ГОУ гимназия № 1505
Реферат на тему:
«Прикладные нанотехнологии»
Работа ученицы 9 класса «Б»
Королевой Насти
Руководитель: А.Л.Наумов
Москва 2010
Оглавление
· Введение
· Глава 1. Наночастицы
o Углеродные нанотрубки
o Фуллерены
· Глава 2. Применение нанотехнологий в нашей жизни
o Углеродные нанотрубки
o Фуллерены
· Заключение
· Словарь
· Сноски
· Список литературы.
Введение
“Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами.”[1]
Прикладная нанотехнология рассматривает задачи и способы применения нанотехнологий для помощи человечеству. Нанотехнология появилась относительно недавно. Однако она открывает такие перспективы для человечества, что появляется необходимость широкого распространения основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.
Изучение наноструктур знаменует новый этап в развитии физики и биологии, поскольку по своему размеру они занимают промежуточное положение между молекулами и микроскопическими объектами (т. е. объектами размером порядка 1 мкм). Они содержат поддающееся счету число атомов и, следовательно, подходят для решения технологических задач на атомном уровне.
Наноструктуры ведут себя подобно хамелеонам: они достаточно большие для того, чтобы их перемещать, но при этом они обладают квантовыми свойствами, которые характерны для более мелких объектов. В целом нанообъекты характеризуются малыми размерами и сложной внутренней организаций.
Разработки в области нанотехнологии ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если примерно 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами.
С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.
Моя работа состоит из двух глав. В первой главе я рассмотрю два вида наночастиц: нанотрубки и фуллерены. Во второй главе я рассмотрю способы применения наночастиц в нашей жизни. В моей работе я акцентировала внимание на свойствах наночастиц и их применение в нашей жизни.
Глава 1. Наночастицы.
Для начала хотелось бы рассказать о способе изучения нанообъектов – сканирующей зондовой микроскопии.
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).
Исследований свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводят на воздухе при атмосферном давлении, вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики позволяют изучать как проводящие, так и не проводящие объекты. Кроме того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопией и спектральными методами.
С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Это происходит с помощью приложенного к зонду электрического напряжения, за счет которого отдельные атомы можно «выдергивать» из поверхностного слоя, переносить в другое место и, меняя полярность, снова возвращать в поверхностный слой в нужную точку. Так, учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона.
Рис.1 Название фирмы
IBM
, написанное 35-ю атомами ксенона.
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур, поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.
Теперь же поподробнее опишем наночастицы. Наночастицы - частицы, размерами от 1 до 100 нанометров (10-9
м). Наночастицы любого вещества могут иметь свойства, полностью отличающиеся от свойств самого вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Существует 3 вида наночастиц: трёхмерные частицы, двумерные объекты – пленки и одномерные объекты. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание монослоёв.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков).
Также возникает проблема образования агломератов, то есть проблема слипания наночастиц. Эту проблему надо решать, так как наночастицы могут помогать в производстве керамики и металлургии. Одно из возможных решений — использование веществ, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.
Вообще известно много видов наночастиц, однако более подробно я расскажу только о некоторых, таких как нанотрубки и фуллерены.
Углеродные нанотрубки.
“Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных гафитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. “[2]
Рис.2 Углеродные нанотрубки.
Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже вблизи абсолютного нуля температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок проявляется только при повышении температуры.
Рис.3 Рост углеродных нанотрубок.
Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки»).
Фуллерены.
Теперь поподробнее расскажем о фуллеренах. “Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа атомов углерода.”[3]
Рис.4 Фуллерен С
60
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен (C60
), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.
Следующим по распространённости является фуллерен C70
, отличающийся от фуллерена C60
вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60
, в результате чего молекула C70
оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Рис.5 Фуллерен С
70
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.<
Рис.6 Фуллерен С
540
Молекулярные кристаллы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60
, менее — система кристаллического С70
. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.
Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п.
Глава 2. Применение нанотехнологий в нашей жизни.
Нанотрубки
Теперь же поподробнее расскажем о применении нанотрубок в нашей жизни. Нанотрубки используют в производстве сверхпрочных нитей, композитных материалов, нановесов, транзисторов, прозрачных проводящих поверхностей, топливных элементов, капсул для активных молекул, нанопипеток, дисплеев и светодиодов. Их используют для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
Нанотрубки используют как точные весы для измерения массы предельно малых объектов, типа вирусов. Взвешиваемая частица распологается на конце нанотрубки, которая колеблется в электрическом поле. Из-за веса частицы частота колебаний изменяется, и по её изменению можно судить о весе частицы.
Нанотрубки проводят тепло лучше, чем алмаз, который раньше считался самым эффективным проводником тепла. Их используют как «теплосмазку» для овода тепла от компьютеров.
Также получена прозрачная ткань из нанотрубок толщиной в несколько десятков атомов. За счет сочетания высокой проводимости, гибкости и большой прочности эта ткань перспективна для применения во многих областях – от солнечного паруса до светодиодов.
Американские ученые применили нанотрубки для создания нового типа памяти для компьютера. Новые чипы не только более емкие, но и более быстрые и долговечные.
Так же калифорнийские ученые заявляют, что скоро можно будет подзарядить мобильное устройство от собственной одежды. С помощью нанотехнологий обычный хлопок и полиэстер может превратиться в электропроводную ткань, которая будет работать в роли аккумулятора.
