Kas ir nanotehnoloģija: vienkārši par kompleksu. Kas ir nanotehnoloģija? Nanotehnoloģiju definīcija

Kur izmanto nanotehnoloģiju? Nanotehnoloģijas mūsdienu pasaulē tiek izmantotas daudzās nozarēs, un par kurām no tām jūs uzzināsit šajā rakstā. Nanotehnoloģiju pārskatā ir daudz noderīgas informācijas.

Kur tiek izmantotas nanotehnoloģijas?

Nanotehnoloģiju sasniegumi tiek izmantoti šādās nozarēs:

Nanotehnoloģiju pielietojums medicīnā: paātrināt jaunu zāļu izstrādi, radīt ļoti efektīvas formas un metodes zāļu nogādāšanai slimības vietā, piedāvāt jaunus diagnostikas instrumentus un nodrošināt netraumatiskas operācijas.

Nanotehnoloģijas sāka izmantot modes apģērbu ražošanā nesen. Daži modes dizaineri sāka sadarboties ar zinātniekiem, lai ražotu tā saukto “funkcionālo apģērbu” modeļus. Tas atšķirsies no mums ierastā ne tikai pēc izskata, bet arī ar auduma īpašībām, no kura tas ir izgatavots.
Apģērbi, kas izgatavoti no oglekļa nanocaurulēm, nav jāmazgā, tajos nav iespējams saslimt, tie nelaiž cauri kaitīgās gāzes un aizsargā pret mūsdienu ekoloģiju. 1 kv. Auduma metrs maksā aptuveni 10 tūkst. $

Nanotehnoloģiju pielietojums būvniecībā. Nanomateriāli celtniecībai, autonomi enerģijas avoti, kuru pamatā ir jaudīgi saules paneļi, nanofiltri ūdens un gaisa attīrīšanai – šie nanotehnoloģiju sasniegumi būtu jāpadara – un jau tiek darīts! — mūsu mājas ir kļuvušas ērtākas, uzticamākas, drošākas. Nanodaļiņu (tostarp oglekļa nanocauruļu) pievienošana betonam padara to vairākas reizes stiprāku. Tiek izstrādāti nanopārklājumi, lai aizsargātu betona konstrukcijas no ūdens. Tērauds, būtisks būvmateriāls, arī kļūst daudz stiprāks, pievienojot vanādija un molibdēna nanodaļiņas. Rūpniecībā jau tiek ražots pašattīrošais stikls ar titāna dioksīda nanodaļiņām. Nākotnē nanoplēves stikla pārklājumi optimāli regulēs gaismas un siltuma plūsmu caur logiem. Lai aizsargātu ēkas no uguns, nanotehnoloģijas piedāvā gan jaunus neuzliesmojošus materiālus (piemēram, māla nanodaļiņas saturošu kabeļu izolāciju), gan īpaši jutīgu nanouguns sensoru “viedos” tīklus. Tapetes, kas pārklātas ar cinka oksīda nanodaļiņām, palīdzēs attīrīt telpu no baktērijām. Kas attiecas uz sadzīves tehniku ​​– ledusskapjiem, televizoriem, santehniku, apgaismes ķermeņiem, virtuves iekārtām –, nanotehnoloģiju pielietojuma lauks ir neizsmeļams.

Nanomateriāli rūpniecībāŠobrīd nanomateriāli ir vismazāk toksiski un visvairāk bioloģiski saderīgi ar dzīvu šūnu (cilvēka, augu, dzīvnieku). Ražotos nanomateriālus var izmantot gandrīz jebkurā nozarē:

• degviela (degvielas katalizatori, palielinot oktānskaitli, samazinot emisijas);
• kosmētiskais (bagātinājums ar mikroelementiem, baktericīdas īpašības);
• tekstilizstrādājumi, apavi (apģērbu un apavu baktericīdas un ārstnieciskās īpašības);
• krāsas un lakas (baktericīdas lakas un krāsas, speciāli pārklājumi);
• āda (ādas pretsēnīšu apstrāde);
• medicīnas (jaunās paaudzes medikamenti, mikroelementu nanovitamīnu kompleksi);
• agroindustriālajā kompleksā (nanomēsli, barības piedevas, produktu uzglabāšana);
• pārtikas rūpniecība (uztura bagātinātāji, vitamīnu kompleksi);
• un arī: celuloze un papīrs, ķīmiskā, sadzīves, elektronika, enerģētika, mašīnbūve kā papildu izejmateriāla sastāvdaļa, kas piešķir produktiem papildu īpašības.

Nanotehnoloģiju pielietojums mašīnbūvē
Automobiļu rūpniecība ir viena no tām. ka viņi ir pirmie, kas uztver inovācijas, tostarp nanotehnoloģiskās. Jau šobrīd pasaulē nanotehnoloģiju izmantošanas produktu apgrozījums šajā nozarē tiek lēsts vairāk nekā 8 miljardu dolāru apmērā. Šeit ir tikai daži piemēri, kā nanoinovācijas pārveido pazīstamus automašīnas elementus. Kompozītmateriāli ļauj padarīt ķermeņa daļas stipras un vieglas. Nanodaļiņu pievienošana degvielai palielina tās sadegšanas efektivitāti, vienlaikus samazinot atmosfērā izdalīto kaitīgo vielu daudzumu. Eļļā atrodamās nanodaļiņas palīdz palielināt dzinēja kalpošanas laiku: saskaņā ar dažiem datiem šādu piedevu izmantošana samazina detaļu nodilumu 1,5-2 reizes. Oglekļa nanodaļiņas (tā sauktais melnais ogleklis) tiek pievienotas riepu gumijai, un tās izturība ir ievērojami palielināta. Ar magnētiskām nanodaļiņām piesātinātie šķidrumi tiek pārbaudīti izmantošanai amortizatoros ar regulējamu stingrību. Nanotehnoloģijas var padarīt automašīnu pilnīgi atšķirīgu pat pēc izskata.

Nanomateriāli saules baterijās– jauni perspektīvi alternatīvi enerģijas avoti Pilnīgu enerģijas piegādi cilvēces vajadzībām, saglabājot pilnīgu ekoloģisko līdzsvaru, kurā iespējama ilgtermiņa ilgtspējīga cilvēku sabiedrības attīstība harmonijā ar vidi, var panākt tikai izmantojot neizsīkstošo enerģiju vide. Pirmkārt, šādi avoti ir: Saules starojuma enerģija Zemes iekšējās daļas siltumenerģija Gravitācija

Nanomateriāli kodolražošanā Mērķtiecīgs darbs nanomateriālu un nanotehnoloģiju radīšanas jomā kodolrūpniecībā sākās pagājušā gadsimta vidū, gandrīz vienlaikus ar pirmā kodolieroča izmēģināšanu 1949. gadā. Šobrīd VNIINM izstrādā tehnoloģijas funkcionālo vielu un produktu ražošanai, izmantojot nanotehnoloģijas un nanomateriālus kodolenerģijai, kodoltermiskajai, ūdeņraža un konvencionālajai enerģijai, medicīniskos preparātus, materiālus un produktus tautsaimniecībai.Viens no kodolenerģijas attīstības nosacījumiem ir samazināt dabiskā urāna īpatnējo patēriņu enerģijas ražošanā, ko panāk galvenokārt palielinot kodoldegvielas sadegšanu. Saķepināšanas procesa aktivizēšana ar nanopiedevu palīdzību var būt viens no virzieniem jaunu urāna-plutonija oksīdu un nitrīdu veidu tehnoloģiju radīšanai ātras enerģijas kodoldegvielai.

Nanomedicīna un ķīmiskā rūpniecība Mūsdienu medicīnas virziens, kas balstīts uz nanomateriālu un nanoobjektu unikālo īpašību izmantošanu, lai izsekotu, izstrādātu un modificētu cilvēka bioloģiskās sistēmas nanomolekulārā līmenī. DNS nanotehnoloģija – izmanto specifiskas DNS molekulu un nukleīnskābju bāzes, lai uz to bāzes izveidotu skaidri noteiktas struktūras. Zāļu molekulu un precīzi noteiktas formas farmakoloģisko preparātu (bis-peptīdu) rūpnieciskā sintēze.

Robotika Nanoboti ir mašīnas, kas var precīzi mijiedarboties ar nanomēroga objektiem vai manipulēt ar objektiem nanomērogā. Rezultātā pat lielas ierīces, piemēram, atomu spēka mikroskopu, var uzskatīt par nanorobotiem, jo ​​tās manipulē ar objektiem nanomērogā. Turklāt pat parastos robotus, kas var pārvietoties ar nanomēroga precizitāti, var uzskatīt par nanorobotiem. Katru dienu viņu skaits pasaulē pieaug. Varbūt tuvākajā nākotnē tie spēs pilnībā vai daļēji aizstāt gandrīz visu cilvēka darbību.

Jaunās tehnoloģijas virza cilvēci uz priekšu progresa ceļā. Tehnoloģijas nosaka katra no mums dzīves kvalitāti un tās valsts spēku, kurā dzīvojam.

Tiek uzskatīts, ka daudzu mūsdienās izmantojamo tehnoloģiju pirmsākumi radušies 18. un 19. gadsimta mijā, kad roku darbu nomainīja siltumdzinēji, vispirms tekstilrūpniecībā un pēc tam citās nozarēs. Šo pēkšņo pāreju uz mašīnu ražošanu parasti sauc par rūpniecisko revolūciju. Industriālā revolūcija izraisīja ne tikai masveida mašīnu izmantošanu, bet arī visas sabiedrības struktūras izmaiņas - notika agrārās sabiedrības pārveide par rūpniecisku. Tā rezultātā strauji pieauga darba ražīgums un cilvēku dzīves līmenis.

Industriālā revolūcija, kas sākās tekstilrūpniecībā, veicināja dzelzceļa sakaru tehnoloģiju attīstību. Savukārt turpmāka izaugsme dažādu preču pārvadājumos nebija iespējama bez jaunām auto tehnoloģijām. Tādējādi katra jauna tehnoloģija vienmēr izraisa saistīto tehnoloģiju dzimšanu un attīstību.

Otrais pasaules karš veicināja jaunu tehnoloģiju - informācijas dzimšanu, un tāpēc laika posmu, kurā dzīvojam, sauc par informācijas revolūciju (skat. attēlu). Informācijas revolūcijas sākums sakrita ar datortehnoloģiju attīstību, bez kurām mūsdienu cilvēka dzīve šķiet neiedomājama.

Datortehnoloģiju attīstība vienmēr ir bijusi saistīta ar elektronisko shēmu elementu miniaturizāciju. Patlaban viena datora shēmas loģiskā elementa (tranzistora) izmērs ir aptuveni 10-7 m, un zinātnieki uzskata, ka tālāka datora elementu miniaturizācija iespējama tikai tad, ja tiek izstrādātas īpašas tehnoloģijas, ko sauc par “NATOTEHNOLOĢIJU”.

Kas ir "nano"?

Tulkojumā no grieķu valodas vārds "nano" nozīmē punduris. Viens nanometrs (nm) ir viena miljardā daļa no metra (10-9 m). Nanometrs ir ļoti, ļoti mazs. Nanometrs ir tikpat reižu mazāks par vienu metru, cik pirksta biezums ir mazāks par Zemes diametru. Lielākajai daļai atomu diametrs ir no 0,1 līdz 0,2 nm, un DNS virkņu biezums ir aptuveni 2 nm. Sarkano asinsķermenīšu diametrs ir 7000 nm, un cilvēka matu biezums ir 80 000 nm.

Attēlā redzami dažādi objekti no kreisās puses uz labo augošā izmēra secībā – no atoma līdz Saules sistēmai. Cilvēks jau ir iemācījies gūt labumu no dažāda izmēra priekšmetiem. Mēs varam sadalīt atomu kodolus, lai iegūtu atomu enerģiju. Veicot ķīmiskās reakcijas, mēs iegūstam jaunas molekulas un vielas ar unikālām īpašībām. Ar speciālu instrumentu palīdzību cilvēks ir iemācījies radīt objektus – no adatas galviņas līdz milzīgām struktūrām, kas redzamas pat no kosmosa.

Tomēr, ja paskatās uz attēlu, jūs pamanīsit, ka ir diezgan liels diapazons (logaritmiskā skalā), kur zinātnieki ilgu laiku nav spēruši kāju - no simts nanometriem līdz 0,1 nm. Nanotehnoloģijām, par kurām pēdējā laikā tiek runāts tik daudz, būs jāstrādā ar objektiem, kuru izmērs ir no 0,1 nm līdz 100 nm. Un ir pamats uzskatīt, ka mēs varam likt nanopasaulei darboties mūsu labā.

Mūsu acu priekšā zinātniskā fantastika kļūst par realitāti – kļūst iespējams pārvietot atsevišķus atomus un salikt tos kā kubus neparasti maza izmēra un tāpēc parastai acij neredzamās ierīcēs un mehānismos. Nanotehnoloģijas, izmantojot jaunākos sasniegumus fizikā, ķīmijā un bioloģijā, ir ne tikai kvantitatīvs, bet kvalitatīvs lēciens no darba ar vielu uz manipulācijām ar atsevišķiem atomiem.

Ričards Feinmens - nanotehnoloģiju revolūcijas pravietis

Lidmašīnas, raķetes, televizori un datori 20. gadsimtā mainīja pasauli mums apkārt. Zinātnieki apgalvo, ka nākamajā 21. gadsimtā jaunās tehniskās revolūcijas kodols būs materiāli, medikamenti, ierīces, sakari un piegādes ierīces, kas izgatavotas, izmantojot nanotehnoloģiju.

Ideju, ka varētu būt iespējams salikt ierīces un strādāt ar nanomēroga objektiem, pirmo reizi 1959. gadā runāja Nobela prēmijas laureāts Ričards Feinmans Kaltech (“Tur ir daudz vietas!”). Vārds “apakšā” lekcijas nosaukumā nozīmēja “ļoti mazu izmēru pasauli”. Tad Feinmens teica, ka kādreiz, piemēram, 2000. gadā, cilvēki brīnīsies, kāpēc zinātnieki 19. gadsimta pirmajā pusē izlēca cauri šim nanomēroga izmēru diapazonam, visus savus spēkus koncentrējot atoma un atoma kodola izpētei. Pēc Feinmena domām, cilvēki dzīvoja ļoti ilgu laiku, nepamanot, ka viņiem blakus dzīvoja vesela priekšmetu pasaule, kuras nebija iespējams redzēt. Nu, ja mēs neredzējām šos objektus, tad mēs nevarētu ar tiem strādāt.

Taču mēs paši sastāvam no ierīcēm, kas lieliski mācījušās strādāt ar nanoobjektiem. Tās ir mūsu šūnas – celtniecības bloki, kas veido mūsu ķermeni. Šūna visu mūžu strādā ar nanoobjektiem, saliekot no dažādiem atomiem kompleksu vielu molekulas. Savācot šīs molekulas, šūna tās ievieto dažādās daļās - dažas nonāk kodolā, citas citoplazmā, bet citas - membrānā. Iedomājieties iespējas, kas pavērsies cilvēcei, ja tā apgūs to pašu nanotehnoloģiju, kas jau ir katrai cilvēka šūnai.

Feinmens apraksta nanotehnoloģiju revolūcijas sekas datoriem. “Ja, piemēram, savienojošo vadu diametrs svārstās no 10 līdz 100 atomiem, tad nevienas ķēdes izmērs nepārsniegs vairākus tūkstošus angstremu. Ikviens, kurš ir saistīts ar datortehnoloģiju, zina par iespējām, ko sola to attīstība un sarežģījumi. Ja izmantoto elementu skaits palielināsies miljoniem reižu, datoru iespējas ievērojami paplašināsies. Viņi iemācīsies spriest, analizēt pieredzi un aprēķināt savas darbības, atrast jaunas skaitļošanas metodes utt. Elementu skaita pieaugums radīs būtiskas kvalitatīvas izmaiņas datora īpašībās.

Izsaucis zinātniekus nanopasaulē, Feinmens nekavējoties brīdina par šķēršļiem, kas viņus tur sagaida, izmantojot tikai 1 mm gara mikroauto izgatavošanas piemēru. Tā kā parastas automašīnas detaļas ir izgatavotas ar precizitāti 10-5 m, tad mikroauto detaļas būtu jāizgatavo ar 4000 reižu lielāku precizitāti, t.i. 2.5.10-9 m.Tātad mikroauto detaļu izmēriem jāatbilst aprēķinātajiem ar precizitāti ± 10 atomu slāņu.

Nanopasaule ir ne tikai pilna ar šķēršļiem un problēmām. Labas ziņas mūs sagaida nanopasaulē – visas nanopasaules daļas izrādās ļoti izturīgas. Tas notiek tāpēc, ka nanoobjektu masa samazinās proporcionāli to izmēra trešajai pakāpei, bet šķērsgriezuma laukums - proporcionāli otrajai pakāpei. Tas nozīmē, ka katra objekta elementa mehāniskā slodze - elementa svara attiecība pret tā šķērsgriezuma laukumu - samazinās proporcionāli objekta izmēram. Tādējādi proporcionāli samazinātam nanotabletam ir nanokājas, kas ir miljards reižu biezākas nekā nepieciešams.

Feinmens uzskatīja, ka cilvēks var viegli apgūt nanopasauli, ja viņš radīs robotu mašīnu, kas spēj izgatavot mazāku, bet darbspējīgu viņa kopiju. Ļaujiet, piemēram, iemācīties izveidot robotu, kas bez mūsu līdzdalības var izveidot sev kopiju, kas samazināta 4 reizes. Tad šis mazais robots varēs izgatavot oriģināla kopiju, samazinātu par 16 reizēm utt. Ir skaidrs, ka 10. šādu robotu paaudze radīs robotus, kuru izmēri būs miljoniem reižu mazāki par oriģinālajiem.

Protams, sarūkot izmēram, mēs nepārtraukti saskarsimies ar ļoti neparastām fiziskām parādībām. Nenozīmīgais nanorobota detaļu svars novedīs pie tā, ka starpmolekulāro mijiedarbības spēku ietekmē tās pielips viena pie otras un, piemēram, uzgrieznis pēc atskrūvēšanas netiks atdalīts no skrūves. Tomēr mums zināmie fizikas likumi neaizliedz radīt objektus “atomu pēc atoma”. Manipulācijas ar atomiem principā ir diezgan reālas un nepārkāpj nekādus dabas likumus. Tās īstenošanas praktiskās grūtības ir saistītas tikai ar to, ka mēs paši esam pārāk lieli un smagnēji objekti, kā rezultātā mums ir grūti veikt šādas manipulācijas.

Lai kaut kādā veidā stimulētu mikroobjektu izveidi, Feinmens apsolīja maksāt 1000 USD ikvienam, kurš varētu uzbūvēt elektromotoru, kura izmērs ir 1/64 collas (1 colla »2,5 cm). Un ļoti drīz šāds mikromotors tika izveidots. Kopš 1993. gada Feynman balvu katru gadu piešķir par izciliem sasniegumiem nanotehnoloģiju jomā.

Feinmens savā lekcijā runāja arī par nanoķīmijas perspektīvām. Ķīmiķi tagad izmanto sarežģītas un dažādas metodes, lai sintezētu jaunas vielas. Kad fiziķi ir izveidojuši ierīces, kas var manipulēt ar atsevišķiem atomiem, daudzas tradicionālās ķīmiskās sintēzes metodes var aizstāt ar "atomu montāžas" metodēm. Tajā pašā laikā, kā uzskatīja Feinmens, fiziķi principā patiešām var iemācīties sintezēt jebkuru vielu, pamatojoties uz rakstisku ķīmisko formulu. Ķīmiķi pasūtīs sintēzi, un fiziķi vienkārši “sakārtos” atomus piedāvātajā secībā. Manipulācijas paņēmienu attīstība atomu līmenī atrisinās daudzas problēmas ķīmijā un bioloģijā.

E. Drekslera radīšanas mašīnas

Nanotehnoloģijas kļuva par atsevišķu zinātnes jomu un kļuva par ilgtermiņa tehnisku projektu pēc amerikāņu zinātnieka Ērika Drekslera detalizētas analīzes 80. gadu sākumā un viņa grāmatas “Radīšanas dzinēji: Nanotehnoloģiju ēra” publicēšanas.

Tā sākas viņa grāmata. “OGLES un DIMANTI, smiltis un datoru mikroshēmas, vēzis un veseli audi - visā vēsturē, atkarībā no atomu secības, radās lēti vai dārgi, slimi vai veseli. Tādā pašā veidā atomi veido augsni, gaisu un ūdeni; tās ir nogatavojušās zemenes. Vienā veidā izkārtoti tie veido mājas un svaigu gaisu; pēc citu pasūtījuma tie veido pelnus un dūmus.

Mūsu spēja sakārtot atomus ir tehnoloģiju pamatā. Mēs esam tikuši tālu, spēju sakārtot atomus, sākot no krama asināšanas bultu uzgaļiem un beidzot ar alumīnija apstrādi kosmosa kuģiem. Mēs lepojamies ar mūsu tehnoloģijām, mūsu dzīvības glābšanas zālēm un galddatoriem. Tomēr mūsu kosmosa kuģi joprojām ir neapstrādāti, mūsu datori joprojām ir stulbi, un molekulas mūsu audos joprojām ir pakāpeniski nesakārtotas, vispirms iznīcinot veselību un pēc tam pašu dzīvību. Lai nodrošinātu visus mūsu panākumus atomu sakārtošanā, mēs joprojām izmantojam primitīvas sakārtošanas metodes. Izmantojot mūsu pašreizējo tehnoloģiju, mēs joprojām esam spiesti manipulēt ar lielām, slikti kontrolētām atomu grupām.

Taču dabas likumi sniedz daudz iespēju progresam, un globālās konkurences spiediens vienmēr dzen mūs uz priekšu. Labāk vai sliktāk, bet mums priekšā ir lielākais tehnoloģiskais sasniegums vēsturē.

Saskaņā ar Drekslera definīciju nanotehnoloģija ir "paredzama ražošanas tehnoloģija, kas vērsta uz zemu izmaksu ierīču un vielu ražošanu ar iepriekš noteiktu atomu struktūru". Daudzi eksperti uzskata, ka nākamo 50 gadu laikā daudzas ierīces kļūs tik mazas, ka tūkstotis šo nanomašīnu varētu viegli ietilpt zonā, ko aizņem punkts šī teikuma beigās. Lai saliktu nanomašīnas, jums ir nepieciešams:

1. iemācieties strādāt ar atsevišķiem atomiem - ņemiet tos un novietojiet tos pareizajā vietā.
2. izstrādāt montētājus - nanoierīces, kas varētu strādāt ar atsevišķiem atomiem, kā paskaidrots (1), izmantojot programmas, kuras rakstījis cilvēks, bet bez viņa līdzdalības. Tā kā katra manipulācija ar atomu prasa noteiktu laiku un atomu ir ļoti daudz, zinātnieki lēš, ka šādu nanomontētāju ir nepieciešams saražot miljardiem vai pat triljoniem, lai montāžas process neaizņemtu daudz laika.
3. izstrādāt replikatorus – ierīces, kuras ražotu nanomontieri, jo tās būs jātaisa ļoti, ļoti daudz.

Paies gadi, līdz parādīsies nanomontieri un replikatori, taču to parādīšanās šķiet gandrīz neizbēgama. Turklāt katrs solis šajā ceļā padarīs nākamo reālāku. Pirmie soļi nanomašīnu radīšanā jau ir sperti. Tās ir “ģenētiskā inženierija” un “biotehnoloģija”.

Heizenberga nenoteiktības princips un nanomašīnas

No kvantu fizikas ir zināms, ka nav iespējams precīzi noteikt daļiņas atrašanās vietu un tās impulsu. Vai tas ierobežo nanomašīnu iespējas?

Patiešām, nenoteiktības princips padara elektronu atrašanās vietu diezgan neskaidru, un šī neskaidrība nosaka atomu izmēru un struktūru. Tomēr atomam kopumā ir samērā noteikta atrašanās vieta, jo tā kodola masa ir tūkstošiem reižu lielāka nekā elektronu masa. Turklāt, ja atomi nesaglabātu savu pozīciju salīdzinoši labi, molekulas nepastāvētu. Tāpēc nenoteiktības princips neuzliek būtiskus ierobežojumus precizitātei, ar kādu atomus var novietot savās vietās, konstruējot nanomašīnas.

Tomēr, lai atbildētu uz iepriekš uzdoto jautājumu, nav nepieciešams izmantot kvantu mehāniku. Galu galā katrā dzīvā šūnā esošās molekulārās mašīnas, kas “pa atomam” saliek milzīgas nanoizmēra proteīna molekulas, jau pierāda, ka nanomašīnas ir iespējamas!

Molekulu un nanomašīnu termiskās vibrācijas

Analizējot nanomašīnu radīšanas iespējas, E. Drekslers savā grāmatā aplūko, kā molekulu termiskās vibrācijas var ietekmēt šo mašīnu darbību. Vai šīs svārstības radīs daudzas kļūdas nanomašīnu darbībā?

Atbildēt uz šo jautājumu atkal palīdz dzīvo šūnu molekulārās mašīnas, kas lieliski darbojas aptuveni 300 K temperatūrā, neskatoties uz molekulu termiskajām vibrācijām. Pētījumi liecina, ka atsevišķās šūnās, kopējot DNS, uz 100 000 000 000 operācijām tiek pieļauta tikai VIENA kļūda! Lai sasniegtu tik augstu precizitāti, dzīvās šūnas izmanto īpašas nanomašīnas, piemēram, enzīmu DNS polimerāze I, kas pārbauda kopiju un izlabo kopēšanas kļūdas. Ir skaidrs, ka nākamajiem automatizētajiem nanomašīnu montētājiem būs nepieciešami līdzīgi kļūdu pārbaudes un kļūdu labošanas algoritmi.

Dziedināšanas mašīnas

E. Drekslers ierosināja izmantot nanomašīnas cilvēku ārstēšanai. Cilvēka ķermenis sastāv no molekulām, un cilvēki kļūst slimi un noveco, jo parādās “nevajadzīgās” molekulas, un samazinās “vajadzīgo” koncentrācija vai mainās to struktūra. Tā rezultātā cilvēki cieš. Nekas neliedz cilvēkam izgudrot nanomašīnas, kas spēj pārkārtot atomus “sabojātās” molekulās vai salikt tās no jauna. Ir skaidrs, ka šādas nanomašīnas var radīt revolūciju medicīnā.

Nākotnē tiks radītas nanomašīnas (nanoroboti), kas pielāgotas, lai iekļūtu dzīvā šūnā, analizētu tās stāvokli un nepieciešamības gadījumā to “ārstētu”, mainot molekulu, no kurām tā sastāv, struktūru. Šīs nanomašīnas, kas paredzētas šūnu remontam, pēc izmēra būtu salīdzināmas ar baktērijām un pārvietotos pa cilvēka audiem tā, kā to dara leikocīti (baltās asins šūnas), un iekļūtu šūnās tāpat kā vīrusi.

Izveidojot nanomašīnas šūnu labošanai, pacienta ārstēšana pārvērtīsies par sekojošu darbību secību. Pirmkārt, strādājot molekulu pēc molekulas un struktūru pēc struktūras, nanomašīnas atjaunos (izārstēs) jebkura audu vai orgāna šūnu pa šūnai. Tad, strādājot orgānu pēc orgāna visā ķermenī, tie atjaunos cilvēka veselību.

Shematisks nanorobota attēlojums uz šūnas virsmas. Var redzēt, ka nanorobota taustekļi iekļūst šūnas iekšpusē. Autors: Yu Svidinenko. Ņemts no http://www.nanonewsnet.ru/

Fotolitogrāfija – ceļš uz nanopasauli: no augšas uz leju

Zinātnieki un tehnologi jau sen ir centušies iekļūt mazo izmēru pasaulē, īpaši tie, kas izstrādā jaunas elektroniskās ierīces un ierīces. Lai elektroniskā ierīce būtu gudra un uzticama, tai jāsastāv no milzīga skaita bloku, kas nozīmē, ka tajā ir jābūt tūkstošiem un dažreiz miljoniem tranzistoru.

Optisko fotolitogrāfiju izmanto tranzistoru un integrālo shēmu ražošanā. Tās būtība ir šāda. Uz oksidētā silīcija virsmas tiek uzklāts fotorezista slānis (polimēra gaismas jutīgs materiāls), un pēc tam uz tā tiek uzklāta fotomaska ​​- stikla plāksne ar integrālās shēmas elementu rakstu.

Gaismas stars iziet cauri fotomaskai, un tur, kur nav melnas krāsas, gaisma ietriecas fotorezistomā un izgaismo to

Pēc tam visi fotorezista apgabali, kas nebija apstrādāti ar gaismu, tiek noņemti, un tie, kas tika izgaismoti, tiek pakļauti termiskai apstrādei un ķīmiskai kodināšanai. Tādējādi uz silīcija oksīda virsmas veidojas raksts, un silīcija vafele ir gatava kļūt par elektroniskās shēmas galveno daļu.

Tranzistors tika izgudrots 1947. gadā, un tad tā izmēri bija aptuveni 1 cm.Fotolitogrāfijas metožu uzlabojumi ļāva palielināt tranzistora izmēru līdz 100 nm. Taču fotolitogrāfijas pamatā ir ģeometriskā optika, kas nozīmē, ka, izmantojot šo metodi, nav iespējams novilkt divas paralēlas taisnes attālumā, kas ir mazāks par viļņa garumu. Tāpēc tagad mikroshēmu fotolitogrāfiskajā ražošanā tiek izmantota ultravioletā gaisma ar īsu viļņa garumu, bet tālāka viļņa garuma samazināšana kļūst dārga un sarežģīta, lai gan modernās tehnoloģijas jau izmanto elektronu starus, lai izveidotu mikroshēmas.

Ievadīšanu nanomēroga dimensiju pasaulē, kurai mikroshēmu ražotāji ir sekojuši līdz šim, var saukt par “no augšas uz leju” ceļu. Viņi izmanto tehnoloģijas, kas sevi pierādījušas makro pasaulē, un tikai cenšas mainīt mērogu. Bet ir vēl viens veids - “no apakšas uz augšu”. Ko darīt, ja mēs piespiestu pašus atomus un molekulas pašorganizēties sakārtotās grupās un struktūrās, kuru izmērs ir vairāki nanometri?

Nanostruktūras veidojošo molekulu pašorganizēšanās piemēri ir oglekļa nanocaurules, kvantu punkti, nanovadi un dendrimeri

(Pamatojoties uz materiāliem no Bogdanov K.Yu.)

Nanotehnoloģijas ir tehnoloģijas, kas darbojas ar nanometra lielumu.

Šeit kā epigrāfs sniegtās rindas ir ņemtas no fantāzijas darba un vēl nevar apgalvot, ka parasts cilvēks tās uztver nopietni. Taču mūsdienu nanotehnoloģiju speciālistam Lemova fantāzijas vairs nav utopija, bet gan ikdienas darbs.

Iespējams, ka nanotehnoloģijas jēdzienam nav izsmeļošas definīcijas, bet pēc analoģijas ar pašlaik esošajām mikrotehnoloģijām izriet, ka nanotehnoloģijas ir tehnoloģijas, kas darbojas ar nanometra lielumu. Tā ir niecīga vērtība, simtiem reižu īsāka par redzamās gaismas viļņa garumu un salīdzināma ar atomu izmēru. Tāpēc pāreja no “mikro” uz “nano” vairs nav kvantitatīva, bet gan kvalitatīva pāreja - lēciens no manipulācijas ar vielu uz manipulācijām ar atsevišķiem atomiem.

Runājot par nanotehnoloģiju attīstību, tiek ņemti vērā trīs virzieni:

elektronisko shēmu (tostarp tilpuma) ražošana ar aktīviem elementiem, kuru izmēri ir salīdzināmi ar molekulu un atomu izmēriem;

nanomašīnu izstrāde un ražošana, t.i. mehānismi un roboti molekulas lielumā;

tiešas manipulācijas ar atomiem un molekulām un visa, kas pastāv no tiem, montāža.

Visu šo jomu īstenošana jau ir sākusies. Gandrīz pirms desmit gadiem tika iegūti pirmie rezultāti par atsevišķu atomu pārvietošanu un atsevišķu konstrukciju montāžu no tiem, tika izstrādāti un izgatavoti pirmie nanoelektroniskie elementi. Pēc ekspertu domām, nanoelektronisko mikroshēmu, piemēram, atmiņas mikroshēmu ar desmitiem gigabaitu ietilpību, ražošana tiks uzsākta nākamā gadsimta mijā.

Produktu un materiālu nanotehnoloģiskā kontrole, burtiski atomu līmenī, ir kļuvusi par ikdienu dažās rūpniecības jomās. Reāls piemērs ir DVD, kuru ražošana bez nanotehnoloģiskās matricas kontroles nebūtu iespējama.

Esošās metodes piemaisījumu nogulsnēšanai pusvadītājos (epitaksijā), izmantojot litogrāfiskās veidnes, jau praktiski pietuvojušās savai robežai ne tikai izmēra, bet arī topoloģiskā ziņā. Fakts ir tāds, ka pašreizējās fotolitogrāfijas tehnoloģijas ļauj izgatavot tikai plakanas konstrukcijas - kad visi elementi un vadītāji atrodas vienā plaknē. Un tas uzliek ievērojamus ierobežojumus ķēžu projektēšanā: vismodernākos ķēžu risinājumus nevar ieviest, izmantojot šādu tehnoloģiju.

Jo īpaši šādā veidā nav iespējams reproducēt neironu ķēdes, uz kurām tiek liktas lielas cerības. Tajā pašā laikā šobrīd aktīvi tiek izstrādātas nanotehnoloģiskās metodes, kas dod iespēju izveidot molekulas lieluma aktīvos elementus (tranzistorus, diodes) un veidot no tiem daudzslāņu trīsdimensiju shēmas. Acīmredzot mikroelektronika būs pirmā nozare, kurā "atomu montāža" tiks veikta rūpnieciskā mērogā.

Lai gan tagad mums ir līdzekļi, lai manipulētu ar atsevišķiem atomiem, tos diez vai var izmantot “tieši”, lai savāktu kaut ko praktiski nepieciešamu, ja nu vienīgi atomu skaita dēļ, kas būtu “jāmontē”.

Taču jau esošo tehnoloģiju iespējas ir pietiekamas, lai no vairākām molekulām uzbūvētu dažus vienkāršus mehānismus, kas, vadoties pēc vadības signāliem no ārpuses (akustiskie, elektromagnētiskie u.c.), spēs manipulēt ar citām molekulām un radīt līdzīgas ierīces vai sarežģītākas. mehānismi.

Viņi savukārt varēs izgatavot vēl sarežģītākas ierīces utt. Galu galā šis eksponenciālais process novedīs pie molekulāro robotu radīšanas — mašīnas, kuru izmērs ir salīdzināms ar lielām molekulām un ar iebūvētu datoru.

