MIOO MPGU Centrul Educațional și Științific pentru Funcționale și Nanomateriale Metodologie pentru formarea ideilor elevilor despre nanotehnologii în școlile secundare
Nume de secole... Materialele folosite sunt unul dintre principalii indicatori ai culturii tehnice a unei societati. Acest lucru s-a reflectat în numele secolelor „Epoca de piatră”, „Epoca bronzului”, „Epoca fierului”. Secolul al XX-lea va fi numit probabil secolul nanomaterialelor și biomaterialelor multifuncționale.
a – membrana de cale (AFM); b – fire de dimensiuni micronice (structuri secundare) la un microscop electronic.
În stânga este o diagramă a structurii unui material nanocristalin; în dreapta este un complex de case al arhitectului Frank Owen Gerry (Dusseldorf)
Geamuri metalice Primul aliaj în stare amorfă a fost obținut de P. Daveza în 1960 (aliaj aur-siliciu în stare eutectică Au 75 Si 25) la Institutul de Tehnologie din California
Aliaje de metal amorfe în vrac Aliaje pe bază de Zr, Ti, precum și Al și Mg cu adaos de La și metale de tranziție. Viteza de răcire scăzută (1 – 500 K/s) permite obținerea de produse relativ groase (până la 40 mm)
Utilizarea materialelor nanocristaline Aliajele nanocristaline rezistente la căldură sunt promițătoare pentru fabricarea palelor unei noi generații de turbine cu gaz ale motoarelor cu reacție. Nanomaterialele ceramice sunt folosite atât în inginerie aerospațială, cât și pentru fabricarea de protetice în ortopedie și stomatologie.
Utilizarea materialelor nanocristaline Adăugarea de aluminiu nanocristalin la combustibilul pentru rachete poate accelera procesul de ardere de 15 ori.
Aliajele nanofază (nanocristaline) au fost descoperite pentru prima dată în probele de sol lunar. Ele sunt încă produse în cantități mici
Compozite Un material compozit, un compozit, este un material eterogen format din două sau mai multe componente (componente) și există o interfață aproape clară între componente. Caracterizat prin proprietăți care nu sunt posedate de niciunul dintre componente luate separat
NANOCOMPOZITE În nanocompozite, cel puțin o componentă are nanodimensiuni.Se pierde semnificația clasică a interfeței matrice-umplutură.
Materiale funcționale (vele solare japoneze în imagine) Materialele funcționale pot fi definite ca materiale ale căror proprietăți sunt aranjate sau proiectate astfel încât să poată satisface un scop specific (funcția executivă) într-o manieră controlată. Aceasta și următoarea fotografie arată pânze solare japoneze
Acoperiri cu polimeri metalizat Produsele metalizate cu peliculă subțire sunt concepute pentru a înlocui structurile grele de oglindă. Astfel de materiale sunt utilizate pe scară largă pe nave spațiale ca acoperiri de stabilizare a oxidării termice, reflectoare sau colectoare de energie luminoasă și pentru transmiterea informațiilor optice. Materialele pe bază de poliimidă au o serie de avantaje ca film de matrice
Filme PI metalizate chimic Filmele metalizate chimic pot fi clasificate ca materiale funcționale noi, având în vedere reflectivitate crescută și conductivitate bună a suprafeței. Proprietățile unor astfel de filme au fost studiate în cadrul grantului științific internațional NATO Sf. P (Science for Peace) Nr. 978013 În timpul metalizării chimice, se formează un gradient de strat de suprafață în conținutul de nanoparticule de metal. De fapt, este un nanocompozit polimer/metal
Materiale „inteligente” Din clasa materialelor funcționale se pot distinge materialele active sau „inteligente”. Materialele „inteligente” sau „inteligente” trebuie să își schimbe în mod eficient și independent proprietățile în circumstanțe neprevăzute sau când se schimbă modul de funcționare al dispozitivului.
Materiale funcționale ale viitorului În ceea ce privește materialele „inteligente” dezvoltate de oameni, sarcina futurologică este de a crea materiale hiperfuncționale care în unele aspecte depășesc capacitățile organelor biologice individuale.
Motivele apariției materialelor și dispozitivelor „inteligente” Nevoia de materiale inteligente este cauzată de faptul că mecanismele și dispozitivele moderne devin vulnerabile, pe de o parte, din cauza complexității lor, pe de altă parte, din cauza condițiilor de funcționare din ce în ce mai dure. : medii diferite, radiații, viteze mari de mișcare etc. Specialiștii în tehnologie militară caracterizează sec operatorul uman drept „un obiect cu viteză redusă și o limitare semnificativă a capacităților psihofiziologice”.
Metamaterialele Un loc special printre materialele funcționale îl ocupă metamaterialele, ale căror proprietăți sunt determinate în principal de caracteristicile de proiectare, mai degrabă decât de compoziția chimică. În dreapta este o tijă într-un pahar gol, cu apă și un material cu indice de refracție negativ.
