Nanoteknologi og nanomaterialer. Presentasjon om emnet "nanoteknologi - utviklingshistorie" Kjemi, atom- og kjernefysikk

MIOO MPGU Utdannings- og vitenskapelig senter for funksjonell og nanomaterialmetodikk for å danne elevenes ideer om nanoteknologi i videregående skoler

Navn på århundrer... Materialene som brukes er en av hovedindikatorene på den tekniske kulturen i et samfunn. Dette gjenspeiles i århundrenes navn "steinalder", "bronsealder", "jernalder". Det 20. århundre vil trolig bli kalt århundret med multifunksjonelle nano- og biomaterialer.

a – spormembran (AFM); b – ledninger av mikronstørrelse (sekundære strukturer) i et elektronmikroskop.

Til venstre er et diagram over strukturen til et nanokrystallinsk materiale; til høyre er et huskompleks av arkitekten Frank Owen Gerry (Dusseldorf)

Metalliske glass Den første legeringen i den amorfe tilstanden ble oppnådd av P. Daveza i 1960 (gull-silisiumlegering i den eutektiske tilstanden Au 75 Si 25) ved California Institute of Technology

Bulk amorfe metallegeringer Legeringer basert på Zr, Ti, samt Al og Mg med tilsetning av La og overgangsmetaller. Lav kjølehastighet (1 – 500 K/s) gjør det mulig å oppnå relativt tykke (opptil 40 mm) produkter

Bruk av nanokrystallinske materialer Nanokrystallinske varmebestandige legeringer er lovende for produksjon av blader til en ny generasjon gassturbiner av jetmotorer. Keramiske nanomaterialer brukes både i romfartsteknikk og til produksjon av proteser innen ortopedi og odontologi.

Bruke nanokrystallinske materialer Tilsetning av nanokrystallinsk aluminium til rakettdrivstoff kan fremskynde forbrenningsprosessen med 15 ganger.

Nanofase (nanokrystallinske) legeringer ble først oppdaget i månens jordprøver. De produseres fortsatt i små mengder

Komposittmateriale Et komposittmateriale, en kompositt, er et heterogent materiale av to eller flere komponenter (komponenter), og det er et nesten tydelig grensesnitt mellom komponentene. Karakterisert av egenskaper som ikke eies av noen av komponentene tatt separat

NANOKOMPOSITTER I nanokompositter har minst én komponent nanostørrelser. Den klassiske betydningen av matrise-filler-grensesnittet går tapt

Funksjonelle materialer (avbildet japansk solseil) Funksjonelle materialer kan defineres som materialer hvis egenskaper er ordnet eller utformet på en slik måte at de kan tilfredsstille et bestemt formål (utøvende funksjon) på en kontrollert måte. Dette og det neste bildet viser japanske solseil

Metalliserte polymerbelegg Metalliserte tynnfilmsprodukter er designet for å erstatte tunge speilstrukturer. Slike materialer er mye brukt på romfartøyer som termisk-oksidasjonsstabiliserende belegg, reflektorer eller samlere av lysenergi, og for overføring av optisk informasjon. Polyimidbaserte materialer har en rekke fordeler som matrisefilm

Kjemisk metalliserte PI-filmer Kjemisk metalliserte filmer kan klassifiseres som nye funksjonelle materialer, gitt deres økte reflektivitet og gode overflateledningsevne. Egenskapene til slike filmer ble studert innenfor rammen av det internasjonale vitenskapelige stipendet NATO Sf. P (Science for Peace) nr. 978013 Ved kjemisk metallisering dannes det en overflatelagsgradient i innholdet av metallnanopartikler. Faktisk er det en polymer/metall nanokompositt

"Smarte" materialer Fra klassen funksjonelle materialer kan aktive eller "smarte" materialer skilles. "Smarte" eller "intelligente" materialer må effektivt og uavhengig endre egenskapene deres under uforutsette omstendigheter eller når driftsmodusen til enheten endres.

Fremtidens funksjonelle materialer I forhold til "smarte" materialer utviklet av mennesker, er den futurologiske oppgaven å lage hyperfunksjonelle materialer som i noen aspekter overgår evnene til individuelle biologiske organer

Årsaker til fremveksten av "smarte" materialer og enheter Behovet for smarte materialer er forårsaket av det faktum at moderne mekanismer og enheter blir sårbare, på den ene siden på grunn av deres kompleksitet, på den andre på grunn av stadig tøffere driftsforhold : forskjellige miljøer, stråling, høye bevegelseshastigheter osv. Spesialister i militærteknologi karakteriserer tørt den menneskelige operatøren som «et objekt med lav hastighet og en betydelig begrensning av psykofysiologiske evner».

Metamaterialer En spesiell plass blant funksjonelle materialer er okkupert av metamaterialer, hvis egenskaper bestemmes hovedsakelig av designegenskaper snarere enn av kjemisk sammensetning. Til høyre er en stang i et tomt glass, med vann og et materiale med negativ brytningsindeks.

