Инженерные методы современных технологий

в данной работе описана история развития нанотехнологии, основные особенности, область применения и использования.также имеется практическое задание в виде двух задач: Задача 1 - Необходимо найти максимальное значение целевой функции F = 65x1+50x2 → max, при системе ограничений, с построением графиков ...

Введение ст.3
1. История развития нанотехнологии. ст.4
2. Основные особенности наноматериалов и их получения. ст.6
3. Область применения нанотехнологий. ст.8
3.1. Наноэлектроника. ст.8
3.2. Нанотехнологии в строительстве ст.12
3.3. Нанотехнологии в медицине ст.18
3.4.Основные направления использования нанотехнологий в АПК ст.20
4. Практическое задание ст.24
Задача №1 ст.24
Задача №2 ст.28
Список использованной литературы ст.29

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.
Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.
Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рис. 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.
Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки – идеальные претенденты на роль элементов для электронных схем.Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем – нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов.Углеродные нанотрубки с "нанопочками" обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек – источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения.Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы — исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические "магнитные элементы" — железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографическои записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологий. Эту разновидность компания назвала "памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках не требующую постоянного питания" ( NRAM - Nanotube- based/ Nonvolatile RAM).Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic, известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.В настоящее время рассматриваются несколько потенциальных технологий создания наноэлектрических приборов: лазерная 193-нм литография с возможностью преодолеть дифракционный предел, экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФЛ) с длиной волны 13 нм, а также печатная (наноимпринтинг) литография.3.2. Нанотехнологии в строительстве.Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство, что понятно. Например, высокие темпы экономического роста Испании в 2007 году, не говоря уже о Москве, во многом обусловлены бурным расцветом строительной индустрии.Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза.Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полиме-ризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.Другой аналогичный пример приводит "Росбалт" от 16.01.08 в публикации "ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии", где указывается следующее: "Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, — это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент".Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001—0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D 250—300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностоикости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6—2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он Используется в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации "лотос-эффекта", особенно в строительной индустрии.Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве — различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт — покрытие для плитки Sekcid, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S. A. — одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом СкаНесдля душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, — фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию (класс 1 согласно EN 13300). Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктур-ной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски — грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемо-сти краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень "дыхания" стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночасти-цами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафта-левых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.Один из примеров использования нанотехнологии — разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur.Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта "грязных" частиц, в результате чего эти частицы меньше "прилипают" к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, окрашенная поверхность при дожде смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. В то время как гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту — общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобиза-ции (рис. 3).Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов.Формирование наноструктур на поверхностях может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:лазерным лучом или плазменным травлением;путем анодного окисления (алюминий) с последующим покрытием, например, гексадецилтриметоксиланом;приданием формы и созданием микрорельефа гравировкой;покрытием поверхности слоем металлических класте ров, комплексов "поверхностно-активное вещество — полимер" или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;покрытием дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.Рис. 4. Капля жидкости на наноповерхности эмали 145Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Подходящими материалами для формирования таких наночастиц являются полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.3.3.Нанотехнологии в медицинеНовое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека[6], определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность.