Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram

Тема XIII. ИНЖЕНЕРНИ ДЕЙНОСТИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ: СЪЩНОСТ, РАЗВИТИЕ ПЕРСПЕКТИВИ, ЗНАЧЕНИЕ \ t




Човечеството уверено е влязло в XXI век, което, както често чуваме, ще се проведе под знака на генетиката, биотехнологиите и информационните технологии. Чуваме също, че учените понякога „луди” идеи, дебатът се представя под прикритието на нанотехнологията. Оказва се, че биотехнологиите и информационните технологии са само детайлите на картината, чието име е Nanoland. Въпреки че първите живи клетки се появиха преди 3,5 милиарда години, те съдържат наномащаби, които изпълняват задачи като манипулиране на генетичен материал и енергийни доставки. Но само сега възможността за реално използване на тези функции.

С използването на нанотехнологията, човек се е приближил до такива граници на познаване на материята, което ще му позволи в близко бъдеще да промени свойствата на материята в съответствие с нуждите на потребителя. Става дума за намеса в структурата на материята на молекулярно и атомно ниво. Възможностите на нанотехнологията са толкова големи, че те вдъхновяват инженерите и учените да експлоатират, обединяват хората в постигането на реална власт над природата, а инженерната дейност е пълна с ново съдържание.

Целта на тази лекция е да разгледа същността на нанотехнологията, нейния произход, развитието на основните направления и бъдещите перспективи.

1. Същността на нанотехнологията и основните направления на развитие.

2. Настоящи нанотехнологии и перспективи за развитие.

Историята на нанотехнологиите няма, според нас, ясна времева стойност. Тя е достатъчно възрастна и в същото време млада.

400 години пр. Хр д. Гръцкият Демокрит въвежда термина "атом" (неделим), и това е началото на "наномира". За първи път промишлеността се възползва от нанотехнологията през 1902 г., когато за вулканизация са използвани малки частици (няколко нанометра по размер) от сажди с високо развита повърхност. Интересен факт. В областта на нанотехнологиите почти всички изтъкнати учени от 20-ти век успяха да се регистрират. Например, Алберт Айнщайн в своята докторска дисертация за първи път успя да изчисли размера на характерен представител на наномира, захарната молекула. Тогава се оказа, че диаметърът му е приблизително един нанометър, т.е. милиардна частица от метър, или една милионна част от пинхед, или една хилядна от дължината на бактерия ...

Значителен принос е направил Ернст Ръдърфорд, който през 1912 г. в поредица от фини експерименти доказал, че един атом прилича на слънчевата система, в центъра на която е масивно ядро, а светлите електрони се въртят около него. Така се появи планетарният модел на атома и вече през 1918 г. Владимир Иванович Вернадски изрази мнението си за неизчерпаемите възможности на атомните технологии.


border=0


За концепцията за нанотехнологията може би няма изчерпателна дефиниция, но по аналогия със съществуващите микротехнологии следва, че нанотехнологиите са технологии, които работят със стойности от порядъка на нанометър. Следователно преходът от „микро” към „нано” е качествен преход от манипулиране на материята към манипулация на отделни атоми.

Запознати сме с понятия като микрочастици (маса на веществата, измерени с микрограми), микроанализ (микроскопски анализ), микроелектроника (опростени: електронни устройства с най-малък размер на отделните части в микрометри или фракции микрометри). Представката "микро" в цифри означава милионна част.

Няма сходни термини с префикса "нано-" (милиардния), префиксът най-често се използва в числа. Въпреки това, ако си припомним, че размерът на отделните прости молекули се определя от нанометри, може да се разбере кои обекти представляват интерес за нанотехнологията.

Нанотехнологията се пресича с различни научни и инженерни дисциплини, трудно е да се даде една единствена дефиниция и означава близки, но все пак различни области. Ето някои определения:

- миниатюризация на технологиите: проектиране и производство на интелигентни миниатюрни машини, програмирани да изпълняват определени задачи;

- изкуството да се манипулират материали на атомни и молекулярни скали, особено за създаване на микроскопични устройства (роботи);

- способността да се произвеждат обекти и структури буквално атом по атом, като процеси в клетки на живи организми.