Første negativ-indeks-metamateriale I 2000 skapte David Smith fra University of California, San Diego det første negativ-indeks-materialet for elektromagnetiske bølger på 10 gigahertz fra ark med kobbernett arrangert i lag

Problemet med usynlighet I 2006 viste den britiske vitenskapsmannen John Pendry teoretisk at hvis en gjenstand plasseres inne i en spesialdesignet superlinse laget av et materiale med negativ brytningsindeks, vil dette objektet bli usynlig for en utenforstående observatør.

I august 2008 skapte to grupper av forskere to nye metamaterialer med negativ brytningsindeks. Det første materialet består av flere vekslende lag av sølv og magnesiumfluorid, der det lages hull på nanometerstørrelse. Den andre bruker porøst aluminiumoksid inne i hulrommene, ved hjelp av en spesiell prosess, dyrkes sølv nanopiner, plassert i en avstand mindre enn lysets bølgelengde.

Termisk isolasjonsmateriale Aspens Pyrogel AR 5401 [N]. Temperaturen på gassbrenneren under er 1000 0 C

Polecat ubemannet luftfartøy, flygende vinge med et spenn på 28 meter, Lockheed Martin, 3D-printet

Nanofilter laget av antrakinonmolekyler på en kobberoverflate. Hver celle inneholder omtrent 200 molekyler

HYBRIDE NANOMATERIALER Hybride nanomaterialer, kompositter på molekylært nivå, bestående av uorganiske, organiske og biologiske komponenter, er svært lovende. Blant de sistnevnte skiller DNA seg ut

KOMPLEMENTÆR Et trekk ved biologiske nanostrukturer er komplementaritet, evnen til å gjenkjenne på molekylært nivå (DNA, antistoffer, etc.). Denne evnen er grunnlaget for driften av biosensorer, men den kan også brukes til selvmontering av nanostrukturer, som er et sentralt punkt i bottom-up-prosesser.

Protein "fjærer" En nyrin-repetisjon består av tandemmoduler på omtrent 33 aminosyrer. Deres atomstruktur er svært uvanlig og består av korte antiparallelle alfa-svinger som selv monteres til spiraler. Takket være denne strukturen kan ankyrin-repetisjoner raskt komme seg etter strekking. O finnes i mer enn 400 proteiner i menneskekroppen. De finnes i hårcellene i det indre øret, hvor de spiller en viktig rolle i å konvertere akustiske signaler til elektriske signaler. Ankyrinproteiner regulerer også ioneutveksling i hjertemuskelmembranen.

Supramolekylære strukturer, supramolekylær kjemi Begrepet ble introdusert i 1978 av den fremragende franske kjemikeren, nobelprisvinner i 1987 J. -M. Len og definert av ham som "kjemi utenfor molekylet, som beskriver komplekse formasjoner som er resultatet av assosiasjonen av to (eller flere) kjemiske partikler bundet sammen av intermolekylære krefter." Utviklingen av supramolekylær kjemi skyldes i stor grad dens tverrfaglige natur (organisk kjemi og koordineringskjemi, fysisk kjemi, biologi, fysikk av kondensert stoff, mikroelektronikk, etc.)

Supramolekylære systemer Hierarkiet er bygget slik: atomer - molekyler - supramolekylære systemer - biologiske systemer. Supramolekylære systemer er en bro mellom ikke-levende og levende materie.

Øverst - typer supramolekylære strukturer; nedenfor er et diagram over selvmonteringen av et gitter av seks lineære molekyler og ni sølvioner

BIOMIMETISKE HYBRIDPOLYMERER, "MOLECULAR CHIMERAS" Polymerer hvis makromolekyler inneholder både naturlige og syntetiske blokker. Slike polymerer er i stand til å danne komplekse supramolekylære sammenstillinger med en rekke spesifikke funksjonelle egenskaper. Opprettelsen deres anses som en strategisk måte å designe "smarte" nanomaterialer på

Den nye rollen til datamodellering "... potensialet til modeller for å forutsi egenskaper som ligger utenfor grensene til moderne eksperimenter er realisert" Akademiker M. V. Alfimov

Datasimulering Hovedproblemet med alle disse beregningene er den kvantemekaniske naturen til egenskapene til nanopartikler. Som brukt på individuelle atomer og molekyler, ble det tilsvarende teoretiske apparatet og numeriske metoder utviklet. For makroskopiske systemer ble det brukt en statistisk metode. Men antallet atomer i nanopartikler er vanligvis for lite for statistiske metoder og samtidig for stort for enkle kvantemodeller.

Produksjon av nye materialer Av det totale årlige markedet for nanoteknologiske produkter i 20015-2020 (2 billioner dollar), vil ifølge prognosen 340 milliarder dollar komme fra nye materialer som ikke kan produseres med tradisjonelle metoder.

