Российский Университет Дружбы Народов

Инженерная академия

Кафедра кибернетики и мехатроники

Курс «Введение в наноинженерию»

"История и будущее НИ"

Студентка ИИб-201 (2 курс): Гапеева А.Т.

Преподаватель: доцент Лапшинский В. А.

Москва 2016г. (09.12.16 верс.3.0)

Аннотация:

В реферате рассмотрен вопрос нанотехнологий. Подробно представлена история наноинженерии: первые открытия, доказательства, первые успехи в области наноинженерии. Предложены перспективы развития нанотехнологий.  А так же представлены варианты развития наноинженерии в будущем. Подробно рассмотрены перспективы развития данной области, а так же возможные проблемы и способы их решения.

В работе: рис. 72, стр. 26, источников 12.

Ключевые слова: нанотехнология, история наноинженерии, наноинженерия, будущее наноинженерии.

Глоссарий терминологии, сокращения и обозначения

Нанотехнологии (НТ) ‒ это фундаментальные технологии, основанные на манипуляциях с наноструктурами (наночастицами).

.

Наноинженерия ‒научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных (наноструктурированных) объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом.

Содержание

Введение. 4

Интересные факты.. 5

История НИ в лицах. 6

Проблемы и перспективы развития нанонауки в России. 18

Перспективы использования нанотехнологий. 19

Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России. 20

Вывод.. 22

Заключение. 23

Список литературы.. 24

Введение

«Parvo est natura contenta.»

«Малое есть содержание природы.»

Cicero (106-43 до н.э.)

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

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 (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

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.

Интересные факты

Древние египтяне применяли краску для покраски волос в черный цвет. Паста из оксида свинца, извести, и воды, смешивалось и в результате получались наночастицы галенита, которые имели размер до пяти нанометров. Черный цвет достигался пигментом меланином, который распределялся в кератине волоса. Красящая паста вступала в реакцию с серой и обеспечивала устойчивое равномерное окрашивание волос.

Голубая краска племен Майя сохранила яркий цвет до наших дней. Ее получали путем смешивания частиц дерева индиго и глины. Органические красители быстро разрушаются, а вот в союзе с неорганическими наноструктурами образовалась хорошая защита.

Известный Кубок Ликурга изготовлен древнеримскими мастерами около четвертого века до нашей эры. Он имеет зеленый цвет и непрозрачен при дневном свете. Но если в кубок поместить источник света, стенки кубка становятся полупрозрачными с красноватым оттенком. 

Цвет меняется, потому что частицы золота и серебра от пятидесяти и ста нанометров входят в состав стекла. Подобное стекло применялось при создании витражей средневековых европейских соборов.

Дамасские мечи имеют очень твердое стальное лезвие, которое как бритва разрезает волос на лету. В составе стали входят углеродные нанотрубки, которые образуются методом специальной ковки.

Секреты этих производств предавались из поколения в поколение, а причины таких уникальных свойств не исследовались. Только после появления нанонауки, ученые смогли найти объяснение этим уникальным свойствам.

История НИ в лицах.

• 400 г. до н.э. Греческий философ Демокрит впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малой частицы вещества.

• 1756 год. Иммануил Кант  «Физическая монадология». Первая работа, в которой анализируется понятие «атом».

• 1847 год. Английский физик Майкл Фарадей впервые изучил оптические свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе.

• 1905 год. Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой показал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

• 1912 год. Эрнст Резерфорд в серии тонких опытов доказал, что атом похож на солнечную систему, в центре которой — массивное ядро, а вокруг него вращаются легкие электроны. Так появилась планетарная модель атома.

• 1928 год. Ирландский изобретатель Эдвард Синг предложил схему устройства сканирующего оптического микроскопа ближнего поля.

• 1931 год. Макс Кнолл и Эрнст Руска  создали прототип первого просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), состоящего из двух последовательно расположенных магнитных линз) и впоследствии имеющий разрешающую способность 50 нм.

• 1938 год. Джемс Хиллиер и Альберт Пребус собрали первый практический просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп в университете Торонто (Канада).

