofije, samooskrbe in neodvisnosti od okolja. Spremembe, dosegljive s pomočjo nanotehnologije, bodo omogočile človekovo življenje (tako v fizičnem telesu kot znotraj računalniških sistemov) v pogojih vakuuma in ultravisokega tlaka, ultravisokega sevanja in gravitacije, ultranizkih ali ultravisokih temperatur, tj. je skoraj povsod, razen morda na Soncu.

Če človek opusti naše običajne oblike obstoja, potem je lahko najučinkovitejši scenarij razstavljanje planetov sončnega sistema in prestrukturiranje vse materije v super zmogljive računalnike, združene v eno samo omrežje. Hipotetična snov, ki zagotavlja največjo računalniško moč na enoto mase, se imenuje computernium. Če opustimo idejo o ustvarjanju udobnega okolja za človeka v vesolju, potem je lahko celo obstoj znotraj Sonca možen za Supermind: navsezadnje, kjer koli lahko obstajajo urejene strukture, lahko potekajo izračuni in zato lahko obstaja zavest. Zanimivo je, da znanstveniki, ko govorijo o mejah računalniške moči, običajno opisujejo krogle vroče plazme – objekte, ki zelo spominjajo na notranjost Sonca.

Ne glede na pot raziskovanja vesolja se postčloveštvo ne bo odpovedalo širjenju vesolja. Navsezadnje Superum ni imanentno planetaren. Ta delitev mu je tuja, saj zanj ni fizičnih omejitev življenja v vesolju. In zagotovo se bo ukvarjal s kozmično megagradnjo, spreminjanjem inertne kozmične snovi v inteligentno snov.

Morda se bo zgodilo tako. Po osvojitvi planetov sončnega sistema bomo zgradili megastrukturo, ki bo povečala naše teritorialne zmogljivosti, na primer velika vesoljska mesta. Ker pričakujemo razvoj najrazličnejših tipov postčlovekov, bodo v tem času nekatere postosebnosti spremenile planete, ki so najbližje Soncu (in bogatejši s sončno energijo), v "možgane matrjoške", medtem ko bodo druge, bolj podobne svojim prednikom (to je mi), morda zaposleni z gradnjo mega-svetov (kot je "obročasti svet") med orbitami Zemlje in Marsa. Plinske velikane bomo razstavili, njihove sestavne snovi pa uporabili za naše namene. Čez čas bodo okoli sončnega sistema postavili Dysonovo kroglo, da bi kar najbolje izkoristili sončno energijo.

V bolj oddaljeni prihodnosti se bo Overmind lotil galaktičnih projektov. Kot je pridobivanje energije iz črnih lukenj, dvigovanje snovi iz aktivnih zvezd, prižiganje in ugašanje zvezd, ustvarjanje črvičev v vesolju za premagovanje svetlobne pregrade.

In ko Univerzalni um izčrpa možnosti našega Vesolja, bo prišel čas za ustvarjanje novih hčerinskih vesolj. Praktična vrednost hčerinskih vesolj je zagotoviti resnično neskončen obstoj uma in ga prenašati iz umirajočih vesolj v novo ustvarjena. Vendar pa je po nekaterih modelih v našem vesolju mogoče zagotoviti neskončno dolg subjektivni obstoj.

kibernetika

Prišlo bo do prehoda s trenutno obstoječih ravninskih struktur na volumetrična mikrovezja, velikosti aktivnih elementov pa se bodo zmanjšale na velikost molekul. Delovne frekvence računalnikov bodo dosegle teraherčne vrednosti. Rešitve vezij, ki temeljijo na nevronskih podobnih elementih, bodo postale razširjene. Pojavil se bo hitri dolgoročni pomnilnik na osnovi beljakovinskih molekul, katerega zmogljivost se bo merila v terabajtih. Človeško inteligenco bo mogoče »preseliti« v računalnik. Predvideno obdobje izvedbe: prva - druga četrtina 21. stoletja.

Inštitut za molekularno proizvodnjo (IMM) je razvil idejni načrt za nanomanipulator z atomsko natančnostjo. Takoj ko bo pridobljen sistem "nanoračunalnik - nanomanipulator" (strokovnjaki to napovedujejo v letih 2010-2020), bo mogoče programsko izdelati še en podoben kompleks - sestavil bo svoj analog po danem programu, brez neposrednega človekovega posredovanja. Bakterije, ki uporabljajo replikativne lastnosti DNK, se lahko v nekaj urah razvijejo od več posameznikov do milijonov. Tako pridobivanje sestavljavcev v množičnem obsegu ne bo zahtevalo nobenega stroški od zunaj, poleg tega pa jim zagotavlja energijo in surovine.

