MIOO MPGU Obrazovno-naučni centar za funkcionalne i nanomaterijale Metodika za formiranje ideja učenika o nanotehnologijama u srednjim školama
Imena vekova... Korišćeni materijali su jedan od glavnih pokazatelja tehničke kulture jednog društva. To se odrazilo u nazivima stoljeća „kameno doba“, „bronzano doba“, „gvozdeno doba“. 20. vek će se verovatno nazvati vekom multifunkcionalnih nano- i biomaterijala.
a – kolosiječna membrana (AFM); b – žice mikronske veličine (sekundarne strukture) u elektronskom mikroskopu.
Na lijevoj strani je dijagram strukture nanokristalnog materijala; desno je kompleks kuća arhitekte Franka Ovena Gerryja (Dizseldorf)
Metalna stakla Prvu leguru u amorfnom stanju dobio je P. Daveza 1960. (legura zlata i silicijuma u eutektičkom stanju Au 75 Si 25) na Kalifornijskom institutu za tehnologiju
Masivne legure amorfnih metala Legure na bazi Zr, Ti, kao i Al i Mg sa dodatkom La i prelaznih metala. Niska brzina hlađenja (1 – 500 K/s) omogućava dobijanje relativno debelih (do 40 mm) proizvoda
Upotreba nanokristalnih materijala Nanokristalne legure otporne na toplinu obećavaju za proizvodnju lopatica nove generacije plinskih turbina mlaznih motora. Keramički nanomaterijali se koriste kako u svemirskom inženjerstvu tako i za proizvodnju protetika u ortopediji i stomatologiji.
Korišćenje nanokristalnih materijala Dodavanje nanokristalnog aluminijuma raketnom gorivu može ubrzati proces sagorevanja za 15 puta.
Nanofazne (nanokristalne) legure su prvi put otkrivene u uzorcima lunarnog tla. I dalje se proizvode u malim količinama
Kompoziti Kompozitni materijal, kompozit, je heterogeni materijal od dvije ili više komponenti (komponenti), a između komponenti postoji gotovo jasan interfejs. Karakteriziraju ga svojstva koja ne posjeduje nijedna komponenta odvojeno
NANOKOMPOZITI U nanokompozitima, najmanje jedna komponenta ima nanoveličine
Funkcionalni materijali (na slici japansko solarno jedro) Funkcionalni materijali se mogu definirati kao materijali čija su svojstva raspoređena ili dizajnirana na takav način da mogu zadovoljiti određenu svrhu (izvršnu funkciju) na kontroliran način. Ova i sljedeća fotografija prikazuju japanska solarna jedra
Metalizirani polimerni premazi Metalizirani tankoslojni proizvodi su dizajnirani da zamjene teške strukture ogledala. Takvi materijali se široko koriste u svemirskim letjelicama kao prevlake za stabilizaciju termalne oksidacije, reflektori ili kolektori svjetlosne energije, te za prijenos optičkih informacija. Materijali na bazi poliimida imaju niz prednosti kao matrični film
Hemijski metalizirani PI filmovi Hemijski metalizirani filmovi mogu se klasificirati kao novi funkcionalni materijali s obzirom na njihovu povećanu refleksivnost i dobru površinsku vodljivost. Svojstva ovakvih filmova proučavana su u okviru međunarodnog naučnog granta NATO Sf. P (Nauka za mir) br. 978013 Tokom hemijske metalizacije formira se gradijent površinskog sloja u sadržaju metalnih nanočestica. U stvari, to je nanokompozit polimer/metal
“Pametni” materijali Iz klase funkcionalnih materijala mogu se razlikovati aktivni ili “pametni” materijali. „Pametni“ ili „inteligentni“ materijali moraju efikasno i nezavisno da menjaju svoja svojstva u nepredviđenim okolnostima ili kada se promeni način rada uređaja.
Funkcionalni materijali budućnosti U odnosu na “pametne” materijale koje su razvili ljudi, futurološki zadatak postavlja se stvaranje hiperfunkcionalnih materijala koji u nekim aspektima prevazilaze mogućnosti pojedinih bioloških organa.
Razlozi za pojavu “pametnih” materijala i uređaja Potreba za pametnim materijalima uzrokovana je činjenicom da savremeni mehanizmi i uređaji postaju ranjivi, s jedne strane, zbog svoje složenosti, s druge, zbog sve težih uslova rada. : različita okruženja, radijacija, velike brzine kretanja itd. Specijalisti za vojnu tehnologiju suvo karakteriziraju čovjeka operatera kao „objekt male brzine i značajnog ograničenja psihofizioloških sposobnosti“.
Metamateriali Posebno mjesto među funkcionalnim materijalima zauzimaju metamaterijali čija su svojstva određena uglavnom karakteristikama dizajna, a ne kemijskim sastavom. Desno je štap u praznoj čaši, sa vodom i materijalom s negativnim indeksom prelamanja.