Primul metamaterial cu indice negativ În 2000, David Smith de la Universitatea din California, San Diego a creat primul material cu indice negativ pentru unde electromagnetice la 10 gigaherți din foi de plasă de cupru dispuse în straturi
Problema invizibilitatii In 2006, savantul britanic John Pendry a aratat teoretic ca daca un obiect este plasat in interiorul unui superlentil special conceput dintr-un material cu indice de refractie negativ, atunci acest obiect va deveni invizibil pentru un observator din afara.
În august 2008, două grupuri de oameni de știință au creat două metamateriale noi cu indice de refracție negativ.Primul material constă din mai multe straturi alternative de argint și fluorură de magneziu, în care sunt făcute găuri de mărime nanometrică. Al doilea folosește oxid de aluminiu poros; în interiorul cavităților sale, printr-un proces special, se cultivă nanopinuri de argint, situate la o distanță mai mică decât lungimea de undă a luminii.
Material termoizolant Aspens Pyrogel AR 5401 [N]. Temperatura arzătorului cu gaz de mai jos este de 1000 0 C
Vehicul aerian fără pilot Polecat, aripă zburătoare cu o deschidere de 28 de metri, Lockheed Martin, imprimată 3D
Nanofiltru format din molecule de antrachinonă pe o suprafață de cupru. Fiecare celulă conține aproximativ 200 de molecule
NANOMATERIALE HIBRIDE Nanomaterialele hibride, compozite la nivel molecular, formate din componente anorganice, organice și biologice, sunt foarte promițătoare. Dintre acestea din urmă se remarcă DNA
COMPLEMENTARE O caracteristică a nanostructurilor biologice este complementaritatea, capacitatea de a recunoaște la nivel molecular (ADN, anticorpi etc.). Această capacitate stă la baza funcționării biosenzorilor, dar poate fi folosită și pentru auto-asamblarea nanostructurilor, care este un punct cheie în procesele de jos în sus.
„Arcuri” proteice Repetările nirinei constau din module tandem de aproximativ 33 de aminoacizi. Structura lor atomică este foarte neobișnuită și constă în scurte transformări alfa antiparalele care se autoasamblează în elice. Datorită acestei structuri, repetele anchirinei se pot recupera rapid după întindere. O se găsește în peste 400 de proteine din corpul uman. Ele se găsesc în celulele paroase ale urechii interne, unde joacă un rol important în transformarea semnalelor acustice în semnale electrice. Proteinele anchirine reglează, de asemenea, schimbul de ioni în membrana mușchiului cardiac.
Structuri supramoleculare, chimie supramoleculară Termenul a fost introdus în 1978 de remarcabilul chimist francez, laureat al Premiului Nobel în 1987 J. -M. Len și definit de el ca „chimie dincolo de moleculă, care descrie formațiuni complexe care sunt rezultatul asocierii a două (sau mai multe) particule chimice legate între ele de forțe intermoleculare”. Dezvoltarea chimiei supramoleculare se datorează în mare măsură naturii sale interdisciplinare (chimie organică și de coordonare, chimie fizică, biologie, fizica materiei condensate, microelectronică etc.)
Sisteme supramoleculare Ierarhia este construită astfel: atomi - molecule - sisteme supramoleculare - sisteme biologice. Sistemele supramoleculare sunt o punte între materia nevii și cea vie.
În partea de sus - tipuri de structuri supramoleculare; mai jos este o diagramă a auto-asamblarii unei rețele de șase molecule liniare și nouă ioni de argint
POLIMERI HIBRIZI BIOMIMETIC, „HIMERE MOLECULARE” Polimeri ale căror macromolecule conțin atât blocuri naturale, cât și sintetice. Astfel de polimeri sunt capabili să formeze ansambluri supramoleculare complexe cu o serie de proprietăți funcționale specifice. Crearea lor este considerată o modalitate strategică de a proiecta nanomateriale „inteligente”.
Noul rol al modelării computerizate „...se realizează potențialul modelelor de a prezice proprietăți care se află dincolo de granițele experimentului modern” Academician M. V. Alfimov
Simularea pe calculator Principala problemă cu toate aceste calcule este natura mecanică cuantică a proprietăților nanoparticulelor. După cum se aplică atomilor și moleculelor individuale, au fost dezvoltate aparatele teoretice și metodele numerice corespunzătoare. Pentru sistemele macroscopice a fost utilizată o metodă statistică. Dar numărul de atomi din nanoparticule este de obicei prea mic pentru metodele statistice și, în același timp, prea mare pentru modelele cuantice simple.
Producția de materiale noi Conform prognozei, din totalul pieței anuale a produselor nanotehnologice în perioada 20015-2020 (2 trilioane de dolari), 340 de miliarde de dolari vor proveni din materiale noi care nu pot fi produse prin metode tradiționale.
Din analiza expertizelor specialiștilor rezultă că în următorii 20 de ani, 90% din materialele moderne folosite în industrie vor fi înlocuite cu altele noi, în special cele „inteligente”, care vor face posibilă crearea unor elemente structurale care va determina progresul tehnic al secolului XXI.