Можем да кажем, че що се отнася до развитието на нанотехнологията, има три направления:



· Производство на електронни схеми (включително обемни) с активни елементи с размери, сравними с размерите на молекулите и атомите;

· Разработване и производство на наномашини;

· Манипулиране на отделни атоми и молекули и сглобяване на макрообекти от тях.

Основните разпоредби на научно-техническата революция бяха очертани в учебната реч на бащата на нанотехнологията от Pte на стаята на дъното на Ричард Фейман, която той бе говорил в Caltech още през 1959 година. Тогава думите му изглеждаха фантастични само по една причина: все още нямаше технология, която да позволява да се работи с отделни атоми на едно и също атомно ниво (предполагайки способността да се идентифицира един атом, да се вземе и да се сложи на друго място). Такава възможност се появява едва през 1981 г., когато в швейцарския клон на IBM от инженерите е разработен сканиращ тунелен микроскоп - устройство, което е чувствително към промени в тунелния ток между повърхността на материала и ултратънката игла.

Р. Фейнман предполага, че "принципите на физиката, както аз го разбирам, не говорят за невъзможността да се създават атомни неща по атом."

През 1981 г. в Съединените щати е публикувана статия на C. E. Drexler, съдържаща основите на една нова наука, а през 1986 г. книгата му „Средства за създаване“. Предстоящата ера на нанотехнологиите, която стана първото ръководство в тази област.

К. Е. Дрекслер въвежда нови концепции, които са широко използвани. По негово разбиране, молекулярната технология е създаването на функционални структури и устройства чрез сглобяване на атом по атом или молекула по молекула чрез програмирани роботи (асемблери), способни да възпроизвеждат (репликация). Според изчисленията асемблер, оборудван с молекулен компютър, може да има маса не повече от 109 a. Събранието се извършва в съответствие със законите на химията, но тези закони от гледна точка на "позиционен" синтез (когато атом или молекула се доставя на правилното място) действат по различен начин, отколкото по време на химични реакции, а преодоляването на бариерите за активиране е безпрецедентно! - може да възникне поради механична енергия.

Творбите на Ерик Дрекслър, пионер в молекулярната нанотехнология, са предимно научни и популярни, но те дълбоко отразяват всички технически проблеми, пред които е изправена нанотехнологията. Разбира се, четенето на тези произведения е необходимо за ясно разбиране на това какво могат да се правят наномашините, как ще работят и как да ги изграждат. Що се отнася до класификацията на нанотехнологиите, докато няма консенсус.

Има класификация на нанотехнологиите с разпределението на три области: "мокра", "суха" и компютърна.

Под "мокра" нанотехнология разбират изучаването на биологични системи, които съществуват за предпочитане във водната среда и включват генетичен материал, мембрани, ензими (биокатализатори) и други компоненти на клетките. Такива нанометрови структури, както е добре известно, са възникнали и се развиват в резултат на еволюцията на организмите.

“Сухата” нанотехнология произхожда от физическата химия и науката за повърхностните феномени, фокусирана върху получаване на структури от въглерод (например, нанотръби), силиций, различни метали и най-общо от неорганични материали. Крайната му цел е създаването на функционални устройства, които имат същата способност да се сглобяват като "мокри" структури, но без подкрепата на еволюцията.

Компютърната нанотехнология ви позволява да симулирате сложни молекули и системи, да изчислите тяхната относителна стабилност и да предскажете поведение. За формирането на аналози, създадени от природата в продължение на стотици милиони години, отнема много време. Моделирането и изчисленията могат значително да намалят този период до няколко десетилетия.

Много експерти по нанотехнологията разбират получаването и използването на материали, частици или слоеве на които се измерват с няколко нанометра или десетки нанометри. В същото време широко се използват такива термини като наноматериали, нанокристали, нанокомпозити.

В тази връзка е възможно да се разделят нанотехнологиите в две посоки - технологията на наноматериалите и молекулярната нанотехнология - и накратко ги разглеждаме отделно.

От голямо значение за развитието на нанотехнологиите бяха някои открития на 20-ти век, които станаха методологията на проблема, теорията и практиката.

