Что такое нанотехнологии почему эта отрасль науки
Что такое нанотехнологии почему эта отрасль науки
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.
Что такое нанотехнологии, какова сфера их применения?
Наше восприятие окружающего мира быстро меняется в лучшую сторону. С появлением новых технологий, которые не только экологичны и экономически эффективны, но и обеспечивают гораздо более сложное понимание молекулярной природы вещей, мы находимся на пути к созданию революционных систем, которые работают с большой скоростью и откроют невиданные врата для прогресса человечества.
Имея неограниченное применение практически во всех сферах жизни, это технология сегодняшнего и завтрашнего дня!
Что такое нанотехнологии?
Изобретение сканирующего туннельного микроскопа положило начало полномасштабному изучению структур на наноуровне. Многие непонятные крупномасштабные явления позволяют лучше понять их работу и происхождение, когда размер системы уменьшается в геометрической прогрессии.
Поэтому нанотехнологии помогают стереть различия в точности и достоверности между малыми и большими системами. Разворот свойств на 180 градусов, наблюдаемый при уменьшении размера системы, открывает новые возможности для новых и доселе неизвестных применений.
Методы нанотехнологий
Другой метод, то есть метод «снизу вверх», является полярной противоположностью сверху вниз. В этом методе объекты создаются на атомном или ядерном уровне и масштабируются до тех пор, пока не будет извлечен соответствующий продукт.
Методы сверху вниз
Нанометоды сверху вниз
Методы «снизу вверх»
Значение нанотехнологий
Медицина и повседневное использование
Технологические применения
Нанотехнологии появились сравнительно недавно, но сфера их применения безгранична. Огромный спектр продуктов, которые можно создать или даже улучшить с помощью этой технологии, поражает воображение. Мы можем легко изменить свойства и основные характеристики любого вещества в соответствии с нашими потребностями. Вещи можно сделать дешевле, и в то же время более совершенными!
Что такое нанотехнологии. Объясняем простыми словами
Нанотехнологии — это направление науки, специализирующееся на разработке и применении объектов, размер которых составляет от единиц до нескольких сотен нанометров (1 нанометр — это одна миллиардная доля метра). В таких масштабах вещества могут приобретать свойства, отличные от характеристик на других уровнях (например, на атомном, молекулярном или макромасштабе).
Современные наноматериалы позволяют создавать сложные электронные устройства нового поколения, которые могут применяться при производстве мощных компьютеров, медицинской диагностике, высокоскоростной передаче данных и др.
Вот лишь некоторые области применения нанотехнологий:
Пример употребления на «Секрете»
«Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) с помощью нанотехнологий смогли преобразовать шпинат в набор датчиков, способных обнаруживать взрывчатые вещества и передавать информацию об этом по беспроводной сети».
(Из материала о том, как растения помогают в мониторинге окружающей среды.)
Происхождение термина
Приставка «нано» пришла из греческого языка («нанос» по‑гречески — гном). На волне «нанотехнологического бума» её стали активно использовать и в маркетинге (iPod Nano).
В свою очередь, термин «нанотехнология» (nanotechnology) ввёл в 1974 году профессор‑материаловед из Токийского университета Норио Танигучи.
Практика
В начале 2000-х годов мир пережил «нанотехнологический бум»: ведущие экономики мира увеличили бюджеты для развития этого направления. В определённый момент в США нанотехнологии стали самым финансируемым научным проектом в истории после космической программы 1960-х годов.
В России же пик пришёлся на 2010–2011 годы. Для продвижения нанотехнологий государство создало корпорацию «Роснано». Тогда страна даже входила в пятёрку мировых лидеров по объему инвестиций в них после США, Европы (по 2,1 млрд долларов) и Японии (1,3 млрд долларов).
Как появились нанотехнологии?
Немного истории
Нанотехнологии появились не сиюминутно. Их использовали еще во времена Древнего Египта для «раскрашивания» стекла.
