Mis on nanotehnoloogia? Mis on nanotehnoloogia: kompleksi kohta lihtne Mis on nanotehnoloogia

) — Sellel terminil ei ole praegu ühtset üldtunnustatud määratlust. Mõiste "nanotehnoloogia" all mõistab RUSNANO materjalide, seadmete ja süsteemide uurimisel, projekteerimisel ja tootmisel kasutatavate tehnoloogiliste meetodite ja tehnikate kogumit, sealhulgas nende üksikute nanomõõtmeliste elementide struktuuri, keemilise koostise ja interaktsiooni sihipärast juhtimist ja haldamist (koos mõõtmed suurusjärgus 100 nm või vähem vastavalt vähemalt ühele mõõtmisele), mis viivad tulemuseks olevate toodete paranemiseni või täiendavate töö- ja/või tarbijaomaduste ja omaduste esilekerkimiseni.

Kirjeldus

Mõistet "nanotehnoloogia" kasutas professor esmakordselt oma ettekandes "Nanotehnoloogia põhikontseptsioonist" rahvusvahelisel konverentsil Tokyos 1974. aastal. Algselt kasutati terminit "nanotehnoloogia" kitsas tähenduses ja see tähendas protsesside kogumit. mis tagavad ülitäpse töötlemise, kasutades suure energiaga elektroni-, footoni- ja ioonkiirte, kile sadestamise ja üliõhukesi. Praegu kasutatakse terminit "nanotehnoloogia" laiemas tähenduses, hõlmates ja kombineerides tehnoloogilisi protsesse, tehnikaid ja masinate ja mehhanismide süsteeme, mis on loodud ülitäpsete toimingute tegemiseks mitme nanomeetri ulatuses.

Nanotehnoloogia objektideks võivad olla nii otseselt madalamõõtmelised objektid, mille mõõtmed on vähemalt ühes dimensioonis nanovahemikule iseloomulikud (nanokiled) kui ka makroskoopilised objektid (puistematerjalid, seadmete ja süsteemide üksikud elemendid), mille struktuur luuakse ja muudetakse kontrollitult. eraldusvõimega üksikute nanoelementide tasemel . Seadmed või süsteemid loetakse nanotehnoloogia abil toodetuks, kui nende vähemalt üks põhikomponent on nanotehnoloogia objekt, s.t on olemas vähemalt üks tehnoloogilise protsessi etapp, mille tulemuseks on nanotehnoloogia objekt.

Autorid

• Goldt Ilja Valerijevitš
• Gusev Aleksander Ivanovitš

Allikad

1. Gusev A.I. Nanomaterjalid, nanostruktuurid, nanotehnoloogiad. - M.: Fizmatlit, 2007. - 416 lk.
2. Gusev A. I., Rempel A. A. Nanokristallilised materjalid. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 351 lk.

1. Mõisted ja terminoloogia

2. Nanotehnoloogia: tekke- ja arengulugu

3. Põhialused

Skaneeriva sondi mikroskoopia

Nanomaterjalid

Nanoosakesed

Nanoosakeste iseorganiseerumine

Aglomeraatide moodustumise probleem

Mikro- ja nanokapslid

Nanotehnoloogia andurid ja analüsaatorid

4. Rakendused nanotehnoloogia

Meditsiin ja bioloogia

Autotööstuses

Põllumajandus

Ökoloogia

Kosmoseuuringud

Küberneetika

5. Ühiskonna suhtumine nanotehnoloogiasse

Nanotehnoloogia on fundamentaal- ja rakendusteaduse ja -tehnoloogia interdistsiplinaarne valdkond, mis tegeleb teoreetiliste põhjenduste, praktiliste uurimis-, analüüsi- ja sünteesimeetoditega, samuti meetoditega teatud aatomistruktuuriga toodete tootmiseks ja kasutamiseks, kasutades kontrollitud manipuleerimist. üksikud aatomid ja molekulid.

Nanotehnoloogia on nanomeetri mõõtkavas objektide uurimise ja nanomeetri (miljonik millimeetri suurusjärgus) objektidega töötamise tehnoloogia, mis on võrreldav üksikute molekulide ja aatomite suurusega.

Definitsioonid ja terminoloogia

Tehnilises komitees ISO/TC 229 tähendab nanotehnoloogia järgmist:

protsesside tundmine ja juhtimine, tavaliselt 1 nm skaalal, kuid mitte välistades alla 100 nm skaalat, ühes või mitmes mõõtmes, mille puhul suurusefekti (nähtuse) kasutuselevõtt toob kaasa uute rakenduste võimaluse;

objektide ja materjalide omaduste kasutamine nanomeetri skaalal, mis erinevad vabade aatomite või molekulide omadustest, samuti nendest aatomitest või molekulidest koosneva aine massiomadustest, et luua täiustatud materjale, seadmeid, süsteeme kes neid omadusi realiseerivad.

Vastavalt “Venemaa arengukontseptsioonile töötab nanotehnoloogia valdkonnas kuni aastani 2010" (2004) nanotehnoloogia on määratletud kui meetodite ja tehnikate kogum, mis võimaldab luua ja muuta kontrollitud viisil objekte, sealhulgas komponente, mille mõõtmed on alla 100 nm, vähemalt ühes mõõtmes, ja selle tulemusena omandades põhimõtteliselt uued omadused, mis võimaldavad neid integreerida suuremahuliste täielikult toimivatesse süsteemidesse.

Nanotehnoloogia praktiline aspekt hõlmab aatomite, molekulide ja nanoosakeste loomiseks, töötlemiseks ja manipuleerimiseks vajalike seadmete ja nende komponentide tootmist. On arusaadav, et objektil ei pea tingimata olema vähemalt üks lineaarne suurus alla 100 nm – need võivad olla makroobjektid, mille aatomistruktuuri juhitakse kontrollitult üksikute aatomite tasemel resolutsiooniga või need võivad sisaldada nanoobjekte. Laiemas mõttes hõlmab see mõiste ka selliste objektide diagnoosimise, iseloomustamise ja uurimise meetodeid.

Nanotehnoloogiad erinevad kvalitatiivselt traditsioonilistest distsipliinidest, kuna sellistel skaaladel ei ole tavalised, makroskoopilised materjali käitlemise tehnoloogiad sageli rakendatavad ning mikroskoopilised nähtused, mis on tavapärases mastaabis tühiselt nõrgad, muutuvad palju olulisemaks: üksikute aatomite ja molekulide või agregaatide omadused ja vastastikmõjud. molekulide (näiteks Van jõud -der Waals), kvantefektid.

Nanotehnoloogia ja eriti molekulaartehnoloogia on uued, väga vähe uuritud erialad. Selles valdkonnas ennustatud suuremaid avastusi pole veel tehtud. Käimasolevad uuringud annavad aga juba praktilisi tulemusi. Kõrgtehnoloogiliste teadussaavutuste kasutamine nanotehnoloogias võimaldab liigitada selle kõrgtehnoloogia alla.

Kaasaegse elektroonika areng liigub mööda seadmete mõõtmete vähendamise teed. Teisest küljest lähenevad klassikalised tootmismeetodid oma loomulikule majanduslikule ja tehnoloogilisele barjäärile, kui seadme mõõtmed eriti ei vähene, kuid majanduslikud kasvavad hüppeliselt. Nanotehnoloogia on järgmine loogiline samm elektroonika ja teiste kõrgtehnoloogiliste tööstusharude arengus.

Nanotehnoloogia on mikrotehnoloogia loogiline jätk ja edasiarendus.

Mikrotehnoloogia, teaduse kombinatsioon, mis uurib mikroobjekte ja tehnoloogiat tööd mikromeetri (tuhandikmillimeetri) suuruste objektidega, sai kaasaegse mikroelektroonika loomise aluseks. Mobiiltelefonid, arvutid, internet, mitmesugune kodu-, tööstus- ja olmeelektroonika – kõik see on tundmatuseni muutnud nii maailma kui ka inimesi.

Nanotehnoloogia muudab maailma sama palju. Nanotehnoloogia nõuab väga suurt arvutusvõimsust aatomite käitumise simuleerimiseks ning ülitäpseid elektrilisi ja mehaanilisi seadmeid, et korraldada erinevate materjalide aatomeid ja molekule uuel viisil. Nii tekib uus aine. Esimest korda tsivilisatsiooni ajaloos luuakse inimestele vajalikke uute omadustega materjale. Loetleme neist vaid mõned. See on läbipaistev ja painduv materjal, millel on plasti kergus ja terase kõvadus, elastne plastkate, mis on päikesepatarei, materjal elektriaku elektroodi jaoks, mis on kümneid ja sadu kordi tugevam kui tavaline aku. .

Nanotehnoloogia võimaldab ka tänapäevasel tasemel saada paberilehe paksuse ja moodsa monitori heledusega painduvaid plastekraane, süsinikuühenditel põhinevat kompaktset elektroonikat, mille mõõtmed ja energiaintensiivsus on tänapäevastest sadu kordi väiksemad. Nanotehnoloogia tähendab ka kergeid ja paindlikke konstruktsiooni- ja ehitusmaterjale, ülitõhusaid õhu- ja veefiltreid, sügavamal tasandil toimivaid ravimeid ja kosmeetikat, kosmoselendude kulude kiiret vähenemist ja palju-palju muud.

Seni on kõik nanotehnoloogilised materjalid väga kallid. Kuid nagu arvutitööstuse puhul, toob masstootmine kaasa dramaatilisi hinnakompromisse. Nähtamatus võitluses kasumi ja mõju eest, mida nanotehnoloogia annab, on peamised spekulandid Ameerika Ühendriigid ja Venemaa. Iisrael, Euroopa riigid ja riigid Ladina-Ameerika suurendab kiiresti oma potentsiaali selles valdkonnas.

Vaatamata heale teadusbaasi olemasolule ja suurele erakapitalile on Ukraina teadusarendused ja rakendustooted maailmas kahjuks halvasti esindatud.

Teaduslikud riiklikud nanotehnoloogia programmid on nanotehnoloogia arengu jaoks eriti olulised. Arendati üle 50 riigid teatasid oma nanotehnoloogiaprogrammide käivitamisest.

Nanotehnoloogia: tekke- ja arengulugu

Paljud allikad, peamiselt ingliskeelsed, seostavad meetodite esmamainimist, mida hiljem hakati nimetama nanotehnoloogiaks Richard Feynmani kuulsa kõnega "There’s Plenty of Room at the Bottom", mille ta pidas 1959. aastal California Tehnoloogiainstituudis aastakoosolekul. Ameerika Füüsika Seltsi esindajatest.

Richard Feynman pakkus välja, et üksikuid aatomeid võib olla võimalik mehaaniliselt liigutada sobiva suurusega manipulaatoriga, vähemalt selle suurusega protsessi ei oleks vastuolus praegu teadaolevate füüsikaseadustega.

Ta soovitas seda manipulaatorit teha järgmisel viisil. On vaja ehitada mehhanism, mis looks endast koopia, ainult suurusjärgu võrra väiksema. Loodud väiksem mehhanism peab taas looma endast koopia, jällegi suurusjärgu võrra väiksema ja nii edasi, kuni mehhanismi mõõtmed on vastavuses ühe aatomi suurusjärgu mõõtmetega. Sel juhul on vaja teha muudatusi selle mehhanismi struktuuris, kuna makrokosmoses mõjuvad gravitatsioonijõud mõjutavad üha vähem ning molekulidevahelise interaktsiooni jõud ja van der Waalsi jõud mõjutavad üha enam mehhanismi toimimist. mehhanism. Viimane etapp - saadud mehhanism paneb oma koopia üksikutest aatomitest kokku. Põhimõtteliselt on selliste koopiate arv piiramatu, lühikese aja jooksul on võimalik luua suvaline arv selliseid masinaid. Need masinad saavad makroasju kokku panna samamoodi, aatomikooste abil. See muudab asjad palju odavamaks – sellistele robotitele (nanorobotidele) tuleb anda vaid vajalik arv molekule ja energiat ning kirjutada programm vajalike esemete kokkupanemiseks. Seni pole keegi suutnud seda võimalust ümber lükata, kuid selliseid mehhanisme pole veel keegi suutnud luua. Nii kirjeldas R. Feynman oma väidetavat manipulaatorit:

Mõtlen elektriliselt juhitava süsteemi loomisele, mis kasutab tavapäraselt toodetud "teenindusroboteid" operaatori "käte" neli korda väiksemate koopiate näol. Sellised mikromehhanismid suudavad hõlpsalt teostada toiminguid vähendatud mahus. Ma räägin pisikestest robotitest, mis on varustatud servomootorite ja väikeste "käevartega", mis suudavad pingutada võrdselt väikseid polte ja mutreid, puurida väga väikseid auke jne. Ühesõnaga, nad suudavad teha kogu töö mõõtkavas 1:4. Selleks tuleb loomulikult esmalt teha vajalikud mehhanismid, tööriistad ja käsivarred tavapärasest neljandiku suuruseks (tegelikult on selge, et see tähendab kõigi kontaktpindade vähendamist 16 korda). Viimases etapis varustatakse need seadmed servomootoritega (16 korda väiksema võimsusega) ja ühendatakse tavapärase elektrilise juhtimissüsteemiga. Pärast seda saate kasutada 16 korda väiksemaid manipulaatorikäsi! Selliste mikrorobotite ja ka mikromasinate kasutusala võib olla üsna lai - alates kirurgilistest operatsioonidest kuni radioaktiivsete materjalide transportimise ja töötlemiseni. Loodan, et pakutud programmi põhimõte ning sellega kaasnevad ootamatud probleemid ja põnevad võimalused on selged. Lisaks võite mõelda mastaabi edasise olulise vähenemise võimalusele, mis loomulikult nõuab täiendavaid disainimuudatusi ja modifikatsioone (muide, teatud etapis peate võib-olla loobuma tavapärase kujuga "kätest" ), kuid võimaldab toota kirjeldatud tüüpi uusi, palju täiustatumaid seadmeid. Miski ei takista mind seda jätkamast protsessi ja looge nii palju pisikesi masinaid, kui soovite, kuna masinate paigutuse ega nende materjalikuluga seotud piiranguid pole. Nende maht on alati palju väiksem kui prototüübi maht. Lihtne on arvutada, et 4000 korda vähendatud 1 miljoni masina kogumaht (ja seega ka tootmiseks kasutatavate materjalide mass) on alla 2% tavalise tavamõõtmetega masina mahust ja massist.