Izredzes

Pateicoties loģisko nanoelementu ieviešanai visos vides atribūtos, tas kļūs “inteliģents” un cilvēkiem ārkārtīgi ērts

MEDICĪNA

Molekulāro robotu ārstu izveide, kas “dzīvotu” cilvēka ķermenī, novēršot visus radušos bojājumus vai novēršot to rašanos, ieskaitot ģenētiskos bojājumus. Plānotais īstenošanas periods ir 21. gadsimta pirmā puse.

GERONTOLOĢIJA

Cilvēku personīgās nemirstības sasniegšana, ieviešot organismā molekulāros robotus, kas novērš šūnu novecošanos, kā arī pārstrukturējot un “nostiprinot” cilvēka ķermeņa audus. To bezcerīgi slimo cilvēku atdzimšana un dziedināšana, kuri pašlaik bija sasaluši ar krionikas metodēm. Paredzamais īstenošanas periods: 21. gadsimta trešais - ceturtais ceturksnis.

RŪPNIECĪBA

Tradicionālo ražošanas metožu aizstāšana ar molekulāriem robotiem, kas montē patēriņa preces tieši no atomiem un molekulām. Līdz personīgajiem sintezatoriem un kopēšanas ierīcēm, kas ļauj izgatavot jebkuru priekšmetu. Pirmos praktiskos rezultātus var iegūt 21. gadsimta sākumā.

LAUKSAIMNIECĪBA

Pārtikas ražošanas (augi un dzīvnieki) “dabisko mašīnu” aizstāšana ar to mākslīgajiem analogiem - molekulāro robotu kompleksiem. Viņi reproducēs tos pašus ķīmiskos procesus, kas notiek dzīvā organismā, bet īsākā un efektīvākā veidā. Piemēram, no ķēdes "augsne - ogļskābā gāze - fotosintēze - zāle - govs - piens" tiks noņemtas visas nevajadzīgās saites. Paliks "augsne - oglekļa dioksīds - piens (biezpiens, sviests, gaļa - vienalga)." Lieki piebilst, ka šāda “lauksaimniecība” nebūs atkarīga no laika apstākļiem un neprasīs smagu fizisko darbu. Un tā produktivitāte ir pietiekama, lai vienreiz un uz visiem laikiem atrisinātu pārtikas problēmu. Pēc dažādām aplēsēm, pirmie šādi kompleksi tiks izveidoti 21. gadsimta otrajā līdz ceturtajā ceturksnī.

BIOLOĢIJA

Būs iespējams “ievadīt” dzīvā organismā atomu līmenī. Sekas var būt ļoti dažādas – no izmirušu sugu “atjaunošanas” līdz jauna veida dzīvo būtņu, biorobotu, radīšanai. Paredzamais īstenošanas periods: 21. gadsimta vidus.

EKOLOĢIJA

Pilnīga cilvēka darbības kaitīgās ietekmes uz vidi likvidēšana. Pirmkārt, piesātinot ekosfēru ar molekulārām robotizētām medmāsām, kas cilvēku atkritumus pārvērš izejvielās, otrkārt, pārceļot rūpniecību un lauksaimniecību uz bezatkritumu nanotehnoloģiskām metodēm. Paredzamais īstenošanas periods: 21. gadsimta vidus.

KOSMOSA IZPĒTE

Acīmredzot pirms kosmosa izpētes “parastajā” secībā to veiks nanoroboti. Milzīga robotu molekulu armija tiks izlaista Zemei tuvajā kosmosā un sagatavos to cilvēku apmešanās vietai - padarīs apdzīvojamu Mēnesi, asteroīdus, tuvējās planētas un būvēs kosmosa stacijas no “izdzīvošanas materiāliem” (meteorītiem, komētām). Tas būs daudz lētāk un drošāk nekā pašreizējās metodes.

KIBERNĒTIKA

No šobrīd esošajām plakanajām struktūrām notiks pāreja uz tilpuma mikroshēmām, un aktīvo elementu izmēri samazināsies līdz molekulu lielumam. Datoru darbības frekvences sasniegs terahercu vērtības. Shēmu risinājumi, kuru pamatā ir neironiem līdzīgi elementi, kļūs plaši izplatīti. Parādīsies ātrdarbīga uz proteīnu molekulām balstīta ilgtermiņa atmiņa, kuras ietilpība tiks mērīta terabaitos. Būs iespējams “pārvietot” cilvēka intelektu datorā. Paredzamais īstenošanas periods: 21. gadsimta pirmais - otrais ceturksnis.

VIEDĀ BOTĀ

Ieviešot loģiskus nanoelementus visos vides atribūtos, tas kļūs “inteliģents” un cilvēkiem ārkārtīgi ērts. Plānotais īstenošanas periods: pēc 21.gs.

Informācijas sistēmu elementi

Tas ļauj samazināt viena tranzistora izmēru līdz aptuveni 10 nm un palielināt darbības frekvences līdz aptuveni 1012 Hz.

IEVADS

Pēdējos gados izstrādātie nanoelektroniskie elementi savā miniatūrajā izmērā, ātrumā un jaudas patēriņā nopietni konkurē ar tradicionālajiem pusvadītāju tranzistoriem un uz tiem balstītām integrālajām shēmām kā informācijas sistēmu galvenajiem elementiem.

Jau šobrīd tehnoloģija ir pietuvojusies teorētiskai iespējai saglabāt un pārraidīt 1 bitu informāciju, izmantojot vienu elektronu, kura lokalizāciju telpā var precizēt viens atoms. Tas ļauj samazināt viena tranzistora izmēru līdz aptuveni 10 nm un palielināt darbības frekvences līdz aptuveni 1012 Hz.

NANOELEKTRONIKAS KVANTU PAMATI

Pārejot uz nanomērogu, priekšplānā izvirzās aplūkojamo objektu kvantu īpašības. No kvantu mehānikas viedokļa elektronu var attēlot ar vilni, ko apraksta atbilstošā viļņa funkcija. Šī viļņa izplatīšanos nanomēroga cietās struktūrās kontrolē kvantu ierobežošanas efekti, traucējumi un spēja iziet cauri potenciālajām barjerām.

Īpaša kvantu ieslodzījuma izpausme ir viena elektrona tunelēšana Kulona blokādes apstākļos. Apskatīsim piemēru, kas parādīts nākamajā attēlā, kad elektrons iet cauri metāla-izolatora-metāla struktūrai.

Sākotnēji saskarne starp dielektriķi un metālu ir elektriski neitrāla. Kad metāliskajiem apgabaliem tiek pielietots potenciāls, lādiņš sāk uzkrāties pie šīs robežas. Tas turpinās, līdz tā lielums ir pietiekams, lai atdalītos un izietu cauri dielektriskajam vienam elektronam. Pēc tunelēšanas darbības sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī. Kad tiek uzturēts ārējais pieliktais spriegums, viss atkārtojas vēlreiz. Tādējādi lādiņa pārnese struktūrā tiek veikta porcijās, kas vienādas ar viena elektrona lādiņu.

NANOELEKTRONISKIE ELEMENTI

Vieni no pirmajiem parādījās elementi, kuru pamatā bija rezonanses tunelēšana, kas bija dubultbarjeras diode, kas balstīta uz kvantu urbumiem, kurās urbuma potenciālu un atbilstošos rezonanses apstākļus kontrolēja trešais elektrods.

Tuneļa tranzistors sastāv no diviem virknē savienotiem tuneļa savienojumiem. Atsevišķu elektronu tunelēšanu kontrolē Kulona blokāde, ko kontrolē potenciāls, kas tiek pielikts tranzistora aktīvajam apgabalam tā vidū starp diviem cietā dielektriķa slāņiem. Ja mēs iedomājamies vienu bitu kā viena elektrona esamību vai neesamību, tad 100 GB atmiņas shēma ietilptu mikroshēmā, kuras laukums ir tikai 6 cm2.

1993. gadā tika izstrādāta jauna digitālo komutācijas ierīču saime, kuras pamatā ir atomu un molekulārās auklas. Uz šī pamata tika izstrādāti loģiskie elementi NAND un NOR. Šādas struktūras izmērs ir ~ 10 nm, un darbības frekvence ir ~ 10 12 Hz.

Kvantu punkti

GALVENĀ INFORMĀCIJA

Pusvadītāju kvantu punkti ir nanometra lielumā, milzu molekulas, kas sastāv no 103 - 105 atomiem, kas izveidotas uz parasto neorganisko pusvadītāju materiālu Si, InP, CdSe u.c. bāzes. Tie ir lielāki nekā tradicionālie ķīmijai raksturīgie molekulu klasteri (~ 1 nm ar ne vairāk kā 100 atomu saturu), bet mazāki par nanometru izmēra struktūrām, kas ražotas ar moderniem litogrāfijas līdzekļiem elektronikas rūpniecībā.

Analoģija ar atomfiziku (bet ar enerģijas skalas saspiešanu 10 000 reizes!) ļauj pētīt “atomam līdzīgu fiziku”, izmantojot laboratorijas apstākļos pieejamos magnētiskos laukus.

KVANTTU ​​PUNKTU VAR ​​IZVEIDOT, ARĪ

• koloidālās ķīmiskās vielas
• kontrolēta sacietēšana epitaksijas augšanas laikā
• lieluma svārstības parastajās kvantu urbumos
• nanoražošana

KOLOIDĀLIE PUNKTI

Koloidālie punkti ir brīvi, t.i. tie nav aprakti citā pusvadītājā. Tādējādi viņi ir brīvi no spriedzes. Tie ir pārklāti ar organiskām molekulām, kas tiek izmantotas, lai mazie punktiņi augšanas laikā netiktu saritināti. Šo molekulu lielumu var kontrolēt augšanas laikā, un to forma tuvojas sfēriskai. Koloidālās tehnoloģijas ir diezgan dziļi izstrādātas galvenokārt jonu sistēmām II - IV (CdS, CdSe) un pēdējā laikā III - V grupas pusvadītājiem (InP, GaP, InAs). Pateicoties izcilajai izmēru daudzpusībai, var veikt augstas izšķirtspējas spektroskopiskus pētījumus. Pēdējais atklāja jaunus fiziskus efektus, tostarp ievērojamu elektronu caurumu apmaiņas mijiedarbības paplašināšanos attiecībā uz atbilstošām cietām vielām, ierosinātā stāvokļa lādiņa pārnesi, neparastu (masas) uzvedību zem spiediena (piemēram, aizkavētas fāzes pārejas) un definīciju līdz pat 10 ierosinātu stāvokļu elektronu caurumu pārejas. Tagad ir iespējams aizstāt organisko iegravēto apvalku ap šiem punktiem ar neorganiskiem pusvadītājiem - piemēram: CdSe (ZnS) - tādējādi veidojot serdes un apvalka struktūras. Tika izveidoti koloidālo punktu masīvi. Turklāt nesen ir kļuvušas iespējamas ievades struktūras, kas aizliedz ielādēt koloidālos kvantu punktus ar nesējiem, punktiem, kuru izmērs ir 6 nm.

KONTROLĒTA CIETĪBA

Materiāla A plēves kontrolēta sacietēšana, kas audzēta uz substrāta, kas izveidota no materiāla B, rada A salu, jo atšķirība starp A un B atomu izmēriem ir diezgan liela. A/B pāru piemēri ir InAs|GaAs un InP|GaInP. Ja metālorganisko ķīmisko iztvaikošanu vai molekulāro staru epitoksisko augšanu pārtrauc tieši pirms salu saplūšanas, var iegūt pārsteidzoši daudzpusīgu materiāla A punktu kopumu.

Šo punktu formas ir ļoti dažādas. Tie parādās piramīdu formā, bet uzkrāšanās maina formu un sastāvu. Parasti var iegūt tikai nelielu skaitu izmēru. Spektroskopiskās un transporta izmaiņas šajos punktos atklāja vairāku eksitonu pārejas (vairāki elektroni un vairāki caurumi, kas sabrūk kopā). Ir atklāti arī Kulona blokādes efekti, kur punkta noslogošana ar elektroniem izraisa Kulona elektronu atgrūšanu no citiem elektroniem, tāpēc elektronu pievienošanai nepieciešams palielināts ieejas spriegums. Pašsamontētu punktu vertikālā izlīdzināšana pašlaik ir daudzsološa punktveida tīklu ģenerēšanai un ierīču lietojumiem.

IZMĒRU SVĀRSTĪBAS KVANTU AKAS

Izmēru svārstības kvantu akās izjauc periodiskumu abos paplašinātajos virzienos, tādējādi izraisot punkta veidošanos. Formas un izmēra kontrole ir diezgan sarežģīta, taču jutības kvalitāte ir tik laba, ka var novērot ārkārtīgi precīzas spektroskopiskās pazīmes. Faktiski daudzi no nesenajiem viena punkta spektroskopijas un nanonukleārās magnētiskās rezonanses vai nanofotoluminescences sasniegumiem ir vērsti uz šāda veida punktiem.

NANOPRODUKCIJA

Kvantu punktu nanoapstrāde ir ideāli piemērota, lai pētītu transporta īpašības, piemēram, novērotu elektronu pāreju atsevišķi punktos. Tas atklāj skaistu pāreju secību, pārkārtojot atomu fiziku savā atlases noteikumā, bet uz milielektronvoltu enerģijas skalas (apmēram 10eV vietā). Analoģija ar atomfiziku (bet ar enerģijas skalas saspiešanu 10 000 reizes!) ļauj pētīt “atomam līdzīgu fiziku”, izmantojot laboratorijas apstākļos pieejamos magnētiskos laukus.

Kvantu punkti ļauj pētīt parastās kvantu struktūras, par kurām var lasīt mācību grāmatā, laboratorijas apstākļos (piemēram, “daļiņa kastē”) pie maksimālās nulles dimensijas robežas (t.i., bez periodiskuma) un izpētīt neparastu uzvedību, kas var būt jaunas koncepcijas dažādām ierīcēm. Starp pēdējiem ir ļoti ekonomiski kvantu lāzeri, gaismas diodes, saules baterijas un viena elektrona tranzistori. Tādējādi šī joma interesē kvantu fizikas teorētiķus, eksperimentētājus elektroskopijas, informācijas pārraides jomā un, iespējams, optoelektronikas jomas speciālistus. Patiesībā mūsdienās ir grūti atrast fizikas, ķīmijas vai materiālu zinātnes konferenci, kurā viens no galvenajiem jautājumiem nebūtu kvantu punktu jautājums.

1. Definīcijas un terminoloģija

2. Nanotehnoloģijas: izcelsmes un attīstības vēsture

3. Pamati

Skenējošās zondes mikroskopija

Nanomateriāli

Nanodaļiņas

Nanodaļiņu pašorganizēšanās

Aglomerātu veidošanās problēma

Mikro- un nanokapsulas

Nanotehnoloģiju sensori un analizatori

4. Pieteikumi nanotehnoloģijas

Medicīna un bioloģija

Automobiļu rūpniecībā

Lauksaimniecība

Ekoloģija

Kosmosa izpēte

Kibernētika

5. Sabiedrības attieksme pret nanotehnoloģiju

Nanotehnoloģijas ir starpdisciplināra fundamentālās un lietišķās zinātnes un tehnoloģijas joma, kas nodarbojas ar teorētisko pamatojumu kopumu, praktiskām izpētes, analīzes un sintēzes metodēm, kā arī metodēm tādu produktu ražošanai un lietošanai, kuriem ir noteikta atomu struktūra, kontrolējot atsevišķi atomi un molekulas.

Nanotehnoloģijas ir tehnoloģija nanometru mēroga objektu izpētei un darbam ar objektiem nanometra (milimetra miljonā daļa) kārtībā, kas ir salīdzināma ar atsevišķu molekulu un atomu izmēriem.

Definīcijas un terminoloģija

Tehniskajā komitejā ISO/TC 229 nanotehnoloģija nozīmē:

zināšanas un kontrole par procesiem, parasti 1 nm mērogā, bet neizslēdzot skalu zem 100 nm, vienā vai vairākās dimensijās, kur lieluma efekta (parādība) ieviešana rada jaunu pielietojumu iespēju;

objektu un materiālu īpašību izmantošana nanometru mērogā, kas atšķiras no brīvo atomu vai molekulu īpašībām, kā arī no vielas, kas sastāv no šiem atomiem vai molekulām, īpašībām, lai izveidotu progresīvākus materiālus, ierīces, sistēmas kas apzinās šīs īpašības.

Saskaņā ar “Attīstības koncepciju Krievijā darbojas nanotehnoloģiju jomā līdz 2010. gadam” (2004) nanotehnoloģijas tiek definētas kā metožu un paņēmienu kopums, kas nodrošina iespēju kontrolētā veidā radīt un modificēt objektus, tostarp komponentus, kuru izmēri ir mazāki par 100 nm, vismaz vienā dimensijā. , un tā rezultātā iegūstot principiāli jaunas īpašības, kas ļauj tās integrēt plašāka mēroga pilnībā funkcionējošās sistēmās.

Nanotehnoloģiju praktiskais aspekts ietver tādu ierīču un to sastāvdaļu ražošanu, kas nepieciešamas atomu, molekulu un nanodaļiņu radīšanai, apstrādei un manipulācijām ar tām. Saprotams, ka objektam nav obligāti jābūt vismaz vienam lineāram izmēram, kas mazāks par 100 nm – tie var būt makroobjekti, kuru atomu struktūra tiek kontrolēti kontrolēta ar izšķirtspēju atsevišķu atomu līmenī, vai tajos var būt nanoobjekti. Plašākā nozīmē šis termins aptver arī šādu objektu diagnostikas, raksturojuma un izpētes metodes.

