Учеба  ->  Науки  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Классификация направлений нанотехнологий

Конец прошлого и начало нынешнего века ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологиям и значительным ростом инвестиций в их развитие. Сейчас практически во всех развитых странах приняты и реализуются национальные программы развития нанотехнологий. О нанотехнологиях говорится очень много и на самых различных уровнях, начиная от ученых, и заканчивая разговорами на бытовом уровне между людьми, весьма далекими от науки. Тема развития нанотехнологий часто поднимается в средствах массовой информации и в выступлениях политиков самого высокого уровня, включая президентов и премьер-министров. При этом говорится о начале новой научно-технической (нанотехнологической) революции и XXI век называют веком нанотехнологий.

Определение нанотехнологий

Как показывает обзор литературы, нанотехнологии рассматриваются сегодня и как область исследований, и как направление технологического развития. С одной стороны, это отражает современные тенденции взаимосвязи науки и технологии, а с другой - порождает серьезную терминологическую путаницу. Противоречия начинаются уже в попытках обозначить область исследований в целом и дать определение понятия <<нанотехнологии>>. Так, некоторые авторы выделяют <<нанонауку>> (nanoscience), занимающуюся познанием свойств наноразмерных объектов и анализом их влияния на свойства материалов, и <<нанотехнологию>> (nanotechnology), имеющую своей целью развитие этих свойств для производства структур, устройств и систем с характеристиками, заданными на молекулярном уровне. Иногда такое разделение имеет под собой сугубо методическую основу, когда речь идет об анализе научных публикаций либо патентов <<в этом случае используется понятие <<нанотехнологии>>. На практике же провести различие между нанонаукой и нанотехнологией оказывается практически невозможным поэтому во избежание путаницы отдельные исследователи предлагают ограничиться только одним термином - <<нанотехнологии>>, объединив в нем обе составляющие. Принимая такой подход, важно предложить согласованное определение нанотехнологий, которое, в частности, призвано обозначить общие границы рассматриваемой области, исключив из нее лишнее.

Заметим, что, несмотря на наличие различных определений нанотехнологий, единого согласованного варианта, причем такого, который образовывал бы основания для построения соответствующих классификаций, пока не существует.

В официальной российской практике вплоть до последнего времени действовали два различных базовых определения нанотехнологий, которые представлены, соответственно, в <<Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года>> и <<Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года>>

Российские определения нанотехнологий

Документ

Определение

Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года

Нанотехнологии - это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года

Нанотехнологии - технологии, направленные на создание и эффективное практическое использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками.

Под нанотехнологиями предлагается понимать совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1 - 100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Наночастицы

Наночастица - аморфная или полукристаллическая структура, имеющая хотя бы один характерный размер в диапазоне 1-100 нм.

Термин относится к суб-классификации ультрадисперсных частиц с одним из размеров в диапазоне 0,1-0,001 мкм (100-1 нм), которые могут иметь (демонстрировать) или не иметь свойства, обусловленные своими размерами (квантово-размерные эффекты).

Этот термин в настоящее время остается предметом дискуссии относительно определения диапазона размеров и наличия размерных свойств частиц в определении термина.

Согласно международной классификации (IUPAC) предельный размер наночастиц - 100 нм, хотя это формальный критерий. Понятие наночастиц связано не с их размером, а с проявлением у них в этом размерном диапазоне новых свойств, отличных от свойств объемной фазы того же материала. Частицы размером 1 - 5 нм содержат около 1000 атомов, диапазон частиц 5 - 100 нм включает в зависимости от типа вещества 103 - 108 атомов.

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют <<наночастицами>>. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, двумерные объекты и одномерные объекты - вискеры. Самоорганизация наночастиц. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК.

Проблема образования агломератов. Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений - использование веществ - дисперсантов, нерастворимых в воде. Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.

Классификация направлений нанотехнологий

В результате работы были выделены семь основных направлений нанотехнологий: наноматериалы, наноэлектроника, нанофотоника, нанобиотехнологии, наномедицина, наноинструменты (нанодиагностика), технологии и специальное оборудование для создания и производства наноматериалов и наноустройств. Для каждого из выделенных направлений были сформулированы соответствующие определения и предложено первичное наполнение (как правило, от трех до пяти групп технологий). Для уточнения наименований классификационных позиций и определений широко использовались материалы административных источников, базы данных научных публикаций и патентов и т. п. Комбинация материалов позволила получить разнообразную информацию о возможных подходах к выявлению направлений применения нанотехнологий и предложить проект их классификации. Кроме того, для оценки полноты и адекватности разработанного перечня направлений, уточнения их наименований, определений и последовательности, проверки корректности формулировок была сформирована группа, включавшая более пятидесяти экспертов из различных областей науки и производства.