Literatură M. V. Alfimov, Nanotehnologie. Rolul modelării computerizate, editorial, jurnal Nanotehnologii rusești, vol. 2, nr.7-8, 2007. D. Dixon, P. Cummings, K. Hess, Teoria și modelarea nanostructurilor, în carte. Nanotehnologie în următorul deceniu. Prognoza direcțiilor de cercetare, ed. M. K. Roko, R. S. Williams, P. Alivasatos, M., MIR, 2002, p. 48-
Literatură (continuare) A. I. Gusev, Nanomateriale, nanostructuri, nanotehnologii, M., Fizmatlit, 2005, 416 p. 2. N. P. Lyakishev, Structuri nanocristaline - o nouă direcție în dezvoltarea materialelor structurale, Buletinul Academiei Ruse de Științe, vol. 73, nr. 5, 2003, p. 422 D. I. Ryzhonkov, V. V. Levina, E. L. Dzidziguri, Nanomaterials, M., BINOM. Laboratorul de cunoștințe, 365 p.
Student 1 1 -Clasa B
Scoala de invatamant general //-/// nivelele Nr 41
Kolosov Nikita Conducător: profesor de fizică Minaeva I.A.
Nanotehnologia: loc printre alte științe
NANOTEHNOLOGIE
Chimie, fizică atomică și nucleară
Astronomie
păr
acarienii de praf
celulă
continent
planete
Pământ
atomi
Uman
Științe sociale
Geologie
Biologie
Putem face ca nanolumul să funcționeze pentru noi !!!
De ce este „nanotehnologia” interesantă?
bacteriofag
bacteriofag
Particulă Au , înconjurat de altele mai mici
Particulă Au , înconjurat de altele mai mici
Virusul gripal
Virusul gripal
Nanolume trăiește în noi și lucrează pentru noi !!!
Mozaic de 1 nm C 60
Principalele etape ale dezvoltării nanotehnologiei:
Laureatul Premiului Nobel din 1959 Richard Feynman declară că în viitor, învățând să manipuleze atomii individuali, omenirea va putea sintetiza orice. 1981 Crearea de către Binig și Rohrer a unui microscop cu scanare tunel - un dispozitiv care permite impactul asupra materiei la nivel atomic. 1982-85 Atingerea rezoluției atomice. 1986 Crearea unui microscop de forță atomică, care, spre deosebire de un microscop tunel, permite interacțiunea cu orice materiale, nu doar cu cele conductoare. 1990 Manipularea unui singur atom. 1994 Începerea aplicării metodelor nanotehnologice în industrie.
Medicament .
Crearea de medici robotici moleculari care ar „trăi” în interiorul corpului uman, eliminând sau prevenind toate daunele care apar, inclusiv cele genetice. Perioada de implementare este prima jumătate a secolului XXI.
Globule roșii și bacterii - purtători de nanocapsule cu medicamente
Metodă de livrare a nanoparticulelor cu medicamente sau fragmente de ADN (gene) pentru tratamentul celular
Globulele roșii cu nanocapsule lipite de ele, capabile să se lipească doar de anumite tipuri de celule (bolnave), vor livra aceste capsule celulelor primitoare.
Gerontologie.
Realizarea nemuririi personale a oamenilor prin introducerea în organism a roboților moleculari care previn îmbătrânirea celulară, precum și restructurarea și îmbunătățirea țesuturilor corpului uman. Reînvierea și vindecarea acelor oameni fără speranță care erau în prezent înghețați prin metode crionice. Perioada de implementare: al treilea - al patrulea sfert al secolului XXI.
Industrie.
Înlocuirea metodelor tradiționale de producție cu roboți moleculari care asambla bunuri de larg consum direct din atomi și molecule. Perioada de implementare: începutul secolului XXI
Nanotuburile fac materialele polimerice mai puternice
- Perspectivele pentru utilizarea nanotehnologiei în industria auto nu sunt în totalitate clare astăzi. Cu toate acestea, este încurajator faptul că nanomaterialele sunt deja folosite în industria auto, deși majoritatea sunt încă în stadiul de dezvoltare a designului. Producătorii de mașini au acumulat deja destul de multă experiență în acest domeniu.
Nanohairs fac suprafata curata.
În stânga - o picătură nu udă suprafața formată din nanopăr și, prin urmare, nu se răspândește peste ea. În dreapta este o reprezentare schematică a unei suprafețe asemănătoare unei perii de masaj; theta este unghiul de contact, a cărui valoare indică umecbilitatea suprafeței: cu cât teta este mai mare, cu atât umecbilitatea este mai mică.
Agricultură.
Înlocuirea producătorilor naturali de alimente (plante și animale) cu complexe similare funcțional de roboți moleculari. Ele vor reproduce aceleași procese chimice care au loc într-un organism viu, dar într-un mod mai scurt și mai eficient.
