МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика формирования представлений учащихся о нанотехнологиях в общеобразовательной школе
Названия веков… Используемые материалы являются одним из основных показателей технической культуры общества. Это было отражено в названии веков «каменный век» , «бронзовый век» , «железный век» . ХХ 1 век, вероятно, назовут веком многофункциональных нано- и биоматериалов.
а – трековая мембрана (АСМ); б – микронные проволочки (вторичные структуры) в электронном микроскопе.
C лева – схема структуры нанокристаллического материала; справа – комплекс домов архитектора Франка Овена Герри (Дюссельдорф)
Металлические стекла Первый сплав в аморфном состоянии был получен П. Давеза в 1960 г. (сплав золото-кремний в эвтектическом состоянии Au 75 Si 25) в Калифорнийском Технологическом Институте
Объемные аморфные металлические сплавы Сплавы на основе Zr , Ti , а также Al и Mg с добавкой La и переходных металлов. Низкое значение скорости охлаждения (1 – 500 К/с) позволяет получать сравнительно толстые (до 40 мм) изделия
Использование нанокристаллических материалов Нанокристаллические жаропрочные сплавы перспективны для изготовления лопаток нового поколения газовых турбин реактивных двигателей. Керамические наноматериалы используются как в аэрокосмической технике, так и для изготовления протезов в ортопедии и стоматологии.
Использование нанокристаллических материалов Добавление в ракетное топливо нанокристаллического алюминия может ускорить процесс горения в 15 раз.
Нанофазные (нанокристаллические) сплавы впервые были обнаружены в образцах лунного грунта. До сих пор они производятся в малых количествах
Композиты Композиционный материал, композит — неоднородный материал из двух и более компонент (составляющих), причем между компонентами существует практически четкая граница раздела. Характеризуется свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности
НАНОКОМПОЗИТЫ В нанокомпозитах по крайней мере одна компонента имеет наноразмеры Классический смысл границы раздела матрица-наполнитель теряется
Функциональные материалы (на фото японский солнечный парус) Функциональные материалы могут быть определены как материалы, свойства которых организуют или конструируют таким образом, чтобы они могли удовлетворить конкретному назначению (исполнительной функции) контролируемым способом. На этом и следующем фото – японские солнечные паруса
Металлизированные полимерные покрытия Металлизированные тонкопленочные изделия призваны заменить тяжеловесные зеркальные конструкции. Такие материалы широко применяются на космических аппаратах в качестве термо-окислительно-стабили зационных покрытий, рефлекторов или коллекторов световой энергии, для передачи оптической информации. В качестве пленки-матрицы рядом преимуществ обладают материалы на основе полиимида
Химически металлизированные ПИ пленки Химически металлизированные пленки можно отнести к новым функциональным материалам, учитывая их повышенную отражательную способность и хорошую поверхностную проводимость. Свойства таких пленок были исследованы в рамках международного научного гранта NATO Sf. P (Science for Peace) № 978013 При химической металлизации образуется градиентный по содержанию наночастиц металла поверхностный слой. Фактически это нанокомпозит полимер/металл
«Умные» материалы Из класса функциональных материалов можно выделить активные или «умные» материалы. «Умные» или «интеллектуальные» материалы (smart materials) должны эффективно и самостоятельно менять свои свойства в непредвиденных обстоятельствах или при смене режима работы устройства.
Функциональные материалы будущего Применительно к «умным» материалам, разрабатываемым человеком, ставится футурологическая задача создания гиперфункциональных материалов, превосходящих в некоторых аспектах возможности отдельных биологических органов
Причины появления «умных» материалов и устройств Потребность в умных материалах вызвана тем, что современные механизмы и устройства становятся уязвимыми, с одной стороны, из-за своей сложности, с другой – из-за все более жестких условий эксплуатации: разные среды, радиация, большие скорости движения и пр. Специалисты в военной технике сухо характеризуют оператора-человека как «объект с малым быстродействием и существенным ограничением психофизиологических возможностей» .
Метаматериалы Особое место среди функциональных материалов занимают метаматериалы, свойства которых определяются в основном особенностями конструкции, а не химическим составом. Справа стержень в пустом стакане, с водой и с материалом с отрицательным коэффициентом преломления.