Na podlagi sistema "nanoračunalnik - nanomanipulator" bo mogoče organizirati avtomatizirane montažne komplekse, ki bodo sposobni sestaviti poljubne makroskopske predmete z uporabo predhodno sprejete ali razvite tridimenzionalne mreže atomov. Xerox trenutno izvaja intenzivne raziskave na področju nanotehnologije, kar kaže na željo po ustvarjanju razmnoževalnikov snovi v prihodnosti. Kompleks robotov bo originalni predmet razstavil na atome, drug kompleks pa bo ustvaril kopijo, do posameznih atomov identično originalu (strokovnjaki to napovedujejo v letih 2020-2030). To bo omogočilo ukinitev trenutno obstoječega kompleksa tovarn, ki proizvajajo izdelke z uporabo "volumetrične" tehnologije; dovolj bo, da se oblikuje poljubna izdelek- in ga bo zbral in pomnožil montažni kompleks.

Možna bo avtomatska izgradnja orbitalnih sistemov, samosestavljajočih se kolonij na Luni in Marsu ter vseh struktur v svetovnih oceanih, na površju zemlje in v zraku (strokovnjaki to napovedujejo leta 2050). Možnost samosestavljanja lahko vodi do reševanja globalnih problemov človeštva: problema pomanjkanja hrane, stanovanj in energije. Zahvaljujoč nanotehnologiji se bo zasnova strojev in mehanizmov bistveno spremenila - številni deli bodo poenostavljeni zaradi novih tehnologij sestavljanja (razvoja), mnogi bodo postali nepotrebni. To bo omogočilo oblikovanje strojev in mehanizmov, ki so bili prej nedostopni človeku zaradi pomanjkanja tehnologij za montažo in načrtovanje. Ti mehanizmi bodo v bistvu sestavljeni iz enega zelo kompleksnega dela.

S pomočjo mehanoelektričnih nanopretvornikov bo mogoče z visokim izkoristkom pretvoriti katerokoli vrsto energije in ustvariti učinkovite naprave za pridobivanje električne energije iz sončnega sevanja s približno 90-odstotnim izkoristkom. Ravnanje z odpadki in globalno nadzor sistemi, kot je "recikliranje", bodo znatno povečali zaloge surovin človeštva. Globalno okolje nadzor, nadzor vremena zahvaljujoč sistemu medsebojno delujočih nanorobotov, ki delujejo sinhrono.

Biotehnologija in računalniška tehnologija bosta verjetno imeli koristi od nanotehnologije. Z razvojem nanomedicinskih robotov bo možno človeško smrt odložiti za nedoločen čas. Prav tako ne bo težav s prestrukturiranjem človeškega telesa za kvalitativno povečanje naravnih sposobnosti. Prav tako je mogoče telesu zagotoviti energijo, ne glede na to, ali smo kaj pojedli ali ne.

Računalniška tehnologija se spreminja v enotno globalno informacijsko omrežje ogromne produktivnosti in vsaka oseba bo imela možnost biti terminal - z neposrednim dostopom do možganov in čutov. Področje znanosti o materialih se bo bistveno spremenilo - pojavili se bodo "pametni" materiali, ki bodo sposobni multimedijske komunikacije z uporabnikom. Pojavili se bodo tudi ultra močni, ultra lahki in negorljivi materiali.

Kar zadeva problem surovin, bodo nanoroboti za izdelavo večine objektov uporabljali več najpogostejših vrst atomov: ogljik, vodik, silicij, dušik, kisik itd. v manjših količinah. Z razvojem drugih planetov s strani človeštva bo problem oskrbe s surovinami rešen.

Nanotehnologija torej na podlagi napovedi obljublja korenito preobrazbo tako sodobne proizvodnje in z njo povezanih tehnologij kot človekovega življenja nasploh. Nanotehnologija bo povzročila enako revolucijo pri manipulaciji s snovjo, kot so jo računalniki povzročili pri manipulaciji z informacijami. Na svet bodo vplivale bolj kot odkritje elektrike.

Odnos družbe do nanotehnologije

Napredek na področju nanotehnologije je povzročil določeno negodovanje javnosti.

Odnos družbe do nanotehnologije sta proučevala VTsIOM in evropska služba Eurobarometer.

Številni raziskovalci navajajo, da je lahko negativen odnos do nanotehnologije med nestrokovnjaki povezan z religioznostjo, pa tudi zaradi skrbi glede strupenosti nanomaterialov.

Odziv svetovne javnosti na razvoj nanotehnologije

Od leta 2005 deluje mednarodna delovna skupina v organizaciji CRN, ki proučuje družbene posledice razvoja nanotehnologije.

Oktobra 2006 je Mednarodni svet za nanotehnologijo izdal pregledni članek, ki je govoril zlasti o potrebi po omejitvi širjenja informacij o raziskavah nanotehnologije iz varnostnih razlogov.

Greenpeace zahteva popolno prepoved raziskav na področju nanotehnologije.

Tematika posledic razvoja nanotehnologije postaja predmet filozofskega raziskovanja. Tako so o možnostih razvoja nanotehnologije razpravljali na mednarodni futurološki konferenci Transvision, ki je potekala leta 2007 v organizaciji WTA.

Odziv ruske družbe na razvoj nanotehnologije