Prvi metamaterijal sa negativnim indeksom 2000. godine David Smith sa Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu stvorio je prvi materijal negativnog indeksa za elektromagnetne talase na 10 gigaherca od listova bakarne mreže raspoređenih u slojevima
Problem nevidljivosti Britanski naučnik John Pendry je 2006. godine teoretski pokazao da ako se objekt stavi unutar posebno dizajniranog supersočiva napravljenog od materijala s negativnim indeksom prelamanja, onda će taj objekt postati nevidljiv za vanjskog posmatrača.
U avgustu 2008. godine dvije grupe naučnika stvorile su dva nova metamaterijala s negativnim indeksom prelamanja. Prvi materijal se sastoji od nekoliko naizmjeničnih slojeva srebra i magnezijum fluorida, u kojima su napravljene rupe veličine nanometara. Drugi koristi porozni aluminijum oksid unutar svojih šupljina, koristeći poseban proces, uzgajaju se srebrni nanopinovi, koji se nalaze na udaljenosti manjoj od valne dužine svjetlosti.
Termoizolacijski materijal Aspens Pyrogel AR 5401 [N]. Temperatura plinskog plamenika ispod je 1000 0 C
Bespilotna letjelica Polecat, leteće krilo raspona od 28 metara, Lockheed Martin, 3D printano
Nanofilter napravljen od molekula antrakinona na bakrenoj površini. Svaka ćelija sadrži oko 200 molekula
HIBRIDNI NANOMATERIJALI Hibridni nanomaterijali, kompoziti na molekularnom nivou, koji se sastoje od neorganskih, organskih i bioloških komponenti, veoma obećavaju. Među potonjima se izdvaja DNK
KOMPLEMENTARNOST Karakteristika bioloških nanostruktura je komplementarnost, sposobnost prepoznavanja na molekularnom nivou (DNK, antitijela, itd.). Ova sposobnost je osnova za rad biosenzora, ali se može koristiti i za samosastavljanje nanostruktura, što je ključna tačka u procesima odozdo prema gore.
Proteinske „proleće“ Nirinski ponavljači se sastoje od tandem modula od približno 33 aminokiseline. Njihova atomska struktura je vrlo neobična i sastoji se od kratkih antiparalelnih alfa zavoja koji se sami sklapaju u spirale. Zahvaljujući ovoj strukturi, ankirin ponavljanja se mogu brzo oporaviti nakon istezanja. O se nalaze u više od 400 proteina u ljudskom tijelu. Nalaze se u ćelijama dlačica unutrašnjeg uha, gdje igraju važnu ulogu u pretvaranju akustičnih signala u električne. Proteini ankirina također regulišu razmjenu jona u membrani srčanog mišića.
Supramolekularne strukture, supramolekularna hemija Termin je uveo 1978. godine istaknuti francuski hemičar, dobitnik Nobelove nagrade 1987. J.-M. Len i koju je on definirao kao “hemiju izvan molekula, koja opisuje složene formacije koje su rezultat asocijacije dvije (ili više) kemijskih čestica povezanih međumolekularnim silama.” Razvoj supramolekularne hemije je u velikoj meri posledica njene interdisciplinarne prirode (organska i koordinaciona hemija, fizička hemija, biologija, fizika kondenzovane materije, mikroelektronika, itd.)
Supramolekularni sistemi Hijerarhija je izgrađena ovako: atomi - molekuli - supramolekularni sistemi - biološki sistemi. Supramolekularni sistemi su most između nežive i žive materije.
Na vrhu - vrste supramolekularnih struktura; ispod je dijagram samosastavljanja rešetke od šest linearnih molekula i devet jona srebra
BIOMIMETIČKI HIBRIDNI POLIMERI, “MOLEKULARNE HIMERE” Polimeri čije makromolekule sadrže i prirodne i sintetičke blokove. Takvi polimeri su sposobni da formiraju kompleksne supramolekularne sklopove sa brojnim specifičnim funkcionalnim svojstvima. Njihovo stvaranje smatra se strateškim načinom za dizajniranje „pametnih“ nanomaterijala
Nova uloga kompjuterskog modeliranja „...ostvaren je potencijal modela za predviđanje svojstava koja se nalaze izvan granica modernog eksperimenta“ akademik M. V. Alfimov
Kompjuterska simulacija Glavni problem svih ovih proračuna je kvantnomehanička priroda svojstava nanočestica. Za pojedinačne atome i molekule razvijeni su odgovarajući teorijski aparati i numeričke metode. Za makroskopske sisteme korištena je statistička metoda. Ali broj atoma u nanočesticama je obično premali za statističke metode, a u isto vrijeme prevelik za jednostavne kvantne modele.
Proizvodnja novih materijala Prema prognozi, od ukupnog godišnjeg tržišta za nanotehnološke proizvode u periodu 20015-2020 (2 triliona dolara), 340 milijardi dolara će doći od novih materijala koji se ne mogu proizvesti tradicionalnim metodama.
Iz analize stručnih procena stručnjaka proizilazi da će u narednih 20 godina 90% savremenih materijala koji se koriste u industriji biti zamenjeni novim, posebno „inteligentnim“, što će omogućiti stvaranje konstruktivnih elemenata koji odrediće tehnički napredak 21. veka.