Nanotehnoloģijas kvalitatīvi atšķiras no tradicionālajām disciplīnām, jo ​​šādos mērogos parastās, makroskopiskās vielas apstrādes tehnoloģijas bieži vien nav izmantojamas, un mikroskopiskās parādības, kas ir niecīgi vājas parastajos mērogos, kļūst daudz nozīmīgākas: atsevišķu atomu un molekulu vai agregātu īpašības un mijiedarbība. molekulu (piemēram, Van spēki -der Waals), kvantu efekti.

Nanotehnoloģijas un jo īpaši molekulārās tehnoloģijas ir jaunas, ļoti maz izpētītas disciplīnas. Lielākie šajā jomā prognozētie atklājumi vēl nav veikti. Tomēr notiekošie pētījumi jau dod praktiskus rezultātus. Progresīvu zinātnes sasniegumu izmantošana nanotehnoloģijā ļauj to klasificēt kā augsto tehnoloģiju.

Mūsdienu elektronikas attīstība virzās uz ierīču izmēra samazināšanas ceļu. Savukārt klasiskās ražošanas metodes pietuvojas savai dabiskajai ekonomiskajai un tehnoloģiskajai barjerai, kad iekārtas izmēri īpaši nesamazinās, bet ekonomiskās pieaug eksponenciāli. Nanotehnoloģijas ir nākamais loģiskais solis elektronikas un citu augsto tehnoloģiju nozaru attīstībā.

Nanotehnoloģijas ir loģisks mikrotehnoloģijas turpinājums un attīstība.

Mikrotehnoloģija, zinātnes apvienojums, kas pēta mikroobjektus un tehnoloģijas strādāt ar objektiem mikrometra (tūkstošdaļas milimetra) kārtībā, kļuva par pamatu mūsdienu mikroelektronikas radīšanai. Mobilie telefoni, datori, internets, dažāda sadzīves, industriālā un sadzīves elektronika, tas viss ir līdz nepazīšanai mainījis gan pasauli, gan cilvēkus.

Nanotehnoloģijas tikpat daudz mainīs pasauli. Nanotehnoloģija prasa ļoti lielu skaitļošanas jaudu, lai modelētu atomu uzvedību, un augstas precizitātes elektriskās un mehāniskās ierīces, lai jaunos veidos sakārtotu dažādu materiālu atomus un molekulas. Tādā veidā tiek radīta jauna viela. Pirmo reizi civilizācijas vēsturē tiek radīti materiāli ar jaunām īpašībām, kas nepieciešamas cilvēkiem. Uzskaitīsim tikai dažus no tiem. Tas ir caurspīdīgs un elastīgs materiāls ar plastmasas vieglumu un tērauda cietību, elastīgs plastmasas pārklājums, kas ir saules baterija, materiāls elektriskā akumulatora elektrodam, kas ir desmitiem un simtiem reižu stiprāks par parasto. .

Pat mūsdienu līmenī nanotehnoloģijas ļauj iegūt elastīgus plastmasas ekrānus ar papīra loksnes biezumu un moderna monitora spilgtumu, kompaktu elektroniku, kuras pamatā ir oglekļa savienojumi, kuru izmēri un enerģijas intensitāte ir simtiem reižu zemāka nekā mūsdienu. Nanotehnoloģijas nozīmē arī vieglus un elastīgus konstrukcijas un celtniecības materiālus, ļoti efektīvus gaisa un ūdens filtrus, zāles un kosmētiku, kas darbojas dziļāk, strauju kosmosa lidojumu izmaksu samazinājumu un daudz ko citu.

Līdz šim visi nanotehnoloģiju materiāli ir ļoti dārgi. Taču, tāpat kā datoru nozarē, masveida ražošana novedīs pie dramatiskiem cenu kompromisiem. Neredzamajā cīņā par peļņu un ietekmi, ko dos nanotehnoloģijas, galvenie spekulanti ir ASV un Krievija. Izraēla, Eiropas valstis un valstīm Latīņamerika strauji palielina savu potenciālu šajā jomā.

Diemžēl, neskatoties uz labu zinātnisko bāzi un lielu privāto kapitālu, Ukrainas zinātnes attīstība un pielietotie produkti pasaulē ir vāji pārstāvēti.

Nanotehnoloģiju attīstībai īpaši svarīgas ir nacionālās zinātniskās nanotehnoloģiju programmas. Izstrādāti vairāk nekā 50 valstīm paziņoja par savu nanotehnoloģiju programmu uzsākšanu.

Nanotehnoloģijas: izcelsmes un attīstības vēsture

Daudzi avoti, galvenokārt angļu valodā, saista pirmo pieminēšanu par metodēm, kuras vēlāk nosauks par nanotehnoloģiju, ar Ričarda Feinmena slaveno runu “There’s Plenty of Room at the Bottom”, ko viņš teica 1959. gadā Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā ikgadējā sanāksmē. Amerikas Fizikas biedrības.

Ričards Feinmens ierosināja, ka varētu būt iespējams mehāniski pārvietot atsevišķus atomus, izmantojot atbilstoša izmēra manipulatoru, vismaz šāda izmēra process nebūtu pretrunā pašlaik zināmajiem fiziskajiem likumiem.

Viņš ieteica veikt šo manipulatoru šādā veidā. Ir nepieciešams izveidot mehānismu, kas radītu sev kopiju, tikai par kārtu mazāku. Izveidotajam mazākajam mehānismam atkal jārada sava kopija, atkal par kārtu mazāka un tā tālāk, līdz mehānisma izmēri ir samērojami ar viena atoma kārtas izmēriem. Šajā gadījumā būs jāveic izmaiņas šī mehānisma struktūrā, jo gravitācijas spēki, kas darbojas makrokosmosā, ietekmēs arvien mazāk, un starpmolekulārās mijiedarbības spēki un van der Vāla spēki arvien vairāk ietekmēs mehānisma darbību. mehānisms. Pēdējais posms - iegūtais mehānisms saliks savu kopiju no atsevišķiem atomiem. Principā šādu kopiju skaits ir neierobežots, īsā laikā būs iespējams izveidot patvaļīgu skaitu šādu iekārtu. Šīs mašīnas varēs montēt makro lietas tādā pašā veidā, ar atomu montāžu. Tas padarīs lietas daudz lētākas – šādiem robotiem (nanorobotiem) vajadzēs dot tikai nepieciešamo molekulu skaitu un enerģiju, un uzrakstīt programmu nepieciešamo priekšmetu salikšanai. Pagaidām šo iespēju neviens nav spējis atspēkot, taču arī šādus mehānismus nevienam vēl nav izdevies izveidot. Šādi R. Feinmans aprakstīja savu iespējamo manipulatoru:

Es domāju par elektriski vadāmas sistēmas izveidi, kas izmanto tradicionāli ražotus "servisa robotus" četras reizes mazāku operatora "roku" kopiju veidā. Šādi mikromehānismi varēs viegli veikt darbības samazinātā mērogā. Es runāju par sīkiem robotiem, kas aprīkoti ar servomotoriem un maziem "ieročiem", kas spēj pievilkt tikpat mazas skrūves un uzgriežņus, urbt ļoti mazus caurumus utt. Īsāk sakot, tie spēs veikt visu darbu mērogā 1:4. Lai to izdarītu, protams, vispirms ir jāsagatavo nepieciešamie mehānismi, instrumenti un manipulācijas rokas līdz vienai ceturtdaļai no ierastā izmēra (patiesībā ir skaidrs, ka tas nozīmē visu saskares virsmu samazināšanu 16 reizes). Pēdējā posmā šīs ierīces tiks aprīkotas ar servomotoriem (ar 16 reizes samazinātu jaudu) un savienotas ar parasto elektrisko vadības sistēmu. Pēc tam jūs varēsiet izmantot 16 reizes mazākas manipulatora rokas! Šādu mikrorobotu, kā arī mikromašīnu pielietojuma joma var būt diezgan plaša – no ķirurģiskām operācijām līdz radioaktīvo materiālu transportēšanai un apstrādei. Ceru, ka piedāvātās programmas princips, kā arī ar to saistītās negaidītās problēmas un aizraujošās iespējas ir skaidras. Turklāt jūs varat padomāt par turpmāku būtisku mēroga samazinājumu, kas, protams, prasīs turpmākas dizaina izmaiņas un modifikācijas (starp citu, noteiktā posmā jums var nākties atteikties no ierastās formas “rokas” ), bet dos iespēju ražot jaunas, daudz progresīvākas aprakstītā tipa ierīces. Nekas man neliedz to turpināt process un izveidojiet tik daudz sīku mašīnu, cik vēlaties, jo nav nekādu ierobežojumu attiecībā uz mašīnu izvietojumu vai to materiālu patēriņu. To apjoms vienmēr būs daudz mazāks par prototipa tilpumu. Ir viegli aprēķināt, ka 1 miljona mašīnu kopējais tilpums, kas samazināts par 4000 reižu (un līdz ar to ražošanā izmantoto materiālu masa), būs mazāks par 2% no parastās normālu izmēru mašīnas tilpuma un svara.

Ir skaidrs, ka tas nekavējoties novērš problēmu izmaksas materiāliem. Principā būtu iespējams organizēt miljoniem identisku miniatūru rūpnīcu, kurās sīkas mašīnas nepārtraukti urbtu caurumus, štancētu detaļas utt. Kļūstot mazākiem, mēs pastāvīgi saskarsimies ar ļoti neparastām fiziskām parādībām. Viss, ar ko jūs saskaraties dzīvē, ir atkarīgs no liela mēroga faktoriem. Turklāt pastāv arī materiālu “salipšanas” problēma starpmolekulāro mijiedarbības spēku (tā saukto van der Vālsa spēku) ietekmē, kas var izraisīt makroskopiskā mērogā neparastus efektus. Piemēram, uzgrieznis neatdalīsies no skrūves, kad tas ir atskrūvēts, un atsevišķos gadījumos "pielips" cieši pie virsmas utt. Ir vairākas šāda veida fiziskas problēmas, kas jāņem vērā, projektējot un būvējot mikroskopiskus mehānismus.

Šīs iespējas teorētiskās izpētes laikā radās hipotētiski pastardienas scenāriji, kuros tiek pieņemts, ka nanoroboti absorbēs visu Zemes biomasu, īstenojot savu pašvairošanās programmu (tā saukto “pelēko sūciņu” jeb “pelēko putru”).

Pirmie pieņēmumi par iespēju pētīt objektus atomu līmenī ir atrodami Īzaka Ņūtona grāmatā “Optika”, kas izdota 1704. gadā. Grāmatā Ņūtons pauž cerību, ka nākotnes mikroskopi kādu dienu spēs izpētīt "ķermeņu noslēpumus".

Terminu “nanotehnoloģija” pirmo reizi izmantoja Norio Taniguči 1974. gadā. Viņš izmantoja šo terminu, lai aprakstītu tādu komerciālu priekšmetu ražošanu, kuru izmērs ir nanometru secībā. Astoņdesmitajos gados Ēriks K. Drekslers lietoja šo terminu, jo īpaši savā 1986. gada grāmatā "Radīšanas dzinēji: Nanotehnoloģiju ēra". Viņš izmantoja šo terminu, lai atsauktos uz jaunu zinātnes jomu, ko viņš pētīja savā doktora disertācijā Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā (MIT). Pēc tam viņš publicēja sava pētījuma rezultātus grāmatā Nanosistēmas: molekulārās iekārtas, ražošana un aprēķini. Viņa pētījumos lielu lomu spēlēja matemātiskie aprēķini, jo ar to palīdzību joprojām ir iespējams analizēt hipotētiskās īpašības un izstrādāt ierīces ar izmēriem nanometru kārtībā.

Būtībā pašlaik tiek apsvērta iespēja mehāniski manipulēt ar molekulām un izveidot pašreplicējošus manipulatorus šiem nolūkiem.

Kā jau tika teikts, tas ļaus daudzkārt samazināt jebkura esošā produkta izmaksas un radīt principiāli jaunus, atrisinot visas esošās vides problēmas. Arī šādiem manipulatoriem ir milzīgs medicīniskais potenciāls: tie spēj salabot bojātās cilvēka šūnas, kas faktiski noved pie cilvēka reālas tehniskās nemirstības. No otras puses, nanomanipulatoru izveide var novest pie “pelēko dūņu” scenārija. Viņi arī iesaka iespējamo scenāriju, kad noteikta cilvēku grupa iegūst pilnīgu kontroli pār šādu manipulatoru un izmanto to, lai pilnībā apliecinātu savu pozīciju pār citiem cilvēkiem. Ja šis scenārijs piepildīsies, rezultāts būs ideāls, kuru, šķiet, nebūs iespējams iznīcināt.

Vispilnīgākā NT definīcija ir sniegta nacionālās nanotehnoloģiju iniciatīvas materiālos ASV:

NT - zinātniskā izpēte un tehnoloģiju attīstība atomu, molekulārā vai makromolekulārā līmenī ar subnanometra skalu pa vienu vai vairākām koordinātām, lai nodrošinātu fundamentālu izpratni par materiālu parādībām un īpašībām šādos izmēros, kā arī konstrukciju, ierīču un ierīču ražošanai un izmantošanai. sistēmas, kurām ir jaunas īpašības un funkcijas to mazā izmēra dēļ.

Vienlaikus darbs liecina, ka NT pamati tika likti 19. gadsimta otrajā pusē saistībā ar koloidālās ķīmijas attīstību. 1857. gadā M. Faradejs bija pirmais, kurš ieguva stabilus koloidālos zelta šķīdumus (solus), kuriem bija sarkana krāsa. 1861. gadā T. Grehemam izdevās sarecēt solus un pārvērst tos želejos. Viņš arī ieviesa vielu iedalījumu pēc struktūras dispersijas pakāpes koloidālajā (amorfā) un kristaloīdā (kristāliskā).

Vielas kristāliskais vai amorfais stāvoklis ir atkarīgs, pirmkārt, no tās īpašībām un pēc tam no apstākļiem, kādos notiek pāreja uz cieto stāvokli.

1869. gadā ķīmiķis I. Borščovs izvirzīja hipotēzi, ka atkarībā no apstākļiem vielu var iegūt gan kristāliskā (tieksme veidot kristālus), gan koloidālā (amorfā) stāvoklī. Atbilstoši mainot apstākļus vielas pārejai cietā stāvoklī, ir iespējams iegūt tipiski amorfas vielas (gumiju, līmi, stiklu) kristāliskā stāvoklī un, otrādi, iegūt tipiski kristāliskas vielas (metālus un galda sāli) amorfā (stikliskā) stāvoklī.

Tā kā 19. gadsimtā objektu novērošanai un to izmēru mērīšanai bija tikai optiskie mikroskopi, kas neļāva atklāt daļiņas koloidālos šķīdumos un graudus koloidālajās vielās, vielas ar īpaši augstu dispersijas pakāpi, daļiņas, šķiedras, graudus un plēves. no kuriem nevar noteikt optiskajos mikroskopos ar izšķirtspēju 300 nm, izmantojot balto gaismu, un 150 nm, izmantojot ultravioleto gaismu.

1892. gadā D. Ivanovskis atklāja pirmo bioloģisko koloidālo daļiņu – tabakas mozaīkas slimības vīrusu, bet 1901. gadā V. Rīds izdalīja pirmo cilvēka vīrusu – dzeltenā drudža vīrusu. Jāatzīmē, ka vīrusiem ir raksturīgi izmēri no 40 līdz 80 nm.

1903. gadā R. Zsigmondijs un R. Sīdentops izgudroja optisko ultramikroskopu, kura izšķirtspēja bija līdz 5 nm un ļāva novērot koloidālās daļiņas. Ultramikroskops ir veidots pēc novērošanas principa atstarotā gaismā, kā rezultātā kļūst redzami mazāki objekti nekā parastajā mikroskopā. Ar R. Zsigmondija ultramikroskopa palīdzību izdevās konstatēt, ka koloidālajos šķīdumos (solos) zelts dzelteno daļiņu izmērs ir 20 nm, sarkano - 40 nm un zilo - 100 nm.

1904. gadā P. Veimarns konstatēja: Starp molekulu pasauli un mikroskopiski redzamām daļiņām pastāv īpaša matērijas forma ar tai raksturīgu jaunu fizikāli ķīmisko īpašību kompleksu - ultradisperss jeb koloidāls stāvoklis, kas veidojas, kad tā dispersijas pakāpe ir apgabals 105-107 cm-1, kurā plēvēm ir biezums, un šķiedru un daļiņu diametrs ir diapazonā no 1,0 līdz 100 nm.

Vielas stāvokļa klasifikācija pēc dispersijas pakāpes dota 1. tabulā. Var redzēt, ka koloidālais stāvoklis ir vielas ārkārtīgi ļoti izkliedēts vai ultradisperss stāvoklis.

Visas izkliedētās sistēmas ir neviendabīgas, jo tās sastāv no nepārtrauktas nepārtrauktas fāzes - dispersijas vides un tajā esošās sasmalcinātās daļiņas - izkliedētās fāzes. To pastāvēšanas priekšnoteikums ir izkliedētās fāzes un dispersijas vides savstarpēja nešķīstība.

Koloidālās sistēmas bieži sauc par ultramikroheterogēnām, lai uzsvērtu, ka fāzu atdalīšanu tajās nevar noteikt, izmantojot optiskos mikroskopus. Ja izkliedētās fāzes daļiņām ir vienādi izmēri, sistēmas sauc par monodispersām, un, ja tās ir atšķirīgas, tad tās sauc par polidispersām sistēmām.

Vielu un materiālu īpašības ir atkarīgas no to struktūras, ko raksturo savstarpēji saistīti līmeņi, kas ietekmē šīs īpašības.

