Čo je nanotechnológia? Čo je nanotechnológia: jednoduché a zložité Čo je nanotechnológia

) — Tento pojem v súčasnosti nemá jednotnú, všeobecne akceptovanú definíciu. Pod pojmom „nanotechnológia“ RUSNANO rozumie súbor technologických metód a techník používaných pri štúdiu, navrhovaní a výrobe materiálov, zariadení a systémov, vrátane cielenej kontroly a riadenia štruktúry, chemického zloženia a interakcie ich jednotlivých nanoprvkov (s rozmermi rádovo 100 nm alebo menej podľa aspoň jedného z meraní), ktoré vedú k zlepšeniu alebo vzniku dodatočných prevádzkových a/alebo spotrebiteľských charakteristík a vlastností výsledných produktov.

Popis

Pojem „nanotechnológia“ prvýkrát použil profesor vo svojej správe „O základnom koncepte nanotechnológie“ na medzinárodnej konferencii v Tokiu v roku 1974. Pôvodne sa pojem „nanotechnológia“ používal v užšom zmysle a znamenal súbor procesov ktoré poskytujú vysoko presné spracovanie pomocou vysokoenergetických elektrónových, fotónových a iónových lúčov, nanášanie filmu a ultratenké. V súčasnosti sa pojem „nanotechnológia“ používa v širšom zmysle a zahŕňa a spája technologické procesy, techniky a systémy strojov a mechanizmov určených na vykonávanie ultrapresných operácií v rozsahu niekoľkých nanometrov.

Objektmi nanotechnológie môžu byť priamo nízkorozmerné objekty s rozmermi charakteristickými pre nanorozsah aspoň v jednom rozmere (nanofilmy), ako aj makroskopické objekty (sypké materiály, jednotlivé prvky zariadení a systémov), ktorých štruktúra je riadene vytváraná a modifikovaná. s rozlíšením na úrovni jednotlivých nanoprvkov . Zariadenia alebo systémy sa považujú za vyrobené pomocou nanotechnológie, ak aspoň jeden z ich hlavných komponentov je predmetom nanotechnológie, t. j. existuje aspoň jedna etapa technologického procesu, ktorého výsledkom je predmet nanotechnológie.

Autori

• Goldt Iľja Valerijevič
• Gusev Alexander Ivanovič

Zdroje

1. Gusev A.I. Nanomateriály, nanoštruktúry, nanotechnológie. - M.: Fizmatlit, 2007. - 416 s.
2. Gusev A. I., Rempel A. A. Nanokryštalické materiály. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 351 s.

1. Definície a terminológia

2. Nanotechnológia: história vzniku a vývoja

3. Základy

Mikroskopia so skenovacou sondou

Nanomateriály

Nanočastice

Samoorganizácia nanočastíc

Problém tvorby aglomerátov

Mikro- a nanokapsuly

Nanotechnologické senzory a analyzátory

4. Aplikácie nanotechnológie

Medicína a biológia

V automobilovom priemysle

poľnohospodárstvo

Ekológia

Prieskum vesmíru

Kybernetika

5. Postoj spoločnosti k nanotechnológiám

Nanotechnológia je interdisciplinárna oblasť základnej a aplikovanej vedy a techniky, zaoberajúca sa súborom teoretického zdôvodnenia, praktických metód výskumu, analýzy a syntézy, ako aj metódami výroby a použitia produktov s danou atómovou štruktúrou prostredníctvom riadenej manipulácie jednotlivé atómy a molekuly.

Nanotechnológia je technológia na štúdium objektov v nanometrovom meradle a prácu s objektmi rádovo v nanometroch (miliontina milimetra), čo je porovnateľné s veľkosťou jednotlivých molekúl a atómov.

Definície a terminológia

V technickej komisii ISO/TC 229 znamená nanotechnológia toto:

znalosť a riadenie procesov, zvyčajne v mierke 1 nm, ale nevynímajúc rozsah pod 100 nm, v jednej alebo viacerých dimenziách, kde zavedenie efektu veľkosti (fenoménu) vedie k možnosti nových aplikácií;

využitie vlastností predmetov a materiálov v nanometrovej mierke, ktoré sa líšia od vlastností voľných atómov alebo molekúl, ako aj od objemových vlastností látky pozostávajúcej z týchto atómov alebo molekúl, na vytváranie pokročilejších materiálov, zariadení, systémov ktoré si uvedomujú tieto vlastnosti.

Podľa „Koncepcie rozvoja v Rusku Tvorba v oblasti nanotechnológií do roku 2010“ (2004) je nanotechnológia definovaná ako súbor metód a techník, ktoré poskytujú schopnosť vytvárať a upravovať objekty riadeným spôsobom, vrátane komponentov s rozmermi menšími ako 100 nm, aspoň v jednom rozmere a v dôsledku toho získanie zásadne nových kvalít, ktoré umožňujú ich integráciu do plne funkčných systémov väčšieho rozsahu.

Praktický aspekt nanotechnológie zahŕňa výrobu zariadení a ich komponentov potrebných na vytváranie, spracovanie a manipuláciu s atómami, molekulami a nanočasticami. Rozumie sa, že objekt nemusí mať nevyhnutne aspoň jednu lineárnu veľkosť menšiu ako 100 nm - môžu to byť makroobjekty, ktorých atómová štruktúra je riadená riadená s rozlíšením na úrovni jednotlivých atómov, resp. môžu obsahovať nanoobjekty. V širšom zmysle tento pojem zahŕňa aj metódy diagnostiky, charakterológie a výskumu takýchto objektov.

Nanotechnológie sú kvalitatívne odlišné od tradičných disciplín, pretože v takýchto mierkach sú bežné, makroskopické technológie na manipuláciu s hmotou často nepoužiteľné a mikroskopické javy, v konvenčných mierkach zanedbateľne slabé, sa stávajú oveľa významnejšími: vlastnosti a interakcie jednotlivých atómov a molekúl alebo agregátov. molekúl (napríklad Vanove sily -der Waals), kvantové efekty.

Nanotechnológie a najmä molekulárne technológie sú nové, veľmi málo preskúmané disciplíny. Hlavné objavy predpovedané v tejto oblasti ešte neboli urobené. Prebiehajúci výskum však už prináša praktické výsledky. Využitie pokročilých vedeckých úspechov v nanotechnológii nám umožňuje klasifikovať ju ako špičkovú technológiu.

Vývoj modernej elektroniky sa uberá cestou zmenšovania rozmerov zariadení. Na druhej strane klasické spôsoby výroby sa približujú k svojej prirodzenej ekonomickej a technologickej bariére, kedy sa veľkosť zariadenia veľmi nezmenšuje, ale tie ekonomické rastú exponenciálne. Nanotechnológia je ďalším logickým krokom vo vývoji elektroniky a iných high-tech odvetví.

Nanotechnológia je logickým pokračovaním a vývojom mikrotechnológie.

Mikrotechnológia, kombinácia vedy, ktorá študuje mikroobjekty a technológiu práca s predmetmi rádovo v mikrometroch (tisícina milimetra), sa stali základom pre vznik modernej mikroelektroniky. Mobilné telefóny, počítače, internet, rôzna domáca, priemyselná a spotrebná elektronika, to všetko zmenilo svet aj ľudí na nepoznanie.

Nanotechnológie zmenia svet rovnako. Nanotechnológia vyžaduje veľmi veľký výpočtový výkon na simuláciu správania atómov a vysoko presné elektrické a mechanické zariadenia na usporiadanie atómov a molekúl rôznych materiálov novými spôsobmi. Týmto spôsobom vzniká nová hmota. Prvýkrát v histórii civilizácie vznikajú materiály s novými vlastnosťami, ktoré ľudia potrebujú. Uveďme len niekoľko z nich. Jedná sa o priehľadný a flexibilný materiál s ľahkosťou plastu a tvrdosťou ocele, flexibilný plastový povlak, ktorý je solárnou batériou, materiál pre elektródu elektrickej batérie, ktorá je desaťkrát a stokrát pevnejšia ako bežná .

Nanotechnológia umožňuje aj na modernej úrovni získať ohybné plastové obrazovky s hrúbkou papiera a jasom moderného monitora, kompaktnú elektroniku na báze uhlíkových zlúčenín, s rozmermi a energetickou náročnosťou stokrát menšou ako moderné. Nanotechnológia tiež znamená ľahké a flexibilné konštrukčné a stavebné materiály, vysoko účinné filtre pre vzduch a vodu, lieky a kozmetiku, ktoré pôsobia na hlbšej úrovni, rýchle zníženie nákladov na lety do vesmíru a oveľa, oveľa viac.

Zatiaľ sú všetky nanotechnologické materiály veľmi drahé. Ale rovnako ako v počítačovom priemysle, masová výroba povedie k dramatickým cenovým kompromisom. V neviditeľnom boji o zisky a vplyv, ktorý prinesie nanotechnológia, sú hlavnými špekulantmi Spojené štáty a Rusko. Izrael, európske krajiny a krajín Latinská Amerika rýchlo zvyšuje svoj potenciál v tejto oblasti.

Žiaľ, napriek existencii dobrej vedeckej základne a veľkého súkromného kapitálu sú ukrajinský vedecký vývoj a aplikované produkty vo svete slabo zastúpené.

Pre nanotechnologický vývoj sú mimoriadne dôležité vedecké národné nanotechnologické programy. Vyvinutých viac ako 50 krajín oznámili spustenie vlastných nanotechnologických programov.

Nanotechnológia: história vzniku a vývoja

Mnohé zdroje, predovšetkým tie v anglickom jazyku, spájajú prvú zmienku o metódach, ktoré sa neskôr nazývajú nanotechnológie, so slávnym prejavom Richarda Feynmana „There’s Plenty of Room at the Bottom“, ktorý predniesol v roku 1959 v Kalifornskom technologickom inštitúte na výročnom stretnutí. Americkej fyzikálnej spoločnosti.

Richard Feynman navrhol, že by mohlo byť možné mechanicky pohybovať jednotlivými atómami pomocou manipulátora vhodnej veľkosti, aspoň tejto veľkosti proces by neodporovalo v súčasnosti známym fyzikálnym zákonom.

Navrhol urobiť tento manipulátor nasledujúcim spôsobom. Je potrebné postaviť mechanizmus, ktorý by vytvoril kópiu seba samého, len rádovo menšiu. Vytvorený menší mechanizmus musí opäť vytvárať svoju kópiu, opäť rádovo menšiu a tak ďalej, kým rozmery mechanizmu nebudú úmerné rozmerom rádovo jedného atómu. V tomto prípade bude potrebné vykonať zmeny v štruktúre tohto mechanizmu, pretože gravitačné sily pôsobiace v makrokozme budú mať stále menší vplyv a sily medzimolekulových interakcií a van der Waalsove sily budú stále viac ovplyvňovať fungovanie mechanizmus. Posledná fáza - výsledný mechanizmus zostaví svoju kópiu z jednotlivých atómov. V zásade je počet takýchto kópií neobmedzený, v krátkom čase bude možné vytvoriť ľubovoľný počet takýchto strojov. Tieto stroje budú schopné poskladať makroveci rovnakým spôsobom, atómovou montážou. Vďaka tomu budú veci oveľa lacnejšie – takýmto robotom (nanorobotom) bude potrebné dať iba potrebný počet molekúl a energie a napísať program na zostavenie potrebných predmetov. Túto možnosť zatiaľ nikto nedokázal vyvrátiť, no nikomu sa zatiaľ nepodarilo vytvoriť takéto mechanizmy. Takto opísal R. Feynman svojho údajného manipulátora:

Uvažujem o vytvorení elektricky ovládaného systému, ktorý využíva konvenčne vyrábané „obslužné roboty“ v podobe štvornásobne menších kópií „rúk“ operátora. Takéto mikromechanizmy budú schopné jednoducho vykonávať operácie v zmenšenom rozsahu. Hovorím o maličkých robotoch vybavených servomotormi a ručičkami, ktoré dokážu dotiahnuť rovnako malé skrutky a matice, vyvŕtať veľmi malé otvory atď. Skrátka, všetku prácu zvládnu v mierke 1:4. K tomu je samozrejme potrebné najskôr vyrobiť potrebné mechanizmy, nástroje a manipulačné ramená na jednu štvrtinu bežnej veľkosti (v skutočnosti je jasné, že to znamená 16-násobné zmenšenie všetkých kontaktných plôch). V záverečnej fáze budú tieto zariadenia vybavené servomotormi (so 16-násobne zníženým výkonom) a pripojené ku klasickému elektrickému riadiacemu systému. Potom budete môcť používať manipulačné ramená, ktoré sú 16-krát menšie! Rozsah použitia takýchto mikrorobotov, ako aj mikrostrojov, môže byť dosť široký - od chirurgických operácií až po prepravu a spracovanie rádioaktívnych materiálov. Dúfam, že princíp navrhovaného programu, ako aj neočakávané problémy a vzrušujúce príležitosti s ním spojené sú jasné. Okrem toho môžete premýšľať o možnosti ďalšieho výrazného zmenšenia mierky, čo si, samozrejme, bude vyžadovať ďalšie konštrukčné zmeny a úpravy (mimochodom, v určitej fáze možno budete musieť opustiť „ruky“ obvyklého tvaru ), ale umožní vyrábať nové, oveľa pokročilejšie zariadenia opísaného typu. Nič mi nebráni v tom pokračovať proces a vytvorte toľko malých strojov, koľko chcete, pretože neexistujú žiadne obmedzenia týkajúce sa umiestnenia strojov alebo ich spotreby materiálu. Ich objem bude vždy oveľa menší ako objem prototypu. Je ľahké vypočítať, že celkový objem 1 milióna strojov zmenšený 4000-krát (a teda aj hmotnosť materiálov použitých na výrobu) bude menej ako 2 % objemu a hmotnosti bežného stroja normálnych rozmerov.

Je jasné, že tým sa problém okamžite odstráni náklady materiálov. V zásade by bolo možné zorganizovať milióny rovnakých miniatúrnych tovární, v ktorých by malinké stroje nepretržite vŕtali diery, razili diely atď. Ako sa zmenšujeme, neustále sa stretávame s veľmi nezvyčajnými fyzikálnymi javmi. Všetko, s čím sa v živote stretnete, závisí od mnohých faktorov. Okrem toho existuje aj problém „zlepovania“ materiálov pod vplyvom medzimolekulových interakčných síl (takzvané van der Waalsove sily), čo môže viesť k efektom, ktoré sú v makroskopickom meradle nezvyčajné. Napríklad matica sa po odskrutkovaní neoddelí od skrutky a v niektorých prípadoch sa „prilepí“ pevne k povrchu atď. Existuje niekoľko fyzikálnych problémov tohto typu, ktoré treba mať na pamäti pri navrhovaní a stavbe mikroskopických mechanizmov.

Počas teoretického skúmania tejto možnosti sa objavili hypotetické scenáre súdneho dňa, ktoré predpokladajú, že nanoroboty pohltia všetku biomasu Zeme a uskutočnia svoj program samoreprodukcie (tzv. „sivá kaša“ alebo „sivá kaša“).

Prvé predpoklady o možnosti študovať objekty na atómovej úrovni možno nájsť v knihe „Opticks“ od Isaaca Newtona, vydanej v roku 1704. V knihe Newton vyjadruje nádej, že budúce mikroskopy budú jedného dňa schopné preskúmať „tajomstvá krviniek“.

Pojem „nanotechnológia“ prvýkrát použil Norio Taniguchi v roku 1974. Tento termín použil na označenie výroby komerčných predmetov s veľkosťou rádovo nanometrov. V 80. rokoch tento termín použil Eric K. Drexler, najmä vo svojej knihe Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology z roku 1986. Tento termín použil na označenie novej oblasti vedy, ktorú skúmal vo svojej dizertačnej práci na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Výsledky svojho výskumu následne publikoval v knihe Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. V jeho výskume zohrali veľkú úlohu matematické výpočty, pretože s ich pomocou je stále možné analyzovať hypotetické vlastnosti a vyvíjať zariadenia s rozmermi rádovo v nanometroch.

V podstate sa v súčasnosti zvažuje možnosť mechanickej manipulácie s molekulami a vytvorenie samoreprodukujúcich sa manipulátorov na tieto účely.

Ako už bolo povedané, umožní to mnohonásobne znížiť náklady na akékoľvek existujúce produkty a vytvoriť zásadne nové, čím sa vyriešia všetky existujúce environmentálne problémy. Takéto manipulátory majú tiež obrovský medicínsky potenciál: sú schopné opraviť poškodené ľudské bunky, čo vlastne vedie k skutočnej technickej nesmrteľnosti človeka. Na druhej strane vytvorenie nanomanipulátorov môže viesť k scenáru „sivého kalu“. Naznačujú aj možný scenár, keď určitá skupina ľudí získa úplnú kontrolu nad takýmto manipulátorom a využije ju na to, aby si úplne presadila svoju pozíciu nad inými ľuďmi. Ak sa tento scenár naplní, výsledok bude ideálny, ktorý zrejme nebude možné zničiť.

Najúplnejšia definícia NT je uvedená v materiáloch národnej nanotechnológie USA:

NT - vedecký výskum a technologický vývoj na atómovej, molekulárnej alebo makromolekulárnej úrovni so subnanometrovou stupnicou pozdĺž jednej alebo viacerých súradníc na poskytnutie základného pochopenia javov a vlastností materiálov v takýchto rozmeroch a na výrobu a použitie štruktúr, zariadení a systémy, ktoré majú vďaka svojej malej veľkosti nové vlastnosti a funkcie.

Z práce zároveň vyplýva, že základy NT boli položené v druhej polovici 19. storočia v súvislosti s rozvojom koloidnej chémie. V roku 1857 M. Faraday ako prvý získal stabilné koloidné roztoky (soly) zlata, ktoré mali červenú farbu. V roku 1861 sa T. Grahamovi podarilo koagulovať sóly a premeniť ich na gély. Zaviedol aj delenie látok podľa stupňa disperzie štruktúry na koloidné (amorfné) a kryštaloidné (kryštalické).

Kryštalický alebo amorfný stav látky závisí predovšetkým od jej vlastných vlastností a potom od podmienok, za ktorých dochádza k prechodu do tuhého stavu.

V roku 1869 chemik I. Borshchov vyslovil hypotézu, že v závislosti od podmienok možno látku získať v kryštalickom (sklon k tvorbe kryštálov) aj v koloidnom (amorfnom) stave. Vhodnou zmenou podmienok prechodu látky do tuhého stavu je možné získať typicky amorfné látky (guma, lepidlo, sklo) v kryštalickom stave a naopak získať typicky kryštalické látky (kovy a kuchynská soľ) v amorfnom (sklovitom) stave.

Keďže v 19. storočí existovali len optické mikroskopy na pozorovanie predmetov a meranie ich veľkostí, ktoré neumožňovali detekovať častice v koloidných roztokoch a zrná v koloidných látkach, látky s ultravysokým stupňom disperzie, častice, vlákna, zrná a filmy z ktorých sa nedajú detegovať v optických mikroskopoch s rozlíšením 300 nm pri použití bieleho svetla a 150 nm pri použití ultrafialového svetla.

V roku 1892 objavil D. Ivanovsky prvú biologickú koloidnú časticu, vírus tabakovej mozaiky, a v roku 1901 W. Reed izoloval prvý ľudský vírus, vírus žltej zimnice. Treba poznamenať, že vírusy majú charakteristické veľkosti od 40 do 80 nm.

V roku 1903 R. Zsigmondy a R. Siedentopf vynašli optický ultramikroskop, ktorý mal rozlíšenie až 5 nm a umožňoval pozorovať koloidné častice. Ultramikroskop je postavený na princípe pozorovania v odrazenom svetle, vďaka ktorému sa zviditeľnia menšie predmety ako v bežnom mikroskope. Pomocou ultramikroskopu R. Zsigmondyho bolo možné zistiť, že v koloidných roztokoch (soloch) zlatožlté častice majú veľkosť 20 nm, červené - 40 nm a modré - 100 nm.

V roku 1904 P. Weymarn stanovil: Medzi svetom molekúl a mikroskopicky viditeľnými časticami existuje špeciálna forma hmoty s komplexom nových fyzikálno-chemických vlastností, ktoré sú jej vlastné - ultradisperzný alebo koloidný stav, ktorý vzniká, keď je stupeň jej disperzie v oblasť 105-107 cm-1, v ktorej majú filmy hrúbku a vlákna a častice majú priemer v rozsahu 1,0-100 nm.

Klasifikácia stavu látky podľa stupňa disperzie je uvedená v tabuľke 1. Je možné vidieť, že koloidný stav je extrémne vysoko disperzný alebo ultradisperzný stav látky.

Všetky dispergované systémy sú heterogénne, keďže pozostávajú z kontinuálnej kontinuálnej fázy - disperzného média a v ňom umiestnených drvených častíc - dispergovanej fázy. Predpokladom ich existencie je vzájomná nerozpustnosť dispergovanej fázy a disperzného prostredia.

Koloidné systémy sa často nazývajú ultramikroheterogénne, aby sa zdôraznilo, že fázovú separáciu v nich nemožno detegovať pomocou optických mikroskopov. Ak majú častice dispergovanej fázy rovnakú veľkosť, systémy sa nazývajú monodisperzné a ak sú odlišné, potom sa nazývajú polydisperzné systémy.

Vlastnosti látok a materiálov závisia od ich štruktúry, charakterizovanej vzájomne prepojenými úrovňami, ktoré takéto vlastnosti ovplyvňujú.

Prvá úroveň štruktúry sa nazýva kryštalická a charakterizuje priestorové usporiadanie atómov, iónov a molekúl v kryštálovej mriežke tuhej látky, ktoré môže byť ovplyvnené bodovými defektmi (vakancie, atómy v medzerách, cudzie atómy). Bodové defekty sú mobilné a do značnej miery určujú difúzne a elektrické vlastnosti materiálov, najmä polovodičov.

Druhá úroveň je spojená s prítomnosťou rôznych lineárnych a plošných štrukturálnych defektov (dislokácií), ktorých počet na jednotku objemu sa zvyšuje pri mechanickom zaťažení, čo vedie k vzniku vnútorných napätí v materiáli. Rovnako ako bodové defekty, aj dislokácie sú mobilné a ich hustota a schopnosť pohybovať sa v pevnej látke určujú mechanické vlastnosti materiálov, najmä kovy.

Treťou úrovňou štruktúry sú objemové defekty ako póry a kapiláry, ktoré môžu vzniknúť v materiáloch pri ich tvorbe alebo používaní. Sú spojené s absenciou určitých oblastí pevného tela.

Všetky látky v tuhom stave možno rozdeliť na monokryštalické, polykryštalické, amorfné (alebo nanokryštalické) a molekulárne tuhé roztoky.

Ak je usporiadané usporiadanie častíc (atómov, molekúl alebo iónov), odrážaných jednotkovou bunkou, zachované v celom objeme pevnej látky, tvoria sa monokryštály.

Ak je usporiadanie štruktúry zachované v makroskopických (>100 µm) a mikroskopických (>0,1 µm) oblastiach pevnej látky (pozri tabuľku 1), potom sa polykryštalické látky tvoria s takzvanými kryštalitmi alebo kryštalitovými zrnami vhodných veľkostí a priestorovo nesprávne orientované voči sebe navzájom kryštálové mriežky.

Do polovice 80. rokov 20. storočia sa verilo, že amorfným látkam chýba usporiadané usporiadanie častíc. Štúdie uskutočnené pomocou elektrónového prenosu s vysokým rozlíšením, rastrovacieho tunelového mikroskopu a mikroskopov atómových síl, najmä na kovových sklách, však umožnili v amorfných látkach detegovať kryštály alebo zrná s veľkosťou v rozsahu subnanometrov.

Amorfné látky a materiály sa teda vyznačujú ultradisperzným (koloidným) stupňom fragmentácie zŕn kryštalickej fázy a možno ich nazvať nanokryštalickými.

V molekulárnych tuhých roztokoch, ako sú kvapalné roztoky, zvyčajne nazývané pravé roztoky alebo jednoducho roztoky, je distribuovaná látka rovnomerne zmiešaná s molekulami disperzného média na molekulárnej úrovni. Preto sú molekulárne tuhé a kvapalné roztoky, ktoré nemajú fázy alebo rozhrania, homogénne systémy.

Kryštalický stav látky je vždy stabilnejší ako amorfný (nanokryštalický), preto je možný spontánny prechod z amorfného do kryštalického stavu, ale naopak nie. Príkladom je devitrifikácia – samovoľná kryštalizácia skla pri zvýšených teplotách.

Disperzné systémy, vrátane koloidných, sa klasifikujú podľa stupňa disperzie, stavu agregácie dispergovanej fázy a disperzného prostredia, intenzity interakcie medzi nimi, neprítomnosti alebo tvorby štruktúr.

Rozmanitosť koloidných systémov je spôsobená skutočnosťou, že fázy, ktoré ich tvoria, môžu byť v ktoromkoľvek z troch stavov agregácie; majú anorganickú, organickú a biologickú povahu. V závislosti od stavu agregácie dispergovanej fázy a disperzného média je možných nasledujúcich 9 typov dispergovaných systémov:

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

T1 – G2, T1 – G2, T1 – T2,

G1 – G2, G1 – T2, T1(F1) – T1(F2),

kde G, F a T sú plynné, kvapalné a pevné skupenstvo a čísla 1 a 2 označujú dispergovanú fázu a disperzné médium. Pre posledný typ disperzného systému F1 a F2 označujú rôzne fázy (polymorfné modifikácie) pevného stavu jednej látky.

V plynnom disperznom médiu možno dispergovať iba kvapaliny a pevné látky, keďže všetky plyny sa v sebe pri nie veľmi vysokých tlakoch rozpúšťajú donekonečna.

