Что такое нанотехнология чем она полезна
Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками.
Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр – миллиардная доля метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.
Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию. Очевидно, что на данном этапе развития науки ученым приходит в голову копировать и совершенствовать эти явления.
Туннельный микроскоп: в 1980 году ученые впервые научились двигать отдельные атомы
Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и двигать их и собирать из них конструкции, в частности, компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, элементы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.
Наноматериалы
Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности. Это явление используется в современной технике. Например, в медицине применяется нанопорошок серебра, которое обладает антисептическими свойствами. Наночастицы диоксида титана отталкивают грязь и позволяют создать самоочищающиеся поверхности. Нанопророшок алюминия ускоряет сгорание твердого ракетного топлива. Новые литиево-ионные аккумуляторы, содержащие наночастицы заряжаются буквально за пару минут. Подобных примеров много уже сейчас. Еще одним элементом, открытым в восьмидесятых годах стали фуллерены. Эти конструкции напоминают мячи, состоящие из атомов углерода.
Наноматериал графен — сверхпрочное вещество, подобное алмазу
Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность свойственна и изготовленным на их основе материалам. В электронике нанотрубки могут применяться как хорошие проводники , а также и полупроводники. Это станет прорывом в электронике, позволив микросхемам уменьшаться согласно закономерности Мура.
Еще одним наноматериалом является графен – двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода. Этот материал был впервые получен русскими физиками, работающими в Англии. Многие ученые полагают, что этот материал, обладающий уникальными свойствами, в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен.
Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии – от медицины до космических исследований. Еще одним объектом наноразработок является так называемая квантовая точка, наноразмерный кристалл полупроводника. Они представляют собой удобный источник света, окраска которого зависит от размеров точки: большие точки испускают красное свечение, маленкие – голубое. Такие точки могут быть использованы в медицине для точной визуализации очагов болезни при диагностике, например, в онкологии. Ими можно будет отслеживать даже различные биомолекулы. Также квантовые точки считаются перспективным материалом для солнечных батарей и дисплеев на полимерных пленках.
Нанотехнологии в медицине
Нанороботы смогут точечно доставлять лекарства туда, где они нужны
Одной из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий остается, безусловно, медицина. Ученые не первый год работают над проблемой доставки лекарственных препаратов непосредственно к клеткам, пораженным инфекцией или болезнью. Основная конструкция транспорта такова: капсула из биоматериала размером 50-200 нанометров, в которой находятся молекулы лекарства. Снаружи капсула покрыта полимерными цепочками, с помощью которых определяется, когда капсула достигнет целевых тканей, после чего произойдет вбрасывание лекарства и распадение оболочки. Последние стадии можно откладывать и контролировать их наступление дистанционно, например, нагревом или ультразвуком. На прошедшем недавно форуме демонстрировался механизм администрирования локальной радиации к клеткам пораженной опухолью печени с помощью наноструктурированного пористого кремния. Кроме того, планируется использовать нанотехнологии при диагностике различных, в том числе онкологических, заболеваний, а также при работе с геномом человека.
Все эти и многие другие идеи находятся сейчас не только на стадии разработок, но и на этапе практического применения. Результаты некоторых тестов потрясают воображение, некоторые заканчиваются провалом. Вместе с тем растет энтузиазм ученых по поводу приближения эры воплощения самых фантастических идей, например, полного контроля над всеми природными процессами или нанофабрик, собирающих любые предметы непосредственно из атомов. Создано множество сценариев развития будущего нанотехнологий, включая и те, которые не сулят человечеству ничего хорошего. Однако можно сказать, что интерес к нанотехнолгиям сейчас настолько велик, что именно он подчас и определяет направление, которое они принимают.
Источник
Многие прочат нанотехнологиям великое будущее. Многие всерьез опасаются их, предполагая, что нанотехнологии могут оказаться джинном, выпущенным из бутылки. Итак, что же это такое — нанотехнологии, и чем они могут помочь человечеству? Что они нам несут — светлое будущее или глобальную угрозу?
Что такое нанотехнологии?
Нанотехнологии смело можно назвать фантастикой, которая стала реальностью. Человечество научилось уже управлять атомами. Современные технологии позволяют складывать из атомов различные устройства и механизмы, которые невозможно увидеть невооруженным глазом.
Наука, вобравшая в себя самые последние достижения в области изучения наномира, включающая в себя самые различные дисциплины, такие как биология, физика, химия и называется нанотехнологией.
