«Нанотехнологии: прошлое, настоящее, будущее»


II гимназическая ученическая научно-практическая конференция «Путь к успеху»
Нанотехнологии: прошлое, настоящее, будущее
Паспорт проекта
Выполнили Казарян Лаура Самвеловна,
Коростелев Иван Олегович
Ученики 10 «А» класса
МБОУ гимназии г. Гурьевска
Научный руководитель:
Матвеева Вера Владимировна,
Учитель физики и астрономии
МБОУ гимназии г. Гурьевска,
Гурьевск 2015 год
Тип проекта: информационно - исследовательский.
Тип проекта по предметно - содержательной характеристике: меж предметный.
Учебная работа по количеству участников: групповая.
По срокам: долгосрочная.
По характеру контактов у учащихся в процессе выполнения проекта: внутри и вне школьная.
Краткая аннотация проекта.
Мы много слышали о современных нанотехнологиях. Интересно то, с какими размерами приходится иметь дело учёным, то есть 1 нанометр равен миллионной доле миллиметра. То, что раньше человеческое воображение могло только рисовать, теперь можно увидеть и «потрогать» — это атомы и молекулы. Наночастицы нельзя описать и исследовать привычными методами. Но они есть, с этим приходится считаться — и люди пытаются взглянуть на наномиры под различными углами, изучить их. Мы понимаем, что нанотехнологии — неисчерпаемый источник тем для любых научных исследований, поэтому в своей работе мы решили изучить историю нанотехнологий, их применение, новейшие достижения, а также познакомиться с работой специальных лабораторий в БФУ имени И. Канта.
Гипотеза: Убедиться в том, что, для формирования научно-технологического потенциала в России и за рубежом, необходимо вести исследования в области нанотехнологий.
Цель: Исследовать применение и новейшие достижения нанотехнологий.
Задачи:
1.Изучить историю нанотехнологий.
2.Найти и изучить источники информации в популярной литературе и интернете.
3.Создать модель фуллерена на 3D принтере.
Методы исследования:
1.Анализ информации из разных источников.
2.Обобщение данных из истории нанотехнологий.
3.Анализ значимости новейших достижений в нанотехнологиях.
Глава I. Теоретическая часть работы
Из истории нанотехнологии.
Термин нанотехнология стали употреблять после 1986 года. Многие источники первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «В том мире полно места. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Ричард Фейнман
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».

Исаак Ньютон
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах. Нано технологии развиваются в самых крупных и финансируемых лабораториях ведущих стран мира. Самые большие лаборатории сосредоточены в Германии, Канаде, России, США и Японии.

Норио ТанигутиОпределения и терминология.
Под нанотехнологиями подразумевается следующее:
использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.
Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г.) нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм.
Наноматериалы - материалы, разработанные на основе нано частиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре.

Нанокристаллы - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку, характеризующийся анизотропией свойств и имеющий размеры (хотя бы один) 100 нм. Эти материалы имеют большой технологический потенциал, так как многие их электрические и термодинамические свойства зависят от их размеров, и, следовательно, могут контролироваться во время технологического процесса.

Аэрогель— класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

Аэрографит —материал чёрного цвета, может принимать различную форму, объёмом обычно в несколько кубических сантиметров. Его структура представляет собой взаимосвязанную сеть углеродных трубок диаметром в несколько микронов, и толщиной стенки около 15 нм. Стенки трубок часто прерывистые, имеют складчатые области, что повышает эластичность аэрографита.

Методы исследованияОдним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. Исследования свойств поверхности проводят с помощью сканирующего зондового микроскопа.

С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод.
Глава II. Последние нано изобретения
Наука и техника
Фемтосекундные лазеры
Среди несметного количества лазеров можно выделить 2 основных типа устройств: с непрерывным излучением, работающие с постоянной мощностью, и с импульсным излучением.

Особенность лазеров с ультракороткими импульсами в том, что за время импульса материал, на который воздействует установка, не успевает нагреться. При этом энергия фемтосекундных импульсов невелика. Но в силу очень малой длительности их вспышки, мощность одного импульса сопоставима с мощностью всех электростанций мира. Сегодняшние технологии позволяют генерировать импульсы длительностью в 10 фемтосекунд, это настолько же короче 1 минуты, насколько минута короче времени жизни Вселенной.
«Материал мечты»
Ученые занимаются разработкой «материала мечты» – композита, в 4–5 раз более прочного, чем самая прочная сталь, и более лёгкого, чем алюминий.

Уже удалось разработать материал на основе алюминия, такой же лёгкий, как и этот металл, но почти в 25 раз более прочный, что позволяет сопоставлять его со сталью. Это стало возможным благодаря уникальной в России и новой в мире технологии упрочнения материалов с помощью нанотрубок нитрида бора. В ближайшей перспективе учёные намерены превысить прочность стали в 2–3 раза.
Уникальные цепи
Группа ученых создали опытные образцы цепей, состоящих из серебряных нанопроводников и пластин двухмерного материала, дисульфида молибдена (MoS2). Такая комбинация материалов позволяет цепи эффективно проводить одновременно электричество и свет вдоль одного крошечного нанопроводника, что в будущем может быть использовано при создании процессоров будущего поколения, способных обрабатывать и передавать информацию со скоростью света.

