История развития нанотехнологий
Команда "Нано"
Коротко о том, что же такое нанотехнологии
Нанонаука - это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.
Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1-100 нанометров хотя бы по одному измерению.
Нанотехнологии в медицине
Наномедицина является одним из активно развивающихся научных направлений медицинской науки и подразумевает - слежение, исправление, генетическую коррекцию и контроль биологических систем организма человека, на молекулярном уровне, используя наноустройства, наноструктуры и информационные технологии.
Нанотехнологии в электронике
Одним из наиболее очевидных направлений в наноэлектронике является дальнейшее уменьшение электронных микросхем. Согласно закономерности Мура количество транзисторов на кристалл будет удваиваться каждые полтора года и чтобы это происходило, необходимо создавать полупроводники на атомарном уровне.
Нанотехнологии в промышленности
Процесс развития нанотехнологий
XIX Век
XX век
1938 г. - Сканирующий электронный микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов.
В 1 959 г. американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал ставшую впоследствии знаменитой лекцию под названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», в которой впервые была рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом - путем поштучной «атомарной» сборки. Ученый заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее добавил :. «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле»
В 1 972 г. создан оптический микроскоп ближнего поля. В +1981 г. ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же тысячу девятьсот восемьдесят шесть г. ими был разработан атомно-силовой микроскоп.
В 1 974 г. японский ученый Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин «нанотехнология». В +1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» т.п. и
В +1975 г. были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов -. точек и квантовых проволок квантовых
В 1 986 г. американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии»., основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу вверх»
Мощным стимулом для активизации направления стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что существуют две единственные полиморфные модификации углерода - графит и алмаз. Однако, как оказалось, пределы полиморфных превращений данного элемента этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки.
Впервые возможность существования фуллеренов была предсказана японскими учеными Эйджи Осавой и Зеншо Иошидой в 1970 г. Чуть позже, в 1973 г., российские исследователи Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность. В 1980-е гг. были получены результаты астрофизических исследований спектров некоторых звезд, указывающие на существование подобных комплексов. В +1985 г.
Фуллерены Были синтезированы Клуб Впервые. Это удалось сделать английскому ученому Гарольду Крото и американским Роберту Керлу и Ричарду Смолли, за что в 1996 г. они были удостоены Нобелевской премии. В ходе изучения масс-спектров паров графита, полученных в результате лазерного воздействия, ими были выявлены крупные агрегаты С60 и С70, состоящие соответственно из 60 и 70 атомов углерода. В 1 990 г. в Германии ученые В. Кретчмер и К. Фостирополус разработали технологию, позволившую получать фуллерены в достаточно больших количествах. Как выяснилось позже, такие комплексы существуют и в природе. Они были обнаружены в 1992 г. в природном углеродном минерале - шунгите (от названия поселка Шуньга в Карелии). Углеродные нанотрубки открыл в 1991 г. Японский ученый Сумио Иджима. Фуллерены и углеродные нанотрубки с момента их обнаружения привлекли внимание многих исследователей необычностью своей структуры и свойств. В ходе последующих изысканий были выявлены различные производные этих образований, которые получались в результате взаимодействия фуллеренов и углеродных нанотрубок с другими веществами. Было также установлено, что структуры, подобные им, могут быть образованы атомами не только углерода, но и других элементов. В частности, в 1992 г. обнаружены фуллереноподобные наночастицы Ti8C12. В том же году были впервые синтезированы неуглеродные нанотрубки на основе MoS2 и WS2.