В основе создания электропроводной ткани лежит пропитка хлопковой или полиестеровой ткани краской, насыщенной углеродными нанотрубками. После этого ткань приобретает необычное свойство – способность накапливать электрический ток. При этом ткань не теряет своей эластичности и, как показали опыты, сохраняет новое свойство после многократных стирок.
Фуллерены
Теперь поподробнее о способах применения фуллеренов в нашей жизни. Фуллерены используют в создании аккумуляторов и электрических батарей. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие фуллерены.
Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств.
Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.
Также фуллерены применяются в качестве красителей для копировальных машин, что позволяет существенно повысит качество получаемых копий и снизить расход красителей.
Из фуллеренов могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей. Японские ученые создали микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не смогли их зарегистрировать. Материалом для такого «вечного» мини-подшипника послужили фуллерены состоящие из 60-ти атомов углерода.
Заключение.
Перспективы и проблемы нанотехнологии.
В конце XX века стала очевидной неизбежность развития нанотехнологии и наступления третьей научно-технической революции. Нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и т.д. Предполагается использование наноматериалов для увеличения производительности компьютеров, восстановления человеческих органов. Ожидаются новые открытия в химии и физике, способные оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
Использование нанотехнологий позволит в будущем решить ряд важных для человечества проблем, например, энергетическую проблему. Это связано с применением наноматериалов для создания более эффективных топливных элементов, водородных аккумуляторов и т.д.
Однако развитие нанотехнологии может привести и некоторым проблемам, которые придется решать:
1. Социальные проблемы. Создание наноустройств может быть использовано для слежки, перехвата информации и т.д. Это может стать проблемой не только для коммерческих организаций, но и для отдельных граждан. Может усилиться социальное неравенство при использовании нанотехнологий, например, в медицине. Это связано с тем, что стоимость новых лекарств и методов будет вначале достаточно велика.
2. Политические и экономические проблемы. Предполагается, что развитие нанотехнологий может существенно изменить баланс сил между государствами в экономической и военно-политической области.
3. В промышленности увеличится доля наукоемкой продукции, что потребует увеличения числа высококвалифицированных работников. В связи с этим придется решать рад проблем, связанных с образованием. Может возникнуть безработица для малоквалифицированных рабочих.
4. Экологические проблемы. Они связаны прежде всего с влиянием нанопродуктов и наноустройств на человека. Высказываются опасения по поводу высокой химической активности наночастиц. Они могут влиять на животных, растения, бить аллергенами для людей.
При этом положительное влияние нанотехнологий на все сферы жизни людей перевешивают те опасности, которые сопутствуют развитию нанотехнологий и которые требуют определенных предосторожностей.
В заключение приведем оптимистический прогноз писателя-фантаста Артура Кларка, предсказания которого сбываются одно за другим: «2040 год: будет усовершенствован «универсальный репликатор», основанный на нанотехнологиях; может быть создан объект любой сложности при наличии сырья и информационной матрицы. Бриллианты и деликатесная еда могут быть созданы в буквальном смысле слова из грязи… После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования».
Словарь
IBM (произносится: ай-би-эм, аббр. от англ. International Business Machines, NYSE: IBM) — транснациональная корпорация со штаб-квартирой в Армонке, штат Нью-Йорк (США), один из крупнейших в мире производителей и поставщиков аппаратного и программного обеспечения, а также ИТ-сервисов и консалтинговых услуг.
Агломерация (от лат. agglomero — присоединяю, накопляю) — образование относительно крупных пористых кусков (агломератов) из мелкой руды или пылевидных материалов благодаря спеканию, адгезии, холодной сварке, смачиванием жидкой фасой; агломерация может происходить при отжиге металлических порошков, при различных способах их производства; агломерированный порошок, как правило, измельчают для изменения гранулометрического состава и технологических свойств. При агломерации легкоплавкая часть материала, затвердевая, скрепляет между собой твердые частицы.
Диффузия — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей.
Икосаэдр — правильный выпуклый многогранник, двадцатигранник, одно из платоновых тел. Каждая из 20 граней представляет собой равносторонний треугольник. Число ребер равно 30, число вершин — 12.
Квантовая эффективность – физическая величина, характеризующая фоточувствительные приборы и материалы.
Ксенон — элемент главной подгруппы восьмой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 54. Обозначается символом Xe (лат. Xenon). Простое вещество ксенон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.
Монослой — единичный, плотно упакованный слой атомов, молекул или клеток.
Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трехмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.
Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular chemistry) — междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.
Сноски
1. Национальный информационно-аналитический центр "Нанотехнологии и наноматериалы" http://www.iacnano.ru/default.aspx?cat=0&id=19&title=?????????%20?
2. Nano News Net. Сайт о нанотехнологиях №1 в России. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/izmerennye-svoistva-uglerodnykh-nanotrubok-sovpali-s-ranee-predskazannymi-teoretichesk
3. SmolNano. http://smolnano.ru/termini-kratko/fulleren
Список литературы
1. Нанотехнологии. Наука будущего / В. И. Балабанов. – М. : Эксмо, 2009. – 256 с. : ил. – ( Открытия, которые потрясли мир ).
2. Нанотехнология. 11 класс : учеб. Пособие / И. В. Разумовская. – М. : Дрофа, 2009. – 222, [2] с. – ( Элективные курсы )
3. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси ; пер. с японск. – 2-е изд. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 134 с. : ил. – ( Нанотехнология ).
4. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. / Под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса. Пер. с англ. – М. : Мир, 2002. – 292 с., ил.
5. Очарование нанотехнологии / У. Хартманн ; пер. с нем. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 173 с. : ил. – ( Нанотехнология ).