1931. Немски физици Макс Нол и Ернст Руска създадоха електронен микроскоп, който за първи път направи възможно изследването на нанообекти.

1968. Алфред Чо и Джон Артър, служители на научното отделение на американската компания Bell, разработиха теоретичните основи на нанотехнологиите в повърхностната обработка.

1974. Японският физик Норио Танигучи въвежда думата "нанотехнология" в научно обръщение, което той предлага да нарече механизми с размер по-малък от един микрона. Гръцката дума "седимент" означава приблизително "старец".

1981 година. Германските физици Герд Бинниг и Хайнрих Рорер създадоха микроскоп, способен да показва отделни атоми.

1985 година. Американски физици Робърт Кърл, Херолд Крото и Ричард Смайли създадоха технология, която ви позволява точно да измервате обекти с диаметър от един нанометър.

1,986. Нанотехнологиите станаха известни на широката общественост. Американският футуролог Ерик Дрекслер публикува книга, в която прогнозира, че нанотехнологиите скоро ще започнат да се развиват активно.

1989 година. Доналд Айглер, служител на IBM, изложи името на компанията си с атоми на ксенон.

1998 година. Холандският физик Seéz Dekker създаде нанотехнологичен транзистор.

1999 година Американските физици Джеймс Тур и Марк Рийд са установили, че една молекула може да се държи по същия начин като молекулните вериги.

2000 година. Американската администрация подкрепи създаването на Националната инициатива за нанотехнологии. Нанотехнологичните изследвания са получили държавно финансиране. Тогава от федералния бюджет бяха отпуснати 500 милиона долара. През 2002 г. бюджетните кредити бяха увеличени до 604 милиона долара. За 2003 г. инициативата вече е поискала 710 млн. Долара.

Това не е пълен списък на изобретения, открития. Броят им нараства все повече.

Авторитетното онлайн списание за високотехнологични инвеститори RedHerring.com публикува класацията на десетте най-забележителни изобретения в ИТ сектора за 2002 година.

На осмата позиция в този престижен списък е генералният директор на лабораторията в Нижни Новгород .linksarray [0]. Олег Слатин. Той е признат за автор на уникални изобретения в областта на нанотехнологиите - революционни разработки, които ще позволят изчисления на атомно ниво с огромни резултати, които са стотици пъти по-големи от възможностите на най-модерните процесори, изработени на силиконова основа.

Всички компоненти на нанокомпютъра и преди всичко устройствата вход-изход и обработката на информация са ДНК молекули. Работата на молекулярно ниво позволява нанокомпютрите да поставят записи в областта на миниатюризацията на компютрите: трилиони компютри, чиято изчислителна мощ изглежда фантастична по днешните стандарти, ще се впишат в проста лабораторна епруветка. Плътността на данните в такива машини е приблизително 100 000 пъти по-висока, отколкото на обикновен твърд диск.

С помощта на нанотехнологиите, смятат учените, ще бъде възможно да се решат такива проблеми като синтеза на вещества на молекулярно ниво, когато стане възможно да се произвеждат всякакви обекти чрез събирането им за отделни атоми. По този начин, според футуролозите, жителите на Земята ще могат да решат проблема с глада - храната ще бъде просто синтезирана от съответните суровини.

Развитието на нанотехнологиите ще бъде от голямо значение за така наречените нискобюджетни страни, включително Русия, Украйна, особено след като има значително забавяне, например в микроелектрониката, и следователно, в икономическо отношение, преходът към наноелектроника намалява цената на създаването и промишлеността овладяване на съвременното производство на наноелементи в сравнение със създаването на промишлен микроелектронен комплекс. Новите научни решения ви позволяват да направите качествен скок и да преодолеете редица технологични бариери, присъщи на микроелектрониката.

Според учени, икономисти, изграждането на модерен завод за производство на микроелектронна елементна база на базата на ултрачист силиций с разделителна способност в ядрото от около 0,1 микрометра ще струва на държавата около 100 милиарда долара. Преходът към хетероструктури на базата на съединения А 3 В 5 , създадени с помощта на наноелектронна технология със същия производствен капацитет, ще изисква разходи от около 200-300 милиона долара. Това оставя шанс за страни като Украйна и Русия не само да настигнат световните сили по отношение на технологичното оборудване, но и да достигнат до световните лидери на определени позиции.