Всем известно, что нанос в переводе с греческого означает слово «карлик». Нанометр (нм) — это ничтожно малая величина, составляющая одну миллиардную часть метра. Нанотехнологи работают с объектами, размеры которых находятся в диапазоне от 0,1 до 100 нм.
Нанотехнологии — первые шаги
Впервые, еще в 400 г. д.н.э., задумался о самых малых частицах, из которых состоит вещество, греческий философ Демокрит. Именно он ввел понятие атом, что означает нераскалываемый.
В 1905 году великий Эйнштейн высказал предположение, что размер молекулы сахара составляет 1 нанометр. В 1931 году немецкие физики создали электронный микроскоп, который, наконец-то, позволил увидеть человеку нано-объекты.
В 1974 году японский физик Норио Танигучи предлагает назвать механизмы размером менее одного микрона словом нанотехнологии. В 1981 году германские физики создали микроскоп, с помощью которого удалось рассмотреть отдельные атомы. В 1986 году футуролог Эрк Дрекслер публикует книгу, в которой предсказывает огромное будущее нанотехнологиям. С тех пор нанотехногии получили широкую общественную огласку.
В 1998 году голландский физик Сеез Деккер находит уже практическое применение нано-объектам. Он создает транзистор на основе нанотехнологий.
Как видим, как наука нанотехнологии развиваются очень стремительно. Трудно даже предположить, какие перспективы открываются перед человечеством благодаря нанотехнологиям.
Практическое применение
Нанотехнология в настоящее время еще не нашла широкого практического применения. Но смею вас уверить, это дело времени. В самом ближайшем будущем мы будем пользоваться вещами, изготовленными с помощью нанотехнологий. Уже сейчас можно говорить об изделиях, прошедших путь от лаборатории до завода.
Современные изделия, изготовленные с помощью нанотехнологий, имеют в своем составе углеродные нанотрубки, которые, в свою очередь, являются основой для других нанопродуктов, выпускаемых в настоящее время.
Что представляют собой углеродные нанотрубки? Они были открыты в 1991 году и представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной несколько сантиметров. Оказалось, что они обладают удивительными свойствами. Благодаря этим свойствам им было найдено множество применений. К примеру, их можно использовать в электронике, компьютерной индустрии, медицине и даже в промышленности.
Как можно применить нанотехнологии в медицине? Благодаря своим свойствам наноматериалы могут использоваться для замены тканей человека. Оказывается, клетки организма распознают такие материалы как свои. Даже сейчас достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, который может имитировать костную ткань.
Микроскопические размеры наноматериалов позволяют использовать их в качестве капсул, с помощью которых осуществляется доставка лекарственных средств в нужные места организма. Их можно использовать в качестве фильтра жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Сейчас большое распространение получают миниатюрные устройства, помещаемые внутрь организма для диагностики и лечебных целей.
Перспективы нанотехнологий
Немного из области фантастики.
В медицине планируется создание молекулярных роботов, которые могли бы лечить организм, находясь внутри него. А что? Очень удобно.
В промышленности: предметы потребления могут создаваться непосредственно из атомов и молекул. Посредством перемены мест атомов и молекул можно будет изготовить любой предмет!
В биологии возможно «внедрение» в различные организмы на уровне атомов. Что это нам даст? Восстановление вымерших видов животных и даже создание новых существ, «биороботов».
И, наконец, в геронтологии. Бессмертие станет возможным за счет внедрения в организм молекулярных роботов, которые будут очищать организм и устранять болезни еще в самом начале их зарождения.
Прогнозы на будущее
Как видим, в недалеком будущем нанотехнология может стать одной из ведущих отраслей современной науки. Перспективы — самые радужные. Некоторые рассматривают ее как панацею от всех бед, другие грозят бедами при неосторожном ее использовании.
Тем не менее нанотехнология — это уже настоящее. Остается только надеяться, что люди разумно распорядятся ее потенциалом и направят ее энергию во благо человечества.
Источник
Существует многодисциплинарное объединение ученых, посвятивших себя изучению столь маленького мира, что мы не можем его видеть даже с помощью светового микроскопа. Этот мир — область нанотехнологий, область атомов и наноструктур. Нанотехнологии настолько новая отрасль, что никто до конца не уверен, что из этого выйдет. Тем не менее, предсказания варьируются от способности воспроизводить такие вещи, как алмазы и продукты питания, до появления самовоспроизводящихся нанороботов.