Fra en analyse av ekspertvurderinger av spesialister, følger det at i løpet av de neste 20 årene vil 90% av moderne materialer som brukes i industrien bli erstattet av nye, spesielt "intelligente", som vil gjøre det mulig å lage strukturelle elementer som vil avgjøre den tekniske utviklingen i det 21. århundre.

Litteratur M. V. Alfimov, Nanoteknologi. Rollen til datamodellering, redaksjonell, journal Russian Nanotechnologies, vol. 2, nr. 7-8, 2007. D. Dixon, P. Cummings, K. Hess, Theory and modellering of nanostructures, i boken. Nanoteknologi i det neste tiåret. Prognose for forskningsretninger, red. M.K. Roko, R.S. Williams, P. Alivasatos, M., MIR, 2002, s. 48-

Litteratur (fortsatt) A. I. Gusev, Nanomaterials, nanostructures, nanotechnologies, M., Fizmatlit, 2005, 416 s. 2. N. P. Lyakishev, Nanokrystallinske strukturer - en ny retning i utviklingen av strukturelle materialer, Bulletin of the Russian Academy of Sciences, Vol. 73, nr. 5, 2003, s. 422 D. I. Ryzhonkov, V. V. Levina, E. L. Dzidziguri, Nanomaterials, M., BINOM. Kunnskapslaboratoriet, 365 s.

Student 1 1 -B klasse

Allmennpedagogisk skole //-/// trinn nr. 41

Kolosov Nikita Veileder: fysikklærer Minaeva I.A.

Nanoteknologi: plass blant andre vitenskaper

NANOTEKNOLOGI

Kjemi, atom- og kjernefysikk

Astronomi

hår

støvmidd

celle

kontinent

planeter

Jord

atomer

Menneskelig

Samfunnsvitenskap

Geologi

Biologi

Vi kan få nanoverdenen til å fungere for oss !!!

Hvorfor er "nanoteknologi" interessant?

bakteriofag

Partikkel Au , omgitt av mindre

Influensavirus

Nanoverdenen bor inne i oss og jobber for oss !!!

Mosaikk på 1 nm C 60

Hovedstadier i utviklingen av nanoteknologi:

1959 Nobelprisvinner Richard Feynman erklærer at i fremtiden, ved å lære å manipulere individuelle atomer, vil menneskeheten være i stand til å syntetisere hva som helst. 1981 Opprettelsen av Binig og Rohrer av et skanningstunnelmikroskop - en enhet som tillater innvirkning på materie på atomnivå. 1982-85 Oppnå atomoppløsning. 1986 Etablering av et atomkraftmikroskop, som, i motsetning til et tunnelmikroskop, tillater interaksjon med alle materialer, ikke bare ledende. 1990 Single Atom Manipulation. 1994 Begynnelsen av anvendelse av nanoteknologiske metoder i industrien.

Medisin .

Opprettelse av molekylære robotleger som ville "leve" inne i menneskekroppen, eliminere eller forhindre all skade som oppstår, inkludert genetiske. Gjennomføringsperioden er første halvdel av det 21. århundre.

Røde blodlegemer og bakterier - bærere av nanokapsler med legemidler

Metode for å levere nanopartikler med legemidler eller DNA-fragmenter (gener) for cellebehandling

Røde blodlegemer med nanokapsler limt til dem, som kun kan feste seg til visse typer celler (syke), vil levere disse kapslene til mottakercellene.

Gerontologi.

Å oppnå personlig udødelighet for mennesker gjennom innføring av molekylære roboter i kroppen som forhindrer cellealdring, samt restrukturering og forbedring av vev i menneskekroppen. Vekkelse og helbredelse av de håpløst syke menneskene som for tiden var frosset av kryoniske metoder. Implementeringsperiode: tredje - fjerde kvartal av det 21. århundre.

Industri.

Erstatter tradisjonelle produksjonsmetoder med molekylære roboter som setter sammen forbruksvarer direkte fra atomer og molekyler. Implementeringsperiode: begynnelsen av det 21. århundre

Nanorør gjør polymermaterialer sterkere

Utsiktene for bruk av nanoteknologi i bilindustrien i dag er ikke helt klare. Det er imidlertid oppmuntrende at nanomaterialer allerede brukes i bilindustrien, selv om de fleste fortsatt er i designutviklingsstadiet. Bilprodusenter har allerede samlet ganske mye erfaring på dette området.

Nanohår gjør overflaten ren.

Til venstre - en dråpe fukter ikke overflaten som består av nanohår og sprer seg derfor ikke over den. Til høyre er en skjematisk fremstilling av en overflate som ligner på en massasjebørste; theta er kontaktvinkelen, hvis verdi indikerer fuktbarheten til overflaten: jo høyere theta, jo lavere fuktbarhet.

Jordbruk.

Erstatning av naturlige matprodusenter (planter og dyr) med funksjonelt like komplekser av molekylære roboter. De vil reprodusere de samme kjemiske prosessene som skjer i en levende organisme, men på en kortere og mer effektiv måte.

