Нанотехнологии настоящее и будущее.

       МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный  (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»


Кафедра биотехнологии и биотехнических систем


(наименование кафедры)





Крайнова Алина Алексеевна


(фамилия, имя, отчество студента)





Институт
ИЕНиТ
курс
I
группа
211518






12.03.04 «Биотехнические системы и технологии»
(код и наименование направления подготовки/специальности)






КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА


     


По дисциплине
Проблемы современного естествознания





На тему
Нанотехнологии: настоящее и будущее.



             (наименование темы)








































Отметка о зачёте












(дата)
















Руководитель 
доцент



О.Е. Карякина




(должность)

(подпись)

(инициалы, фамилия)












(дата)











































Архангельск
2015




ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ




























Оглавление

Введение	4
1. Понятие «нанотехнология»	5
2. Области применения нанотехнологий	6
     2.1 Нанотехнологии в медицине…………………………………………………..7
       2.2 Нанодоставка в строительстве	….8
       2.3 Нанотехнологии в электронике	…….11
3. Будущее нанотехнологий	13
Заключение	14
Список использованных источников	15



      Введение
                Человек всегда  стремился улучшать условия своего существования, чтобы выжить: изготавливал орудия труда, приручал диких животных... Но мир меняется с каждым днем, годом, веком…  поэтому меняются и потребности людей. Сейчас уже мы не можем себе представить, как жили раньше люди  без компьютера и мобильного телефона, то есть мы  не можем представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки и техники. Сегодня  наука шагнула далеко вперед – в эпоху нанотехнологий, в эпоху мощных, быстрых, а самое главное -  компактных машин. 
                  Данная тема вызвала у меня интерес тем, что открывает человечеству новые возможности и перспективы развития и способна вывести мир на координально новый уровень жизни на Земле, но и не только на Земле. Поэтому я решила изучить ее более  подробно.

      1. Понятие «нанотехнология
      Как известно приставка «нано» обозначает одну миллиардную долю единицы измерения, то есть 1 нанометр=1/1000000000 м. На территории Российской Федерации понятие нанотехнологий установлено в ГОСТ Р 55416-2013 «Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения», а именно: совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона.[1]
      Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (?10?^(-9)м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 нм и менее, свойства материалов существенно изменяются.
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 г. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. 
      Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов.  Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.
Важнейшей составной частью нанотехнологии являются наноматериалы, то есть материалы, необычные функциональные свойства которых определяются упорядоченной структурой их нанофрагментов размером от 1 до 100 нм.
      В настоящее время наноматериалы находят себе применение во многих областях современной науки и техники. Такой класс материалов проявляет принципиально новые свойства, что позволяет создавать новые и более эффективные устройства 
      В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоемкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом “проб и ошибок”.
      
      
      
      2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

В настоящее время нанотехнологии уже используются при производстве жестких дисков персональных компьютеров, каталитических конвертеров — элементов двигателей внутреннего сгорания, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно легких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, обеспечивающих их самоочистку.
Ожидается, что нанотехнологии обеспечат существенный прорыв в компьютерных технологиях, в медицине, а также и в военном деле. Например, медицинская наука разработала способы доставки лекарств непосредственно к раковым тканям в крошечных «нанобомбах». В будущем наноустройства могут «патрулировать» артерии, противодействуя инфекциям и обеспечивая диагностику заболеваний.
    Американские ученые успешно использовали покрытые золотом «нанопули» для поиска и разрушения неоперабельных раковых опухолей. Ученые прикрепили нанопули к антителам, которые способны контактировать с раковыми клетками и уничтожатьих.
    Исследователи из финансируемого армией США Института армейских нанотехнологий в Кембридже (США) используют нанотехнологии для создания принципиально нового типа обмундирования. Их цель — создать ткань, которая может менять окраску, отклонять в сторону пули и энергию взрывной волны и даже склеивать кости.
Всех областей, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически несчесть, поэтому я рассмотрю только некоторые  и наиболее важные из них.
      2.1 Нанотехнологии в медицине

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.
Новое направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако ученые полагают, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.
Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом научных организаций.
Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека, определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность.
Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.
В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.
Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток, участвовать в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.
Между тем, инвестиции в этой области быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются, хотя в действительности наномедицины пока еще не существует.
2.2 НАНОТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство. Например, высокие темпы экономического роста Испании в 2007 году, не говоря уже о Москве, во многом обусловлены бурным расцветом строительной индустрии.
Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.
Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.
Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.
Другой аналогичный пример приводит "Росбалт" от 16.01.08 в публикации "ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии", где указывается следующее: "Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент"[8].
Применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001—0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона. Также обеспечивается повышение прочности и трещиностойкости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6—2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.
Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.
Новый бетон уже начали применять в строительстве. В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации "лотос-эффекта", особенно в строительной индустрии.
Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.
В ассортименте окрасочных материалов появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска с уникальными характеристиками. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию. Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м^2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень "дыхания" стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.
Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.
Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur. Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта "грязных" частиц, в результате чего эти частицы меньше "прилипают" к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.
Формирование наноструктур на поверхностях может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий: лазерным лучом или плазменным травлением; путем анодного окисления с последующим покрытием; приданием формы и созданием микрорельефа гравировкой; покрытием поверхности слоем металлических кластеров, комплексов "поверхностно-активное вещество — полимер" или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры; покрытием дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.
Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.
Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.
      
