Нанотехнологии

Оригинальность - 50% по системе антиплагиат.ру ...

Введение 3
1 Нанотехнологии: определение и классификация 5
2 Открытия в области нанотехнологий 10
3 Основные проблемы и перспективы развития нанотехнологий 16
Заключение 18
Библиографический список 20

Актуальность работы состоит в том, что развитие нанотехнологий в России, как и во всем мире, приобретает все большее значение. Безусловно, качественно новый скачок в области получения наиболее важных устройств и веществ, которые невидимы простым глазом и которые можно различить лишь с использованием современных устройств, к примеру, с помощью электронных устройств, объясняется возникновением нанотехнологий.

фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
устройства сверхплотной записи информации;
телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;
видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
нанолитография и наноимпринтинг;
топливные элементы и устройства хранения энергии;
устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;
авиационные, космические и оборонные приложения;
устройства контроля состояния окружающей среды;
целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;
регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов;
безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.
2 Открытия в области нанотехнологий
Проводя аналитику информации о достижениях нанотехнологий на рубеже 2015-2016 гг. не трудно заметить, что «взрывных» открытий и изобретений по сравнению с прошедшими десятилетиями становится меньше. По сути, режим развития стал работать «в унисон» с режимом функционирования нанонауки и наноиндустрии.
В научных лабораториях продолжают совершенствовать методы и продукты нанотехнологий по тем направлениям, которые уже были сформированы, получили старт и обрели патентную, проектную и опытную линейку ранее. То есть продукция нанотехнологий все также совершенствуется по таким важным параметрам, как износостойкость, жаропрочность, сверхтвердость, сверхлегкость, гидрофобность, восстанавливаемость, энергоёмкость, гибкость, субклеточная транспортабельность, компактность, экологичность, свето-отражательность/поглощаемость и т.д.
К зиме-весне 2016 года заметно увеличилось количество разработок связанных с комбинированием и выявлением потенциала свойств графена и квантовых точек, возможностей нанокомпозитных тонкопленочных покрытий. Лидирующим по информационным поводам является кластер «оптика и электроника», за которым следуют «медицина и фармацевтика» и «энергоэффективность». Причем, в последнем весьма заметна химическая интрига с улучшением свойств ионно-литиевых процессов в аккумуляторах, которые мы хотим заряжать быстро и надолго. Разработки в медицине и фармацевтике представляются довольно диффузными, не имеют какого явно приоритетного вектора, но в каждом сегменте по чуть-чуть продвигаются через упорное экспериментирование [5].
Похожие дела и в оптике с электроникой: много приложений и проб, но мало выхода на промышленные образцы. Видимо, задержка связана с тем, что ученые все больше углубляются в наноинженерию фотоники и спинтроники, что уже на пределе нынешних физико-технических возможностей. Многое, к тому же, приходит из биотехнологий и уходит затем обратно, что заметно в процессе борьбы за промышленные перспективы самосборки молекул, создания еще пока загоризонтных для наноиндустрии молекулярных нанофабрик. В достижениях наноэлетроники наиболее сложно сейчас разобраться и по причине большого количества специально-технической информации и по причине многих приложений в различных отраслях науки и техники (медицина, телекоммуникации, нейросети, нанобионика и пр.). [5]
Ученые из Университета штата Аризона построили наноразмерные камеры из ДНК, внутрь которых они поместили ферменты. Эксперименты показали, что активность ферментов при этом увеличилась в 8 раз. Исследователи решили воспроизвести эффект, который проявляется при нахождении ферментов в таких относительно изолированных частяхклетки, как митохондрии, пероксисомы или ядро. Для этого ферменты помещали в наноразмерные камеры, собранные из ДНК. Камеры строились в буферном растворе из вирусной ДНК. Сначала ученые собрали две отдельные половинки камеры, в каждой из которых содержался один из двух различных ферментов. Затем половины камеры соединялись вместе с помощью коротких нитей ДНК. Через нанопоры в камеру могли свободно проникать небольшие молекулы, например, участвующие в ферментативной реакции субстраты. Нанокамеры из ДНК могут служить в качестве молекулярного инструмента для изменения активности ферментов и применяться в области умных материалов и биотехнологий. В будущем, уверены ученые, будет возможно создавать программируемые нанокамеры из молекул ДНК для создания терапевтических наноустройств, регулирующих функции каталитических белков.
