MIOO MPGU Opetus- ja tieteellinen funktionaalisten ja nanomateriaalien keskus Metodologia opiskelijoiden käsityksen muodostamiseksi nanoteknologiasta toisen asteen kouluissa
Vuosisatojen nimet... Käytetyt materiaalit ovat yksi yhteiskunnan teknisen kulttuurin tärkeimmistä indikaattoreista. Tämä näkyi vuosisatojen nimissä "kivikausi", "pronssikausi", "rautakausi". 1900-lukua tullaan todennäköisesti kutsumaan monitoimisten nano- ja biomateriaalien vuosisadaksi.
a – telakalvo (AFM); b – mikronin kokoiset johdot (toissijaiset rakenteet) elektronimikroskoopissa.
Vasemmalla on kaavio nanokiteisen materiaalin rakenteesta; oikealla on arkkitehti Frank Owen Gerryn (Dusseldorf) talokompleksi
Metalliset lasit Ensimmäisen amorfisen lejeeringin hankki P. Daveza vuonna 1960 (kulta-pii-seos eutektisessa tilassa Au 75 Si 25) Kalifornian teknologiainstituutista
Bulkkiamorfiset metalliseokset Zr-, Ti-, sekä Al- ja Mg-pohjaiset seokset, joihin on lisätty La:a ja siirtymämetalleja. Matala jäähdytysnopeus (1 – 500 K/s) mahdollistaa suhteellisen paksujen (jopa 40 mm) tuotteiden saamisen
Nanokiteisten materiaalien käyttö Nanokiteiset lämmönkestävät seokset ovat lupaavia suihkumoottoreiden uuden sukupolven kaasuturbiinien siipien valmistukseen. Keraamisia nanomateriaaleja käytetään sekä ilmailu- ja avaruustekniikassa että proteesien valmistuksessa ortopediassa ja hammaslääketieteessä.
Nanokiteisten materiaalien käyttö Nanokiteisen alumiinin lisääminen rakettipolttoaineeseen voi nopeuttaa palamisprosessia 15 kertaa.
Nanofaasiset (nanokiteiset) metalliseokset löydettiin ensin kuun maanäytteistä. Niitä valmistetaan edelleen pieniä määriä
Komposiitit Komposiittimateriaali, komposiitti, on kahden tai useamman komponentin (komponentin) heterogeeninen materiaali, ja komponenttien välillä on lähes selkeä rajapinta. Ominaisuudet, joita ei ole millään komponentilla erikseen otettuna
NANOKOMPOSIITTIT Nanokomposiiteissa ainakin yksi komponentti on nanokokoinen Matriisi-täyterajapinnan klassinen merkitys
Toiminnalliset materiaalit (kuvassa japanilainen aurinkopurje) Toiminnalliset materiaalit voidaan määritellä materiaaleiksi, joiden ominaisuudet on järjestetty tai suunniteltu siten, että ne voivat täyttää tietyn tarkoituksen (executive function) hallitusti. Tämä ja seuraava kuva esittävät japanilaisia aurinkopurjeita
Metalloidut polymeeripinnoitteet Metalloidut ohutkalvotuotteet on suunniteltu korvaamaan raskaita peilirakenteita. Tällaisia materiaaleja käytetään laajalti avaruusaluksissa lämpöhapetusta stabiloivina pinnoitteina, heijastimina tai valoenergian kerääjinä sekä optisen tiedon välittämiseen. Polyimidipohjaisilla materiaaleilla on useita etuja matriisikalvona
Kemiallisesti metalloidut PI-kalvot Kemiallisesti metalloidut kalvot voidaan luokitella uusiksi toiminnallisiksi materiaaleiksi niiden lisääntyneen heijastavuuden ja hyvän pintajohtavuuden vuoksi. Tällaisten elokuvien ominaisuuksia tutkittiin kansainvälisen tieteellisen apurahan NATO Sf. P (Science for Peace) No. 978013 Kemiallisen metalloinnin aikana muodostuu pintakerroksen gradientti metallin nanopartikkelien pitoisuudessa. Itse asiassa se on polymeeri/metalli nanokomposiitti
"Älykkäät" materiaalit Toiminnallisten materiaalien luokasta voidaan erottaa aktiiviset tai "älykkäät" materiaalit. "Älykkäiden" tai "älykkäiden" materiaalien on muutettava ominaisuuksiaan tehokkaasti ja itsenäisesti odottamattomissa olosuhteissa tai laitteen toimintatavan muuttuessa.
Tulevaisuuden toiminnalliset materiaalit Ihmisten kehittämien "älykkäiden" materiaalien suhteen futurologisena tehtävänä on luoda hyperfunktionaalisia materiaaleja, jotka ylittävät tietyiltä osin yksittäisten biologisten elinten kyvyt.
Syitä "älykkäiden" materiaalien ja laitteiden syntymiselle Älykkäiden materiaalien tarve johtuu siitä, että nykyaikaiset mekanismit ja laitteet ovat haavoittuvaisia toisaalta monimutkaisuuden vuoksi, toisaalta yhä ankarampien käyttöolosuhteiden vuoksi. : erilaiset ympäristöt, säteily, suuret liikkeen nopeudet jne. Sotatekniikan asiantuntijat luonnehtivat ihmisoperaattoria kuivasti "kohteena, jonka nopeus on alhainen ja jolla on merkittävä psykofysiologisten kykyjen rajoitus".
Metamateriaalit Erityinen paikka funktionaalisten materiaalien joukossa on metamateriaalilla, joiden ominaisuudet määräytyvät lähinnä suunnittelun ominaisuuksien eikä kemiallisen koostumuksen perusteella. Oikealla on tanko tyhjässä lasissa, jossa on vettä ja materiaalia, jolla on negatiivinen taitekerroin.