Pirmais struktūras līmenis tiek saukts par kristālisko un raksturo atomu, jonu un molekulu telpisko izvietojumu cietas vielas kristāliskajā režģī, ko var ietekmēt punktveida defekti (vakances, atomi starpposmos, sveši atomi). Punktu defekti ir mobili un lielā mērā nosaka materiālu, īpaši pusvadītāju, difūzijas un elektriskās īpašības.

Otrais līmenis ir saistīts ar dažādu lineāru un plakanu konstrukcijas defektu (dislokāciju) klātbūtni cietā vielā, kuru skaits uz tilpuma vienību palielinās mehāniskās slodzes ietekmē, izraisot iekšējo spriegumu parādīšanos materiālā. Tāpat kā punktu defekti, arī dislokācijas ir mobilas, un to blīvums un spēja kustēties cietā vielā nosaka materiālu mehāniskās īpašības, īpaši metāli.

Trešais struktūras līmenis ir tilpuma defekti, piemēram, poras un kapilāri, kas var rasties materiālos to veidošanās vai lietošanas laikā. Tie ir saistīti ar noteiktu cietā ķermeņa zonu neesamību.

Visas vielas cietā stāvoklī var iedalīt monokristāliskos, polikristāliskos, amorfos (vai nanokristāliskos) un molekulāros cietos šķīdumos.

Ja daļiņu (atomu, molekulu vai jonu) sakārtotais izvietojums, ko atspoguļo vienības šūna, tiek saglabāts visā cietās vielas tilpumā, tad veidojas monokristāli.

Ja struktūras sakārtotība tiek saglabāta makroskopiskā (>100 µm) un mikroskopiskā (> 0,1 µm) cietvielas zonā (skat. 1. tabulu), tad polikristāliskas vielas veidojas ar atbilstoša izmēra un telpiski tā sauktajiem kristalītiem jeb kristalīta graudiņiem. nepareizi orientēti viens pret otru kristāla režģi.

Līdz 80. gadu vidum tika uzskatīts, ka amorfām vielām trūkst sakārtota daļiņu izvietojuma. Tomēr pētījumi, kas veikti, izmantojot augstas izšķirtspējas elektronu pārraides, skenēšanas tunelēšanas un atomu spēka mikroskopus, īpaši uz metāla stikliem, ļāva amorfās vielās noteikt kristalītus vai graudus, kuru izmēri ir subnanometra diapazonā.

Tādējādi amorfām vielām un materiāliem ir raksturīga ultradispersa (koloidāla) kristāliskās fāzes graudu sadrumstalotības pakāpe, un tos var saukt par nanokristāliskiem.

Molekulāros cietos šķīdumos, tāpat kā šķidros šķīdumos, ko parasti sauc par īstiem šķīdumiem vai vienkārši šķīdumiem, sadalītā viela molekulārā līmenī tiek vienmērīgi sajaukta ar dispersijas vides molekulām. Tāpēc molekulāri cietie un šķidrie šķīdumi, kuriem nav fāžu vai saskarnes, ir viendabīgas sistēmas.

Vielas kristāliskais stāvoklis vienmēr ir stabilāks par amorfo (nanokristālisko) stāvokli, tāpēc iespējama spontāna pāreja no amorfā uz kristālisko stāvokli, bet otrādi nav. Piemērs ir devitrifikācija - spontāna stikla kristalizācija paaugstinātā temperatūrā.

Izkliedētās sistēmas, ieskaitot koloidālās, klasificē pēc dispersijas pakāpes, dispersās fāzes un dispersijas vides agregācijas stāvokļa, to savstarpējās mijiedarbības intensitātes, struktūru neesamības vai veidošanās.

Koloidālo sistēmu daudzveidība ir saistīta ar to, ka tās veidojošās fāzes var būt jebkurā no trim agregācijas stāvokļiem; ir neorganisks, organisks un bioloģisks raksturs. Atkarībā no dispersās fāzes un dispersijas vides agregācijas stāvokļa ir iespējami šādi 9 disperso sistēmu veidi:

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

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

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

kur G, F un T ir gāzveida, šķidrā un cietā stāvoklī, un skaitļi 1 un 2 attiecīgi attiecas uz izkliedēto fāzi un dispersijas vidi. Pēdējā tipa dispersajām sistēmām F1 un F2 apzīmē dažādas vienas vielas cietā stāvokļa fāzes (polimorfas modifikācijas).

Gāzveida dispersijas vidē var izkliedēt tikai šķidrumus un cietas vielas, jo visas gāzes bezgalīgi šķīst viena otrā pie ne pārāk augsta spiediena.

Disperģētas sistēmas ar gāzveida dispersijas vidi sauc par aerosoliem. Miglas ir aerosoli ar šķidru izkliedētu fāzi (L1 - G2), un dūmi ir aerosoli ar cietu izkliedētu fāzi (T1 - G2). Vienkāršākais aerosola piemērs ir tabakas dūmi, kuru vidējais daļiņu izmērs ir 250 nm, savukārt kvēpu vai vulkānisko pelnu daļiņu izmērs var būt mazāks par 100 nm, un to aerosoli pieder pie ultrasmalkajām (koloidālajām) sistēmām.

Gāzes, šķidrumus un cietas vielas var izkliedēt šķidrā dispersijas vidē. Putas ir gāzes dispersija šķidrumā (G1 - G2). Emulsijas ir izkliedētas sistēmas, kurās viens šķidrums tiek sasmalcināts citā šķidrumā, kas to nešķīdina (L1 - L2). Ķīmijā un bioloģijā vislielākā nozīme ir koloidālajām sistēmām, kurās dispersijas vide ir šķidrā fāze, bet izkliedētā fāze ir cieta viela (T1 - L2), ko sauc par koloidālajiem šķīdumiem vai zoliem, bieži vien liosoliem. Ja dispersijas vide ir ūdens, tad šādus solus sauc par hidrosoliem, un, ja organisks šķidrums, tad tos sauc par organosoliem. Koloidālie šķīdumi ir ļoti svarīgi, jo daudzi dzīvajos organismos notiekošie procesi ir saistīti ar tiem.

Gāzes, šķidrumus un cietas vielas var izkliedēt cietā dispersijas vidē. Sistēmas (G1 - T2) sauc par cietajām putām vai kapilāri dispersām sistēmām, kurās gāze ir atsevišķu slēgtu šūnu veidā, kas atdalītas ar cietu dispersijas vidi. Cietās putas ietver putupolistirolu, putu betonu, pumeku, izdedžus, metāli ar gāzu iekļaušanu, dažādi poraini materiāli (aktivētā ogle, silikagels, koks), kā arī membrānas un diafragmas, fotoniskā kristāla šķiedras, āda, papīrs, audumi.

Sistēmā (G1 - T2) ietilpst plaša kristālisko hidrātu klase - kristāli, kas satur kristalizācijas ūdens molekulas. Tipiski kristāliskie hidrāti ir daudzi dabiskie minerāli, piemēram, ģipsis CaSO4∙2H2O, karnalīts MgCl2∙KCl∙6H2O, kālija alauns KAl(SO4)2·12H2O.

Liela praktiska nozīme ir dispersajām (T1 - T2) tipa sistēmām, kas ietver svarīgākos būvmateriālus, metālkeramikas kompozīcijas, dažus sakausējumus, emaljas, virkni minerālu, jo īpaši dažus dārgakmeņus un pusdārgakmeņus, daudzus iežus. kurā magmai sastingstot izdalījās kristāli .

Krāsainie stikli veidojas metālu nanodaļiņu vai to oksīdu dispersijas rezultātā silikāta stiklā. Emaljas ir silikāta stikli ar SnO2, TiO2 un ZrO2 pigmentu ieslēgumiem, kas piešķir emaljām necaurredzamību un krāsu.

Tādējādi koloīdi netiek saprasti kā atsevišķa vielu klase, bet gan kā jebkuras vielas īpašs stāvoklis, ko, pirmkārt, raksturo noteikti daļiņu izmēri. Cietas vielas nanostrukturēšana jāsaprot kā vielas vai materiāla pāreja koloidālā (ultradispersā) stāvoklī, t.i. subnanometru izmēru fizikālo vai ķīmisko fāžu izveide struktūrā, ko var uzskatīt par savdabīgām nanodaļiņām, kas ar saskarnēm atdalītas no pārējās struktūras.

Šādas nanodaļiņas papildus mehāniski izkliedētiem nanopulveriem ir:

Nanokristāliski graudi;

Nano izmēra polimorfās fāzes;

Nano izmēra konstrukcijas defekti (nanobloki);

Virsmas nanostruktūras (bedrītes, izvirzījumi, rievas, sienas);

Tilpuma nanostruktūras (poras un kapilāri);

Svešu atomu vai molekulu nanoizmēra ķīmiskās fāzes, kas veidojas uz tās virsmas vai tilpumā un kurām ir šķiedraina vai korpuskulāra forma;

Nanoizmēra struktūras, kas veidojas fizikālās vai ķīmiskās nogulsnēšanās rezultātā no gāzes vai šķidrās fāzes (fullerēni, oglekļa nanocaurules);

Periodiskā secībā veidotas nanoizmēra vielu plēves;

Makromolekulas, polimolekulārie mezgli, molekulārās plēves, “saimnieka-viesa” tipa molekulārie kompleksi (izmēru sadalījuma klātbūtne ir pazīme, kas atšķir nanodaļiņas no makromolekulām); nano izmēra un nanostrukturētas bioloģiskās struktūras (vīrusi, proteīni, gēni, olbaltumvielas, hromosomas, DNS un RNS molekulas).

Vielas koloidālais stāvoklis ir kvalitatīvi īpaša tās pastāvēšanas forma ar raksturīgu fizikāli ķīmisko īpašību kompleksu. Šī iemesla dēļ dabaszinātņu nozare, kas pēta objektīvos fizikālos un ķīmiskos likumus neviendabīgai ultradispersai vielas stāvoklim, lielmolekulāriem savienojumiem ( polimēri, kompleksie savienojumi un molekulārie mezgli) un starpfāzu virsmas, kas divdesmitā gadsimta sākumā izveidojās par neatkarīgu disciplīnu – koloidālo ķīmiju.

Koloidālās ķīmijas straujā attīstība ir saistīta ar šīs zinātnes pētīto parādību un procesu lielo nozīmi dažādās cilvēku prakses jomās. Tādas it kā pilnīgi atšķirīgas jomas kā dzīvības procesi organismos, daudzu minerālu veidošanās, augšņu struktūra un produktivitāte ir cieši saistītas ar vielas koloidālo stāvokli. Koloidālā ķīmija ir arī daudzu materiālu rūpnieciskās ražošanas indeksu zinātniskais pamats.

Attīstoties tehniskajiem līdzekļiem nanoobjektu veidošanai un manipulācijām, kā arī to izpētes metodēm, koloīdu ķīmijā sāka veidoties specializētākas disciplīnas, piemēram, ķīmija. polimēri un virsmas fizikālā ķīmija (1950. gadu beigas), supramolekulārā ķīmija (70. gadu beigas).

Nanoizmēra un nanostrukturētu bioloģisko struktūru (olbaltumvielu, gēnu, hromosomu, proteīnu, aminoskābju, DNS, RNS) izpēte un izpēte, kas ir ultradisperso sistēmu bioloģijas priekšmets, noveda pie virusoloģijas radīšanas 30.-50. molekulārā bioloģija un divdesmitā gadsimta pēdējā ceturksnī ģenētika un imūnķīmija.

Ja materiāla izmēri vismaz vienā dimensijā ir mazāki par kritiskajiem garumiem, kas raksturo daudzas fizikālās parādības, šāds materiāls iegūst jaunas unikālas kvantu mehāniskas dabas fizikālās un ķīmiskās īpašības, kuras pēta un izmanto jaunu ierīču radīšanai. mazdimensiju struktūru fizika, kas ir visdinamiskāk attīstošā mūsdienu cietvielu fizikas ķermeņu joma.

Zemu dimensiju sistēmu (kvantu urbumu, vadu un punktu) pētījumu rezultāts bija fundamentāli jaunu parādību atklāšana - vesela un daļēja kvantu Hola efekts divdimensiju elektronu gāzē, kvazidimensiju elektronu Vīgnera kristalizācija un caurumi, jaunu kompozītmateriālu kvazidaļiņu atklāšana un elektroniskie ierosinājumi ar frakcionētiem lādiņiem.

Koloīdu ķīmijas nozare, kas pēta materiālu un izkliedētu struktūru deformācijas, iznīcināšanas un veidošanās procesus, ir attīstījusies par cietvielu un ultradisperso struktūru fizikālo un ķīmisko mehāniku. Tā veidojusies divdesmitā gadsimta vidū, pateicoties akadēmiķa P. Rebindera un viņa skolas darbam kā jaunām zināšanām, robežlīnijas koloidālajai ķīmijai, cietvielu molekulārfizikai, materiālu mehānikai un to ražošanas tehnoloģijai.

Fizikālās un ķīmiskās mehānikas galvenais uzdevums ir strukturālu materiālu izveide ar noteiktām īpašībām un optimālu struktūru to pielietojuma vajadzībām.

Vēl viena nozare, kas pēta un veido elementus, struktūras un ierīces subnanometru diapazonā, ir mikroelektronika, kurā var izdalīt nanoelektroniku (integrālo shēmu izstrāde un ražošana ar subnanometra izmēra elementiem - integrētām nanoshēmām (INS), molekulārā elektronika, nanostrukturētu materiālu funkcionālā elektronika un nanoelektromehāniskās sistēmas (NEMS).

Apkopojot iepriekš minēto, kā arī pamatojoties uz darbā veikto analīzi, varam formulēt NT definīciju: nanotehnoloģija ir kontrolēta vielu un materiālu ražošana koloidālā (ultradispersā, nanostrukturētā ar strukturālo elementu izmēriem diapazonā). 1,0-100 nm) stāvokli, izpētīt un mērīt to īpašības un raksturlielumus un to izmantošanu dažādās nozares zinātne, tehnoloģija un nozare.

Visi termini, kas saistīti ar vielas struktūras koloidālā (nanostrukturētā) līmeņa izveidi un izpēti ar zīmolu “nanotehnoloģija”, automātiski saņēma priedēkli “nano”, lai gan līdz 80. gadu vidum tos attiecīgi sauca: mehānika, fotonika, kristalogrāfija. , ķīmijas, bioloģijas un elektronikas īpaši smalkas vai koloidālās sistēmas; un tika nosaukti to izpētes objekti: ultrasmalkie pulveri un kompozītmateriāli, aero-, hidro- un organosoli, atgriezeniski un neatgriezeniski gēli, īpaši smalka keramika u.c.

Interese par vielas koloidālo stāvokli ar zīmolu “nanotehnoloģija” pēdējo 20 gadu laikā ir saistīta, pirmkārt, ar tās unikālajām īpašībām un, otrkārt, ar tehnoloģisko un kontroles iekārtu izstrādi un izveidi, lai iegūtu un pētītu subproduktu. - matērijas struktūras nanomēroga līmenis: tās fizika, ķīmija un bioloģija.

Tā vietā, lai atklātu jaunus materiālus un parādības, izmantojot serendipity vai haotiskus pētījumus, kontrolēta vielas pārveidošana nanostrukturētā (koloidālā) stāvoklī, ko sauc par nanotehnoloģiju koncepciju, ļauj to darīt sistemātiski. Tā vietā, lai, izmantojot intuīciju, atrastu nanodaļiņas un nanostruktūras ar labām īpašībām, zināšanas par ultradisperso sistēmu veidošanās un stabilizācijas likumiem paver iespēju to mākslīgi veidot atbilstoši konkrētai sistēmai.

Īpaši interesanti bija pilnīgi jaunu īpašību iegūšana dažām labi zināmām vielām nanomēroga izmēros.

Nanostrukturētas (koloidālās) sistēmas atbilstoši to starpstāvoklim starp atomu un molekulu pasauli un mikroskopisko un makroskopisko ķermeņu pasauli var iegūt divos galvenajos veidos: dispersijas, t.i. lielu sistēmu slīpēšana (sasmalcināšana), un kondensācija, t.i. nanosistēmu veidošanās no atomiem, molekulām, kopām un nanostruktūrām.

Metodes nanostrukturētu sistēmu iegūšanai, izmantojot pirmo ceļu, sauc par dispersiju, bet otro – par kondensāciju. Ir jauktas metodes nanostrukturētu sistēmu ražošanai, kuras attiecīgi sauc par dispersiju-kondensāciju un kondensāciju-dispersiju.

Tradicionālajā nanoelektronikā integrēto nanoshēmu (ANC) izgatavošanas laikā, izmantojot klasisko CMOS tehnoloģiju, kontrolēta funkcionālo slāņu (FL) nanostrukturēšana uz silīcija plāksnēm tiek nodrošināta ar projekcijas (foto veidnes un nanozīmogi) maskas (rezistīvās maskas) litogrāfisko rakstību.

Šajā gadījumā tiek izmantota stratēģiskā dispersijas pieeja vai lejupejoša pieeja, t.i. Nevajadzīgo FS vietu lokāla noņemšana tiek veikta, tos kodinot. Konstrukcijas elementu izmēru reproducēšanas precizitāte horizontālajā plaknē tiek nodrošināta, izmantojot litogrāfijas procesos veidotās pretestības maskas.

Šajā sakarā, uzsverot izmantoto stratēģisko izkliedi vai lejupejošo pieeju, tradicionālo rūpniecisko nanoelektroniku ērtāk sauc par D-nanoelektroniku.

Kondensācijas metodes (nelitogrāfiskās sintēzes metodes), kas izmanto augšupēju pieeju nanostrukturētu sistēmu iegūšanai, var iedalīt divās grupās: tradicionālās un jaunās, kas radītas jaunāko nanotehnoloģiju sasniegumu ietvaros.

Pamatnoteikumi

Skenējošās zondes mikroskopija

Viena no nanoobjektu pētīšanas metodēm ir skenējošās zondes mikroskopija. Skenējošās zondes mikroskopijas ietvaros tiek realizētas gan neoptiskās, gan optiskās tehnikas.

Virsmas īpašību pētījumi, izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu (SPM), tiek veikti gaisā atmosfēras spiedienā, vakuumā un pat šķidrumā. Dažādas SPM tehnikas ļauj pētīt gan vadošus, gan nevadošus objektus. Turklāt SPM atbalsta kombināciju ar citām pētniecības metodēm, piemēram, klasisko optisko mikroskopiju un spektrālajām metodēm.

Izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu (SPM), jūs varat ne tikai redzēt atsevišķus atomus, bet arī selektīvi tos ietekmēt, jo īpaši pārvietot atomus pa virsmu. Ar šo metodi zinātniekiem jau ir izdevies uz virsmas izveidot divdimensiju nanostruktūras. Piemēram, IBM pētniecības centrā, secīgi pārvietojot ksenona atomus uz niķeļa monokristāla virsmas, darbinieki varēja izkārtot trīs logotipa burtus. kompānijas izmantojot 35 ksenona atomus.

Veicot šādas manipulācijas, rodas vairākas tehniskas grūtības. Jo īpaši ir nepieciešams radīt īpaši augstu vakuuma apstākļus (10-11 torr), nepieciešams atdzesēt substrātu un mikroskopu līdz īpaši zemai temperatūrai (4-10 K), substrāta virsmai jābūt atomiski tīrai un atomiski gluda, kurai tiek izmantotas īpašas tā sagatavošanas metodes. Substrāts tiek atdzesēts, lai samazinātu nogulsnēto atomu virsmas difūziju.

Nanomateriāli

Nanomateriāli ir materiāli, kas strukturēti molekulārā izmēra līmenī vai tuvu tam. Struktūra var būt vairāk vai mazāk regulāra vai nejauša. Virsmas ar nejaušu nanostruktūru var iegūt, apstrādājot ar daļiņu stariem, plazmas kodināšanu un dažām citām metodēm.

Kas attiecas uz parastajām struktūrām, nelielus virsmas laukumus var strukturēt “no ārpuses” - piemēram, izmantojot skenēšanas zondes mikroskopu (skatīt zemāk). Taču diezgan lielus (~1 μ2 vai vairāk) laukumus, kā arī vielas tilpumus var strukturēt, acīmredzot, tikai ar molekulu pašsavienošanās metodi.

Pašsavienošanās ir plaši izplatīta dzīvajā dabā. Visu audu struktūru nosaka to pašsavienošanās no šūnām; Šūnu membrānu un organellu struktūru nosaka pašsavienošanās no atsevišķām molekulām.

Molekulāro komponentu pašmontāža tiek izstrādāta kā veids, kā izveidot periodiskas struktūras nanoelektronisko ķēžu izgatavošanai, un ir panākts ievērojams progress.

Medicīnā materiālus ar nanostrukturētu virsmu var izmantot noteiktu audu aizstāšanai. Ķermeņa šūnas atpazīst šādus materiālus kā “savējos” un pievienojas to virsmai.

Pašlaik ir panākts progress tādu nanomateriālu ražošanā, kas imitē dabiskos kaulaudus. Tādējādi zinātnieki no Ziemeļrietumu universitātes ( ASV) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp un citi izmantoja trīsdimensiju pašsavienojumu no šķiedrām, kuru diametrs ir aptuveni 8 nm, atdarinot dabiskās kolagēna šķiedras, kam sekoja mineralizācija un hidroksilapatīta nanokristālu veidošanās, kas orientēti gar šķiedrām. Pašu kaulu šūnas bija labi piestiprinātas iegūtajam materiālam, kas ļauj to izmantot kā “līmi” vai “špakteli” kaulaudiem.

Interesanti ir arī tādu materiālu izstrāde, kuriem ir pretēja īpašība: tie neļauj šūnām piestiprināties pie virsmas. Viens no iespējamiem šādu materiālu pielietojumiem varētu būt bioreaktoru ražošana cilmes šūnu audzēšanai. Fakts ir tāds, ka, piestiprinoties pie virsmas, cilmes šūna cenšas diferencēties, veidojot noteiktas specializētas šūnas. Materiālu ar nanomēroga virsmas struktūru izmantošana, lai kontrolētu cilmes šūnu proliferācijas un diferenciācijas procesus, ir milzīgs pētniecības lauks.

Nanoporu membrānas var izmantot mikrokapsulās zāļu piegādei un citiem mērķiem. Tādējādi tos var izmantot ķermeņa šķidrumu filtrēšanai no kaitīgām vielām un vīrusiem. Membrānas var aizsargāt nanosensorus un citas implantējamas ierīces no albumīna un līdzīgām pārklājuma vielām.

Nanodaļiņas

Mūsdienu tendence uz miniaturizāciju ir parādījusi, ka vielai var būt pilnīgi jaunas īpašības, ja paņem ļoti mazu šīs vielas daļiņu. Daļiņas, kuru izmērs ir no 1 līdz 100 nanometriem, parasti sauc par "nanodaļiņām". Piemēram, izrādījās, ka dažu materiālu nanodaļiņām ir ļoti labas katalītiskās un adsorbcijas īpašības. Citi materiāli uzrāda pārsteidzošas optiskās īpašības, piemēram, saules bateriju izgatavošanai tiek izmantotas īpaši plānas organisko materiālu plēves. Šādas baterijas, lai gan tām ir salīdzinoši zema kvantu efektivitāte, ir lētākas un var būt mehāniski elastīgas. Ir iespējams panākt mākslīgo nanodaļiņu mijiedarbību ar dabīgiem nano izmēra objektiem – olbaltumvielām, nukleīnskābēm u.c. Rūpīgi attīrītas nanodaļiņas var pašas salikties noteiktās struktūrās. Šī struktūra satur stingri sakārtotas nanodaļiņas, un tai bieži ir arī neparastas īpašības.

Nanoobjekti tiek iedalīti 3 galvenajās klasēs: trīsdimensiju daļiņas, kas iegūtas, eksplodējot vadītājus, plazmas sintēzi, plānu kārtiņu reducēšanu utt.; divdimensiju objekti - plēves, kas ražotas ar molekulāro pārklāšanu, CVD, ALD, jonu nogulsnēšanos utt.; viendimensionāli objekti - ūsas, šos objektus iegūst ar molekulārās slāņošanas metodi, ievadot vielas cilindriskās mikroporās u.c.. Ir arī nanokompozīti - materiāli, ko iegūst, ievadot nanodaļiņas jebkurās matricās. Šobrīd plaši izmantota tikai mikrolitogrāfijas metode, kas dod iespēju uz matricu virsmas iegūt plakanas salas objektus ar izmēru 50 nm, to izmanto elektronikā; CVD un ALD metodi galvenokārt izmanto mikronu plēvju izveidošanai. Citas metodes galvenokārt izmanto zinātniskiem nolūkiem. Īpaši ievērības cienīgas ir jonu un molekulārās slāņošanas metodes, jo ar to palīdzību ir iespējams izveidot reālus monoslāņus.

Amerikānis organizācija C-Sixty Inc. Veic preklīniskos testus produktiem, kuru pamatā ir C60 fullerēna nanosfēras ar ķīmiskajām grupām, kas sakārtotas uz to virsmas. Šīs grupas var atlasīt, lai tās piesaistītos iepriekš atlasītiem bioloģiskiem mērķiem. Iespējamo pielietojumu klāsts ir ārkārtīgi plašs. Tā ietver cīņu pret vīrusu slimībām, piemēram, gripu un HIV, vēzi un neirodeģeneratīvām slimībām, osteoporozi un asinsvadu slimībām. Piemēram, nanosfēras iekšpusē var būt radioaktīvā elementa atoms, bet uz virsmas - grupas, kas ļauj tai pievienoties vēža šūnai.

Līdzīgas izstrādes tiek veiktas arī gadā Krievijas Federācija. Eksperimentālās medicīnas institūts (Sanktpēterburga) izmantoja fullerēna aduktu ar polivinilpirolidonu (PVP). Šis savienojums labi šķīst ūdenī, un tā struktūras dobumi ir līdzīgi C60 molekulām. Dobumus viegli piepilda fullerēna molekulas, kā rezultātā veidojas ūdenī šķīstošs adukts ar augstu pretvīrusu aktivitāti. Tā kā pašam PVP nav pretvīrusu efekta, visa aktivitāte tiek attiecināta uz C60 molekulām, kas atrodas aduktā.

Runājot par fullerēnu, tā efektīvā deva ir aptuveni 5 μg/ml, kas ir ievērojami mazāka nekā atbilstošais rādītājs rimantadīnam (25 μg/ml), ko tradicionāli lieto cīņā pret gripas vīrusu. Atšķirībā no rimantadīna, kas ir visefektīvākais agrīnā stadijā periodā infekcija, C60/PVP adduktam ir stabila iedarbība visā vīrusa reprodukcijas ciklā. Vēl viena konstruētās zāles īpatnība ir tā efektivitāte pret A un B tipa gripas vīrusiem, savukārt rimantadīns iedarbojas tikai uz pirmo tipu.

Nanosfēras var izmantot arī diagnostikā, piemēram, kā rentgena kontrastvielu, kas piestiprinās pie noteiktu šūnu virsmas un parāda to atrašanās vietu organismā.

Īpašu interesi rada dendrimeri. Tie ir jauna veida polimēri, kuriem ir zarojoša struktūra, nevis parasta lineāra struktūra.

Faktiski pirmais savienojums ar šādu struktūru tika iegūts jau 50. gados, un galvenās to sintēzes metodes tika izstrādātas galvenokārt 80. gados. Termins “dendrimeri” parādījās agrāk nekā “nanotehnoloģijas”, un sākumā tie nebija saistīti viens ar otru. Tomēr pēdējā laikā dendrimēri arvien biežāk tiek pieminēti to nanotehnoloģiju (un nanomedicīnas) lietojumu kontekstā.

Tas ir saistīts ar vairākām īpašām īpašībām, kas piemīt dendrimeru savienojumiem. Starp viņiem:

Paredzami, kontrolējami un reproducējami makromolekulu izmēri ar lielu precizitāti;

Kanālu un poru klātbūtne makromolekulās, kurām ir labi reproducējamas formas un izmēri;

Iespēja ļoti selektīvi iekapsulēt un imobilizēt zemas molekulmasas vielas, veidojot supramolekulāras “viesa saimnieka” konstrukcijas.

Nanodaļiņu pašorganizēšanās

Viens no svarīgākajiem jautājumiem, ar ko saskaras nanotehnoloģijas, ir tas, kā piespiest molekulas grupēties noteiktā veidā, pašorganizēties, lai galu galā iegūtu jaunus materiālus vai ierīces. Šo problēmu risina ķīmijas nozare - supramolekulārā ķīmija. Tā pēta nevis atsevišķas molekulas, bet mijiedarbību starp molekulām, kas var noteiktā veidā sakārtot molekulas, radot jaunas vielas un materiālus. Tas ir iepriecinoši, ka dabā patiešām pastāv līdzīgas sistēmas un līdzīgi procesi. Tādējādi ir zināmi biopolimēri, kas var organizēties īpašās struktūrās. Viens piemērs ir olbaltumvielas, kas var ne tikai salocīt lodveida formā, bet arī veidot kompleksus - struktūras, kas ietver vairākas olbaltumvielu molekulas (olbaltumvielas).

Jau pastāv sintēzes metode, kas izmanto DNS molekulas specifiskās īpašības. Ņem komplementāru DNS, pie viena no galiem pievieno molekulu A vai B. Mums ir 2 vielas: ----A un ----B, kur ---- ir nosacīts vienas DNS molekulas attēls. Tagad, ja sajaucat šīs 2 vielas, starp diviem atsevišķiem DNS pavedieniem veidojas ūdeņraža saites, kas piesaistīs molekulas A un B viena otrai. Aptuveni attēlosim iegūto savienojumu: ====AB. Pēc procesa pabeigšanas DNS molekulu var viegli noņemt.

Aglomerātu veidošanās problēma

Daļiņām, kuru izmēri ir aptuveni nanometri, vai nanodaļiņām, kā tās sauc zinātnieku aprindās, ir viena īpašība, kas ievērojami kavē to izmantošanu. Tie var veidot aglomerātus, tas ir, pielipt viens otram. Tā kā nanodaļiņas ir daudzsološas nozares keramikas ražošana, metalurģija, šī problēma ir jāatrisina. Viens no iespējamiem risinājumiem ir disperģējošu vielu izmantošana, piemēram, amonija citrāts (ūdens šķīdums), imidazolīns, oleīnspirts (ūdenī nešķīstošs). Tos var pievienot barotnei, kas satur nanodaļiņas. Tas ir sīkāk apspriests avotā "Organic Additives And Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (angļu valodā).

Mikro- un nanokapsulas

Priekš Piegāde Miniatūras (~1 μ) kapsulas ar nanoporām var izmantot, lai nogādātu zāles vēlamajā ķermeņa vietā. Līdzīgas mikrokapsulas jau tiek pārbaudītas Piegāde un fizioloģiski regulēta insulīna izdalīšanās 1. tipa diabēta gadījumā. Poru, kuru izmērs ir aptuveni 6 nm, izmantošana ļauj aizsargāt kapsulas saturu no organisma imūnsistēmas ietekmes. Tas ļauj ievietot insulīnu ražojošās dzīvnieku šūnas kapsulās, kuras citādi ķermenis atgrūstu.

Salīdzinoši vienkāršas konstrukcijas mikroskopiskās kapsulas var arī dublēt un paplašināt ķermeņa dabiskās iespējas. Šādas koncepcijas piemērs ir R. Freitas piedāvātais respirocīts - mākslīgais skābekļa un oglekļa dioksīda nesējs, kas savās spējās ievērojami pārspēj gan sarkanās asins šūnas, gan esošos asins aizstājējus (piemēram, uz fluoroglekļa emulsiju bāzes). Iespējamais respirocīta dizains tiks apspriests sīkāk tālāk.

Nanotehnoloģiju sensori un analizatori

Mikro- un nanotehnoloģiju izmantošana ļauj ievērojami palielināt spēju atklāt un analizēt ļoti mazus dažādu vielu daudzumus. Viens no šāda veida aparāta variantiem ir “laboratorija uz mikroshēmas”, tā ir plāksne, uz kuras virsmas sakārtoti ir sakārtoti receptori vēlamajām vielām, piemēram, antivielām. Molekulas piestiprināšana vielas nokļūšanu uz receptoru nosaka elektriski vai ar fluorescenci.Uz vienas plāksnes var novietot sensorus daudziem tūkstošiem vielu.

Šādu ierīci, kas spēj noteikt burtiski atsevišķas molekulas, var izmantot DNS bāzu vai aminoskābju secības noteikšanai (identifikācijas nolūkos, ģenētisko vai onkoloģisko slimību noteikšanai), infekcijas slimību patogēnu, toksisko vielu noteikšanai.

Dažus milimetrus lielu ierīci var novietot uz ādas virsmas (lai analizētu vielas, kas izdalās ar sviedriem) vai ķermeņa iekšpusē (mutē, kuņģa-zarnu traktā, zem ādas vai muskuļos). Tajā pašā laikā tā varēs ziņot par ķermeņa iekšējās vides stāvokli un signalizēt par aizdomīgām izmaiņām.

Nosauktajā Molekulārās bioloģijas institūtā. Engelhards no Krievijas Zinātņu akadēmijas ir izstrādājis sistēmu, kas paredzēta ātrai patogēna celma noteikšanai; Vienā mikroshēmā ir aptuveni simts dienasgaismas sensoru.

Interesantu ideju izstrādā vairākas pētnieku grupas vienlaikus. Tās būtība ir “izlaist” DNS (vai RNS) molekulu caur nanoporu membrānā. Poru lielumam jābūt tādam, lai DNS izietu cauri “iztaisnotā” veidā, vienu bāzi pēc otras. Elektriskā gradienta vai kvantu tunelēšanas strāvas mērīšana caur porām ļautu mums noteikt, kura bāze pašlaik iet cauri porām. Ierīce, kas balstīta uz šo principu, ļautu iegūt visu DNS secību vienā piegājienā.

Nanotehnoloģiju pielietojumi

Medicīna un bioloģija

Būs iespējams “ievadīt” dzīvā organismā atomu līmenī. Sekas var būt ļoti dažādas – no izmirušu sugu “atjaunošanas” līdz jauna veida dzīvo būtņu un biorobotu radīšanai. Molekulāro robotu ārstu izveide, kas “dzīvotu” cilvēka ķermenī, novēršot visus radušos bojājumus vai novēršot to rašanos, ieskaitot ģenētiskos bojājumus.

Pēc Mičiganas universitātes zinātnieku domām, pienāks diena, kad ar nanotehnoloģiju palīdzību cilvēka asins šūnās varēs iebūvēt mikroskopiskus sensorus, kas brīdinās par pirmajām radiācijas draudu pazīmēm vai kādas slimības attīstību.

Pēdējo gadu laikā Bioloģisko nanotehnoloģiju centra darbinieki doktora Džeimsa Beikera vadībā ir strādājuši pie mikrosensoru izveides, kas tiks izmantoti vēža šūnu noteikšanai organismā un cīņai pret šo briesmīgo slimību.