For eksempel fra kjeden "jord - karbondioksid - fotosyntese - gress - ku - melk" vil alle unødvendige ledd fjernes. Det som blir igjen er "jord - karbondioksid - melk (cottage cheese, smør, kjøtt)". Slikt "landbruk" vil ikke være avhengig av værforhold og vil ikke kreve hardt fysisk arbeid. Og produktiviteten vil være nok til å løse matproblemet en gang for alle.

Implementeringsperiode: andre - fjerde kvartal av det 21. århundre.

Biologi

Det vil bli mulig å introdusere nanoelementer i en levende organisme på atomnivå. Konsekvensene kan være svært forskjellige - fra "gjenoppretting" av utdødde arter til etablering av nye typer levende vesener og bioroboter. Implementeringsperiode: midten av det 21. århundre.

Nanoteknologi i rettsmedisinsk vitenskap.

Fingeravtrykket på papiret er det samme etter å ha kontrastert med gullnanopartikler som sitter fast på de fete spormerkene som er igjen på papiret.

Økologi

Fullstendig eliminering av de skadelige effektene av menneskelig aktivitet på miljøet.

For det første, på grunn av metningen av økosfæren med molekylære robotsykepleiere, konverterer menneskelig avfall til råvarer;
Og for det andre gjennom overføring av industri og landbruk til avfallsfrie nanoteknologiske metoder. Implementeringsperiode: midten av det 21. århundre.

Utforsking av verdensrommet

Tilsynelatende vil romutforskning i "vanlig" rekkefølge bli innledet av utforskning av nanoroboter.

En stor hær av robotmolekyler vil bli sluppet ut i verdensrommet nær jorden og forberede det for menneskelig bosetting - gjør månen, asteroider og nærliggende planeter beboelige, og bygg romstasjoner fra "overlevelsesmaterialer" (meteoritter, kometer).

Det vil være mye billigere og sikrere enn dagens metoder.

Kybernetikk

Det vil være en overgang fra eksisterende plane strukturer til volumetriske mikrokretser, og størrelsen på aktive elementer vil avta til størrelsen på molekyler. Driftsfrekvensene til datamaskiner vil nå terahertz-verdier. Kretsløsninger basert på nevronlignende elementer vil bli utbredt. Et høyhastighets langtidsminne basert på proteinmolekyler vil dukke opp, hvis kapasitet vil bli målt i terabyte. Det vil bli mulig "flytting" av menneskelig intelligens til en datamaskin. Implementeringsperiode: første - andre kvartal av det 21. århundre.

Fleksibel nanorørskjerm.

fleksibel skjermmatrise basert på nanorør;

fleksibel skjerm med Leonardo de Vinci.

Sikkerhet ved nanoteknologi?

Minst 300 typer forbrukerprodukter, inkludert solkremer, tannkremer og sjampoer, er laget ved hjelp av nanoteknologi. FDA tillater for øyeblikket at de selges uten en spesiell "Inneholder nanopartikler"-etikett. Samtidig hevder mange forskere at slike nanopartikler, når de trenger inn i det, kan forårsake inflammatoriske eller immunologiske reaksjoner. Derfor, til en viss grad, inn i nanoteknologiens æra, satte vi oss i stedet for eksperimentelle marsvin.

Nanoteknologi har vært rundt oss i lang tid

Antimikrobielt belegg av TiO2 og Ag nanopartikler

Ark med Ag nanopartikler med bakteriedrepende og soppdrepende effekter

Antimikrobielle sårbandasjer med Ag-nanopartikler med bakteriedrepende effekt

Solkrem med ZnO nanopartikler - ikke-klebrig og gjennomsiktig

En boks som sprayer en steriliserende suspensjon av Ag-nanopartikler

Nanoteknologi kan defineres som et sett med tekniske prosesser knyttet til manipulering av molekyler og atomer på skalaer fra 1 – 100 nm.

Lysbilde 2

Lysbilde 3: Egenskaper til nanoobjekter

Mange objekter innen fysikk, kjemi og biologi har vist at overgangen til nanonivået fører til kvalitative endringer i de fysisk-kjemiske egenskapene til individuelle forbindelser og systemer oppnådd på grunnlag av dem. Vi snakker om koeffisienten for optisk motstand, elektrisk ledningsevne, magnetiske egenskaper, styrke og varmemotstand.

Lysbilde 4

Videre, ifølge observasjoner, overgår nye materialer oppnådd ved bruk av nanoteknologi betydelig deres analoger i mikrometerskala i deres fysiske, mekaniske, termiske og optiske egenskaper.

Lysbilde 5

Lysbilde 6: Nanokjemi

Med utviklingen av nye metoder for å studere stoffets struktur, ble det mulig å få informasjon om partikler som inneholder små (< 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.