Literatura M. V. Alfimov, Nanotehnologija. Uloga kompjuterskog modeliranja, uvodnik, časopis Russian Nanotechnologies, vol. 2, br. 7-8, 2007. D. Dixon, P. Cummings, K. Hess, Teorija i modeliranje nanostruktura, u knjizi. Nanotehnologija u narednoj deceniji. Prognoza pravca istraživanja, ur. M. K. Roko, R. S. Williams, P. Alivasatos, M., MIR, 2002, str. 48-
Literatura (nastavak) A. I. Gusev, Nanomaterijali, nanostrukture, nanotehnologije, M., Fizmatlit, 2005, 416 str. 2. N. P. Lyakishev, Nanokristalne strukture - novi pravac u razvoju strukturnih materijala, Bilten Ruske akademije nauka, knj. 73, br. 5, 2003, str. 422 D. I. Ryzhonkov, V. V. Levina, E. L. Dzidziguri, Nanomaterial, M., BINOM. Laboratorij znanja, 365 str.
Student 1 1 -B klasa
Opšteobrazovna škola //-/// nivoi br. 41
Kolosov Nikita Rukovodilac: nastavnica fizike Minaeva I.A.
Nanotehnologija: mjesto među ostalim naukama
NANOTEHNOLOGIJA
Hemija, atomska i nuklearna fizika
Astronomija
kosa
grinja
ćelija
kontinent
planete
zemlja
atomi
Čovjek
Društvene nauke
Geologija
Biologija
Možemo učiniti da nanosvet radi za nas !!!
Zašto je "nanotehnologija" zanimljiva?
bakteriofag
bakteriofag
Particle Au , okružen manjim
Particle Au , okružen manjim
Virus gripa
Virus gripa
Nanosvet živi u nama i radi za nas !!!
Mozaik od 1 nm C 60
Glavne faze u razvoju nanotehnologije:
Dobitnik Nobelove nagrade iz 1959. Richard Feynman izjavljuje da će u budućnosti, učenjem da manipulira pojedinačnim atomima, čovječanstvo moći sintetizirati bilo što. 1981. Binig i Rohrer su kreirali skenirajući tunelski mikroskop - uređaj koji omogućava uticaj na materiju na atomskom nivou. 1982-85 Postizanje atomske rezolucije. 1986. Stvaranje mikroskopa atomske sile, koji, za razliku od tunelskog mikroskopa, omogućava interakciju sa bilo kojim materijalima, ne samo sa provodljivim. 1990 Manipulacija jednim atomom. 1994 Početak primjene nanotehnoloških metoda u industriji.
Lijek .
Stvaranje molekularnih robotskih doktora koji bi "živjeli" unutar ljudskog tijela, eliminirajući ili sprječavajući sva oštećenja koja nastaju, uključujući i genetska. Period implementacije je prva polovina 21. veka.
Crvena krvna zrnca i bakterije - nosioci nanokapsula s lijekovima
Metoda za isporuku nanočestica s lijekovima ili DNK fragmentima (genima) za liječenje stanica
Crvena krvna zrnca sa zalijepljenim nanokapsulama, sposobna da se zalijepe samo za određene vrste stanica (bolesnih), isporučit će ove kapsule stanicama primaocima.
Gerontologija.
Postizanje lične besmrtnosti ljudi kroz uvođenje molekularnih robota u organizam koji sprečavaju starenje ćelija, kao i restrukturiranje i poboljšanje tkiva ljudskog organizma. Oživljavanje i izlječenje onih beznadežno bolesnih ljudi koji su trenutno zamrznuti krioničkim metodama. Period implementacije: treća - četvrta četvrtina 21. vijeka.
Industrija.
Zamjena tradicionalnih metoda proizvodnje molekularnim robotima koji sastavljaju potrošnu robu direktno od atoma i molekula. Period implementacije: početak 21. vijeka
Nanocijevi čine polimerne materijale jačima
- Izgledi za korištenje nanotehnologije u automobilskoj industriji danas nisu sasvim jasni. Međutim, ohrabruje činjenica da se nanomaterijali već koriste u automobilskoj industriji, iako je većina njih još u fazi razvoja dizajna. Proizvođači automobila već su stekli dosta iskustva u ovoj oblasti.
Nanodlake čine površinu čistom.
Na lijevoj strani - kap ne vlaži površinu koja se sastoji od nanodlaka i stoga se ne širi po njoj. Desno je šematski prikaz površine slične četkici za masažu; theta je kontaktni ugao, čija vrijednost ukazuje na kvašenje površine: što je veća theta, to je niža kvašenje.
Poljoprivreda.
Zamjena prirodnih proizvođača hrane (biljke i životinje) funkcionalno sličnim kompleksima molekularnih robota. Oni će reprodukovati iste hemijske procese koji se dešavaju u živom organizmu, ali na kraći i efikasniji način.