Dispergované systémy s plynným disperzným prostredím sa nazývajú aerosóly. Hmly sú aerosóly s kvapalnou disperznou fázou (L1 - G2) a dymy sú aerosóly s tuhou disperznou fázou (T1 - G2). Najjednoduchším príkladom aerosólu je tabakový dym, ktorého priemerná veľkosť častíc je 250 nm, pričom veľkosť častíc sadzí alebo sopečného popola môže byť menšia ako 100 nm a ich aerosóly patria do ultrajemných (koloidných) systémov.

Plyny, kvapaliny a pevné látky môžu byť dispergované v kvapalnom disperznom médiu. Peny sú disperziou plynu v kvapaline (G1 - G2). Emulzie sú disperzné systémy, v ktorých sa jedna kvapalina rozdrví na inú kvapalinu, ktorá ju nerozpustí (L1 - L2). Najväčší význam pre chémiu a biológiu majú koloidné systémy, v ktorých je disperzným médiom kvapalná fáza a dispergovaná fáza je pevná látka (T1 - L2), nazývaná koloidné roztoky alebo sóly, často lyosoly. Ak je disperzným médiom voda, potom sa takéto sóly nazývajú hydrosóly a ak organická kvapalina, potom sa nazývajú organosóly. Koloidné roztoky sú veľmi dôležité, pretože sú s nimi spojené mnohé procesy prebiehajúce v živých organizmoch.

Plyny, kvapaliny a pevné látky môžu byť dispergované v pevnom disperznom médiu. Systémy (G1 - T2) sa nazývajú pevné peny alebo kapilárne disperzné systémy, v ktorých je plyn vo forme samostatných uzavretých buniek oddelených pevným disperzným médiom. Pevné peny zahŕňajú polystyrénovú penu, penový betón, pemzu, trosku, kovy so zahrnutím plynov, rôznych poréznych materiálov (aktívne uhlie, silikagél, drevo), ako aj membrán a diafragm, vlákien fotonických kryštálov, kože, papiera, tkanín.

Systém (G1 - T2) zahŕňa širokú triedu kryštalických hydrátov - kryštálov obsahujúcich molekuly kryštalickej vody. Typickými kryštalickými hydrátmi sú mnohé prírodné minerály, napríklad sadra CaSO4∙2H2O, karnallit MgCl2∙KCl∙6H2O, kamenec draselný KAl(SO4)2·12H2O.

Veľký praktický význam majú disperzné systémy typu (T1 - T2), ktoré zahŕňajú najdôležitejšie stavebné materiály, kovokeramické kompozície, niektoré zliatiny, smalty, množstvo minerálov, najmä niektoré drahokamy a polodrahokamy, mnohé horniny v ktorých sa pri stuhnutí magmy uvoľnili kryštály .

Farebné sklá vznikajú ako výsledok disperzie kovových nanočastíc alebo ich oxidov v silikátovom skle. Emaily sú silikátové sklá s inklúziami pigmentov SnO2, TiO2 a ZrO2, ktoré dodávajú emailom nepriehľadnosť a farbu.

Koloidy teda nie sú chápané ako samostatná trieda látok, ale ako zvláštny stav akejkoľvek látky, charakterizovaný predovšetkým určitými veľkosťami častíc. Nanoštruktúrovanie tuhej látky treba chápať ako prechod látky alebo materiálu do koloidného (ultradisperzného) stavu, t.j. vytvorenie v štruktúre fyzikálnych alebo chemických fáz subnanometrových veľkostí, ktoré možno považovať za zvláštne nanočastice oddelené od zvyšku štruktúry rozhraniami.

Takýmito nanočasticami sú okrem mechanicky dispergovaných nanopráškov:

Nanokryštalické zrná;

Polymorfné fázy nano-veľkosti;

Štrukturálne defekty nano veľkosti (nanobloky);

Povrchové nanoštruktúry (jamy, výčnelky, drážky, steny);

Objemové nanoštruktúry (póry a kapiláry);

Nano-rozmerové chemické fázy cudzích atómov alebo molekúl, vytvorené na ich povrchu alebo v objeme a majúce vláknitý alebo korpuskulárny tvar;

Nanoštruktúry vytvorené ako výsledok fyzikálnej alebo chemickej depozície z plynnej alebo kvapalnej fázy (fulerény, uhlíkové nanorúrky);

Filmy z látok s nanorozmermi vytvárané v periodickom slede;

Makromolekuly, polymolekulové zostavy, molekulárne filmy, molekulárne komplexy typu „hostiteľ – hosť“ (prítomnosť distribúcie veľkosti je znakom, ktorý odlišuje nanočastice od makromolekúl); nano-veľkosti a nanoštruktúrované biologické štruktúry (vírusy, proteíny, gény, proteíny, chromozómy, molekuly DNA a RNA).

Koloidný stav látky je kvalitatívne špeciálna forma jej existencie s komplexom inherentných fyzikálno-chemických vlastností. Z tohto dôvodu je oblasť prírodných vied, ktorá študuje objektívne fyzikálne a chemické zákony heterogénneho ultradisperzného stavu hmoty, vysokomolekulárne zlúčeniny ( polyméry, komplexné zlúčeniny a molekulové zostavy) a medzifázové povrchy, sformované na začiatku dvadsiateho storočia do samostatnej disciplíny - koloidnej chémie.

Rýchly rozvoj koloidnej chémie je spôsobený veľkým významom javov a procesov študovaných touto vedou v rôznych oblastiach ľudskej praxe. Také zdanlivo úplne odlišné oblasti, akými sú životné procesy v organizmoch, tvorba mnohých minerálov, štruktúra a produktivita pôd, úzko súvisia s koloidným stavom hmoty. Koloidná chémia je tiež vedeckým základom pre indexy priemyselnej výroby mnohých materiálov.

S rozvojom technických prostriedkov na tvorbu a manipuláciu s nanoobjektmi, ako aj metód na ich štúdium, začali v koloidnej chémii vznikať špecializovanejšie disciplíny, ako napr. polyméry a povrchová fyzikálna chémia (koniec 50. rokov 20. storočia), supramolekulárna chémia (koniec 70. rokov 20. storočia).

Štúdium a štúdium nanorozmerných a nanoštruktúrovaných biologických štruktúr (proteíny, gény, chromozómy, proteíny, aminokyseliny, DNA, RNA), ktoré sú predmetom biológie ultradisperzných systémov, viedlo k vytvoreniu virológie v 30.-50. molekulárna biológia a v poslednej štvrtine dvadsiateho storočia genetika a imunochémia.

Ak sú rozmery materiálu aspoň v jednom rozmere menšie ako kritické dĺžky, ktoré charakterizujú mnohé fyzikálne javy, takýto materiál získava nové unikátne fyzikálne a chemické vlastnosti kvantovo-mechanickej povahy, ktoré sú študované a využívané na vytváranie nových zariadení. fyzika nízkorozmerných štruktúr, ktorá je najdynamickejšie sa rozvíjajúcou oblasťou modernej fyziky pevných telies.

Výsledkom štúdií nízkorozmerných systémov (kvantové jamky, drôty a bodky) bol objav zásadne nových javov – celočíselného a zlomkového kvantového Hallovho javu v dvojrozmernom elektrónovom plyne, Wignerovej kryštalizácie kvázi dvojrozmerných elektrónov a diery, objav nových kompozitných kvázičastíc a elektronické excitácie s frakčnými nábojmi.

Oblasť koloidnej chémie, ktorá študuje procesy deformácie, deštrukcie a tvorby materiálov a disperzných štruktúr, sa vyvinula do fyzikálnej a chemickej mechaniky pevných látok a ultradisperzných štruktúr. Vznikla v polovici 20. storočia vďaka práci akademika P. Rebindera a jeho školy ako nové poznatky, hraničná koloidná chémia, molekulová fyzika pevných látok, mechanika materiálov a technológia ich výroby.

Hlavnou úlohou fyzikálnej a chemickej mechaniky je vytváranie konštrukčných materiálov so špecifikovanými vlastnosťami a optimálnou štruktúrou pre účely ich aplikácie.

Ďalším odvetvím, ktoré študuje a vytvára prvky, štruktúry a zariadenia v rozsahu subnanometrov, je mikroelektronika, v ktorej možno rozlíšiť nanoelektroniku (vývoj a výroba integrovaných obvodov s prvkami subnanometrovej veľkosti - integrované nanoobvody (INS), molekulárna elektronika, funkčná elektronika nanoštruktúrnych materiálov a nanoelektromechanické systémy (NEMS).

Zhrnutím vyššie uvedeného, ​​ako aj na základe analýzy vykonanej v práci môžeme sformulovať definíciu NT: nanotechnológia je riadená výroba látok a materiálov v koloidnom (ultradisperznom, nanoštruktúrovanom povrchu s veľkosťou štruktúrnych prvkov v rozmedzí 1,0-100 nm) uvádzajú, skúmajú a merajú ich vlastnosti a charakteristiky a ich využitie v rôznych odvetvia veda, technika a priemyslu.

Všetky termíny spojené s tvorbou a štúdiom koloidnej (nanoštruktúrovanej) úrovne štruktúry hmoty pod značkou „nanotechnológia“ automaticky dostali predponu „nano“, hoci až do polovice osemdesiatych rokov sa podľa toho nazývali: mechanika, fotonika, kryštalografia. ultrajemné alebo koloidné systémy chémie, biológie a elektroniky; a predmety ich výskumu boli pomenované: ultrajemné prášky a kompozity, aero-, hydro- a organosóly, reverzibilné a ireverzibilné gély, ultrajemná keramika atď.

Vznik záujmu o koloidný stav hmoty pod značkou „nanotechnológia“ za posledných 20 rokov je spôsobený po prvé jeho jedinečnými vlastnosťami a po druhé vývojom a vytvorením technologických a kontrolných zariadení na získanie a štúdium sub. -nanoúroveň štruktúry hmoty: jej fyzika, chémia a biológia.

Namiesto objavovania nových materiálov a javov prostredníctvom náhodných alebo chaotických výskumov, kontrolovaná transformácia hmoty do nanoštruktúrneho (koloidného) stavu, nazývaná koncept nanotechnológie, to umožňuje systematicky. Namiesto hľadania nanočastíc a nanoštruktúr s dobrými vlastnosťami pomocou intuície, znalosť zákonitostí vzniku a stabilizácie ultradisperzných systémov otvára možnosť ich umelého návrhu podľa konkrétneho systému.

Obzvlášť zaujímavé bolo získanie úplne nových vlastností niektorými známymi látkami v nanorozmeroch.

Nanoštruktúrne (koloidné) systémy v súlade s ich medzipolohou medzi svetom atómov a molekúl a svetom mikroskopických a makroskopických telies možno získať dvoma hlavnými spôsobmi: disperziou, t.j. mletie (drvenie) veľkých systémov, a kondenzácia, t.j. tvorba nanosystémov z atómov, molekúl, zhlukov a nanoštruktúr.

Metódy na získanie nanoštruktúrnych systémov pomocou prvej cesty sa nazývajú disperzia a druhá - kondenzácia. Existujú zmiešané metódy na výrobu nanoštruktúrnych systémov, ktoré sa nazývajú disperzne-kondenzácia a kondenzácia-disperzia.

V tradičnej nanoelektronike sa pri výrobe integrovaných nanoobvodov (ANC) pomocou klasickej technológie CMOS zabezpečuje riadená nanoštruktúra funkčných vrstiev (FL) na kremíkových doštičkách projekčným (foto šablóny a nanostamply) maskou (odporové masky) litografickým vzorovaním.

V tomto prípade sa používa strategický rozptylový prístup alebo prístup zhora nadol, t.j. Lokálne odstránenie nepotrebných plôch FS sa vykonáva ich leptaním. Presnosť reprodukcie rozmerov konštrukčných prvkov v horizontálnej rovine je zabezpečená pomocou odporových masiek vytvorených v procesoch litografie.

V tomto ohľade, zdôrazňujúc použitý strategický rozptyl alebo prístup zhora nadol, je tradičná priemyselná nanoelektronika vhodnejšie nazývaná D-nanoelektronika.

Kondenzačné metódy (metódy nelitografickej syntézy), ktoré využívajú prístup zdola nahor na získanie nanoštruktúrnych systémov, možno rozdeliť do dvoch skupín: tradičné a nové, vytvorené v rámci najnovších pokrokov v nanotechnológii.

Základné ustanovenia

Mikroskopia so skenovacou sondou

Jednou z metód používaných na štúdium nanoobjektov je skenovacia sondová mikroskopia. V rámci rastrovacej sondovej mikroskopie sa implementujú neoptické aj optické techniky.

Štúdie povrchových vlastností pomocou mikroskopu so skenovacou sondou (SPM) sa vykonávajú na vzduchu pri atmosférickom tlaku, vákuu a dokonca aj v kvapaline. Rôzne techniky SPM umožňujú študovať vodivé aj nevodivé objekty. Okrem toho SPM podporuje kombináciu s inými výskumnými metódami, ako je klasická optická mikroskopia a spektrálne metódy.