• 1955 год. Эрвин Мюллер изобрел полевой ионный микроскоп, позволивший ему впервые увидеть отдельные атомы

• 1959 год. Ричард Фейнман впервые опубликовал работу с анализом перспектив миниатюризации. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал лекцию в Калифорнийском техническом университете на заседании Американского физического общества 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».Начало развития нанотехнологии обычно связывают именно с лекцией профессора Ричарда Фейнмана.

• 1970 год. Японский ученый Эйдзи Осава высказал предположение о существовании молекулы из 60 атомов углерода, в виде усечённого икосаэдра.

• 1973 год. Квантовые точки были обнаружены Луи Е. Брусом в коллоидных растворах и Алексеем Екимовым в стеклянной матрице.

• 
  
  1974 год. Норио Танигучи ввел в научный оборот термин «нанотехнологии» на Международной конференции по промышленному производству в Токио. Термин использовался для описания процессов сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, а также создания механизмов нанометровых размеров.

• 1981 год. Нобелевские лауреаты Герд Бинниг и Генрих Роре, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), способный видеть отдельный атом.

• 
  
  1981 год. Американский ученый Герберт Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.

•  1985 год. Нобелевские лауреаты Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли впервые исследовали свойства фуллеренов. Ими в ходе изучения масс-спектров паров графита были выявлены крупные агрегаты С60 и С70, состоящие соответственно из 60 и 70 атомов углерода.

• 1986 год. Американский физик Эрик Дрекслер в своей книге о возможностях нанотехнологий «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологий», основываясь на биологических моделях, ввел понятие о «молекулярных машинах», а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологическую стратегию «снизу вверх».

• 1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

• 
  
  1991 год. Японский ученый Сумио Иджима открывает углеродные нанотрубки.

• 1992 год. Ученые Гуо Б.С., Вей С., Пурнелл Дж., Бузза С., Кастлеман А. В. обнаружили стабильные фуллерено-подобные наночастицы Ti₈C₁₂.

• 1998 год. Голландский физик Сиз Деккер из Дельфтского технологического университета создал транзистор на основе нанотрубок, используя их в качестве молекул. Для этого ему пришлось первым в мире измерить электрическую проводимость такой молекулы.

• 
  
  1999 год. Уилсон Хо и Хайжун Ли исследовали химические связи, собирая молекулы карбонильного железа Fe(CO)₂ из составляющих компонентов: железо (Fe) и окись углерода (CO) – с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

• 2000 год. США поддержала создание Национальной Инициативы в области нанотехнологии . Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. США приступили к реализации программы исследований, названной Нациоанальной Нанотехнилогической Инициативой (ННИ).

• 2002 год. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

• 2003 год. Карло Монтеманьо  объединил молекулярный двигатель с наноразмерными устройствами из кремния. Это открывает новые возможности для создания молекулярных наномашин.

• 2003 год. Профессор Фенг Лью (Feng Liu) из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла (Franz Giessibl), с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

• 2004 год. Дэвид Бейкер и Брайан Кульман создали новые ферменты с измененной функцией, не существующие в природе.

• 2004 год. Андрей Гейм и Константин Новосёлов открыли графен (аллотропную модификацию углерода), который представляет собой одинарный слой атомов углерода.

• 2005 год. Кристиан Шафмейстер разработал новую технологию синтеза макромолекул с заданными функциями, формой и массой (от 1000 до 10000 дальтон). В перспективе это позволит синтезировать молекулярные строительные блоки для изготовления наномашин.

• 2006 год. Эрик Уинфри и Пол Ротмунд создали сложные двумерные фигуры из ДНК структур, так называемые ДНК-оригами
  
   

• 2006 год. Джеймс Тур и его коллеги из университета Райса создали наноразмерную машину, сделанную из олиго (фенилен этинилен) с алкиниловыми осями и четырьмя сферическими фуллеренами С60, в виде колес (бакиболы). Под действием повышения температуры, наномашина двигалась по поверхности золота. В результате бакиболы поворачивались, как колеса в обычном автомобиле.