Известный кубок Ликурга (около IV в. н. э.) меняет свой цвет в зависимости от освещения от зелено-желтого до вишневого. Происходит это благодаря серебряным и золотым частицам размеров 50-100 нанометров.
Много позже люди также использовали наночастицы в работе с красками для стекол и росписи. Основной причиной манипуляций с такими материалами была долговечность и стойкость красящих веществ. Известная коллоидная химия, развитие которой пришлось на середину XIX века, тоже являлась работой с наноматериалами.
XX век для наночастиц был связан с новым подходом к науке: большие части раздроблялись на мелкие (top-down – англ. «сверху вниз»). Колоссальное влияние на работу наноуровня оказала лекция Ричарда Фейнмана «Там, внизу, еще полно места» в 1959 году. Именно на ней была озвучена суть такого подхода и преимущество работы с наночастицами при создании физических объектов.
С изобретением зондовых микроскопов ученые стали проводить операции с кластерами металлов. Создалась приборная база и оформилось само понятие «нанотехнологии».
Обращаясь к термину, заметим, что нанотехнологии — это манипуляции с новейшими материалами. Открытые в свое время аллотропные формы углерода также оказали сильное влияние на науку.
Проблема однородности
На данный момент уже существуют телевизоры с подсветкой на квантовых точках, называющихся нанокристаллами. Их свечение полностью зависит от тока. Такие квантовые точки являются прекрасной иллюстрацией нанотехнологий, получивших широкое распространение и дошедших до коммерциализации. Впервые они были открыты в 1982 году, но активно ими стали заниматься лишь десять-пятнадцать лет спустя. Стабильный коммерческий продукт появился спустя тридцать лет.
Затем специалисты стали заниматься материалами с памятью формы, различного вида сенсорами. Эта ниша весьма популярна сейчас на рынке, но все изобретения «доходят» до коммерческого продукта в течение пяти-десяти лет. Почему же процесс разработки продукта настолько долог?
Дело в том, что в манипуляциях на наноуровне одну из трудностей в работе представляет обеспечение повторяемости величин и форм структур. Так, один из проектов, связанный с работой на наноуровне, заключался в создании целого ряда вертикально ориентированных нанотрубок. Позже планировалось их использовать в создании плоского дисплея. Однако до сих пор проект остался не воплощенным в жизнь из-за трудоемкости работы. Создать даже две одинаковые вертикально ориентированные нанотрубки весьма сложно, поэтому о создании целого «леса» не приходится даже и говорить. К тому же, ряды нанотрубок должны быть одинаковые по высоте для уравнения напряженности. Но и это выполнить невозможно. В связи с неоднородностью напряженности кончики нанотрубки деградируют и нарушается работа прибора. Современные дисплеи созданы на квантовых точках, так как выполнять их получается лучше.
В разрешении этой проблемы существует и другой подход — выполнить такой прибор, в котором его итоговая макроразмерность нивелирует составные наночастицы. Для эффективной работы вместо «леса» продуктивнее будет создать сетку из нанотрубок и наностержней. Учитывая большой размер итогового прибора, размер самой сетки будет ничтожно мал и однороден.
Как ни странно звучит этот вопрос в наше время, но отвечать придётся. Хотя бы для себя самого. Общаясь с учёными и специалистами, занятыми в этой отрасли, я пришёл к выводу, что вопрос до сих пор остаётся открытым.
В Википедии кто-то дал такое определение:
Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
А такое определение было там же года 2 тому назад:
В популярной печати используется ещё более простое и доходчивое для обывателя определение:
Нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне.
(Люблю краткие определения 🙂 )
Или вот определение профессора Г. Г. Еленина (МГУ, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН):
Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
Да, в общем, всё довольно понятно.. Но вот наш (специально отмечу, отечественный) дотошный скептик скажет: «А что, всякий раз, когда мы растворяем кусочек сахара в стакане чая, мы разве не манипулируем веществом на молекулярном уровне?»
И будет прав. Необходимо добавить к опередению понятия, связанные с «контролем и точностью манипулирования».