Lysbilde 7: Partikler av for eksempel metaller ≤ 1 nm i størrelse inneholder omtrent 10 atomer, som danner en overflatepartikkel som ikke har volum og er svært kjemisk aktiv

Klassifisering av partikler etter størrelse Fysisk-kjemiske egenskaper begynner å bli beskrevet av antall atomer

Lysbilde 8: Nanokjemi er et felt som studerer produksjonen, strukturen, egenskapene og reaktiviteten til partikler og sammenstillinger dannet av dem, som i minst én dimensjon har en størrelse på ≤ 10 nm

En idé om størrelseseffekter vises; egenskaper avhenger av antall atomer eller molekyler i en partikkel. Nanopartikler kan betraktes som mellomformasjoner mellom individuelle atomer på den ene siden og et fast legeme på den andre. Arrangementet av atomer i strukturen dannet av nanopartikler er viktig. Fasebegrepet er mindre tydelig uttrykt.

Lysbilde 9

Lysbilde 10: I nanokjemi dukker det opp spørsmål knyttet til terminologi

Den 7. internasjonale konferansen om nanostrukturerte materialer (Wiesbaden, 2004) foreslo følgende klassifisering: nanoporøse faste stoffer, nanopartikler, nanorør og nanofibre, nanodispersjoner, nanostrukturerte overflater og filmer, nanokrystallinske materialer

Lysbilde 11

Lysbilde 12

Lysbilde 13: Fortsettelse av tabell 10

Surt regn Søker etter alternative energikilder (vegring fra å brenne fossilt brensel, bruk av naturlige kilder); øke effektiviteten til enheter drevet av solenergi Nye brenselceller Redusere eller eliminere utslipp av svovel- og nitrogenoksider fra transport- og industriinstallasjoner

Lysbilde 14

Lysbilde 15

Det forventes at nanoenergi vil øke effektiviteten til solenergikonvertering og lagringssystemer. Katalysatorer basert på nanopartikler. Porøse karbonmaterialer brukes som molekylsikter, sorbenter og membraner. Målet er å oppnå strukturer med høy spesifikk evne til å absorbere gasser (spesielt hydrogen eller metan). Dette er grunnlaget for utviklingen av en ny type brenselceller som sikrer miljøvennlig transport og kraftverk.

Lysbilde 16: Katalysatorer og sorbenter i nanostørrelse

Katalyse på nanoskala fører til både en økning i aktiviteten til katalysatoren og dens selektivitet, og til regulering av kjemiske reaksjonsprosesser og egenskapene til sluttproduktet. Denne muligheten oppstår ikke bare ved å endre størrelsen på nanoclusterne som er inkludert i katalysatoren og det spesifikke overflatearealet, men også på grunn av fremveksten av nye dimensjonale egenskaper og kjemisk sammensetning av overflaten.

Lysbilde 17

Lysbilde 18

Lysbilde 19

Lysbilde 20: Fotokatalytisk aktivitet av TiO 2. Prosesser som involverer oppløst oksygen

Lysbilde 21: Gull nanoclusters

Som et eksempel kan vi vurdere forekomsten av katalytisk aktivitet av gullklynger med størrelser på 3–5 nm, mens bulkgull ikke er aktivt. Dermed katalyserer gullnanokluster avsatt på et aluminiumoksidsubstrat effektivt oksidasjonen av CO ved lave temperaturer ned til -70 °C, og har også høy selektivitet i reduksjonsreaksjonene av nitrogenoksider ved romtemperatur. Slike katalysatorer er effektive for å eliminere lukt i lukkede rom.

Lysbilde 22

Lysbilde 23

Lysbilde 24

I USA forventes det i nær fremtid kommersiell produksjon av metalloksid-nanoklynger for desinfeksjon av kjemiske krigføringsmidler, for å beskytte hæren og befolkningen under terrorangrep, samt svært porøse nanokompositter i form av tabletter eller granulat for luftrensing og desinfeksjon, for eksempel i fly, brakker osv. d.

Lysbilde 25: Polymer nanofibre

Produksjonen av polymer nanofibre med en diameter på mindre enn 100 nm er i ferd med å bli utbredt. Disse fibrene brukes til å lage såkalte aktive klær, som fremmer selvheling av sår og gir diagnose av tilstander med oppfatning av kommandoer utenfra, dvs. fungerer også i sensormodus.

Lysbilde 26: Bioaktive filtre

Bioaktive filtre er laget basert på nanofibre. Dermed har de amerikanske selskapene Argonide og NanoCeram lansert produksjon av fibre med en diameter på 2 nm og en lengde på 10–100 nm fra mineralet boehmitt (AlOOH). På grunn av det store antallet hydroksylgrupper absorberer disse fibrene, kombinert til større aggregater, aktivt negativt ladede bakterier, virus, ulike uorganiske og organiske fragmenter og sikrer derved effektiv vannrensing, samt sterilisering av medisinske serum og biologiske medier.

Lysbilde 27: Utviklingsprognose for nanoteknologi

Gjeldende bruksområder: termisk beskyttelse, optisk beskyttelse (synlig og UV), selvrensende briller, fargede briller, solskjermer, pigmenter, skriverblekk, kosmetikk, slipende nanopartikler, opptaksmedier.

Lysbilde 28

2) Perspektiv 1–5 år: identifikasjon og påvisning av forfalskninger blant sedler, dokumenter, etiketter på ulike varer, deler av biler og mekanismer, etc., påføring av åpne og hemmelige fargemerker, avslørt av belysning, kjemiske og biologiske sensorer, diagnose av sykdommer og genterapi, målrettet transport av legemidler, selvlysende tags for biologisk screening, medisinske klær, bruk av spesialkoder, nanokomposittmaterialer for transport, lettvekts- og anti-korrosjonsmaterialer for luftfartsindustrien, nanoteknologi for matproduksjon, lys-justerbare og emitterende lasere, inkludert fotoelektrokjemiske dioder, elektromekaniske aktivatorer.

Lysbilde 29

3) Perspektiv 6–10 år: flatskjermer, solceller og batterier, termioniske enheter for mikroroboter og nanoroboter, informasjonslagringsenheter, enheter for overvåking og desinfisering av objekter og miljø, nanokatalysatorer med høy produktivitet og selektivitet, bruk av nanoteknologi for produksjon av proteser og kunstige organer. 4) Perspektiv 10–30 år: enkeltelektronenheter, kvantedatamaskiner.

Lysbilde 30: Karbonbaserte nanopartikler

Allotropiske modifikasjoner er forskjellige strukturelle former for ett element. Utbredte modifikasjoner av karbon er grafitt og diamant, og karbyn er også kjent. Karbon har evnen til å lage kjemisk stabile todimensjonale membraner ett atom tykt i den tredimensjonale verden. Denne egenskapen til karbon er viktig for kjemi og teknologisk utvikling generelt.

Lysbilde 31: Fullerener - nye allotropiske modifikasjoner av karbon

I 1985 skjedde en viktig oppdagelse i kjemien til et av de mest studerte elementene - karbon. Forfatterteam: Croteau (England), Heath, O'Brien, Curl og Smalley (USA), som studerer massespektrene til grafittdamp oppnådd ved laserbestråling (pulsert eksimerlaser ArF, λ = 193 nm, energi 6,4 eV) av fast stoff prøve, fant topper tilsvarende massene 720 og 840. De antok at disse toppene tilsvarer individuelle molekyler C 60 og C 70.

Lysbilde 32: Fulleren C 60 tilhører de sjeldne kjemiske strukturene som har den høyeste punktsymmetrien, nemlig symmetrien til ikosaederet I h

Det sfæriske skallet på 60 atomer er dannet av fem- og seksleddede ringer. Hver fem-leddet syklus er koblet til fem seks-leddede. Molekylet har ikke femleddede ringer koblet til hverandre. Det er totalt 12 femkanter og 20 sekskanter i molekylet. I 1996 ble Croto, Curl og Smalley tildelt Nobelprisen i kjemi for oppdagelsen, utviklingen av produksjonsmetoder og forskningen på fullerener, og Nobelkomiteen sammenlignet denne oppdagelsen i betydning med ikke mindre enn oppdagelsen av Amerika av Columbus.

Lysbilde 33

Ris. 2. Isomer C 60 i form av en "kolbe". De skraverte områdene viser forskyvningen av  -elektronskyen i forhold til atomene til molekylet som danner den laterale overflaten av strukturen

Lysbilde 34: Molekylene ble kalt fullerener etter arkitekten Fuller, forfatteren av mesh openwork-strukturer (US Pavilion på EXPO 67 World Exhibition i Montreal, etc.)

Lysbilde 35: Massespekters avhengighet av klyngeforhold

Den relative intensiteten til C60-toppen ble funnet å avhenge av forholdene, og øker med økende temperatur. Derfor må isomeren (eller isomerene) som er ansvarlige for den høye toppintensiteten ha økt kjemisk stabilitet for å "overleve" det økende antallet kollisjoner. Isomerer med dinglende karbonbindinger vil være svært reaktive og vil ikke overleve kollisjoner. Rollen til kjemisk aktive kollisjoner manifesteres i det faktum at bare fullerener med et jevnt antall karbonatomer (C 60, C 70, etc.) observeres i massespektrene.

Nanovitenskap er samlingen av kunnskap om egenskapene til materie på nanometer* skala; nanomaterialer er materialer som inneholder strukturelle elementer hvis geometriske dimensjoner i minst én dimensjon ikke overstiger 100 nm, og som har kvalitativt nye egenskaper, funksjons- og ytelsesegenskaper; nanoteknologi - evnen til målrettet å lage objekter (med forhåndsbestemt sammensetning, størrelse og struktur) i området omtrent nm * 1 nanometer (nm) = 10 -9 m

"Nanoteknologi er et sett med metoder og teknikker som gir muligheten til å lage og modifisere objekter på en kontrollert måte, inkludert komponenter med størrelser mindre enn 100 nm, minst i én dimensjon, og som et resultat av dette mottar fundamentalt nye kvaliteter som tillate deres integrering i fullt fungerende storskalasystemer i en bredere forstand, dette begrepet dekker også metoder for diagnose, karakterologi og forskning av slike objekter." Federal Agency for Science and Innovation i "Konsept for utvikling av arbeid innen nanoteknologi i Russland frem til 2010"

1959 - Richard Feynman: "Det er god plass under ..." - pekte på de fantastiske utsiktene som produksjonen av materialer og enheter på atom- og molekylnivå lover 1974 - Den japanske vitenskapsmannen Taniguchi brukte først begrepet "nanoteknologi" 1986 - Amerikanske Drexler gir ut boken "Machines of Creation: The Coming of the Nanotechnology Era"

1985 - en ny form for karbon ble identifisert - klynger C60 og C70, kalt fullerener (verk av nobelprisvinnerne N. Croto, R. Kerlu, R. Smalley) - den japanske forskeren S. Ishima oppdaget karbon-nanorør i produktene av elektrisk lysbuefordampning av grafitt

...Hvis i stedet for å ordne atomer i rekkefølge, linje for linje, kolonne for kolonne, selv i stedet for å konstruere intrikate molekyler av lukten av fioler av dem, hvis vi i stedet ordner dem hver gang på en ny måte, og diversifiserer mosaikken deres, uten gjenta det som allerede har skjedd - forestill deg hvor mange uvanlige, uventede ting som kan oppstå i oppførselen deres. R.P. Feynman

Når det gjelder utviklingen av nanoteknologi, tas vanligvis tre retninger i betraktning: produksjon av elektroniske kretser (inkludert volumetriske) med aktive elementer av størrelser som kan sammenlignes med de til molekyler og atomer; utvikling og produksjon av nanomaskiner, d.v.s. mekanismer og roboter på størrelse med et molekyl; direkte manipulering av atomer og molekyler og sammensetting av alt som eksisterer fra dem.

O fotoniske krystaller, oppførselen til lys som er sammenlignbar med oppførselen til elektroner i halvledere. Basert på dem er det mulig å lage enheter med høyere ytelse enn deres halvlederanaloger; o uordnede nanokrystallinske medier for lasergenerering og produksjon av laserskjermer med høyere lysstyrke (2-3 størrelsesordener høyere enn konvensjonelle lysdioder) og stor visningsvinkel; o funksjonell keramikk basert på litiumforbindelser for solid-state brenselceller, oppladbare solid state-strømkilder, sensorer av gass og flytende medier for drift under tøffe teknologiske forhold; o kvasikrystallinske nanomaterialer, som har en unik kombinasjon av økt styrke, lav friksjonskoeffisient og termisk stabilitet, som gjør dem lovende for bruk i maskinteknikk, alternativ og hydrogenenergi; o Hovedklasser av nanomaterialer og nanostrukturer

Strukturelle nanostrukturerte harde og holdbare legeringer for skjæreverktøy med økt slitestyrke og slagfasthet, samt nanostrukturerte beskyttende termiske og korrosjonsbestandige belegg; o polymerkompositter med fyllstoffer laget av nanopartikler og nanorør, som har økt styrke og lav brennbarhet; o biokompatible nanomaterialer for å lage kunstig hud, fundamentalt nye typer bandasjer med antimikrobiell, antiviral og antiinflammatorisk aktivitet; o pulver i nanostørrelse med økt overflateenergi, inkludert magnetiske, for spredningsforsterkning av legeringer, for å lage minneelementer for lyd- og videosystemer, tilsetningsstoffer for gjødsel, fôr, magnetiske væsker og maling;

O organiske nanomaterialer som har mange egenskaper som er utilgjengelige for uorganiske stoffer. Organisk nanoteknologi basert på selvorganisering gjør det mulig å lage lagdelte organiske nanostrukturer, som er grunnlaget for organisk nanoelektronikk og å konstruere modeller av biomembraner av celler til levende organismer for grunnleggende studier av deres funksjonsprosesser (molekylær arkitektur); o polymer nanokompositt og filmmaterialer for ikke-lineære optiske og magnetiske systemer, gasssensorer, biosensorer, flerlags komposittmembraner; o beleggpolymerer for beskyttende passivering, antifriksjon, selektive, antireflekterende belegg; o polymer nanostrukturer for fleksible skjermer; o todimensjonale ferroelektriske filmer for ikke-flyktige lagringsenheter; o flytende krystall nanomaterialer for svært informative og ergonomiske typer skjermer, nye typer flytende krystallskjermer (elektronisk papir).

Mange egenskaper til stoffer (smeltepunkt, båndgapbredde i halvledere, restmagnetisme) bestemmes hovedsakelig av størrelsene på krystaller i nanometerområdet. Dette åpner for muligheten for overgang til en ny generasjon materialer, hvis egenskaper endres ikke ved å endre den kjemiske sammensetningen av komponentene, men ved å justere størrelsen og formen.