On selge, et see eemaldab probleemi kohe kulu materjalid. Põhimõtteliselt oleks võimalik korraldada miljoneid ühesuguseid miniatuurseid tehaseid, kus pisikesed masinad puuriks pidevalt auke, stantsitaks detaile jne. Väiksemaks jäädes puutume pidevalt kokku väga ebatavaliste füüsikaliste nähtustega. Kõik, mida sa elus kohtad, sõltub suurtest teguritest. Lisaks on probleem ka materjalide "kokkukleepumisel" molekulidevaheliste interaktsioonijõudude (nn van der Waalsi jõudude) mõjul, mis võib põhjustada makroskoopilises mastaabis ebatavalisi efekte. Näiteks mutter ei eraldu pärast lahtikeeramist poldist ja mõnel juhul "kleepub" tihedalt pinna külge jne. Seda tüüpi füüsilisi probleeme on mitmeid, mida tuleks mikroskoopiliste mehhanismide projekteerimisel ja ehitamisel meeles pidada.

Selle võimaluse teoreetilise uurimise käigus kerkisid esile hüpoteetilised maailmalõpu stsenaariumid, mis eeldavad, et nanorobotid neelavad kogu Maa biomassi, viies ellu oma isepaljunemise programmi (nn “hall goo” või “hall läga”).

Esimesed oletused objektide uurimise võimaluse kohta aatomitasandil on kirjas Isaac Newtoni 1704. aastal ilmunud raamatus “Optika”. Newton avaldab raamatus lootust, et tulevased mikroskoobid suudavad ühel päeval uurida "kehade saladusi".

Mõistet "nanotehnoloogia" kasutas esmakordselt Norio Taniguchi 1974. aastal. Ta kasutas seda terminit nanomeetrite suurusjärgus olevate kaubanduslike esemete tootmise kirjeldamiseks. 1980. aastatel kasutas seda terminit Eric K. Drexler, eriti oma 1986. aasta raamatus "Loomise mootorid: Nanotehnoloogia tulev ajastu". Ta kasutas seda terminit, et viidata uuele teadusvaldkonnale, mida ta uuris oma doktoritöös Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis (MIT). Seejärel avaldas ta oma uurimistöö tulemused raamatus Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation. Tema uurimistöös mängisid suurt rolli matemaatilised arvutused, mille abil on siiani võimalik analüüsida hüpoteetilisi omadusi ja välja töötada seadmeid nanomeetrite suurusjärgus mõõtmetega.

Põhimõtteliselt kaalutakse praegu molekulide mehaanilise manipuleerimise võimalust ja nendel eesmärkidel isepaljunevate manipulaatorite loomist.

Nagu juba öeldud, võimaldab see olemasolevate toodete maksumust mitu korda vähendada ja luua põhimõtteliselt uusi, lahendades kõik olemasolevad keskkonnaprobleemid. Samuti on sellistel manipulaatoritel tohutu meditsiiniline potentsiaal: nad on võimelised parandama kahjustatud inimrakke, mis tegelikult viib inimese tõelise tehnilise surematuseni. Teisest küljest võib nanomanipulaatorite loomine viia "halli muda" stsenaariumini. Samuti pakuvad nad välja võimaliku stsenaariumi, kui teatud rühm inimesi saavutab sellise manipulaatori üle täieliku kontrolli ja kasutab seda oma positsiooni täielikuks kinnitamiseks teiste inimeste suhtes. Kui see stsenaarium tõeks läheb, on tulemus ideaalne, mida ilmselt on võimatu hävitada.

NT kõige täielikum määratlus on antud riikliku nanotehnoloogiaalgatuse materjalides USA:

NT – teadusuuringud ja tehnoloogiline areng aatomi-, molekulaar- või makromolekulaarsel tasandil subnanomeetri skaala piki ühte või mitut koordinaati, et anda fundamentaalne arusaam selliste mõõtmetega materjalide nähtustest ja omadustest ning struktuuride, seadmete ja seadmete tootmiseks ja kasutamiseks. süsteemid, millel on oma väiksuse tõttu uued omadused ja funktsioonid.

Samas näitab töö, et NT alused pandi 19. sajandi teisel poolel seoses kolloidkeemia arenguga. 1857. aastal sai M. Faraday esimesena stabiilsed kolloidsed kullalahused (soolid), mille värvus oli punane. 1861. aastal suutis T. Graham sooleid koaguleerida ja geelideks muuta. Samuti tutvustas ta ainete jagunemist struktuuri dispersiooniastme järgi kolloidseks (amorfseks) ja kristalloidseks (kristalliline).

Aine kristalne või amorfne olek sõltub ennekõike tema enda omadustest ja seejärel tingimustest, mille korral toimub üleminek tahkesse olekusse.

1869. aastal püstitas keemik I. Borštšov hüpoteesi, et olenevalt tingimustest võib ainet saada nii kristallilises (kalduvus kristallide tekkele) kui ka kolloidses (amorfses) olekus. Aine tahkesse olekusse ülemineku tingimusi sobivalt muutes on võimalik saada tüüpiliselt amorfseid aineid (kumm, liim, klaas) kristalses olekus ja vastupidi, saada tüüpiliselt kristalseid aineid (metallid ja lauasool) amorfses (klaasjas) olekus.

Kuna 19. sajandil olid objektide vaatlemiseks ja nende suuruste mõõtmiseks ainult optilised mikroskoobid, mis ei võimaldanud tuvastada kolloidsetes lahustes osakesi ja kolloidsetes ainetes terasid, ülikõrge dispersiooniastmega aineid, osakesi, kiude, terasid ja kilesid. millest ei ole võimalik tuvastada optilistes mikroskoopides, mille eraldusvõime on 300 nm valge valguse kasutamisel ja 150 nm ultraviolettvalguse kasutamisel.

1892. aastal avastas D. Ivanovsky esimese bioloogilise kolloidosakese, tubaka mosaiikhaiguse viiruse ja 1901. aastal eraldas W. Reed esimese inimese viiruse kollapalaviku viiruse. Tuleb märkida, et viiruste iseloomulikud suurused on 40–80 nm.

1903. aastal leiutasid R. Zsigmondy ja R. Siedentopf optilise ultramikroskoobi, mille lahutusvõime oli kuni 5 nm ja mis võimaldas jälgida kolloidosakesi. Ultramikroskoop on üles ehitatud peegeldunud valguses vaatluse põhimõttel, tänu millele muutuvad nähtavaks väiksemad objektid kui tavalises mikroskoobis. R. Zsigmondy ultramikroskoobi abil oli võimalik kindlaks teha, et kolloidsetes lahustes (soolides) kullast kollaste osakeste suurus on 20 nm, punase - 40 nm ja sinise - 100 nm.

1904. aastal tegi P. Weymarn kindlaks: Molekulide maailma ja mikroskoopiliselt nähtavate osakeste vahel on aine erivorm, millele on omane uute füüsikalis-keemiliste omaduste kompleks – ülidispersne ehk kolloidne olek, mis tekib siis, kui selle dispersiooniaste on piirkond 105-107 cm-1, milles kilede paksus on ning kiudude ja osakeste läbimõõt on vahemikus 1,0-100 nm.

Aine oleku klassifikatsioon dispersiooniastme järgi on toodud tabelis 1. On näha, et kolloidne olek on aine äärmiselt hajutatud või ultradispersne olek.

Kõik hajutatud süsteemid on heterogeensed, kuna need koosnevad pidevast pidevast faasist - dispersioonikeskkonnast ja selles paiknevatest purustatud osakestest - dispergeeritud faasist. Nende olemasolu eelduseks on dispergeeritud faasi ja dispersioonikeskkonna vastastikune lahustumatus.

Kolloidsüsteeme nimetatakse sageli ultramikroheterogeenseteks, rõhutamaks, et faaside eraldumist neis ei ole võimalik optiliste mikroskoopidega tuvastada. Kui hajutatud faasi osakesed on ühesuurused, nimetatakse süsteeme monodispersseteks ja kui need on erinevad, siis polüdispersseteks süsteemideks.

Ainete ja materjalide omadused sõltuvad nende struktuurist, mida iseloomustavad omavahel seotud tasemed, mis neid omadusi mõjutavad.

Struktuuri esimest tasandit nimetatakse kristalliliseks ja see iseloomustab aatomite, ioonide ja molekulide ruumilist paigutust tahke aine kristallvõres, mida võivad mõjutada punktdefektid (vakantsused, aatomid vaheruumides, võõraatomid). Punktdefektid on liikuvad ja määravad suuresti materjalide, eriti pooljuhtide difusiooni- ja elektrilised omadused.

Teine tase on seotud mitmesuguste lineaarsete ja tasapinnaliste struktuurivigade (dislokatsioonide) esinemisega tahkis, mille arv mahuühiku kohta suureneb mehaaniliste koormuste mõjul, mis põhjustab materjali sisepingete ilmnemist. Nagu punktdefektid, on ka nihestused liikuvad ning nende tihedus ja liikumisvõime tahkes olekus määravad materjalide mehaanilised omadused, eriti metallid.

Kolmas struktuuritasand on mahulised defektid nagu poorid ja kapillaarid, mis võivad tekkida materjalides nende tekkimise või kasutamise käigus. Neid seostatakse tahke keha teatud piirkondade puudumisega.

Kõik tahkes olekus olevad ained võib jagada monokristallilisteks, polükristallilisteks, amorfseteks (või nanokristallilisteks) ja molekulaarseteks tahketeks lahusteks.

Kui osakeste (aatomite, molekulide või ioonide) järjestatud paigutus, mida peegeldub ühikrakus, säilib kogu tahke aine mahu ulatuses, moodustuvad üksikud kristallid.

Kui tahke aine makroskoopilistes (>100 µm) ja mikroskoopilistes (>0,1 µm) piirkondades säilib struktuuri järjestus (vt tabel 1), siis moodustuvad polükristallilised ained sobiva suurusega ja ruumiliselt nn kristalliitide või kristalliiditeradega. üksteise suhtes valesti orienteeritud kristallvõre.

Kuni 1980. aastate keskpaigani arvati, et amorfsetel ainetel puudub osakeste korrastatud paigutus. Kõrge eraldusvõimega elektronide ülekande-, skaneerivate tunnelmikroskoopide ja aatomjõumikroskoopide, eriti metallklaasidel tehtud uuringud võimaldasid aga tuvastada amorfsetes ainetes subnanomeetrilise suurusega kristalliite või terakesi.

Seega iseloomustab amorfseid aineid ja materjale kristallifaasi terade ülidispersne (kolloidne) killustumise aste ja neid võib nimetada nanokristallilisteks.

Molekulaarsetes tahketes lahustes, nagu ka vedelates lahustes, mida tavaliselt nimetatakse tõelisteks lahusteks või lihtsalt lahusteks, segatakse jaotatud aine molekulaarsel tasemel ühtlaselt dispersioonikeskkonna molekulidega. Seetõttu on molekulaarsed tahked ja vedelad lahused, millel ei ole faase ega liideseid, homogeensed süsteemid.

Aine kristalne olek on alati stabiilsem kui amorfne (nanokristalliline) olek, seetõttu on spontaanne üleminek amorfsest kristallilisse olekusse võimalik, vastupidine aga mitte. Näiteks on devitrifikatsioon – klaasi iseeneslik kristalliseerumine kõrgendatud temperatuuridel.

Dispergeeritud süsteemid, sealhulgas kolloidsed, klassifitseeritakse dispersiooniastme, hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni oleku, nendevahelise interaktsiooni intensiivsuse, struktuuride puudumise või moodustumise järgi.

Kolloidsüsteemide mitmekesisus tuleneb asjaolust, et neid moodustavad faasid võivad olla ükskõik millises kolmest agregatsiooni olekust; on anorgaanilised, orgaanilised ja bioloogilised. Sõltuvalt hajutatud faasi ja dispersioonikeskkonna agregatsiooni olekust on võimalikud järgmised 9 tüüpi dispergeeritud süsteeme:

Zh1 - G2, Zh1 - Z2, Zh1 - T2,

T1 - G2, T1 - G2, T1 - T2,

G1 - G2, G1 - T2, T1 (F1) - T1 (F2),

kus G, F ja T on gaasilised, vedelad ja tahked olekud ning numbrid 1 ja 2 viitavad vastavalt hajutatud faasile ja dispersioonikeskkonnale. Viimast tüüpi dispergeeritud süsteemi puhul tähistavad F1 ja F2 ühe aine tahke oleku erinevaid faase (polümorfseid modifikatsioone).