      
      
      
      
      
 4.1 НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
      
Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Основные задачи наноэлектроники: разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами; разработка физических основ технологических процессов; разработка самих приборов и технологий их изготовления; разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы.
Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы - основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов.
Очень широки возможности применения в наноэлектронике нанотрубок. Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки – идеальные претенденты на роль элементов для электронных схем. Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем.
Углеродные нанотрубки с "нанопочками" обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек – источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения.
Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.
Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Если такая память будет создана, то, например, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.
Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и, а также атомы меди и классические "магнитные элементы" — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и прозрачны, то есть могут быть использованы для голографической записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. 
Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологии. Эту разновидность компания назвала "памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания".
Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.
В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная литография.



      3. Будущее нанотехнологий – наше будущее

Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции. Однако, уже в ближайшем будующем нанотехнологии сделают нашу жизнь значительно комфортнее и проще.
Так, в медицине создатут, например, наносенсоры, которые обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний, что увеличит шансы на выздоровление. Врачи смогут победить рак и другие болезни. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.
В строительстве – нанодатчики строительных конструкций которые будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.
В энергетике за счет развития нанотехнологий мы меньше будем зависеть от нефти и газа. 
В машиностроении всю громоздкую технику заменят роботы. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. [6]
В ближайшие 10 –20 лет могут быть созданы сверхмалые компьютеры, более легкие и прочные материалы,  новые типы оружия и даже имплантаты, вводимые в организм.
      Нанотехнология является высокотехнологической отраслью науки, а развитие таких областей невозможно без серьёзных капиталовложений, что даже самая скромная нанолаборатория стоит не менее 10 млн. долларов
      В России финансирование нанотехнологий не превышало 20 млн. долларов в год по всем научным программам. 
      В настоящее время идет создание Российской корпорации нанотехнологий, на финансирование которой в ближайшее 4 года планируется направить 180 млрд. рублей.



Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что значительная часть того, что относится к области применения нанотехнологий принадлежит будущему. Однако уже в недалеком будущем нанотехнология может стать одной из ведущих отраслей современной науки. Перспективы самые разные. Некоторые рассматривают ее как лекарство от всех страшных болезней, другие – грозят бедами при неосторожном ее использовании, например, изобретение нового вида оружия. Так же можно сказать точно, что нанотехнологии – это будущее, важнейшая отрасль, которая необходима для дальнейшего развития цивилизации. 
Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. Она даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. 
      Однако остается надеяться, что люди   разумно распорядятся ее потенциалом и направят  ее энергию во благо  человечества. 
      Как пишет Джош Волфе, редактор аналитического отчета Forbes: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете"[16]. 
    Список использованных источников
      
1 Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология
2 РИА Новости — [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://ria.ru/science/20081203/156376525.html.
3 Вокруг света №10 (2889) | Октябрь 2014 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/pulse/1082.
4 Наука и Инновации № 12(70) | 2014 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://innosfera.org/node/340.
5 Вокруг света №4 (2799) | Апрель 2007 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3107/.
6Материалы с сайта о нанотехнологиях #1 в России Nanonewsnet[Электронный ресурс]. – Режим доступа: – http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/istoriya-puti-razvitiya-nanotekhnologii.
7Нанотехнология [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология.
14Нанотехнологии и области их применения. Справка [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ria.ru/science/20081203/156376525.html.
15 Нанотехнологии и перспективы их развития[Электронный ресурс]. Режим доступа:http://bibliofond.ru/view.aspx?id=17059
8Нанотехнологии[Электронный ресурс]. Режим доступа:http://nano-info.ru/nanotechnologies/
9 Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 
10. Головин, Ю. И. Введение в нанотехнику. М. : Машиностроение, 2007. 
11 Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. NanotechnologyNewsNetwork, 2005. 
12 Мальцева П. П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения - 2008 год [] : сборник / под ред. П. П. Мальцева. - М. : Техносфера, 2008. - 432 с. : цв.ил. - (Мир материалов и технологий). - 369.00
13  Старостин, В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В. В. Старостин ; под общ. ред. Л. Н. Петрикеева. - М. : Бином. Лабораторий знаний, 2008. - 431 с.
14  Суздалев. И П. Нанотехнология М.—Комкнига, 2006 — 592 стр.
15  Пул-мл., Ч. Нанотехнологии  : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. – 335 стр.
16 [Электронный ресурс] – Режим доступа: – http://mknews.ucoz.ru/publ/4-1-0-74


16


.......................