План

Розділ I. Історія розвитку нанотехнології.

Розділ II. Основні досягнення нанотехнології.

1.1. Скануюча зондовая мікроскопія (СЗМ).

1.2. Наночастки.

1.3. Новітні досягнення.

Розділ III. Перспективи розвитку і проблеми.

2.

2.1. Фінансування даної галузі.

2.2. Медицина і біологія.

2.3. Промисловість і сільське господарство. Екологія.

2.4. Освоєння космосу. Інформаційні та військові технології

Сварицевицька ЗОШ I-III ступенів

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Нанотехнології та перспективи їх розвитку»

Підготували учениці 10- А класу

Сварицевицької ЗОШ 1-3 ст.

Чудінович О. П. та Зиль Л. П.

2012 р.

Людство в усі часи прагнуло поліпшити умови свого існування. Для цього в первісному суспільстві люди використовували різні знаряддя праці, дещо пізніше вони приручили диких тварин, які стали приносити користь людському співтовариству. Йшли роки, змінювався світ, змінювалися люди і їхні потреби. Тепер більшість з нас уже не може уявити собі життя без сучасних благ цивілізації, досягнень науки, техніки, медицини. Наступним кроком у цьому розвитку стане освоєння нанотехнологій, зокрема, систем дуже малого розміру, здатних виконувати команди людей.

Технічний прогрес спрямований у бік розробки більш потужних, швидких, компактних і витончених машин. Межею такого розвитку можна вважати машини, розміром з молекулу. Машина, побудована з ковалентно зв'язаних атомів, надзвичайно міцна, швидка і мала. Розробкою, створенням та управлінням такими машинами займається молекулярна нанотехнологія. Ця галузь відкриває небачені раніше, фантастичні перспективи взаємодії людини зі світом.

Мною було проведено узагальнюючий аналіз статей, виступів, теоретичного матеріалу в області нанотехнологій. Дана тема роботи зацікавила мене своїми перспективами, що відкриваються для людства здатністю вивести життя людей на абсолютно новий рівень.

Мета мого теоретичного дослідження полягає в розкритті особливості фізичних процесів в області нанотехнологій, їх впливу на людей та застосування в недалекому майбутньому.

Нанотехнологія - сукупність процесів, що дозволяють створювати матеріали, пристрої і технічні системи, функціонування яких визначається наноструктурою, тобто її впорядкованими фрагментами розміром від 1 до 100 нм (10-9м; атоми, молекули) (рис. 1). Грецьке слово "нанос" приблизно означає "гном". При зменшенні розміру частинок до 100-10 nm і менш, властивості матеріалів (механічні, каталітичні і т.д.) істотно змінюються.

Термін нанонауки використовується в даний час для позначення досліджень явищ на атомному та молекулярному рівні і наукового обгрунтування процесів нанотехнології, кінцевою метою якої є отримання нанопродуктів. Нанонауки, таким чином, може розглядатися як початкова стадія нанотехнології, коли до продукції ще досить далеко [3]. На відміну від традиційних технологій нанотехнології характеризуються підвищеною наукоємністю і затратністю, а також міждисциплінарні та неефективністю рішення задач методом "проб і помилок".

Розділ I. Історія розвитку нанотехнології.

1905 рік. Швейцарський фізик Альберт Ейнштейн опублікував роботу, в якій доводив, що розмір молекули цукру становить приблизно 1 нанометр.

1931 рік. Німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, який

вперше дозволив досліджувати нанооб'єктів.

1959 рік. Американський фізик Ричард Фейнман вперше прочитав лекцію на річних зборах Американського фізичного товариства, яка називалася «Годі іграшок на підлозі кімнати». Він звернув увагу на проблеми мініатюризації, яка в той час була актуальна і у фізичній електроніці, і в машинобудуванні, і в інформатиці. Ця робота вважається деякими основоположною в нанотехнології, але деякі пункти цієї лекції суперечать фізичним законам.

1968 рік. Альфред Чо і Джон Артур, співробітники наукового підрозділу американської компанії Bell, розробили теоретичні основи нанотехнології при обробці поверхонь.

1974 рік. Японський фізик Норіо Танігучі на міжнародній конференції з промислового виробництва в Токіо ввів у науковий обіг слово "нанотехнології". Танігучі використовував це слово для опису надтонкої обробки матеріалів з нанометровой точністю, запропонував називати ним механізми, розміром менше одного мікрона. При цьому були розглянуті не тільки механічна, а й ультразвукова обробка, а також пучки різного роду (електронні, іонні і т.п.).

1982 рік. Німецькі фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер створили спеціальний мікроскоп для вивчення об'єктів наносвіту. Йому дали позначення СЗМ (Скануючий зондовий мікроскоп). Це відкриття мало величезне значення для розвитку нанотехнологій, так як це був перший мікроскоп, здатний показувати окремі атоми (СЗМ).

1985 рік. Американський фізики Роберт Керл, Херольд Крото і Річард Смейлі створили технологію, що дозволяє точно вимірювати предмети, діаметром в один нанометр.

1986 рік. Нанотехнологія стала відома широкому загалу. Американський футуролог Ерк Дрекслер, піонер молекулярної нанотехнології, опублікував книгу «Двигуни творення», в якій передбачав, що нанотехнологія незабаром почне активно розвиватися, постулював можливість використовувати нанорозмірні молекули для синтезу великих молекул, але при цьому глибоко відобразив всі технічні проблеми, що стоять зараз перед нанотехнологией. Читання цієї роботи необхідно для ясного розуміння того, що можуть робити наномашини, як вони будуть працювати і як їх побудувати. [1]

1989 рік. Дональд Ейглер, співробітник компанії IBM, виклав назву своєї фірми атомами ксенону.