Jauna metode vēža šūnu atpazīšanai ir balstīta uz sīku sfērisku rezervuāru, kas izgatavoti no sintētiskiem polimēriem, ko sauc par dendrimeriem (no grieķu dendron — koks), implantēšanu cilvēka ķermenī. Šie polimēri tika sintezēti pēdējā desmitgadē, un tiem ir principiāli jauna, necieta struktūra, kas atgādina koraļļu vai koka struktūru. Šādus polimērus sauc par hiperzaru vai kaskādi. Tos, kuros zarošanās ir regulāra, sauc par dendrimeriem. Katras šādas sfēras jeb nanosensora diametrs sasniedz tikai 5 nanometrus - 5 miljarddaļas no metra, kas ļauj nelielā kosmosa laukumā novietot miljardus līdzīgu nanosensoru.

Nokļūstot ķermenī, šie sīkie sensori iekļūs limfocītos - balto asins šūnu, kas nodrošina ķermeņa aizsardzības reakciju pret infekciju un citiem slimību izraisošiem faktoriem. Limfoīdo šūnu imūnās atbildes reakcijas laikā uz noteiktu slimību vai vides stāvokli – piemēram, saaukstēšanos vai starojuma iedarbību – mainās šūnas proteīna struktūra. Katrs nanosensors, kas pārklāts ar īpašiem ķīmiskiem reaģentiem, ar šādām izmaiņām sāks fluorescēt vai spīdēt.

Lai redzētu šo mirdzumu, doktors Beikers un viņa kolēģi gatavojas izveidot īpašu ierīci, kas skenē acs tīkleni. Šādas ierīces lāzeram vajadzētu noteikt limfocītu mirdzumu, kad tie viens pēc otra iziet cauri fundusa šaurajiem kapilāriem. Ja limfocītos ir pietiekami daudz marķētu sensoru, būs nepieciešama 15 sekunžu skenēšana, lai noteiktu šūnu bojājumus, norāda zinātnieki.

Pati ideja vēl ir izpētes stadijā, taču tā jau ir piesaistījusi NASA vadības uzmanību, kas tālākai izpētei atvēlējusi 2 miljonus dolāru. NASA interesēja iespēja izveidot iepriekš aprakstītos sensorus, kas pastāvīgi uzrauga starojuma līmeni, kuram astronauts ir pakļauts, un jebkādu slimības vai infekcijas pazīmju parādīšanos viņa ķermenī.

Beikers sacīja, ka viņa komanda ir strādājusi pie līdzīgas tehnoloģijas vēža šūnu noteikšanai, taču pētījumi joprojām ir tālu no pabeigtiem. Pagaidām nav skaidrs, piemēram, kā būs iespējams noteikt nanosensoru spīdumu balto asinsķermenīšu šūnās, kad apkārt ir milzīgs daudzums tumšāku sarkano asins šūnu. Pētnieki jau ir guvuši zināmus panākumus laboratorijas eksperimentos ar šūnu kultūrām, un viņi šogad plāno jauno tehnoloģiju izmēģināt ar dzīvniekiem.

Mičiganas štata zinātnieki stāsta, ka ar nanotehnoloģiju palīdzību cilvēka asins šūnās būs iespējams iestrādāt mikroskopiskus sensorus, kas brīdinās par radiācijas pazīmēm vai slimību attīstību. Tātad ASV pēc NASA ierosinājuma notiek šādu nanosensoru izstrāde. Džeimss Beiners iztēlojas "nanocīņu" ar kosmisko starojumu: pirms palaišanas astronauts ar zemādas šļirci ievada gultiņā dzidru šķidrumu, kas piesātināts ar miljoniem nanodaļiņu; lidojuma laikā viņš ievieto ausī nelielu ierīci (piemēram, dzirdi). palīdzība). Lidojuma laikā šī ierīce izmantos nelielu lāzeru, lai meklētu mirdzošās šūnas. Tas ir iespējams, jo Šūnas iziet cauri bungādiņas kapilāriem. Šūnas tiks bezvadu režīmā pārsūtītas uz kosmosa kuģa galveno datoru un pēc tam apstrādātas. Ja kaut kas notiks, tiks veikti nepieciešamie pasākumi.

Tas viss var kļūt par realitāti aptuveni 5-10 gadu laikā. Zinātnieki ir izmantojuši nanodaļiņas vairāk nekā 5 gadus.

Tagad sensori, kas ir plānāki par cilvēka matu, var būt 1000 reižu jutīgāki nekā standarta DNS testi. Amerikāņu zinātnieki, kas izstrādāja šos nanosensorus, uzskata, ka ārsti varēs veikt veselu virkni dažādu testu, izmantojot tikai vienu asins pilienu. Viena no šīs sistēmas priekšrocībām ir iespēja nekavējoties nosūtīt analīzes rezultātus uz kabatas datoru. Pētnieki uzskata, ka būs nepieciešami aptuveni pieci gadi, lai izstrādātu pilnībā funkcionējošu nanosensoru modeli, ko ārsti varēs izmantot savā ikdienas darbā.

Ar nanotehnoloģiju palīdzību medicīna spēs ne tikai ārstēt jebkuru slimību, bet arī novērst tās rašanos, un spēs palīdzēt cilvēkiem adaptēties kosmosā.

Kad mehānisms pabeigs savu darbu, nanoārstiem būs jāizņem no cilvēka ķermeņa nanoroboti. Tāpēc risks, ka cilvēka organismā palikušie “novecojušie nanoroboti” nedarbosies pareizi, ir ļoti mazs. Nanoroboti būs jāizstrādā tā, lai izvairītos no darbības traucējumiem un samazinātu medicīniskās komplikācijas. Kā nanoroboti tiks izņemti no ķermeņa? Daži no tiem spēs pašizņemt no cilvēka ķermeņa pa dabīgiem kanāliem. Citi tiks veidoti tā, lai ārsti tos varētu noņemt. noņemšana būs atkarīga no konkrētā nanorobota konstrukcijas.

Tiek uzskatīts, ka primārais apdraudējums pacientam būs ārstējošā ārsta nekompetence. Taču kļūdas var gadīties arī neparedzētos gadījumos. Viens no gadījumiem varētu būt mijiedarbība starp robotiem, kad tie saduras. Šādus defektus būs grūti noteikt. Šī gadījuma ilustrācija var būt divu veidu nanorobotu A un B darbs cilvēka ķermenī. Ja nanorobots A noņems robota B darba sekas, tas novedīs pie atkārtota A darba, un tas turpināsies bezgalīgi, tas ir, nanoroboti koriģēs viens otra darbu. Lai šādas situācijas nerastos, ārstējošajam ārstam nepārtraukti jāuzrauga nanorobotu darbība un nepieciešamības gadījumā tie jāpārprogrammē. Tāpēc ļoti svarīgs faktors ir ārsta kvalifikācija.

Kā zināms, mūsu imūnsistēma reaģē uz svešķermeņiem. Tāpēc liela nozīme tajā būs nanorobota izmēram, kā arī virsmas raupjumam un ierīces mobilitātei. Tiek apgalvots, ka bioloģiskās saderības problēma nav īpaši sarežģīta. Izeja no šīs problēmas būs robotu izveide, pamatojoties uz dimanta materiāliem. Pateicoties spēcīgajai virsmas enerģijai un dimondoīda virsmai un tās spēcīgajam gludumam, robotu ārējais apvalks būs ķīmiski inerts.

Medicīnā nesen izmantotās nanotehnoloģijas

Nanotehnoloģijas jau tiek izmantotas medicīnā. Galvenās tā pielietošanas jomas ir: diagnostikas tehnoloģijas, medicīniskās ierīces, protezēšana un implanti.

Spilgts piemērs ir profesora Aziza atklājums. Cilvēkiem ar Parkinsona slimību smadzenēs ir ievietoti elektrodi caur diviem sīkiem caurumiem galvaskausos, kas ir savienoti ar stimulatoru. Pēc apmēram nedēļas pacientam vēdera dobumā tiek implantēts pats stimulators. Pacients pats var regulēt spriegumu, izmantojot slēdzi. Sāpes var novērst 80% gadījumu:

Dažiem sāpes pazūd pavisam, citam mazinās. Apmēram četriem desmitiem cilvēku ir veikta dziļa smadzeņu stimulācija.

Daudzi Aziza kolēģi saka, ka šī metode nav efektīva un var radīt negatīvas sekas. Profesors ir pārliecināts, ka metode ir efektīva. Ne viens, ne otrs tagad nav pierādīts. Man šķiet, ka mums vajadzētu ticēt tikai tiem četrdesmit pacientiem, kuri tika atbrīvoti no nepanesamām sāpēm. Un viņi gribēja atkal dzīvot. Un, ja šī metode tiek praktizēta jau 8 gadus un negatīvi neietekmē pacientu veselību, tad kāpēc gan nepaplašināt tās pielietojumu.

Vēl viens revolucionārs atklājums ir biočips - maza plāksne ar DNS vai olbaltumvielu molekulām, kas tai noteiktā secībā tiek uzklātas, ko izmanto bioķīmiskām analīzēm. Biočipa darbības princips ir vienkāršs. Specifiskas sadalītās DNS sekvences tiek uzklātas uz plastmasas plāksnes. Analīzes laikā pārbaudāmais materiāls tiek novietots uz mikroshēmas. Ja tajā ir viena un tā pati ģenētiskā informācija, tad viņi pārojas. Rezultātu var novērot. Biočipu priekšrocība ir liels skaits bioloģisko testu, kas ievērojami ietaupa testa materiālu, reaģentus, darbaspēka izmaksas un analīzes laiku.

Ģeneroloģija

Cilvēku personīgās nemirstības sasniegšana, ieviešot organismā molekulāros robotus, kas novērš šūnu novecošanos, kā arī pārstrukturējot un “nostiprinot” cilvēka ķermeņa audus. To bezcerīgi slimo cilvēku atdzimšana un dziedināšana, kuri pašlaik bija sasaluši ar krionikas metodēm. Paredzamais īstenošanas periods: 21. gadsimta trešais - ceturtais ceturksnis.

Rūpniecība

Tradicionālo ražošanas metožu aizstāšana ar molekulāriem robotiem, kas montē patēriņa preces tieši no atomiem un molekulām. Līdz personīgajiem sintezatoriem un kopēšanas ierīcēm, kas ļauj izgatavot jebkuru priekšmetu. Pirmos praktiskos rezultātus var iegūt 21. gadsimta sākumā.

Grafēns. 2004. gada oktobrī Mančestras Universitātē tika izveidots neliels daudzums materiāla, ko sauc par grafēnu. Roberts Freitass ierosina, ka šis materiāls varētu kalpot par substrātu dimanta mehānisko sintētisko ierīču radīšanai.

Satelīta sakarus plaši izmanto televīzijas, interneta un telefona sakariem. Kosmosa pozicionēšanas sistēmas izmanto lidmašīnas, kuģi, automašīnas un tūristi.

Cilvēce jau ir izaugusi no sava šūpuļa — mūsu dzīve vairs nav iedomājama bez kosmosa. Tāpēc šodien daudzas valstis uzsāk savas kosmosa programmas, un 21. gadsimta sākumā sākās privātā kosmosa izpēte. 2001. gadā orbītā devās pirmais kosmosa tūrists Deniss Tito. 2004. gadā konkursa X-Prize ietvaros neatkarīgu izstrādātāju radītais atkārtoti lietojamais kosmosa kuģis SpaceShipOne veica suborbitālu lidojumu (112 km augstumā). 2005. gadā tika uzsākta privāto kosmodromu būvniecība Mohavē (ASV), Rasal Khaimah (AAE) un Singapūrā. Tuvākajos gados tiek plānota milzīga tūrisma paplašināšanās (Virgin Galactic plāno līdz 2013. gadam kosmosa kruīzos nosūtīt 7000 cilvēku, pateicoties pieņemamai cenai 200 000 USD). Lielākās moteļu ķēdes īpašnieks Roberts Bigolovs plāno atvērt pirmo orbitālo Skywalker viesnīcu 2010. gadā.

Tas viss un daudz kas cits kļūs iespējams, parādoties jaunam ceļam uz kosmosu, kas ir efektīvāks pat par mūsdienu atkārtoti lietojamiem kosmosa kuģiem. Tiek izstrādāti plāni kosmosa lifta būvniecībai ar NASA līdzdalību! Mēness zemā gravitācijas spēka dēļ šāda lifta uzbūve no Lagranža punktiem (L-1 vai L-2), kur ir līdzsvaroti Mēness, Zemes un Saules gravitācijas spēki, līdz Mēness virsmai. ir iespējams pat ar mūsdienu tehnoloģiju palīdzību! Nepieciešams tikai no īpaši stipras M5 šķiedras izgatavots kabelis, kas kopā sver 7 tonnas un kuru var pacelt kosmosā ar vienu palaišanu.

Šāda lifta celtniecībai uz Zemes būtu nepieciešami progresīvāki materiāli, taču tiek prognozēts, ka oglekļa nanocaurules būs pietiekami izturīgas šim nolūkam. Nepieciešamās tehnoloģijas var izstrādāt 10-15 gadu laikā. Taču, tiklīdz kosmiskais lifts tiks uzbūvēts, izmaksas par kravas nogādāšanu orbītā samazināsies līdz desmitiem dolāru par kilogramu. Iespējams, uzreiz pēc pirmā lifta parādīšanās gar ekvatoru tiks uzcelti jauni, pēc tam tie tiks labiekārtoti, un tie vairs neizskatīsies pēc vairākām plānām lentām, bet gan ažūriem torņiem ar konstrukcijām starplīmeņos. Var būt. ka pēc kāda laika ģeostacionārās orbītas līmenī tiks izveidots vesels gredzens - milzu orbitālā kosmosa stacija, līdzīga tai, ko A. Klārks aprakstījis filmā Odiseja 3000.

Tagad nopietni tiek apsvērti arī NASA plāni iegūt resursus uz Mēness un asteroīdiem. Viens no minerālu veidiem, ko var ekonomiski iegūt kosmosā, ir hēlijs-3. Tā nav sastopama uz Mēness, tā ir sastopama pārpilnībā (miljardiem gadu laikā to savācis Mēness no Saules vēja). Un tajā pašā laikā tā ir lieliska kodolenerģijas degviela. Tajā pašā laikā, lai nodrošinātu visu mūsu planētu ar enerģijas patēriņu 2005. gada mērogā, gadā uz Zemi vajadzēs nogādāt tikai 100 tonnas hēlija-3!

Neatkarīgi no ekonomikas perspektīvām apdzīvojamu bāzu būvniecība uz Mēness un Marsa joprojām ir dienaskārtībā. Ķīna gatavojas būvēt pirmo bāzi uz Mēness, Krievija un ASV dodas uz Marsu. Pakāpeniski uzlabojumi tehnoloģijā padara šos projektus arvien īstenojamākus.

Tagad par dzinējiem. Kosmosa laikmeta sākumā mēs izmantojām raķešu dzinējus. Kopš tā laika ir ierosinātas daudzas alternatīvas, taču tās vēl nav kļuvušas par dominējošām. Nākotnē lidojumiem Saules sistēmā tiks izmantoti jonu dzinēji. Tie jau nodrošina neparasti augstu efektivitāti. Lāzera dzinējus var izmantot, lai paceltos orbītā. Kad kosmiskais lifts tiks uzbūvēts, tas šajā zonā aizstās raķetes.

Vēl viens piemērs: 1958. gadā tika izstrādāts Orion projekts: projekts kosmosa kuģim, kas paceļas no Zemes virsmas, izmantojot kodolmikrobumbu sprādzienus. Bet 1963. gadā spēkā stājies aizliegums detonēt kodolierīces atmosfērā, pielika punktu šim projektam. Šobrīd ir projekts šāda veida kosmosa kuģim Prometheus, ko plānots nosūtīt uz Marsu.

Arī lidojumam uz zvaigznēm var izmantot atomu un fotonu dzinējus, kas ļauj ceļot gandrīz gaismas ātrumā. Taču, ja tas ir fiziski iespējams, tad nākotnes Superprāts noteikti atradīs veidu, kā apiet gaismas barjeru, piemēram, izmantojot tārpu caurumus, telpas saspiešanu vai citas metodes.

Te gan jāpiebilst, ka diez vai vienkārša jaunu pasauļu atklāšana, izpēte vai kolonizācija paliks svarīga supercivilizācijām. Galu galā datortehnoloģijas virtuālās realitātes datoru ģeneratoru ietvaros ļaus simulēt visu triljonu zvaigžņu sistēmu spēju bagātību. Pirmais solis šajā ceļā tiks sperts nākamajos gados līdz ar datorspēles Spore iznākšanu. Tāpēc, visticamāk, Superprāta attieksme pret tālām zvaigznēm būs pragmatiskāka.

Pirms kaut ko lietojat, jums tas ir jāsasniedz. Ļoti iespējams, ka šo uzdevumu uzņemsies tā sauktās fon Neimana zondes: inteliģenti pašreplicējoši automatizēti kuģi, kas spēj sasniegt mērķi, izpētīt to, pārraidīt informāciju un izveidot simtiem sevis kopiju, kas tiks nosūtītas uz jaunu zvaigznes. Šāda decentralizācija var izrādīties daudz efektīvāka nekā zinātniskajā fantastikā aprakstītās romantiskās homo sapiens zvaigžņu ekspedīcijas ar robotu palīgiem.

Raķešu zinātnes attīstība veido pētniecības un eksperimentālo pamatu nākotnei, visticamāk, pēc vienreizēja supertehnoloģiskā izrāviena tuvajā un pēc tam dziļajā kosmosā. Bet kādas ir cilvēka dzīves izredzes kosmosā? Mēs redzam trīs radikāli atšķirīgas iespējas: terraformēšanu, cilvēka pielāgošanos kosmosa apstākļiem un kosmiskās matērijas pārstrukturēšanu datorā. Apskatīsim tos visus.