Na primjer, iz lanca "zemlja - ugljični dioksid - fotosinteza - trava - krava - mlijeko" sve nepotrebne veze će biti uklonjene. Ono što će ostati je „zemlja – ugljični dioksid – mlijeko (svježi sir, puter, meso)". Takva "poljoprivreda" neće ovisiti o vremenskim prilikama i neće zahtijevati težak fizički rad. A njena produktivnost će biti dovoljna da jednom zauvijek riješi problem s hranom.
Period implementacije: druga - četvrta četvrtina 21. vijeka.
Biologija
Postat će moguće uvesti nanoelemente u živi organizam na atomskom nivou. Posljedice mogu biti vrlo različite - od "obnove" izumrlih vrsta do stvaranja novih vrsta živih bića i biorobota. Period implementacije: sredina 21. vijeka.
Nanotehnologija u forenzičkoj nauci.
Otisak prsta na papiru je isti nakon kontrasta sa zlatnim nanočesticama zalijepljenim za masne tragove žljebova koji su ostali na papiru.
Ekologija
Potpuna eliminacija štetnih uticaja ljudskih aktivnosti na životnu sredinu.
- Prvo, zbog zasićenosti ekosfere molekularnim robotskim medicinskim sestrama, pretvarajući ljudski otpad u sirovine;
- I drugo, kroz prelazak industrije i poljoprivrede na nanotehnološke metode bez otpada. Period implementacije: sredina 21. vijeka.
Istraživanje svemira
Očigledno, istraživanju svemira "uobičajenim" redoslijedom prethodiće njegovo istraživanje nanorobotima.
Ogromna armija robotskih molekula bit će puštena u svemir blizu Zemlje i pripremiti ga za naseljavanje ljudi - učiniti Mjesec, asteroide i obližnje planete nastanjivim, te izgraditi svemirske stanice od "materijala za preživljavanje" (meteorita, kometa).
Biće mnogo jeftinije i sigurnije od sadašnjih metoda.
kibernetika
Doći će do prijelaza sa trenutno postojećih planarnih struktura na volumetrijska mikro kola, a veličine aktivnih elemenata će se smanjiti na veličinu molekula. Radne frekvencije računara će dostići teraherc vrednosti. Rešenja kola zasnovana na elementima sličnim neuronima postaće široko rasprostranjena. Pojaviće se brza dugoročna memorija zasnovana na proteinskim molekulima, čiji će se kapacitet mjeriti u terabajtima. To će postati moguće "premještanje" ljudske inteligencije u kompjuter. Period implementacije: prva - druga četvrtina 21. vijeka.
Fleksibilni displej nanocevi.
fleksibilna matrica za prikaz na bazi nanocijevi;
fleksibilni displej sa Leonardom de Vinčijem.
Sigurnost nanotehnologije?
Najmanje 300 vrsta potrošačkih proizvoda, uključujući kreme za sunčanje, paste za zube i šampone, proizvedeno je korištenjem nanotehnologije. FDA trenutno dozvoljava njihovu prodaju bez posebne oznake "Sadrži nanočestice". Istovremeno, mnogi istraživači tvrde da takve nanočestice, kada prodru unutra, mogu izazvati upalne ili imunološke reakcije. Stoga smo se donekle, ulazeći u eru nanotehnologije, stavili na mjesto eksperimentalnih zamorčića.
Nanotehnologija je oko nas dugo vremena
Antimikrobni premaz nanočestica TiO2 i Ag
Listovi sa Ag nanočesticama sa baktericidnim i antifungalnim dejstvom
Antimikrobni zavoji za rane sa Ag nanočesticama sa baktericidnim efektom
Krema za sunčanje sa ZnO nanočesticama - neljepljiva i prozirna
Limenka koja prska sterilizirajuću suspenziju nanočestica Ag
Nanotehnologija se može definirati kao skup tehničkih procesa povezanih s manipulacijom molekula i atoma na skali od 1 – 100 nm.
Slajd 2
Slajd 3: Svojstva nanoobjekata
Mnogi predmeti iz fizike, hemije i biologije su pokazali da prelazak na nanonivo dovodi do kvalitativnih promena u fizičko-hemijskim svojstvima pojedinih jedinjenja i sistema dobijenih na njihovoj osnovi. Riječ je o koeficijentu optičkog otpora, električnoj provodljivosti, magnetskim svojstvima, čvrstoći i otpornosti na toplinu.
Slajd 4
Štoviše, prema zapažanjima, novi materijali dobiveni korištenjem nanotehnologije značajno nadmašuju svoje analoge na mikrometarskoj skali po svojim fizičkim, mehaničkim, toplinskim i optičkim svojstvima.
Slajd 5
Slajd 6: Nanohemija
Sa razvojem novih metoda za proučavanje strukture materije, postalo je moguće dobiti informacije o česticama koje sadrže male (< 100) количество атомов. Подобные частицы с размером около 1 нм (10 -9 м) обнаружили необычные, трудно предсказуемые химические свойства. Оказалось, что такие наночастицы обладают высокой активностью и с ними возможно осуществление реакций, которые не идут с частицами макроскопического размера. Изучением химических свойств таких частиц и занимается нанохимия.