Чтобы понять необычный мир нанотехнологий, нам нужно понять, какие единицы измерения имеют место быть. Сантиметр составляет одну сотую метра, миллиметр составляет одну тысячную метра, а микрометр составляет одну миллионную часть метра, но все они по-прежнему огромны по сравнению с наномасштабом. Нанометр (нм) составляет одну миллиардную часть метра, что меньше длины волны видимого света или в сто тысяч раз меньше ширины человеческого волоса.
Столь малый размер все равно большой по сравнению с атомным масштабом. Атом имеет диаметр около 0,1 нм. Ядро атома намного меньше — около 0,00001 нм. Атомы являются строительными блоками для всей материи в нашей Вселенной. Вы и все вокруг вас сделаны из атомов. Природа успешно освоила производство материи из молекул. Например, наши тела собираются определенным образом из миллионов живых клеток, которые являются наномашинами природы. В атомном масштабе элементы находятся на самом базовом уровне. В наномасштабе мы можем потенциально объединять эти атомы, чтобы сделать почти все, что угодно.
МИР НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Эксперты иногда не согласны с тем, что представляют собой нано масштабы, но в целом вы можете думать о нанотехнологиях, имеющих дело с чем-то размером от 1 до 100 нм. Чем больше микромасштаб, тем меньше атомный масштаб.
Нанотехнологии быстро становятся междисциплинарной сферой. Биологи, химики, физики и инженеры участвуют в изучении веществ на наноуровне. Разные дисциплины развивают общий язык и общаются друг с другом. Только так мы можем эффективно излагать нанонауку.
Одним из захватывающих и сложных аспектов наномасштаба является роль, которую играет в нем квантовая механика. Правила квантовой механики сильно отличаются от классической физики, а это означает, что поведение веществ в наноразмерности иногда может противоречить здравому смыслу, ведя себя беспорядочно. Вы не можете подойти к стене и немедленно телепортироваться в другую сторону, но на наноуровне электрон может — это называется туннельным эффектом. Вещества, которые являются изоляторами, то есть они не могут проводить электрический заряд в объемной форме, могут стать полупроводниками при уменьшении их до наномасштаб. Точки плавления могут меняться из-за увеличения площади поверхности. Большая часть нанонауки требует, чтобы вы забыли, все что знаете, и начали учиться снова и снова.
Так что все это значит? Прямо сейчас, это означает, что ученые экспериментируют с веществами в наномасштабе, чтобы узнать об их свойствах и как мы могли бы использовать их в различных устройствах. Инженеры пытаются использовать наноразмерные провода для создания небольших, более мощных микропроцессоров. Врачи ищут способы использования наночастиц в медицинских целях. Тем не менее, нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем нанотехнологии будут доминировать над технологиями.
НАНОПРОВОДА И НАНОТРУБКИ
В настоящее время ученые находят две наноразмерные структуры, представляющие особый интерес: нанопроволоки и углеродные нанотрубки. Нанопроводами являются провода с очень маленьким диаметром, иногда размером в 1 нанометр. Ученые надеются использовать их для создания крошечных транзисторов для компьютерных чипов и других электронных устройств. За последние несколько лет углеродные нанотрубки затмили нанопроволоки. Мы все еще узнаем об этих структурах, но то, что мы уже знаем очень интересно.
Углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр из атомов углерода. Представьте себе лист атомов углерода, каждый из которых находится в вершине правильного шестиугольника. Если вы свернете этот лист в трубу, у вас будет углеродная нанотрубка. Свойства углеродных нанотрубок зависят от того, как вы сворачиваете лист. Другими словами, хотя все углеродные нанотрубки сделаны из углерода, они могут сильно отличаться друг от друга, в зависимости от того как вы выстраиваете отдельные атомы.
При правильном расположении атомов, вы можете создать углеродную нанотрубку, которая в сотни раз прочнее, чем сталь, но в шесть раз легче. Инженеры планируют изготовить строительный материал из углеродных нанотрубок, для использования его при сборке автомобилей и самолетов. Более легкие транспортные средства означают лучшую топливную экономичность, а добавленная прочность означает повышенную безопасность пассажиров.
Углеродные нанотрубки также могут быть эффективными полупроводниками с правильным расположением атомов. Ученые все еще работают над поиском способов сделать углеродные нанотрубки реалистичным материалом для транзисторов в микропроцессорах и другой электронике.
ПРОДУКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Вы можете быть удивлены, узнав, сколько продуктов на рынке уже пользуются нанотехнологиями:
Солнцезащитный крем. Многие солнцезащитные средства содержат наночастицы оксида цинка или оксида титана. Более старые формулы солнцезащитного крема используют более крупные частицы, что и дает большинству солнцезащитных средств свой беловатый цвет. Меньшие частицы менее заметны, а это означает, что когда вы втираете солнцезащитный крем в кожу, он не придает вам беловатого оттенка.