Gaasilises dispersioonikeskkonnas saab dispergeerida ainult vedelikke ja tahkeid aineid, kuna kõik gaasid lahustuvad üksteises mitte väga kõrgel rõhul lõputult.

Gaasilise dispersioonikeskkonnaga dispergeeritud süsteeme nimetatakse aerosoolideks. Udu on vedela hajutatud faasiga aerosool (L1 - G2) ja suitsud tahke hajutatud faasiga (T1 - G2) aerosoolid. Lihtsaim näide aerosoolist on tubakasuits, mille osakeste keskmine suurus on 250 nm, tahma või vulkaanilise tuha osakeste suurus võib aga olla alla 100 nm ning nende aerosoolid kuuluvad ülipeentesse (kolloidsetesse) süsteemidesse.

Vedelas dispersioonikeskkonnas saab dispergeerida gaase, vedelikke ja tahkeid aineid. Vahud on gaasi dispersioon vedelikus (G1 - G2). Emulsioonid on hajutatud süsteemid, milles üks vedelik purustatakse teiseks vedelikuks, mis seda ei lahusta (L1 - L2). Keemia ja bioloogia jaoks on kõige olulisemad kolloidsüsteemid, milles dispersioonikeskkonnaks on vedel faas ja dispergeeritud faas on tahke aine (T1 - L2), mida nimetatakse kolloidlahusteks või soolteks, sageli lüosoolideks. Kui dispersioonikeskkonnaks on vesi, siis nimetatakse selliseid sooli hüdrosoolideks ja kui orgaanilist vedelikku, siis nimetatakse neid organosoolideks. Kolloidlahused on väga olulised, kuna nendega on seotud paljud elusorganismides toimuvad protsessid.

Gaase, vedelikke ja tahkeid aineid saab dispergeerida tahkes dispersioonikeskkonnas. Süsteeme (G1 - T2) nimetatakse tahketeks vahtudeks või kapillaardispersioonideks, milles gaas on eraldi suletud rakkude kujul, mis on eraldatud tahke dispersioonikeskkonnaga. Tahkete vahtude hulka kuuluvad vahtpolüstüreen, vahtbetoon, pimsskivi, räbu, metallid koos gaaside, erinevate poorsete materjalide (aktiivsüsi, silikageel, puit), samuti membraanide ja diafragmide, fotooniliste kristallkiudude, naha, paberi, kanga lisamisega.

Süsteem (G1 - T2) sisaldab laia klassi kristallhüdraate - kristalle, mis sisaldavad kristallisatsioonivee molekule. Tüüpilised kristalsed hüdraadid on paljud looduslikud mineraalid, näiteks kips CaSO4∙2H2O, karnalliit MgCl2∙KCl∙6H2O, kaaliummaarjas KAl(SO4)2·12H2O.

Suur praktiline tähtsus on tüüpi (T1 - T2) dispergeeritud süsteemidel, mis hõlmavad kõige olulisemaid ehitusmaterjale, metallkeraamilisi koostisi, mõningaid sulameid, emaile, mitmeid mineraale, eriti mõningaid vääris- ja poolvääriskive, paljusid kivimeid. milles magma tahkumisel vabanesid kristallid .

Värvilised klaasid tekivad metalli nanoosakeste või nende oksiidide dispersiooni tulemusena silikaatklaasis. Emailid on silikaatklaasid, milles on SnO2, TiO2 ja ZrO2 pigmente, mis annavad emailidele läbipaistmatuse ja värvi.

Seega ei mõisteta kolloide kui eraldi ainete klassi, vaid kui mis tahes aine erilist olekut, mida iseloomustavad ennekõike teatud osakeste suurused. Tahke aine nanostruktureerimise all tuleks mõista aine või materjali viimist kolloidsesse (ultraspergeeritud) olekusse, s.t. subnanomeetri suuruste füüsikaliste või keemiliste faaside tekkimine struktuuris, mida võib pidada omapärasteks nanoosakesteks, mis on ülejäänud struktuurist liidestega eraldatud.

Sellised nanoosakesed lisaks mehaaniliselt dispergeeritud nanopulbritele on:

Nanokristallilised terad;

Nanosuuruses polümorfsed faasid;

Nanomõõtmelised struktuurivead (nanoblokid);

Pinna nanostruktuurid (süvendid, eendid, sooned, seinad);

Mahulised nanostruktuurid (poorid ja kapillaarid);

Võõraatomite või -molekulide nanosuurused keemilised faasid, mis on moodustunud selle pinnal või mahus ja millel on kiuline või korpuskulaarne kuju;

Nanosuurused struktuurid, mis on tekkinud gaasi- või vedelfaasi füüsikalise või keemilise sadestumise tulemusena (fullereenid, süsiniknanotorud);

Perioodilises järjestuses moodustunud nanosuuruses ainete kiled;

makromolekulid, polümolekulaarsed sõlmed, molekulaarkiled, „peremees-külaline” tüüpi molekulaarsed kompleksid (suuruse jaotuse olemasolu on omadus, mis eristab nanoosakesi makromolekulidest); nanosuurused ja nanostruktuuriga bioloogilised struktuurid (viirused, valgud, geenid, valgud, kromosoomid, DNA ja RNA molekulid).

Aine kolloidne olek on selle olemasolu kvalitatiivselt eriline vorm, millel on omaste füüsikalis-keemiliste omaduste kompleks. Sel põhjusel on loodusteaduste valdkond, mis uurib aine heterogeense ülidispersse oleku objektiivseid füüsikalisi ja keemilisi seadusi, kõrgmolekulaarseid ühendeid ( polümeerid, kompleksühendid ja molekulaarsõlmed) ja faasidevahelised pinnad, mis kujunesid kahekümnenda sajandi alguses iseseisvaks teadusharuks – kolloidkeemiaks.

Kolloidkeemia kiire areng on tingitud selle teaduse poolt uuritud nähtuste ja protsesside suurest tähtsusest inimpraktika erinevates valdkondades. Sellised pealtnäha täiesti erinevad valdkonnad nagu eluprotsessid organismides, paljude mineraalide teke, muldade struktuur ja produktiivsus on tihedalt seotud aine kolloidse olekuga. Kolloidkeemia on ka paljude materjalide tööstusliku tootmise indeksite teaduslik alus.

Nanoobjektide moodustamise ja manipuleerimise tehniliste vahendite ning nende uurimismeetodite väljatöötamisega hakkasid kolloidkeemias tekkima spetsialiseerunud teadusharud, näiteks keemia. polümeerid ja pinna füüsikaline keemia (1950. aastate lõpp), supramolekulaarne keemia (1970. aastate lõpp).

Ultradisperssete süsteemide bioloogia objektiks olevate nanomõõtmeliste ja nanostruktureeritud bioloogiliste struktuuride (valgud, geenid, kromosoomid, valgud, aminohapped, DNA, RNA) uurimine ja uurimine viis viroloogia loomiseni 30.–50. molekulaarbioloogia ning 20. sajandi viimasel veerandil geneetika ja immunokeemia.

Kui materjali mõõtmed on vähemalt ühes mõõtmes väiksemad kui paljusid füüsikalisi nähtusi iseloomustavad kriitilised pikkused, omandab selline materjal uued ainulaadsed kvantmehaanilise iseloomuga füüsikalised ja keemilised omadused, mida uuritakse ja kasutatakse uute seadmete loomiseks. madalamõõtmeliste struktuuride füüsika, mis on kaasaegsete tahkisfüüsika kehade kõige dünaamilisemalt arenev valdkond.

Madalamõõtmeliste süsteemide (kvantkaevud, juhtmed ja punktid) uuringute tulemuseks oli põhimõtteliselt uute nähtuste avastamine - täisarvuline ja fraktsionaalne kvant Halli efekt kahemõõtmelises elektrongaasis, kvaasi-kahemõõtmeliste elektronide Wigner-kristallisatsioon ja augud, uute liitkvaasiosakeste ja murdlaengutega elektrooniliste ergastuste avastamine.

Kolloidkeemia valdkond, mis uurib materjalide ja hajutatud struktuuride deformatsiooni, hävimise ja moodustumise protsesse, on arenenud tahkete ainete ja ultradisperssete struktuuride füüsikaliseks ja keemiliseks mehaanikaks. See tekkis 20. sajandi keskel tänu akadeemik P. Rebinderi ja tema koolkonna tööle kui uutele teadmistele, piiripealsele kolloidkeemiale, tahkete ainete molekulaarfüüsikale, materjalide mehaanikale ja nende tootmistehnoloogiale.

Füüsikalise ja keemilise mehaanika põhiülesanne on kindlaksmääratud omadustega ja optimaalse struktuuriga konstruktsioonimaterjalide loomine nende rakendamise eesmärgil.

Teine ala, mis uurib ja loob subnanomeetrite vahemikus elemente, struktuure ja seadmeid, on mikroelektroonika, milles saab eristada nanoelektroonikat (subnanomeetri suuruste elementidega integraallülituste arendamine ja tootmine - integreeritud nanoskeemid (INS), molekulaarelektroonika, nanostruktuursete materjalide funktsionaalne elektroonika ja nanoelektromehaanilised süsteemid (NEMS).

Eelnevat kokku võttes, aga ka töös läbiviidud analüüsi põhjal saame sõnastada NT definitsiooni: nanotehnoloogia on ainete ja materjalide kontrollitud tootmine kolloidses (ultradispersne, nanostruktuuriga struktuurielementide suurusega vahemikus). 1,0-100 nm) olek, nende omaduste ja omaduste uurimine ja mõõtmine ning nende kasutamine erinevates tööstusharud teadus, tehnoloogia ja tööstusele.

Kõik terminid, mis on seotud aine struktuuri kolloidse (nanostruktureeritud) taseme loomise ja uurimisega kaubamärgi "nanotehnoloogia" all, said automaatselt eesliite "nano", kuigi kuni 1980. aastate keskpaigani nimetati neid vastavalt: mehaanika, fotoonika, kristallograafia. , keemia, bioloogia ja elektroonika ülipeened või kolloidsüsteemid; ning nimetati nende uurimisobjektid: ülipeened pulbrid ja komposiidid, aero-, hüdro- ja organosoolid, pöörduvad ja pöördumatud geelid, ülipeen keraamika jne.

Huvi tekkimine aine kolloidse oleku vastu kaubamärgi "nanotehnoloogia" all viimase 20 aasta jooksul on tingitud esiteks selle ainulaadsetest omadustest ja teiseks tehnoloogiliste ja juhtimisseadmete väljatöötamisest ja loomisest subtiitrite saamiseks ja uurimiseks. -aine struktuuri nanoskaala tase: selle füüsika, keemia ja bioloogia.

Selle asemel, et avastada uusi materjale ja nähtusi serendipiteedi või kaootiliste uuringute kaudu, võimaldab aine kontrollitud muundumine nanostruktureeritud (kolloidsesse) olekusse, mida nimetatakse nanotehnoloogia kontseptsiooniks, seda süstemaatiliselt teha. Selle asemel, et intuitsiooni abil leida heade omadustega nanoosakesi ja nanostruktuure, avab ultradisperssete süsteemide tekke- ja stabiliseerumisseaduste tundmine võimaluse nende kunstlikuks kujundamiseks konkreetse süsteemi järgi.

Eriti huvitav oli täiesti uute omaduste omandamine mõnede tuntud ainete poolt nanomõõtmetes.

Nanostruktureeritud (kolloidseid) süsteeme, vastavalt nende vahepealsele positsioonile aatomite ja molekulide maailma ning mikroskoopiliste ja makroskoopiliste kehade maailma vahel, on võimalik saada peamiselt kahel viisil: dispersioon, s.o. suurte süsteemide lihvimine (purustamine) ja kondensatsioon, s.o. nanosüsteemide moodustumine aatomitest, molekulidest, klastritest ja nanostruktuuridest.

Meetodeid nanostruktureeritud süsteemide saamiseks, kasutades esimest teed, nimetatakse dispersiooniks ja teist nimetatakse kondenseerimiseks. Nanostruktureeritud süsteemide tootmiseks on segameetodeid, mida nimetatakse vastavalt dispersioon-kondensatsiooniks ja kondensatsioon-dispersiooniks.

Traditsioonilises nanoelektroonikas tagatakse integreeritud nanoskeemide (ANC) valmistamisel klassikalise CMOS-tehnoloogia abil funktsionaalsete kihtide (FL) kontrollitud nanostruktureerimine räniplaatidel projektsiooni (fotomallid ja nanotemplid) maski (takistusmaskid) litograafilise mustriga.

Sel juhul kasutatakse strateegilist hajutatust või ülalt-alla lähenemist, s.t. FS-i mittevajalikud alad eemaldatakse lokaalselt nende söövitamise teel. Konstruktsioonielementide mõõtmete reprodutseerimise täpsus horisontaaltasandil tagatakse litograafiaprotsessides moodustatavate takistusmaskide abil.

Sellega seoses, rõhutades kasutatud strateegilist hajutatust või ülalt-alla lähenemist, nimetatakse traditsioonilist tööstuslikku nanoelektroonikat mugavamalt D-nanoelektroonikaks.

Kondensatsioonimeetodid (mittelitograafilised sünteesimeetodid), mis kasutavad nanostruktureeritud süsteemide saamiseks alt-üles lähenemist, võib jagada kahte rühma: traditsioonilised ja uued, mis on loodud nanotehnoloogia viimaste edusammude raames.

