в каких сферах деятельности людей прогресс в применении нанотехнологий уже виден на сегодняшний день

Научно-
образовательный
портал IQ

Нанотехнологии меняют мир

Разработки в области нанотехнологий уже сегодня активно применяются, например, в медицине и промышленности. Лидерами в области инвестиций в наноразработки являются США, Евросоюз, Япония и Китай. Доля России на мировом рынке нанотехнологий минимальна.

Развитие нанотехнологий – то, что с высокой долей вероятности определит будущее мировой экономики. Эксперты, изучающие развитие нанотехнологий, прогнозируют максимальную информационную открытость и отсутствие границ между отраслями и компаниями в сфере инноваций. У изобретателей не будет проблем с продвижением на рынке своих разработок, поскольку спрос на них резко вырастет, а развитие информационных технологий позволит устранить преграды, которые сегодня существуют между инноваторами и рынком. Экономика нанотехнологий поставит ученых, изобретателей, творческих людей на высшие ступени социальной иерархии.

Но нанотехнологии несут и множество рисков для человечества, в том числе, экзистенциального характера. Это уже не фантастика, а вполне реальные перспективы, которых опасаются правительства ряда стран, призывая к ограничению развития нанотехнологий. Об этом рассказал доцент экономического факультета МГУ Михаил Павлов на конференции «Междисциплинарные исследования экономики и общества».

Вечная жизнь может стать реальностью

Основу нанотехнологий составляет манипулирование атомами. Один нанометр – одна миллиардная часть метра. Нанотехнологии позволяют создавать и модицифицировать объекты с компонентами менее 100 нм в размере и осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы.

Одна из сфер, где нанотехнологии способны произвести настоящую революцию – медицина и биотехнологии. Революция станет возможной благодаря созданию молекулярных и атомарных нанороботов, состоящих, как сейчас предполагают ученые, из углерода и его производных. Нанороботы будут способны проникать в организм человека и производить там необходимые действия, которые сегодня медицине не доступны. С помощью нанотехнологий, как рассказал Павлов, появится возможность очищать организм на уровне отдельных клеток, восстанавливать микроповреждения внутри организма, а в более отдаленной перспективе исправлять и достаточно большие повреждения.

Уже сегодня в мире создан ряд технологий для наномедицинской отрасли. «К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, диагностика заболеваний с помощью квантовых точек, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства», – указывает Павлов в своей работе «Экономика нанотехнологий» – учебном пособии для студентов магистратуры, подготовленном в ходе исследований.

В результате, продолжительность жизни человека может серьезно вырасти, появится возможность омоложения организма. Человечество, как замечает ученый, может получить лекарства от всех существующих болезней и не только вирусного и бактериального происхождения, но и генетического.

По разным оценкам, подобные достижения наномедицины могут стать реальностью через 40-50 лет. «Но целый ряд последних открытий, разработок и инвестиций в наноотрасли привел к тому, что все больше аналитиков сдвигают эту дату на 10-15 лет в сторону уменьшения, и, быть может, это еще не предел», – поясняет автор.

При этом увеличение продолжительности жизни и победа над старостью – не верх революции в области наномедицины. Гипотетически развитие нанотехнологий, прогнозируют ученые, может предоставить человечеству возможность неограниченного периода жизни отдельно взятого человека, а также оживление людей, замороженных методами крионики и восстановление ранее вымерших видов.

Мерседес-хамелеон и молоко из травы

Нанотехнологии способны полностью изменить жизнь человека и привычные окружающие его вещи. Если сегодня человечество уже привыкло к стремительному прогрессу в области интернет-технологий, но основная суть, например, транспортных средств меняется достаточно медленно, то завтра ситуация может быть совершенно иной. Картинки из фантастических фильмов обещают стать реальностью. Так корпус «Мерседеса» будущего « SilverFlow » – магнитное соединение, которое способно по одному клику восстанавливать и менять свою форму. Выбор цвета неограничен. Машина работает на механической энергии, способна разворачиваться на месте и парковаться боком. В исходном состоянии автомобиль – эллипсоид из ферромагнетика в форме «лужицы» жидкого металла, который требует минимального места для хранения.

Совершенно другой в будущем может оказаться и одежда, которую сегодня носят люди. Уже сегодня в США созданы модели одежды, содержащей в волокнах ткани заряженные наночастицы. Они защищают человека от простуды, гриппа, смога, загрязнений. Такая одежда не требует стирки. Правда, пока она не может быть использована в массовой промышленности. Один квадратный метр новой ткани стоит около 10 тысяч долларов.

Гипотетически нанотехнологии могут решить такие глобальные проблемы человечества, как загрязнение окружающей среды, нехватку пищевых ресурсов и истощение запасов питьевой воды. Молекулярные и атомарные роботы будут способны производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. «К примеру, теоретически возможно будет производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову», – пишет Павлов.

Что касается улучшения экологического состояния планеты, то оно возможно за счет разработки альтернативных источников энергии, снижения объема мусора и его активного использования в производстве. Ресурсы питьевой воды будут восполнены за счет новаторских систем очистки воды.