Еще одним достижением ученых в сфере биотехнологий можно назвать создание из наночастиц самого маленького в мире «печатного пресса». Тут также не обошлось без эффекта самосборки. Используя синтетическую ДНК в качестве «строительных лесов», ученые научились оперировать золотыми наночастицами, диаметром в миллионную долю миллиметра, и формировать из них упорядоченные структуры, которые можно использовать в научных исследованиях, в биотехнологиях и медицине. Золотые наночастицы, обладают целым рядом уникальных электронных, оптических, химических и физических свойств. В частности, наноструктуры из золотых наночастиц и ДНК нужны в качестве инструментов для борьбы с раковыми клетками. Когда золотая наночастица входит в соприкосновение со структурой из ДНК, она наталкивается на участок, обладающий повышенными «липкими» химическими свойствами (см. рис. 2). После этого под воздействием чистой дистиллированной воды ненужные участки ДНК удаляются и к поверхности наночастицы остаются прикрепленными лишь необходимые участки молекул. После того, как «отсоединенная» структура из ДНК попадает в среду, наполненную короткими цепочками, она соединяется с соответствующими цепочками, восстанавливает свою структуру и может быть использована для «штамповки» очередной наночастицы. [5]
Рис. 2 ДНК
Новая технология, основанная на использовании магнитных наночастиц (вместо флуоресцентных маркеров) сделает процедуру биохимического анализа жидкостей в разы более точной — и при этом такой же простой в применении, как тест на беременность. Исследователи из ИОФ РАН и МФТИ разработали новую биосенсорную тест-систему, основанную на применении магнитных наночастиц и предназначенную для очень точного измерения концентрации белковых молекул (например, так называемых «маркеров», которые указывают на начало или развитие заболеваний) в различных образцах, включая непрозрачные или сильно окрашенные жидкости. Проведение теста занимает мало времени, не требует специально обученного персонала, легко может проводиться рядом с пациентом и даже в полевых условиях. Разработанный тест позволяет не только выявить наличие белка с высокой чувствительностью, но и точно определить его концентрацию. Точность определения будет даже превосходить точность методов, которые выполняются только в лаборатории и только квалифицированным персоналом.
Корейские и американские ученые разработали носимое устройство в форме пластыря, способное автоматически измерять уровень глюкозы и при необходимости вводить сахароснижающий препарат. Устройство представляет собой гибкий прозрачный полимерный пластырь с датчиками влажности (потоотделения), глюкозы, кислотности и тремора. Также прибор содержит терапевтическую систему с внутрикожными микроиглами, заполненную сахароснижающим препаратом метформином. Датчики выполнены в форме сетей из золота и графена с небольшими включениями золота для улучшения электрохимических свойств. Как отмечают исследователи, такие датчики отличаются высокой проводимостью, механической надежностью и оптической прозрачностью. С помощью беспроводного интерфейса устройство соединяется со смартфоном, который рассчитывает необходимую дозу лекарства [5].
Ученые из Томского политехнического университета разработали медицинский препарат на основе наночастиц серебра, который обладает универсальным действием на вирусы, бактерии и грибки. Его можно применять в качестве вспомогательного средства при лечении гриппа и ОРВИ. Препарат «Арговит» уже испытан на 25 видах заболеваний и выпускается в г. Новосибирске в форме биодобавки. Ученые Томска получают наночастицы для противомикробного препарата промышленным путем из нитрата серебра. Вообще, использование серебра в медицине относительно распространено, но эффективность препаратов сильно зависит от используемых технологий. В данном случае производимое с помощью нанотехнологий серебро нетоксично.
Инженеры предприятия холдинга «Швабе» АО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова» (АО «ГОИ им. С.И.Вавилова») разработали технологии, обеспечивающие высококачественную очистку и надежную защиту памятников архитектуры от различных загрязнений и неблагоприятных погодных условий. Защитный слой сохраняет свои свойства в температурном диапазоне от — 60o С до + 250o С. Технология включает в себя обработку загрязненной поверхности лазерным излучением и последующее нанесение инновационного гидрофобного покрытия. От стандартных способов (пескоструйная очистка, химические вещества) новую технологию отличает отсутствие вредного воздействия на обрабатываемую поверхность. Прибор для лазерной очистки имеет компактные размеры: он может быть выполнен в виде ранца. Устройство бесшумно в работе, не требует каких-либо расходных материалов и позволяет очищать загрязненную поверхность со скоростью 10 квадратных метров в час.