Põhisätted

Skaneeriva sondi mikroskoopia

Üks nanoobjektide uurimise meetoditest on skaneeriva sondi mikroskoopia. Skaneeriva sondi mikroskoopia raames rakendatakse nii mitteoptilisi kui ka optilisi tehnikaid.

Pinnaomaduste uuringud skaneeriva sondimikroskoobi (SPM) abil viiakse läbi õhus atmosfäärirõhul, vaakumis ja isegi vedelikus. Erinevad SPM tehnikad võimaldavad uurida nii juhtivaid kui ka mittejuhtivaid objekte. Lisaks toetab SPM kombineerimist teiste uurimismeetoditega, nagu klassikaline optiline mikroskoopia ja spektraalmeetodid.

Skaneeriva sondi mikroskoobi (SPM) abil saate mitte ainult näha üksikuid aatomeid, vaid ka neid selektiivselt mõjutada, eriti liigutada aatomeid piki pinda. Teadlastel on selle meetodi abil juba õnnestunud pinnale luua kahemõõtmelisi nanostruktuure. Näiteks IBM-i uurimiskeskuse töötajad said nikli monokristalli pinnal järjestikku ksenooni aatomeid liigutades paigutada kolm logo tähte. ettevõtted kasutades 35 ksenooni aatomit.

Selliste manipulatsioonide tegemisel tekib mitmeid tehnilisi raskusi. Eelkõige on vaja luua ülikõrge vaakum (10-11 torri), substraat ja mikroskoop on vajalik jahutada ülimadalatele temperatuuridele (4-10 K), aluspinna pind peab olema aatompuhas ja aatomiliselt sile, mille valmistamiseks kasutatakse spetsiaalseid meetodeid. Substraati jahutatakse, et vähendada ladestunud aatomite pinna difusiooni.

Nanomaterjalid

Nanomaterjalid on materjalid, mis on struktureeritud molekulaarse suuruse tasemel või selle lähedal. Struktuur võib olla enam-vähem korrapärane või juhuslik. Juhusliku nanostruktuuriga pindu saab saada osakeste kiirtega töötlemise, plasmasöövitamise ja mõne muu meetodi abil.

Tavaliste struktuuride puhul saab väikeseid pinnaalasid struktureerida "väljastpoolt" - näiteks skaneeriva sondi mikroskoobi abil (vt allpool). Üsna suuri (~1 μ2 või rohkem) alasid ja ka ainemahtusid saab aga struktureerida ilmselt ainult molekulide isekoostumise meetodil.

Eluslooduses on enesekokkupanek levinud. Kõigi kudede struktuuri määrab nende isekoosnemine rakkudest; Rakumembraanide ja organellide struktuur määratakse üksikutest molekulidest isekoostumisega.

Molekulaarsete komponentide iseseisev kokkupanek töötatakse välja viisina perioodiliste struktuuride konstrueerimiseks nanoelektrooniliste ahelate valmistamiseks, ja on tehtud märkimisväärseid edusamme.

Meditsiinis saab teatud kudede asendamiseks kasutada nanostruktureeritud pinnaga materjale. Keharakud tunnevad sellised materjalid ära kui "oma" ja kinnituvad nende pinnale.

Praegu on tehtud edusamme looduslikku luukudet imiteerivate nanomaterjalide tootmisel. Seega on Northwesterni ülikooli teadlased ( USA) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp jt kasutasid umbes 8 nm läbimõõduga kiudude kolmemõõtmelist isekoostumist, imiteerides looduslikke kollageenkiude, millele järgnes mineraliseerumine ja piki kiude orienteeritud hüdroksüapatiidi nanokristallide moodustumine. Oma luurakud olid saadud materjaliga hästi kinnitatud, mis võimaldab seda kasutada luukoe liimina või pahtlina.

Samuti pakub huvi selliste materjalide väljatöötamine, millel on vastupidine omadus: need ei lase rakkudel pinnale kinnituda. Üks selliste materjalide võimalik rakendusala võiks olla tüvirakkude kasvatamiseks mõeldud bioreaktorite valmistamine. Fakt on see, et pinnale kinnitunud tüvirakk püüab diferentseeruda, moodustades teatud spetsiifilisi rakke. Nanomõõtmelise pinnastruktuuriga materjalide kasutamine tüvirakkude proliferatsiooni ja diferentseerumise protsesside juhtimiseks on tohutu uurimisvaldkond.

Nanopoormembraane saab kasutada mikrokapslites ravimite kohaletoimetamiseks ja muudel eesmärkidel. Seega saab neid kasutada kehavedelike filtreerimiseks kahjulikest ainetest ja viirustest. Membraanid võivad kaitsta nanosensoreid ja muid siirdatavaid seadmeid albumiini ja sarnaste katteainete eest.

Nanoosakesed

Kaasaegne miniaturiseerimise suund on näidanud, et ainel võivad olla täiesti uued omadused, kui võtta sellest ainest väga väike osake. Osakesi, mille suurus jääb vahemikku 1 kuni 100 nanomeetrit, nimetatakse tavaliselt "nanoosakesteks". Näiteks selgus, et osade materjalide nanoosakestel on väga head katalüütilised ja adsorptsiooniomadused. Teised materjalid näitavad hämmastavaid optilisi omadusi, näiteks kasutatakse päikesepatareide valmistamiseks üliõhukesi orgaaniliste materjalide kilesid. Sellised akud, kuigi neil on suhteliselt madal kvantefektiivsus, on odavamad ja võivad olla mehaaniliselt paindlikud. Võimalik on saavutada tehisnanoosakeste interaktsioon looduslike nanosuuruses objektidega – valkude, nukleiinhapete jne. Hoolikalt puhastatud nanoosakesed võivad ise koonduda teatud struktuurideks. See struktuur sisaldab rangelt järjestatud nanoosakesi ja sellel on sageli ka ebatavalised omadused.

Nanoobjektid jagunevad 3 põhiklassi: kolmemõõtmelised osakesed, mis saadakse juhtide plahvatamisel, plasmasünteesil, õhukeste kilede redutseerimisel jne; kahemõõtmelised objektid – molekulaarsadestamise, CVD, ALD, ioonsadestamise jne teel toodetud kiled; ühemõõtmelised objektid - vurrud, need objektid saadakse molekulaarse kihistamise meetodil, ainete sisestamisel silindrilistesse mikropooridesse jne. On ka nanokomposiite - materjale, mis saadakse nanoosakeste sisestamisel mis tahes maatriksitesse. Hetkel on laialdaselt kasutusel vaid mikrolitograafia meetod, mis võimaldab saada maatriksite pinnale lamedaid saarobjekte suurusega 50 nm, seda kasutatakse elektroonikas; CVD ja ALD meetodit kasutatakse peamiselt mikronikilede loomiseks. Teisi meetodeid kasutatakse peamiselt teaduslikel eesmärkidel. Eriti tähelepanuväärsed on ioon- ja molekulaarsed kihistamise meetodid, kuna nende abil on võimalik luua tõelisi monokihte.

Ameerika organisatsioon C-Sixty Inc. Viib läbi C60 fullereeni nanosfääridel põhinevate toodete prekliinilisi katseid, mille pinnal on järjestatud keemilised rühmad. Neid rühmi saab valida eelvalitud bioloogiliste sihtmärkidega seondumiseks. Võimalike rakenduste valik on äärmiselt lai. See hõlmab võitlust viirushaigustega nagu gripp ja HIV, vähk ja neurodegeneratiivsed haigused, osteoporoos ja veresoonkonnahaigused. Näiteks võib nanosfäär sisaldada sees radioaktiivse elemendi aatomit ja pinnal - rühmi, mis võimaldavad sellel vähiraku külge kinnituda.

Sarnased arendused toimuvad ka aastal Venemaa Föderatsioon. Eksperimentaalmeditsiini instituut (Peterburi) kasutas fullereeni adukti polüvinüülpürrolidooniga (PVP). See ühend on vees hästi lahustuv ja selle struktuuris olevad õõnsused on suuruselt sarnased C60 molekulidega. Õõnsused täidetakse kergesti fullereeni molekulidega, mille tulemusena moodustub kõrge viirusevastase toimega vees lahustuv adukt. Kuna PVP-l endal viirusevastast toimet ei ole, omistatakse kogu aktiivsus aduktis sisalduvatele C60 molekulidele.

Fullereeni osas on selle efektiivne annus ligikaudu 5 μg/ml, mis on oluliselt madalam kui traditsiooniliselt gripiviiruse vastases võitluses kasutatava rimantadiini (25 μg/ml) vastav näitaja. Erinevalt rimantadiinist, mis on kõige tõhusam varajases staadiumis periood infektsiooni korral on C60/PVP aduktil stabiilne toime kogu viiruse paljunemistsükli vältel. Konstrueeritud ravimi teine ​​eripära on selle efektiivsus A- ja B-tüüpi gripiviiruste vastu, samas kui rimantadiin toimib ainult esimest tüüpi gripiviiruse vastu.

Nanosfääre saab kasutada ka diagnostikas, näiteks röntgenkontrastainena, mis kinnitub teatud rakkude pinnale ja näitab nende asukohta kehas.

Erilist huvi pakuvad dendrimeerid. Need esindavad uut tüüpi polümeere, millel on hargnev struktuur, mitte tavaline lineaarne.

Tegelikult saadi esimene sellise struktuuriga ühend juba 50ndatel ja nende sünteesi peamised meetodid töötati välja peamiselt 80ndatel. Mõiste "dendrimeerid" ilmus varem kui "nanotehnoloogia" ja alguses ei seostatud neid üksteisega. Kuid viimasel ajal mainitakse dendrimeere üha enam nende nanotehnoloogiliste (ja nanomeditsiini) rakenduste kontekstis.

Selle põhjuseks on mitmed eriomadused, mis dendrimeerühenditel on. Nende hulgas:

Suure täpsusega prognoositavad, juhitavad ja reprodutseeritavad makromolekulide suurused;

Kanalite ja pooride olemasolu makromolekulides, millel on hästi reprodutseeritav kuju ja suurus;

Madala molekulmassiga ainete ülimalt selektiivse kapseldamise ja immobiliseerimise võime supramolekulaarsete "külalis-peremehe" konstruktsioonide moodustamisega.

Nanoosakeste iseorganiseerumine

Üks olulisemaid küsimusi, millega nanotehnoloogia silmitsi seisab, on see, kuidas sundida molekule teatud viisil rühmitama, ise organiseeruma, et lõpuks saada uusi materjale või seadmeid. Selle probleemiga tegeleb keemia haru – supramolekulaarne keemia. See ei uuri mitte üksikuid molekule, vaid molekulide vahelisi koostoimeid, mis suudavad molekule teatud viisil korraldada, luues uusi aineid ja materjale. On julgustav, et sarnased süsteemid ja sarnased protsessid eksisteerivad ka looduses. Seega on teada biopolümeerid, mis võivad organiseeruda spetsiaalseteks struktuurideks. Üheks näiteks on valgud, mis mitte ainult ei saa voldida kerakujuliseks, vaid moodustavad ka komplekse – struktuure, mis sisaldavad mitmeid valgumolekule (valke).

Juba on olemas sünteesimeetod, mis kasutab DNA molekuli spetsiifilisi omadusi. Võetakse komplementaarne DNA, ühe otsaga ühendatakse molekul A või B. Meil ​​on 2 ainet: ----A ja ----B, kus ---- on kokkuleppeline ühe DNA molekuli kujutis. Kui nüüd need 2 ainet segada, moodustuvad DNA kahe üksiku ahela vahel vesiniksidemed, mis tõmbavad molekule A ja B üksteise külge. Kujutagem saadud seost umbkaudselt: ====AB. Pärast protsessi lõppu saab DNA molekuli kergesti eemaldada.

Aglomeraatide moodustumise probleem

Osakestel, mille suurus on suurusjärgus nanomeetrid, või nanoosakestel, nagu neid teadusringkondades nimetatakse, on üks omadus, mis nende kasutamist oluliselt takistab. Need võivad moodustada aglomeraate, st üksteise külge kleepuda. Kuna nanoosakesed näitavad palju lubadust tööstusharud keraamika tootmine, metallurgia, see probleem tuleb lahendada. Üheks võimalikuks lahenduseks on dispergeerivate ainete kasutamine, nagu ammooniumtsitraat (vesilahus), imidasoliin, oleiinalkohol (vees lahustumatu). Neid saab lisada nanoosakesi sisaldavale söötmele. Seda käsitletakse üksikasjalikumalt allikas "Organic Additives And Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (inglise).

Mikro- ja nanokapslid

Sest kohaletoimetamine Nanopooridega miniatuurseid (~1 μ) kapsleid saab kasutada ravimite viimiseks soovitud kohta kehas. Sarnaseid mikrokapsleid juba testitakse kohaletoimetamine ja füsioloogiliselt reguleeritud insuliini vabanemine I tüüpi diabeedi korral. Umbes 6 nm suuruste pooride kasutamine võimaldab kaitsta kapsli sisu organismi immuunsüsteemi mõjude eest. See võimaldab paigutada insuliini tootvaid loomarakke kapslitesse, mille organism muidu tagasi lükkaks.

Suhteliselt lihtsa disainiga mikroskoopilised kapslid võivad ka keha loomulikke võimeid dubleerida ja laiendada. Sellise kontseptsiooni näiteks on R. Freitase välja pakutud respirotsüüt – hapniku ja süsinikdioksiidi kunstlik kandja, mis on oma võimete poolest oluliselt parem nii punalibledest kui ka olemasolevatest vereasendajatest (näiteks fluorosüsiniku emulsioonide baasil). Respirotsüüdi võimalikku disaini käsitletakse üksikasjalikumalt allpool.