Ensimmäinen negatiivisen indeksin metamateriaali Vuonna 2000 David Smith Kalifornian yliopistosta San Diegosta loi ensimmäisen negatiivisen indeksin materiaalin sähkömagneettisia aaltoja varten 10 gigahertsin taajuudella kerroksittain järjestetyistä kupariverkoista.
Näkymättömyyden ongelma Vuonna 2006 brittiläinen tiedemies John Pendry osoitti teoreettisesti, että jos esine sijoitetaan erityisesti suunniteltuun superlinssiin, joka on valmistettu materiaalista, jolla on negatiivinen taitekerroin, tämä esine tulee näkymättömäksi ulkopuoliselle tarkkailijalle.
Elokuussa 2008 kaksi tutkijaryhmää loi kaksi uutta metamateriaalia, joilla on negatiivinen taitekerroin. Ensimmäinen materiaali koostuu useista vuorotellen hopea- ja magnesiumfluoridikerroksista, joihin tehdään nanometrin kokoisia reikiä. Toisessa käytetään huokoista alumiinioksidia sen onteloissa, erityisellä prosessilla kasvatetaan hopeisia nanopinoja, jotka sijaitsevat valon aallonpituutta pienemmällä etäisyydellä.
Lämmöneristysmateriaali Aspens Pyrogel AR 5401 [N]. Kaasupolttimen alla olevan polttimen lämpötila on 1000 0 C
Miehittämätön Polecat-lentokone, lentävä siipi, jonka jänneväli on 28 metriä, Lockheed Martin, 3D-tulostettu
Antrakinonimolekyyleistä valmistettu nanosuodatin kuparipinnalla. Jokainen solu sisältää noin 200 molekyyliä
HYBRIDINANOMATERIAALIT Hybridit nanomateriaalit, molekyylitason komposiitit, jotka koostuvat epäorgaanisista, orgaanisista ja biologisista komponenteista, ovat erittäin lupaavia. Jälkimmäisistä DNA erottuu
TÄYDENTÄVÄ Biologisten nanorakenteiden ominaisuus on komplementaarisuus, kyky tunnistaa molekyylitasolla (DNA, vasta-aineet jne.). Tämä kyky on perusta biosensorien toiminnalle, mutta sitä voidaan käyttää myös nanorakenteiden itsekokoonpanoon, mikä on avainkohta alhaalta ylös -prosesseissa.
Proteiinin "jouset" Nyrin-toistot koostuvat noin 33 aminohapon tandemmoduuleista. Niiden atomirakenne on hyvin epätavallinen ja koostuu lyhyistä antirinnakkaisista alfa-käännöksistä, jotka koostuvat itsestään helikseiksi. Tämän rakenteen ansiosta ankyriinitoistot voivat palautua nopeasti venytyksen jälkeen. O:ta löytyy yli 400 proteiinista ihmiskehossa. Niitä löytyy sisäkorvan karvasoluista, missä niillä on tärkeä rooli akustisten signaalien muuntamisessa sähköisiksi signaaleiksi. Ankyriiniproteiinit säätelevät myös ioninvaihtoa sydänlihaskalvossa.
Supramolekulaariset rakenteet, supramolekulaarinen kemia Termin otettiin käyttöön vuonna 1978 erinomainen ranskalainen kemisti, Nobel-palkinnon voittaja vuonna 1987 J. -M. Len ja hän määrittelee sen "molekyylin ulkopuoliseksi kemiaksi, joka kuvaa monimutkaisia muodostumia, jotka ovat seurausta kahden (tai useamman) kemiallisen hiukkasen yhdistymisestä, jotka molekyylien väliset voimat sitovat yhteen". Supramolekyylisen kemian kehitys johtuu suurelta osin sen monitieteisyydestä (orgaaninen ja koordinaatiokemia, fysikaalinen kemia, biologia, kondensoituneen aineen fysiikka, mikroelektroniikka jne.)
Supramolekulaariset järjestelmät Hierarkia on rakennettu näin: atomit - molekyylit - supramolekyyliset järjestelmät - biologiset järjestelmät. Supramolekulaariset järjestelmät ovat silta elottoman ja elävän aineen välillä.
Yläosassa - supramolekulaaristen rakenteiden tyypit; alla on kaavio kuuden lineaarisen molekyylin ja yhdeksän hopeaionin hilan itsekokoonpanosta
BIOMIMETIC HYBRID POLYMERS, "MOLEKULAARIKIMEERAAT" Polymeerit, joiden makromolekyylit sisältävät sekä luonnollisia että synteettisiä lohkoja. Tällaiset polymeerit pystyvät muodostamaan monimutkaisia supramolekulaarisia kokoonpanoja, joilla on useita spesifisiä toiminnallisia ominaisuuksia. Niiden luomista pidetään strategisena tapana suunnitella "älykkäitä" nanomateriaaleja
Tietokonemallinnuksen uusi rooli "...mallien mahdollisuudet ennustaa ominaisuuksia, jotka ovat nykyaikaisen kokeen rajojen ulkopuolella, toteutuvat" Akateemikko M. V. Alfimov
Tietokonesimulointi Suurin ongelma kaikissa näissä laskelmissa on nanohiukkasten ominaisuuksien kvanttimekaaninen luonne. Yksittäisiin atomeihin ja molekyyleihin sovellettaessa kehitettiin vastaava teoreettinen laitteisto ja numeeriset menetelmät. Makroskooppisissa järjestelmissä käytettiin tilastollista menetelmää. Mutta atomien lukumäärä nanopartikkeleissa on yleensä liian pieni tilastollisiin menetelmiin ja samalla liian suuri yksinkertaisiin kvanttimalleihin.
Uusien materiaalien tuotanto Ennusteen mukaan vuosien 20015-2020 nanoteknisten tuotteiden kokonaismarkkinoista (2 biljoonaa dollaria) 340 miljardia dollaria tulee uusista materiaaleista, joita ei voida valmistaa perinteisillä menetelmillä.