De exemplu, din lanț „sol – dioxid de carbon – fotosinteză – iarbă – vacă – lapte” vor fi eliminate toate legăturile inutile. Ceea ce va rămâne este „sol - dioxid de carbon - lapte (brânză de vaci, unt, carne)". O astfel de „agricultura" nu va depinde de condițiile meteorologice și nu va necesita muncă fizică grea. Iar productivitatea sa va fi suficientă pentru a rezolva problema alimentară odată pentru totdeauna.
Perioada de implementare: al doilea - al patrulea sfert al secolului XXI.
Biologie
Va deveni posibilă introducerea nanoelementelor într-un organism viu la nivel atomic. Consecințele pot fi foarte diferite - de la „restaurarea” speciilor dispărute până la crearea de noi tipuri de ființe vii și bioroboți. Perioada de implementare: mijlocul secolului XXI.
Nanotehnologia în știința criminalistică.
Amprenta de pe hârtie este aceeași după ce contrastează cu nanoparticulele de aur lipite de semnele de caneluri grase lăsate pe hârtie.
Ecologie
Eliminarea completă a efectelor nocive ale activităților umane asupra mediului.
- În primul rând, datorită saturației ecosferei cu asistente robotizate moleculare, transformând deșeurile umane în materii prime;
- Și în al doilea rând, prin transferul industriei și agriculturii către metode nanotehnologice fără deșeuri. Perioada de implementare: mijlocul secolului XXI.
Explorarea spațiului
Aparent, explorarea spațiului în ordinea „obișnuită” va fi precedată de explorarea sa de către nanoroboți.
O armată uriașă de molecule robotice va fi eliberată în spațiul din apropierea Pământului și o va pregăti pentru așezarea umană - faceți locuibili Luna, asteroizii și planetele din apropiere și construiți stații spațiale din „materiale de supraviețuire” (meteoriți, comete).
Va fi mult mai ieftin și mai sigur decât metodele actuale.
Cibernetică
Va exista o tranziție de la structurile plane existente în prezent la microcircuite volumetrice, iar dimensiunile elementelor active vor scădea până la dimensiunea moleculelor. Frecvențele de funcționare ale calculatoarelor vor atinge valori de teraherți. Soluțiile de circuit bazate pe elemente asemănătoare neuronilor vor deveni larg răspândite. Va apărea o memorie pe termen lung de mare viteză, bazată pe molecule de proteine, a cărei capacitate va fi măsurată în terabytes. Va deveni posibil „relocarea” inteligenței umane într-un computer. Perioada de implementare: primul - al doilea sfert al secolului XXI.
Afișaj flexibil cu nanotuburi.
matrice de afișare flexibilă bazată pe nanotuburi;
display flexibil cu Leonardo de Vinci.
Siguranța nanotehnologiei?
Cel puțin 300 de tipuri de produse de larg consum, inclusiv creme de protecție solară, paste de dinți și șampoane, sunt fabricate folosind nanotehnologie. În prezent, FDA le permite să fie vândute fără o etichetă specială „Conține nanoparticule”. În același timp, mulți cercetători susțin că astfel de nanoparticule, atunci când pătrund în interior, pot provoca reacții inflamatorii sau imunologice. Prin urmare, într-o oarecare măsură, intrând în era nanotehnologiei, ne punem în locul cobaii experimentali.
Nanotehnologia este în preajma noastră de mult timp
Acoperire antimicrobiană a nanoparticulelor de TiO2 și Ag
Foi cu nanoparticule Ag cu efecte bactericide si antifungice
Pansamente antimicrobiene pentru plăgi cu nanoparticule de Ag cu efect bactericid
Cremă de protecție solară cu nanoparticule de ZnO - nelipicioasă și transparentă
O cutie care pulverizează o suspensie sterilizantă de nanoparticule Ag
Nanotehnologia poate fi definită ca un ansamblu de procese tehnice asociate cu manipularea moleculelor și atomilor pe scale de 1 – 100 nm.
Slide 2
Slide 3: Proprietățile nanoobiectelor
Multe obiecte din fizică, chimie și biologie au arătat că trecerea la nanonivel duce la modificări calitative ale proprietăților fizico-chimice ale compușilor și sistemelor individuale obținute pe baza acestora. Vorbim despre coeficientul de rezistență optică, conductivitate electrică, proprietăți magnetice, rezistență și rezistență la căldură.
Slide 4
Mai mult, conform observațiilor, noile materiale obținute folosind nanotehnologie depășesc semnificativ analogii lor la scară micrometrică în proprietățile lor fizice, mecanice, termice și optice.
Slide 5
Slide 6: Nanochimie
Odată cu dezvoltarea de noi metode de studiere a structurii materiei, a devenit posibilă obținerea de informații despre particulele care conțin mici (< 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.