Самоочищающееся стекло — компания под названием Pilkington предлагает продукт, который они называют Activ Glass, который использует наночастицы, чтобы сделать стекло фотокаталитическим и гидрофильным. Фотокаталитический эффект означает, что, когда УФ-излучение света попадает на стекло, наночастицы начинают разрушать и ослаблять органические молекулы на стекле (другими словами, грязь). Гидрофильный означает, что когда вода контактирует со стеклом, она равномерно распределяется по стеклу, что помогает вымыть стекло.
Одежда. Ученые используют наночастицы для улучшения вашей одежды. Покрывая ткани тонким слоем наночастиц оксида цинка, производители могут создавать одежду, которая обеспечивает лучшую защиту от ультрафиолетового излучения. В некоторой одежде есть наночастицы в виде маленьких волосков или усов, которые помогают отражать воду и другие материалы, делая одежду устойчивой к пятнам.
Устойчивость покрытия к царапинам. Инженеры обнаружили, что добавление наночастиц силиката алюминия к устойчивым к царапинам полимерным покрытиям делает их более эффективными, увеличивая устойчивость к ударам и царапинам. Покрытия, устойчивые к царапинам, распространены на многих объектах: от автомобилей до очков.
Антимикробные бинты — ученый Роберт Баррелл создал процесс производства антибактериальных бинтов с использованием наночастиц серебра. Ионы серебра блокируют клеточное дыхание микробов. Другими словами, серебро смачивает вредные клетки, убивая их.
Новые продукты, включающие нанотехнологии, выходят каждый день. На рынке имеются устойчивые к морщинам ткани, глубокая проникающая косметика, жидкокристаллические дисплеи (LCD) и другие устройства, использующие нанотехнологии. Вскоре мы увидим десятки других продуктов, которые используют эту технологию, а в будущем могут появится еще более интересные вещи, которые сейчас мы относим в область фантастики.
БУДУЩЕЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Машины, называемые репликаторами, могут производить практически любой физический объект — от оружия до чашки ароматного кофе. Долго считающийся исключительно продуктом научной фантастики, сегодня некоторые люди считают, что репликаторы — очень реальная возможность. Они называют это устройство молекулярным сборщиком, и если это когда-либо станет реальностью, это может кардинально изменить мир.
Атомы и молекулы склеиваются друг с другом, потому что у них есть взаимодополняющие формы, которые соединяются вместе или заряды, которые привлекают. Подобно магнитам , положительно заряженный атом будет придерживаться отрицательно заряженного атома. Поскольку миллионы этих атомов собираются вместе наномашинами, определенный продукт начнет формироваться. Цель молекулярного производства состоит в том, чтобы манипулировать атомами индивидуально и размещать их в шаблоне для получения желаемой структуры.
Первым шагом будет разработка наномашин, называемых сборщиками или ассемблерами, которые ученые могут программировать для управления атомами и молекулами по своему усмотрению. Для сборки значительного количества материала одной такой машине понадобится миллион лет. Для того чтобы молекулярное производство было практичным, вам понадобятся триллионы сборщиков, работающих вместе одновременно. Ассемблеры могут сначала воспроизвести себе подобных, построить других сборщиков. Каждое поколение будет строить другое, что приведет к экспоненциальному росту, пока не будет достаточно сборщиков для создания объектов. Ассемблеры и репликаторы могли бы работать вместе, чтобы автоматически создавать продукты, и в итоге могли бы заменить все традиционные методы труда. Это может значительно снизить затраты на производство, тем самым делая товары народного потребления изобильными, дешевыми и прочными. В конце концов, мы могли бы воспроизвести что угодно, включая алмазы, воду и продукты питания. Голод можно искоренить машинами, которые производят продукты для кормления голодных.
Нанотехнология может оказать наибольшее влияние на медицинскую промышленность. Пациенты будут пить жидкости, содержащие нанороботы, запрограммированные для атаки и восстановления молекулярной структуры раковых клеток и вирусов. Есть даже предположение, что нанороботы могут замедлять или отменять процесс старения, и ожидаемая продолжительность жизни может значительно возрасти. Нанороботы также могут быть запрограммированы на выполнение деликатных операций — такие нанопорошки могут работать в тысячу раз точнее, чем самый хороший скальпель. Работая в маленьком масштабе, наноробот может работать, не оставляя шрамов, которые обычно остаются после обычной хирургии. Кроме того, нанороботы могут изменить ваш внешний вид. Они могут быть запрограммированы на проведение косметической хирургии, переупорядочение ваших атомов, чтобы изменить ваши уши, нос, цвет глаз или любую другую физическую функцию, которую вы хотите изменить.