Asiantuntijoiden tekemien asiantuntija-arvioiden analyysistä seuraa, että seuraavan 20 vuoden aikana 90 % teollisuudessa käytetyistä nykyaikaisista materiaaleista korvataan uusilla, erityisesti "älykkäillä", joiden avulla voidaan luoda rakenteellisia elementtejä, jotka ratkaisee 2000-luvun teknisen kehityksen.
Kirjallisuus M. V. Alfimov, Nanoteknologia. Tietokonemallinnuksen rooli, pääkirjoitus, aikakauslehti Russian Nanotechnologies, vol. 2, nro 7-8, 2007. D. Dixon, P. Cummings, K. Hess, Theory and modeling of nanostructures, kirjassa. Nanoteknologia seuraavan vuosikymmenen aikana. Tutkimussuuntien ennuste, toim. M. K. Roko, R. S. Williams, P. Alivasatos, M., MIR, 2002, s. 48-
Kirjallisuus (jatkoa) A. I. Gusev, Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies, M., Fizmatlit, 2005, 416 s. 2. N. P. Lyakishev, Nanocrystalline structures - a new direction in the development of construction materials, Bulletin of the Russian Sciences Academy, vol. 73, nro 5, 2003, s. 422 D. I. Ryzhonkov, V. V. Levina, E. L. Dzidziguri, Nanomaterials, M., BINOM. Tietolaboratorio, 365 s.
Opiskelija 1 1 -B-luokka
Yleisopetuskoulu //-/// tasot nro 41
Kolosov Nikita Ohjaaja: fysiikan opettaja Minaeva I.A.
Nanoteknologia: paikka muiden tieteiden joukossa
NANOTEKNOLOGIA
Kemia, atomi- ja ydinfysiikka
Tähtitiede
hiukset
pölypunkki
solu
maanosa
planeetat
Maapallo
atomeja
Ihmisen
Yhteiskuntatieteet
Geologia
Biologia
Voimme saada nanomaailman toimimaan hyväksemme !!!
Miksi "nanoteknologia" on kiinnostavaa?
bakteriofagi
bakteriofagi
Hiukkanen Au , jota ympäröivät pienemmät
Hiukkanen Au , jota ympäröivät pienemmät
Influenssa virus
Influenssa virus
Nanomaailma elää sisällämme ja toimii hyväksemme !!!
Mosaiikki 1 nm C 60
Nanoteknologian kehityksen päävaiheet:
Vuoden 1959 Nobel-palkinnon voittaja Richard Feynman julistaa, että ihmiskunta pystyy tulevaisuudessa syntetisoimaan mitä tahansa, kun hän oppii käsittelemään yksittäisiä atomeja. 1981 Binig ja Rohrer loivat pyyhkäisytunnelimikroskoopin – laitteen, joka mahdollistaa vaikutuksen aineeseen atomitasolla. 1982-85 Saavutetaan atomiresoluutio. 1986 Luotiin atomivoimamikroskooppi, joka, toisin kuin tunnelimikroskooppi, mahdollistaa vuorovaikutuksen minkä tahansa materiaalin, ei vain johtavien, kanssa. 1990 Yhden atomin manipulaatio. 1994 Nanoteknologian menetelmien soveltaminen teollisuudessa.
Lääke .
Molekylaaristen robottilääkärien luominen, jotka "eläisivät" ihmiskehon sisällä, eliminoivat tai estävät kaikki vauriot, joita esiintyy, myös geneettiset. Toteutusaika on 2000-luvun ensimmäinen puolisko.
Punasolut ja bakteerit - nanokapseleiden kantajat lääkkeiden kanssa
Menetelmä nanopartikkelien kuljettamiseksi lääkkeiden tai DNA-fragmenttien (geenien) kanssa solujen hoitoon
Punasolut, joihin on liimattu nanokapseleita, jotka pystyvät tarttumaan vain tietyntyyppisiin soluihin (sairaat), toimittavat nämä kapselit vastaanottaville soluille.
Gerontologia.
Ihmisten henkilökohtaisen kuolemattomuuden saavuttaminen tuomalla kehoon molekyylirobotteja, jotka estävät solujen ikääntymisen, sekä ihmiskehon kudosten uudelleenjärjestelyn ja parantamisen. Niiden toivottoman sairaiden ihmisten elvyttäminen ja parantaminen, jotka olivat tällä hetkellä jäädytettyinä kryonikkamenetelmillä. Toteutusaika: 2000-luvun kolmas - neljäs neljännes.
Ala.
Perinteisten tuotantomenetelmien korvaaminen molekyyliroboteilla, jotka kokoavat kulutushyödykkeitä suoraan atomeista ja molekyyleistä. Toteutusaika: 2000-luvun alku
Nanoputket tekevät polymeerimateriaaleista vahvempia
- Nanoteknologian käytön näkymät autoteollisuudessa eivät ole tällä hetkellä täysin selvät. On kuitenkin rohkaisevaa, että nanomateriaaleja käytetään jo autoteollisuudessa, vaikka suurin osa niistä on vielä suunnitteluvaiheessa. Autonvalmistajilla on jo kertynyt melko paljon kokemusta tällä alalla.
Nanohiukset puhdistavat pinnan.
Vasemmalla - pisara ei kastele nanokarvojen pintaa eikä siksi leviä sen päälle. Oikealla on kaavamainen esitys hierontaharjan kaltaisesta pinnasta; theta on kosketuskulma, jonka arvo ilmaisee pinnan kostuvuuden: mitä korkeampi theta, sitä pienempi kostuvuus.
Maatalous.
Luonnollisten elintarvikkeiden tuottajien (kasvien ja eläinten) korvaaminen toiminnallisesti samanlaisilla molekyylirobottien komplekseilla. Ne toistavat samat kemialliset prosessit kuin elävässä organismissa, mutta lyhyemmällä ja tehokkaammalla tavalla.