Slide 7: Particulele, de exemplu, de metale cu dimensiunea ≤ 1 nm conțin aproximativ 10 atomi, care formează o particulă de suprafață care nu are volum și este foarte activă din punct de vedere chimic
Clasificarea particulelor după mărime Proprietățile fizico-chimice încep să fie descrise prin numărul de atomi
Slide 8: Nanochimia este un domeniu care studiază producția, structura, proprietățile și reactivitatea particulelor și ansamblurilor formate din acestea, care în cel puțin o dimensiune au o dimensiune ≤ 10 nm
Apare o idee a efectelor de dimensiune; proprietățile depind de numărul de atomi sau molecule dintr-o particulă. Nanoparticulele pot fi considerate formațiuni intermediare între atomi individuali, pe de o parte, și un corp solid, pe de altă parte. Aranjarea atomilor în structura formată din nanoparticule este importantă. Conceptul de fază este mai puțin clar exprimat.
Slide 9
10
Slide 10: În nanochimie, apar întrebări legate de terminologie
A 7-a Conferință Internațională pentru Materiale Nanostructurate (Wiesbaden, 2004) a propus următoarea clasificare: solide nanoporoase, nanoparticule, nanotuburi și nanofibre, nanodispersii, suprafețe și filme nanostructurate, materiale nanocristaline
11
Slide 11
12
Slide 12
13
Slide 13: Continuarea tabelului 10
Ploaie acide Căutări de surse alternative de energie (refuz de la arderea combustibililor fosili, utilizarea surselor naturale); creșterea eficienței dispozitivelor alimentate cu energie solară Pile de combustie noi Reducerea sau eliminarea emisiilor de sulf și oxizi de azot din instalațiile de transport și industriale
14
Slide 14
15
Slide 15
Este de așteptat ca nanoenergia să crească semnificativ eficiența sistemelor de conversie și stocare a energiei solare.Catalizatori pe bază de nanoparticule.Utilizarea materialelor nanoporoase. Materialele carbonice poroase sunt folosite ca site moleculare, adsorbanți și membrane. Scopul este de a obține structuri cu o capacitate specifică ridicată de absorbție a gazelor (în special, hidrogen sau metan). Aceasta este baza pentru dezvoltarea unui nou tip de celule de combustie care să asigure transport și centrale electrice ecologice.
16
Slide 16: catalizatori și adsorbanți nanozați
Cataliza la scară nanometrică duce atât la creșterea activității catalizatorului și a selectivității acestuia, cât și la reglarea proceselor de reacție chimică și a proprietăților produsului final. Această posibilitate apare nu numai prin modificarea dimensiunii nanoclusterelor incluse în catalizator și a suprafeței specifice, ci și datorită apariției unor noi proprietăți dimensionale și a compoziției chimice a suprafeței.
17
Slide 17
18
Slide 18
19
Slide 19
20
Slide 20: Activitatea fotocatalitică a TiO 2. Procese care implică oxigen dizolvat
21
Slide 21: Nanoclustere de aur
Ca exemplu, putem lua în considerare apariția activității catalitice a clusterelor de aur cu dimensiuni de 3-5 nm, în timp ce aurul în vrac nu este activ. Astfel, nanoclusterele de aur depuse pe un substrat de oxid de aluminiu catalizează eficient oxidarea CO la temperaturi scăzute până la –70 ° C și au, de asemenea, o selectivitate ridicată în reacțiile de reducere a oxizilor de azot la temperatura camerei. Astfel de catalizatori sunt eficienți în eliminarea mirosurilor în spațiile închise.
22
Slide 22
23
Slide 23
24
Slide 24
În Statele Unite, în viitorul apropiat, este așteptată producția comercială de nanoclustere de oxid de metal pentru dezinfecția agenților de război chimic, pentru a proteja armata și populația în timpul atacurilor teroriste, precum și nanocompozite foarte poroase sub formă de tablete sau granule pt. purificarea și dezinfecția aerului, de exemplu, în avioane, barăci etc. d.
25
Slide 25: Nanofibre polimerice
Producția de nanofibre polimerice cu un diametru mai mic de 100 nm este din ce în ce mai răspândită. Aceste fibre sunt folosite pentru a face așa-numita îmbrăcăminte activă, care promovează autovindecarea rănilor și oferă diagnosticarea stărilor cu perceperea comenzilor din exterior, i.e. funcționează și în modul senzor.
26
Slide 26: Filtre bioactive
Filtrele bioactive sunt create pe baza de nanofibre. Astfel, companiile americane Argonide și NanoCeram au lansat producția de fibre cu diametrul de 2 nm și lungimea de 10–100 nm din mineralul boehmite (AlOOH). Datorită numărului mare de grupări hidroxil, aceste fibre, combinate în agregate mai mari, absorb în mod activ bacteriile încărcate negativ, virușii, diverse fragmente anorganice și organice și asigură astfel purificarea eficientă a apei, precum și sterilizarea serurilor medicale și a mediilor biologice.
27
Slide 27: Prognoza dezvoltării nanotehnologiei
Aplicații curente: protecție termică, protecție optică (vizibilă și UV), ochelari cu autocurățare, ochelari colorați, ecrane solare, pigmenți, cerneluri de imprimantă, cosmetice, nanoparticule abrazive, medii de înregistrare.