Федеральное Агентство по науке и инновациям в «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», дает такое определение:
«Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов».
«набор научных, технологических и производственных направлений, которые объединены в единую культуру, основанную на проведении операций с материей на уровне отдельных молекул и атомов».
Простой скептик удовлетворён, но вот скептик-специалист скажет: «А не этими ли самыми нанотехнологиями всё время занимается традиционная химия или молекулярная биология и многие другие направления науки, создавая новые вещества, в которых их свойства и структура определяются определенным образом связанными наноразмерными объектами?»
Что же делать? Мы же понимаем, что такое «нанотехнологии».. чувствуем, можно сказать.. Попробуем добавить к определению ещё пару терминов.
Бритва Оккама
Нанотехнологии: любые технологии создания продуктов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами.
Кратко и скупо? Дадим пояснения использованным в определении терминам:
«Любые»: данный термин призван примирить специалистов разных научно-технологических направлений. С другой стороны, этот термин обязывает контролирующие бюджет развития нанотехнологий организации заботиться о финансировании широкого круга направлений. Включая, конечно и молекулярные биотехнологии. (Без необходимости искусственно притягивать к названию этих направлений приставку «нано-»). Считаю довольно важным термином для ситуации с нанотехнологиями в нашей стране на текущем этапе :).
«Потребительские свойства» (можно, конечно, использовать традиционный термин «Потребительская стоимость» – кому как нравится): создание продуктов с использованием таких передовых методов, как контроль и манипулирование веществом на наноуровне, должно придавать какие-либо новые потребительские свойства, либо влиять на цену продуктов, в противном случае оно становится бессмысленным.
Понятно также, что, например, нанотрубки, у которых один из линейных размеров лежит в области традиционной размерности, также попадают под это определение. При этом, сами создаваемые продукты могут иметь любые размеры – от «нано» до традиционных.
«Отдельные»: наличие этого термина уводит определение от традиционной химии и однозначно требует наличия самого передового научного, метрологического и технологического инструментария, способного обеспечить контроль за отдельными, а при необходимости даже за конкретными нанообъектами. Именно при индивидуальном контроле мы получаем объекты, обладающие потребительской новизной. Можно возразить, что, например, многие из существующих технологий промышленного производства ультрадисперстных материалов не требуют наличия такого контроля, но это только с первого взгляда; на самом же деле сертифицированное производство ультрадисперстных материалов в обязательном порядке требует наличия контроля за размерностью отдельных частиц.
«Контроль», без «Манипулирования» распостраняет определение на так наз. нанотехнологии «предыдущего поколения».
«Контроль» совместно с «Манипулированием» распространяет определение на перспективные нанотехнологии.
Таким образом, если мы способны найти конкретный наноразмерный объект, проконтролировать и при необходимости изменить его структуру и связи, то это – «нанотехнологии». Если же мы получаем наноразмерные объекты без возможности такого контроля (за конкретными нанообъектами), то это не нанотехнологии или, в лучшем случае, нанотехнологии «предыдущего поколения».
«Наноразмерный объект»: атом, молекула, надмолекулярное образование.
В целом, определение пытается связать науку и технологии с экономикой. Т.е. отвечает достижению главных целей программы развития наноиндустрии: созданию технологий, опирающихся на передовые методы исследования и производства, а также коммерциализации полученных достижений.
В общем, пока сам бы я на этом остановился. А вы?
Сегодня (16.08.07) пришло на ум такое определение:
Нанотехнологии: Любые технологии прецизионного манипулирования наноразмерными объектами
А вот определение академика Ю.Д.Третьякова:
Нанотехнологии: «это область знания, ориентированная на изучение и применение материалов, которые наноструктурированы и имеют размер частиц от 1 до 100 нанометров (нано – 10–9)»
(Источник)
Определение из презентации группы Онексим (М.Прохоров):
Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из отдельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении.
Определение LUX Research
Нанотехнологии — это не новая отрасль мировой экономики, а средство для модернизации множества других ее отраслей.