Esimerkiksi ketjusta "maa - hiilidioksidi - fotosynteesi - ruoho - lehmä - maito" kaikki tarpeettomat linkit poistetaan. Jäljelle jää "maa - hiilidioksidi - maito (raejuusto, voi, liha)". Tällainen "maatalous" ei ole riippuvainen sääolosuhteista eikä vaadi kovaa fyysistä työtä. Ja sen tuottavuus riittää ratkaisemaan ruokaongelman lopullisesti.
Toteutusjakso: 2000-luvun toinen - neljäs neljännes.
Biologia
Nanoelementtejä tulee mahdolliseksi tuoda elävään organismiin atomitasolla. Seuraukset voivat olla hyvin erilaisia - sukupuuttoon kuolleiden lajien "ennallistamisesta" uudentyyppisten elävien olentojen ja biorobottien luomiseen. Toteutusaika: 2000-luvun puoliväli.
Nanoteknologia oikeuslääketieteen alalla.
Paperin sormenjälki on sama sen jälkeen, kun se erottuu kultaisista nanohiukkasista, jotka ovat kiinnittyneet paperille jääneisiin rasvaisiin uriin.
Ekologia
Ihmisen toiminnan haitallisten ympäristövaikutusten täydellinen eliminointi.
- Ensinnäkin ekosfäärin kyllästymisen vuoksi molekyylirobottihoitajilla, jotka muuttavat ihmisjätteitä raaka-aineiksi;
- Ja toiseksi siirtämällä teollisuus ja maatalous jätteettömiin nanoteknologisiin menetelmiin. Toteutusaika: 2000-luvun puoliväli.
Avaruustutkimus
Ilmeisesti avaruustutkimusta "tavanomaisessa" järjestyksessä edeltää sen tutkiminen nanorobottien avulla.
Valtava armeija robottimolekyylejä vapautetaan Maan läheiseen avaruuteen ja valmistelee sitä ihmisasutusta varten – tee Kuusta, asteroideista ja lähellä olevista planeetoista asumiskelpoisia ja rakenna avaruusasemia "selviytymismateriaaleista" (meteoriitit, komeetat).
Se on paljon halvempaa ja turvallisempaa kuin nykyiset menetelmät.
Kybernetiikka
Nykyisistä tasomaisista rakenteista siirrytään tilavuusmikropiireihin, ja aktiivisten elementtien koot pienenevät molekyylien kokoon. Tietokoneiden toimintataajuudet saavuttavat terahertsiarvot. Hermosolumaisiin elementteihin perustuvat piiriratkaisut yleistyvät. Syntyy nopea proteiinimolekyyleihin perustuva pitkäkestoinen muisti, jonka kapasiteetti mitataan teratavuissa. Se tulee mahdolliseksi ihmisälyn "uudelleensijoittaminen" tietokoneeseen. Toteutusjakso: 2000-luvun ensimmäinen - toinen neljännes.
Joustava nanoputkinäyttö.
joustava näyttömatriisi, joka perustuu nanoputkiin;
joustava näyttö, jossa on Leonardo de Vinci.
Nanoteknologian turvallisuus?
Ainakin 300 erilaista kuluttajatuotetta, mukaan lukien aurinkosuojatuotteet, hammastahnat ja shampoot, valmistetaan nanoteknologialla. FDA sallii tällä hetkellä niiden myynnin ilman erityistä "Sisältää nanopartikkeleita" -merkintää. Samaan aikaan monet tutkijat väittävät, että tällaiset nanohiukkaset voivat tunkeutuessaan sisälle aiheuttaa tulehduksellisia tai immunologisia reaktioita. Siksi jossain määrin astuessamme nanoteknologian aikakauteen asetimme itsemme kokeellisten marsujen tilalle.
Nanoteknologia on ollut ympärillämme jo pitkään
TiO2- ja Ag-nanohiukkasten antimikrobinen pinnoite
Levyt, joissa on Ag-nanohiukkasia, joilla on bakteereja tappavia ja antifungaalisia vaikutuksia
Antimikrobiset haavasidokset Ag-nanohiukkasilla, joilla on bakterisidinen vaikutus
Aurinkosuojavoide ZnO-nanohiukkasilla - tarttumaton ja läpinäkyvä
Tölkki, joka suihkuttaa Ag-nanohiukkasten steriloivaa suspensiota
Nanoteknologia voidaan määritellä joukoksi teknisiä prosesseja, jotka liittyvät molekyylien ja atomien manipulointiin 1–100 nm:n mittakaavassa.
Dia 2
Dia 3: Nanoobjektien ominaisuudet
Monet fysiikan, kemian ja biologian kohteet ovat osoittaneet, että siirtyminen nanotasolle johtaa laadullisiin muutoksiin yksittäisten yhdisteiden ja niiden perusteella saatujen järjestelmien fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa. Puhumme optisen vastuksen kertoimesta, sähkönjohtavuudesta, magneettisista ominaisuuksista, lujuudesta ja lämmönkestävyydestä.
Dia 4
Lisäksi havaintojen mukaan nanoteknologialla saadut uudet materiaalit ylittävät huomattavasti mikrometrimittakaavan analoginsa fysikaalisissa, mekaanisissa, lämpö- ja optisissa ominaisuuksissaan.
Dia 5
Dia 6: Nanokemia
Uusien aineen rakenteen tutkimiseen tarkoitettujen menetelmien kehittämisen myötä tuli mahdolliseksi saada tietoa hiukkasista, jotka sisältävät pieniä (< 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.