Первый метаматериал с отрицательным КП В 2000 г. Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего создал первый материал с отрицательным коэффициентом преломления для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц из листов медной сетки, расположенной слоями
Проблема невидимости В 2006 году британский ученый Джон Пендри теоретически показал, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы из материала с отрицательным коэффициентом преломления, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым.
В августе 2008 г. две группы ученых создали два новых метаматериала с отрицательныи коэффициентом преломления Первый материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Во втором использован пористый оксид алюминия, внутри его полостей при помощи специального процесса выращены серебряные наноштыри, расположенные на расстоянии, меньшем длины световой волны.
Теплоизолирующий материал Aspens Pyrogel AR 5401 [ N ]. Температура факела газовой горелки внизу 1000 0 С
Беспилотный летательный аппарат Polecat, летающее крыло с размахом 28 метров, фирма Lockheed Martin, распечатан на трехмерном принтере
Нанофильтр из молекул антрахинона на поверхности меди. В каждую ячейку входит около 200 молекул
ГИБРИДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Весьма перспективными являются гибридные наноматериалы, композиты на молекулярном уровне, состоящие из неорганических, органических и биологических компонентов. Среди последних выделяется ДНК
КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ Особенностью биологических наноструктур является комплементарность, способность к распознаванию на молекулярном уровне (ДНК, антитела и др.). Эта способность является основой работы биодатчиков, но она же может быть использована для самосборки наноструктур, что является ключевым моментом в процессах «снизу-вверх» .
Белковые «пружины» А нкириновые повторы состоят из тандемных модулей приблизительно 33-х аминокислот. Их атомная структура очень необычна и представляет собой короткие антипараллельные альфа-витки, которые сами собираются в спирали. Б лагодаря такой структуре анкириновые повторы могут быстро восстанавливаться после растяжения. О бнаружены более чем в 400 протеинах человеческого организма. Они содержатся в клетках волос внутреннего уха, где играют важную роль в преобразовании акустических сигналов в электрические. Анкириновые белки также регулируют ионный обмен в мембране сердечной мышцы.
Супрамолекулярные структуры, супрамолекулярная химия Термин введен в 1978 г. выдающимся французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Ж. -М. Леном и определен им как “ химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами”. Развитие супрамолекулярной химии в значительной степени обусловлено ее междисциплинарным характером (органическая и координационная химия, физическая химия, биология, физика конденсированного состояния, микроэлектроники и др.)
Супрамолекулярные системы Иерархия выстраивается так: атомы — молекулы — супрамолекулярные системы — биологические системы. Супрамолекулярные системы — это мост между неживой и живой материей.
Вверху — типы супрамолекулярных структур; внизу — схема самосборки решетки из шести линейных молекул и девяти ионов серебра
БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ ГИБРИДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ, «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ХИМЕРЫ» Полимеры, в макромолекулах которых присутствуют как природные, так и синтетические блоки. Такие полимеры способны формировать сложные супрамолекулярные ансамбли с рядом специфических функциональных свойств. Их создание рассматривается как стратегический путь конструирования «умных» наноматериалов
Новая роль компьютерного моделирования «…осознается потенциал моделей прогнозировать свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента» Академик М. В. Алфимов
Компьютерное моделирование Основной проблемой всех этих расчетов является квантовомеханический характер свойств наночастиц. Применительно к отдельным атомам и молекулам соответствующий теоретический аппарат и численные методы развивались. Для макроскопических систем применялся статистический метод. Но число атомов в наночастицах обычно слишком мало для статистического метода и в то же время слишком велико для простых квантовых моделей.
Производство новых материалов По прогнозу из общего объема ежегодного рынка нанотехнологической продукции в 20015-2020 году (2 триллиона долларов США) 340 млрд долларов придется на новые материалы, которые не могут быть получены традиционными методами.
Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности «интеллектуальными», что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXIв.