Pomocou mikroskopu so skenovacou sondou (SPM) môžete jednotlivé atómy nielen vidieť, ale aj selektívne ovplyvňovať, najmä pohybovať atómami po povrchu. Vedcom sa už pomocou tejto metódy podarilo na povrchu vytvoriť dvojrozmerné nanoštruktúry. Napríklad vo výskumnom centre IBM mohli zamestnanci sekvenčným pohybom atómov xenónu na povrchu monokryštálu niklu rozmiestniť tri písmená loga spoločnosti pomocou 35 xenónových atómov.

Pri vykonávaní takýchto manipulácií vzniká množstvo technických ťažkostí. Predovšetkým je potrebné vytvoriť podmienky ultravysokého vákua (10−11 torr), je potrebné ochladiť substrát a mikroskop na ultranízke teploty (4-10 K), povrch substrátu musí byť atómovo čistý a atómovo hladká, na čo sa používajú špeciálne metódy jej prípravy. Substrát sa ochladí, aby sa znížila povrchová difúzia uložených atómov.

Nanomateriály

Nanomateriály sú materiály so štruktúrou na úrovni molekulovej veľkosti alebo blízko nej. Štruktúra môže byť viac-menej pravidelná alebo náhodná. Povrchy s náhodnou nanoštruktúrou možno získať spracovaním pomocou lúčov častíc, plazmovým leptaním a niektorými ďalšími metódami.

Pokiaľ ide o bežné štruktúry, malé plochy povrchu môžu byť štruktúrované „zvonku“ - napríklad pomocou skenovacieho mikroskopu (pozri nižšie). Pomerne veľké (~ 1 μ2 alebo viac) oblasti, ako aj objemy hmoty, však môžu byť štruktúrované zjavne iba metódou samousporiadania molekúl.

Vlastná montáž je v živej prírode rozšírená. Štruktúra všetkých tkanív je určená ich samoskladaním z buniek; Štruktúra bunkových membrán a organel je určená samoskladaním z jednotlivých molekúl.

Samozostavenie molekulárnych komponentov sa vyvíja ako spôsob konštrukcie periodických štruktúr na výrobu nanoelektronických obvodov a dosiahli sa významné pokroky.

V medicíne možno materiály s nanoštruktúrnym povrchom použiť na nahradenie určitých tkanív. Bunky tela rozpoznávajú takéto materiály ako „svoje“ a pripájajú sa k ich povrchu.

V súčasnosti sa dosiahol pokrok vo výrobe nanomateriálov, ktoré napodobňujú prirodzené kostné tkanivo. Vedci z Northwestern University ( USA) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp a ďalší použili trojrozmerné samoskladanie vlákien s priemerom približne 8 nm, napodobňovanie prírodných kolagénových vlákien, po ktorom nasledovala mineralizácia a tvorba nanokryštálov hydroxyapatitu orientovaných pozdĺž vlákien. Vlastné kostné bunky boli dobre pripevnené k výslednému materiálu, čo umožňuje jeho použitie ako „lepidlo“ alebo „tmel“ na kostné tkanivo.

Je tiež zaujímavé vyvinúť materiály, ktoré majú opačnú vlastnosť: neumožňujú bunkám pripojiť sa k povrchu. Jednou z možných aplikácií takýchto materiálov by mohla byť výroba bioreaktorov na pestovanie kmeňových buniek. Faktom je, že po pripojení k povrchu sa kmeňová bunka snaží diferencovať a vytvárať určité špecializované bunky. Využitie materiálov s povrchovou štruktúrou nanometrov na riadenie procesov proliferácie a diferenciácie kmeňových buniek predstavuje obrovskú oblasť výskumu.

Nanopórové membrány možno použiť v mikrokapsulách na dodávanie liečiv a na iné účely. Možno ich teda použiť na filtrovanie telesných tekutín od škodlivých látok a vírusov. Membrány môžu chrániť nanosenzory a iné implantovateľné zariadenia pred albumínom a podobnými povlakovými látkami.

Nanočastice

Moderný trend k miniaturizácii ukázal, že látka môže mať úplne nové vlastnosti, ak si vezmete veľmi malú čiastočku tejto látky. Častice s veľkosťou od 1 do 100 nanometrov sa bežne nazývajú „nanočastice“. Napríklad sa ukázalo, že nanočastice niektorých materiálov majú veľmi dobré katalytické a adsorpčné vlastnosti. Iné materiály vykazujú úžasné optické vlastnosti, napríklad ultratenké filmy organických materiálov sa používajú na výrobu solárnych článkov. Takéto batérie, hoci majú relatívne nízku kvantovú účinnosť, sú lacnejšie a môžu byť mechanicky flexibilné. Je možné dosiahnuť interakciu umelých nanočastíc s prírodnými nano-veľkosťami objektov - proteínmi, nukleovými kyselinami atď. Starostlivo purifikované nanočastice sa môžu samy zostaviť do určitých štruktúr. Táto štruktúra obsahuje prísne usporiadané nanočastice a tiež často vykazuje nezvyčajné vlastnosti.

Nanoobjekty sú rozdelené do 3 hlavných tried: trojrozmerné častice získané výbuchom vodičov, syntézou plazmy, redukciou tenkých vrstiev atď.; dvojrozmerné predmety - filmy vyrobené molekulárnym ukladaním, CVD, ALD, iónovým ukladaním atď.; jednorozmerné predmety - fúzy, tieto predmety sa získavajú metódou molekulárneho vrstvenia, vnášaním látok do valcových mikropórov a pod. Existujú aj nanokompozity - materiály získané vnášaním nanočastíc do ľubovoľných matríc. V súčasnosti je široko používaná iba metóda mikrolitografie, ktorá umožňuje získať ploché ostrovné objekty s veľkosťou 50 nm na povrchu matríc, používa sa v elektronike; Metóda CVD a ALD sa používa hlavne na vytváranie mikrónových filmov. Iné metódy sa používajú najmä na vedecké účely. Zvlášť pozoruhodné sú metódy iónového a molekulárneho vrstvenia, pretože s ich pomocou je možné vytvárať skutočné monovrstvy.

americký Organizácia Spoločnosť C-Sixty Inc. Vykonáva predklinické testy produktov na báze fullerénových nanosfér C60 s chemickými skupinami usporiadanými na ich povrchu. Tieto skupiny môžu byť vybrané tak, aby sa viazali na vopred vybrané biologické ciele. Rozsah možných aplikácií je mimoriadne široký. Zahŕňa boj proti vírusovým ochoreniam, ako sú chrípka a HIV, rakovine a neurodegeneratívnym ochoreniam, osteoporóze a cievnym ochoreniam. Napríklad nanosféra môže obsahovať atóm rádioaktívneho prvku vo vnútri a na povrchu - skupiny, ktoré mu umožňujú pripojiť sa k rakovinovej bunke.

Podobný vývoj prebieha aj v Ruská federácia. Inštitút experimentálnej medicíny (St. Petersburg) použil fullerénový adukt s polyvinylpyrolidónom (PVP). Táto zlúčenina je vysoko rozpustná vo vode a dutiny v jej štruktúre majú podobnú veľkosť ako molekuly C60. Dutiny sa ľahko plnia molekulami fullerénu, čo vedie k vytvoreniu vo vode rozpustného aduktu s vysokou antivírusovou aktivitou. Keďže samotný PVP nemá antivírusový účinok, všetka aktivita sa pripisuje molekulám C60 obsiahnutým v adukte.

Pokiaľ ide o fullerén, jeho účinná dávka je približne 5 μg/ml, čo je výrazne nižšia hodnota ako zodpovedajúca hodnota pre rimantadín (25 μg/ml), ktorý sa tradične používa v boji proti vírusu chrípky. Na rozdiel od rimantadínu, ktorý je najúčinnejší na začiatku obdobie infekcie má adukt C60/PVP stabilný účinok počas celého cyklu reprodukcie vírusu. Ďalšou charakteristickou črtou konštruovaného lieku je jeho účinnosť proti vírusom chrípky typu A a B, zatiaľ čo rimantadín pôsobí iba na prvý typ.

Nanosféry sa dajú využiť aj v diagnostike, napríklad ako kontrastná látka pre röntgenové žiarenie, ktorá sa prichytí na povrch určitých buniek a ukáže ich umiestnenie v tele.

Obzvlášť zaujímavé sú dendriméry. Predstavujú nový typ polymérov, ktoré majú skôr rozvetvenú štruktúru ako zvyčajnú lineárnu.

V skutočnosti bola prvá zlúčenina s takouto štruktúrou získaná už v 50. rokoch a hlavné metódy ich syntézy boli vyvinuté najmä v 80. rokoch. Pojem „dendriméry“ sa objavil skôr ako „nanotechnológia“ a spočiatku neboli navzájom spojené. V poslednom čase sa však dendriméry čoraz častejšie spomínajú v kontexte ich nanotechnologických (a nanomedicínskych) aplikácií.

Je to spôsobené množstvom špeciálnych vlastností, ktoré dendrimérové ​​zlúčeniny majú. Medzi nimi:

Predvídateľné, kontrolovateľné a reprodukovateľné veľkosti makromolekúl s veľkou presnosťou;

Prítomnosť kanálikov a pórov v makromolekulách, ktoré majú dobre reprodukovateľné tvary a veľkosti;

Schopnosť vysoko selektívnej enkapsulácie a imobilizácie látok s nízkou molekulovou hmotnosťou s tvorbou supramolekulárnych konštruktov „host-hostiteľ“.

Samoorganizácia nanočastíc

Jednou z najdôležitejších otázok, ktorým čelí nanotechnológia, je, ako prinútiť molekuly, aby sa určitým spôsobom zoskupovali, aby sa samy organizovali, aby sa v konečnom dôsledku získali nové materiály alebo zariadenia. Týmto problémom sa zaoberá odvetvie chémie – supramolekulárna chémia. Neštuduje jednotlivé molekuly, ale interakcie medzi molekulami, ktoré môžu určitým spôsobom usporiadať molekuly, čím vznikajú nové látky a materiály. Je povzbudzujúce, že podobné systémy a podobné procesy v prírode skutočne existujú. Sú teda známe biopolyméry, ktoré sa môžu organizovať do špeciálnych štruktúr. Jedným z príkladov sú proteíny, ktoré sa môžu nielen skladať do guľovej formy, ale tiež vytvárať komplexy - štruktúry, ktoré zahŕňajú niekoľko proteínových molekúl (proteínov).

Už existuje metóda syntézy, ktorá využíva špecifické vlastnosti molekuly DNA. Zoberie sa komplementárna DNA, na jeden z koncov sa pripojí molekula A alebo B. Máme 2 látky: ----A a ----B, kde ---- je konvenčný obraz jednej molekuly DNA. Ak teraz zmiešate tieto 2 látky, medzi dvoma jednoduchými vláknami DNA sa vytvoria vodíkové väzby, ktoré budú navzájom priťahovať molekuly A a B. Znázornime si výsledné spojenie približne: ====AB. Molekula DNA sa po dokončení procesu dá ľahko odstrániť.

Problém tvorby aglomerátov

Častice s veľkosťou rádovo v nanometroch, alebo ako sa vo vedeckých kruhoch nazývajú nanočastice, majú jednu vlastnosť, ktorá značne bráni ich použitiu. Môžu vytvárať aglomeráty, to znamená, že sa navzájom lepia. Keďže nanočastice sú sľubné odvetvia výroba keramiky, hutníctvo, tento problém treba riešiť. Jedným z možných riešení je použitie dispergačných látok, ako je citrát amónny (vodný roztok), imidazolín, olejový alkohol (nerozpustný vo vode). Môžu byť pridané do média obsahujúceho nanočastice. Toto je podrobnejšie diskutované v zdroji "Organic Additives And Ceramic Processing," D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (anglicky).

Mikro- a nanokapsuly

Pre doručenie Miniatúrne (~1 μ) kapsuly s nanopórmi možno použiť na dodanie liečiva na požadované miesto v tele. Podobné mikrokapsuly sa už testujú doručenie a fyziologicky regulované uvoľňovanie inzulínu pri diabete 1. typu. Použitie pórov s veľkosťou cca 6 nm umožňuje chrániť obsah kapsuly pred účinkami imunitného systému organizmu. To umožňuje umiestniť živočíšne bunky produkujúce inzulín do kapsúl, ktoré by inak telo odmietlo.

Mikroskopické kapsuly relatívne jednoduchého dizajnu môžu tiež kopírovať a rozširovať prirodzené schopnosti tela. Príkladom takéhoto konceptu je respirocyt navrhnutý R. Freitasom - umelý nosič kyslíka a oxidu uhličitého, výrazne prevyšujúci svojimi schopnosťami ako červené krvinky, tak existujúce krvné náhrady (napríklad na báze fluorokarbónových emulzií). Možný dizajn respirocytu bude podrobnejšie diskutovaný nižšie.

Nanotechnologické senzory a analyzátory

Použitie mikro- a nanotechnológií umožňuje výrazne zvýšiť schopnosť detekcie a analýzy ultra malých množstiev rôznych látok. Jedným z variantov tohto druhu zariadenia je „laboratórium na čipe“. Ide o doštičku, na ktorej povrchu sú usporiadané usporiadané receptory pre požadované látky, napríklad protilátky látky na receptor sa deteguje elektricky alebo fluorescenciou Na jednej platni môžu byť umiestnené senzory pre mnoho tisíc látok.