Slajd 7: Čestice, na primjer, metala ≤ 1 nm veličine sadrže oko 10 atoma, koji formiraju površinsku česticu koja nema volumen i vrlo je kemijski aktivna
Klasifikacija čestica po veličini Fizičko-hemijska svojstva počinju se opisivati brojem atoma
Slajd 8: Nanohemija je oblast koja proučava proizvodnju, strukturu, svojstva i reaktivnost čestica i sklopova nastalih od njih, koji u barem jednoj dimenziji imaju veličinu ≤ 10 nm
Pojavljuje se ideja o efektima veličine zavise od broja atoma ili molekula u čestici. Nanočestice se mogu smatrati međuformacijama između pojedinačnih atoma s jedne strane i čvrstog tijela s druge strane. Važan je raspored atoma unutar strukture formirane od nanočestica. Koncept faze je manje jasno izražen.
Slajd 9
10
Slajd 10: U nanohemiji se postavljaju pitanja vezana za terminologiju
7. Međunarodna konferencija o nanostrukturiranim materijalima (Wiesbaden, 2004.) predložila je sljedeću klasifikaciju: nanoporozne čvrste tvari, nanočestice, nanocijevi i nanovlakna, nanodisperzije, nanostrukturirane površine i filmovi, nanokristalni materijali
11
Slajd 11
12
Slajd 12
13
Slajd 13: Nastavak tabele 10
Kisele kiše Traganje za alternativnim izvorima energije (odbijanje sagorevanja fosilnih goriva, korišćenje prirodnih izvora); povećanje efikasnosti uređaja napajanih solarnom energijom Nove gorivne ćelije Smanjenje ili eliminisanje emisije sumpornih i azotnih oksida iz transporta i industrijskih instalacija
14
Slajd 14
15
Slajd 15
Očekuje se da će nanoenergija značajno povećati efikasnost sistema za pretvorbu i skladištenje solarne energije na bazi nanočestica. Porozni ugljični materijali se koriste kao molekularna sita, sorbenti i membrane. Cilj je da se dobiju strukture sa visokom specifičnom sposobnošću da apsorbuju gasove (posebno vodonik ili metan). To je osnova za razvoj novog tipa gorivnih ćelija koje osiguravaju ekološki prihvatljiv transport i elektrane.
16
Slajd 16: Nanovelični katalizatori i sorbenti
Nanorazmjerna kataliza dovodi kako do povećanja aktivnosti katalizatora i njegove selektivnosti, tako i do regulacije procesa kemijskih reakcija i svojstava konačnog proizvoda. Ova mogućnost nastaje ne samo promjenom veličine nanoklastera uključenih u katalizator i specifične površine, već i zbog pojave novih dimenzionalnih svojstava i kemijskog sastava površine.
17
Slajd 17
18
Slajd 18
19
Slajd 19
20
Slajd 20: Fotokatalitička aktivnost TiO 2. Procesi koji uključuju otopljeni kisik
21
Slajd 21: Zlatni nanoklasteri
Kao primjer možemo uzeti u obzir pojavu katalitičke aktivnosti klastera zlata veličine 3-5 nm, dok zlato u masi nije aktivno. Dakle, nanoklasteri zlata naneseni na podlogu od aluminijum oksida efikasno kataliziraju oksidaciju CO na niskim temperaturama do –70 °C, a imaju i visoku selektivnost u reakcijama redukcije dušikovih oksida na sobnoj temperaturi. Takvi katalizatori su efikasni u eliminaciji mirisa u zatvorenim prostorima.
22
Slajd 22
23
Slajd 23
24
Slajd 24
U Sjedinjenim Državama se u bliskoj budućnosti očekuje komercijalna proizvodnja nanoklastera metalnih oksida za dezinfekciju ratnih hemijskih sredstava, za zaštitu vojske i stanovništva tokom terorističkih napada, kao i visokoporoznih nanokompozita u obliku tableta ili granula za prečišćavanje i dezinfekcija zraka, na primjer, u avionima, kasarnama, itd. d.
25
Slajd 25: Polimerna nanovlakna
Proizvodnja polimernih nanovlakna prečnika manjeg od 100 nm postaje sve raširena. Od ovih vlakana se pravi takozvana aktivna odeća koja pospešuje samozarastanje rana i omogućava dijagnostiku stanja sa percepcijom komandi spolja, tj. također radi u senzorskom modu.
26
Slajd 26: Bioaktivni filteri
Bioaktivni filteri su kreirani na bazi nanovlakna. Tako su američke kompanije Argonide i NanoCeram pokrenule proizvodnju vlakana prečnika 2 nm i dužine 10–100 nm od minerala bemita (AlOOH). Zbog velikog broja hidroksilnih grupa, ova vlakna, kombinovana u veće agregate, aktivno apsorbuju negativno nabijene bakterije, viruse, različite anorganske i organske fragmente i na taj način osiguravaju efikasno prečišćavanje vode, kao i sterilizaciju medicinskih seruma i bioloških medija.