• 2007 год. Дж. Фрейзер Стоддарт синтезировал кольцевые молекулы, которые могут изменять свои свойства под действием электричества. В перспективе это позволит создавать молекулярные мышцы.

• 2008 год. Нобелевские лауреаты по химии Осаму Симомура,Мартин Чалфи  и Роджер Цяня извлекли люминесцентные клетки из медузы и выделили из них зеленый флуоресцентный белок . Зеленый флуоресцентный белок – вещество, благодаря которому медузы светятся в темноте.

• 
  
  2009 год. Надриан Симан и его коллеги из Нью-Йоркского университета создали самоорганизующиеся ДНК структуры, которые могут сворачиваться в 3D ромбоэдрические кристаллы, с установленной ориентацией 
  
   

• 
  
  2009 год. Японские ученые Есиаки Сугимото, Масаюки Абэ и Оскар Кустанце  научились выбирать и манипулировать отдельными атомами кремния, олова и свинеца с помощью зонда АСМ, для построения сложных молекулярных структур при комнатной температуре
  
   

• 2010 год. Компания IBM разработала технологию ультра точной и быстрой литографии, которая позволяет создавать наноразмерные рельефные 3D поверхности. С помощью кремниевого наконечника АСМ была начерчена рельефная карта мира, размером 22 мкм за время 2 мин 23 сек
  
   

• 2011 год. Немецкий физик Леонард Грил использовал сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) для описания электронных и механических свойств отдельных молекул и полимерных цепочек 
  
   

• 2012 год. Немецкие физики Герхард Мейер, Лео Гросс и Яша Репп из компании IBM Research Zurich получили изображения распределения электронных зарядов в молекуле, с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Это позволило достаточно подробно определить структуру отдельных молекул, а также замыкать и размыкать отдельные химические связи.

Проблемы и перспективы развития нанонауки в России

Перспективы использования нанотехнологий

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

• В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

• В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

• В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

• В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

• В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран).

• В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

• В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

• В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России

Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.

• Первая проблема - формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства


• Вторая проблема - повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций.


• Третья проблема - собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве.


• Четвертая проблема - обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики. Пятая проблема - широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.


• Шестая проблема - создание исследовательской инфраструктуры,


• Седьмая проблема - создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях - от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции.


• Восьмая проблема - привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.

Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться как часть государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов.

Вывод

       Таким образом,  работа системного инженера (наноинженера) не так легка, как казалось бы. Абсолютно все инженеры сталкиваются с определенным рядом проблем и сложностей.

       Главная проблема наноинжеров заключается в том, что они должны учитывать размерность объектов. Из-за слишком малых размеров меняются свойства вещества, его термоустойчивость , чуствительность, прочность и многое другое.

       Лозунг: “С первого раза правильно!” является в какой-то степени мотивацией для инженеров, т.к. очень часто нет права на ошибку.

       Наноинженер должен для начала ознакомиться со свойствами всех наноматериалов, определить их взаимодествие друг другом и только потом приступать к работе.

Заключение

С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".

Список литературы:

1. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.


2. Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.


3. 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


4. 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.


5. Суздалев. И П. Нанотехнология М.—Комкнига, 2006 — 592 стр.

Пул-мл., Ч. Нанотехнологии [] : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. – 335 стр.

6. Кабаченко Л.А. Тонкоплёночные неорганические материалы. Мателиалы Воронежской конференции по нанотехнологиям (14-20 октября 2007 г.);


7. Марк Ратнер, Даниэль Ратнер. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи \ Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 240.


8. Материалы Интернет-энциклопедии Wikipedia (http://Wikipedia.org);


9. Материалы новостного сайта Науки и разработки - R&D.CNews (http://rnd.cnews.ru/)


10. Материалы с сайта о нанотехнологиях #1 в России Nanonewsnet (http://www.nanonewsnet.ru)


11. Публикации нанотехнологического общества «Нанометр» (http://www.nanometer.ru)


12. Соловьёв М.; “Нанотехнология - ключ к бессмертию и свободе”; Компьютерра; 13.10.97; N41(218).