Takéto zariadenie, schopné detegovať doslova jednotlivé molekuly, možno použiť na určenie sekvencie báz DNA alebo aminokyselín (na účely identifikácie, detekcie genetických alebo onkologických ochorení), detekciu patogénov infekčných chorôb, toxických látok.

Niekoľkomilimetrový prístroj je možné umiestniť na povrch kože (na analýzu látok vylučovaných potom) alebo do vnútra tela (v ústach, gastrointestinálnom trakte, pod kožu alebo vo svale). Zároveň bude vedieť informovať o stave vnútorného prostredia organizmu a signalizovať podozrivé zmeny.

V Ústave molekulárnej biológie pomenovaný po. Engelhardt z Ruskej akadémie vied vyvinul systém určený na rýchlu detekciu kmeňa patogénu; Jeden čip obsahuje približne sto fluorescenčných senzorov.

Zaujímavý nápad rozvíja niekoľko skupín výskumníkov naraz. Jeho podstatou je „prejsť“ molekulu DNA (alebo RNA) cez nanopór v membráne. Veľkosť pórov musí byť taká, aby DNA prechádzala v „narovnanej“ forme, jedna báza za druhou. Meranie elektrického gradientu alebo kvantového tunelovacieho prúdu cez pór by nám umožnilo určiť, ktorá báza ním práve prechádza. Zariadenie založené na tomto princípe by umožnilo získať kompletnú sekvenciu DNA jedným prechodom.

Aplikácie nanotechnológií

Medicína a biológia

Bude možné „uviesť“ do živého organizmu na atómovej úrovni. Dôsledky môžu byť veľmi odlišné - od „obnovy“ vyhynutých druhov až po vytvorenie nových typov živých bytostí a biorobotov. Vytvorenie molekulárnych robotických lekárov, ktorí by „žili“ vo vnútri ľudského tela, eliminovali všetky poškodenia, ku ktorým dochádza, alebo zabránili ich vzniku, vrátane genetického poškodenia.

Podľa vedcov z University of Michigan príde deň, keď sa pomocou nanotechnológií podarí zabudovať do ľudských krviniek mikroskopické senzory, ktoré budú varovať pred prvými príznakmi radiačnej hrozby alebo rozvoja choroby.

Počas posledných rokov zamestnanci Centra pre biologickú nanotechnológiu pod vedením Dr. Jamesa Bakera pracovali na vytvorení mikrosenzorov, ktoré sa budú používať na detekciu rakovinových buniek v tele a boj proti tejto hroznej chorobe.

Nová technika na rozpoznávanie rakovinových buniek je založená na implantovaní drobných guľovitých rezervoárov vyrobených zo syntetických polymérov nazývaných dendriméry (z gréckeho dendron - drevo) do ľudského tela. Tieto polyméry boli syntetizované v poslednom desaťročí a majú zásadne novú, nepevnú štruktúru, ktorá sa podobá štruktúre koralov alebo dreva. Takéto polyméry sa nazývajú hyperrozvetvené alebo kaskádové. Tie, v ktorých je vetvenie pravidelné, sa nazývajú dendriméry. V priemere každá takáto guľa alebo nanosenzor dosahuje iba 5 nanometrov - 5 miliardtín metra, čo umožňuje umiestniť miliardy podobných nanosenzorov na malú oblasť priestoru.

Keď sa tieto malé senzory dostanú do tela, preniknú do lymfocytov – bielych krviniek, ktoré zabezpečujú obrannú odpoveď tela proti infekcii a iným faktorom spôsobujúcim ochorenie. Počas imunitnej odpovede lymfoidných buniek na určité ochorenie alebo stav prostredia - napríklad prechladnutie alebo vystavenie žiareniu - sa mení proteínová štruktúra bunky. Každý nanosenzor, potiahnutý špeciálnymi chemickými činidlami, začne pri takýchto zmenách fluoreskovať alebo žiariť.

Aby videli túto žiaru, doktor Baker a jeho kolegovia vytvoria špeciálne zariadenie, ktoré skenuje sietnicu oka. Laser takéhoto zariadenia by mal detekovať žiaru lymfocytov, keď jeden po druhom prechádzajú úzkymi kapilárami fundusu. Ak je v lymfocytoch dostatok označených senzorov, bude potrebné 15-sekundové skenovanie na zistenie poškodenia buniek, tvrdia vedci.

Samotný nápad je stále v štádiu výskumu, no už teraz zaujal vedenie NASA, ktoré na ďalší výskum vyčlenilo 2 milióny dolárov. NASA sa zaujímala o možnosť vytvorenia vyššie popísaných senzorov, ktoré neustále monitorujú úroveň žiarenia, ktorému je astronaut vystavený, a výskyt akýchkoľvek príznakov choroby alebo infekcie v jeho tele.

Baker povedal, že jeho tím pracuje na podobnej technológii na detekciu rakovinových buniek, ale výskum ešte nie je ani zďaleka dokončený. Zatiaľ nie je napríklad jasné, ako bude možné odhaliť žiaru nanosenzorov v bielych krvinkách, keď je naokolo obrovské množstvo tmavších červených krviniek. Vedci už dosiahli istý úspech v laboratórnych experimentoch s bunkovými kultúrami a tento rok plánujú novú technológiu otestovať na zvieratách.

Vedci zo štátu Michigan tvrdia, že pomocou nanotechnológií bude možné do ľudských krviniek zabudovať mikroskopické senzory, ktoré budú varovať pred príznakmi žiarenia alebo rozvojom chorôb. Takže v USA na návrh NASA prebieha vývoj takýchto nanosenzorov. James Beiner si predstavuje „nanoboj“ s kozmickým žiarením: pred štartom astronaut injekčnou striekačkou vstrekne do postieľky číru kvapalinu nasýtenú miliónmi nanočastíc, vloží si do ucha malé zariadenie (ako sluch; pomoc). Počas letu bude toto zariadenie pomocou malého laseru hľadať žiariace bunky. Je to možné, pretože Bunky prechádzajú cez kapiláry ušného bubienka. Bunky budú bezdrôtovo prenesené do hlavného počítača kozmickej lode a následne spracované. Ak sa niečo stane, prijmú sa potrebné opatrenia.

To všetko sa môže stať realitou približne o 5-10 rokov. Vedci používajú nanočastice už viac ako 5 rokov.

Teraz môžu byť senzory tenšie ako ľudský vlas 1000-krát citlivejšie ako štandardné testy DNA. Americkí vedci, ktorí vyvinuli tieto nanosenzory, veria, že lekári budú môcť vykonať celý rad rôznych testov s použitím len jednej kvapky krvi. Jednou z výhod tohto systému je možnosť okamžitého odosielania výsledkov analýzy do vreckového počítača. Vedci sa domnievajú, že vývoj plne funkčného modelu nanosenzora, ktorý môžu lekári využívať pri svojej každodennej práci, potrvá približne päť rokov.

Pomocou nanotechnológií bude medicína schopná nielen liečiť akúkoľvek chorobu, ale aj predchádzať jej vzniku a dokáže pomôcť adaptácii ľudí vo vesmíre.

Keď mechanizmus dokončí svoju prácu, nanolekári budú musieť odstrániť nanoroboty z ľudského tela. Nebezpečenstvo, že „zastarané nanoroboty“ zostávajúce v ľudskom tele nebudú správne fungovať, je preto veľmi malé. Nanoroboty budú musieť byť navrhnuté tak, aby sa vyhli poruchám a znížili zdravotné komplikácie. Ako budú nanoroboty odstránené z tela? Niektoré z nich budú schopné samového odstránenia z ľudského tela prirodzenými cestami. Ďalšie budú navrhnuté tak, aby ich mohli lekári odstrániť. odstránenie bude závisieť od konštrukcie daného nanorobota.

Predpokladá sa, že primárnym nebezpečenstvom pre pacienta bude nekompetentnosť ošetrujúceho lekára. Chyby však môžu nastať aj v neočakávaných prípadoch. Jednou z možností by mohla byť interakcia medzi robotmi, keď sa zrazia. Takéto chyby bude ťažké identifikovať. Ilustráciou tohto prípadu môže byť práca dvoch typov nanorobotov A a B v ľudskom tele. Ak nanorobot A odstráni následky práce robota B, povedie to k opakovanej práci robota A a bude to pokračovať donekonečna, to znamená, že nanoroboty si budú navzájom korigovať svoju prácu. Aby k takýmto situáciám nedochádzalo, musí ošetrujúci lekár neustále sledovať činnosť nanorobotov a v prípade potreby ich preprogramovať. Preto je kvalifikácia lekára veľmi dôležitým faktorom.

Ako viete, náš imunitný systém reaguje na cudzie telesá. Dôležitú úlohu v tom preto bude hrať veľkosť nanorobota, drsnosť povrchu a mobilita zariadenia. Tvrdí sa, že problém biokompatibility nie je veľmi ťažký. Východiskom z tohto problému bude vytvorenie robotov na báze diamantoidných materiálov. Vďaka silnej povrchovej energii a povrchu diamantoidov a jeho silnej hladkosti bude vonkajší plášť robotov chemicky inertný.

Nanotechnológie používané v medicíne v poslednej dobe

Nanotechnológie sa už využívajú aj v medicíne. Hlavné oblasti jeho použitia sú: diagnostické technológie, medicínske prístroje, protetika a implantáty.

Pozoruhodným príkladom je objav profesora Aziza. Ľuďom s Parkinsonovou chorobou vkladajú elektródy do mozgu cez dva drobné otvory v lebkách, ktoré sú napojené na stimulátor. Asi po týždni je pacientovi implantovaný samotný stimulátor do brušnej dutiny. Pacient si môže napätie nastaviť sám pomocou spínača. Bolesť sa dá zvládnuť v 80% prípadov:

U niekoho bolesť zmizne úplne, u iného ustúpi. Hlbokú mozgovú stimuláciu podstúpili asi štyri desiatky ľudí.

Mnohí Azizovi kolegovia hovoria, že táto metóda nie je účinná a môže mať negatívne dôsledky. Profesor je presvedčený, že metóda je účinná. Ani jedno, ani druhé sa teraz nepreukázalo. Zdá sa mi, že by sme mali veriť len tým štyridsiatim pacientom, ktorí boli oslobodení od neznesiteľnej bolesti. A chceli znova žiť. A ak sa táto metóda praktizuje už 8 rokov a neovplyvňuje negatívne zdravie pacientov, tak prečo nerozšíriť jej využitie.

Ďalším revolučným objavom je biočip - malá doštička, na ktorej sú v určitom poradí nanesené molekuly DNA alebo proteínov, ktoré sa používajú na biochemické analýzy. Princíp fungovania biočipu je jednoduchý. Špecifické sekvencie rezov štiepenej DNA sa aplikujú na plastovú platňu. Počas analýzy sa testovaný materiál umiestni na čip. Ak obsahuje rovnakú genetickú informáciu, potom sa pária. Výsledok je možné pozorovať. Výhodou biočipov je veľké množstvo biologických testov s výraznou úsporou testovacieho materiálu, reagencií, nákladov na pracovnú silu a času na analýzu.

Generológia

Dosiahnutie osobnej nesmrteľnosti ľudí zavedením molekulárnych robotov do tela, ktoré zabraňujú starnutiu buniek, ako aj reštrukturalizáciou a „zušľachťovaním“ tkanív ľudského tela. Oživenie a uzdravenie tých beznádejne chorých ľudí, ktorí boli momentálne zmrazení metódami kryoniky. Predpokladané obdobie realizácie: tretia - štvrtá štvrtina 21. storočia.

priemysel

Nahradenie tradičných výrobných metód molekulárnymi robotmi, ktoré skladajú spotrebný tovar priamo z atómov a molekúl. Až po osobné syntetizátory a kopírovacie zariadenia, ktoré vám umožnia vyrobiť akúkoľvek položku. Prvé praktické výsledky možno získať začiatkom 21. storočia.

Grafén. V októbri 2004 bolo na univerzite v Manchestri vytvorené malé množstvo materiálu nazývaného grafén. Robert Freitas naznačuje, že tento materiál by mohol slúžiť ako substrát na vytvorenie diamantových mechanosyntetických zariadení.

Satelitná komunikácia je široko používaná pre televíznu, internetovú a telefónnu komunikáciu. Vesmírne polohovacie systémy využívajú lietadlá, lode, autá a turisti.

Ľudstvo už vyrástlo zo svojej kolísky – náš život už nie je mysliteľný bez priestoru. Preto dnes mnohé krajiny začínajú s vlastnými vesmírnymi programami a začiatkom 21. storočia sa začalo so súkromným prieskumom vesmíru. V roku 2001 sa na obežnú dráhu dostal prvý vesmírny turista Dennis Tito. V roku 2004 v rámci súťaže X-Prize opakovane použiteľná kozmická loď SpaceShipOne vytvorená nezávislými vývojármi uskutočnila suborbitálny let (do výšky 112 km). V roku 2005 sa začala výstavba súkromných kozmodrómov v Mojave (USA), Ras Al Khaimah (SAE) a Singapure. Na najbližšie roky sa plánuje obrovský rozmach turizmu (Virgin Galactic plánuje do roku 2013 vyslať 7 000 ľudí na vesmírne plavby vďaka dostupnej cene 200 000 dolárov). Majiteľ najväčšej siete motelov Robert Bigolow plánuje v roku 2010 otvoriť prvý orbitálny hotel Skywalker.