27
Slajd 27: Prognoza razvoja nanotehnologije
Aktuelne primene: termička zaštita, optička zaštita (vidljiva i UV), samočisteće naočare, stakla u boji, solarni ekrani, pigmenti, mastila za štampače, kozmetika, abrazivne nanočestice, mediji za snimanje.
28
Slajd 28
2) Perspektiva 1-5 godina: identifikacija i otkrivanje falsifikata među novčanicama, dokumentima, etiketama različite robe, dijelovima automobila i mehanizama itd., primjena otvorenih i tajnih oznaka u boji, otkrivenih rasvjetom, hemijskim i biološkim senzorima, dijagnostika bolesti i genetske terapije, ciljani transport lijekova, luminiscentne oznake za biološki skrining, medicinska odjeća, primjena specijalnih kodova, nanokompozitni materijali za transport, lagani i antikorozivni materijali za avio industriju, nanotehnologija za proizvodnju hrane, podesiva i emitujući laseri, uključujući fotoelektrohemijske diode, elektromehaničke aktivatore.
29
Slajd 29
3) Perspektiva 6–10 godina: displeji sa ravnim ekranom, solarne ćelije i baterije, termoelektrični uređaji za mikrorobote i nanorobote, uređaji za skladištenje informacija, uređaji za praćenje i dezinfekciju objekata i okoline, nanokatalizatori visoke produktivnosti i selektivnosti, upotreba nanotehnologije za proizvodnju proteza i umjetnih organa. 4) Perspektiva 10–30 godina: jednoelektronski uređaji, kvantni računari.
30
Slajd 30: Nanočestice na bazi ugljenika
Alotropske modifikacije su različite strukturne forme jednog elementa. Široko rasprostranjene modifikacije ugljika su grafit i dijamant, a poznat je i karbin. Ugljik ima sposobnost stvaranja hemijski stabilnih dvodimenzionalnih membrana debljine jednog atoma u trodimenzionalnom svijetu. Ovo svojstvo ugljika važno je za hemiju i tehnološki razvoj općenito.
31
Slajd 31: Fulereni - nove alotropske modifikacije ugljika
1985. godine došlo je do važnog otkrića u hemiji jednog od najproučavanijih elemenata - ugljenika. Autorski tim: Croteau (Engleska), Heath, O'Brien, Curl and Smalley (SAD), proučavajući masene spektre pare grafita dobijene laserskim zračenjem (pulsni eksimer laser ArF, λ = 193 nm, energija 6,4 eV) čvrste materije uzorku, pronašli su vrhove koji odgovaraju masama 720 i 840. Pretpostavili su da ovi vrhovi odgovaraju pojedinačnim molekulima C 60 i C 70.
32
Slajd 32: Fuleren C 60 pripada onim rijetkim hemijskim strukturama koje imaju najvišu tačku simetrije, odnosno simetriju ikosaedra I h
Sferni omotač od 60 atoma formiran je od peto- i šesteročlanih prstenova. Svaki petočlani ciklus povezan je sa pet šestočlanih. Molekul nema petočlane prstenove koji su međusobno povezani. U molekulu ima ukupno 12 pentagona i 20 heksagona. Croto, Curl i Smalley su 1996. dobili Nobelovu nagradu za hemiju za otkriće, razvoj proizvodnih metoda i istraživanje fulerena, a Nobelov komitet uporedio je ovo otkriće po važnosti s otkrićem Amerike od strane Kolumba.
33
Slajd 33
Rice. 2. Izomer C 60 u obliku “klipa”. Zasjenjena područja pokazuju pomak -elektronskog oblaka u odnosu na atome molekule koji formiraju bočnu površinu strukture
34
Slajd 34: Molekuli su dobili naziv fulereni po arhitekti Fulleru, autoru mrežastih ažurnih struktura (američki paviljon na svjetskoj izložbi EXPO 67 u Montrealu, itd.)
35
Slajd 35: Zavisnost spektra mase od uslova grupiranja
Utvrđeno je da relativni intenzitet C60 pika zavisi od uslova, povećavajući se sa povećanjem temperature. Stoga, izomer (ili izomeri) koji je odgovoran za visoki vršni intenzitet mora imati povećanu hemijsku stabilnost da bi "preživio" sve veći broj sudara. Izomeri s visećim ugljikovim vezama bit će vrlo reaktivni i neće preživjeti sudare. Uloga kemijski aktivnih sudara očituje se u tome što se u masenim spektrima uočavaju samo fulerini sa parnim brojem atoma ugljika (C 60, C 70 itd.).