28
Slide 28
2) Perspectivă 1–5 ani: identificarea și detectarea falsurilor între bancnote, documente, etichete ale diverselor mărfuri, piese de automobile și mecanisme etc., aplicarea de semne de culoare deschise și secrete relevate de iluminare, senzori chimici și biologici, diagnosticarea boli și terapie genetică, transport țintit de medicamente, etichete luminiscente pentru screening biologic, îmbrăcăminte medicală, aplicare de coduri speciale, materiale nanocompozite pentru transport, materiale ușoare și anticorozive pentru industria aviației, nanotehnologie pentru producția de alimente, reglabile și emițătoare de lumină lasere, inclusiv diode fotoelectrochimice, activatori electromecanici.
29
Slide 29
3) Perspectivă 6–10 ani: display-uri cu ecran plat, celule solare și baterii, dispozitive termoionice pentru microroboți și nanoroboți, dispozitive de stocare a informațiilor, dispozitive de monitorizare și dezinfectare a obiectelor și a mediului, nanocatalizatori de înaltă productivitate și selectivitate, utilizarea nanotehnologiei pentru fabricarea de proteze și organe artificiale. 4) Perspectivă 10–30 de ani: dispozitive cu un singur electron, calculatoare cuantice.
30
Slide 30: Nanoparticule pe bază de carbon
Modificările alotrope sunt forme structurale diferite ale unui element. Modificările pe scară largă ale carbonului sunt grafitul și diamantul, iar carbina este, de asemenea, cunoscută. Carbonul are capacitatea de a crea membrane bidimensionale stabile din punct de vedere chimic, cu o grosime de un atom în lumea tridimensională. Această proprietate a carbonului este importantă pentru chimie și dezvoltarea tehnologică în general.
31
Slide 31: Fulerene - noi modificări alotropice ale carbonului
În 1985, a avut loc o descoperire importantă în chimia unuia dintre cele mai studiate elemente - carbonul. Echipa de autori: Croteau (Anglia), Heath, O'Brien, Curl și Smalley (SUA), studiind spectrele de masă ale vaporilor de grafit obținuți prin iradiere cu laser (laser excimer pulsat ArF, λ = 193 nm, energie 6,4 eV) a solidului eșantion, au găsit vârfuri corespunzătoare maselor 720 și 840. Ei au presupus că aceste vârfuri corespund moleculelor individuale C 60 și C 70.
32
Slide 32: Fullerene C 60 aparține acelor structuri chimice rare care au cea mai mare simetrie punctuală, și anume simetria icosaedrului I h
Învelișul sferic de 60 de atomi este format din inele cu cinci și șase atomi. Fiecare ciclu cu cinci membri este conectat la cinci cu șase membri. Molecula nu are inele cu cinci membri conectate între ele. Există un total de 12 pentagoane și 20 de hexagoane în moleculă. În 1996, Croto, Curl și Smalley au primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru descoperirea, dezvoltarea metodelor de producție și cercetarea fulerenelor, iar Comitetul Nobel a comparat această descoperire ca importanță cu nu mai puțin decât descoperirea Americii de către Columb.
33
Slide 33
Orez. 2. Izomerul C 60 sub formă de „stiuleț”. Zonele umbrite arată deplasarea norului de electroni în raport cu atomii moleculei care formează suprafața laterală a structurii
34
Slide 34: Moleculele au fost numite fulerene după arhitectul Fuller, autorul structurilor ajurate din plasă (Pavilionul SUA la Expoziția Mondială EXPO 67 de la Montreal etc.)
35
Slide 35: Dependența spectrelor de masă de condițiile de grupare
Sa constatat că intensitatea relativă a vârfului C60 depinde de condiții, crescând odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, izomerul (sau izomerii) responsabili pentru intensitatea maximă ridicată trebuie să aibă o stabilitate chimică crescută pentru a „supraviețui” numărului tot mai mare de coliziuni. Izomerii cu legături de carbon atârnând vor fi foarte reactivi și nu vor supraviețui coliziunilor. Rolul ciocnirilor chimic active se manifestă prin faptul că în spectrele de masă se observă numai fulerene cu un număr par de atomi de carbon (C 60, C 70 etc.).