Nanotehnoloogia andurid ja analüsaatorid

Mikro- ja nanotehnoloogiate kasutamine võimaldab oluliselt suurendada erinevate ainete üliväikeste koguste tuvastamise ja analüüsimise võimet. Üheks sellise seadme variandiks on "kiibil asuv labor". See on plaat, mille pinnale on paigutatud korrapäraselt soovitud ainete, näiteks antikehade retseptorid. Molekuli kinnitus Ühele plaadile saab paigutada andurid paljude tuhandete ainete jaoks.

Sellist seadet, mis on võimeline tuvastama sõna otseses mõttes üksikuid molekule, saab kasutada DNA aluste või aminohapete järjestuse määramiseks (identifitseerimise eesmärgil, geneetiliste või onkoloogiliste haiguste tuvastamiseks), nakkushaiguste patogeenide, toksiliste ainete tuvastamiseks.

Mõne millimeetri suuruse aparaadi saab asetada naha pinnale (higiga erituvate ainete analüüsimiseks) või keha sisse (suhu, seedetrakti, naha alla või lihasesse). Samal ajal on see võimeline andma aru keha sisekeskkonna seisundist ja andma märku kahtlastest muutustest.

nimelises molekulaarbioloogia instituudis. Engelhardt Venemaa Teaduste Akadeemiast on välja töötanud süsteemi, mis on mõeldud patogeeni tüve kiireks tuvastamiseks; Ühel kiibil on umbes sada fluorestsentsandurit.

Huvitavat ideed arendavad korraga mitu teadlaste rühma. Selle olemus on DNA (või RNA) molekuli "laskmine" läbi membraanis oleva nanopoori. Poori suurus peab olema selline, et DNA läbiks "sirgendatud" kujul, üks alus teise järel. Elektrilise gradiendi või kvanttunnelivoolu mõõtmine läbi poori võimaldaks meil kindlaks teha, milline alus parajasti seda läbib. Sellel põhimõttel põhinev seade võimaldaks saada kogu DNA järjestuse ühe läbimisega.

Nanotehnoloogia rakendused

Meditsiin ja bioloogia

Elusorganismi saab "sisse viia" aatomitasandil. Tagajärjed võivad olla väga erinevad – alates väljasurnud liikide “taastamisest” kuni uut tüüpi elusolendite ja biorobotite loomiseni. Molekulaarsete robotarstide loomine, mis "elaksid" inimkeha sees, kõrvaldades kõik tekkivad kahjustused või ennetades selliste, sealhulgas geneetiliste kahjustuste tekkimist.

Michigani ülikooli teadlaste sõnul saabub päev, mil nanotehnoloogia abil saab inimese vererakkudesse ehitada mikroskoopilisi andureid, mis hoiatavad esimeste kiirgusohu või haiguse arengu tunnuste eest.

Bioloogilise nanotehnoloogia keskuse töötajad eesotsas dr James Bakeriga on viimastel aastatel töötanud mikrosensorite loomise kallal, mida kasutatakse vähirakkude tuvastamiseks kehas ja selle kohutava haiguse vastu võitlemiseks.

Vähirakkude äratundmise uus tehnika põhineb sünteetilistest polümeeridest, mida nimetatakse dendrimeerideks (kreeka keelest dendron – puit), pisikeste sfääriliste reservuaaride implanteerimisel inimkehasse. Need polümeerid sünteesiti eelmisel kümnendil ja neil on põhimõtteliselt uus, mittetahke struktuur, mis sarnaneb koralli või puidu struktuuriga. Selliseid polümeere nimetatakse hüperhargnenud või kaskaadiks. Neid, mille hargnemine on korrapärane, nimetatakse dendrimeerideks. Iga sellise sfääri ehk nanosensori läbimõõt ulatub vaid 5 nanomeetrini – 5 miljardiku meetrini, mis võimaldab paigutada miljardeid sarnaseid nanosensoreid väikesele ruumipinnale.

Kehasse sattudes tungivad need pisikesed andurid lümfotsüütidesse – valgetesse verelibledesse, mis tagavad organismi kaitsereaktsiooni infektsioonide ja muude haigusi põhjustavate tegurite vastu. Lümfoidrakkude immuunvastuse ajal teatud haigusele või keskkonnaseisundile – näiteks külmetushaigusele või kiirgusele – muutub raku valgu struktuur. Iga nanosensor, mis on kaetud spetsiaalsete keemiliste reaktiividega, hakkab selliste muutustega fluorestseerima või helendama.

Selle sära nägemiseks kavatsevad dr Baker ja tema kolleegid luua spetsiaalse seadme, mis skaneerib silma võrkkesta. Sellise seadme laser peaks tuvastama lümfotsüütide sära, kui need üksteise järel läbivad silmapõhja kitsaid kapillaare. Kui lümfotsüütides on piisavalt märgistatud andureid, on rakukahjustuste tuvastamiseks vaja 15-sekundilist skaneerimist, väidavad teadlased.

Idee ise on alles uurimisjärgus, kuid see on juba äratanud NASA juhtkonna tähelepanu, kes on eraldanud edasisteks uuringuteks 2 miljonit dollarit. NASA tundis huvi võimalusest luua ülalkirjeldatud andureid, mis jälgivad pidevalt kiirgustaset, millega astronaud kokku puutub, ning mis tahes haiguse või infektsiooni tunnuste ilmnemist tema kehas.

Baker ütles, et tema meeskond on töötanud sarnase tehnoloogia kallal vähirakkude tuvastamiseks, kuid uuringud pole veel kaugeltki lõppenud. Näiteks pole veel selge, kuidas on võimalik tuvastada valgete vereliblede nanosensorite sära, kui ümberringi on tohutult palju tumedamaid punaseid vereliblesid. Teadlased on juba saavutanud mõningast edu rakukultuuride laboratoorsetes katsetes ja nad kavatsevad sel aastal uut tehnoloogiat loomade peal katsetada.

Michigani osariigi teadlased väidavad, et nanotehnoloogia abil on võimalik inimese vererakkudesse kinnistada mikroskoopilisi andureid, mis hoiatavad kiirguse või haiguse arengu tunnuste eest. Nii et USA-s on NASA ettepanekul selliste nanosensorite väljatöötamine käimas. James Beiner kujutab ette "nanovõitlust" kosmilise kiirgusega: enne starti süstib astronaut hüpodermilise süstla abil võrevoodi läbipaistvat vedelikku, mis on küllastunud miljonite nanoosakestega, lennu ajal torkab ta kõrva väikese seadme (nagu kuulmisseade). abi). Lennu ajal kasutab see seade hõõguvate rakkude otsimiseks väikest laserit. See on võimalik, kuna Rakud läbivad kuulmekile kapillaare. Rakud edastatakse juhtmevabalt kosmoselaeva põhiarvutisse ja seejärel töödeldakse. Kui midagi juhtub, võetakse vajalikud meetmed.

Kõik see võib reaalsuseks saada umbes 5-10 aasta pärast. Teadlased on nanoosakesi kasutanud rohkem kui 5 aastat.

Nüüd võivad juuksekarvast õhemad andurid olla 1000 korda tundlikumad kui tavalised DNA-testid. Ameerika teadlased, kes need nanosensorid välja töötasid, usuvad, et arstid suudavad ühe tilga verega läbi viia terve rea erinevaid teste. Selle süsteemi üks eeliseid on võimalus saata analüüsitulemused koheselt taskuarvutisse. Teadlased usuvad, et täisfunktsionaalse nanosensormudeli väljatöötamiseks, mida arstid saaksid oma igapäevatöös kasutada, kulub teadlaste hinnangul umbes viis aastat.

Nanotehnoloogia abil suudab meditsiin mitte ainult ravida mis tahes haigusi, vaid ka ennetada nende esinemist ning aidata kaasa inimeste kohanemisele kosmoses.

Kui mehhanism oma töö lõpetab, peavad nanoarstid nanorobotid inimkehast eemaldama. Seetõttu on oht, et inimkehasse jäänud “vananenud nanorobotid” korralikult ei tööta, väga väike. Nanorobotid peavad olema konstrueeritud nii, et vältida rikkeid ja vähendada meditsiinilisi tüsistusi. Kuidas nanorobotid kehast eemaldatakse? Mõned neist on võimelised looduslike kanalite kaudu inimkehast ise eemaldama. Teised kujundatakse nii, et arstid saaksid need eemaldada. eemaldamine sõltub antud nanoroboti konstruktsioonist.

Arvatakse, et patsiendi peamiseks ohuks on raviarsti ebakompetentsus. Kuid eksimusi võib ette tulla ka ootamatutel juhtudel. Üks ettenägematus võib olla robotite vaheline interaktsioon, kui nad kokku põrkuvad. Selliseid vigu on raske tuvastada. Selle juhtumi näide võib olla kahte tüüpi nanorobotite A ja B töö inimkehas. Kui nanorobot A eemaldab roboti B töö tagajärjed, siis see toob kaasa A korduva töö ja see jätkub lõputult, st nanorobotid korrigeerivad üksteise tööd. Selliste olukordade vältimiseks peab raviarst pidevalt jälgima nanorobotite tööd ja vajadusel neid ümber programmeerima. Seetõttu on arsti kvalifikatsioon väga oluline tegur.

Nagu teate, reageerib meie immuunsüsteem võõrkehadele. Seetõttu mängib selles olulist rolli nanoroboti suurus, samuti pinna karedus ja seadme liikuvus. Väidetakse, et biosobivuse probleem pole kuigi keeruline. Väljapääs sellest probleemist on teemantmaterjalidel põhinevate robotite loomine. Tugeva pinnaenergia ja diamondoidpinna ning selle tugeva sileduse tõttu on robotite väliskest keemiliselt inertne.

Hiljuti meditsiinis kasutatud nanotehnoloogiad

Nanotehnoloogiaid kasutatakse juba meditsiinis. Selle peamised kasutusvaldkonnad on: diagnostikatehnoloogiad, meditsiiniseadmed, proteesid ja implantaadid.

Ilmekas näide on professor Azizi avastus. Parkinsoni tõbe põdevatel inimestel on nende koljus kahe pisikese augu kaudu ajju sisestatud elektroodid, mis on ühendatud stimulaatoriga. Umbes nädala pärast implanteeritakse patsiendile stimulaator ise kõhuõõnde. Patsient saab lüliti abil pinget ise reguleerida. 80% juhtudest saab valu leevendada:

Mõnel kaob valu sootuks, teisel taandub. Umbes neli tosinat inimest on läbinud sügava ajustimulatsiooni.

Paljud Azizi kolleegid ütlevad, et see meetod ei ole tõhus ja sellel võivad olla negatiivsed tagajärjed. Professor on veendunud, et meetod on tõhus. Ei üht ega teist pole nüüd tõestatud. Mulle tundub, et me peaksime uskuma ainult neljakümmet patsienti, kes vabanesid talumatust valust. Ja nad tahtsid uuesti elada. Ja kui seda meetodit on praktiseeritud 8 aastat ja see ei mõjuta negatiivselt patsientide tervist, siis miks mitte selle kasutamist laiendada.

Teine revolutsiooniline avastus on biokiip – väike plaat, millele on kindlas järjekorras kantud DNA või valgumolekulid, mida kasutatakse biokeemilisteks analüüsideks. Biokiibi tööpõhimõte on lihtne. Spetsiifilised lõhenenud DNA lõikude järjestused kantakse plastplaadile. Analüüsi käigus asetatakse testitav materjal kiibile. Kui see sisaldab sama geneetilist teavet, siis nad paarituvad. Tulemust saab jälgida. Biokiipide eeliseks on suur hulk bioloogilisi teste, mis säästavad oluliselt katsematerjali, reaktiive, tööjõukulusid ja analüüsi aega.

Generoloogia

Inimeste isikliku surematuse saavutamine rakkude vananemist takistavate molekulaarrobotite kehasse toomise, samuti inimkeha kudede ümberstruktureerimise ja “õilistamise” kaudu. Nende lootusetult haigete inimeste taaselustamine ja tervendamine, kes olid praegu krüonikameetoditega külmunud. Prognoositav teostusperiood: 21. sajandi kolmas - neljas kvartal.

Tööstus

Traditsiooniliste tootmismeetodite asendamine molekulaarrobotidega, mis panevad kokku tarbekaupu otse aatomitest ja molekulidest. Kuni isiklikud süntesaatorid ja paljundusseadmed, mis võimaldavad valmistada mis tahes eset. Esimesi praktilisi tulemusi võib saada 21. sajandi alguses.

Grafeen. 2004. aasta oktoobris loodi Manchesteri ülikoolis väike kogus materjali nimega grafeen. Robert Freitas soovitab, et see materjal võiks olla substraadiks teemantmehhanosünteetiliste seadmete loomisel.

Satelliitsidet kasutatakse laialdaselt televisiooni-, Interneti- ja telefoniside jaoks. Kosmose positsioneerimissüsteeme kasutavad lennukid, laevad, autod ja turistid.