Nanonauka je skup znanja o svojstvima materije na nanometarskoj* skali; nanomaterijali su materijali koji sadrže strukturne elemente čije geometrijske dimenzije u najmanje jednoj dimenziji ne prelaze 100 nm, a imaju kvalitativno nova svojstva, funkcionalne i radne karakteristike; nanotehnologija - sposobnost namjernog kreiranja objekata (sa unaprijed određenim sastavom, veličinom i strukturom) u rasponu od približno nm * 1 nanometar (nm) = 10 -9 m
„Nanotehnologija je skup metoda i tehnika koje pružaju mogućnost kreiranja i modifikacije objekata na kontroliran način, uključujući komponente veličine manje od 100 nm, barem u jednoj dimenziji, i kao rezultat toga, dobijanje fundamentalno novih kvaliteta koje omogućavaju njihovu integraciju u potpuno funkcionalne sisteme velikih razmjera, u širem smislu, ovaj pojam pokriva i metode dijagnoze, karakterologiju i istraživanje takvih objekata." Federalna agencija za nauku i inovacije u "Konceptu razvoja rada u oblasti nanotehnologije u Ruskoj Federaciji do 2010. godine"
1959 - Richard Feynman: "Ima dosta prostora ispod..." - ukazao na fantastične izglede koje obećava proizvodnja materijala i uređaja na atomskom i molekularnom nivou 1974 - japanski naučnik Taniguchi prvi je upotrebio termin "nanotehnologija" 1986 - Američki Drexler objavljuje knjigu "Mašine stvaranja: Dolazak ere nanotehnologije"
1985. - identificiran je novi oblik ugljika - klasteri C60 i C70, nazvani fulereni (radovi nobelovca N. Croto, R. Kerlu, R. Smalley) - japanski naučnik S. Ishima otkrio je ugljične nanocijevi u produktima isparavanja električnog luka od grafita
...Ako umjesto da atome ređamo redom, red po red, stupac po stupac, čak i umjesto da od njih konstruiramo zamršene molekule mirisa ljubičice, ako ih umjesto toga slažemo svaki put na nov način, diverzificirajući njihov mozaik, bez ponavljajući ono što se već dogodilo - zamislite koliko se neobičnih, neočekivanih stvari može pojaviti u njihovom ponašanju. R. P. Feynman
Kada je u pitanju razvoj nanotehnologije, obično se uzimaju u obzir tri pravca: proizvodnja elektronskih kola (uključujući i volumetrijska) sa aktivnim elementima veličina uporedivih sa molekulama i atomima; razvoj i proizvodnja nanomašina, tj. mehanizmi i roboti veličine molekule; direktna manipulacija atoma i molekula i njihovo sklapanje u sve što postoji.
O fotonski kristali, ponašanje svjetlosti u kojima je uporedivo s ponašanjem elektrona u poluvodičima. Na osnovu njih moguće je kreirati uređaje sa većim performansama od njihovih poluvodičkih analoga; o neuređeni nanokristalni mediji za generisanje lasera i proizvodnju laserskih displeja veće svetline (2-3 reda veličine veće od konvencionalnih LED dioda) i velikog ugla gledanja; o funkcionalna keramika na bazi litijumskih jedinjenja za čvrste gorivne ćelije, punjive čvrste izvore napajanja, senzore gasnih i tečnih medija za rad u teškim tehnološkim uslovima; o kvazikristalni nanomaterijali, koji imaju jedinstvenu kombinaciju povećane čvrstoće, niskog koeficijenta trenja i termičke stabilnosti, što ih čini perspektivnim za upotrebu u mašinstvu, alternativnoj i vodikovoj energiji; o Glavne klase nanomaterijala i nanostruktura
Strukturne nanostrukturirane tvrde i izdržljive legure za rezne alate sa povećanom otpornošću na habanje i udarnu žilavost, kao i nanostrukturirani zaštitni termički i korozijski otporni premazi; o polimerni kompoziti sa punilima od nanočestica i nanocevi, koji imaju povećanu čvrstoću i nisku zapaljivost; o biokompatibilni nanomaterijali za stvaranje umjetne kože, fundamentalno nove vrste obloga s antimikrobnim, antivirusnim i protuupalnim djelovanjem; o prahovi nano veličine sa povećanom površinskom energijom, uključujući i magnetne, za disperziono ojačavanje legura, stvaranje memorijskih elemenata za audio i video sisteme, aditive za đubriva, hranu, magnetne tečnosti i boje;
O organski nanomaterijali koji imaju mnoga svojstva koja su nedostupna neorganskim supstancama. Organska nanotehnologija zasnovana na samoorganizaciji omogućava stvaranje slojevitih organskih nanostruktura, koje su osnova organske nanoelektronike, i konstruisanje modela biomembrana ćelija živih organizama za fundamentalna proučavanja procesa njihovog funkcionisanja (molekularna arhitektura); o polimerni nanokompozitni i filmski materijali za nelinearne optičke i magnetne sisteme, gasne senzore, biosenzore, višeslojne kompozitne membrane; o polimeri za oblaganje za zaštitne pasivizirajuće, antifrikcione, selektivne, antirefleksne premaze; o polimerne nanostrukture za fleksibilne ekrane; o dvodimenzionalne feroelektrične folije za neisparljive uređaje za skladištenje; o nanomaterijali tečnih kristala za visoko informativne i ergonomske tipove displeja, nove vrste displeja sa tečnim kristalima (elektronski papir).
Mnoga svojstva supstanci (tačka topljenja, širina pojasa u poluprovodnicima, rezidualni magnetizam) uglavnom su određena veličinama kristala u nanometarskom opsegu. To otvara mogućnost prelaska na novu generaciju materijala čija se svojstva mijenjaju ne promjenom kemijskog sastava komponenti, već prilagođavanjem njihove veličine i oblika.