To všetko a ešte oveľa viac bude možné s príchodom novej cesty do vesmíru, efektívnejšej dokonca ako moderné opakovane použiteľné vesmírne lode. Pripravujú sa plány na vybudovanie vesmírneho výťahu s účasťou NASA! Vzhľadom na nízku gravitačnú silu Mesiaca je konštrukcia takéhoto výťahu z Lagrangeových bodov (L-1 alebo L-2), kde sú gravitačné sily Mesiaca, Zeme a Slnka vyrovnané, na povrch Mesiaca. je možné aj s pomocou dnešných technológií! Stačí na to kábel z ultrapevného vlákna M5 s celkovou hmotnosťou 7 ton, ktorý je možné vyniesť do vesmíru jediným štartom.

Vybudovanie takéhoto výťahu na Zemi by si vyžadovalo pokročilejšie materiály, no predpokladá sa, že uhlíkové nanorúrky budú na tento účel dostatočne pevné. Potrebné technológie je možné vyvinúť do 10-15 rokov. Ale akonáhle je vesmírny výťah postavený, náklady na vynesenie nákladu na obežnú dráhu klesnú na desiatky dolárov za kilogram. Pravdepodobne hneď po objavení sa prvého výťahu budú pozdĺž rovníka postavené nové, potom budú vylepšené a už nebudú vyzerať ako niekoľko tenkých pások, ale prelamované veže so štruktúrami na stredných úrovniach. Možno. že po určitom čase vznikne na úrovni geostacionárnej obežnej dráhy celý prstenec – obria orbitálna vesmírna stanica, podobná tej, ktorú opísal A. Clark v Odyssey 3000.

Teraz sa tiež vážne uvažuje o plánoch (NASA) na ťažbu zdrojov na Mesiaci a asteroidoch. Jedným typom minerálu, ktorý možno ekonomicky ťažiť vo vesmíre, je hélium-3. Nie je prítomný na Zemi na Mesiaci, je prítomný v hojnom množstve (zbieraný Mesiacom zo slnečného vetra počas miliárd rokov). A zároveň je to vynikajúce palivo pre termonukleárnu energiu. Zároveň, aby sme celej našej planéte zabezpečili spotrebu energie na úrovni roku 2005, bude potrebné dodať na Zem len 100 ton hélia-3 ročne!

Bez ohľadu na ekonomické vyhliadky zostáva na programe dňa výstavba obývateľných základní na Mesiaci a Marse. Čína sa chystá postaviť prvú základňu na Mesiaci, Rusko a Spojené štáty americké mieria k Marsu. Postupným zdokonaľovaním technológií sú tieto projekty stále realizovateľnejšie.

Teraz o motoroch. Na začiatku vesmírneho veku sme používali raketové motory. Odvtedy bolo navrhnutých veľa alternatív, ale ešte sa nestali dominantnými. V budúcnosti sa budú iónové motory využívať na lety v rámci slnečnej sústavy. Už teraz poskytujú nezvyčajne vysokú účinnosť. Laserové motory možno použiť na výstup na obežnú dráhu. Keď sa postaví vesmírny výťah, nahradí rakety v tejto oblasti.

Ďalší príklad: V roku 1958 bol vyvinutý projekt Orion: projekt kozmickej lode vzlietajúcej z povrchu Zeme pomocou výbuchov jadrových mikrobômb. Ale zákaz odpaľovania jadrových zariadení v atmosfére, ktorý vstúpil do platnosti v roku 1963, ukončil tento projekt. Momentálne existuje projekt kozmickej lode tohto typu Prometheus, ktorá sa plánuje poslať na Mars.

Na let ku hviezdam možno použiť aj atómové a fotónové motory, ktoré umožňujú cestovať rýchlosťou blízkou svetla. Ak je to však fyzicky možné, potom Supermyseľ budúcnosti určite nájde spôsob, ako svetelnú bariéru obísť, napríklad pomocou červích dier, kompresiou vesmíru alebo inými metódami.

Tu treba poznamenať, že je nepravdepodobné, že jednoduché objavovanie, štúdium alebo kolonizácia nových svetov zostane pre supercivilizácie dôležité. Počítačová technika totiž umožní simulovať celé bohatstvo schopností biliónov hviezdnych systémov v rámci počítačových generátorov virtuálnej reality. Prvý krok na tejto ceste urobíme v najbližších rokoch vydaním počítačovej hry Spore. Preto je pravdepodobné, že postoj Supermysle k vzdialeným hviezdam bude pragmatickejší.

Skôr ako čokoľvek použijete, musíte to dosiahnuť. Je veľmi pravdepodobné, že túto úlohu prevezmú takzvané Von Neumannove sondy: inteligentné samoreprodukujúce sa automatické lode schopné dosiahnuť cieľ, študovať ho, prenášať informácie a vytvárať stovky svojich kópií, ktoré budú odoslané novým hviezdy. Takáto decentralizácia sa môže ukázať ako oveľa efektívnejšia ako romantické hviezdne expedície homo sapiens s robotickými asistentmi opísané v sci-fi.

Rozvoj raketovej vedy kladie výskumný a experimentálny základ pre budúcnosť, s najväčšou pravdepodobnosťou post-singulárny supertechnologický prielom do blízkeho a potom do hlbokého vesmíru. Aké sú však vyhliadky ľudského života vo vesmíre? Vidíme tri radikálne odlišné možnosti: terraforming, ľudskú adaptáciu na vesmírne podmienky a reštrukturalizáciu kozmickej hmoty na počítač. Pozrime sa na ne všetky.

Už existujú projekty na terraformáciu Marsu. Rekonštrukciu povrchu iných planét je možné realizovať pomocou umelých mikroorganizmov alebo nanorobotov, ktoré vytvárajú atmosféru, ochrannú vrstvu ozónu, pôdy, riek a morí... Superinteligencia dokonca dokáže vytvoriť zariadenie – nazvime ho „Genesis “ - schopný urobiť planétu obývateľnou v priebehu niekoľkých dní alebo mesiacov.

Je však možná aj iná alternatíva: rozvoj autotrofie človeka, sebestačnosť a nezávislosť od okolia. Zmeny dosiahnuteľné pomocou nanotechnológií umožnia ľudský život (ako vo fyzickom tele, tak aj vo vnútri počítačových systémov) v podmienkach vákua a ultravysokého tlaku, ultravysokého žiarenia a gravitácie, ultranízkych alebo ultravysokých teplôt, ktoré je takmer všade, možno okrem Slnka.

Ak človek opustí naše obvyklé formy existencie, potom môže byť najefektívnejším scenárom demontáž planét slnečnej sústavy a reštrukturalizácia všetkej hmoty na supervýkonné počítače spojené do jedinej siete. Hypotetická látka, ktorá poskytuje maximálny výpočtový výkon na jednotku hmotnosti, sa nazýva computernium. Ak opustíme myšlienku vytvorenia pohodlného prostredia pre ľudí vo vesmíre, potom môže byť pre Supermysl dokonca možná aj existencia vnútri Slnka: koniec koncov, kdekoľvek môžu existovať usporiadané štruktúry, môžu sa vykonávať výpočty, a preto môže existovať vedomie. Je zaujímavé, že keď sa hovorí o hraniciach výpočtového výkonu, vedci zvyčajne opisujú guľôčky horúcej plazmy – objekty, ktoré sa veľmi podobajú vnútrajšku Slnka.

Nech je cesta vesmírneho prieskumu akákoľvek, postľudstvo sa expanzie vesmíru nevzdá. Koniec koncov, Supermyseľ nie je imanentne planetárna. Toto rozdelenie je pre neho cudzie, pretože pre neho neexistujú žiadne fyzické obmedzenia života vo vesmíre. A rozhodne sa zapojí do kozmickej megakonštrukcie, transformujúcej inertnú kozmickú hmotu na inteligentnú hmotu.

Možno sa to stane takto. Po dobytí planét slnečnej sústavy postavíme megaštruktúru, ktorá zvýši naše územné možnosti, napríklad obrovské vesmírne mestá. Keďže očakávame vývoj najrozmanitejších typov postľudí, potom približne v tomto čase niektoré postpersonality premenia planéty najbližšie k Slnku (a bohatšie na slnečnú energiu) na „mozgy matriošky“, zatiaľ čo iné, podobnejšie svojim predkom. (teda my), môžu byť zaneprázdnení budovaním megasvetov (ako je „prsteňový svet“) medzi obežnými dráhami Zeme a Marsu. Plynové giganty budú demontované a ich zložky budú použité pre naše účely. V priebehu času, aby bolo možné čo najlepšie využiť slnečnú energiu, bude okolo slnečnej sústavy vztýčená Dysonova guľa.

Vo vzdialenejšej budúcnosti sa Overmind chopí galaktických projektov. Ako napríklad získavanie energie z čiernych dier, zdvíhanie hmoty z aktívnych hviezd, zapínanie a vypínanie hviezd, vytváranie červích dier vo vesmíre na prekonanie svetelnej bariéry.

A keď Univerzálna Myseľ vyčerpá možnosti nášho Vesmíru, príde čas na vytvorenie nových dcérskych vesmírov. Praktickou hodnotou dcérskych vesmírov je zabezpečiť skutočne nekonečnú existenciu mysle, preniesť ju z umierajúcich vesmírov do novovytvorených. Podľa niektorých modelov však možno v rámci nášho vesmíru zabezpečiť nekonečne dlhú subjektívnu existenciu.

Kybernetika

Dôjde k prechodu od v súčasnosti existujúcich plošných štruktúr k objemovým mikroobvodom a veľkosti aktívnych prvkov sa znížia na veľkosť molekúl. Pracovné frekvencie počítačov dosiahnu terahertzové hodnoty. Rozšíria sa obvodové riešenia založené na prvkoch podobných neurónom. Objaví sa vysokorýchlostná dlhodobá pamäť na báze proteínových molekúl, ktorej kapacita sa bude merať v terabajtoch. Bude možné „premiestniť“ ľudskú inteligenciu do počítača. Predpokladané obdobie realizácie: prvá – druhá štvrtina 21. storočia.

Inštitút molekulárnej výroby (IMM) vyvinul predbežný návrh nanomanipulátora s atómovou presnosťou. Hneď po získaní systému „nanopočítač - nanomanipulátor“ (odborníci to predpovedajú v rokoch 2010-2020), bude možné programovo vyrobiť ďalší podobný komplex - zostaví svoj analóg podľa daného programu bez priameho ľudského zásahu. Baktérie, využívajúce replikačné vlastnosti DNA, sú schopné vyvinúť sa v priebehu niekoľkých hodín z niekoľkých jedincov na milióny. Získanie montážnikov v masovom meradle teda nebude vyžadovať žiadne náklady zvonku, okrem toho, že im dodáva energiu a suroviny.

Na základe systému „nanopočítač – nanomanipulátor“ bude možné organizovať automatizované montážne komplexy schopné zostaviť akékoľvek makroskopické objekty pomocou vopred odobranej alebo vyvinutej trojrozmernej siete atómov. Xerox v súčasnosti vykonáva intenzívny výskum v oblasti nanotechnológií, čo naznačuje jeho túžbu vytvárať v budúcnosti duplikátory hmoty. Komplex robotov rozloží pôvodný objekt na atómy a ďalší komplex vytvorí kópiu identickú, až na jednotlivé atómy, s originálom (odborníci to predpovedajú na roky 2020-2030). To umožní zrušiť v súčasnosti existujúci komplex fabrík vyrábajúcich výrobky „objemovou“ technológiou, bude stačiť navrhnúť akékoľvek produkt- a bude sa zbierať a množiť montážnym komplexom.

Bude možné automaticky konštruovať orbitálne systémy, samoskladajúce sa kolónie na Mesiaci a Marse a akékoľvek štruktúry vo svetových oceánoch, na povrchu zeme a vo vzduchu (odborníci to predpovedajú v roku 2050). Možnosť vlastnej montáže môže viesť k riešeniu globálnych problémov ľudstva: problému nedostatku potravín, bývania a energie. Vďaka nanotechnológii sa výrazne zmení konštrukcia strojov a mechanizmov – mnohé diely sa vďaka novým technológiám montáže (vývojom) zjednodušia, mnohé sa stanú nepotrebnými. To umožní navrhnúť stroje a mechanizmy, ktoré boli predtým pre ľudí nedostupné pre nedostatok montážnych a konštrukčných technológií. Tieto mechanizmy budú v podstate pozostávať z jednej veľmi zložitej časti.