Литература М. В. Алфимов, Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования, редакционная статья, журнал Российские Нанотехнологии, т. 2, № 7-8, 2007 г. Д. Диксон, П. Каммингс, К. Хесс, Теория и моделирование наноструктур, в кн. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований, ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливасатоса, М. , МИР, 2002 г. , стр. 48-
Литература (продолжение) А. И. Гусев, Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, М. , Физматлит, 2005 г. , 416 стр. 2. Н. П. Лякишев, Нанокристаллические структуры – новое направление развития конструкционных материалов, Вестник РАН, т. 73, № 5, 2003, с. 422 Д. И. Рыжонков, В. В. Левина, Э. Л. Дзидзигури, Наноматериалы, М. , БИНОМ. Лаборатория знаний, 365 стр.
Ученика 1 1 -Б класса
ООШ /-/// ступеней №41
Колосова Никиты Руководитель: учитель физики Минаева И.А.
Нанотехнологии: место среди других наук
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Химия, атомная и ядерная физика
Астрономия
волос
пылевой клещ
клетка
континент
планеты
Земля
атомы
человек
Социальные науки
Геология
Биология
Можно заставить наномир работать на нас !!!
Почему «нанотехнологии» - это интересно?
бактериофаг
бактериофаг
Частица Au , окружённая более мелкими
Частица Au , окружённая более мелкими
Вирус гриппа
Вирус гриппа
Наномир живёт внутри нас и работает на нас !!!
Мозаика из 1 нм С 60
Основные этапы в развитии нанотехнологии:
1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. 1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. 1990 г. Манипуляции единичными атомами. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
Медицина .
Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации - первая половина XXI века.
Эритроциты и бактерии - перевозчики нанокапсул с лекарствами
Способ доставки наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток
Эритроциты с приклеенными к ним нанокапсулами, способными прилипать только к определённым типам клеток (больным), доставят эти капсулы клеткам-адресатам.
Геронтология.
Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.
Промышленность.
Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации - начало XXI века
Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными
- Перспективы использования нанотехнологий в автомобилестроении на сегодняшний день не совсем четко обозначены. Однако, радует тот факт, что наноматериалы уже используются в автомобильной промышленности, хотя, большинство из них еще находится в стадии конструкторских разработок. Производителями автомобилей уже накоплен достаточно объемный опыт в данной области.
Нановолоски делают поверхность чистой.
Слева - капля не смачивает поверхность, состоящую из нановолосков, и поэтому не растекается по ней. Справа – схематическое изображение поверхности, похожей на массажную щётку; тэта - краевой угол, величина которого говорит о смачиваемости поверхности: чем больше тэта, тем меньше смачиваемость.
Сельское хозяйство.
Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.
Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
Срок реализации – вторая - четвертая четверть XXI века.
Биология
Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Срок реализации: середина XXI века.
Нанотехнологии в криминалистике.
Отпечаток пальца на бумаге и тот же после контрастирования с помощью золотых наночастиц, прилипших к жирным следам бороздок, оставшимся на бумаге.
Экология
Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду.
- Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье;
- А во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.
Освоение космоса
По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами.
Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции.
Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
Кибернетика
Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.
Гибкий дисплей из нанотрубок.
матрица гибкого дисплея на основе нанотрубок;
гибкий дисплей с изображением Леонардо де Винчи.
Безопасность нанотехнологий?
По крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. FDA пока разрешает продавать их, не снабжая специальной наклейкой «Содержит наночастицы». В то же время многие исследователи утверждают, что проникая внутрь такие наночастицы могут вызывать воспалительные или иммунологические реакции. Поэтому в какой-то мере, вступая в эру нанотехнологий мы ставим себя на место подопытных морских свинок.
Нанотехнологии уже давно вокруг нас
Антимикробное покрытие из наночастиц TiO2 и Ag
Простыни с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным и противогрибковым действием
Антимикробные раневые повязки с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным действием
Солнцезащитный крем с наночастицами ZnO - не липкий и прозрачный
Баллончик, распыляющий стерилизующую взвесь из наночастиц Ag
Нанотехнология может быть определена как совокупность технических процессов, связанных с манипуляциями молекулами и атомами в масштабах 1 – 100 нм.
Слайд 2
Слайд 3: Свойства нанообъектов
На многих объектах в физике, химии и биологии показано, что переход на наноуровень приводит к появлению качественных изменений физико-химических свойствах отдельных соединений и получаемых на их основе систем. Речь идет о коэффициенте оптического сопротивления, электропроводности, магнитных свойствах, прочности, термостойкости.