Dia 7: Esimerkiksi metallien hiukkaset, joiden koko on ≤ 1 nm, sisältävät noin 10 atomia, jotka muodostavat pintahiukkasen, jolla ei ole tilavuutta ja joka on kemiallisesti erittäin aktiivinen
Hiukkasten luokitus koon mukaan Fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia alkaa kuvata atomien lukumäärällä
Dia 8: Nanokemia on ala, joka tutkii hiukkasten ja niistä muodostuvien kokoonpanojen tuotantoa, rakennetta, ominaisuuksia ja reaktiivisuutta, joiden koko on vähintään yhdessä ulottuvuudessa ≤ 10 nm
Ajatus kokovaikutuksista tulee näkyviin, ja ne riippuvat atomien tai molekyylien lukumäärästä hiukkasessa. Nanohiukkasia voidaan pitää välimuodostelmina toisaalta yksittäisten atomien ja toisaalta kiinteän kappaleen välillä. Atomien järjestely nanopartikkeleista muodostuvassa rakenteessa on tärkeä. Vaiheen käsite on vähemmän selkeästi ilmaistu.
Dia 9
10
Dia 10: Nanokemiassa herää kysymyksiä terminologiaan liittyen
7. kansainvälinen nanorakenteisten materiaalien konferenssi (Wiesbaden, 2004) ehdotti seuraavaa luokittelua: nanohuokoiset kiinteät aineet, nanohiukkaset, nanoputket ja nanokuidut, nanodispersiot, nanorakenteiset pinnat ja kalvot, nanokiteiset materiaalit
11
Dia 11
12
Dia 12
13
Dia 13: Taulukon 10 jatkoa
Happosade Etsii vaihtoehtoisia energialähteitä (fossiilisten polttoaineiden polttamisesta kieltäytyminen, luonnonlähteiden käyttö); aurinkoenergialla toimivien laitteiden tehokkuuden lisääminen Uudet polttokennot Liikenne- ja teollisuuslaitosten rikki- ja typenoksidipäästöjen vähentäminen tai poistaminen
14
Dia 14
15
Dia 15
Nanoenergian odotetaan lisäävän merkittävästi aurinkoenergian muunnos- ja varastointijärjestelmien tehokkuutta. Nanohuokoisten materiaalien käyttö. Huokoisia hiilimateriaaleja käytetään molekyyliseuloina, sorbentteina ja kalvoina. Tavoitteena on saada rakenteita, joilla on korkea ominaiskyky absorboida kaasuja (erityisesti vetyä tai metaania). Tämä on perusta uudentyyppisten polttokennojen kehittämiselle, jotka varmistavat ympäristöystävällisen liikenteen ja voimalaitokset.
16
Dia 16: Nanosoidut katalyytit ja sorbentit
Nanomittakaavakatalyysi johtaa sekä katalyytin aktiivisuuden ja selektiivisyyden kasvuun että kemiallisten reaktioprosessien ja lopputuotteen ominaisuuksien säätelyyn. Tämä mahdollisuus syntyy paitsi katalyyttiin sisältyvien nanoklustereiden koon ja ominaispinta-alan muuttamisesta, myös pinnan uusien mittaominaisuuksien ja kemiallisen koostumuksen ilmaantumisesta.
17
Dia 17
18
Dia 18
19
Dia 19
20
Dia 20: TiO 2:n fotokatalyyttinen aktiivisuus. Prosessit, joissa käytetään liuennutta happea
21
Dia 21: Kultaiset nanoklusterit
Esimerkkinä voidaan tarkastella katalyyttisen aktiivisuuden esiintymistä kultaklustereissa, joiden koko on 3–5 nm, kun bulkkikulta ei ole aktiivista. Siten alumiinioksidisubstraatille kerrostetut kultananoklusterit katalysoivat tehokkaasti CO:n hapettumista alhaisissa lämpötiloissa aina -70 °C:seen asti, ja niillä on myös korkea selektiivisyys typen oksidien pelkistysreaktioissa huoneenlämpötilassa. Tällaiset katalyytit ovat tehokkaita hajujen poistamisessa suljetuissa tiloissa.
22
Dia 22
23
Dia 23
24
Dia 24
Yhdysvalloissa odotetaan lähitulevaisuudessa kaupallista metallioksidinanoklustereiden tuotantoa kemiallisten sodankäyntiaineiden desinfiointiin, armeijan ja väestön suojelemiseksi terrori-iskujen aikana sekä erittäin huokoisia nanokomposiitteja tablettien tai rakeiden muodossa. ilmanpuhdistus ja desinfiointi esimerkiksi lentokoneissa, kasarmeissa jne. d.
25
Dia 25: Polymeerinanokuidut
Halkaisijaltaan alle 100 nm:n polymeerinanokuitujen valmistus yleistyy. Näistä kuiduista valmistetaan ns. aktiivisia vaatteita, jotka edistävät haavojen itsestään paranemista ja mahdollistavat tilojen diagnoosin ulkopuolelta tulevien käskyjen havainnolla, ts. toimii myös anturitilassa.
26
Dia 26: Bioaktiiviset suodattimet
Bioaktiiviset suodattimet luodaan nanokuitujen pohjalta. Niinpä amerikkalaiset Argonide ja NanoCeram ovat aloittaneet halkaisijaltaan 2 nm:n ja 10–100 nm pituisten kuitujen tuotannon mineraaliböhmiitistä (AlOOH). Hydroksyyliryhmien suuren määrän vuoksi nämä kuidut, yhdistettyinä suurempiin aggregaatteihin, imevät aktiivisesti negatiivisesti varautuneita bakteereja, viruksia, erilaisia epäorgaanisia ja orgaanisia fragmentteja ja varmistavat siten tehokkaan vedenpuhdistuksen sekä lääketieteellisten seerumien ja biologisten väliaineiden steriloinnin.
27
Dia 27: Nanoteknologian kehitysennuste
Nykyiset sovellukset: lämpösuojaus, optinen suojaus (näkyvä ja UV), itsepuhdistuvat lasit, värilliset lasit, aurinkopaneelit, pigmentit, tulostinmusteet, kosmetiikka, hankaavat nanohiukkaset, tallennusvälineet.
