Владислав Фельдблюм «Нано»






НазваниеВладислав Фельдблюм «Нано»
страница1/21
Дата публикации07.02.2014
Размер2.94 Mb.
ТипДокументы
auto-ally.ru > Химия > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21
Владислав Фельдблюм

«Нано» на стыке наук:

нанообъекты, нанотехнологии, нанобудущее


(Электронное междисциплинарное издание)

Ярославль - 2013


Аннотация
В издании анализируются и обобщаются опубликованные данные о состоянии и перспективах развития нанонауки и нанотехнологии. Приведены сведения о наночастицах, способах их получения и исследования, сферах применения. Рассмотрены различные направления использования нанотехнологии. Описано применение нанотехнологий в производстве новых материалов с уникальными свойствами, в биологии и медицине, в новых источниках электрического тока, в охране окружающей среды, для наноразмерных приборов и устройств, в наноэлектронике и молекулярных компьютерах, в машиностроении, на транспорте будущего, в строительстве и архитектуре, в лакокрасочной промышленности, в химических аккумуляторах солнечной энергии, в средствах связи и информации, в военной технике и др. Проанализировано влияние нанотехнологий на будущее цивилизации. Отмечены основные черты будущего нанообщества как продукта интеллектуальной и технологической революции. Подчеркивается возрастающая опасность глобальных наноугроз и важность глобальной ответственности для их преодоления. Рассмотрены перспективы России в развивающемся наномире.

В издании выдержана единая концепция всестороннего, комплексного подхода к изучению многообразной проблемы «нано». Показано, что эта проблема является междисциплинарной по своей сущности и стремительно развивается на стыке наук и благодаря взаимодействию наук – естественных, технических и гуманитарных. На многочисленных примерах убедительно показано, что развитие и практическая реализация нанотехнологий не только окажет огромное преобразующее влияние на жизнь общества, но и породит новые сложные проблемы, которые потребуют неотложного решения общими силами человечества.

Издание может рассматриваться и как учебное пособие, и как научное издание, и как своего рода путеводитель по наиболее перспективным направлениям научного и технологического прогресса. Будучи электронным, издание использует широкие возможности интернета: здесь есть и текстовой материал, и многочисленные цветные иллюстрации, и видеофайлы, и гиперссылки. Это призвано пробудить живой интерес читателей к грандиозным достижениям науки и техники, способствовать повышению качества образования.

Издание рассчитано в первую очередь на преподавателей, аспирантов и студентов технических университетов. Оно будет полезно и научным работникам при выборе и планировании наиболее перспективных направлений исследований и разработок. Оно наверняка заинтересует всех, кто хотел бы приобщиться к познанию грандиозных достижений науки и техники.

Оглавление
Стр.
Введение ……………………………………………………………………….4
1. Наночастицы……………………………………………16
1.1. Нанонауки: возникновение, развитие, взаимодействие………………..17
1.2. Нанохимия и супрамолекулярная химия………………………………..26
1.3. Виды наночастиц………………………………………………………….29
1.4. Способы получения наночастиц…………………………………………55
1.5. Методы исследования наночастиц………………………………………66
1.6. Нанохимия и катализ……………………………………………………..73
1.7. Органические соединения с функциональными группами в

нанохимии……………………………………………………………………. 79
1.8. Металлы в ультрадисперсном состоянии и нанообъекты

на их основе……………………………………………………………………81
Литература к разделу 1……………………………………………………90
2. Нанотехнологии……………………………………………… 92
2.1. Новые материалы………………………………………………………….101
2.2. Биология и медицина……………………………………………………...117
2.3. Новые источники электрического тока…………………………………..129
2.4. Охрана окружающей среды……………………………………………….133
2.5. Наноразмерные приборы и устройства………………………………… 139
2.6. Наноэлектроника и молекулярные компьютеры………………………...148
2.7. Нанотехнологии в машиностроении……………………………………..156
2.8. Транспорт будущего………………………………………………………172
2.9. Нанотехнологии в строительстве и архитектуре………………………..176
2.10. Нанотехнологии в лакокрасочной промышленности………………….180
2.11. Химические аккумуляторы солнечной энергии………………………..184
2.12. Средства связи и информации…………………………………………...187
2.13.Нанонаука против нанообмана…………………………………………..191
Литература к разделу 2……………………………………………………193
3. Нанобудущее……………………………………………………..194
3.1. Нанообщество – продукт интеллектуальной и технологической революции………………………………………………………………………202
3.2. Нанотехнологии в военной технике. Глобальные угрозы и

общая ответственность………………………………………………………..223
3.3. Россия в развивающемся наномире………………………………………250
Литература к разделу 3…………………………………………………….262
Перечень использованных сайтов…………………………………………263
Предметный указатель