Запрос на творческий труд и тотальная открытость

В случае если произойдет новая технологическая революция, каждый житель планеты потенциально сможет получить доступ к минимальному прожиточному уровню, который будет обеспечен за счет репродуктивного труда наномашин.

При этом социальная иерархия переживет значительную трансформацию. Самой главной профессией, замечает Павлов, станет создатель новых образцов – человек-творец. «Любой желающий улучшить свое материальное положение и получить что-то сверх прожиточного минимума и своего текущего уровня достатка должен будет, используя свои творческие способности, создать новый образец, модель, дизайн», – считает ученый. В новой экономике всеобщего изобилия, основанной на нанотехнологиях, ценность, как он замечает, будут иметь две вещи – творческие идеи и энергия.

При этом человечеству придется пережить психологически непростой момент, связанный с интеллектуальной собственностью. «В частности, станет невозможным сохранить в тайне что-либо. С помощью созданной с применением нанотехнологий «умной пыли» появится возможность отследить любые процессы, к которым вообще могут получить доступ люди. Адекватной формой в таком мире будет всеобщая интеллектуальная собственность» – рассказывает автор.

Лифт в космос

Гипотетически нанотехнологии могут вывести человеческий разум на совершенно новый уровень развития. Потенциал нанотехнологий, как замечает Павлов, способствовал появлению нового философского направления – трансгуманизма, согласно которому современный человеческий вид Homosapiens – Человек разумный – является не вершиной, а одним из звеньев эволюции, за которым последуют более сильные и могущественные. Новые люди смогут освоить космическое пространство, заселить другие планеты и получить бессмертие.

Но самые серьезные риски развития нанотехнологий связаны с нанороботами, которые пока находятся в стадии разработки. Особенно опасны самореплицирующиеся, способные к самостоятельному размножению, нанороботы. Об их опасности – «серой слизи» – написал американский ученый Э.Дрекслер в своей книге «Машины созидания», напоминает Павлов. Именно Э.Дрекслер ввел понятие о молекулярных роботах. Это было в середине 80-х годов прошлого века.

Сегодня наука продвинулась далеко вперед. Эксперты в области нанотехнологий предупреждают, что человечеству стоит всерьез задуматься над тем, стоит ли выпускать джина из бутылки. «Даже если заложить в каждого наноробота три закона робототехники А.Азимова, то все равно остается вероятность, что нанороботы начнут создавать новые копии самих себя уже без соблюдения этих законов. Или это сделает злой гений-человек», – замечает Павлов.

Источник

В каких сферах деятельности людей прогресс в применении нанотехнологий уже виден на сегодняшний день

Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.

Приставка «нано», пришедшая из греческого языка («нанос» по‑гречески ‑ гном), означает одну миллиардную долю. Один нанометр (нм) – одна миллиардная доля метра.

В мировой литературе четко отличают нанонауку (nanoscience) от нанотехнологий (nanotechnology). Для нанонауки используется также термин ‑ nanoscale science (наноразмерная наука).

На русском языке и в практике российского законодательства и нормативных документов термин «нанотехнологии» объединяет «нанонауку», «нанотехнологии», и иногда даже «наноиндустрию» (направления бизнеса и производства, где используются нанотехнологии).

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7‑ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г.) выделяют следующие типы наноматериалов:

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них:

Компьютеры и микроэлектроника

Нанокомпьютер — вычислительное устройство на основе электронных (механических, биохимических, квантовых) технологий с размерами логических элементов порядка нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры.

ДНК‑компьютер — вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления — это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.

Атомно‑силовой микроскоп ‑ сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.

Антенна‑осциллятор ‑ 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

Наномедицина и фармацевтическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК‑нанотехнологии ‑ используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии ‑ наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Робототехника

Нанороботы ‑ роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами.

В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.

Молекулярные роторы ‑ синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.

Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии

Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 ‑ 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.

В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологий», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».

В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.

Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок.

В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.

Источник

Нанотехнологии

Урок 19. Технология 10-11 классы ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Нанотехнологии»

Видели ли вы когда-нибудь монитор, толщина которого меньше миллиметра? А бумагу, которая не горит и не промокает? Или одежду, которую невозможно испачкать? Да, да то, что вы сейчас слышите – это не фантастика! Это то, что ожидает нас в недалёком будущем. Такие необычные предметы могут подарить человеку нанотехнологии.

В последнее время очень часто мы слышим слово «нанотехнологии». Но, если спросить первого встречного человека, что это такое, то вряд ли он даст понятный ответ на этот вопрос. И всё-таки большинство из нас всё же имеют представление, что такое нанотехнологии. А вот, если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, то ответ будет краток: «нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».

Итак, под термином нанотехнологии следует понимать технологии изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи. Вообще, нанотехнология в переводе с греческого «нанос» — «карлик»; «техно» — искусство; «логос» — смысл, понятие. Нанотехнологии предполагают манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может. Они применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые сочетания).