28
Dia 28
2) Perspektiivi 1–5 vuotta: väärennösten tunnistaminen ja havaitseminen seteleistä, asiakirjoista, eri tavaroiden etiketeistä, autojen osista ja mekanismeista jne., valaistuksen, kemiallisten ja biologisten antureiden paljastamien avoimien ja salaisten värimerkkien käyttö, diagnoosi sairaudet ja geeniterapia, lääkkeiden kohdennettu kuljetus, luminoivat tunnisteet biologiseen seulontaan, lääketieteelliset vaatteet, erikoiskoodien käyttö, nanokomposiittimateriaalit kuljetukseen, kevyet ja korroosionestomateriaalit lentoteollisuuteen, nanoteknologia elintarviketuotantoon, valoviritettävät ja emittoivat laserit, mukaan lukien valosähkökemialliset diodit, sähkömekaaniset aktivaattorit.
29
Dia 29
3) Perspektiivi 6–10 vuotta: litteät näytöt, aurinkokennot ja akut, mikrorobottien ja nanorobottien termoelektriset laitteet, tiedon tallennuslaitteet, esineiden ja ympäristön valvonta- ja desinfiointilaitteet, korkean tuottavuuden ja selektiivisyyden nanokatalyytit, nanoteknologian käyttö mm. proteesien ja keinotekoisten elinten valmistus. 4) Perspektiivi 10–30 vuotta: yksielektronilaitteet, kvanttitietokoneet.
30
Dia 30: Hiilipohjaiset nanohiukkaset
Allotrooppiset modifikaatiot ovat yhden elementin erilaisia rakenteellisia muotoja. Hiilen laajalle levinneitä muunnelmia ovat grafiitti ja timantti, ja myös karbiini tunnetaan. Hiilellä on kyky luoda kemiallisesti stabiileja kaksiulotteisia kalvoja, jotka ovat atomin paksuisia kolmiulotteisessa maailmassa. Tämä hiilen ominaisuus on tärkeä kemian ja teknisen kehityksen kannalta yleensä.
31
Dia 31: Fullereenit - hiilen uudet allotrooppiset modifikaatiot
Vuonna 1985 tehtiin tärkeä löytö yhden tutkituimman alkuaineen - hiilen - kemiassa. Kirjoittajaryhmä: Croteau (Englanti), Heath, O'Brien, Curl ja Smalley (USA), tutkimassa kiinteän aineen lasersäteilytyksellä (pulssieksimeerilaser ArF, λ = 193 nm, energia 6,4 eV) saadun grafiittihöyryn massaspektrejä näytteestä löydettiin piikit, jotka vastaavat massoja 720 ja 840. He olettivat, että nämä piikit vastaavat yksittäisiä molekyylejä C 60 ja C 70.
32
Dia 32: Fullereeni C 60 kuuluu niihin harvinaisiin kemiallisiin rakenteisiin, joilla on suurin pistesymmetria, nimittäin ikosaedrin I h symmetria
60 atomin pallomainen kuori muodostuu viisi- ja kuusijäsenisistä renkaista. Jokainen viisijäseninen sykli on yhdistetty viiteen kuusijäseniseen sykliin. Molekyylissä ei ole toisiinsa liittyneitä viisijäsenisiä renkaita. Molekyylissä on yhteensä 12 viisikulmiota ja 20 kuusikulmiota. Vuonna 1996 Croto, Curl ja Smalley saivat Nobelin kemian palkinnon fullereenien löydöstä, tuotantomenetelmien kehittämisestä ja tutkimuksesta, ja Nobel-komitea vertasi tämän löydön tärkeyttä peräti Kolumbuksen Amerikan löytöyn.
33
Dia 33
Riisi. 2. Isomeeri C 60 "tähkän" muodossa. Varjostetut alueet osoittavat -elektronipilven siirtymän suhteessa rakenteen sivupinnan muodostavan molekyylin atomeihin
34
Dia 34: Molekyylit nimettiin fullereeneiksi arkkitehti Fullerin mukaan, joka oli verkkoharjarakenteiden kirjoittaja (USA:n paviljonki EXPO 67 -maailmannäyttelyssä Montrealissa jne.)
35
Dia 35: Massaspektrien riippuvuus klusterointiolosuhteista
C60-piikin suhteellisen intensiteetin havaittiin riippuvan olosuhteista, ja se kasvaa lämpötilan noustessa. Siksi korkeasta piikin intensiteetistä vastuussa olevan isomeerin (tai isomeerien) kemiallisen stabiiliuden on oltava lisääntynyt, jotta ne selviäisivät lisääntyvistä törmäysmääristä. Isomeerit, joissa on roikkuvat hiilisidokset, ovat erittäin reaktiivisia eivätkä selviä törmäyksistä. Kemiallisesti aktiivisten törmäysten rooli ilmenee siinä, että massaspektreissä havaitaan vain fullereeneja, joissa on parillinen määrä hiiliatomeja (C 60, C 70 jne.).