Нанотехнологии могут оказать положительное влияние и на окружающую среду. Например, ученые могли бы программировать нанороботов в воздухе, чтобы восстановить прорехи в озоновом слое. Нанороботы могут удалять загрязняющие вещества из источников воды и очищать моря от разливов нефти. Изготовление материалов с использованием нанотехнологии также создает меньше загрязнений, чем традиционные производственные процессы. Наша зависимость от невозобновляемых ресурсов будет уменьшаться с помощью нанотехнологий. Вырубка деревьев, добыча угля или бурение нефти могут больше не понадобиться — наномашины могли бы производить эти ресурсы сами.
Многие эксперты в области нанотехнологий считают, что все это находятся далеко за пределами наших возможностей, по крайней мере, в обозримом будущем. Они предупреждают, что более экзотические устройства носят теоретический характер. Некоторые опасаются, что нанотехнология закончится как виртуальная реальность — другими словами, шумиха вокруг нанотехнологий будет продолжаться до тех пор, пока ограничения не станут общедоступными, а затем интерес быстро рассеется.
РИСКИ И ЭТИКА
Самой непосредственной задачей в области нанотехнологий является то, что нам нужно больше узнать о материалах и их свойствах в наномасштабе. Университеты и корпорации во всем мире тщательно изучают, как атомы объединяются, чтобы сформировать более крупные структуры. Мы все еще изучаем, как квантовая механика работает в веществе на наноуровне.
Поскольку элементы наноразмера ведут себя иначе, чем в их объемной форме, существует опасение, что некоторые наночастицы могут быть токсичными. Некоторые врачи опасаются, что наночастицы настолько малы, что они могут легко пересечь гематоэнцефалический барьер, мембрану, которая защищает мозг от вредных химических веществ в кровотоке. Если мы планируем использовать наночастицы для покрытия всего, от нашей одежды до наших автомагистралей, мы должны быть уверены, что они не отравят нас.
Тесно связан с ограниченностью знаний технический барьер. Для того, чтобы невероятные прогнозы в отношении нанотехнологий оправдались, мы должны найти способы массового производства наноразмерных продуктов, таких как транзисторы и нанопроволоки. Хотя мы можем использовать наночастицы для создания таких вещей, как теннисные ракетки и делать ткани без морщин, мы пока не можем сделать действительно сложные микропроцессорные чипы с нанопроводами.
В области нанотехнологий также есть немалые проблемы с этикой их применения. Нанотехнологии могут позволить нам создавать более мощное оружие, как смертоносное, так и нелетальное. Некоторые организации обеспокоены тем, что после того, как эти устройства будут построены, мы рассмотрим этические последствия нанотехнологий в вооружении. Они призывают ученых и политиков тщательно изучить все возможности нанотехнологий, прежде чем разрабатывать все более мощное оружие.
Если нанотехнология в медицине позволяет физически улучшать нас, то это этично? В теории нас можно сделать умнее, сильнее или дать другие возможности, начиная от быстрого лечения и заканчивая ночным видением. Должны ли мы преследовать такие цели? Могли ли мы продолжать называть себя людьми, или мы станем трансперсонами — следующий шаг на пути эволюции человека? Поскольку почти все технологии начинаются как очень дорогое удовольствие, значит ли это, что мы создадим две расы людей — богатую расу измененных людей и более бедное население неизмененных людей? У нас нет ответов на эти вопросы, но несколько организаций призывают рассмотреть эти последствия сейчас, пока не стало слишком поздно.
Не все вопросы связаны с изменением человеческого тела — некоторые имеют дело с миром финансов и экономики. Если молекулярное производство станет реальностью, как это повлияет на экономику мира? Предполагая, что мы можем построить все, что нужно, одним нажатием кнопки, что произойдет со всеми производственными мощностями? Если вы можете создать что-либо с помощью репликатора, что произойдет с валютой? Перейдем ли мы к полностью электронной экономике? Нужны ли будут вообще деньги?
Нужно ли нам действительно отвечать на все эти вопросы? Многие эксперты полагают, что такие проблемы в лучшем случае преждевременны и, вероятно, не нужны. Несмотря на это, нанотехнология, безусловно, будет продолжать оказывать влияние на нас, поскольку мы узнаем все больше об огромном потенциале наномасштабов.
Источник