Nanoștiința este corpul de cunoștințe despre proprietățile materiei la scară nanometrică*; nanomaterialele sunt materiale care conțin elemente structurale ale căror dimensiuni geometrice în cel puțin o dimensiune nu depășesc 100 nm și care au proprietăți calitativ noi, caracteristici funcționale și de performanță; nanotehnologie - capacitatea de a crea în mod intenționat obiecte (cu compoziție, dimensiune și structură predeterminate) în intervalul de aproximativ nm * 1 nanometru (nm) = 10 -9 m
„Nanotehnologia este un set de metode și tehnici care oferă capacitatea de a crea și modifica obiecte într-o manieră controlată, inclusiv componente cu dimensiuni mai mici de 100 nm, cel puțin într-o dimensiune, și ca urmare a acesteia, obținând calități fundamental noi care permit integrarea lor în sisteme pe deplin funcționale la scară largă; într-un sens mai larg, acest termen acoperă și metodele de diagnosticare, caracterologie și cercetare a unor astfel de obiecte.” Agenția Federală pentru Știință și Inovare în „Conceptul pentru dezvoltarea muncii în domeniul nanotehnologiei în Federația Rusă până în 2010”
1959 - Richard Feynman: „Există mult spațiu dedesubt...” - a subliniat perspectivele fantastice pe care le promite producția de materiale și dispozitive la nivel atomic și molecular 1974 - Omul de știință japonez Taniguchi a folosit pentru prima dată termenul de „nanotehnologie” 1986 - American Drexler publică cartea „Machines of Creation: The Coming of the Nanotechnology Era”
1985 - a fost identificată o nouă formă de carbon - clusterele C60 și C70, numite fullerene (lucrări ale laureaților Nobel N. Croto, R. Kerlu, R. Smalley) - Omul de știință japonez S. Ishima a descoperit nanotuburi de carbon în produsele evaporării arcului electric de grafit
...Dacă în loc să aranjam atomii în ordine, linie cu linie, coloană cu coloană, chiar în loc să construim din ei molecule complicate cu miros de violete, dacă în schimb le aranjam de fiecare dată într-un mod nou, diversificându-le mozaicul, fără repetând ceea ce sa întâmplat deja - imaginați-vă câte lucruri neobișnuite, neașteptate pot apărea în comportamentul lor. R. P. Feynman
Când vine vorba de dezvoltarea nanotehnologiei, de obicei se iau în considerare trei direcții: producerea de circuite electronice (inclusiv volumetrice) cu elemente active de dimensiuni comparabile cu cele ale moleculelor și atomilor; dezvoltarea și producția de nanomașini, de ex. mecanisme și roboți de dimensiunea unei molecule; manipularea directă a atomilor și moleculelor și asamblarea a tot ceea ce există din ele.
O cristale fotonice, comportamentul luminii în care este comparabil cu comportamentul electronilor din semiconductori. Pe baza acestora, este posibil să se creeze dispozitive cu performanțe mai mari decât analogii lor semiconductori; o medii nanocristaline dezordonate pentru generarea laserului și producerea de afișaje laser cu luminozitate mai mare (2-3 ordine de mărime mai mare decât LED-urile convenționale) și un unghi mare de vizualizare; o ceramică funcțională pe bază de compuși de litiu pentru pile de combustie în stare solidă, surse de energie solidă reîncărcabile, senzori de gaz și medii lichide pentru funcționare în condiții tehnologice dure; o nanomateriale cvasicristaline, care au o combinație unică de rezistență crescută, coeficient scăzut de frecare și stabilitate termică, ceea ce le face promițătoare pentru utilizare în inginerie mecanică, energie alternativă și hidrogen; o Clasele principale de nanomateriale și nanostructuri
Aliaje structurale nanostructurate dure și durabile pentru scule de tăiere cu rezistență crescută la uzură și rezistență la impact, precum și acoperiri de protecție termică și rezistente la coroziune nanostructurate; o compozite polimerice cu umpluturi din nanoparticule și nanotuburi, care au rezistență crescută și inflamabilitate scăzută; o nanomateriale biocompatibile pentru crearea pielii artificiale, tipuri fundamental de pansamente noi cu activitate antimicrobiană, antivirală și antiinflamatoare; o pulberi de dimensiuni nanometrice cu energie de suprafață crescută, inclusiv cele magnetice, pentru consolidarea prin dispersie a aliajelor, crearea de elemente de memorie pentru sisteme audio și video, aditivi pentru îngrășăminte, furaje, fluide magnetice și vopsele;
O nanomateriale organice care au multe proprietăți care sunt inaccesibile substanțelor anorganice. Nanotehnologia organică bazată pe autoorganizare face posibilă crearea de nanostructuri organice stratificate, care stau la baza nanoelectronicii organice și construirea de modele de biomembrane ale celulelor organismelor vii pentru studii fundamentale ale proceselor de funcționare a acestora (arhitectura moleculară); o nanocompozite polimerice și materiale de film pentru sisteme optice și magnetice neliniare, senzori de gaz, biosenzori, membrane compozite multistrat; o polimeri de acoperire pentru acoperiri de protectie pasivare, antifrictiune, selective, antireflex; o nanostructuri polimerice pentru ecrane flexibile; o folii feroelectrice bidimensionale pentru dispozitive de stocare nevolatile; o nanomateriale cu cristale lichide pentru tipuri de afișaje foarte informative și ergonomice, noi tipuri de afișaje cu cristale lichide (hârtie electronică).
Multe proprietăți ale substanțelor (punctul de topire, lățimea benzii interzise în semiconductori, magnetismul rezidual) sunt determinate în principal de dimensiunile cristalelor în intervalul nanometric. Acest lucru deschide posibilitatea trecerii la o nouă generație de materiale, ale căror proprietăți sunt modificate nu prin modificarea compoziției chimice a componentelor, ci prin ajustarea dimensiunii și formei acestora.