Освен това, от нанотехнологиите се очаква да решат проблема с човешкото безсмъртие, което ще бъде постигнато чрез въвеждането на молекулярни роботи в тялото, предотвратяване на стареенето на клетките, както и преструктуриране и „облагородяване” на тъканите на човешкото тяло.

Нанороботите ще бъдат пуснати в атмосферата и ще премахнат напълно вредните ефекти от човешката дейност върху околната среда. Всякакви емисии ще бъдат разделени на атомно ниво и трансформирани в естествени вещества. Тези същите роботи могат например да направят Луната и другите небесни тела обитаеми. Те ще създадат вода, земна атмосфера и среда, позната на земните.

Едуард Телър, един от създателите на термоядрената бомба, отбеляза: „Този, който преди това е майстор на нанотехнологията, ще заеме водещо място в техносферата на следващия век” (което означава 21-ви век). Изявлението със сигурност е вярно, но нанотехнологиите не трябва да бъдат обект на съперничество. Той има толкова силен потенциал, че е необходимо да се развива открито в тази област, с внимателен контрол, който изключва създаването на оръжия.

Ерик Дрекслер пише: „Но силата на новите технологии може да се превърне в създаването на военна сила. Перспективата за създаване на нови оръжия и бързото им производство са причина за сериозна загриженост. Това води до идеята за създаване на внимателен контрол дори за тези от нас, които са твърд поддръжник на свободното развитие на технологиите. "

В момента е възможно да се очертаят следните перспективи за нанотехнологиите:

1. Медицина . Създаване на молекулярни роботи-лекари, които ще „живеят” в човешкото тяло, елиминирайки или предотвратяващи всички възникнали щети, включително генетични. Продължителност: първата половина на XXI век.

2. Геронтология . Постигането на лично безсмъртие на хората се дължи на въвеждането в тялото на молекулярни роботи, които предотвратяват стареенето на клетките, както и преструктуриране и подобряване на тъканите на човешкото тяло. Възраждането и излекуването на онези безнадеждно болни хора, които са замразени в момента чрез крионика. Продължителност: третата - четвъртата четвърт на XXI век.

3. Промишленост . Замяна на традиционните методи на производство с молекулярни роботи, които събират потребителски стоки директно от атоми и молекули. Продължителност: началото на XXI век.

4. Земеделие . Замяна на производителите на естествени храни (растения и животни) с подобни функционални комплекси от молекулярни роботи. Те ще възпроизвеждат същите химически процеси, които се случват в живия организъм, но по-кратък и по-ефективен начин. Например, от веригата "почва - въглероден диоксид - фотосинтеза - трева - краве - мляко" всички ненужни връзки ще бъдат премахнати. Ще има "почва - въглероден диоксид - мляко (извара, масло, месо)". Такова "земеделие" няма да зависи от метеорологичните условия и няма да се нуждае от тежък физически труд. А изпълнението му е достатъчно, за да се реши проблемът с храната веднъж и завинаги. Продължителност: втората - четвъртата четвърт на XXI век.

5. Биология . Възможно е да се въведат нанолементи в жив организъм на ниво атоми. Последствията могат да бъдат много различни - от "възстановяването" на изчезнали видове до създаването на нови видове живи същества, биороботи.

6. Екология . Пълно премахване на вредното въздействие на човешката дейност върху околната среда. Първо, поради наситеността на екосферата с молекулярни организми, които превръщат човешките отпадъци в суровини, и второ, поради прехвърлянето на промишлеността и селското стопанство към нанотехнологичните методи без отпадъци. Дата на изпълнение: средата на XXI век.

7. Космически изследвания . Очевидно е, че космическото изследване в „обичайния“ ред ще бъде предшествано от овладяването му с нанороботи. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика . Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая – вторая четверть XXI века.

9. Разумная среда обитания . За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Срок реализации: после XXI века.