Представлено общее описание состава основных направлений нанотехнологий.

Наноматериалы - научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объемных материалов пленок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и/или взаимным расположением наноразмерных структур.

Объемные наноструктурированные материалы могут быть упорядочены в рамках направления по типу (наночастицы, нанопленки, нанопокрытия, гранулированные наноразмерные материалы и др. ) и по составу (металлические, полупроводниковые, органические, углеродные, керамические и др. ). Сюда входят также наноструктуры и материалы, выделяемые по общефункциональному признаку, например детекторные и сенсорные наноматериалы.

В данное направление не включаются наноматериалы, имеющие узкое функциональное назначение. Так, наноматериалы, полученные с использованием биотехнологий, относятся к направлению нанобиотехнологий, а полупроводниковые наногетероструктуры (квантовые точки) - к направлению наноэлектроники.

Наноэлектроника - область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования указанных устройств и приборов.

Данное направление охватывает физические принципы и объекты наноэлектроники, базовые элементы вычислительных систем, объекты для квантовых вычислений и телекоммуникаций, а также устройства сверхплотной записи информации, наноэлектронные источники и детекторы. В его состав не входят наночастицы и наноструктурированные материалы общего или многоцелевого назначения. В частности, металлические наноструктурированные материалы относятся к направлению наноматериалов.

Нанофотоника - область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.

К этому направлению относятся физические основы генерации и поглощения излучения в различных диапазонах, полупроводниковые источники и детекторы электромагнитного излучения, наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе, светодиоды, твердотельные и органические лазеры, элементы фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

Нанобиотехнологии - целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств.

Нанобиотехнологии охватывают изучение воздействия наноструктур и материалов на биологические процессы и объекты с целью контроля и управления их биологическими или биохимическими свойствами, а также создание с их помощью новых объектов и устройств с заданными биологическими или биохимическими свойствами.

Нанобиотехнологии представляют собой узкую синтетическую область, объединяющую биоэлектромеханические машины, нанобиоматериалы и наноматериалы, полученные с использованием биотехнологий. Данное направление включает еще и такие области, как нанобиоэлектроника и нанобиофотоника.

Наномедицина - практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.

К этому направлению относятся медицинские методы диагностики (включая методы интроскопических исследований/визуализации и молекулярно-биологические методы исследований с применением наноматериалов и наноструктур), нанотехнологии терапевтического и хирургического назначения (методы клеточной и генной терапии с использованием наноматериалов, применение лазеров в микро- и нанохирургии, медицинские нанороботы и др. ), тканевая инженерия и регенеративная медицина, нанотехнологии в фармакологии, фармацевтике и токсикологии.

Анкетирование было проведено в <<Белгородском инженерном лицее интернат>> среди 10-11 в физико-математических классах. В результате выполненной работы было выяснено, как говорил бывший премьер российского правительства М. Фрадкова: - <<Половина из депутатов сидящих тут, не знают, что такое нанотехнологии, но знают, что без них жить нельзя>>. Это откровенное признание является примером познаний о нанотехнологиях, характерным для многих лицеистов. Анкетирование показало все единогласно считают, что нанотехнологии нам нужны, но только 33% из опрошенных учащихся знают о нанотехнологиях, 86% лицеистов предполагают областью применения нанотехнологии является физика, 69%- медицина, 65% химия, 60%- энергетика, 56%- машиностроение, 52%- биология. На вопрос хотели бы в дальнейшем связать свою будущую профессию с нанотехнологиями 52% ответили <<да>>, но при таком большом желании, только 27% считают полезным изучение нанотехнологии на элективных уроках, 30% против этого и 53% еще сомневаются. Основным источником информации является интернет, экскурсии в Выше учебные заведения, телевизионные передачи. Из проведенного анкетирования было выяснено, что у учащихся нет большого интереса к нанотехнологиям, это говорит о том что надо развивать интерес , так как ЭТО НАШЕ БУДУШЕЕ.

Заключение.

Нанотехнология - без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь - вселяет страх. С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий. Больше чем половине населения городов России знакомо понятие <<нанотехнологии>>. При этом большинство из них относятся к нанотехнологиям позитивно, считая, что они могут изменить жизнь к лучшему. Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Мир будет просто построен заново.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)