Фирма «Surrey NanoSystems» выпустила версию самого черного в мире материала в виде спрея, что позволяет целому ряду продуктов воспользоваться преимуществами тепловых и оптических характеристик материала Vantablack. Материал Vantablack S-VIS, как говорят, легко наносится в больших масштабах практически на любую поверхность. Vantablack первоначально был разработан для спутниковых систем наблюдения и калибровки систем, где он повышает чувствительность прибора за счет улучшения поглощения паразитного ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света. С тех пор появились и многие другие приложения, в том числе элементы коллекторов в солнечной энергетике, функциональные поверхности в зданиях, кинематографические проекторы, высокопроизводительные линзы, а также научные приборы. [5]
Группа исследователей из Института теоретической и экспериментальной биофизики, а также МФТИ, синтезировала новый материал, представляющий собой почти невесомую ткань из нейлоновых нановолокон не более 15 нанометров в диаметре. Как сообщает пресс-служба МФТИ, по своим фильтрующим и оптическим свойствам она превосходит все описанные аналоги и может быть использована в фильтрах для защиты органов дыхания, а также проведения аналитических исследований и других практических целей. В работе для получения материала ученые использовали метод электропрядения. В нём в сторону подложки под действием электрического поля выбрасывается струя растворенного полимера, а с другой стороны от мишени распыляется этиловый спирт. Сталкиваясь в воздухе, эти пары осаждаются на мишени. В результате, ученые получали волокна с максимальным диаметром в 15 нанометров – это уже в несколько раз меньше длины свободного пробега молекул воздуха, (расстояние, которое в среднем успевает пролететь одна молекула перед столкновением с другой) что приводит к снижению сопротивления фильтра воздушному потоку почти на две трети.
Исследователи университета г. Кембриджа в конце 2015 г разработали технологию преобразования пероксида лития, который вообще- то является нежелательным побочным продуктом протекающей внутри батареи электрохимической реакции. Им удалось изменить состав материала электрода и состава электролита, в результате чего побочным продукта реакции стала столь желаемая растворимая гидроокись лития. То есть им удалось получить новый материал электродов, на поверхности которого вместо пероксида (Li2O2) формируется гидроокись лития (LiO2) . Пероксид лития нарастал на поверхности электродов по мере разрядки аккумуляторной батареи, что приводило к снижению ее емкости. Гидроокись лития (супероксид) можно легко расщепить на составные части: литий, кислород и водород. Используя наночастицы иридия на поверхности электродов, пытливым исследователям удалось сформировать стабильный слой гидроокиси лития. Практическая ценность этой технологии в том, что емкость аккумуляторных батарей можно будет увеличить до 5 раз в сравнении с литий-ионными батареями.
И вот буквально в конце мая 2017 года, инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали наноразмерное оптоволокно, обладающее невероятным уровнем чувствительности: оно способно улавливать колебания, производимые завихрениями, создаваемыми двигающимися бактериями, а также звуковые волны, создаваемые бьющимися клетками сердечной ткани. В перспективе такой уровень чувствительности позволит специалистам следить за каждой отдельно взятой клеткой и предупреждать об изменениях в процессе их нормальной работы [6].
Проделанный мною анализ открытий в области нанотехнологий говорит о том, что это одно из перспективных направлений для всех стран мира на ближайшее время.
3 Основные проблемы и перспективы развития нанотехнологий
К сожалению, количество информационных поводов в России все еще заметно меньше, чем, например, тех, что приходят из США, Германии, Китая. Многие из достижений, которые при этом все же указываются, зачастую основаны на модификации существующих базовых отечественных и зарубежных разработок прошлого. Интересно сравнить, что если вести о нано из США приходят из разных университетов штатов, то в России сразу заметны лидеры информационных поводом – МФТИ и МГУ. При этом если мировые достижения в дискурсивном плане достаточно четки и технологически ясны (или, по крайней мере, технологически ёмки привсей их сложности), то российские – многословны и сложны, не столько технологичны, сколько описательно академичны, хотя речь идет о практических разработках.
Исключение составляют те описания разработок, что презентуются на сайтах российских предприятий наноиндустрии и наноцентров. Оно и понятно, это не просто информация о достижениях, а информация с целью продажи продукции и/или технологии, позиционирования в мировом и отечественном рынке и рейтинге. При анализе было заметно отсутствие достаточного количества экономико- производственной информации о том или ином виде новой продукции или конкретном продукте. Причем это касается как макро-, так и микроэкономических показателей в сфере нанотехнологий за период с 2011 по 2016 гг.