Pentru a utiliza previzualizările prezentării, creați un cont Google și conectați-vă la el: https://accounts.google.com
Subtitrările diapozitivelor:
Nanotehnologiile și aplicațiile lor
Scopul lucrării științifice este de a caracteriza în mod cuprinzător nanotehnologia, ținând cont de specificul și toate trăsăturile acestui domeniu al științei aplicate.
Obiectul acestui studiu este nanotehnologia ca domeniu al științei și tehnologiei, iar subiectul îl reprezintă caracteristicile aplicării nanotehnologiei.
Principalele obiective ale lucrării includ: 1. Definirea conceptului de „nanotehnologie”. 2. Luarea în considerare a istoriei dezvoltării nanotehnologiei în lume în general și în Rusia în special. 3. Clarificarea aspectului aplicat al nanotehnologiei, adică a caracteristicilor de aplicare în diverse industrii. 4. Analiza posibilităţilor, metodelor şi metodelor de aplicare a nanotehnologiei. 5. Identificarea caracteristicilor tehnologice ale aplicării nanotehnologiilor. 6. Indicarea și prognozarea perspectivelor de dezvoltare a nanotehnologiei în Rusia.
Nanotehnologia este un set de metode și tehnici care oferă capacitatea de a crea și modifica obiecte într-o manieră controlată, inclusiv componente cu dimensiuni mai mici de 100 nm, având calități fundamental noi și permițând integrarea lor în sisteme pe deplin funcționale la scară mai mare.
Filosoful grec Democrit poate fi considerat părintele nanotehnologiei. În jurul anului 400 î.Hr. El a folosit pentru prima dată cuvântul „atom”, care înseamnă „indestrămat” în greacă, pentru a descrie cea mai mică particulă de materie. Un exemplu de prima utilizare a nanotehnologiei este inventarea filmului fotografic în 1883 de către George Eastman, care mai târziu a fondat celebra companie Kodak.
Aplicarea nanotehnologiei. Nanoelectronica și nanofotonica Unul dintre cele mai promițătoare domenii de aplicare a nanotehnologiei este tehnologia computerelor. Companiile de nanofotonică dezvoltă componente de comunicații optice foarte integrate folosind nanooptica și tehnologiile de nanofabricare. Această abordare a fabricării componentelor optice face posibilă accelerarea producției de prototipuri ale acestora, îmbunătățirea caracteristicilor tehnice, reducerea dimensiunii și reducerea costurilor.
Nanoenergie Baterii solare.
Baterii și acumulatori Toshiba a dezvoltat o baterie litiu-ion bazată pe nanomateriale care se încarcă de aproximativ 60 de ori mai rapid decât una convențională. Într-un minut poate fi umplut până la 80%.
Nanomedicina Materiale nanostructurate. În prezent, s-au înregistrat progrese în producția de nanomateriale care imită țesutul osos natural. 2. Nanoparticule. Gama de aplicații posibile este extrem de largă. Include lupta împotriva bolilor virale precum gripa și HIV, cancerul și bolile vasculare.
3. Micro- și nanocapsule. Capsulele miniaturale (~1 µm) cu nanopori pot fi folosite pentru a livra medicamente în locul dorit din organism. 4. Senzori și analizoare nanotehnologice. Un astfel de dispozitiv, capabil să detecteze literalmente molecule individuale, poate fi utilizat pentru a determina secvența bazelor ADN sau a aminoacizilor, pentru a detecta agenți patogeni ai bolilor infecțioase și substanțe toxice.
5. Microscoapele de scanare sunt un grup de dispozitive unice prin capacitățile lor. Ele vă permit să obțineți o mărire suficientă pentru a vizualiza molecule și atomi individuali. 6. Nanoinstrumente. Un exemplu este microscoapele cu sondă de scanare, care vă permit să mutați orice obiect până la atomi.
Nanocosmetice În urmă cu câțiva ani, L'Oreal a lansat celebra cremă Revitalift care conține nanozomi Pro-Retinol A și, conform companiei, această cremă se absoarbe în piele mult mai bine decât cremele de la alte mărci, datorită microparticulelor speciale.
Nanotehnologii pentru industria ușoară Nanomateriale în textile. Textilele pe bază de nanomateriale dobândesc impermeabilitate unică, rezistență la murdărie, conductivitate termică, capacitatea de a conduce electricitatea și alte proprietăți.
Producția de textile cu senzori încorporați va permite monitorizarea stării corpului uman. Acest lucru va deschide cu siguranță noi oportunități în practica medicală, sport și suport de viață în condiții extreme.
Nanotehnologii pentru agricultură și industria alimentară Nanotehnologiile sunt deja folosite pentru dezinfectarea aerului și a diverselor materiale, inclusiv furajele și produsele finale ale animalelor; prelucrarea seminţelor şi a culturilor în vederea conservării acestora. Sunt folosite pentru a stimula creșterea plantelor; tratamentul animalelor; îmbunătățirea calității furajelor