Слайд 4
Более того, согласно наблюдениям новые материалы, получаемые с использованием нанотехнологий, значительно превосходят по своим физическим, механическим, термическим и оптическим свойствам аналоги микрометрического масштаба.
Слайд 5
Слайд 6: Нанохимия
С развитием новых методов исследования строения вещества появилась возможность получать информацию о частицах, содержащих небольшое (< 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.
Слайд 7: Частицы, например, металлов размером ≤ 1 нм содержат около 10 атомов, которые формируют поверхностную частицу, не имеющую объема и обладающую высокой химической активностью
Классификация частиц по размерам Физико-химические свойства начинают описывать количеством атомов
Слайд 8: Нанохимия – это область, исследующая получение, строение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые по крайней мере в одном измерении имеют размер ≤ 10 нм
Появляется представление о размерных эффектах, свойства зависят от количества атомов или молекул в частице. Наночастицы можно рассматривать как промежуточные образования между отдельными атомами с одной стороны, и твердым телом – с другой. Важно расположение атомов внутри структуры, формируемой из наночастиц. Понятие фазы выражено менее четко.
Слайд 9
10
Слайд 10: В нанохимии возникают вопросы, связанные с терминологией
7-я Международная конференция по наноструктурным материалам (г. Висбаден, 2004) предложила следующую их классификацию: нанопористые твердые вещества наночастицы нанотрубки и нановолокна нанодисперсии наноструктурные поверхности и пленки нанокристаллические материалы
11
Слайд 11
12
Слайд 12
13
Слайд 13: Продолжение Таблицы 10
Кислотные дожди Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии Новые топливные элементы Уменьшение или прекращение выброса окислов серы и азота транспортными и промышленными установками
14
Слайд 14
15
Слайд 15
Ожидается, что наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии Катализаторы на основе наночастиц Применение нанопористых материалов. Пористые углеродные материалы применяются в качестве молекулярных сит, сорбентов, мембран. Цель – получение структур с высокой удельной способностью к газопоглощению (в частности, водорода или метана). Это основа для разработки топливных элементов нового типа, обеспечивающих экологическую чистоту транспорта и энергетических установок.
16
Слайд 16: Наноразмерные катализаторы и сорбенты
Наноразмерный катализ приводит как к возрастанию активности катализатора и его селективности, так и к регулированию процессов химической реакции и свойств конечного продукта. Такая возможность появляется не только путем изменения размеров нанокластеров, входящих в катализатор, и удельной поверхности, но и за счет появления новых размерных свойств и химического состава поверхности.
17
Слайд 17
18
Слайд 18
19
Слайд 19
20
Слайд 20: Фотокаталитическая активность TiO 2. Процессы с участием растворенного кислорода
21
Слайд 21: Нанокластеры золота
В качестве примера можно рассмотреть возникновение каталитической активности кластеров золота с размерами 3–5 нм, в то время как массивное золото не активно. Так, нанокластеры золота, нанесенные на подложку из оксида алюминия, эффективно катализируют окисление СО при низких температурах до –70 °С, а также обладают высокой избирательностью в реакциях восстановления оксидов азота при комнатной температуре. Подобные катализаторы эффективны для устранения запахов в закрытых помещениях.
22
Слайд 22
23
Слайд 23
24
Слайд 24
В США в ближайшем будущем ожидается коммерческое производство нанокластеров оксидов металлов для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов, а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха, например, в самолетах, казармах и т.д.
25
Слайд 25: Полимерные нановолокна
Широкое распространение получает изготовление полимерных нановолокон диаметром менее 100 нм. Эти волокна используют для изготовления так называемой активной одежды, которая способствует самозаживлению ран и обеспечивает диагностику состояний с восприятием команд извне, т.е. работает также в режиме сенсора.
26
Слайд 26: Биоактивные фильтры
На основе нановолокон создаются биоактивные фильтры. Так, американские фирмы Argonide и NanoCeram наладили выпуск волокон диаметром 2 нм и длиной 10–100 нм из минерала бемита (AlOOH). Благодаря большому количеству гидроксильных групп эти волокна, объединенные в более крупные агрегаты, активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, различного рода неорганические и органические фрагменты и обеспечивают тем самым эффективную очистку воды, а также стерилизацию медицинских сывороток и биологических сред.