1998 рік. Голландський фізик Сеез Деккер створив транзистор на основі нанотехнологій.

1999 рік. Американські фізики Джеймс Тур і Марко Рід визначили, що окрема молекула здатна поводитися так само, як молекулярні ланцюжки.

2000 рік. Адміністрація США підтримала створення Національної Ініціативи в Області Нанотехнології. Нанотехнологічні дослідження отримали державне фінансування. Тоді з федерального бюджету було виділено $ 500 млн.

2001 рік. Марк Ратнер вважає, що нанотехнології стали частиною життя людства саме в 2001 році. Тоді відбулися дві знакові події: впливовий науковий журнал Science назвав нанотехнології - "проривом року", а впливовий бізнес-журнал Forbes - "нової багатообіцяючої ідеєю". Нині по відношенню до нанотехнологій періодично вживають вираз "нова промислова революція" [1].

У Томському державному університеті Росії розроблені склади і технологія отримання нових тонкоплівкових наноструктурних матеріалів на основі подвійних оксидів цирконію і германію, які мають високу хімічну, термічну стійкість і володіють хорошою адгезією до різних підкладок (кремнію, скла, Полікор та ін.) Товщина плівок становить від 60 до 90 нм, розміри включень - 20-50 нм. Отримані там матеріали можуть бути використані як покриття:

• стекол (сонцезахисні - добре пропускає видиме світло і відображає до 45-60% теплове випромінювання, теплозахисні - відбиває до 40% сонячної радіації, селективно пропускають);

• ламп (збільшення світлової віддачі на 20-30%);

• інструментів (захисно-зміцнюючі - збільшення терміну служби виробів). [5]

Ведуться роботи і в Харківському національному університеті імені В.Н.Каразіна. Напрями досліджень: поверхневі явища, фазові перетворення і структура конденсованих плівок. Дослідження проводяться над плівками металів і сплавів (1.5 - 100 нм), одержувані методом конденсації у вакуумі на різних підкладках шляхом електронної мікроскопії (СЗМ), електронографії, а також методів, розроблених в групі (Гладких М.Т., Кришталь А.П. , Богатиренко С.І.) [4].

Розділ II. Основні досягнення нанотехнології.

2.1. Скануюча зондовая мікроскопія (сзм).

Для того щоб побачити атом, існує, як вважається, громіздкий і дорогий електронний мікроскоп. Однак, незважаючи на відому приказку, не завжди краще один раз побачити, ніж сто разів почути. У ряді випадків можна отримати більше інформації, якщо атом ... обмацати, в буквальному сенсі. Для цього і існує скануюча зондовая мікроскопія. Зонд - це мікроскопічний, надзвичайно чутливий щуп, який пробігає, сканує, шорсткості поверхні атомарного розміру. Більш того, в ряді випадків зонд фізично може рухати атоми.

В основі сканування або «обмацування» лежить досить простий принцип - атоми вістря щупа «відчувають» атоми, що знаходяться на поверхні, тим сильніше, чим ближче вони знаходяться один до одного. Це схоже на те, як відштовхуються два сухих повітряних кульки, наелектризовані про шерстяний светр або волосся. У разі СЗМ виникають сили міжатомної взаємодії трохи змінюють положення щупа і це можна виявити за рахунок чутливих детекторів. Подібним чином ми відчуваємо наближається наелектризований повітряну кульку, який ще навіть не торкнувся наших волосся.

Перший скануючий зондовий мікроскоп був придуманий на кінчику пера і потім створений в 1982 році Г. Бінніг і Г. Рорером з Цюріхського відділення фірми IBM. Цей мікроскоп, правда, реєстрував не зміна положення гострого щупа, а зміна так званого тунельного струму, що виникає за рахунок «проскакування» електронів, що відбувається між поверхнею матеріалу і надтонкої голкою, як тільки вона наближається до поверхні на відстань, порівнянне з міжатомних. Рух голки над поверхнею зразка здійснювалося за допомогою спеціальних «пьезодвігателей», здатних створювати запрограмовані комп'ютером переміщення з кроком в сто мільярдні частки метра. Настільки незвичайний і надзвичайно ефективний спосіб дослідження поверхні дуже швидко був оцінений науковою громадськістю і в 1986 році Бінніг і Рорер отримали нобелівську премію за розробку «скануючого тунельного мікроскопа» (ВТМ). З появою СТМ, а згодом «атомно-силового мікроскопа» (АСМ, 1986 р.) та інших модифікацій скануючих зондових технік стало можливим зробити новий крок у вивченні оточуючого нас світу. Сучасні методи зондової мікроскопії дозволяють вивчати рельєф, склад і структуру, "бачити" і переміщати поодинокі атоми і молекули. За останнє десятиліття застосування зондової мікроскопії дозволило значно розширити пізнання в різних галузях фізики, хімії та біології. Вченим вже вдалося створити двовимірні наноструктури на поверхні, використовуючи даний метод. Наприклад, в дослідницькому центрі компанії IBM, послідовно переміщуючи атоми ксенону на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три букви логотипу компанії, використовуючи 35 атомів ксенонa. [7]

При виконанні подібних маніпуляцій виникає ряд технічних труднощів. Зокрема, потрібне створення умов надвисокого вакууму, необхідно охолоджувати підкладку і мікроскоп до наднизьких температур, поверхня підкладки повинна бути атомарно чистою і атомарно гладкою. Охолодження підкладки проводиться з метою зменшення поверхневої дифузії загрожених атомів. [7]

Основою всіх типів скануючої зондової мікроскопії є, як уже зазначалося, взаємодія зонда з досліджуваної поверхнею за рахунок механічних, електричних або магнітних сил. Природа взаємодії і визначає приналежність приладу до того чи іншого члену родини зондових мікроскопів.