Pomocou mechanoelektrických nanokonvertorov bude možné premeniť akýkoľvek druh energie s vysokou účinnosťou a vytvoriť efektívne zariadenia na výrobu elektriny zo slnečného žiarenia s účinnosťou okolo 90 %. Odpadové hospodárstvo a globálne ovládanie systémy ako „recyklácia“ výrazne zvýšia zásoby surovín ľudstva. Globálne životné prostredie ovládanie, ovládanie počasia vďaka systému interagujúcich nanorobotov pracujúcich synchrónne.

Biotechnológia a počítačové technológie budú mať z nanotechnológií pravdepodobne úžitok. S vývojom nanomedicínskych robotov bude možné oddialiť ľudskú smrť na neurčito. Nebudú tiež žiadne problémy s reštrukturalizáciou ľudského tela, aby sa kvalitatívne zvýšili prirodzené schopnosti. Dodávať telu energiu je možné aj bez ohľadu na to, či sa niečo zjedlo alebo nie.

Počítačové technológie sa premieňajú na jedinú globálnu informačnú sieť s obrovskou produktivitou a každý človek bude mať možnosť byť terminálom – prostredníctvom priameho prístupu k mozgu a zmyslovým orgánom. Výrazne sa zmení oblasť materiálovej vedy – vzniknú „inteligentné“ materiály schopné multimediálnej komunikácie s používateľom. Objavia sa aj ultrapevné, ultraľahké a nehorľavé materiály.

Pokiaľ ide o problém so surovinami, nanoroboty na stavbu väčšiny objektov použijú v menšom množstve niekoľko najbežnejších typov atómov: uhlík, vodík, kremík, dusík, kyslík atď. S rozvojom ďalších planét ľudstvom sa vyrieši problém zásobovania surovinami.

Nanotechnológia teda na základe prognóz sľubuje radikálnu transformáciu ako modernej výroby a súvisiacich technológií, tak ľudského života vôbec. Nanotechnológia vytvorí rovnakú revolúciu v manipulácii s hmotou, akú vytvorili počítače pri manipulácii s informáciami. Ovplyvnia svet viac ako objav elektriny.

Postoj spoločnosti k nanotechnológiám

Pokrok v oblasti nanotechnológií vyvolal určité pobúrenie verejnosti.

Postoj spoločnosti k nanotechnológiám skúmal VTsIOM a európska služba Eurobarometer.

Množstvo výskumníkov naznačuje, že negatívny postoj k nanotechnológiám medzi nešpecialistami môže súvisieť s religiozitou, ako aj kvôli obavám z toxicity nanomateriálov.

Reakcia svetového spoločenstva na rozvoj nanotechnológie

Od roku 2005 funguje medzinárodná pracovná skupina organizovaná CRN, ktorá študuje sociálne dôsledky rozvoja nanotechnológií.

V októbri 2006 vydala Medzinárodná rada pre nanotechnológie prehľadný článok, v ktorom sa hovorilo najmä o potrebe obmedziť šírenie informácií o výskume nanotechnológií z bezpečnostných dôvodov.

Greenpeace požaduje úplný zákaz výskumu v oblasti nanotechnológií.

Téma dôsledkov rozvoja nanotechnológií sa stáva objektom filozofického výskumu. O perspektívach rozvoja nanotechnológií sa diskutovalo na medzinárodnej futurologickej konferencii Transvision, ktorá sa konala v roku 2007 a ktorú organizovala WTA.

Reakcia ruskej spoločnosti na rozvoj nanotechnológií

Ruský prezident Dmitrij Medvedev je presvedčený, že krajina má všetky podmienky na úspešný rozvoj nanotechnológií.

Nanotechnológia je nový smer vedy a techniky, ktorý sa v posledných desaťročiach aktívne rozvíja. Nanotechnológie zahŕňajú vytváranie a používanie materiálov, zariadení a technických systémov, ktorých fungovanie je determinované nanoštruktúrou, teda jej usporiadanými fragmentmi s veľkosťou od 1 do 100 nanometrov.

Predpona "nano", ktorá pochádza z gréckeho jazyka ("nanos" v gréčtine - gnome), znamená jednu miliardtinu. Jeden nanometer (nm) je jedna miliardtina metra.

Pojem „nanotechnológia“ zaviedol v roku 1974 Norio Taniguchi, materiálový vedec na Tokijskej univerzite, ktorý ho definoval ako „výrobnú technológiu, ktorá dokáže dosiahnuť ultra vysokú presnosť a ultra malé rozmery... rádovo 1. nm...“ .

Vo svetovej literatúre sa nanoveda jasne odlišuje od nanotechnológie. Pre nanovedu sa používa aj pojem veda o nanoúrovni.

V ruskom jazyku a v praxi ruských právnych predpisov a regulačných dokumentov pojem „nanotechnológia“ spája „nanovedu“, „nanotechnológiu“ a niekedy dokonca „nanopriemysel“ (oblasti podnikania a výroby, kde sa používajú nanotechnológie).

Najdôležitejšie zložky nanotechnológie sú nanomateriály, teda materiály, ktorých nezvyčajné funkčné vlastnosti určuje usporiadaná štruktúra ich nanofragmentov s veľkosťou od 1 do 100 nm.

- nanoporézne štruktúry;
- nanočastice;
- nanorúrky a nanovlákna
- nanodisperzie (koloidy);
- nanoštruktúrované povrchy a filmy;
- nanokryštály a nanoklastre.

Nanosystémová technológia- funkčne úplné systémy a zariadenia vytvorené úplne alebo čiastočne na základe nanomateriálov a nanotechnológií, ktorých vlastnosti sa zásadne líšia od vlastností systémov a zariadení na podobné účely vytvorených pomocou tradičných technológií.

Oblasti použitia nanotechnológií

Vymenovať všetky oblasti, v ktorých môže táto globálna technológia výrazne ovplyvniť technologický pokrok, je takmer nemožné. Môžeme vymenovať len niektoré z nich:

- prvky nanoelektroniky a nanofotoniky (polovodičové tranzistory a lasery;
- fotodetektory; Solárne bunky; rôzne senzory);
- zariadenia na zaznamenávanie ultrahustých informácií;
- telekomunikačné, informačné a výpočtové technológie; superpočítače;
- videotechnika - ploché obrazovky, monitory, videoprojektory;
- molekulárne elektronické zariadenia vrátane spínačov a elektronických obvodov na molekulárnej úrovni;
- nanolitografia a nanoimprinting;
- palivové články a zariadenia na skladovanie energie;
- zariadenia mikro- a nanomechaniky vrátane molekulárnych motorov a nanomotorov, nanorobotov;
- nanochémia a katalýza vrátane riadenia spaľovania, povlakovania, elektrochémie a liečiv;
- letecké, vesmírne a obranné aplikácie;
- zariadenia na monitorovanie životného prostredia;
- cielená dodávka liečiv a proteínov, biopolymérov a hojenie biologických tkanív, klinická a medicínska diagnostika, tvorba umelých svalov, kostí, implantácia živých orgánov;
- biomechanika; genomika; bioinformatika; bioinštrumentácia;
- registrácia a identifikácia karcinogénnych tkanív, patogénov a biologicky škodlivých činiteľov;
- bezpečnosť v poľnohospodárstve a výrobe potravín.

Počítače a mikroelektronika

Nanopočítač— výpočtové zariadenie založené na elektronických (mechanických, biochemických, kvantových) technológiách s veľkosťou logických prvkov rádovo niekoľko nanometrov. Samotný počítač, vyvinutý na báze nanotechnológie, má tiež mikroskopické rozmery.

DNA počítač- výpočtový systém, ktorý využíva výpočtové schopnosti molekúl DNA. Biomolecular computing je súhrnný názov pre rôzne techniky súvisiace tak či onak s DNA alebo RNA. V DNA computingu sú dáta reprezentované nie vo forme núl a jednotiek, ale vo forme molekulárnej štruktúry vybudovanej na základe DNA špirály. Úlohu softvéru na čítanie, kopírovanie a správu údajov vykonávajú špeciálne enzýmy.

Mikroskop atómovej sily- rastrovací sondový mikroskop s vysokým rozlíšením založený na interakcii konzolovej ihly (sondy) s povrchom skúmanej vzorky. Na rozdiel od rastrovacieho tunelového mikroskopu (STM) dokáže skúmať vodivé aj nevodivé povrchy aj cez vrstvu kvapaliny, čo umožňuje pracovať s organickými molekulami (DNA). Priestorové rozlíšenie mikroskopu atómovej sily závisí od veľkosti konzoly a zakrivenia jej hrotu. Rozlíšenie dosahuje atómové horizontálne a výrazne ho prevyšuje vertikálne.

Anténa-oscilátor- 9. februára 2005 bol v laboratóriu Bostonskej univerzity získaný anténny oscilátor s rozmermi asi 1 mikrón. Toto zariadenie má 5 000 miliónov atómov a je schopné oscilovať na frekvencii 1,49 gigahertzov, čo mu umožňuje prenášať obrovské množstvo informácií.

Nanomedicína a farmaceutický priemysel

Smer v modernej medicíne založený na využití jedinečných vlastností nanomateriálov a nanoobjektov na sledovanie, navrhovanie a modifikáciu ľudských biologických systémov na nanomolekulárnej úrovni.

DNA nanotechnológie- použiť špecifické bázy molekúl DNA a nukleových kyselín na vytvorenie jasne definovaných štruktúr na ich základe.

Priemyselná syntéza molekúl liečiv a farmakologických prípravkov jasne definovanej formy (bis-peptidy).

Začiatkom roku 2000 rýchly pokrok v technológii nanočastíc dal impulz vývoju novej oblasti nanotechnológie: nanoplazmonika. Ukázalo sa, že je možné prenášať elektromagnetické žiarenie pozdĺž reťazca kovových nanočastíc pomocou excitácie plazmónových oscilácií.

robotické

Nanoroboty- roboty vytvorené z nanomateriálov a veľkosťou porovnateľné s molekulou, s funkciami pohybu, spracovania a prenosu informácií a vykonávania programov. Nanoroboty schopné vytvárať kópie samých seba, t.j. samoreprodukcia sa nazýva replikátory.

V súčasnosti sú už vytvorené elektromechanické nanozariadenia s obmedzenou pohyblivosťou, ktoré možno považovať za prototypy nanorobotov.

Molekulové rotory- syntetické nanomotory schopné generovať krútiaci moment, keď sa na ne aplikuje dostatočná energia.

Miesto Ruska medzi krajinami, ktoré vyvíjajú a vyrábajú nanotechnológie

Svetovými lídrami z hľadiska celkových investícií do nanotechnológií sú krajiny EÚ, Japonsko a USA. V poslednom čase výrazne zvýšili investície do tohto odvetvia Rusko, Čína, Brazília a India. V Rusku bude výška finančných prostriedkov v rámci programu „Rozvoj infraštruktúry nanopriemyslu v Ruskej federácii na roky 2008 - 2010“ predstavovať 27,7 miliardy rubľov.

Najnovšia správa (2008) londýnskej výskumnej firmy Cientifica s názvom Nanotechnology Outlook Report popisuje ruské investície doslovne takto: „Aj keď je EÚ stále na prvom mieste z hľadiska investícií, Čína a Rusko už predbehli Spojené štáty. “

V nanotechnológiách existujú oblasti, v ktorých sa ruskí vedci stali prvými na svete a dosiahli výsledky, ktoré položili základ pre rozvoj nových vedeckých trendov.

Patrí medzi ne výroba ultradisperzných nanomateriálov, návrh jednoelektrónových zariadení, ale aj práca v oblasti atómovej sily a mikroskopie so skenovacou sondou. Len na špeciálnej výstave, ktorá sa konala v rámci XII. Petrohradského ekonomického fóra (2008), bolo naraz prezentovaných 80 konkrétnych udalostí.

Rusko už vyrába množstvo nanoproduktov, ktoré sú na trhu žiadané: nanomembrány, nanoprášky, nanorúrky. Podľa odborníkov však Rusko v komercializácii nanotechnologického vývoja zaostáva za Spojenými štátmi a ďalšími vyspelými krajinami o desať rokov.

Materiál bol pripravený na základe informácií z otvorených zdrojov

Na stránke britského magazínu New Scientist sú základné informácie o nanotechnológii prezentované veľmi pohodlnou formou – vo forme odpovedí na často kladené otázky, píše dp.ru.

Čo je nanotechnológia?

Pod pojmom „nanotechnológia“ treba rozumieť komplex vedeckých a inžinierskych disciplín, ktoré študujú procesy prebiehajúce v atómovom a molekulárnom meradle. Nanotechnológia zahŕňa manipuláciu s materiálmi a zariadeniami takými malými, že nemôže existovať nič menšie. Keď hovoríme o nanočasticiach, zvyčajne znamenajú veľkosti od 0,1 nm do 100 nm. Všimnite si, že veľkosť väčšiny atómov leží v rozsahu od 0,1 do 0,2 nm, šírka molekuly DNA je približne 2 nm, charakteristická veľkosť krvinky je približne 7500 nm a ľudský vlas je 80 000 nm.

