Skip to content

10.06.2016

ПУТЕШЕСТВИЕ В НАНО-КОСМОС

По всей видимости, нанотехнологии помогут совершить революционный скачок в области воздействия и применения свойств материалов в особых целях. Они откроют пути к созданию новых продуктов со значительно усовершенствованными, а иногда и абсолютно новыми функциями и предназначением. И потому нанотехнологии сыграют решающую роль в решении проблем 21 века. В равной степени они важны и в обеспечении и упрочении позиции наших стран как центров исследований и инноваций, тем самым способствуя созданию новых рабочих мест.

Будущая конкурентоспособность продукции многих важных промышленных секторов, таких как автомобильная, химическая, фармацевтическая промышленность, информационные технологии и оптика, в значительной степени зависит от исследований и открытий в нано-мире. Нанотехнологии предлагают возможные решения многих текущих проблем с помощью меньших по размеру, но более быстрых и высокоэффективных компонентов, что одновременно может открыть целый ряд новых возможностей сбыта. Можно ожидать, что нанотехнологии внесут значительный вклад в решение глобальных и экологических проблем.

Основанное на нанотехнологиях производство и применение продукции, отвечающей принципу экономии ресурсов и сокращения выбросов, откроет широкие перспективы в области устойчивого развития. Помимо непосредственной пользы для окружающей среды, сюда относятся и возможности приведения в равновесие с природой жизни и способов передвижения человека, а также оптимизация медицинского обслуживания.

Нанотехнологии обладают потенциалом создания умных, высокоэффективных и универсальных систем, подобных уже существующим в природе и появившимся в ходе эволюции. Они предоставляют человечеству возможность более эффективно и с меньшими побочными эффектами приспосабливать природные условия к своим нуждам. Новые технологии все более овладевают умами общественности, но, только осознавая возможные последствия, мы сможем направлять технологическое развитие в русло, наиболее приемлемое как для индивида, так и для общества в целом.

Даты развития нанотехнологий

1905 год.  Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 год.  Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 год. Американский физик  Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово «нанос» означает примерно «старичок».

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год.  Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

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

1998 год.  Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год.  Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год «Инициатива» запрашивает $710 млн.

Атом: старая идея и новая реальность

Наш материальный мир состоит из атомов. Об этом более чем 2400 лет назад заявил греческий философ Демокрит. Благодарные потомки увековечили его профиль на монете достоинством в 10 драхм, которая имела широкое хождение, несравнимое однако с хождением атомов. В одной капле дождя содержится около 1 000 000 000 000 000 000 000 атомов, ведь они очень малы, размером всего лишь в одну десятую нанометра, который в свою очередь составляет всего лишь одну миллионную миллиметра.

Несколько веков спустя римский писатель Лукреций посвятил атомам поэму: « Вселенная состоит из бесконечного пространства и бесконечного числа минимальных частиц, атомов, также бесконечно разнообразных …

Атомы отличаются формой, размером и весом; они тверды, неизменяемы, предел физической делимости…»

Все это было замечательно, но на данном этапе являлось не более чем чистой спекуляцией. Долгое время этими вопросами больше никто не занимался.

В 17 веке знаменитый астроном Иоганн Кеплер занялся изучением снежинок и в 1611 году опубликовал свои идеи: их правильная форма может быть объяснена только простотой и одинаковостью строительных блоков. Идея атома вновь начала завоевывать популярность.

Ученые, работавшие с минералами и кристаллами, принимали существование атомов как данность. Однако, в 1912 году в Мюнхенском Университете было получено прямое доказательство их существования: кристалл сульфата меди рассеивал рентгеновский свет подобно тому, как тканевая поверхность зонта рассеивает свет фонаря – кристалл должен был состоять из атомов, собранных в упорядоченную структуру, подобно нитям в ткани зонта или лежащей на рынке горе апельсинов.

Причина, по которой атомы в кристалле располагаются упорядоченно, проста. Материя старается принять наиболее удобную форму, а наиболее удобной является правильная, упорядоченная структура. Даже орехи, если их встряхнуть в чашке, образуют правильный рисунок, а атомам это сделать еще проще.

Тем не менее, простые рисунки не всегда самые легко воспроизводимые. Под воздействием сил самосборки материя Земли за миллиарды лет приобрела чрезвычайно сложные, и даже живые формы.

Современные аналитические приборы могут показать сложнейшие по устройству компоненты живой материи в наномасштабе. Наконец, в 1980х годах был создан прибор под названием сканирующий туннельный микроскоп, который может не только показать отдельные атомы в кристалле – многие считали первые изображения подделкой – но и нащупать их и подвигать.

Теперь все было готово для отправки в совершенно новое путешествие – в нанотехнологию.

Нанотехнологии в природе

Нанотехнологи очень дорожат живой природой. За четыре миллиарда лет своего существования природа нашла удивительные решения проблем, с которыми ей пришлось столкнуться. Характерно, что жизнь структурирует материю вплоть до мельчайших деталей, вплоть до уровня атомов. То же самое намереваются сделать и нанотехнологи.