For å bruke forhåndsvisninger av presentasjoner, opprett en Google-konto og logg på den: https://accounts.google.com

Lysbildetekster:

Nanoteknologi og deres applikasjoner

Formålet med det vitenskapelige arbeidet er å karakterisere nanoteknologi på en omfattende måte, under hensyntagen til spesifikasjonene og alle funksjonene til dette feltet av anvendt vitenskap.

Målet med denne studien er nanoteknologi som et vitenskaps- og teknologifelt, og emnet er funksjonene ved anvendelsen av nanoteknologi.

Hovedmålene for arbeidet inkluderer: 1. Definisjon av begrepet "nanoteknologi". 2. Betraktning av historien til utviklingen av nanoteknologi i verden generelt og i Russland spesielt. 3. Avklaring av det anvendte aspektet ved nanoteknologi, det vil si funksjonene ved bruk i ulike bransjer. 4. Analyse av muligheter, metoder og metoder for å anvende nanoteknologi. 5. Identifikasjon av teknologiske trekk ved bruken av nanoteknologi. 6. Indikasjon og prognose av utsikter for utvikling av nanoteknologi i Russland.

Nanoteknologi er et sett med metoder og teknikker som gir muligheten til å lage og modifisere objekter på en kontrollert måte, inkludert komponenter med dimensjoner mindre enn 100 nm, som har fundamentalt nye kvaliteter og tillater deres integrering i fullt fungerende systemer i større skala.

Den greske filosofen Democritus kan betraktes som nanoteknologiens far. Rundt 400 f.Kr. Han brukte først ordet «atom», som betyr «uknuselig» på gresk, for å beskrive den minste materiepartikkelen. Et eksempel på den første bruken av nanoteknologi er oppfinnelsen av fotografisk film i 1883 av George Eastman, som senere grunnla det berømte selskapet Kodak.

Anvendelse av nanoteknologi. Nanoelektronikk og nanofotonikk Et av de mest lovende bruksområdene for nanoteknologi er datateknologi. Nanofotonikkselskaper utvikler høyt integrerte optiske kommunikasjonskomponenter ved bruk av nanooptikk og nanofabrikasjonsteknologier. Denne tilnærmingen til produksjon av optiske komponenter gjør det mulig å fremskynde produksjonen av deres prototyper, forbedre tekniske egenskaper, redusere størrelse og redusere kostnadene.

Nanoenergi solcellebatterier.

Batterier og akkumulatorer Toshiba har utviklet et litium-ion-batteri basert på nanomaterialer som lades omtrent 60 ganger raskere enn et konvensjonelt batteri. På ett minutt kan den fylles til 80%.

Nanomedisin Nanostrukturerte materialer. For tiden er det gjort fremskritt i produksjonen av nanomaterialer som imiterer naturlig benvev. 2. Nanopartikler. Utvalget av mulige bruksområder er ekstremt bredt. Det inkluderer kampen mot virussykdommer som influensa og HIV, kreft og karsykdommer.

3. Mikro- og nanokapsler. Miniatyr (~1 µm) kapsler med nanoporer kan brukes til å levere medikamenter til ønsket sted i kroppen. 4. Nanoteknologiske sensorer og analysatorer. En slik enhet, som er i stand til å oppdage bokstavelig talt individuelle molekyler, kan brukes til å bestemme sekvensen av DNA-baser eller aminosyrer, oppdage patogener av infeksjonssykdommer og giftige stoffer.

5. Skannemikroskoper er en gruppe enheter som er unike i sine evner. De lar deg oppnå tilstrekkelig forstørrelse til å se individuelle molekyler og atomer. 6. Nanoverktøy. Et eksempel er skanningsprobemikroskoper, som lar deg flytte alle objekter ned til atomer.

Nanokosmetikk For flere år siden lanserte L'Oreal den berømte Revitalift-kremen som inneholder Pro-Retinol A nanosomer, og ifølge selskapet absorberes denne kremen mye bedre inn i huden enn kremer fra andre merker, på grunn av spesielle mikropartikler

Nanoteknologi for lett industri Nanomaterialer i tekstiler. Tekstiler basert på nanomaterialer får unik vanntetthet, smussavstøtende, termisk ledningsevne, evnen til å lede elektrisitet og andre egenskaper.

Produksjonen av tekstiler med innebygde sensorer vil tillate overvåking av tilstanden til menneskekroppen. Dette vil helt sikkert åpne for nye muligheter innen medisinsk praksis, sport og livsstøtte under ekstreme forhold.

Nanoteknologier for landbruk og næringsmiddelindustri Nanoteknologier brukes allerede til å desinfisere luft og ulike materialer, inkludert fôr og ferdige husdyrprodukter; behandle frø og avlinger for å bevare dem. De brukes til å stimulere plantevekst; behandling av dyr; forbedre fôrkvaliteten