О наличии глубоких корней, лежащих в основе нынешних нанотехнологических исследований, свидетельствует история формирования одной из самых молодых областей химии -. Супрамолекулярной, широкие Возможности открывающей для СОЗДАНИЯ различных видов молекулярных наноструктур
Термин «супрамолекулярная химия» введен французским химиком Жаном Мари Леном в 1 978 г. Несколько ранее, в 1973 г.,
в его трудах появилось слово «супермолекула», которое было известно еще в середине 1930-х гг. и употреблялось для описания более высокого уровня организации, возникающего при образовании ряда сложных молекулярных соединений. Супермолекулы состоят из компонент, которые связываются друг с другом благодаря механизму молекулярного распознавания, предполагающему наличие между ними определенной комплементарности. На возможность его существования еще в 1906 г. указывал немецкий биохимик Пауль Эрлих, подчеркивая, что молекулы реагируют друг с другом строго селективно. Таких же взглядов придерживался немецкий химик-органик Эмиль Фишер, кото-
рый в 1894 г. сформулировал принцип «ключ - замок», предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит геометрическая комплементарность компонент, образующих супрамолекулярный ассоциат. Вещества, которые в настоящее время рассматривают как соединения включения, ранее наблюдали разные ученые: Аксель Кронстедт в +1756 г.,
Джозеф Пристли в один тысяча семьсот семьдесят восемь г., Б. Пелетье и В. Карстен в 1785-1786 гг., Гемфри Дэви в 1823 г. Термин «клатрат» в его современном толковании введен Г. Пауэллом в 1947 г. Важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием американским ученым Чарльзом Педерсеном в 1962 г. краун-эфиров - молекул плоской формы, обладающих полостью, способной включать в себя молекулы другого сорта. В 1967 г. Жан Мари Лен осуществил синтез аналогичных молекул с трехмерной полостью, названных криптандами. В начале 1980-х гг. американский ученый Дональд Крам сконструировал «молекулы-контейнеры» с предварительно организованной структурой - сферанды и кавитанды. За сравнительно короткий период нанотехнологии получили широкое распространение в самых различных областях человеческой деятельности. Примером тому является история развития биотехнологии. Этот термин был предложен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. Под биотехнологией он понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».
Хронология дальнейшего Развития биотехнологии выглядит следующим обра-
зом: в 1943 г. освоен промышленный выпуск пенициллина; В 1 944 г. обнаружен генетический материал - дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, а в 1953 году года м -
двойная спираль ДНК; 1966 г. - Расшифрован генетический код; 1970 г. - Выделена первая рестриктаза - фермент, способный расщеплять ДНК; В 1 973 г. синтезирован полноразмерный ген т-РНК -
транспортной рибонуклеиновой кислоты; в 1975 г. разработана технология рекомбинантных ДНК, а в 1976 г. - Методы определения нуклеотидной последовательности ДНК. Последующие годы ознаменовались развертыванием широкого фронта исследований в области генной инженерии, которые привели в 1990 г. к началу работ над проектом «Геном человека».
В одна тысяча девятьсот девяносто семь г. из дифференцированной соматической клетки было впервые клонировано млекопитающее. Все это - яркий пример возможностей нанотехнологий применительно к биологическим объектам.
Другим примером приложения нанотехнологий, но уже к «неживым» предметам, является история разработки идеи квантовых компьютеров. В +1985 г. профессор Оксфордского университета Дэвид Дойч предложил математическую модель квантово-механического варианта машины Тьюринга. В тысяча девятьсот девяносто-четыре г. П. Шор (фирма AT & T Bell) показал, что такая машина может получить практическое воплощение.
В частности, она оказалась эффективной в решении задач о разложении на множители больших чисел. В настоящее время алгоритм, предложенный Шором, широко применяется при создании различных типов квантовых компьютеров. В одна тысяча девятьсот девяносто восемь г. М. Такэути (фирма «Мицубиси Дэнки») провел принципиальные эксперименты по квантовым вычислительным системам с использованием фотонов. В 1999 г.
Н. Накамура (фирма NEC) успешно изучил возможности практической работы квантового компьютера.
XXI век
В 2 001 г. была утверждена Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была сформулирована следующим образом: «Национальная нанотехнологическая инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI в. ».
В 1996-1998 гг., до принятия ННИ, специальный комитет американского Центра оценки мирового состояния технологий осуществлял мониторинг и анализ развития нанотехнологий во всех странах и выпускал для научных, технических и административных специалистов США обзорные информационные бюллетени об основных тенденциях и достижениях. В 1999 г. Заседание состоялось межотраслевой группы по нанонауке, нанотехнике и нанотехнологиям (IWGN), результатом которого стала разработка прогноза исследований на ближайшие 10 лет. В том же году выводы и рекомендации IWGN были поддержаны Национальным советом по науке и технике при президенте США, после чего в 2 000 г. было официально объявлено о принятии ННИ.
В преамбуле к документу тогдашний президент США Билл Клинтон заявил: «Я выделяю 500 млн долл. в текущем финансовом году на государственную нанотехнологическую инициативу, которая позволит нам в будущем создавать новые материалы (превосходящие по характеристикам существующие в тысячи раз), записать всю информацию Библиотеки Конгресса на крошечном устройстве, диагностировать раковые заболевания при появлении нескольких пораженных клеток и добиться других поразительных результатов. Предлагаемая Инициатива рассчитана по крайней мере на 20 лет и обещает привести к важным практическим результатам ».
Япония, как и США, уделяет нанотехнологиям большое ВНИМАНИЕ. В 2000 г. япон-
ская экономическая ассоциация «Кэйданрэн» организовала специальный отдел по нанотехнологиям при промышленно-техническом комитете, а в 2001 г. разработан общий был план Развития нано-
технологических ИССЛЕДОВАНИЙ. Его основные положения сводились к следующему: определить в качестве основных направлений «прорыва» в нанонауке информационные технологии, биотехнологии, энергетику, экологию и материаловедение; обеспечить приток крупных капиталовложений в отрасли производства, основанные на нанотехнологиях; энергично развивать исследования в указанных направлениях и внедрять их результаты в производство таким образом, чтобы они стали «флагманами» грядущей нанотехнологической революции; разработать национальную стратегию развития нанотехнологий, организовать эффективное сотрудничество промышленных, государственных и научных ведомств и организаций в данной сфере.
Страны Западной Европы начали проводить работы в области нанотехнологий в рамках соответствующих национальных программ. В ФРГ нанотехнологические изыскания поддерживаются в основном Министерством образования, науки, исследований и технологий. В Англии руководство этим направлением осуществляет Совет по физико-техническим исследованиям, а также Национальная физическая лаборатория. Во Франции стратегию развития нанотехнологий определяет Национальный центр научных исследований.
Все больше внимания нанотехнологиям уделяется в Китае, Южной Корее, ряде других государств. Нанотехнологические изыскания начали осуществляться и в странах СНГ, в частности в России и Украине, как правило, в ходе проведения государственных научных программ.
В Беларуси подобные работы идут в рамках ГКПНИ «Наноматериалы и нанотехнологии», принятой на 2006-2010 гг. Она является продолжением предыдущей государственной программы ориентированных фундаментальных исследований с таким же названием, которая выполнялась в 2003-2005 гг.
Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия внедрения нанотехнологий, так же как в середине ХХ в. трудно было предсказать, что повлекут за собой разработки в области электроники и информатики. Предполагается, что в ближайшие годы бюджетные ассигнования ведущих индустриальных стран на изыскания в области нанотехнологий существенно возрастут. При этом намеченные исследования будут нацелены на решение ряда конкретных задач: создание сверхминиатюрных запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти; повышение быстродействия компьютеров в миллион раз; создание сверхпрочных материалов и на их основе - новых транспортных средств; выпуск генетических и медицинских препаратов для диагностики и лечения раковых заболеваний, СПИДа; разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды и др.
О большом внимании, которое уделяет мировая научная общественность проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение в 2007 г. Нобелевской премии по физике за открытие и исследование одного из необычных явлений наномира - эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС). Премии удостоены француз Альберт Ферт и немец Петер Грюнберг, независимо друг от друга открывшие эффект ГМС в одна тысяча девятьсот восемьдесят восемь г. Магнетосопротивление - это изменение электрического сопротивления проводника, вызванное действием внешнего магнитного поля. ГМС, в отличие от классического магнетосопротивления, проявляется в существенно более резком возрастании электросопротивления во внешнем магнитном поле (на десятки процентов). Физический механизм ГМС базируется на зонной теории твердого тела, в частности на спин-зависимых транспортных явлениях. Эффект наблюдается в магнитных нанопленках и нанопроволоках, которые благодаря ему можно использовать для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля, способных реагировать на ничтожно малое его изменение. Их применение существенно изменяет промышленное производство устройств магнитной записи на жесткие диски и другие магнитные носители информации.
Приведенные факты свидетельствуют, что человечество вступило в эру активного освоения нанотехнологий. Уже достигнутые результаты впечатляют, а впереди еще более интригующие перспективы.
Нанотехнологии будущего
Министерство обороны США, например, финансирует программу создания «умной пыли» - умной пыли, т. е. Большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации т. д.
Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы - «доктора», которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры их около 1 мм, и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.
XXI в. Будет веком нанонауки и нанотехнологии, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологии на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.
В Томском Академгородке строится технико- внедренческая зона (ТВЗ), в которой будут развиваться три направления - новые материалы и нанотехнологии, ИТ и электроника, а также биотехнологии.
Команда "Нано" МБОУ СОШ №19 г. Белово
Email: polenok.ksenia@gmail.com
Website: http://komanda19school.blogspot.ru/
Location: Белово, Кемеровская область, Россия