Inimkond on juba oma hällist välja kasvanud — meie elu pole enam ilma ruumita mõeldav. Seetõttu alustavad paljud riigid täna oma kosmoseprogramme ja 21. sajandi alguses algas erakosmose uurimine. 2001. aastal läks orbiidile esimene kosmoseturist Dennis Tito. 2004. aastal sooritas X-Prize'i konkursi raames sõltumatute arendajate loodud korduvkasutatav kosmoselaev SpaceShipOne suborbitaallennu (112 km kõrgusele). 2005. aastal alustati Mojave (USA), Ras Al Khaimah (AÜE) ja Singapuri erakosdroomide ehitamist. Lähiaastateks on planeeritud tohutu turismi laienemine (Virgin Galactic plaanib 2013. aastaks saata kosmosekruiisidele 7000 inimest tänu taskukohasele hinnale 200 000 dollarit). Suurima motelliketi omanik Robert Bigolow plaanib 2010. aastal avada esimese orbitaalhotelli Skywalker.

Kõik see ja palju muud saavad võimalikuks uue kosmosetee tulekuga, mis on tõhusam isegi kui kaasaegsed korduvkasutatavad kosmoselaevad. NASA osalusel on plaanis ehitada kosmoselifti! Kuu väikese gravitatsioonijõu tõttu on sellise lifti ehitamine Lagrange'i punktidest (L-1 või L-2), kus Kuu, Maa ja Päikese gravitatsioonijõud on tasakaalus, Kuu pinnale. on võimalik isegi tänapäevaste tehnoloogiate abil! Vaja läheb vaid ülitugevast M5 kiust kokku 7 tonni kaaluvat kaablit, mida saab ühe stardiga kosmosesse tõsta.

Sellise lifti ehitamine Maa peale vajaks arenenumaid materjale, kuid eeldatakse, et süsiniknanotorud on selleks piisavalt tugevad. Vajalikud tehnoloogiad saab välja töötada 10-15 aasta jooksul. Kuid kui kosmoselift on ehitatud, langevad kauba orbiidile viimise kulud kümnete dollariteni kilogrammi kohta. Tõenäoliselt ehitatakse kohe pärast esimese lifti ilmumist piki ekvaatorit uued, siis neid täiustatakse ja need ei näe enam välja nagu mitu peenikest linti, vaid ažuursed tornid, mille konstruktsioonid on vahepealsel tasemel. Võib olla. et mõne aja pärast tekib geostatsionaarse orbiidi tasemel terve ring – hiiglaslik orbitaalne kosmosejaam, mis sarnaneb A. Clarki poolt Odyssey 3000-s kirjeldatuga.

Nüüd kaalutakse tõsiselt ka plaane (NASA) kaevandada Kuul ja asteroide. Üks mineraalide tüüp, mida saab kosmoses ökonoomselt kaevandada, on heelium-3. Maal seda ei leidu, Kuul leidub seda ohtralt (Kuu on kogunud päikesetuulest miljardite aastate jooksul). Ja samal ajal on see suurepärane kütus termotuumaenergia jaoks. Samal ajal, et tagada kogu meie planeedi energiatarbimine 2005. aasta mastaabis, tuleb Maale toimetada vaid 100 tonni heelium-3 aastas!

Hoolimata majanduslikest väljavaadetest jääb päevakorda elamiskõlblike baaside rajamine Kuule ja Marsile. Hiina on kohe ehitamas esimest baasi Kuule, Venemaa ja USA suunduvad Marsi poole. Tehnoloogia järkjärguline täiustamine muudab need projektid üha teostatavamaks.

Nüüd mootoritest. Kosmoseajastu alguses kasutasime rakettmootoreid. Sellest ajast peale on pakutud palju alternatiive, kuid need pole veel domineerivaks muutunud. Tulevikus hakatakse päikesesüsteemis lendudeks kasutama ioonmootoreid. Need pakuvad juba ebatavaliselt kõrget efektiivsust. Lasermootoreid saab kasutada orbiidile tõstmiseks. Kui kosmoselift ehitatakse, asendab see selles piirkonnas rakette.

Teine näide: 1958. aastal töötati välja Orioni projekt: Maa pinnalt õhkutõusva kosmoseaparaadi projekt, kasutades tuumamikropommide plahvatusi. Kuid 1963. aastal jõustunud tuumaseadmete atmosfääris lõhkamise keeld tegi sellele projektile punkti. Hetkel on käsil seda tüüpi kosmoselaeva Prometheuse projekt, mis plaanitakse Marsile saata.

Samuti saab tähtede poole lendamiseks kasutada aatomi- ja footonmootoreid, mis võimaldavad reisida peaaegu valguse kiirusel. Kui see on aga füüsiliselt võimalik, siis kindlasti leiab tuleviku Supermind võimaluse valgusbarjäärist mööda hiilida näiteks ussiaukude, ruumi kokkusurumise või muude meetodite abil.

Siinkohal tuleb märkida, et on ebatõenäoline, et uute maailmade lihtne avastamine, uurimine või koloniseerimine jääb ülitsivilisatsioonide jaoks oluliseks. Lõppude lõpuks võimaldab arvutitehnoloogia virtuaalreaalsuse arvutigeneraatorite raames simuleerida triljonite tähesüsteemide võimaluste kogumit. Esimene samm sellel teel astutakse lähiaastatel arvutimängu Spore ilmumisega. Seetõttu on tõenäoline, et Supermindi suhtumine kaugetesse tähtedesse on pragmaatilisem.

Enne millegi kasutamist peate selle kätte saama. Suure tõenäosusega võtavad selle ülesande enda kanda nn Von Neumanni sondid: intelligentsed isepaljunevad automaatlaevad, mis suudavad sihtmärgini jõuda, seda uurida, teavet edastada ja endast sadu koopiaid luua, mis saadetakse uutele seadmetele. tähed. Selline detsentraliseerimine võib osutuda palju tõhusamaks kui ulmekirjanduses kirjeldatud homo sapiensi romantilised täheekspeditsioonid robot-assistentidega.

Raketiteaduse areng loob uurimis- ja eksperimentaalse aluse tulevikuks, tõenäoliselt ainsuse järgseks supertehnoloogiliseks läbimurdeks lähi- ja seejärel süvakosmosesse. Millised on aga inimelu väljavaated kosmoses? Näeme kolme radikaalselt erinevat võimalust: terraformeerimine, inimese kohanemine kosmosetingimustega ja kosmilise aine ümberstruktureerimine arvutiks. Vaatame neid kõiki.

Juba on olemas projektid Marsi terraformeerimiseks. Teiste planeetide pinna rekonstrueerimine võib toimuda tehismikroorganismide või nanorobotite abil, mis loovad atmosfääri, osooni kaitsekihi, pinnase, jõgede ja merede... Superintelligentsus võib luua isegi seadme – nimetagem seda „Genesis“ " - suudab muuta planeedi elamiskõlblikuks mõne päeva või kuu jooksul.

Võimalik on aga ka teine ​​alternatiiv: inimese autotroofia, isemajandamise ja keskkonnast sõltumatuse arendamine. Nanotehnoloogia abil saavutatavad muutused teevad võimalikuks inimelu (nii füüsilises kehas kui ka arvutisüsteemide sees) vaakumi ja ülikõrge rõhu, ülikõrge kiirguse ja gravitatsiooni, ülimadala või ülikõrge temperatuuri tingimustes, on peaaegu kõikjal, välja arvatud ehk Päike.

Kui inimene loobub meie tavapärastest eksistentsivormidest, võib kõige tõhusam stsenaarium olla päikesesüsteemi planeetide lammutamine ja kogu mateeria ümberstruktureerimine ülivõimsateks arvutiteks, mis on ühendatud ühtseks võrguks. Hüpoteetilist ainet, mis tagab maksimaalse arvutusvõimsuse massiühiku kohta, nimetatakse arvutiniumiks. Kui loobume ideest luua inimestele ruumis mugav keskkond, siis võib Supermeele jaoks olla võimalik isegi eksisteerimine Päikese sees: kus iganes saavad eksisteerida korrastatud struktuurid, seal saab toimuda arvutusi ja seega ka teadvust. Huvitav on see, et arvutusvõimsuse piiridest rääkides kirjeldavad teadlased tavaliselt kuuma plasma palle – objekte, mis meenutavad väga Päikese sisemust.

Ükskõik milline kosmoseuuringute teekond ka poleks, posthumaansus ei loobu kosmose laienemisest. Lõppude lõpuks ei ole Supermeel immanentselt planetaarne. See jaotus on talle võõras, kuna tema jaoks pole kosmoseelule füüsilisi piiranguid. Ja ta hakkab kindlasti tegelema kosmilise megaehitusega, muutes inertse kosmilise aine intelligentseks aineks.

Võib-olla juhtub see nii. Peale päikesesüsteemi planeetide vallutamist ehitame meie territoriaalset võimekust suurendava megastruktuuri, näiteks hiiglaslikud kosmoselinnad. Kuna me eeldame kõige erinevamate postinimeste tüüpide arengut, siis umbes sel ajal muudavad mõned postisiksused Päikesele kõige lähemal olevad (ja päikeseenergia poolest rikkamad) planeedid "matrjoška ajudeks", teised aga oma esivanematega sarnasemaks. (st meie), võivad olla hõivatud megamaailmade (näiteks "rõngamaailma") ehitamisega Maa ja Marsi orbiitide vahele. Gaasihiiglased demonteeritakse ja nende koostises olevaid aineid kasutatakse meie eesmärkidel. Aja jooksul püstitatakse päikesesüsteemi ümber Dysoni kera, et päikeseenergiat maksimaalselt ära kasutada.

Kaugemas tulevikus hakkab Overmind tegelema galaktiliste projektidega. Näiteks energia ammutamine mustadest aukudest, aine tõstmine aktiivsetest tähtedest, tähtede sisse- ja väljalülitamine, ussiaukude loomine kosmoses valgusbarjääri ületamiseks.

Ja kui universaalne mõistus ammendab meie universumi võimalused, saabub aeg luua uusi tütaruniversumeid. Tütaruniversumite praktiline väärtus seisneb mõistuse tõeliselt lõputu eksisteerimise tagamises, kandes seda surevatest universumitest vastloodud universumitesse. Mõne mudeli järgi saab aga meie universumis tagada lõpmatult pika subjektiivse eksistentsi.

Küberneetika

Toimub üleminek praegu olemasolevatelt tasapinnalistelt struktuuridelt mahulistele mikroskeemidele ning aktiivsete elementide suurused vähenevad molekulide suuruseni. Arvutite töösagedused jõuavad terahertsi väärtusteni. Laialt levivad neuronilaadsetel elementidel põhinevad vooluringilahendused. Ilmub kiire valgusmolekulidel põhinev pikaajaline mälu, mille mahtu mõõdetakse terabaitides. Inimese intelligentsus muutub võimalikuks arvutisse ümber paigutada. Eeldatav rakendusperiood: 21. sajandi esimene - teine ​​veerand.

Molekulaarse Tootmise Instituut (IMM) on välja töötanud aatomi täpsusega nanomanipulaatori eelprojekti. Niipea, kui saadakse süsteem "nanoarvuti - nanomanipulaator" (eksperdid ennustavad seda aastatel 2010-2020), on võimalik programmiliselt toota veel üks sarnane kompleks - see paneb oma analoogi kokku antud programmi järgi, ilma inimese otsese sekkumiseta. DNA replikatsiooniomadusi kasutades on bakterid võimelised arenema mõne tunni jooksul mitmest isendist kuni miljonini. Seega ei nõua massiliselt komplekteerijate hankimine midagi kulud väljastpoolt, lisaks varustada neid energia ja toorainega.

Süsteemi "nanoarvuti - nanomanipulaator" põhjal on võimalik korraldada automatiseeritud montaažikomplekse, mis on võimelised kokku panema mis tahes makroskoopilisi objekte, kasutades eelnevalt võetud või välja töötatud kolmemõõtmelist aatomite võrku. Xerox viib praegu läbi intensiivseid uuringuid nanotehnoloogia vallas, mis viitab tema soovile tulevikus mateeria paljundusseadmeid luua. Robotite kompleks lahutab algse objekti aatomiteks ja teine ​​​​kompleks loob koopia, mis on kuni üksikute aatomiteni identne originaaliga (eksperdid ennustavad seda aastatel 2020–2030). See võimaldab kaotada praegu olemasoleva "mahulise" tehnoloogiaga tooteid tootvate tehaste kompleksi, piisab mis tahes projekteerimisest. toode- ja seda kogub ja korrutab montaažikompleks.

Võimalik on automaatselt konstrueerida orbitaalsüsteeme, isekogunevaid kolooniaid Kuul ja Marsil ning mis tahes struktuure maailma ookeanides, maapinnal ja õhus (eksperdid ennustavad seda 2050. aastal). Isekogumise võimalus võib viia inimkonna globaalsete probleemide lahendamiseni: toidu-, eluaseme- ja energiapuuduse probleem. Tänu nanotehnoloogiale muutub oluliselt masinate ja mehhanismide disain – paljud osad lihtsutuvad tänu uutele koostetehnoloogiatele (arendustele), paljud muutuvad tarbetuks. See võimaldab projekteerida masinaid ja mehhanisme, mis olid varem kokkupaneku- ja projekteerimistehnoloogiate puudumise tõttu inimesele kättesaamatud. Need mehhanismid koosnevad sisuliselt ühest väga keerulisest osast.

Mehhanoelektriliste nanokonverterite abil on võimalik suure kasuteguriga muundada igat liiki energiat ja luua efektiivseid seadmeid päikesekiirgusest elektrienergia tootmiseks umbes 90% efektiivsusega. Jäätmekäitlus ja ülemaailmne kontroll süsteemid nagu "ringlussevõtt" suurendavad oluliselt inimkonna toorainevarusid. Globaalne keskkond kontroll, ilmastikukontroll tänu sünkroonselt töötavatele nanorobotite süsteemile.