Введение
Последние 15-20 лет ознаменовались бурным развитием новых направлений в науке и технике — нанохимией и нанотехнологией. Предметом изучения и применения здесь стали наноразмерные объекты (нанометр нм равен 10-9 метра): атомы, молекулы и их ассоциаты, наночастицы, наноматериалы, наноприборы и наноустройства. Возникают новые научные отрасли, такие, как супрамолекулярная химия, нанобиология, наномедицина, наноэлектроника и т. д. Лидирующее положение в них пока принадлежит США, Англии, Германии, Японии. Но к этим новым направлениям уже подключились отечественные научные школы и заинтересованные предприятия. Создана отечественная корпорация РОСНАНО для финансирования, планирования и координации исследований и разработок в этой перспективной области.
Важно отметить, что рассматриваемые новые направления являются междисциплинарными, т.е. находятся на стыке наук. Это объясняется, во-первых, тем, что получение и исследование столь малых объектов возможно лишь при объединении достижений и методов различных научных дисциплин. Во-вторых, результаты и достижения нанохимии и нанотехнологии являются по сути междисциплинарными. Они используются во многих науках и сферах деятельности людей: в химии, физике, механике, медицине, материаловедении, машиностроении, электронике, оптике и т.д. Успехи нанотехнологии еще раз показывают, какие выдающиеся открытия и технические новшества рождаются на стыке наук.
К настоящему времени опубликованы десятки книг, тысячи патентов и научных статей по различным аспектам проблемы «нано». Ниже показаны некоторые книги. При всем многообразии освещения этой интересной и важной проблемы, её междисциплинарный характер отражен недостаточно. Предлагаемая ныне читателям электронная книга имеет целью отчасти восполнить этот пробел и осветить проблему «нано» с разных сторон – естественнонаучной, технической и гуманитарной.

























































Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.

Нанотехнологии уже так или иначе затрагивают нашу жизнь. Нанопродукты можно обнаружить в автомобилях и в краске на стенах домов. По прогнозам к 2010 году мировой рынок нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. долларов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

В некоторых книгах можно встретить следующее определение: нанотехнология - это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами. В связи с данным определением возникает естественный вопрос: каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Попробуем разобраться в этом, а так же раскрыть суть нанонауки, рассмотреть историю ее развития, выделить объекты ее изучения, методы исследования, и, что самое интересное, понять, как человек реализует огромный потенциал нанонауки в повседневной жизни. Нанонаука основана на изучении объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен 1 нм.

Первые теоретические исследования, положившие начало разработке инструментального обеспечения нанотехнологий, - это труды российского физика Г.А. Гамова. в 20-е годы XX века он впервые произвел решения уравнений Шредингера. Уникальное свойство, характерное для квантовых частиц, заключается в их способности проникать через преграду, даже когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Электрон, встретив на своем пути преграду, для прохождения которой требуется больше энергии, чем есть у него, не отразится от нее, а с потерей энергии (как волна) преодолеет эту преграду. Открытое явление, названное "туннельным эффектом" (туннелированием), позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. В 1939 году немецкие физики Э. Руска и М. Кноль создали электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов.

Вообще мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их "атом за атомом", восходит к знаменитой лекции "Там внизу много места" одного из крупнейших физиков XX века, профессора Калифорнийского технологического института Ричарда Фейнмана. Опубликованные в феврале 1960 года материалы лекции были восприняты большинством современников как фантастика или шутка. Сам же Фейнман говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все что угодно, т.е. использовать атомы как обыкновенный строительный материал.

В 1964 году, спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Г. Мур, один из основателей американской корпорации Intel, выдвинул предположение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это наблюдение получило название первого закона Мура. Показав зависимость роста производительности запоминающих микросхем от сроков их изготовления, он обнаружил закономерность: новые модели микросхем каждый раз появлялись через приблизительно равные промежутки времени (18-24 месяца). При этом их емкость возрастала каждый раз примерно вдвое.

В 1968 году сотрудники американского отделения исследования полупроводников Дж. Артур и А. Чо разработали теоретические основы нанообработки поверхностей. В 1973 году советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказали ее стабильность. Мировая наука вплотную подошла к началу решения прикладных задач в области нанотехнологий.

Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований Э. Дрекслера, работавшего в лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Многие ученые в мире в той или иной степени работали с объектами наноуровня, но термин "нанотехнология" впервые (в 1974 году) предложил японский физик Н. Танигучи из Токийского университета. Нанотехнология, по Н. Танигучи, - это технология объектов, размеры которых составляют порядка 10-9 м, включающая процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

Накопленные знания в области нанотехнологий позволили по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Так, в 1975 году немецкие ботаники В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили и запатентовали явление самоочистки поверхностей некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен протекает в наноструктурированных поверхностных областях.

Исследования по совершенствованию инструментального обеспечения нанотехнологий вышли на новый уровень. Весной 1981 года немецкие физики К. Бинниг и Э. Руска, а также швейцарец Г. Рорер из Цюрихской лаборатории компании IBM испытали туннельный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп позволил построить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. С помощью такого микроскопа стало возможным "захватить" атом с токопроводящей поверхности и поместить его в нужное место, то есть манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любое вещество.

В 1985 году коллектив ученых в составе английского астрофизика, Г. Крото, американских химиков Р. Керла, Д. Хита и Ш. О'Брайена под руководством Р. Смолли получил новый класс соединений - фуллерены - и исследовал их свойства. В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектров паров графита была обнаружена молекула фуллерена С60. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм. В 1986 году Г. Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой микроскоп. Такой микроскоп, в отличие от туннельного, может взаимодействовать с любыми объектами, а не только с токопроводящими материалами. Своего рода сенсацию в сентябре 1989 года совершили американские исследователи Д. Эйглер и Э. Швейцер из Калифорнийского научного центра компании IBM. С помощью 35 атомов ксенона на очищенной в сверхвысоком вакууме и охлажденной до 4 К поверхности монокристалла никеля они выложили название своей фирмы.

В 1991 году японский исследователь С. Ииджима из компании NEC открыл углеродные нанотрубки. В 1992 году Э. Дрекслер на научном уровне рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий в новом научно-практическом направлении, которое следует назвать "практическая нанотехнология". Это дало мощный толчок к началу применения нанотехнологических методов в промышленности. В 1994 году стали появляться первые коммерческие материалы на основе наночастиц - нанопорошки, нанопокрытия, нанохимические препараты и т.д. Началось бурное развитие прикладной нанотехнологии. В 2004 году С. Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, впервые получив единый наномеханизм и открыв дорогу развитию бионанотехнологиям.

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации. Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нм возрастут квантовомеханические помехи, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.
Настоящее междисциплинарное электронное издание является одновременно и научно-популярной монографией, и своего рода путеводителем, и методическим пособием. Оно предназначено для учителей и учащихся старших классов школ, преподавателей и студентов высших учебных заведений. Задача книги в том, чтобы привлечь внимание читателей к этой динамично развивающейся области науки и техники, пробудить интерес к ней, дать основы знаний, стимулировать междисциплинарные научные исследования, показать плодотворность взаимодействия различных научных дисциплин для решения актуальных проблем в естественнонаучной и гуманитарной сферах.
В работе над этим изданием большую помощь оказали моя жена Татьяна Викторовна Коновалова, инженер, кандидат технических наук, и мой сын Евгений Владиславович Коновалов, доцент Ярославского государственного университета, кандидат физико-математических наук. Выражаю им сердечную признательность и благодарность.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Владислав Фельдблюм «Нано» iconМетодические указания для студентов отраслевой группы специальностей «Транспорт»
Доля Владислав Анатольевич преподаватель первой категории бу «Игримский политехнический колледж»

Владислав Фельдблюм «Нано» iconВладислав Владин Дмитрий Капустин Гармония семейных отношений
Думается, мы можем быть с вами откровенными. Хотим надеяться, что вы нас поймете

Владислав Фельдблюм «Нано» iconКрасинский Владислав Вячеславович кандидат юридических наук, эксперт...
Конституционно-правовое регулирование российского гражданства в интересах обеспечения национальной безопасности // Политика и общество....

Владислав Фельдблюм «Нано» icon«Тульские новости», 18. 03. 2013, 09: 37
Заместитель главы администрации города по жкх – начальник управления жизнеобеспечения и благоустройства администрации города Тулы...

Владислав Фельдблюм «Нано» iconПояснительная записка Составитель: кандидат юридических наук, доцент...
Целью программы является оптимальное изложение необходимого учебного материала для его полного усвоения будущими юристами

Владислав Фельдблюм «Нано» iconТехнология образования нано (микро) размерных антифрикционных противоизносных пленок
Нтц «Надежность» Самарского государственного технического университета (Самгту), разрабатывает нир и окр по проблемам конструкции,...

Владислав Фельдблюм «Нано» iconВладислав Васильевич "новейший справочник автомобилиста"
После получения водительского удостоверения начинается борьба за выживание — в полном смысле. Не для всех этот этап проходит успешно....

Владислав Фельдблюм «Нано» iconАнтидождь тесты и отзывы антидождь покрытие средство антидождь антидождь нано
Дождь снаружи, а конденсат изнутри могут очень сильно затруднить ориентирование на дороге. И если для лобового стекла автомобиля...

Владислав Фельдблюм «Нано» iconИндивидуальный предприниматель Казанцев Олег Викторович, именуемый...
Якубовский Владислав Михайлович, действующий(-ая) от своего имени и в своих интересах, именуемый(-ая) в дальнейшем "принципал", вместе...

Владислав Фельдблюм «Нано» iconВ прошлом выпуске мы затрагивали вопрос о том, что криптоалиены разрабатывают...
Персоналу фармацевтической компании было сказано, что эти нано частицы работают в человеческом теле как материнская доска в компьютере,...


авто-помощь


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
auto-ally.ru
<..на главную