Nanotiede on tietokokonaisuus aineen ominaisuuksista nanometrin* mittakaavassa; nanomateriaalit ovat materiaaleja, jotka sisältävät rakenteellisia elementtejä, joiden geometriset mitat vähintään yhdessä ulottuvuudessa eivät ylitä 100 nm ja joilla on laadullisesti uusia ominaisuuksia, toiminnallisia ja suorituskykyisiä ominaisuuksia; nanoteknologia - kyky tarkoituksenmukaisesti luoda esineitä (ennalta määrätyllä koostumuksella, koolla ja rakenteella) alueella noin nm * 1 nanometri (nm) = 10 -9 m
"Nanoteknologia on joukko menetelmiä ja tekniikoita, jotka tarjoavat mahdollisuuden luoda ja muokata objekteja kontrolloidusti, mukaan lukien komponentit, joiden koko on alle 100 nm, ainakin yhdessä ulottuvuudessa, ja tämän seurauksena saada täysin uusia ominaisuuksia, jotka mahdollistaa niiden integroinnin täysin toimiviin suuriin järjestelmiin laajemmassa merkityksessä, tämä termi kattaa myös tällaisten kohteiden diagnosointi-, karakterologia- ja tutkimusmenetelmät." Liittovaltion tiede- ja innovaatiovirasto "Nanoteknologian alan työn kehittämiskonseptissa Venäjän federaatiossa vuoteen 2010 asti"
1959 - Richard Feynman: "Alla on runsaasti tilaa..." - viittasi fantastisiin näkymiin, joita materiaalien ja laitteiden tuotanto atomi- ja molekyylitasolla lupaa vuodelle 1974 - japanilainen tiedemies Taniguchi käytti ensimmäisen kerran termiä "nanoteknologia" 1986 - Amerikkalainen Drexler julkaisee kirjan "Machines of Creation: The Coming of the Nanotechnology Era"
1985 - tunnistettiin uusi hiilen muoto - klusterit C60 ja C70, joita kutsutaan fullereeneiksi (Nobel-palkittujen N. Croton, R. Kerlun, R. Smalleyn teoksia) - Japanilainen tiedemies S. Ishima löysi hiilinanoputkia sähkökaaren haihdutustuotteista grafiitista
...Jos sen sijaan, että järjestäisimme atomeja järjestykseen, rivi riviltä, sarake sarakkeelta, jopa sen sijaan, että rakentaisimme niistä monimutkaisia orvokkien tuoksu molekyylejä, jos sen sijaan järjestämme ne joka kerta uudella tavalla, monipuolistaen niiden mosaiikkia, ilman toistamalla sitä, mitä on jo tapahtunut - kuvittele kuinka monia epätavallisia, odottamattomia asioita voi syntyä heidän käyttäytymisensä. R. P. Feynman
Nanoteknologian kehittämisessä huomioidaan yleensä kolme suuntaa: elektronisten piirien (mukaan lukien tilavuuspiirit) tuotanto, joissa on molekyylien ja atomien kokoisia aktiivisia elementtejä; nanokoneiden kehittäminen ja tuotanto, ts. molekyylin kokoiset mekanismit ja robotit; atomien ja molekyylien suora manipulointi ja kaiken olemassa olevan yhdistäminen niistä.
O fotonikiteitä, joissa valon käyttäytyminen on verrattavissa puolijohteiden elektronien käyttäytymiseen. Niiden perusteella on mahdollista luoda laitteita, jotka ovat tehokkaampia kuin niiden puolijohdeanalogit; o epäjärjestyneet nanokiteiset mediat lasertuotantoon ja lasernäyttöjen tuotantoon, joilla on suurempi kirkkaus (2-3 suuruusluokkaa suurempi kuin perinteiset LEDit) ja suuri katselukulma; o litiumyhdisteisiin perustuvaa toiminnallista keramiikkaa solid-state-polttokennoihin, ladattaviin solid-state-virtalähteisiin, kaasu- ja nestemäisten välineiden anturit käytettäväksi vaativissa teknologisissa olosuhteissa; o kvasikiteiset nanomateriaalit, joissa on ainutlaatuinen yhdistelmä lisääntynyttä lujuutta, matalaa kitkakerrointa ja lämpöstabiilisuutta, mikä tekee niistä lupaavia käytettäväksi koneenrakennuksessa, vaihtoehtoisessa ja vetyenergiassa; o Nanomateriaalien ja nanorakenteiden pääluokat
Rakenteelliset nanorakenteiset kovat ja kestävät seokset leikkaustyökaluihin, joilla on parannettu kulutuskestävyys ja iskunkestävyys, sekä nanorakenteiset suojaavat lämpö- ja korroosionkestävät pinnoitteet; o polymeerikomposiitit, joissa on nanohiukkasista ja nanoputkista valmistettuja täyteaineita, joilla on lisääntynyt lujuus ja alhainen syttyvyys; o biologisesti yhteensopivia nanomateriaaleja keinoihon luomiseen, pohjimmiltaan uudentyyppisiä sidoksia, joilla on antimikrobista, antiviraalista ja anti-inflammatorista vaikutusta; o nanokokoiset jauheet, joilla on lisääntynyt pintaenergia, mukaan lukien magneettiset, metalliseosten dispersion vahvistamiseen, ääni- ja videojärjestelmien muistielementtien luomiseen, lannoitteiden, rehun, magneettisten nesteiden ja maalien lisäaineisiin;
O orgaaniset nanomateriaalit, joilla on monia ominaisuuksia, joihin epäorgaaniset aineet eivät pääse käsiksi. Itseorganisoitumiseen perustuva orgaaninen nanoteknologia mahdollistaa orgaanisen nanoelektroniikan perustana olevien kerrosrakenteisten orgaanisten nanorakenteiden luomisen sekä elävien organismien solujen biomembraanien mallien rakentamisen niiden toimintaprosessien (molekyyliarkkitehtuuri) perustutkimuksia varten; o polymeerin nanokomposiitti- ja kalvomateriaalit epälineaarisiin optisiin ja magneettisiin järjestelmiin, kaasuanturit, biosensorit, monikerroksiset komposiittikalvot; o pinnoitepolymeerit suojaavaa passivointia, kitkaa vähentäviä, selektiivisiä, heijastuksia estäviä pinnoitteita varten; o polymeeriset nanorakenteet joustaviin näyttöihin; o kaksiulotteiset ferrosähköiset kalvot haihtumattomia tallennuslaitteita varten; o Nestekidenäyttömateriaalit erittäin informatiivisiin ja ergonomisiin näyttötyyppeihin, uudentyyppisiin nestekidenäyttöihin (elektroninen paperi).