Prečo malé predmety získavajú také špecifické vlastnosti na úrovni nanometrov? Napríklad malé skupiny (nazývané zhluky) atómov zlata a striebra vykazujú jedinečné katalytické vlastnosti, zatiaľ čo väčšie vzorky sú zvyčajne inertné. A nanočastice striebra vykazujú výrazné antibakteriálne vlastnosti, a preto sa zvyčajne používajú v nových typoch obväzov.

Keď sa veľkosť častíc znižuje, pomer povrchu k objemu sa zvyšuje. Z tohto dôvodu nanočastice oveľa ľahšie vstupujú do chemických reakcií. Okrem toho sa efekty kvantovej fyziky objavujú na úrovniach pod 100 nm. Kvantové efekty môžu ovplyvniť optické, elektrické alebo magnetické vlastnosti materiálov nepredvídateľným spôsobom.

Malé kryštalické exempláre niektorých látok sa stávajú silnejšími, pretože jednoducho dosiahnu stav, v ktorom sa nemôžu rozbiť tak, ako to robia väčšie kryštály, keď sú vystavené sile. Kovy sa v niektorých ohľadoch stávajú podobnými plastom.

Aké sú vyhliadky na uplatnenie nanotechnológií?

V roku 1986 si futurista Eric Dressler predstavil utopickú budúcnosť, v ktorej samoreprodukujúce sa nanoroboty vykonávajú všetku prácu, ktorú spoločnosť potrebuje. Tieto drobné zariadenia sú schopné opraviť ľudské telo zvnútra, vďaka čomu sú ľudia prakticky nesmrteľní. Nanoroboty sa tiež môžu voľne pohybovať v prostredí, čo ich robí nepostrádateľnými v boji proti znečisťovaniu tohto prostredia.

Očakáva sa, že nanotechnológia prinesie významný prielom v počítačovej technológii, medicíne a tiež vo vojenských záležitostiach. Napríklad lekárska veda vyvinula spôsoby, ako dodávať lieky priamo do rakovinových tkanív v malých „nanobombách“. V budúcnosti by nanozariadenia mohli „hliadkovať“ v tepnách, pôsobiť proti infekciám a poskytovať diagnostiku chorôb.

Americkí vedci úspešne použili „nanoguľky“ potiahnuté zlatom na nájdenie a zničenie neoperovateľných rakovinových nádorov. Vedci pripojili nanoguľky k protilátkam, ktoré sú schopné kontaktovať rakovinové bunky. Ak sú nanoguľky vystavené žiareniu blízkej frekvencii infračervenému, ich teplota sa zvýši, čo pomáha ničiť karcinogénne tkanivá.

Výskumníci z Armádneho inštitútu nanotechnológie v Cambridge (USA) financovaného armádou USA používajú nanotechnológiu na vytvorenie zásadne nového typu uniformy. Ich cieľom je vytvoriť látku, ktorá dokáže meniť farbu, odkláňať guľky a vybíjať energiu a dokonca lepiť kosti.

Kde sa v súčasnosti využívajú nanotechnológie?

Nanotechnológia sa už používa pri výrobe pevných diskov pre osobné počítače, katalyzátorov - prvkov spaľovacích motorov, tenisových loptičiek s dlhou životnosťou, ale aj vysokopevnostných a zároveň ľahkých tenisových rakiet, nástrojov na rezanie kovov. , antistatické nátery pre citlivé elektronické zariadenia a špeciálne nátery na okná zabezpečujúce ich samočistenie.

Ako vznikajú nanozariadenia?

V súčasnosti existujú dva hlavné spôsoby výroby nanozariadení.

Zdola nahor. Montáž nanozariadení podľa princípu “molekulu k molekule”, čo pripomína skladanie domu resp. Jednoduché nanočastice, ako je oxid titaničitý alebo oxid železitý používané v kozmetike, sa dajú vyrobiť chemickou syntézou.

Nanozariadenia je možné vytvárať ťahaním jednotlivých atómov okolo pomocou takzvaného mikroskopu atómovej sily (alebo skenovacieho tunelového mikroskopu), ktorý je dostatočne citlivý na vykonávanie takýchto postupov. Túto techniku ​​prvýkrát predviedli špecialisti IBM - pomocou skenovacieho tunelového mikroskopu rozložili skratku IBM a podľa toho umiestnili 35 xenónových atómov na povrch vzorky niklu.

Zhora nadol. Táto technika predpokladá, že použijeme makroskopickú vzorku a napríklad pomocou leptania vytvoríme na jej povrchu bežné súčiastky mikroelektronických zariadení s parametrami charakteristickými pre nanorozmery.

Predstavuje nanotechnológia hrozbu pre ľudské zdravie alebo životné prostredie?

O negatívnych účinkoch nanočastíc nie je veľa informácií. V roku 2003 jedna štúdia ukázala, že uhlíkové nanorúrky môžu poškodiť pľúca myší a potkanov. Štúdia z roku 2004 zistila, že fullerény sa môžu hromadiť a spôsobiť poškodenie mozgu u rýb. Obe štúdie však použili veľké množstvo látky za neobvyklých podmienok. Podľa jedného z expertov, chemičky Kristen Kulinowski (USA), „by bolo vhodné obmedziť vystavenie týmto nanočasticiam, napriek tomu, že v súčasnosti neexistujú žiadne informácie o ich ohrození ľudského zdravia.

Niektorí komentátori tiež naznačili, že rozšírené používanie nanotechnológií môže viesť k sociálnym a etickým rizikám. Ak teda napríklad používanie nanotechnológií spustí novú priemyselnú revolúciu, povedie to k strate pracovných miest. Nanotechnológia môže navyše zmeniť koncepciu človeka, pretože jej použitie pomôže predĺžiť život a výrazne zvýšiť odolnosť tela.

„Nikto nemôže poprieť, že rozšírené používanie mobilných telefónov a internetu prinieslo obrovské zmeny v spoločnosti,“ hovorí Kristen Kulinowski. "Kto by sa odvážil povedať, že nanotechnológie nebudú mať v najbližších rokoch väčší vplyv na spoločnosť?"

Akokoľvek divne môže táto otázka znieť v našej dobe, bude potrebné na ňu odpovedať. Aspoň pre seba. Pri komunikácii s vedcami a odborníkmi pôsobiacimi v tomto odvetví som dospel k záveru, že otázka zostáva stále otvorená.

Niekto na Wikipédii to definoval takto:

Nanotechnológia je interdisciplinárna oblasť základnej a aplikovanej vedy a techniky, ktorá sa zaoberá kombináciou teoretického zdôvodnenia, praktických metód výskumu, analýzy a syntézy, ako aj metód výroby a použitia produktov s danou atómovou štruktúrou prostredníctvom riadenej manipulácie s jednotlivé atómy a molekuly.

A táto definícia tu bola pred 2 rokmi:

Nanotechnológia je oblasť aplikovanej vedy a techniky, ktorá sa zaoberá štúdiom vlastností predmetov a vývojom zariadení s rozmermi rádovo nanometer (podľa sústavy jednotiek SI 10 -9 metrov).

Populárna tlač používa ešte jednoduchšiu a pre bežného človeka zrozumiteľnejšiu definíciu:

Nanotechnológia je technológia na manipuláciu s hmotou na atómovej a molekulárnej úrovni.

(Milujem krátke definície :))

Alebo tu je definícia profesora G. G. Elenina (MSU, M. V. Keldysh Institute of Applied Mathematics RAS):

Nanotechnológia je interdisciplinárny vedný odbor, v ktorom sa študujú zákonitosti fyzikálnych a chemických procesov v priestorových oblastiach nanometrových rozmerov za účelom riadenia jednotlivých atómov, molekúl, molekulárnych systémov pri tvorbe nových molekúl, nanoštruktúr, nanozariadení a materiálov so špeciálnymi fyzikálnymi vlastnosťami. chemické a biologické vlastnosti.

Áno, vo všeobecnosti je všetko úplne jasné... Ale náš (obzvlášť podotýkam, domáci) pedantný skeptik povie: „Čo, vždy keď rozpustíme kúsok cukru v pohári čaju, nemanipulujeme s látkou pri na molekulárnej úrovni?"

A bude mať pravdu. K hlavným pojmom je potrebné pridať pojmy súvisiace s „kontrolou a presnosťou manipulácie“.

Federálna agentúra pre vedu a inovácie v „Koncepcii rozvoja práce v oblasti nanotechnológií v Ruskej federácii do roku 2010“ uvádza túto definíciu:

„Nanotechnológia je súbor metód a techník, ktoré poskytujú schopnosť vytvárať a upravovať objekty riadeným spôsobom, vrátane komponentov s veľkosťou menšou ako 100 nm, aspoň v jednom rozmere, a v dôsledku toho získať zásadne nové kvality, ktoré umožniť ich integráciu do plne funkčných rozsiahlych systémov; v širšom zmysle tento pojem zahŕňa aj metódy diagnostiky, charakterológie a výskumu takýchto objektov.“

Wow! Silne povedané!

Alebo štátny tajomník Ministerstva školstva a vedy Ruskej federácie Dmitrij Livanov definuje nanotechnológiu ako:

"súbor vedeckých, technologických a priemyselných oblastí, ktoré sú spojené do jedinej kultúry založenej na operáciách s hmotou na úrovni jednotlivých molekúl a atómov."

Jednoduchý skeptik je spokojný, ale skeptik-špecialista povie: „Nie sú to tie isté nanotechnológie, ktorými sa neustále zaoberá tradičná chémia alebo molekulárna biológia a mnohé ďalšie oblasti vedy, ktoré vytvárajú nové látky, v ktorých sa určujú ich vlastnosti a štruktúra? nanoobjektmi spojenými určitým spôsobom?“

Čo robiť? Rozumieme, čo je „nanotechnológia“... cítime to, dalo by sa povedať.. Skúsme do definície pridať pár ďalších pojmov.

Occamova žiletka

Nanotechnológia: akákoľvek technológia na vytváranie produktov, ktorých spotrebiteľské vlastnosti sú determinované potrebou ovládať a manipulovať s jednotlivými objektmi nano veľkosti.

Krátke a náhradné? Vysvetlime si pojmy použité v definícii:

"Akýkoľvek": Tento termín je určený na zosúladenie odborníkov z rôznych vedeckých a technologických oblastí. Na druhej strane tento termín zaväzuje organizácie, ktoré kontrolujú rozpočet na vývoj nanotechnológií, aby sa postarali o financovanie širokého spektra oblastí. Vrátane, samozrejme, molekulárnych biotechnológií. (Bez potreby umelého pripájania predpony „nano-“ k názvu týchto smerov). Považujem to za dosť dôležitý termín pre situáciu s nanotechnológiou u nás v súčasnom štádiu :).

"Spotrebiteľské vlastnosti" (môžete samozrejme použiť tradičný výraz „spotrebiteľská hodnota“ - ako chcete): tvorba produktov pomocou takých pokročilých metód, ako je kontrola a manipulácia s hmotou v nanoúrovni, by mala priniesť niektoré nové spotrebiteľské vlastnosti alebo ovplyvniť cenu produktov, inak stráca zmysel.

Je tiež zrejmé, že pod túto definíciu spadajú napríklad aj nanorúrky, v ktorých jeden z lineárnych rozmerov leží v oblasti tradičných rozmerov. Zároveň môžu mať vytvorené produkty akúkoľvek veľkosť - od „nano“ po tradičné.

"Jednotlivec": Prítomnosť tohto pojmu oddeľuje definíciu od tradičnej chémie a jednoznačne vyžaduje prítomnosť najmodernejších vedeckých, metrologických a technologických nástrojov schopných zabezpečiť kontrolu nad jednotlivými, a ak je to potrebné, aj nad konkrétnymi nanoobjektmi. Individuálnou kontrolou získavame predmety, ktoré majú spotrebiteľskú novinku. Dalo by sa tvrdiť, že napríklad mnohé z existujúcich technológií na priemyselnú výrobu ultrajemných materiálov takúto kontrolu nevyžadujú, ale je to len na prvý pohľad; v skutočnosti certifikovaný Výroba ultradisperzných materiálov nevyhnutne vyžaduje kontrolu nad veľkosťou jednotlivých častíc.

"ovládanie" , bez "manipulácia" rozširuje definíciu o tzv. nanotechnológie „predchádzajúcej generácie“.
"ovládanie" spolu s "manipulácia" rozširuje definíciu na pokročilé nanotechnológie.

Ak teda dokážeme nájsť konkrétny nano-veľkosť objektu, ovládať a v prípade potreby zmeniť jeho štruktúru a prepojenia, ide o „nanotechnológiu“. Ak získame objekty nano-veľkosti bez možnosti takejto kontroly (nad konkrétnymi nanoobjektmi), potom nejde o nanotechnológiu alebo v lepšom prípade o nanotechnológiu „predchádzajúcej generácie“.

"Objekt veľkosti nano": atóm, molekula, supramolekulový útvar.

Celkovo sa definícia pokúša spojiť vedu a technológiu s ekonómiou. Tie. spĺňa dosahovanie hlavných cieľov rozvojového programu nanopriemyslu: vytváranie technológií založených na pokročilých výskumných a výrobných metódach, ako aj komercializácia dosiahnutých úspechov.