Biotehnoloogia ja arvutitehnoloogia saavad tõenäoliselt nanotehnoloogiast kasu. Nanomeditsiiniliste robotite väljatöötamisega muutub võimalikuks inimeste surma määramata ajaks edasi lükata. Samuti ei teki probleeme inimkeha ümberstruktureerimisega, et kvalitatiivselt suurendada loomulikke võimeid. Samuti on võimalik varustada keha energiaga, olenemata sellest, kas midagi söödi või mitte.

Arvutitehnoloogia muudetakse ühtseks ülemaailmseks tohutu tootlikkusega infovõrgustikuks ja igal inimesel on võimalus olla terminal – läbi otsese juurdepääsu ajule ja meeleorganitele. Materjaliteaduse valdkond muutub oluliselt - ilmuvad “nutikad” materjalid, mis on võimelised kasutajaga multimeedias suhtlema. Ilmuvad ka ülitugevad, ülikerged ja mittesüttivad materjalid.

Mis puutub tooraineprobleemi, siis enamiku objektide ehitamiseks kasutavad nanorobotid mitut enamlevinud aatomitüüpi: süsinikku, vesinikku, räni, lämmastikku, hapnikku jne väiksemates kogustes. Kui inimkond arendab teisi planeete, lahendatakse toorainega varustamise probleem.

Seega tõotab nanotehnoloogia prognooside põhjal radikaalset ümberkujundamist nii kaasaegses tootmises ja sellega seotud tehnoloogiates kui ka inimelus laiemalt. Nanotehnoloogia toob ainega manipuleerimisel kaasa samasuguse revolutsiooni, mille on tekitanud arvutid teabega manipuleerimisel. Need mõjutavad maailma rohkem kui elektri avastamine.

Ühiskonna suhtumine nanotehnoloogiasse

Edusammud nanotehnoloogia vallas on tekitanud teatavat avalikku pahameelt.

Ühiskonna suhtumist nanotehnoloogiasse uurisid VTsIOM ja Euroopa Eurobaromeetri teenistus.

Mitmed teadlased viitavad sellele, et mittespetsialistide negatiivne suhtumine nanotehnoloogiasse võib olla seotud religioossusega, aga ka murega nanomaterjalide toksilisuse pärast.

Maailma üldsuse reaktsioon nanotehnoloogia arengule

Alates 2005. aastast tegutseb CRN-i organiseeritud rahvusvaheline töörühm, mis uurib nanotehnoloogia arengu sotsiaalseid tagajärgi.

2006. aasta oktoobris avaldas Rahvusvaheline Nanotehnoloogia Nõukogu ülevaateartikli, milles räägiti eelkõige vajadusest piirata nanotehnoloogiaalaste uuringute alase teabe levitamist ohutuse huvides.

Greenpeace nõuab nanotehnoloogia valdkonna teadusuuringute täielikku keelustamist.

Nanotehnoloogia arengu tagajärgede teema on saamas filosoofilise uurimistöö objektiks. Nii arutati nanotehnoloogia arengu väljavaateid 2007. aastal WTA korraldatud rahvusvahelisel futuroloogiakonverentsil Transvision.

Venemaa ühiskonna reaktsioon nanotehnoloogia arengule

Venemaa president Dmitri Medvedev on kindel, et riigis on olemas kõik tingimused nanotehnoloogia edukaks arendamiseks.

Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnoloogia uus suund, mis on viimastel aastakümnetel aktiivselt arenenud. Nanotehnoloogia hõlmab materjalide, seadmete ja tehniliste süsteemide loomist ja kasutamist, mille toimimise määrab nanostruktuur ehk selle järjestatud killud, mille suurus jääb vahemikku 1-100 nanomeetrit.

Eesliide "nano", mis pärineb kreeka keelest ("nanos" kreeka keeles - gnome), tähendab ühte miljardit osa. Üks nanomeeter (nm) on üks miljardik meetrist.

Termini "nanotehnoloogia" võttis 1974. aastal kasutusele Tokyo ülikooli materjaliteadlane Norio Taniguchi, kes määratles selle kui "tootmistehnoloogiat, mis suudab saavutada ülikõrge täpsuse ja üliväikesed mõõtmed... suurusjärgus 1 nm...” .

Maailmakirjanduses eristatakse nanoteadust selgelt nanotehnoloogiast. Nanoteaduse kohta kasutatakse ka terminit nanomõõtmeline teadus.

Vene keeles ja Venemaa õigusaktide ja regulatiivsete dokumentide praktikas ühendab termin "nanotehnoloogia" "nanoteaduse", "nanotehnoloogia" ja mõnikord isegi "nanotööstuse" (äri- ja tootmisvaldkonnad, kus nanotehnoloogiaid kasutatakse).

Nanotehnoloogia olulisemad komponendid on nanomaterjalid, see tähendab materjale, mille ebatavalised funktsionaalsed omadused on määratud nende nanofragmentide järjestatud struktuuriga, mille suurus on vahemikus 1 kuni 100 nm.

- nanopoorsed struktuurid;
- nanoosakesed;
- nanotorud ja nanokiud
- nanodispersioonid (kolloidid);
- nanostruktureeritud pinnad ja kiled;
- nanokristallid ja nanoklastrid.

Nanosüsteemi tehnoloogia– funktsionaalselt terviklikud süsteemid ja seadmed, mis on täielikult või osaliselt loodud nanomaterjalide ja nanotehnoloogiate baasil ja mille omadused erinevad radikaalselt traditsiooniliste tehnoloogiate abil loodud sarnase eesmärgiga süsteemide ja seadmete omadustest.

Nanotehnoloogia rakendusvaldkonnad

Peaaegu võimatu on loetleda kõiki valdkondi, kus see globaalne tehnoloogia võib tehnoloogilist arengut oluliselt mõjutada. Võime nimetada vaid mõned neist:

- nanoelektroonika ja nanofotoonika elemendid (pooljuhttransistorid ja laserid);
- fotodetektorid; Päikesepatareid; erinevad andurid);
- ülitihedad infosalvestusseadmed;
- telekommunikatsioon, info- ja arvutustehnoloogia; superarvutid;
- videotehnika - lameekraanid, monitorid, videoprojektorid;
- molekulaarsed elektroonikaseadmed, sealhulgas lülitid ja elektronahelad molekulaarsel tasemel;
- nanolitograafia ja nanoimprintimine;
- kütuseelemendid ja energiasalvestid;
- mikro- ja nanomehaanika seadmed, sh molekulaarmootorid ja nanomootorid, nanorobotid;
– nanokeemia ja katalüüs, sealhulgas põlemiskontroll, katmine, elektrokeemia ja farmaatsiatooted;
- lennundus-, kosmose- ja kaitserakendused;
- keskkonnaseire seadmed;
- ravimite ja valkude sihipärane kohaletoimetamine, biopolümeerid ja bioloogiliste kudede tervendamine, kliiniline ja meditsiiniline diagnostika, tehislihaste, luude loomine, elusorganite implanteerimine;
- biomehaanika; genoomika; bioinformaatika; bioinstrumenteerimine;
– kantserogeensete kudede, patogeenide ja bioloogiliselt kahjulike mõjurite registreerimine ja tuvastamine;
- ohutus põllumajanduses ja toiduainete tootmises.

Arvutid ja mikroelektroonika

Nanoarvuti— elektroonilistel (mehaanilistel, biokeemilistel, kvant-) tehnoloogiatel põhinev arvutusseade, mille loogiliste elementide suurus on suurusjärgus mitu nanomeetrit. Nanotehnoloogia baasil arendatud arvuti ise on samuti mikroskoopiliste mõõtmetega.

DNA arvuti- arvutussüsteem, mis kasutab DNA molekulide arvutusvõimalusi. Biomolekulaararvutus on koondnimetus erinevatele tehnikatele, mis on ühel või teisel viisil seotud DNA või RNA-ga. DNA-arvutuses ei esitata andmeid nullide ja ühtede kujul, vaid DNA spiraali baasil üles ehitatud molekulaarstruktuuri kujul. Andmete lugemise, kopeerimise ja haldamise tarkvara rolli täidavad spetsiaalsed ensüümid.

Aatomijõu mikroskoop- kõrge eraldusvõimega skaneeriva sondi mikroskoop, mis põhineb konsoolnõela (sondi) interaktsioonil uuritava proovi pinnaga. Erinevalt skaneerivast tunnelmikroskoobist (STM) suudab see uurida nii juhtivaid kui ka mittejuhtivaid pindu isegi läbi vedelikukihi, mis võimaldab töötada orgaaniliste molekulidega (DNA). Aatomjõumikroskoobi ruumiline eraldusvõime sõltub konsooli suurusest ja selle tipu kumerusest. Eraldusvõime ulatub aatomi horisontaalselt ja ületab seda oluliselt vertikaalselt.

Antenn-ostsillaator- 9. veebruaril 2005 saadi Bostoni ülikooli laboris antenn-ostsillaator, mille mõõtmed on umbes 1 mikron. Sellel seadmel on 5000 miljonit aatomit ja see on võimeline võnkuma sagedusel 1,49 gigahertsi, mis võimaldab edastada tohutul hulgal teavet.

Nanomeditsiin ja farmaatsiatööstus

Kaasaegse meditsiini suund, mis põhineb nanomaterjalide ja nanoobjektide ainulaadsete omaduste kasutamisel inimese bioloogiliste süsteemide jälgimiseks, kujundamiseks ja muutmiseks nanomolekulaarsel tasemel.

DNA nanotehnoloogia- kasutada spetsiifilisi DNA aluseid ja nukleiinhappemolekule, et luua nende põhjal selgelt määratletud struktuure.

Ravimimolekulide ja selgelt määratletud vormis farmakoloogiliste preparaatide (bis-peptiidid) tööstuslik süntees.

2000. aasta alguses andis nanoosakeste tehnoloogia kiire areng tõuke uue nanotehnoloogia valdkonna arengule: nanoplasmoonika. Selgus, et elektromagnetkiirgust on võimalik edastada mööda metalli nanoosakeste ahelat, kasutades plasmoni võnkumiste ergastamist.

Robootika

Nanorobotid- nanomaterjalidest loodud robotid, mis on suuruselt võrreldavad molekuliga ja millel on liikumise, teabe töötlemise ja edastamise ning programmide täitmise funktsioonid. Nanorobotid, mis on võimelised looma endast koopiaid, st. isepaljunemist nimetatakse replikaatoriteks.

Praeguseks on juba loodud piiratud liikuvusega elektromehaanilisi nanoseadmeid, mida võib pidada nanorobotite prototüüpideks.

Molekulaarsed rootorid– sünteetilised nanosuurused mootorid, mis on võimelised tekitama pöördemomenti, kui neile rakendatakse piisavalt energiat.

Venemaa koht nanotehnoloogiaid arendavate ja tootvate riikide seas

Nanotehnoloogiasse tehtud koguinvesteeringute osas on maailmas liidrid ELi riigid, Jaapan ja USA. Viimasel ajal on Venemaa, Hiina, Brasiilia ja India oluliselt suurendanud investeeringuid sellesse tööstusharusse. Venemaal on programmi "Nanotööstuse infrastruktuuri arendamine Vene Föderatsioonis aastateks 2008–2010" raames rahastatud 27,7 miljardit rubla.

Viimases (2008. aasta) Londonis asuva uuringufirma Cientifica raportis, mille nimi on Nanotechnology Outlook Report, kirjeldatakse Venemaa investeeringuid sõna-sõnalt järgmiselt: „Kuigi EL on investeeringute osas endiselt esikohal, on Hiina ja Venemaa juba USAst mööda saanud. ”

Nanotehnoloogias on valdkondi, kus Venemaa teadlased said maailmas esimesteks, saades tulemusi, mis panid aluse uute teadussuundade arengule.

Nende hulgas on ultradisperssete nanomaterjalide tootmine, üheelektrooniliste seadmete projekteerimine, aga ka töö aatomjõu ja skaneeriva sondi mikroskoopia vallas. Vaid XII Peterburi majandusfoorumi (2008) raames toimunud erinäitusel esitleti korraga 80 konkreetset arendust.

Venemaal toodetakse juba mitmeid nanotooteid, mis on turul nõutud: nanomembraanid, nanopulbrid, nanotorud. Nanotehnoloogiliste arenduste kommertsialiseerimises jääb Venemaa aga ekspertide hinnangul USA-st ja teistest arenenud riikidest maha kümne aasta võrra.

Materjal koostati avatud allikatest pärineva teabe põhjal

Briti ajakirja New Scientist kodulehel on põhiteave nanotehnoloogia kohta välja toodud väga mugaval kujul – korduma kippuvatele küsimustele vastuste näol, kirjutab dp.ru.

Mis on nanotehnoloogia?

Mõistet "nanotehnoloogia" tuleks mõista kui teadus- ja tehnikadistsipliinide kompleksi, mis uurivad aatomi- ja molekulaarsel skaalal toimuvaid protsesse. Nanotehnoloogia hõlmab nii väikeste materjalide ja seadmetega manipuleerimist, et midagi väiksemat ei saa eksisteerida. Nanoosakestest rääkides mõeldakse tavaliselt suurusi vahemikus 0,1 nm kuni 100 nm. Pange tähele, et enamiku aatomite suurused jäävad vahemikku 0,1–0,2 nm, DNA molekuli laius on ligikaudu 2 nm, vereraku iseloomulik suurus on ligikaudu 7500 nm ja juuksekarva laius on 80 000 nm.