Monet aineiden ominaisuudet (sulamispiste, puolijohteiden kaistan leveys, jäännösmagnetismi) määräytyvät pääasiassa nanometrialueen kiteiden koon mukaan. Tämä avaa mahdollisuuden siirtyä uuden sukupolven materiaaleihin, joiden ominaisuuksia ei muuteta muuttamalla komponenttien kemiallista koostumusta, vaan säätämällä niiden kokoa ja muotoa
Jos haluat käyttää esityksen esikatselua, luo Google-tili ja kirjaudu sisään siihen: https://accounts.google.com
Dian kuvatekstit:
Nanoteknologiat ja niiden sovellukset
Tieteellisen työn tarkoituksena on karakterisoida kokonaisvaltaisesti nanoteknologiaa ottaen huomioon tämän soveltavan tieteen alan erityispiirteet ja kaikki piirteet.
Tämän tutkimuksen kohteena on nanoteknologia tieteen ja teknologian alana ja aiheena nanoteknologian soveltamisen piirteet.
Työn päätavoitteita ovat: 1. Nanoteknologian käsitteen määrittely. 2. Nanoteknologian kehityshistorian tarkastelu maailmassa yleensä ja erityisesti Venäjällä. 3. Nanoteknologian soveltavan näkökohdan selvennys eli soveltamisen piirteet eri toimialoilla. 4. Analyysi nanoteknologian soveltamismahdollisuuksista, menetelmistä ja menetelmistä. 5. Nanoteknologian soveltamisen teknisten piirteiden tunnistaminen. 6. Nanoteknologian kehitysnäkymien osoittaminen ja ennustaminen Venäjällä.
Nanoteknologia on joukko menetelmiä ja tekniikoita, jotka tarjoavat mahdollisuuden luoda ja muokata objekteja hallitusti, mukaan lukien komponentit, joiden mitat ovat alle 100 nm ja joilla on täysin uusia ominaisuuksia ja jotka mahdollistavat niiden integroinnin täysin toimiviin laajempiin järjestelmiin.
Kreikkalaista filosofia Demokritosta voidaan pitää nanoteknologian isänä. Noin 400 eaa. Hän käytti ensin sanaa "atomi", joka tarkoittaa kreikaksi "särkymätöntä", kuvaamaan aineen pienintä hiukkasta. Esimerkki nanoteknologian ensimmäisestä käytöstä on valokuvafilmin keksintö vuonna 1883, jonka George Eastman perusti myöhemmin kuuluisan Kodak-yhtiön.
Nanoteknologian soveltaminen. Nanoelektroniikka ja nanofotoniikka Yksi nanoteknologian lupaavimpia sovellusalueita on tietokonetekniikka. Nanofotoniikkayritykset kehittävät erittäin integroituja optisia viestintäkomponentteja nanooptiikan ja nanovalmistustekniikoiden avulla. Tämä lähestymistapa optisten komponenttien valmistukseen mahdollistaa niiden prototyyppien tuotannon nopeuttamisen, teknisten ominaisuuksien parantamisen, koon pienentämisen ja kustannusten alentamisen.
Nanoenergia aurinkoparistot.
Paristot ja akut Toshiba on kehittänyt nanomateriaaleihin perustuvan litiumioniakun, joka latautuu noin 60 kertaa nopeammin kuin perinteinen akku. Yhdessä minuutissa se voidaan täyttää 80 prosenttiin.
Nanomääketiede Nanostrukturoidut materiaalit. Tällä hetkellä luonnollista luukudosta jäljittelevien nanomateriaalien tuotannossa on edistytty. 2. Nanohiukkaset. Mahdollisten sovellusten valikoima on erittäin laaja. Se sisältää taistelun virussairauksia, kuten influenssaa ja HIV:tä, syöpää ja verisuonisairauksia vastaan.
3. Mikro- ja nanokapselit. Pienikokoisia (~1 µm) nanohuokoisia kapseleita voidaan käyttää lääkkeiden kuljettamiseen haluttuun kohtaan kehossa. 4. Nanoteknologiset anturit ja analysaattorit. Tällaista laitetta, joka pystyy havaitsemaan kirjaimellisesti yksittäisiä molekyylejä, voidaan käyttää DNA-emästen tai aminohappojen sekvenssin määrittämiseen, tartuntatautien patogeenien ja myrkyllisten aineiden havaitsemiseen.
5. Pyyhkäisymikroskoopit ovat joukko laitteita, jotka ovat ainutlaatuisia ominaisuuksiltaan. Niiden avulla voit saavuttaa riittävän suurennuksen yksittäisten molekyylien ja atomien katseluun. 6. Nanotyökalut. Esimerkkinä ovat pyyhkäisykoettimikroskoopit, joiden avulla voit siirtää kaikki esineet alas atomeihin.
Nanokosmetiikka Useita vuosia sitten L'Oreal toi markkinoille kuuluisan Pro-Retinol A -nanosomeja sisältävän Revitalift-voiteen, ja yrityksen mukaan tämä voide imeytyy ihoon paljon paremmin kuin muiden merkkien voiteet erityisten mikrohiukkasten ansiosta.
Nanoteknologiaa kevyelle teollisuudelle Nanomateriaalit tekstiileissä. Nanomateriaaliin perustuvat tekstiilit saavat ainutlaatuisen vedenpitävyyden, likaa hylkivän, lämmönjohtavuuden, sähkönjohtavuuden ja muita ominaisuuksia.
Tekstiilien tuotanto sisäänrakennetuilla antureilla mahdollistaa ihmiskehon tilan seurannan. Tämä avaa varmasti uusia mahdollisuuksia lääketieteellisessä käytännössä, urheilussa ja elämän tukemisessa ääriolosuhteissa.
Nanoteknologiaa maataloudelle ja elintarviketeollisuudelle Nanoteknologiaa käytetään jo ilman ja eri materiaalien desinfiointiin, mukaan lukien rehut ja lopulliset kotieläintuotteet; siementen ja viljelykasvien käsittely niiden säilyttämiseksi. Niitä käytetään stimuloimaan kasvien kasvua; eläinten hoito; parantaa rehun laatua