Jau ir projekti Marsa terraformēšanai. Citu planētu virsmas rekonstrukciju var veikt ar mākslīgo mikroorganismu vai nanorobotu palīdzību, kas rada atmosfēru, ozona aizsargslāni, augsni, upes un jūras... Superinteliģence pat spēj radīt ierīci – sauksim to par "Genesis" "- spēj padarīt planētu apdzīvojamu dažu dienu vai mēnešu laikā.

Tomēr iespējama arī cita alternatīva: cilvēka autotrofijas attīstība, pašpietiekamība un neatkarība no apkārtējās vides. Ar nanotehnoloģiju palīdzību sasniedzamās izmaiņas padarīs iespējamu cilvēka dzīvību (gan fiziskajā ķermenī, gan datorsistēmu iekšienē) vakuuma un īpaši augsta spiediena, īpaši augsta starojuma un gravitācijas, īpaši zemas vai īpaši augstas temperatūras apstākļos, ir gandrīz visur, izņemot, iespējams, Sauli.

Ja cilvēks atsakās no mums ierastajām eksistences formām, tad visefektīvākais scenārijs var būt Saules sistēmas planētu demontāža un visas matērijas pārstrukturēšana superjaudīgos datoros, kas apvienoti vienotā tīklā. Hipotētiskā viela, kas nodrošina maksimālo skaitļošanas jaudu uz masas vienību, tiek saukta par datoriju. Ja atmetam domu radīt cilvēkiem komfortablu vidi kosmosā, tad Superprātam var būt iespējama pat eksistence Saules iekšienē: galu galā, kur vien var pastāvēt sakārtotas struktūras, var notikt aprēķini un līdz ar to pastāvēt apziņa. Interesanti, ka, runājot par skaitļošanas jaudas robežām, zinātnieki parasti apraksta karstas plazmas bumbiņas — objektus, kas ļoti līdzinās Saules iekšpusei.

Lai kāds būtu kosmosa izpētes ceļš, postcilvēce neatteiksies no kosmosa paplašināšanas. Galu galā Superprāts nav imanenti planetārs. Šis sadalījums viņam ir svešs, jo viņam nav nekādu fizisku ierobežojumu dzīvei kosmosā. Un viņš noteikti iesaistīsies kosmiskajā megabūvē, pārveidojot inerto kosmisko matēriju saprātīgā matērijā.

Varbūt tas notiks šādi. Pēc Saules sistēmas planētu iekarošanas mēs uzbūvēsim megastruktūru, kas palielinās mūsu teritoriālās iespējas, piemēram, milzu kosmosa pilsētas. Tā kā mēs sagaidām visdažādāko postcilvēku veidu attīstību, tad ap šo laiku dažas postpersonas Saulei tuvākās (un saules enerģijas bagātākās) planētas pārveidos par “matrjošku smadzenēm”, bet citas – vairāk līdzinās saviem senčiem. (tas ir, mēs), var būt aizņemti, veidojot mega-pasaules (piemēram, “gredzenu pasauli”) starp Zemes un Marsa orbītām. Gāzes giganti tiks demontēti, un to sastāvā esošās vielas tiks izmantotas mūsu vajadzībām. Laika gaitā, lai maksimāli izmantotu saules enerģiju, ap Saules sistēmu tiks uzcelta Disona sfēra.

Tālākā nākotnē Overmind uzņemsies galaktikas projektus. Piemēram, enerģijas iegūšana no melnajiem caurumiem, vielas pacelšana no aktīvām zvaigznēm, zvaigžņu ieslēgšana un izslēgšana, tārpu caurumu radīšana kosmosā, lai pārvarētu gaismas barjeru.

Un, kad Universālais prāts izsmels mūsu Visuma iespējas, pienāks laiks radīt jaunus meitas Visumus. Meitas Visumu praktiskā vērtība ir nodrošināt patiesi nebeidzamu prāta eksistenci, pārnesot to no mirstošajiem Visumiem uz jaunradītajiem. Tomēr saskaņā ar dažiem modeļiem mūsu Visumā var nodrošināt bezgalīgi ilgu subjektīvu eksistenci.

Kibernētika

No šobrīd esošajām plakanajām struktūrām notiks pāreja uz tilpuma mikroshēmām, un aktīvo elementu izmēri samazināsies līdz molekulu lielumam. Datoru darbības frekvences sasniegs terahercu vērtības. Shēmu risinājumi, kuru pamatā ir neironiem līdzīgi elementi, kļūs plaši izplatīti. Parādīsies ātrdarbīga uz proteīnu molekulām balstīta ilgtermiņa atmiņa, kuras ietilpība tiks mērīta terabaitos. Būs iespējams “pārvietot” cilvēka intelektu datorā. Paredzamais ieviešanas periods: 21. gadsimta pirmais - otrais ceturksnis.

Molekulārās ražošanas institūts (IMM) ir izstrādājis sākotnējo projektu nanomanipulatoram ar atomu precizitāti. Tiklīdz tiks iegūta sistēma "nanodators - nanomanipulators" (to prognozē eksperti 2010.-2020.gadā), būs iespējams programmatiski ražot vēl vienu līdzīgu kompleksu - tas saliks savu analogu pēc noteiktas programmas, bez tiešas cilvēka iejaukšanās. Baktērijas, izmantojot DNS replikācijas īpašības, dažu stundu laikā spēj attīstīties no vairākiem indivīdiem līdz miljoniem. Tādējādi, lai iegūtu masveidā montētājus, tas nebūs vajadzīgs izmaksas no ārpuses, papildus nodrošinot tos ar enerģiju un izejvielām.

Pamatojoties uz "nanodatoru - nanomanipulatoru" sistēmu, būs iespējams organizēt automatizētus montāžas kompleksus, kas spēj salikt jebkurus makroskopiskus objektus, izmantojot iepriekš uzņemtu vai izstrādātu atomu trīsdimensiju režģi. Xerox šobrīd veic intensīvus pētījumus nanotehnoloģiju jomā, kas liecina par tās vēlmi nākotnē radīt matērijas pavairotājus. Robotu komplekss izjauks oriģinālo objektu atomos, un cits komplekss izveidos oriģinālam identisku kopiju līdz atsevišķiem atomiem (eksperti to prognozē 2020.–2030. gadā). Tas ļaus likvidēt šobrīd esošo rūpnīcu kompleksu, kas ražo produktus, izmantojot “volumetrisko” tehnoloģiju, pietiks ar jebkuru projektēšanu produkts- un to savāks un pavairos montāžas komplekss.

Kļūs iespējams automātiski konstruēt orbitālās sistēmas, paškomplektējošas kolonijas uz Mēness un Marsa un jebkuras struktūras pasaules okeānos, uz zemes virsmas un gaisā (speciālisti to prognozē 2050. gadā). Pašsapulcēšanās iespēja var novest pie globālu cilvēces problēmu risināšanas: pārtikas, mājokļa un enerģijas trūkuma. Pateicoties nanotehnoloģijām, mašīnu un mehānismu dizains būtiski mainīsies - daudzas detaļas tiks vienkāršotas jauno montāžas tehnoloģiju (izstrādes) dēļ, daudzas kļūs nevajadzīgas. Tas dos iespēju projektēt mašīnas un mehānismus, kas iepriekš nebija pieejami cilvēkiem, jo ​​trūka montāžas un projektēšanas tehnoloģiju. Šie mehānismi būtībā sastāvēs no vienas ļoti sarežģītas daļas.

Ar mehānisko elektrisko nanopārveidotāju palīdzību būs iespējams ar augstu efektivitāti pārveidot jebkura veida enerģiju un izveidot efektīvas ierīces elektroenerģijas ražošanai no saules starojuma ar efektivitāti aptuveni 90%. Atkritumu apsaimniekošana un globāla kontrole tādas sistēmas kā "pārstrāde" ievērojami palielinās cilvēces izejvielu rezerves. Globālā vide kontrole, laikapstākļu kontrole, pateicoties mijiedarbojošu nanorobotu sistēmai, kas darbojas sinhroni.

Biotehnoloģijas un datortehnoloģijas, visticamāk, gūs labumu no nanotehnoloģijas. Attīstoties nanomedicīnas robotiem, kļūs iespējams uz nenoteiktu laiku aizkavēt cilvēka nāvi. Tāpat nebūs problēmu ar cilvēka organisma pārstrukturēšanu, lai kvalitatīvi palielinātu dabiskās spējas. Ir iespējams arī nodrošināt organismu ar enerģiju neatkarīgi no tā, vai kaut kas tika apēsts vai nē.

Datortehnoloģijas tiek pārveidotas par vienotu globālu milzīgas produktivitātes informācijas tīklu, un katram cilvēkam būs iespēja būt par termināli – caur tiešu piekļuvi smadzenēm un maņu orgāniem. Būtiski mainīsies materiālzinātnes joma - būs “gudri” materiāli, kas spēj multimediāli sazināties ar lietotāju. Parādīsies arī īpaši spēcīgi, īpaši viegli un nedegoši materiāli.

Runājot par izejvielu problēmu, lielākās daļas objektu būvēšanai nanoroboti izmantos vairākus izplatītākos atomu veidus: oglekli, ūdeņradi, silīciju, slāpekli, skābekli utt. Cilvēcei attīstot citas planētas, izejvielu piegādes problēma tiks atrisināta.

Tādējādi, balstoties uz prognozēm, nanotehnoloģijas sola radikālu transformāciju gan mūsdienu ražošanā un ar to saistītajās tehnoloģijās, gan cilvēka dzīvē kopumā. Nanotehnoloģija radīs tādu pašu revolūciju manipulācijās ar vielu, ko datori ir radījuši manipulācijās ar informāciju. Tie ietekmēs pasauli vairāk nekā elektrības atklāšana.

Sabiedrības attieksme pret nanotehnoloģiju

Progress nanotehnoloģiju jomā ir izraisījis zināmu sabiedrības sašutumu.

Sabiedrības attieksmi pret nanotehnoloģiju pētīja VTsIOM un Eiropas Eirobarometra dienests.

Vairāki pētnieki norāda, ka nespeciālistu negatīvā attieksme pret nanotehnoloģiju var būt saistīta ar reliģiozitāti, kā arī bažām par nanomateriālu toksicitāti.

Pasaules sabiedrības reakcija uz nanotehnoloģiju attīstību

Kopš 2005. gada darbojas CRN organizēta starptautiska darba grupa, kas pēta nanotehnoloģiju attīstības sociālās sekas.

2006. gada oktobrī Starptautiskā nanotehnoloģiju padome publicēja pārskata rakstu, kurā īpaši tika runāts par nepieciešamību ierobežot informācijas izplatīšanu par nanotehnoloģiju pētniecību drošības apsvērumu dēļ.

Greenpeace pieprasa pilnīgu pētījumu aizliegumu nanotehnoloģiju jomā.

Nanotehnoloģiju attīstības seku tēma kļūst par filozofisko pētījumu objektu. Tādējādi nanotehnoloģiju attīstības perspektīvas tika apspriestas 2007. gadā WTA rīkotajā starptautiskajā futuroloģiskajā konferencē Transvision.

Krievijas sabiedrības reakcija uz nanotehnoloģiju attīstību

Runas par nanotehnoloģiju tagad ir katra zinātnieka lūpās. Bet kā un kāpēc tie parādījās? Kurš tos izgudroja? Pievērsīsimies autoritatīviem avotiem.

Patiesībā vēl nav pat definīcijas vārdam “nanotehnoloģija”, taču šis vārds tiek veiksmīgi lietots, runājot par kaut ko miniatūru. Precīzāk, subminiatūra: par mašīnām, kas sastāv no atsevišķiem atomiem, par grafēna nanocaurulēm, singularitāti un uz nanomateriāliem balstītu antropomorfu robotu ražošanu...

Tagad ir vispāratzīts, ka termins un nanotehnoloģijas fokusa apzīmējums ir radies Ričarda Feimana ziņojumā “There's Plenty of Room at the Bottom”. Tad Feinmens pārsteidza klausītājus ar vispārīgām diskusijām par to, kas notiktu, ja tikko iesāktā elektronikas miniaturizācija sasniegs savu loģisko robežu, “apakšu”.

Uzziņai: " angļu valodas termins "Nanotehnoloģijas"70. gadu vidū ierosināja japāņu profesors Norio Taniguči. pagājušajā gadsimtā un tika izmantots ziņojumā “Par nanotehnoloģiju pamatprincipiem” (IeslēgtsuzPamataKoncepcijanoNanotehnoloģijas) starptautiskā konferencē 1974. gadā, t.i., ilgi pirms liela mēroga darba uzsākšanas šajā jomā. Savā nozīmē tas ir ievērojami plašāks par “nanotehnoloģijas” burtisko krievu valodas tulkojumu, jo tas ietver lielu zināšanu kopumu, pieejas, paņēmienus, specifiskas procedūras un to materializētos rezultātus - nanoproduktus.

Visā 20. gadsimta otrajā pusē attīstījās gan miniaturizācijas tehnoloģijas (mikroelektronikā), gan līdzekļi atomu novērošanai. Galvenie mikroelektronikas pavērsieni ir:

• 1947. gads - tranzistora izgudrojums;
• 1958. gads - mikroshēmas izskats;
• 1960. gads - fotolitogrāfijas tehnoloģija, mikroshēmu rūpnieciskā ražošana;
• 1971. gads - pirmais mikroprocesors no Intel (2250 tranzistori uz viena substrāta);
• 1960-2008 - "Mūra likuma" efekts - komponentu skaits uz substrāta laukuma vienību dubultojās ik pēc 2 gadiem.

Turpmāka miniaturizācija nonāca pret kvantu mehānikas noteiktajiem ierobežojumiem. Kas attiecas uz mikroskopiem, tad interese par tiem ir saprotama. Lai gan rentgena attēli palīdzēja “redzēt” daudz interesantu lietu, piemēram, DNS dubulto spirāli, es gribēju labāk redzēt mikroobjektus.

Sekosim hronoloģijai šeit:

1932. gads — E. Ruska izgudroja transmisijas elektronu mikroskopu. Pēc darbības principa tas ir līdzīgs parastajam optiskajam, tikai fotonu vietā ir elektroni, bet lēcu vietā magnētiskā spole. Mikroskops nodrošināja palielinājumu 14 reizes.
1936. gads — E. Mullers ierosināja izstrādāt lauka elektronu mikroskopu ar palielinājumu vairāk nekā miljons reižu. Pēc darbības principa tas ir līdzīgs ēnu teātrim: uz ekrāna tiek parādīti mikroobjektu attēli, kas atrodas uz adatas gala, kas izstaro elektronus. Tomēr adatas defekti un ķīmiskās reakcijas neļāva iegūt attēlu.
1939. gads — Ruskas transmisijas elektronu mikroskops sāka palielināt 30 tūkstošus reižu.
1951. gads — Millers izgudroja lauka jonu mikroskopu un adatas galā attēloja atomus.
1955. gads — ar lauka jonu mikroskopu tika iegūts pasaulē pirmais viena atoma attēls.
1957. gads — pasaulē pirmais vienas molekulas attēls, kas iegūts ar lauka elektronu mikroskopu.
1970. gads — viena atoma pārraides elektronu mikroskopa attēls.
1979. gads — Binigs un Rorers (Cīrihe, IBM) izgudroja skenējošo tunelēšanas mikroskopu ar izšķirtspēju, kas nav sliktāka par iepriekš minēto.

Taču galvenais ir savādāk – vienkāršāko daļiņu “pasaulē” stājas spēkā kvantu mehānika, kas nozīmē, ka novērošanu nevar atdalīt no mijiedarbības. Vienkārši sakot, ātri izrādījās, ka ar mikroskopu jūs varat satvert un pārvietot molekulas vai mainīt to elektrisko pretestību ar vienkāršu spiedienu.

1989. gada beigās visā zinātnes pasaulē izplatījās sensācija: cilvēks bija iemācījies manipulēt ar atsevišķiem atomiem. IBM darbinieks Donalds Eiglers, kurš strādāja Kalifornijā, uz metāla virsmas ar 35 ksenona atomiem uzrakstīja sava uzņēmuma nosaukumu. Šis attēls, ko pēc tam izplatīja pasaules mediji un kas jau parādījās skolu mācību grāmatu lapās, iezīmēja nanotehnoloģiju dzimšanu.

Par panākumu atkārtošanos nekavējoties ziņoja (1991. gadā) japāņu zinātnieki, kuri izveidoja uzrakstu “PEACE “91 HCRL” (Pasaules 1991. gadā HITACHI Centrālā pētniecības laboratorija). Tiesa, viņi šo uzrakstu taisīja veselu gadu un nemaz neliekot uz virsmas atomus, bet tieši otrādi - no zelta substrāta izvilka nevajadzīgos atomus.

Eiglera sasniegumu faktiski bija iespējams atkārtot tikai 1996. gadā - IBM Cīrihes laboratorijā. 1995. gadā pasaulē bija tikai piecas laboratorijas, kas nodarbojās ar manipulācijām ar atomiem. Trīs ASV, viens Japānā un viens Eiropā. Tajā pašā laikā Eiropas un Japānas laboratorijas piederēja IBM, tas ir, patiesībā tās bija arī amerikāņu.

Ko šādā situācijā varētu darīt Eiropas politiķi un birokrāti? Vienkārši kliedziet par progresa kaitīgo raksturu videi un jauno tehnoloģiju briesmām amerikāņu rokās.