Чтобы понять, насколько малы эти материалы и устройства, давайте представим себе такую ситуацию: вам предлагают выпить стакан воды, который наполнен микроскопическими роботами. Их размеры настолько малы, что разглядеть вам их не представляется возможным. Однако после того как вы их выпьете, они начнут работать над вашим организмом, залечивать раны и наносить своеобразные «заплатки», где нужно. Вот точно также происходит и в нанотехнологиях.

Нанотехнологии обеспечивают возможность создавать и модифицировать объекты, которые включают компоненты с размерами менее ста нанометров, принципиально нового качества. Используются самые разные методы (механические, химические, электрохимические, электрические, биохимические, электроннолучевые, лазерные) для искусственной организации заданной атомарной и молекулярной структуры нанообъектов, для создания микроскопических устройств.

Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от одного до ста нанометров. В основном выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры; наночастицы; нанотрубки и нановолокна; наноструктурированные поверхности и плёнки; нанокристаллы.

Говоря о наночастицах, обычно предполагают, что их размеры от нуля целых одной десятой нанометра до ста нанометров. Если сравнивать их размеры с размерами других материалов, то обратите внимание, размеры большинства атомов расположены в интервале от нуля целых одной десятой до нуля целых двух десятых нанометров, ширина молекулы ДНК примерно 2 нанометра, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нанометров, человеческий волос — 80 000 нанометров. Именно на таких масштабах работают нанотехнологии.

Можно немного коснуться истории нанотехнологий и поговорить об этапах их развития. Итак, первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, предсказал известный физик Ричард Фейнман в 1959 году в своём выступлении.

Он говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать всё, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учёными из АйБиЭм.

Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только видеть отдельные атомы, но и управлять ими, поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами и непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, всё, что угодно: любой предмет, любое вещество. Ну а сам термин «нанотехнологии» ввёл японский физик Норио Танигути в 1974 году.

В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий».

С тех пор нанотехногии получили широкую общественную огласку. В 1998 году голландский физик Сеез Деккер нашёл практическое применение нанообъектам. Он создал транзистор на основе нанотехнологий.

На сегодняшний день нанотехнологии делят на три направления. Первое направление – это изготовление электронных схем размером до нескольких атомов.

Второе – сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов.

И третье – создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов).

Уже сегодня нанотехнологии затронули много сфер деятельности людей. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс лучше всего виден уже сейчас. Так, например, нанотехнологии используют при производстве жёстких дисков персональных компьютеров, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно лёгких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, которые обеспечивают их самоочистку.

Даже в быту есть много незаметных, но очень важных веществ, о присутствии которых мы даже и не подозреваем! Давайте рассмотрим самые яркие примеры. Современные телефоны. Благодаря использованию нанотехнологий появилась возможность оснастить смартфоны, айфоны и другие устройства специальными датчиками, которые выступают в роли защиты. Даже при разбитом стекле микрочипы не перестают работать.

Зубная паста. Ранее никто и не задумывался о том, почему очищающее средство для зубов бывает разным. А объясняется это наличием определённых наночастиц. Например, гидроксиапатит кальция, который незаметен невооружённым глазом, помогает восстановить разрушенную эмаль и защитить зубы от кариеса.

Лейкопластырь. Он имеет нанослой серебра, который способствует быстрому заживлению и обладает антибактериальными свойствами.

Краска для автомобилей. Современные автомобильные краски, благодаря наночастицам, способны перекрывать неглубокие царапины и другие полости, которые образуются на кузове. В их состав входят микроскопические шарики, которые и обеспечивают такой эффект.

Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Этот телевизор представляет собой органический светодиод, а его толщина всего лишь несколько миллиметров. На сегодняшний день у него имеется один серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.

Если смотреть более глобально, то нанотехнологии не оставили без внимания и солнечную энергетику. Вы уже знаете, что солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях. Теперь же солнечные батареи нового поколения – это дешёвая полимерная плёнка, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотоплёнки. Новые солнечные батареи обещают обладать рядом преимуществ по сравнению с традиционными батареями, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не будут требовать прямого попадания солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже.

Если говорить о перспективах нанотехнологий, то по прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы. Давайте немного пофантазируем, представим мир недалёкого будущего.

Наноматериалы будут широко использоваться в технике и промышленности, они будут защищать от грязи, коррозии, различных повреждений. Появятся молекулярные роботы-врачи, которые будут «жить» внутри человеческого организма и устранять все возникающие повреждения. Произойдёт замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами – комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путём. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко».

Произойдёт полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счёт насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, которые будут превращать отходы деятельности человека в исходное сырьё, а во-вторых, за счёт перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Электричеством нас будут обеспечивать солнечные батареи, которые будут встроены в стены и крыши домов. Телевизоры, компьютеры будут компактными в виде стикеров. Нанодатчики помогут в обнаружении любых угроз, от пожара до атаки террористов. Даже одежда будет самоочищающая и умеющая контролировать эмоциональное состояние того, кто её носит.

Однако самое интересное и важное – это то, как повлияет развитие нанотехнологий на жизнь человека и на жизнь общества в целом. Уже понятно, что эти технологии сильно изменят наш мир. Но предвидеть все эти изменения в деталях пока никто не может. И всё же нанотехнологии – это наше настоящее и будущее.

Источник