27
Слайд 27: Прогноз развития нанотехнологий
Текущие применения: термозащита, оптическая защита (видимый и УФ диапазон излучения), самоочищающиеся стекла, цветные стекла, солнечные экраны, пигменты, чернила для принтеров, косметика, абразивные наночастицы, носители для записи информации.
28
Слайд 28
2) Перспектива 1–5 лет: идентификация и выявление подделок среди банкнот, документов, лейблов различных товаров, частей автомобилей и механизмов и т.д., нанесение открытых и тайных красящих меток, проявляемыхпри высвечивании, химические и биологические сенсоры, диагностика заболеваний и генная терапия, направленный транспорт лекарств, люминесцентные метки для биологического скрининга, лечебная спецодежда, нанесение специальных кодов, нанокомпозиционные материалы для транспорта, легкие и антикоррозионные материалы для авиационной промышленности, нанотехнология для производства пищевых продуктов, светоперестраиваемые лазеры и излучающие, в том числе фотоэлектрохимические диоды, электромеханические активаторы.
29
Слайд 29
3) Перспектива 6–10 лет: плоские панельные дисплеи, солнечные ячейки и батареи, термоэлектронные устройства для микророботов и нанороботов, устройства хранения информации, устройства контроля и обеззараживания объектов и окружающей среды, нанокатализаторы высокой производительности и селективности, использование нанотехнологии для изготовления протезов и искусственных органов. 4) Перспектива 10–30 лет: одноэлектронные устройства, квантовые компьютеры.
30
Слайд 30: Наночастицы на основе углерода
Аллотропные модификации – различные структурные формы одного элемента. Широко распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз, известен также карбин. В углероде заложена способность к созданию в трехмерном мире химически стабильных двумерных мембран толщиной в один атом. Это свойство углерода имеет важное значение для химии и технологического развития в целом.
31
Слайд 31: Фуллерены – новые аллотропные модификации углерода
В 1985 г. произошло важное открытие в химии одного из наиболее изученных элементов – углерода. Коллектив авторов: Крото (Англия), Хит, О ’ Брайен, Керл и Смолли (США), исследуя масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (импульсный эксимерный лазер ArF, λ =193 нм, энергия 6,4 эВ) твердого образца, обнаружили пики, соответствующие массам 720 и 840. Они предположили, что данные пики соответствуют индивидуальным молекулам С 60 и С 70.
32
Слайд 32: Фуллерен С 60 принадлежит к тем редким химическим структурам, которые обладают наивысшей точечной симметрией, а именно симметрией икосаэдра I h
Сферическая оболочка из 60 атомов образована пяти- и шестичленными циклами. Каждый пятичленный цикл соединен с пятью шестичленными. В молекуле отсутствуют пятичленные циклы, соединенные друг с другом. Всего в молекуле 12 пентагонов и 20 гексагонов. В 1996 г. Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии за открытие, разработку методов получения и исследование фуллеренов, причем Нобелевский комитет сравнил это открытие по значимости не более не менее как с открытием Америки Колумбом.
33
Слайд 33
Рис. 2. Изомер С 60 в виде "початка". Заштрихованные области показывают смещение -электронного облака относительно атомов молекулы, образующих боковую поверхность структуры
34
Слайд 34: Молекулы были названы фуллеренами по имени архитектора Фуллера, автора сетчатых ажурных конструкций (павильон США на Всемирной выставки ЭКСПО-67 в Монреале и др.)
35
Слайд 35: Зависимость масс-спектров от условий кластеризации
Было обнаружено, что относительная интенсивность пика С 60 зависит от условий, увеличиваясь при повышении температуры. Следовательно, изомер (или изомеры), ответственный за высокую интенсивность пика, должен обладать повышенной химической стабильностью, чтобы «выживать» при увеличении числа соударений. Изомеры с висячими углеродными связями будут обладать высокой реакционной способностью и не смогут выжить при столкновениях. Роль химически активных столкновений проявляется в том, что в масс-спектрах наблюдаются только фуллерены с четным числом атомов углерода (С 60, С 70 и др.).