Da biste koristili preglede prezentacija, kreirajte Google račun i prijavite se na njega: https://accounts.google.com
Naslovi slajdova:
Nanotehnologije i njihove primjene
Svrha naučnog rada je da sveobuhvatno okarakteriše nanotehnologiju, uzimajući u obzir specifičnosti i sve karakteristike ove oblasti primenjene nauke.
Predmet ovog istraživanja je nanotehnologija kao oblast nauke i tehnologije, a predmet su karakteristike primene nanotehnologije.
Glavni ciljevi rada su: 1. Definicija pojma „nanotehnologija“. 2. Razmatranje istorije razvoja nanotehnologije u svetu uopšte, a posebno u Rusiji. 3. Pojašnjenje primijenjenog aspekta nanotehnologije, odnosno karakteristika primjene u različitim industrijama. 4. Analiza mogućnosti, metoda i metoda primjene nanotehnologije. 5. Identifikacija tehnoloških karakteristika primjene nanotehnologija. 6. Indikacija i predviđanje perspektiva razvoja nanotehnologije u Rusiji.
Nanotehnologija je skup metoda i tehnika koje pružaju mogućnost kreiranja i modifikacije objekata na kontroliran način, uključujući komponente s dimenzijama manjim od 100 nm, koje imaju fundamentalno nove kvalitete i omogućavaju njihovu integraciju u potpuno funkcionalne sisteme većih razmjera.
Grčki filozof Demokrit se može smatrati ocem nanotehnologije. Oko 400. pne. Prvo je upotrebio reč "atom", što na grčkom znači "nesalomiv", da opiše najmanju česticu materije. Primjer prve upotrebe nanotehnologije je pronalazak fotografskog filma 1883. od strane Georgea Eastmana, koji je kasnije osnovao čuvenu kompaniju Kodak.
Primjena nanotehnologije. Nanoelektronika i nanofotonika Jedno od najperspektivnijih područja primjene nanotehnologije je kompjuterska tehnologija. Nanofotonske kompanije razvijaju visoko integrirane optičke komunikacijske komponente koristeći nanooptiku i nanofabrikacione tehnologije. Ovakav pristup proizvodnji optičkih komponenti omogućava ubrzanje proizvodnje njihovih prototipova, poboljšanje tehničkih karakteristika, smanjenje veličine i smanjenje troškova.
Nanoenergy solarne baterije.
Baterije i akumulatori Toshiba je razvila litijum-jonsku bateriju zasnovanu na nanomaterijalima koja se puni približno 60 puta brže od konvencionalne. Za jednu minutu može se napuniti do 80%.
Nanomedicina Nanostrukturirani materijali. Trenutno je postignut napredak u proizvodnji nanomaterijala koji imitiraju prirodno koštano tkivo. 2. Nanočestice. Raspon mogućih primjena je izuzetno širok. Uključuje borbu protiv virusnih bolesti poput gripe i HIV-a, raka i vaskularnih bolesti.
3. Mikro- i nanokapsule. Minijaturne (~1 µm) kapsule s nanoporama mogu se koristiti za isporuku lijekova na željenu lokaciju u tijelu. 4. Nanotehnološki senzori i analizatori. Takav uređaj, sposoban da detektuje doslovno pojedinačne molekule, može se koristiti za određivanje redosleda DNK baza ili aminokiselina, otkrivanje patogena zaraznih bolesti i toksičnih supstanci.
5. Skenirajući mikroskopi su grupa uređaja jedinstvenih po svojim mogućnostima. Oni vam omogućavaju da postignete povećanje dovoljno da vidite pojedinačne molekule i atome. 6. Nano alati. Primjer su mikroskopi za skeniranje sonde, koji vam omogućavaju da pomjerite sve objekte do atoma.
Nanokozmetika L'Oreal je prije nekoliko godina lansirao čuvenu Revitalift kremu koja sadrži Pro-Retinol A nanosome, a ova krema se, kako navode iz kompanije, mnogo bolje upija u kožu od krema drugih brendova, zahvaljujući posebnim mikročesticama.
Nanotehnologije za laku industriju Nanomaterijali u tekstilu. Tekstil na bazi nanomaterijala dobija jedinstvenu vodootpornost, otpornost na prljavštinu, toplotnu provodljivost, sposobnost provođenja struje i druga svojstva.
Proizvodnja tekstila sa ugrađenim senzorima omogućit će praćenje stanja ljudskog tijela. To će svakako otvoriti nove mogućnosti u medicinskoj praksi, sportu i održavanju života u ekstremnim uslovima.
Nanotehnologije za poljoprivredu i prehrambenu industriju Nanotehnologije se već koriste za dezinfekciju vazduha i raznih materijala, uključujući stočnu hranu i finalne proizvode za stoku; prerada sjemena i usjeva u cilju njihovog očuvanja. Koriste se za stimulaciju rasta biljaka; tretman životinja; poboljšanje kvaliteta hrane