Медицина
Люциферазу открыли российские учёные
Ученые выделили из морского планктонного рачка самую маленькую в мире молекулу люциферазы — фермента, вызывающего свечение у многих видов животных.
Тесты показали, что новая люцифераза, не смотря на свой небольшой размер, высоко активна и термостабильна. Новая миниатюрная светящаяся молекула может быть использована в качестве удобного средства для наблюдения за внутриклеточными процессами у млекопитающих без нарушения живых тканей.
Фемтосекундные лазеры в медицине
Лазер фокусируется под поверхностью роговицы, где происходит испарение тканей без их нагрева. Серия таких микровзрывов создаёт разрез, через который также лазером производится корректировка хрусталика. Этот разрез потом легко заживляется. Помимо офтальмологии фемтосекундные лазеры используются для диагностики онкологических заболеваний, в нейрохирургии и косметологии.

Наночастицы распознают ядро онкоклеткиИсследователи из Китая разработали интеллектуальную наносистему, которая позволяет осуществлять адресную доставку препаратов непосредственно в ядро опухолевой клетки.
Многие лекарственные препараты не могут попасть внутрь ядра опухолевой клетки. Часто такая невозможность «откупорить» клетку приводит к понижению эффективности радиотерапии.

Изучение мышей изнутри
Группа учёных впервые успешно запустила микроскопические машины в организм мышей. Учёным удалось скормить устройства (покрытые цинком трубки из полимеров длиной 20 микрон) грызунам. Нагруженные нано частицами машины донесли свой груз до желудка животных. Цинк вступает в реакцию с желудочным соком: возникают пузырьки водорода, направляющие устройства к стенкам желудка, где те закрепляются и начинают растворяться. В результате принесенные ими медицинские препараты попадают в ткань. Такая технология представляет собой эффективный способ лечения пептических язв и других болезней желудка.
Наноматериал для лечения атеросклероза
Специалисты разработали оригинальную технологию лечения атеросклероза, дополняющую шунтирование. Уникальный композитный наноматериал поможет бороться с главной причиной инфарктов, инсультов и других тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой системы – атеросклеротическими бляшками. Учёные разработали композитный наноматериал, в составе которого содержатся близкие по строению к жирам, молекулы, которые размещают на поверхность наночастиц. На сегодняшний день выявлено, что наноматериал взаимодействуя с компонентами бляшки, разрушает ее.

Нанотехнологии в космосе
Космический лифт
Идея создания космического лифта
Впервые о подъемнике такого рода заговорил в 1895 году Константин Циолковский.
Он предложил построить башню высотой в тысячи километров, которая должна была быть укреплена на какой-либо тверди на околоземной орбите. Самым прочным материалом в то время была сталь, но для строительства "башни" она была слишком тяжела. 
Косми́ческий лифт — концепция инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам center38227000представляются подходящим материалом.
НаноспутникиПервый отечественный наноспутник — ТНС-0 — запустил на орбиту в 2005 году Селижан Шарипов, работая на МКС, — он просто выбросил его рукой в космос. Наноспутник весом 5 кг сконструировали в НИИ космического приборостроения. Сейчас готово второе поколение ТНС, которые будут работать от солнечных батарей, что значительно продлевает срок их активного существования.
Заключение
В данной работе мы исследовали применение и новейшие достижения нанотехнологий, познакомились со специальной терминологией. Для этого изучили историю нанотехнологий, нашли и изучили источники информации в популярной литературе и интернете, сделали анализ значимости новейших достижений в нанотехнологиях. Мы установили, что нанотехнологии имеют многообразные применения в науке, технике, медицине, космонавтике. После экскурсии в научно-технологический центр «Фабрика» БФУ имени И. Канта, увидев работу молодых ученых, мы действительно убедились, что для формирования научно-технологического потенциала в России и за рубежом, необходимо вести исследования в области нанотехнологий. По мнению президента Российской Федерации В.В. Путина «Без микроэлектроники, без наноиндустрии и технологии не будет ни современного авиастроения, ни судостроения, ни, тем более, ракетостроения». Возможно мы, поступив учиться в БФУ имени И. Канта, тоже будем работать в лабораториях, применяющих именно нанотехнологии. Нам удалось создать модель фуллерена на 3D принтере, мы видели такие принтеры на экскурсии, надеемся, что сможем завершить свой проект, когда будем студентами.

Приложенные файлы

  • docx file 15 doc
    Нанотехнологии: прошлое, настоящее, будущее.
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 1