Атомы обычно не любят. При упоминании о них мы обычно представляем ужасы взрывов и опасность радиации. Но это относится только к технологиям, имеющим дело с ядром  атома. Нанотехнологии занимаются оболочкой атома, именно на этом масштабе они и вступают в игру. Для того чтобы окончательно убедиться в том, что атомы не есть нечто необычное и что в правильном сочетании они даже могут быть приятными на вкус, возьмем в качестве пункта отправления в нано- космос обыкновенный сыр. Крошечные отверстия в сыре Мимолетт,производимом в Бельгии, выдают его секрет: сыр обитаем! Его производители признают, что деятельность крошечных организмов улучшает аромат сыра. Размер этих существ составляет около одной десятой миллиметра.

Специальный растровый электронный микроскоп ESEM (Биологический Растровый Электронный Микроскоп) способен разглядеть даже их. Как и другие живые существа, эти организмы тоже состоят из клеток. Размер клетки составляет микрометр. Она снабжена сложнейшим аппаратом жизнеобеспечения. Важным элементом этого аппарата являются рибосомы, производящие всевозможные белковые молекулы, в соответствии с характеристиками генного материала ДНК. Размер рибосом составляет порядка 20 нанометров. Некоторые части структуры рибосом были идентифицированы на уровне отдельных атомов. Первые плоды этого вида нанобиотехнологических исследований появились в виде новых лекарств, способных блокировать рибосомы бактерий.

Лотос-эффект & Ко (Lotuseffekt & Co.)

Настурция очищае листья с помощью эффкта лотоса. Растровый электронный микроскоп для изучения в условиях окружающей среды экологического РЭМ  (ESEM) показывает, как капли воды скатываются с поверхности листа. Это происходит благодаря наклонной поверхности листьев, с которых вода сбегает с большой скоростью, увлекая за собой всю грязь. Эффект лотоса,  исследованием которого вплотную занимался профессор Бартлотт и его коллеги в Университете Бонна, уже применяется в ряде продуктов, например в плитке для облицовки фасадов, с которой вода сбегает вместе с грязью. Использование эффекта лотоса в производстве керамической сантехники обеспечивает легкость ухода за ней.

Листья растений применяют и другие виды нанотехнологий. Их система водоснабжения контролируется форисомами, микроскопическими мышцами, которые открывают каналы в капиллярной системе растения или закрывают их, если растение повреждено. В настоящее время три института Фраунгофера и Университет Гиссена пытаются найти техническое применение мышцам растений, например в микроскопических линейных двигателях или в полноценной лаборатории на чипе (лаборатории на интегральной микросхеме).

Одной из наиболее тонких технологий в масштабе атома является процесс фотосинтеза, аккумулирующий энергию для жизни на Земле. Это дело для каждого отдельного атома.Тот, кто сможет воспроизвести этот процесс с помощью нанотехнологий, будет всегда иметь неограниченное количество энергии.

Нанотехнологии на потолке: геккон

 Гекконы могут взбежать по любой стене, бегать по потолку вниз головой и даже висеть на нем на одной ноге.  Делают он это – как вы уже догадались – с помощью нанотехнологий. Лапка геккона покрыта очень тонкими волосками, которые соприкасаются с большой площадью поверхности на расстоянии нескольких нанометров. Это позволяет образоваться так называемой ван-дерваальсовой связи, и, несмотря на то, что сама по  себе связь эта очень слаба, она удерживает вес геккона благодаря миллионам точек сцепления. Связи легко разрушаются при отцеплении, так же, как при отрывании липкой ленты, что позволяет геккону бегать по потолку. Ученые уже ждут появления искусственного «геккона».

Цепляясь за жизнь

Жизнь существует потому,  что ее компоненты удерживаются с помощью утонченных нанотехнологических способов сцепления. Даже в случае повреждений материи, например, при укусе насекомого, место укуса краснеет из-за расширения крошечных кровеносных сосудов, по которым к месту укуса устремляются полчища лейкоцитов – белых кровяных телец. Клетки в месте укуса выделяют феромон. В зависимости от его концентрации клетки, выстилающие стенки кровеносных сосудов, и лейкоциты доставляют связывающие молекулы, которые благодаря своей

клейкости задерживают продвижение лейкоцитов вдоль стенок сосуда. При максимальном уровне феромона лейкоциты прилипают намертво; затем другие связующие молекулы доставляют кровяные тельца по сосудам к месту укуса, где они обрушиваются на чужеземцев – искусство совершенного сцепления.

Моллюски – мастера в искусстве сцепления

Обычные моллюски, которых готовят с овощами и ежедневно подают в ресторанах, являются мастерами искусства нанотехнологического сцепления. Когда моллюск хочет прицепиться к скале, он открывает раковину и ставит ногу на камень, выгибает ее в форме присоски и через тончайшие трубочки выстреливает потоки клейких капель, мицелл, в образовавшуюся  область низкого давления, где они разрываются и из них вытекает клейкое водоотталкивающее вещество.Так мгновенно создается пенная подушка. Моллюск прикрепляется к подушке-амортизатору с помощью эластичных нитей биссуса, и в таком положении может выдержать напор приливных волн.

М.Шуленбург



« »

Share your thoughts, post a comment.

(required)
(required)

Note: HTML is allowed. Your email address will never be published.

Subscribe to comments