Miks omandavad väikesed objektid sellised spetsiifilised omadused nanoskaala tasemel? Näiteks väikestel kulla- ja hõbeaatomite rühmadel (nn klastritel) on ainulaadsed katalüütilised omadused, samas kui suuremad proovid on tavaliselt inertsed. Ja hõbeda nanoosakestel on selged antibakteriaalsed omadused ja seetõttu kasutatakse neid tavaliselt uut tüüpi sidemetes.

Kui osakeste suurus väheneb, suureneb pinna ja mahu suhe. Sel põhjusel sisenevad nanoosakesed keemilistesse reaktsioonidesse palju kergemini. Lisaks ilmnevad kvantfüüsika efektid tasemetel alla 100 nm. Kvantefektid võivad mõjutada materjalide optilisi, elektrilisi või magnetilisi omadusi ettearvamatul viisil.

Mõnede ainete väikesed kristalsed isendid muutuvad tugevamaks, kuna nad lihtsalt jõuavad olekusse, kus nad ei saa puruneda nii, nagu suuremad kristallid jõuga kokku puutudes. Metallid muutuvad mõnes mõttes sarnaseks plastikuga.

Millised on nanotehnoloogia rakendamise väljavaated?

Juba 1986. aastal nägi futurist Eric Dressler ette utoopilist tulevikku, kus isepaljunevad nanorobotid täidavad kogu tööühiskonnale vajaliku. Need väikesed seadmed on võimelised parandama inimkeha seestpoolt väljapoole, muutes inimesed peaaegu surematuks. Nanorobotid võivad ka keskkonnas vabalt liikuda, mistõttu on nad asendamatud võitluses selle keskkonna saastamisega.

Nanotehnoloogialt oodatakse olulisi läbimurdeid arvutitehnoloogias, meditsiinis ja ka sõjalistes küsimustes. Näiteks on arstiteadus välja töötanud viisid ravimite toimetamiseks otse vähikudedesse väikeste "nanopommidega". Tulevikus võiksid nanoseadmed arterites "patrullida", tõrjudes nakkusi ja pakkudes haiguste diagnostikat.

Ameerika teadlased on edukalt kasutanud kullaga kaetud "nanokuulikesi", et leida ja hävitada opereerimata vähikasvajaid. Teadlased kinnitasid nanokuulid antikehadele, mis on võimelised vähirakkudega kokku puutuma. Kui nanokuulid puutuvad kokku infrapunale lähedase sagedusega kiirgusega, tõuseb nende temperatuur, mis aitab hävitada kantserogeenseid kudesid.

USA armee rahastatud Cambridge'i (USA) armee nanotehnoloogia instituudi teadlased kasutavad nanotehnoloogiat põhimõtteliselt uut tüüpi vormiriietuse loomiseks. Nende eesmärk on luua kangas, mis suudab muuta värvi, tõrjuda kuulid ja plahvatuse energiat ning isegi liimida luid.

Kus nanotehnoloogiaid praegu kasutatakse?

Nanotehnoloogiat kasutatakse juba personaalarvutite kõvaketaste, katalüsaatorite - sisepõlemismootorite elementide, pika kasutuseaga tennisepallide, aga ka ülitugevate ja samas kergete tennisereketite, metallide lõikamise tööriistade tootmisel. , antistaatilised katted tundlikele elektroonikaseadmetele ja spetsiaalsed katted akendele, mis tagavad nende isepuhastumise.

Kuidas nanoseadmeid luuakse?

Praegu on nanoseadmete valmistamiseks kaks peamist meetodit.

Alla üles. Nanoseadmete kokkupanek “molekulilt molekuli” põhimõttel, mis meenutab maja kokkupanemist või. Lihtsaid nanoosakesi, näiteks kosmeetikas kasutatavat titaandioksiidi või raudoksiidi, saab toota keemilise sünteesi teel.

Üksikuid aatomeid ringi lohistades on võimalik luua nanoseadmeid nn aatomjõumikroskoobi (või skaneeriva tunnelmikroskoobi) abil, mis on selliste protseduuride tegemiseks piisavalt tundlik. Seda tehnikat demonstreerisid esmakordselt IBM-i spetsialistid - skaneeriva tunnelmikroskoobi abil panid nad paika IBM-i lühendi, asetades vastavalt 35 ksenooni aatomit nikliproovi pinnale.

Ülevalt alla. See meetod eeldab, et kasutame makroskoopilist proovi ja näiteks söövitamise abil loome selle pinnale tavalisi mikroelektroonikaseadmete komponente, mille parameetrid on iseloomulikud nanoskaalale.

Kas nanotehnoloogia ohustab inimeste tervist või keskkonda?

Nanoosakeste negatiivse mõju kohta pole palju teavet. 2003. aastal näitas üks uuring, et süsiniknanotorud võivad kahjustada hiirte ja rottide kopse. 2004. aasta uuring näitas, et fullereenid võivad kaladel koguneda ja põhjustada ajukahjustusi. Kuid mõlemas uuringus kasutati ebatavalistes tingimustes suures koguses ainet. Ühe eksperdi, keemik Kristen Kulinowski (USA) sõnul "oleks soovitatav piirata kokkupuudet nende nanoosakestega, hoolimata asjaolust, et praegu puudub teave nende ohu kohta inimeste tervisele."

Mõned kommentaatorid on ka väitnud, et nanotehnoloogia laialdane kasutamine võib kaasa tuua sotsiaalseid ja eetilisi riske. Näiteks kui nanotehnoloogia kasutamine käivitab uue tööstusrevolutsiooni, toob see kaasa töökohtade kadumise. Lisaks võib nanotehnoloogia muuta inimese kontseptsiooni, kuna selle kasutamine aitab pikendada eluiga ja suurendab oluliselt keha vastupidavust.

"Keegi ei saa eitada, et mobiiltelefonide ja Interneti laialdane kasutuselevõtt on toonud ühiskonnas kaasa tohutuid muutusi," ütleb Kristen Kulinowski. "Kes julgeks väita, et nanotehnoloogial pole lähiaastatel ühiskonnale suuremat mõju?"

Nii kummaliselt kui see küsimus meie ajal ka ei kõla, tuleb sellele vastata. Vähemalt enda jaoks. Selle valdkonna teadlaste ja spetsialistidega suheldes jõudsin järeldusele, et küsimus jääb endiselt lahtiseks.

Keegi Wikipedias määratles selle järgmiselt:

Nanotehnoloogia on interdistsiplinaarne fundamentaal- ja rakendusteaduse ja -tehnoloogia valdkond, mis tegeleb teoreetiliste põhjenduste, praktiliste uurimis-, analüüsi- ja sünteesimeetodite kombinatsiooniga, aga ka meetodid teatud aatomistruktuuriga toodete tootmiseks ja kasutamiseks kontrollitud manipuleerimise teel. üksikud aatomid ja molekulid.

Ja see määratlus oli seal 2 aastat tagasi:

Nanotehnoloogia on rakendusteaduse ja -tehnoloogia valdkond, mis tegeleb objektide omaduste uurimisega ja nanomeetri suurusjärgus mõõtmetega seadmete arendamisega (SI ühikute süsteemi järgi 10 -9 meetrit).

Populaarne ajakirjandus kasutab tavainimese jaoks veelgi lihtsamat ja arusaadavamat määratlust:

Nanotehnoloogia on tehnoloogia ainega manipuleerimiseks aatomi- ja molekulaarsel tasandil.

(Mulle meeldivad lühikesed määratlused :))

Või siin on professor G. G. Elenini (MSU, M. V. Keldyshi Rakendusmatemaatika Instituut RAS) määratlus:

Nanotehnoloogia on interdistsiplinaarne teadusvaldkond, milles uuritakse füüsikaliste ja keemiliste protsesside seaduspärasusi nanomeetri mõõtmetega ruumipiirkondades, et juhtida üksikuid aatomeid, molekule, molekulaarsüsteeme uute molekulide, nanostruktuuride, nanoseadmete ja spetsiaalsete füüsikaliste omadustega materjalide loomisel. , keemilised ja bioloogilised omadused.

Jah, üldiselt on kõik üsna selge.. Aga meie (eriti märgin, kodumaine) pedantne skeptik ütleb: "Mis, iga kord, kui lahustame teeklaasis tüki suhkrut, kas me ei manipuleeri selle ainega molekulaarne tase?"

Ja tal on õigus. Juhtivatele mõistetele on vaja lisada "manipulatsiooni kontrolli ja täpsusega".

Föderaalne teadus- ja innovatsiooniagentuur esitab "Vene Föderatsiooni nanotehnoloogia valdkonna töö arendamise kontseptsioonis aastani 2010" järgmise määratluse:

"Nanotehnoloogia on meetodite ja tehnikate kogum, mis võimaldab luua ja muuta kontrollitud viisil objekte, sealhulgas komponente, mille suurus on alla 100 nm, vähemalt ühes mõõtmes, ning selle tulemusena omandada põhimõtteliselt uued omadused, mis võimaldama nende integreerimist täielikult toimivatesse suuremahulistesse süsteemidesse; laiemas mõttes hõlmab see mõiste ka selliste objektide diagnoosimise, iseloomustamise ja uurimise meetodeid.

Vau! Jõuliselt öeldud!

Või defineerib Vene Föderatsiooni haridus- ja teadusministeeriumi riigisekretär Dmitri Livanov nanotehnoloogiat järgmiselt:

"Teaduslike, tehnoloogiliste ja tööstuslike valdkondade kogum, mis on ühendatud üheks kultuuriks, mis põhineb operatsioonidel ainega üksikute molekulide ja aatomite tasemel."

Lihtne skeptik on rahul, aga skeptik-spetsialist ütleb: „Eks need samad nanotehnoloogiad tegelevad pidevalt traditsioonilises keemias või molekulaarbioloogias ja paljudes teistes teadusvaldkondades, luues uusi aineid, milles määratakse nende omadused ja struktuur. teatud viisil ühendatud nano-suuruste objektide abil?

Mida teha? Me mõistame, mis on "nanotehnoloogia". Me tunneme seda, võiks öelda.. Proovime definitsioonile lisada veel paar terminit.

Occami habemenuga

Nanotehnoloogia: igasugune tehnoloogia selliste toodete loomiseks, mille tarbijaomadused on määratud vajadusega juhtida ja manipuleerida üksikuid nanosuuruses objekte.

Lühike ja varu? Selgitame definitsioonis kasutatud termineid:

"ükskõik milline": See termin on mõeldud erinevate teadus- ja tehnoloogiavaldkondade spetsialistide ühitamiseks. Teisest küljest kohustab see termin nanotehnoloogia arendamise eelarvet kontrollivaid organisatsioone hoolitsema paljude valdkondade rahastamise eest. Sealhulgas muidugi molekulaarsed biotehnoloogiad. (Ilma vajaduseta nende juhiste nimele kunstlikult lisada eesliidet “nano-”). Pean seda üsna oluliseks terminiks nanotehnoloogia olukorra kohta meie riigis praegusel etapil :).

"Tarbijaomadused" (muidugi võite kasutada traditsioonilist terminit "Tarbijaväärtus" - nagu teile meeldib): toodete loomine, kasutades selliseid täiustatud meetodeid nagu aine juhtimine ja manipuleerimine nanomõõtmes, peaks andma tarbijale uusi omadusi või mõjutama toote hinda. tooteid, muidu muutub see mõttetuks.

Samuti on selge, et selle määratluse alla kuuluvad ka näiteks nanotorud, mille üks lineaarsetest mõõtmetest asub traditsiooniliste mõõtmete piirkonnas. Samal ajal võivad loodud tooted ise olla mis tahes suurusega - "nano" kuni traditsioonilise.

"Isikisik": selle termini olemasolu eemaldab definitsiooni traditsioonilisest keemiast ja nõuab selgelt kõige arenenumate teaduslike, metroloogiliste ja tehnoloogiliste vahendite olemasolu, mis suudavad tagada kontrolli üksikute ja vajadusel isegi konkreetsete nanoobjektide üle. Just individuaalse kontrolliga saame esemeid, millel on tarbijale uudne. Võib väita, et näiteks paljud olemasolevad tehnoloogiad ülipeente materjalide tööstuslikuks tootmiseks ei vaja sellist kontrolli, kuid see on vaid esmapilgul; tegelikult sertifitseeritud Ultradisperssete materjalide tootmine nõuab tingimata kontrolli üksikute osakeste suuruse üle.

"Kontroll" , ilma "Manipuleerimine" laiendab definitsiooni nn. "eelmise põlvkonna" nanotehnoloogia.
"Kontroll" koos "Manipuleerimine" laiendab määratlust arenenud nanotehnoloogiatele.

Seega, kui me suudame leida konkreetse nanosuuruses objekti, juhtida ja vajadusel muuta selle struktuuri ja seoseid, siis on see “nanotehnoloogia”. Kui me saame nanosuuruses objekte ilma sellise kontrolli võimaluseta (konkreetsete nanoobjektide üle), siis see ei ole nanotehnoloogia või parimal juhul "eelmise põlvkonna" nanotehnoloogia.

"Nanosuuruses objekt": aatom, molekul, supramolekulaarne moodustumine.

Üldiselt püüab definitsioon siduda teaduse ja tehnoloogia majandusega. Need. vastab nanotööstuse arenguprogrammi põhieesmärkide saavutamisele: kõrgtasemel uurimis- ja tootmismeetoditel põhinevate tehnoloogiate loomine, samuti saavutatud saavutuste kommertsialiseerimine.