Нанонаука - совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом* масштабе; наноматериалы материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками; нанотехнология – умение целенаправленно создавать объекты (с заранее заданными составом, размерами и структурой) в диапазоне приблизительно нм *1 нанометр(нм)=10 -9 м
"Нанотехнология совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов". Федеральное Агентство по науке и инновациям в "Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года"
1959 г.- Ричард Фейнман: «Внизу полным полно места…» - указал на фантастические перспективы, которые сулит изготовление материалов и устройств на атомном и молекулярном уровне 1974 г.- японским ученым Танигучи был впервые использован термин «нанотехнологии» 1986 г.- американец Дрекслер издает книгу «Машины созидания:пришествие эры нанотехнологии»
1985 г.- идентифицирована новая форма углерода – кластеры С60 и С70, названная фуллеренами (работы нобелевских лауреатов Н.Крото, Р.Керлу, Р.Смолли) г. – японский ученый С.Ишима обнаружил углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита
…Если вместо того, чтобы выстраивать атомы по ранжиру, строй за строем, колонну за колонной, даже вместо того, чтобы сооружать из них замысловатые молекулы запаха фиалок, если вместо этого располагать их каждый раз по-новому, разнообразя их мозаику, не повторяя того, что уже было,- представляете,сколько необыкновенного, неожиданного может возникнуть в их поведении. Р. П. Фейнман
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, обычно имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.
O фотонные кристаллы, поведение света в которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием более высоким, чем у полупроводниковых аналогов; o разупорядоченные нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора; o функциональную керамику на основе литиевых соединений для твердотельных топливных элементов, перезаряжаемых твердотельных источников тока, сенсоров газовых и жидких сред для работы в жестких технологических условиях; o квазикристаллические наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого коэффициента трения и термостабильности, что делает их перспективными для использования в машиностроении, альтернативной и водородной энергетике; o Основные классы наноматериалов и наноструктур
К конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, а также наноструктурные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия; o полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью; o биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью; o наноразмерные порошки с повышенной поверхностной энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и краскам;
O органические наноматериалы, обладающие многими свойствами, недоступными неорганическим веществам. Органическая нанотехнология на базе самоорганизации позволяет создавать слоистые органические наноструктуры, являющиеся основой органической наноэлектроники и конструировать модели биомембран клеток живых организмов для фундаментальных исследований процессов их функционирования (молекулярная архитектура); o полимерные нанокомпозитные и пленочные материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных композитных мембран; o покровные полимеры для защитных пассивирующих, антифрикционных, селективных, просветляющих покрытий; o полимерные наноструктуры для гибких экранов; o двумерные сегнетоэлектрические пленки для энергонезависимых запоминающих устройств; o жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и эргономичных типов дисплеев, новых типов жидкокристаллических дисплеев (электронная бумага).
Многие свойства веществ (температура плавления, ширина ЗЗ в полупроводниках, остаточный магнетизм) в основном определяются размерами кристаллов в нанометровом интервале. Это открывает возможность перехода к новому поколению материалов, свойства которых изменяются не путем изменения химического состава компонентов, а путем регулирования их размеров и формы
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Нанотехнологии и их применение
Цель научной работы заключается в комплексной характеристике нанотехнологий, с учетом специфики и всех особенностей данной области прикладной науки.
Объектом настоящего исследования является нанотехнология как область науки и техники, а предметом – особенности применения нанотехнологии.
К основным задачам работы относятся: 1. Определение понятия «нанотехнология». 2. Рассмотрение истории развития нанотехнологии в мире вообще и в России в частности. 3. Выяснение прикладного аспекта нанотехнологий, то есть особенностей применения в различных отраслях. 4. Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий. 5. Выделение технологических особенностей применения нанотехнологий. 6. Указание и прогнозирование перспектив развития нанотехнологий в России.
Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества. Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.
Применение нанотехнологий. Наноэлектроника и нанофотоника Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.
Наноэнергетика Солнечные батареи.
Батарейки и аккумуляторы Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%.
Наномедицина Наноструктурированные материалы. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. 2. Наночастицы. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и заболеваниями сосудов.
3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. 4. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.
5. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. 6. Наноинструменты. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.
Нанокосметика Несколько лет назад L"Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц
Нанотехнологии для легкой промышленности Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства
изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит производить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях
Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов