Տնային նանոտեխնոլոգիա. «Նանոտեխնոլոգիան ժամանակակից աշխարհում». Ինչպես են ատոմները շփում միմյանց դեմ

Նանոտեխնոլոգիան հիմնարար և կիրառական գիտության և տեխնոլոգիայի ոլորտ է, որը վերաբերում է տեսական հիմնավորման, հետազոտության, վերլուծության և սինթեզի գործնական մեթոդների, ինչպես նաև տվյալ ատոմային կառուցվածքով արտադրանքի արտադրության և օգտագործման մեթոդների վերահսկվող մանիպուլյացիայի միջոցով: առանձին ատոմներ և մոլեկուլներ.

Պատմություն

Շատ աղբյուրներ, հիմնականում՝ անգլիախոս, մեթոդների առաջին հիշատակումը, որոնք հետագայում կկոչվեն նանոտեխնոլոգիա, կապում են Ռիչարդ Ֆեյնմանի «Ներքևում շատ սենյակ կա» հայտնի ելույթի հետ, որն արվել է նրա կողմից 1959 թվականին Կալիֆորնիայի ինստիտուտում։ Տեխնոլոգիաները Ամերիկյան Ֆիզիկական Միության տարեկան ժողովում. Ռիչարդ Ֆեյնմանը առաջարկեց, որ հնարավոր է մեխանիկորեն տեղափոխել առանձին ատոմներ՝ օգտագործելով համապատասխան չափի մանիպուլյատոր, համենայն դեպս, նման գործընթացը չի հակասի մինչ օրս հայտնի ֆիզիկական օրենքներին:

Նա առաջարկեց այս մանիպուլյատորն անել հետեւյալ կերպ. Պետք է կառուցել մի մեխանիզմ, որը կստեղծի իր սեփական օրինակը, միայն մի կարգով փոքր: Ստեղծված փոքր մեխանիզմը կրկին պետք է ստեղծի իր սեփական պատճենը, կրկին փոքրի մեծության կարգը, և այդպես շարունակ, մինչև մեխանիզմի չափերը համարժեք լինեն մեկ ատոմի կարգի չափին։ Այս դեպքում անհրաժեշտ կլինի փոփոխություններ կատարել այս մեխանիզմի կառուցվածքում, քանի որ մակրոաշխարհում գործող ծանրության ուժերը ավելի ու ավելի քիչ ազդեցություն կունենան, իսկ միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների ուժերը և վան դեր Վալսի ուժերը ավելի ու ավելի կազդեն։ մեխանիզմի աշխատանքը.

Վերջին փուլը. արդյունքում մեխանիզմը կհավաքի իր պատճենը առանձին ատոմներից: Սկզբունքորեն, նման օրինակների թիվն անսահմանափակ է, կարճ ժամանակում հնարավոր կլինի ստեղծել նման մեքենաների կամայական քանակ։ Այս մեքենաները կկարողանան մակրո իրեր հավաքել նույն կերպ՝ ատոմային հավաքման միջոցով։ Սա կդարձնի իրերը մի կարգով ավելի էժան. նման ռոբոտներին (նանոռոբոտներին) պետք է տրվի միայն անհրաժեշտ քանակությամբ մոլեկուլներ և էներգիա, և գրի ծրագիր անհրաժեշտ իրերը հավաքելու համար: Մինչ այժմ ոչ ոք չի կարողացել հերքել այդ հնարավորությունը, բայց դեռ ոչ մեկին չի հաջողվել նման մեխանիզմներ ստեղծել։ Այս հնարավորության տեսական ուսումնասիրության ընթացքում ի հայտ եկան դատաստանի օրվա հիպոթետիկ սցենարներ, որոնք ենթադրում են, որ նանոռոբոտները կլանեն Երկրի ողջ կենսազանգվածը՝ իրականացնելով իրենց ինքնավերարտադրման ծրագիրը (այսպես կոչված՝ «գորշ լորձ» կամ «գորշ լորձ» ):

Ատոմային մակարդակում օբյեկտների ուսումնասիրության հնարավորության մասին առաջին ենթադրությունները կարելի է գտնել Իսահակ Նյուտոնի «Opticks» գրքում, որը հրատարակվել է 1704 թվականին։ Գրքում Նյուտոնը հույս է հայտնում, որ ապագայի մանրադիտակները մի օր կկարողանան բացահայտել «մարմինների առեղծվածները»:

Առաջին անգամ «նանոտեխնոլոգիա» տերմինն օգտագործել է Նորիո Տանիգուչին 1974 թվականին։ Նա այս տերմինն անվանել է մի քանի նանոմետրի արտադրանքի արտադրություն։ 1980-ականներին տերմինն օգտագործել է Էրիկ Կ. Դրեքսլերը իր «Արարման շարժիչներ. Նանոտեխնոլոգիայի գալիք դարաշրջանը և նանոհամակարգեր. մոլեկուլային մեքենաներ, արտադրություն և հաշվարկ» գրքերում:

Ինչի՞ է ընդունակ նանոտեխնոլոգիան:

Ահա միայն մի քանի ոլորտներ, որտեղ նանոտեխնոլոգիան խոստումնալից առաջընթաց է ապահովում.

Դեղ

Նանոսենսորները առաջընթաց կապահովեն հիվանդության վաղ ախտորոշման գործում: Սա կբարձրացնի ձեր վերականգնման հնարավորությունները: Մենք կարող ենք հաղթել քաղցկեղին և այլ հիվանդություններին։ Հին քաղցկեղի դեղամիջոցները սպանում էին ոչ միայն հիվանդ բջիջները, այլև առողջ բջիջները։ Նանոտեխնոլոգիայի օգնությամբ դեղը կհասցվի անմիջապես հիվանդ բջիջ։

ԴՆԹ-նանոտեխնոլոգիա- օգտագործել ԴՆԹ-ի և նուկլեինաթթվի մոլեկուլների հատուկ հիմքերը՝ դրանց հիման վրա հստակ սահմանված կառուցվածքներ ստեղծելու համար: Դեղորայքի մոլեկուլների և հստակ սահմանված ձևի դեղաբանական պատրաստուկների արդյունաբերական սինթեզ (բիս-պեպտիդներ):

2000 թվականի սկզբին նանո չափերի մասնիկների արտադրության տեխնոլոգիայի արագ առաջընթացի շնորհիվ խթան տրվեց նանոտեխնոլոգիայի նոր բնագավառի զարգացմանը՝ նանոպլազմոնիկա... Պարզվեց, որ հնարավոր է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը փոխանցել մետաղական նանոմասնիկների շղթայի երկայնքով՝ օգտագործելով պլազմոնի տատանումների գրգռումը։

Շինարարություն

Շինարարական կառույցների նանոսենսորները կհետևեն դրանց ամրությանը և կհայտնաբերեն դրանց ամբողջականությանը սպառնացող ցանկացած վտանգ: Նանոտեխնոլոգիայով կառուցված օբյեկտները կկարողանան հինգ անգամ ավելի երկար ծառայել, քան ժամանակակից կառույցները։ Տները կհարմարվեն բնակիչների կարիքներին՝ ամռանը զովացնելով, ձմռանը տաքացնելով։

Էներգիա

Մենք ավելի քիչ կախված կլինենք նավթից ու գազից. Ժամանակակից արևային մարտկոցներն ունեն մոտ 20% արդյունավետություն: Նանոտեխնոլոգիայի կիրառմամբ այն կարող է աճել 2-3 անգամ։ Տանիքի և պատերի բարակ նանոֆիլմերը կարող են էներգիա ապահովել ամբողջ տան համար (եթե, իհարկե, բավականաչափ արև կա):

Մեքենաշինություն

Բոլոր մեծածավալ սարքավորումները կփոխարինվեն ռոբոտներով՝ հեշտությամբ կառավարվող սարքերով: Նրանք կկարողանան ստեղծել ցանկացած մեխանիզմ ատոմների ու մոլեկուլների մակարդակով։ Մեքենաների արտադրության համար կօգտագործվեն նոր նանոնյութեր, որոնք կարող են նվազեցնել շփումը, պաշտպանել մասերը վնասներից և խնայել էներգիան։ Սրանք բոլոր ոլորտները չեն, որտեղ նանոտեխնոլոգիան կարող է (և կկիրառվի): Գիտնականները կարծում են, որ նանոտեխնոլոգիայի առաջացումը նոր գիտական ​​և տեխնոլոգիական հեղափոխության սկիզբ է, որը մեծապես կփոխի աշխարհը արդեն 21-րդ դարում։ Հարկ է նշել, սակայն, որ նանոտեխնոլոգիան այնքան էլ արագ չի մտնում իրական պրակտիկա։ Նանոյով շատ սարքեր (հիմնականում էլեկտրոնիկա) չեն աշխատում։ Սա մասամբ պայմանավորված է նանոտեխնոլոգիայի բարձր արժեքով և նանոտեխնոլոգիական արտադրանքի ցածր եկամտաբերությամբ:

Հավանաբար, արդեն մոտ ապագայում նանոտեխնոլոգիայի օգնությամբ կստեղծվեն բարձր տեխնոլոգիական, շարժական, հեշտությամբ կառավարվող սարքեր, որոնք հաջողությամբ կփոխարինեն այսօրվա ավտոմատացված, բայց դժվար կառավարվող ու ծանր տեխնոլոգիան։ Այսպիսով, օրինակ, ժամանակի ընթացքում համակարգչով կառավարվող բիոռոբոտները կկարողանան կատարել այսօրվա մեծածավալ պոմպակայանների գործառույթները:

• ԴՆԹ համակարգիչ- ԴՆԹ-ի մոլեկուլների հաշվողական հնարավորությունները օգտագործող հաշվողական համակարգ: Biomolecular Computing-ը տարբեր տեխնիկայի հավաքական անվանում է, որոնք ինչ-որ կերպ կապված են ԴՆԹ-ի կամ ՌՆԹ-ի հետ: ԴՆԹ-ի հաշվարկում տվյալները ներկայացված են ոչ թե զրոների և միավորների տեսքով, այլ ԴՆԹ-ի պարույրի հիման վրա կառուցված մոլեկուլային կառուցվածքի տեսքով։ Դեր ծրագրային ապահովումհատուկ ֆերմենտներ օգտագործվում են տվյալների ընթերցման, պատճենման և մանիպուլյացիայի համար:
• Ատոմային ուժի մանրադիտակ- բարձր լուծաչափով սկանավորող զոնդի մանրադիտակ, որը հիմնված է հետազոտվող նմուշի մակերեսի հետ կոնսերտի ծայրի (զոնդի) փոխազդեցության վրա: Ի տարբերություն սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM), այն կարող է ուսումնասիրել ինչպես հաղորդիչ, այնպես էլ ոչ հաղորդիչ մակերեսները նույնիսկ հեղուկի շերտի միջոցով, ինչը հնարավորություն է տալիս աշխատել օրգանական մոլեկուլների (ԴՆԹ) հետ: Ատոմային ուժային մանրադիտակի տարածական լուծաչափը կախված է շղթայի չափից և ծայրի կորությունից։ Բանաձևը հասնում է ատոմային հորիզոնական և զգալիորեն գերազանցում է այն ուղղահայաց:
• Անտենա-օսցիլյատոր- 2005 թվականի փետրվարի 9-ին Բոստոնի համալսարանի լաբորատորիայում ձեռք է բերվել 1 միկրոն կարգի չափսերով ալեհավաք-օսցիլյատոր։ Այս սարքն ունի 5000 միլիոն ատոմ և ունակ է տատանվել 1,49 գիգահերց արագությամբ, ինչը թույլ է տալիս հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն փոխանցել։

Զարմանալի ներուժով 10 նանոտեխնոլոգիաներ

Փորձեք հիշել կանոնական գյուտեր: Հավանաբար, ինչ-որ մեկը հիմա պատկերացրել է անիվ, ինչ-որ մեկը ինքնաթիռ, և ինչ-որ մեկին և iPod: Ձեզանից քանի՞սն է մտածել բոլորովին նոր սերնդի գյուտի՝ նանոտեխնոլոգիայի մասին: Այս աշխարհը վատ է հասկացվում, բայց այն մեզ իսկապես ֆանտաստիկ բաներ տալու անհավատալի ներուժ ունի: Զարմանալի բան. նանոտեխնոլոգիայի ուղղությունը գոյություն չուներ մինչև 1975 թվականը, չնայած գիտնականները սկսեցին աշխատել այս ոլորտում շատ ավելի վաղ:

Մարդու անզեն աչքը կարողանում է ճանաչել մինչև 0,1 միլիմետր չափի առարկաներ։ Այսօր կխոսենք տասը գյուտերի մասին, որոնք 100000 անգամ քիչ են։

Էլեկտրահաղորդիչ հեղուկ մետաղ

Էլեկտրաէներգիայի միջոցով դուք կարող եք պատրաստել հեղուկ մետաղից պարզ համաձուլվածք, որը բաղկացած է գալիումից, իրիդիումից և անագից, բարդ ձևեր կամ քամու շրջանակներ ձևավորել Պետրիի ափսեի ներսում: Որոշակի հավանականությամբ կարելի է ասել, որ դա այն նյութն է, որից ստեղծվել է T-1000 շարքի հայտնի կիբորգը, որը մենք կարող էինք տեսնել Տերմինատոր 2-ում։

«Փափուկ համաձուլվածքն իրեն պահում է խելացի ձևի պես, որը կարող է անհրաժեշտության դեպքում ինքն իրեն դեֆորմացնել՝ հաշվի առնելով փոփոխվող միջավայրը, որտեղ այն շարժվում է: Ճիշտ այնպես, ինչպես ես կարող էի կիբորգ ստեղծել հանրաճանաչ գիտաֆանտաստիկ ֆիլմից»,- ասում է Ցին Լին Ցինհուա համալսարանից՝ նախագծում ներգրավված հետազոտողներից մեկը:

Այս մետաղը բիոմիմետիկ է, այսինքն՝ ընդօրինակում է կենսաքիմիական ռեակցիաները, թեև ինքնին կենսաբանական նյութ չէ։

Այս մետաղը կարելի է կառավարել էլեկտրական լիցքաթափումներով: Այնուամենայնիվ, նա ինքն է կարողանում ինքնուրույն շարժվել՝ առաջացող բեռի անհավասարակշռության պատճառով, որն առաջանում է այս մետաղական խառնուրդի յուրաքանչյուր կաթիլի առջևի և հետևի ճնշման տարբերությամբ: Եվ չնայած գիտնականները կարծում են, որ այս գործընթացը կարող է լինել քիմիական էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածելու բանալին, մոլեկուլային նյութը մոտ ապագայում չի օգտագործվի չար կիբորգների կառուցման համար: Ամբողջ «կախարդական» գործընթացը կարող է տեղի ունենալ միայն նատրիումի հիդրօքսիդի լուծույթում կամ աղի լուծույթում։

Նանոպլաստիկ

Յորքի համալսարանի գիտնականներն աշխատում են ստեղծելու հատուկ կպչուն պիտակներ, որոնք նախատեսված կլինեն մարմնի ներսում բոլոր անհրաժեշտ դեղամիջոցներն առանց ասեղների և ներարկիչների անհրաժեշտության հասցնելու համար: Բավականին նորմալ չափի կտորները կպչում են ձեր ձեռքին՝ ձեր մարմնին հասցնելով դեղամիջոցի նանոմասնիկների որոշակի չափաբաժին (բավականաչափ փոքր՝ մազերի ֆոլիկուլները ներթափանցելու համար): Նանոմասնիկները (յուրաքանչյուրը 20 նանոմետրից պակաս չափերով) իրենք են գտնում վնասակար բջիջներ, սպանում դրանք և բնական գործընթացների արդյունքում դուրս կթողնեն մարմնից այլ բջիջների հետ միասին:

Գիտնականները նշում են, որ ապագայում նման նանոպլաստիկները կարող են օգտագործվել Երկրի ամենասարսափելի հիվանդություններից մեկի՝ քաղցկեղի դեմ պայքարում։ Ի տարբերություն քիմիաթերապիայի, որը նման դեպքերում ամենից հաճախ բուժման անբաժանելի մասն է, նանոպլաստիկները կարող են անհատապես հայտնաբերել և ոչնչացնել քաղցկեղային բջիջները՝ առողջ բջիջները թողնելով անձեռնմխելի: Նանոպլաստե նախագիծը ստացել է «NanJect» անվանումը։ Այն մշակվում է Աթիֆ Սայեդի և Զաքարիա Հուսեյնի կողմից, ովքեր 2013 թվականին, դեռ ուսանող լինելով, ստացան անհրաժեշտ հովանավորությունը ամբոխավարության դրամահավաքի միջոցով:

Նանոֆիլտր ջրի համար

Երբ այս թաղանթը օգտագործվում է չժանգոտվող պողպատից նուրբ ցանցի հետ միասին, յուղը վանվում է, և այս վայրում ջուրը դառնում է անարատ:

Հետաքրքիր է, որ բնությունն ինքն է ոգեշնչել գիտնականներին՝ ստեղծելու նանոֆիլմեր: Հայտնի է նաև որպես ջրաշուշան, լոտոսի տերևներն ունեն նանոֆիլմի հակառակ հատկությունները. յուղի փոխարեն նրանք վանում են ջուրը: Առաջին անգամը չէ, որ գիտնականները ուսումնասիրում են այս զարմանահրաշ բույսերը՝ դրանց ոչ պակաս զարմանալի հատկություններով։ Սա հանգեցրեց, օրինակ, 2003 թվականին գերհիդրոֆոբ նյութերի ստեղծմանը: Ինչ վերաբերում է նանոֆիլմին, ապա հետազոտողները փորձում են ստեղծել այնպիսի նյութ, որը նմանակում է ջրաշուշանների մակերեսին և հարստացնում այն ​​հատուկ մաքրող նյութի մոլեկուլներով։ Ծածկույթն ինքնին անտեսանելի է մարդու աչքի համար: Արտադրությունը կլինի էժան՝ մոտ 1 դոլար մեկ քառակուսի ֆուտի համար:

Սուզանավային օդը մաքրող սարք

Դժվար թե որևէ մեկը մտածեր, թե ինչպիսի օդային սուզանավերի անձնակազմերը պետք է շնչեն, բացի անձնակազմի անդամներից։ Մինչդեռ օդի մաքրումը ածխաթթու գազից պետք է անհապաղ իրականացվի, քանի որ մեկ նավարկության ընթացքում սուզանավի թեթև անձնակազմի միջով նույն օդը պետք է հարյուրավոր անգամ անցնի։ Օդը մաքրելու համար ածխաթթու գազօգտագործել ամիններ, որոնք շատ տհաճ հոտ ունեն։ Այս խնդիրը լուծելու համար ստեղծվել է մաքրման տեխնոլոգիա, որը կոչվում է SAMMS (Մեզոփորային հենարանների վրա Self-Assembled Monolayers-ի հապավումը): Այն առաջարկում է կերամիկական հատիկների մեջ ներկառուցված հատուկ նանոմասնիկների օգտագործումը: Նյութն ունի ծակոտկեն կառուցվածք, որի շնորհիվ կլանում է ավելորդ ածխաթթու գազը։ SAMMS մաքրման տարբեր տեսակներ աշխատում են օդի, ջրի և երկրի տարբեր մոլեկուլների հետ, սակայն մաքրման այս բոլոր տարբերակները աներևակայելի արդյունավետ են: Այս ծակոտկեն կերամիկական հատիկներից ընդամենը մեկ ճաշի գդալ բավական է ֆուտբոլի դաշտի չափ տարածքը մաքրելու համար:

Նանոհաղորդիչներ

Հյուսիսարևմտյան համալսարանի (ԱՄՆ) գիտնականները պարզել են, թե ինչպես կարելի է նանոմաշտաբով էլեկտրական հաղորդիչ ստեղծել: Այս հաղորդիչը ամուր և ամուր նանոմասնիկ է, որը կարող է կարգավորվել փոխանցելու համար էլեկտրական հոսանքտարբեր հակադիր ուղղություններով: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ յուրաքանչյուր նման նանոմասնիկ կարող է ընդօրինակել «ուղղիչի, անջատիչների և դիոդների» աշխատանքը: Յուրաքանչյուր 5 նանոմետրանոց մասնիկ պատված է դրական լիցքավորված քիմիական նյութով և շրջապատված է բացասական լիցքավորված ատոմներով։ Էլեկտրական լիցքաթափման կիրառումը վերակազմավորում է բացասական լիցքավորված ատոմները նանոմասնիկների շուրջ:

Տեխնոլոգիայի ներուժը, ըստ գիտնականների, աննախադեպ է: Դրա հիման վրա հնարավոր է ստեղծել նյութեր, որոնք «կարող են ինքնուրույն փոփոխվել որոշակի համակարգչային հաշվողական առաջադրանքների համար»: Այս նանոնյութի օգտագործումը իրականում «վերծրագրավորելու» է ապագայի էլեկտրոնիկան։ Սարքավորումների արդիականացումը նույնքան հեշտ կլինի, որքան ծրագրային ապահովման թարմացումը:

Նանոտեխնոլոգիա լիցքավորիչ

Այս բանը ստեղծելուց հետո այլևս կարիք չկա օգտագործել լարային լիցքավորիչներ: Նոր նանոտեխնոլոգիան աշխատում է սպունգի նման, միայն թե հեղուկը չի կլանում։ Այն ներծծում է կինետիկ էներգիան շրջակա միջավայրից և այն ուղղում անմիջապես ձեր սմարթֆոնի մեջ: Տեխնոլոգիան հիմնված է պիեզոէլեկտրական նյութի օգտագործման վրա, որը մեխանիկական սթրեսի պայմաններում արտադրում է էլեկտրաէներգիա: Նյութը օժտված է նանոսկոպիկ ծակոտիներով, որոնք այն վերածում են ճկուն սպունգի:

Այս սարքի պաշտոնական անվանումն է «նանոգեներատոր»։ Նման նանոգեներատորները կարող են մի օր դառնալ մոլորակի յուրաքանչյուր սմարթֆոնի կամ յուրաքանչյուր մեքենայի վահանակի մի մասը, և, հնարավոր է, հագուստի յուրաքանչյուր գրպանի մի մասը. գաջեթները կլիցքավորվեն հենց այնտեղ: Բացի այդ, տեխնոլոգիան ավելի մեծ մասշտաբով օգտագործելու ներուժ ունի, օրինակ՝ արդյունաբերական սարքավորումներում: Համենայն դեպս այդպես են կարծում Մեդիսոնի Վիսկոնսինի համալսարանի գիտնականները, ովքեր ստեղծել են այս զարմանահրաշ նանոսպունգը:

Արհեստական ​​ցանցաթաղանթ

Իսրայելական Nano Retina ընկերությունը մշակում է ինտերֆեյս, որն ուղղակիորեն կմիանա աչքի նեյրոններին և նյարդային մոդելավորման արդյունքը կփոխանցի ուղեղ՝ փոխարինելով ցանցաթաղանթը և վերադարձնելով տեսողությունը մարդկանց։

Կույր հավի վրա կատարված փորձը ցույց տվեց ծրագրի հաջողության հույսը: Նանոֆիլմը հավին թույլ է տվել տեսնել լույսը: Ճիշտ է, մարդկանց տեսողությունը վերադարձնելու համար արհեստական ​​ցանցաթաղանթի ստեղծման վերջին փուլը դեռ հեռու է, բայց այս ուղղությամբ առաջընթացը լավ նորություն է։ Nano Retina-ն միակ ընկերությունը չէ, որը զբաղվում է նման զարգացումներով, սակայն հենց նրանց տեխնոլոգիան է ներկայումս համարվում ամենահեռանկարային, արդյունավետ և հարմարվողը: Վերջին կետն ամենակարևորն է, քանի որ խոսքը գնում է ապրանքի մասին, որը կինտեգրվի ինչ-որ մեկի աչքերին։ Նմանատիպ զարգացումները ցույց են տվել, որ պինդ նյութերը պիտանի չեն այդ կիրառությունների համար:

Քանի որ տեխնոլոգիան մշակվում է նանոտեխնոլոգիական մակարդակում, այն վերացնում է մետաղի և լարերի օգտագործումը, ինչպես նաև խուսափում է նմանակված պատկերի ցածր լուծաչափից:

Փայլուն հագուստ

Շանհայի գիտնականները մշակել են ռեֆլեկտիվ թելեր, որոնք կարող են օգտագործվել հագուստ պատրաստելու համար։ Յուրաքանչյուր թելի հիմքը շատ բարակ չժանգոտվող պողպատից մետաղալար է, որը պատված է հատուկ նանոմասնիկներով, էլեկտրալյումինեսցենտ պոլիմերային շերտով և թափանցիկ նանոխողովակներից պատրաստված պաշտպանիչ պատյանով։ Ստացվում են շատ թեթև և ճկուն թելեր, որոնք կարող են փայլել սեփական էլեկտրաքիմիական էներգիայի ազդեցության տակ։ Միեւնույն ժամանակ, նրանք աշխատում են շատ ավելի ցածր հզորությամբ, քան սովորական LED-ները:

Այս տեխնոլոգիայի թերությունն այն է, որ թելերը բավականաչափ «լույսի մատակարարում» ունեն ընդամենը մի քանի ժամվա համար։ Այնուամենայնիվ, նյութը մշակողները լավատես են, որ կկարողանան իրենց արտադրանքի «ռեսուրսը» ավելացնել առնվազն հազար անգամ։ Եթե ​​նույնիսկ հաջողվի, մեկ այլ թերության լուծումը դեռ հարցականի տակ է։ Ամենայն հավանականությամբ, նման նանաթելերի հիման վրա հագուստը հնարավոր չի լինի լվանալ։

Նանոասեղներ ներքին օրգանների վերականգնման համար

Նանոպլաստիկները, որոնց մասին մենք խոսեցինք վերևում, հատուկ նախագծված են ասեղները փոխարինելու համար: Իսկ եթե ասեղներն իրենք լինեին ընդամենը մի քանի նանոմետր չափի: Եթե ​​այո, նրանք կարող են փոխել մեր պատկերացումները վիրահատության մասին, կամ գոնե զգալիորեն բարելավել այն:

Վերջերս գիտնականները հաջող լաբորատոր թեստեր են անցկացրել մկների վրա։ Փոքրիկ ասեղների օգնությամբ հետազոտողները կարողացել են կրծողների օրգանիզմներ ներարկել նուկլեինաթթուներ, որոնք նպաստում են օրգանների և նյարդային բջիջների վերականգնմանը և դրանով իսկ վերականգնել կորցրած արդյունավետությունը: Երբ ասեղները կատարում են իրենց գործառույթը, դրանք մնում են մարմնում և մի քանի օրվա ընթացքում ամբողջությամբ քայքայվում են։ Միևնույն ժամանակ, գիտնականները այս հատուկ նանոասեղների միջոցով կրծողների մեջքի մկանների արյունատար անոթները վերականգնելու վիրահատությունների ընթացքում ոչ մի կողմնակի ազդեցություն չեն հայտնաբերել:

Եթե ​​հաշվի առնենք մարդկային դեպքերը, ապա նման նանոասեղներով կարելի է անհրաժեշտ միջոցները հասցնել մարդու օրգանիզմ, օրինակ՝ օրգանների փոխպատվաստման ժամանակ։ Հատուկ նյութերը կպատրաստեն փոխպատվաստված օրգանի շուրջ շրջապատող հյուսվածքները արագ վերականգնման և կբացառեն մերժման հնարավորությունը։

3D քիմիական տպագրություն

Իլինոյսի համալսարանի քիմիկոս Մարտին Բերկը քիմիայի աշխարհի իրական Վիլի Վոնկան է: Օգտագործելով «շինանյութի» մոլեկուլների հավաքածուն տարբեր նպատակների համար՝ նա կարող է ստեղծել հսկայական քանակությամբ տարբեր քիմիական նյութերօժտված է բոլոր տեսակի «զարմանալի և բնական հատկություններով»: Օրինակ, այդպիսի նյութերից մեկը ռատանինն է, որը կարելի է գտնել միայն շատ հազվագյուտ պերուական ծաղկի մեջ:

Նյութերի սինթեզման ներուժն այնքան հսկայական է, որ հնարավոր կլինի արտադրել մոլեկուլներ, որոնք օգտագործվում են բժշկության մեջ՝ ստեղծելու LED դիոդներ, արևային բջիջներ և այն քիմիական տարրերը, որոնք նույնիսկ մոլորակի լավագույն քիմիկոսներին տարիներ են պահանջվել սինթեզելու համար:

Եռաչափ քիմիական տպիչի ներկայիս նախատիպի հնարավորությունները դեռևս սահմանափակ են։ Նա կարողանում է միայն նոր դեղամիջոցներ ստեղծել։ Այնուամենայնիվ, Բերկը հույս ունի, որ մի օր նա կկարողանա ստեղծել իր զարմանալի սարքի սպառողական տարբերակը, որը շատ ավելի հզոր կլինի։ Հնարավոր է, որ ապագայում նման տպիչները հանդես գան որպես տնային դեղագործների մի տեսակ։

Արդյո՞ք նանոտեխնոլոգիան վտանգ է սպառնում մարդու առողջությանը, թե շրջակա միջավայրին:

Նանոմասնիկների բացասական ազդեցության մասին այնքան էլ շատ տեղեկություն չկա։ 2003 թվականին հետազոտությունը ցույց տվեց, որ ածխածնային նանոխողովակները կարող են վնասել մկների և առնետների թոքերը: 2004 թվականի ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ ձկների մոտ ֆուլերենները կարող են կուտակվել և ուղեղի վնաս պատճառել: Բայց երկու ուսումնասիրություններն էլ անսովոր պայմաններում օգտագործել են նյութի մեծ չափաբաժիններ: Փորձագետներից մեկի՝ քիմիկոս Քրիստեն Կուլինովսկու (ԱՄՆ) խոսքերով, «նպատակահարմար կլիներ սահմանափակել այդ նանոմասնիկների ազդեցությունը, չնայած այն հանգամանքին, որ ներկայումս չկա որևէ տեղեկություն մարդկանց առողջությանը սպառնացող վտանգի մասին»։

Որոշ մեկնաբաններ նաև պնդում են, որ նանոտեխնոլոգիայի լայն կիրառումը կարող է հանգեցնել սոցիալական և էթիկական ռիսկերի: Այսպիսով, օրինակ, եթե նանոտեխնոլոգիայի կիրառումը նոր արդյունաբերական հեղափոխություն սկսի, դա կբերի աշխատատեղերի կորստի։ Ավելին, նանոտեխնոլոգիան կարող է փոխել մարդու ընկալումը, քանի որ դրանց օգտագործումը կօգնի երկարացնել կյանքը և զգալիորեն բարձրացնել մարմնի կայունությունը։ «Ոչ ոք չի կարող ժխտել, որ բջջային հեռախոսների և ինտերնետի համատարած ընդունումը հսկայական փոփոխություններ է առաջացրել հասարակության մեջ», - ասում է Քրիստեն Կուլինովսկին: «Ո՞վ կհամարձակվի ասել, որ նանոտեխնոլոգիան առաջիկա տարիներին ավելի մեծ ազդեցություն չի ունենա հասարակության վրա։

Ռուսաստանի տեղը նանոտեխնոլոգիա զարգացող և արտադրող երկրների շարքում

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում ներդրումների ընդհանուր ծավալով համաշխարհային առաջատարներն են ԵՄ երկրները, Ճապոնիան և ԱՄՆ-ը։ Վերջին շրջանում այս ոլորտում ներդրումները զգալիորեն ավելացրել են Ռուսաստանը, Չինաստանը, Բրազիլիան և Հնդկաստանը։ Ռուսաստանում «2008 - 2010 թվականներին Ռուսաստանի Դաշնությունում նանոարդյունաբերության ենթակառուցվածքների զարգացում» ծրագրով ֆինանսավորման ծավալը կկազմի 27,7 մլրդ ռուբլի։

Լոնդոնում գործող Cientifica հետազոտական ​​ընկերության վերջին (2008) զեկույցում, որը կոչվում է Nanotechnology Outlook Report, ռուսական ներդրումների մասին բառացիորեն ասվում է հետևյալը. »:

Նանոտեխնոլոգիայի բնագավառներում կան ոլորտներ, որտեղ ռուս գիտնականները դարձել են առաջինն աշխարհում՝ ստանալով արդյունքներ, որոնք հիմք դրեցին գիտական ​​նոր ուղղությունների զարգացմանը:

Դրանցից կարելի է առանձնացնել գերմանր նանոնյութերի արտադրությունը, մեկէլեկտրոնային սարքերի նախագծումը, ինչպես նաև ատոմային ուժի և սկանավոր զոնդի մանրադիտակի ոլորտում աշխատանքը։ Միայն Սանկտ Պետերբուրգի XII տնտեսական ֆորումի շրջանակներում անցկացված հատուկ ցուցահանդեսում (2008 թ.) ներկայացվել է միանգամից 80 կոնկրետ զարգացում։ Ռուսաստանն արդեն արտադրում է մի շարք նանոարտադրանքներ, որոնք շուկայում պահանջարկ ունեն՝ նանոմեմբրաններ, նանոփոշիներ, նանոխողովակներ։ Սակայն, ըստ փորձագետների, նանոտեխնոլոգիական զարգացումների առևտրայնացման հարցում Ռուսաստանը տասը տարով հետ է մնում ԱՄՆ-ից և մյուս զարգացած երկրներից։

Նանոտեխնոլոգիան արվեստում

Ամերիկացի նկարչուհի Նատաշա Վիտա-Մորի մի շարք աշխատանքներ վերաբերում են նանոտեխնոլոգիային։

Ժամանակակից արվեստում ի հայտ է եկել նոր ուղղություն «նանոարտ» (նանոարվեստ)՝ արվեստի ձև, որը կապված է միկրո և նանո չափերի (համապատասխանաբար 10–6 և 10–9 մ) քանդակների (կոմպոզիցիաների) ստեղծման հետ։ նկարիչ նյութի մշակման քիմիական կամ ֆիզիկական պրոցեսների ազդեցության տակ՝ լուսանկարելով ստացված նանո պատկերները էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով և մշակելով սև ու սպիտակ լուսանկարները գրաֆիկական խմբագրիչում։

Ռուս գրող Ն․ - ասում է նա, - տեսնելու, որ յուրաքանչյուր պայտի վրա մի վարպետի անուն է դրված՝ ռուս վարպետն ինչ է արել այդ պայտը։ 5,000,000 անգամ մեծացում ապահովում են ժամանակակից էլեկտրոնային և ատոմային ուժային մանրադիտակները, որոնք համարվում են նանոտեխնոլոգիայի հիմնական գործիքները։ Այսպիսով, գրական հերոս Լեֆտին կարելի է համարել պատմության առաջին «նանոտեխնոլոգիան»։

Ֆեյնմանի գաղափարները այն մասին, թե ինչպես ստեղծել և օգտագործել նանոմանիպուլյատորներ, որոնք ուրվագծել է Ֆեյնմանը 1959-ին իր «There's a lot of space down there» դասախոսության մեջ գրեթե տեքստային առումով համընկնում են հայտնի խորհրդային գրող Բորիս Ժիտկովի «Միկրոուկի» ֆանտաստիկ պատմվածքի հետ, որը հրատարակվել է 1931 թվականին: Նանոտեխնոլոգիայի անվերահսկելի զարգացման որոշ բացասական հետևանքներ նկարագրված են Մ. Քրայթոնի («Ռոյը»), Ս. Լեմի («Տեղում ստուգում» և «Խաղաղություն երկրի վրա»), Ս. Լուկյանենկոյի («Ոչինչ» աշխատություններում. բաժանել»):

Յուրի Նիկիտինի «Տրանսմեն» վեպի գլխավոր հերոսը նանոտեխնոլոգիական կորպորացիայի ղեկավարն է և առաջին մարդն է, ով զգացել է բժշկական նանոռոբոտների ազդեցությունը։

«Stargate SG-1» և «Stargate Atlantis» գիտաֆանտաստիկ սերիալներում տեխնոլոգիապես ամենաառաջադեմ մրցավազքներից մեկը երկու «կրկնօրինակող» ռասաներն են, որոնք առաջացել են նանոտեխնոլոգիայի տարբեր կիրառություններ օգտագործող և նկարագրող անհաջող փորձերից: The Day the Earth Stood Still-ում, որտեղ գլխավոր դերակատարը Կիանու Ռիվսն է, այլմոլորակային քաղաքակրթությունը մարդկությանը մահապատժի է դատապարտում և գրեթե ոչնչացնում է ամեն ինչ մոլորակի վրա՝ ինքնարտադրվող նանոպլիկանտ-բզեզների օգնությամբ, որոնք խժռում են ամեն ինչ իր ճանապարհին:

Փոխըմբռնման հուշագիր «Մարդասիրական և մանկավարժական ճեմարան»

Նանոտեխնոլոգիա դպրոցականների համար

Ավարտեց՝ Սագաիդաչնայա Անաստասիա, 10 «Բ» դաս

Ներածություն _________________________________________________________________ 3

Նանոտեխնոլոգիայի պատմություն _________________________________________________ 4

Նանոտեխնոլոգիայի գործիքներ ________________________________________________ 10

Նանոաշխարհի հանելուկներ _________________________________________________________________ 25

Նանոտեխնոլոգիա և բժշկություն _________________________________________________ 36

Նանոտեխնոլոգիան առօրյա կյանքում և արդյունաբերության մեջ _________________________________ 42

Նրանց համար, ովքեր ցանկանում են կապել ապագան նանոտեխնոլոգիայի հետ __________________________ 52

Հղումներ _________________________________________________________________ 56

Ներածություն

Ինքնաթիռները, հրթիռները, հեռուստացույցները և համակարգիչները 20-րդ դարում փոխել են մեզ շրջապատող աշխարհը: Գիտնականները պնդում են, որ գալիք 21-րդ դարում նանոտեխնոլոգիայի օգտագործմամբ պատրաստված նյութերը, դեղերը, սարքերը, հաղորդակցությունը և առաքման համակարգերը կդառնան նոր տեխնիկական հեղափոխության առանցքը:

Հունարենից թարգմանված «նանո» բառը նշանակում է թզուկ: Մեկ նանոմետրը (նմ) մետրի մեկ միլիարդերորդականն է (10 -9 մ): Նանոմետրը շատ, շատ փոքր է: Նանոմետրը նույնքան անգամ պակաս է մեկ մետրից, որքան մատի հաստությունը փոքր է Երկրի տրամագծից: Ատոմների մեծ մասի տրամագիծը 0,1-ից 0,2 նմ է, իսկ ԴՆԹ-ի շղթաները մոտ 2 նմ հաստությամբ: Արյան կարմիր բջիջների տրամագիծը 7000 նմ է, իսկ մարդու մազի հաստությունը՝ 80000 նմ։

Մեր աչքի առաջ ֆանտազիան իրականություն է դառնում. հնարավոր է դառնում տեղափոխել առանձին ատոմներ և ավելացնել դրանցից, ինչպես խորանարդներից, սարքերից և մեխանիզմներից, որոնք ունեն անսովոր փոքր չափսեր և հետևաբար անտեսանելի սովորական աչքի համար: Նանոտեխնոլոգիան, օգտագործելով ֆիզիկայի, քիմիայի և կենսաբանության վերջին ձեռքբերումները, ոչ միայն քանակական, այլ որակական թռիչք է նյութի հետ աշխատելուց մինչև առանձին ատոմների մանիպուլյացիա:

Նանոտեխնոլոգիայի առաջացման և զարգացման պատմությունը

Ռիչարդ Ֆեյնմանը նանոտեխնոլոգիաների հեղափոխության մարգարեն է

Գաղափարը, որ լիովին հնարավոր է սարքեր հավաքել և աշխատել նանո չափերի առարկաների հետ, առաջին անգամ արտահայտվեց դափնեկրի խոսքում. Նոբելյան մրցանակՌիչարդ Ֆեյնմանը 1959 թվականին Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտում («Այնտեղ շատ տեղ կա»: Դասախոսության վերնագրում «ներքև» բառը նշանակում էր «շատ փոքր չափերի աշխարհում»: Այնուհետև Ֆեյնմանը ասաց, որ մի օր, օրինակ, 2000 թվականին, մարդիկ կզարմանան, թե ինչու 19-րդ դարի առաջին կեսի գիտնականները սահեցին այս նանո մասշտաբի չափերը՝ կենտրոնացնելով իրենց բոլոր ջանքերը ատոմի և ատոմային միջուկի ուսումնասիրության վրա: Ֆեյնմանի խոսքերով՝ մարդիկ շատ երկար են ապրել՝ չնկատելով, որ իրենց կողքին ապրում է առարկաների մի ամբողջ աշխարհ, որն անհնար էր տարբերել։ Դե, եթե մենք չտեսնեինք այս օբյեկտները, ապա մենք չէինք կարող աշխատել դրանց հետ:

Այնուամենայնիվ, մենք ինքներս կազմված ենք սարքերից, որոնք շատ լավ սովորել են աշխատել նանո-օբյեկտների հետ: Սրանք մեր բջիջներն են՝ մեր մարմինը կազմող շինանյութերը: Բջիջն իր ողջ կյանքի ընթացքում աշխատում է նանո-օբյեկտների հետ՝ հավաքելով տարբեր ատոմներից բարդ նյութերի մոլեկուլներ: Հավաքելով այս մոլեկուլները՝ բջիջը դրանք տեղադրում է տարբեր մասերում՝ ոմանք հայտնվում են միջուկում, մյուսները՝ ցիտոպլազմայում, իսկ մյուսները՝ թաղանթում: Պատկերացրեք, թե ինչ հնարավորություններ են բացվում մարդկության համար, եթե նա տիրապետի նույն նանոտեխնոլոգիաներին, որոնք արդեն իսկ տիրապետում են յուրաքանչյուր մարդկային բջիջին:

Ֆեյնմանը նկարագրում է նանոտեխնոլոգիաների հեղափոխության հետևանքները համակարգիչների համար: «Եթե, օրինակ, միացնող լարերի տրամագիծը 10-ից 100 ատոմ է, ապա ցանկացած շղթայի չափը չի գերազանցի մի քանի հազար անգստրոմը։ Բոլոր նրանք, ովքեր առնչվում են համակարգչային տեխնիկայի հետ, գիտեն այն հնարավորությունների մասին, որոնք խոստանում են դրա զարգացումն ու բարդացումը։ Եթե ​​օգտագործվող տարրերի թիվը միլիոնավոր անգամ ավելանա, ապա համակարգիչների հնարավորությունները զգալիորեն կընդլայնվեն։ Նրանք կսովորեն տրամաբանել, վերլուծել փորձը և հաշվարկել իրենց գործողությունները, գտնել նոր հաշվողական մեթոդներ և այլն: Տարրերի քանակի ավելացումը կհանգեցնի համակարգիչների բնութագրերի կարևոր որակական փոփոխությունների»:

Գիտնականներին նանոաշխարհ կանչելով՝ Ֆեյնմանը անմիջապես զգուշացնում է նրանց այնտեղ սպասվող խոչընդոտների մասին՝ օգտագործելով ընդամենը 1 մմ երկարությամբ միկրոմեքենա պատրաստելու օրինակը։ Քանի որ սովորական մեքենայի մասերը պատրաստված են 10 -5 մ ճշգրտությամբ, ապա միկրոավտոմեքենայի մասերը պետք է պատրաստվեն 4000 անգամ ավելի բարձր ճշգրտությամբ, այսինքն. 2.5. 10 -9 մ Այսպիսով, միկրոավտոմեքենաների մասերի չափերը պետք է համապատասխանեն հաշվարկվածներին ± 10 ատոմների շերտերի ճշգրտությամբ:

Նանոմիրը ոչ միայն լի է խոչընդոտներով ու խնդիրներով։ Նանոաշխարհում մեզ լավ նորություններ են սպասում. նանոաշխարհի բոլոր մանրամասները շատ հիմնավոր են ստացվում: Դա պայմանավորված է նրանով, որ նանոօբյեկտների զանգվածը նվազում է նրանց չափի երրորդ հզորությանը համամասնորեն, իսկ նրանց խաչմերուկի մակերեսը համաչափ է երկրորդ հզորությանը։ Սա նշանակում է, որ օբյեկտի յուրաքանչյուր տարրի վրա մեխանիկական ծանրաբեռնվածությունը՝ տարրի քաշի հարաբերակցությունը նրա խաչմերուկի տարածքին, նվազում է օբյեկտի չափին համաչափ: Այսպիսով, համեմատաբար ավելի փոքր նանո նյութը ունի նանոպոդներ, որոնք միլիարդ անգամ ավելի հաստ են, քան անհրաժեշտ է:

Ֆ Էյնմանը հավատում էր, որ մարդը կարող է հեշտությամբ տիրապետել նանոաշխարհին, եթե ստեղծի ռոբոտ մեքենա, որն ի վիճակի է ստեղծել իր ավելի փոքր, բայց գործունակ պատճենը: Ենթադրենք, օրինակ, մենք սովորել ենք, թե ինչպես պատրաստել ռոբոտ, որն առանց մեր մասնակցության կարող է ստեղծել իր 4 անգամ փոքր պատճենը։ Այնուհետև այս փոքրիկ ռոբոտը կկարողանա կրկնօրինակել բնօրինակը՝ արդեն 16 անգամ կրճատված և այլն։ Ակնհայտ է, որ նման ռոբոտների 10-րդ սերունդը կստեղծի ռոբոտներ, որոնց չափերը միլիոնավոր անգամ փոքր կլինեն սկզբնականներից (տես նկ. 3):

Նկար 3. Ռ. Ֆեյնմանի հայեցակարգի նկարազարդումը, ով առաջարկեց ալգորիթմներից մեկը, թե ինչպես կարելի է մուտք գործել նանոաշխարհ. ռոբոտներն ինքնուրույն պատրաստում են իրենց կրճատված պատճենները: Adapted from Scientific American, 2001, Sept, p. 84.

Անշուշտ, չափերով փոքրանալով, մենք անընդհատ կհանդիպենք շատ անսովոր ֆիզիկական երեւույթների։ Նանոռոբոտի մասերի աննշան քաշը կհանգեցնի նրան, որ միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերի ազդեցության տակ դրանք կկպչեն միմյանց, իսկ, օրինակ, պտուտակն արձակելուց հետո ընկույզը չի բաժանվի պտուտակից։ Սակայն մեզ հայտնի ֆիզիկայի օրենքները չեն արգելում «ատոմ առ ատոմ» առարկաների ստեղծումը։ Ատոմների մանիպուլյացիան, սկզբունքորեն, միանգամայն իրական է և չի խախտում բնության ոչ մի օրենք։ Դրա իրականացման գործնական դժվարությունները պայմանավորված են միայն նրանով, որ մենք ինքներս չափազանց մեծ և ծանր առարկաներ ենք, ինչի հետևանքով մեզ համար դժվար է նման մանիպուլյացիաներ իրականացնել։

Միկրոօբյեկտների ստեղծումը ինչ-որ կերպ խթանելու համար Ֆեյնմանը խոստացել է 1000 դոլար վճարել նրան, ով կկառուցի 1/64 դյույմ (1 «» 2,5 սմ) էլեկտրական շարժիչ։ Եվ շատ շուտով ստեղծվեց այդպիսի միկրոշարժիչ (տե՛ս նկ. 4): 1993 թվականից ի վեր Ֆեյնմանի մրցանակը շնորհվում է ամեն տարի նանոտեխնոլոգիայի գերազանցության համար:

Նկար 4. Նկարում (ա) Ռ. Ֆեյնմանը (աջ կողմում) մանրադիտակի օգնությամբ հետազոտում է 380 մկմ չափի միկրոշարժիչը, որը ներկայացված է աջ նկարում: Վերևում գտնվող լուսանկարը (բ) ցույց է տալիս քորոցի գլուխը:

Իր դասախոսության ժամանակ Ֆեյնմանը խոսեց նանոքիմիայի հեռանկարների մասին։ Այժմ քիմիկոսներն օգտագործում են բարդ և բազմազան մեթոդներ՝ նոր նյութեր սինթեզելու համար։ Երբ ֆիզիկոսները ստեղծեն սարքեր, որոնք կարող են աշխատել առանձին ատոմների վրա, ավանդական քիմիական սինթեզի մեթոդներից շատերը կարող են փոխարինվել «ատոմային հավաքման» տեխնիկայով։ Միևնույն ժամանակ, ինչպես կարծում էր Ֆեյնմանը, ֆիզիկոսները, սկզբունքորեն, կարող են իսկապես սովորել սինթեզել ցանկացած նյութ՝ հիմնվելով գրավոր քիմիական բանաձևի վրա։ Քիմիկոսները կհրավիրեն սինթեզ, իսկ ֆիզիկոսները պարզապես ատոմները «կտեղավորեն» առաջարկվող հերթականությամբ։ Ատոմային մակարդակում մանիպուլյացիայի տեխնիկայի զարգացումը հնարավորություն կտա լուծել քիմիայի և կենսաբանության բազմաթիվ խնդիրներ։

E. Drexler-ի ստեղծման մեքենաներ

Նանոտեխնոլոգիան դարձավ գիտության անկախ ոլորտ և վերածվեց երկարաժամկետ տեխնիկական նախագծի՝ 1980-ականների սկզբին ամերիկացի գիտնական Էրիկ Դրեքսլերի կողմից մանրամասն վերլուծությունից և նրա «Ստեղծման մեքենաներ. Նանոտեխնոլոգիայի գալիք դարաշրջանը» գրքի հրապարակումից հետո:

Այսպես է սկսվում նրա գիրքը. «ԱԾուխ և ադամանդներ, ավազ և համակարգչային չիպեր, քաղցկեղ և առողջ հյուսվածքներ. պատմության ընթացքում, կախված ատոմների դասավորությունից, եղել են էժան կամ թանկարժեք, հիվանդ կամ առողջ: Մի կերպ դասավորված ատոմները կազմում են հողը, օդը և ջուրը. ուրիշների կողմից պատվիրված, նրանք պատրաստում են հասած ելակ: Մի կերպ պատվիրված, նրանք կազմում են տներ և մաքուր օդ; ուրիշների կողմից պատվիրված, նրանք կազմում են մոխիր և ծուխ:

Ատոմներ դասավորելու մեր կարողությունը տեխնոլոգիայի հիմքում է: Մենք երկար ճանապարհ ենք անցել ատոմներ դասավորելու մեր կարողության մեջ՝ սկսած նետերի ծայրերի համար կայծքար սրելուց մինչև տիեզերանավերի համար ալյումինի մշակումը: Մենք հպարտանում ենք մեր տեխնոլոգիայով, մեր կյանքը փրկող դեղամիջոցներով և մեր աշխատասեղան համակարգիչներով: Այնուամենայնիվ, մեր տիեզերանավերը դեռ կոպիտ են, մեր համակարգիչները դեռ հիմար են, և մեր հյուսվածքների մոլեկուլները դեռ աստիճանաբար դառնում են խառնաշփոթ՝ նախ ոչնչացնելով առողջությունը, իսկ հետո՝ կյանքը: Ատոմների դասավորության հարցում մեր բոլոր հաջողությունների համար մենք դեռ օգտագործում ենք պարզունակ դասակարգման մեթոդներ: Մեր հասանելի տեխնոլոգիայով մենք դեռ պետք է շահարկենք ատոմների մեծ, վատ կառավարվող խմբերը:

Բայց բնության օրենքները բազմաթիվ հնարավորություններ են տալիս առաջընթացի համար, և համաշխարհային մրցակցության ճնշումը մեզ միշտ առաջ է մղում։ Լավ թե վատ, պատմության մեջ ամենամեծ տեխնոլոգիական առաջընթացն առջևում է»:

Ըստ Drexler-ի սահմանման՝ նանոտեխնոլոգիան «ակնկալվող արտադրության տեխնոլոգիա է, որը կենտրոնացած է նախապես որոշված ​​ատոմային կառուցվածքով սարքերի և նյութերի էժան արտադրության վրա»։ Շատ փորձագետներ կարծում են, որ առաջիկա 50 տարիների ընթացքում շատ սարքեր կդառնան այնքան փոքր, որ հազարավոր նանոմեքենաները կարող են տեղավորվել այս առաջարկի վերջում գտնվող կետի զբաղեցրած տարածքում: Նանոմեքենաներ հավաքելու համար դուք պետք է.

(1) սովորեք աշխատել միայնակ ատոմների հետ. վերցրեք դրանք և դրեք դրանք ճիշտ տեղում:

(2) մշակել հավաքիչներ՝ նանո սարքեր, որոնք կարող են աշխատել առանձին ատոմների հետ, ինչպես բացատրված է (1)-ում, համաձայն անձի կողմից գրված ծրագրերի, բայց առանց նրա մասնակցության: Քանի որ ատոմի հետ յուրաքանչյուր մանիպուլյացիա որոշակի ժամանակ է պահանջում, իսկ ատոմները շատ են, գիտնականների գնահատմամբ՝ անհրաժեշտ է միլիարդավոր կամ նույնիսկ տրիլիոնավոր նման նանո նմուշառիչներ պատրաստել, որպեսզի հավաքման գործընթացը շատ ժամանակ չխլի:

(3) մշակել ռեպլիկատորներ՝ սարքեր, որոնք կպատրաստեն նանոպատկերիչներ, քանի որ դուք ստիպված կլինեք դրանք շատ պատրաստել:

Տարիներ կպահանջվեն, որպեսզի նանո-կոլեկցիոներները և վերարտադրող սարքերը հայտնվեն, բայց դրանց տեսքը գրեթե անխուսափելի է թվում: Ավելին, այս ճանապարհի յուրաքանչյուր քայլ հաջորդն ավելի իրական կդարձնի։ Նանոմեքենաների ստեղծման ուղղությամբ առաջին քայլերն արդեն արված են։ Դրանք են «գենային ինժեներիան» և «կենսատեխնոլոգիան»։

Բուժիչ մեքենաներ

Է.Դրեքսլերն առաջարկել է նանոմեքենաների օգտագործումը մարդկանց բուժման համար: Մարդու մարմինը կազմված է մոլեկուլներից, և մարդիկ հիվանդանում և ծերանում են այն պատճառով, որ հայտնվում են «ավելորդ» մոլեկուլներ, իսկ «անհրաժեշտների» կոնցենտրացիան նվազում է կամ փոխվում է դրանց կառուցվածքը։ Արդյունքում մարդիկ տուժում են։ Ոչինչ չի խանգարում մարդուն հորինել նանոմեքենաներ, որոնք կարող են վերադասավորել ատոմները «վնասված» մոլեկուլներում կամ նորից հավաքել դրանք։ Ակնհայտ է, որ նման նանոմեքենաները կարող են հեղաշրջում կատարել բժշկության մեջ:

Ապագայում կստեղծվեն նանոմեքենաներ (նանոռոբոտներ), որոնք հարմարեցված կլինեն կենդանի բջիջ ներթափանցելու, նրա վիճակը վերլուծելու և անհրաժեշտության դեպքում «բուժելու»՝ փոխելով մոլեկուլների կառուցվածքը, որոնցից այն կազմված է։ Այս նանոմեքենաները, որոնք նախատեսված են բջիջները վերականգնելու համար, չափերով համեմատելի կլինեն բակտերիաների հետ և կշարժվեն մարդու մարմնի հյուսվածքներով, ինչպես անում են արյան սպիտակ բջիջները (սպիտակ արյան բջիջները) և կմտնեն բջիջներ, ինչպես վիրուսները (տես Նկար 6):

Բջիջների վերականգնման համար նանոմեքենաների ստեղծմամբ հիվանդի բուժումը կվերածվի հետևյալ գործողությունների հաջորդականության. Նախ, մշակելով մոլեկուլ առ մոլեկուլ և կառուցվածք առ կառուցվածք, նանոմեքենաները կվերականգնեն (բուժեն) բջիջ առ բջիջ ցանկացած հյուսվածքի կամ օրգանի: Այնուհետև օրգան առ օրգան ամբողջ մարմնով աշխատելով՝ կվերականգնեն մարդու առողջությունը։

Նկար 6. Նանոռոբոտի սխեմատիկ պատկերը բջջային մակերեսի վրա: Տեսանելի է, թե ինչպես են նանոբոտի շոշափուկները ներթափանցել բջիջ։

Ֆոտոլիտոգրաֆիա - ճանապարհ դեպի նանոաշխարհ՝ վերևից ներքև

Գիտնականներն ու տեխնոլոգները վաղուց են ձգտում փոքր չափերի աշխարհին, հատկապես նրանք, ովքեր նոր էլեկտրոնային սարքեր և սարքեր են մշակում: Որպեսզի էլեկտրոնային սարքը լինի խելացի և հուսալի, այն պետք է բաղկացած լինի հսկայական թվով բլոկներից, ինչը նշանակում է, որ այն պետք է պարունակի հազարավոր, իսկ երբեմն էլ միլիոնավոր տրանզիստորներ:

Օպտիկական ֆոտոլիտոգրաֆիան օգտագործվում է տրանզիստորների և ինտեգրալ սխեմաների արտադրության մեջ։ Դրա էությունը հետեւյալն է. Օքսիդացված սիլիցիումի մակերևույթի վրա կիրառվում է ֆոտոդիմացկուն շերտ (պոլիմերային լուսազգայուն նյութ), այնուհետև դրա վրա կիրառվում է ֆոտոդիմակ՝ ապակե ափսե՝ ինտեգրալ սխեմայի տարրերի նախշով (տես նկ. 7):

Նկար 7. Էլեկտրոնային ժամացույցի ինտեգրալ սխեմայի ֆոտոդիմակ:

Լույսի ճառագայթն անցնում է լուսադիմակով, և որտեղ սև գույն չկա, լույսը հարվածում է դիմադրությանը և լուսավորում այն ​​(տես նկ. 8):

Նկար 8. Ֆոտոլիտոգրաֆիայի միջոցով միկրոսխեմաների արտադրության սխեման (ձախից աջ): Նախ պատրաստվում է ֆոտոդիմակ, որի համար լազերային ճառագայթով լուսավորվում է քրոմի և ֆոտոռեզիստի շերտով պատված ապակե ափսե, իսկ հետո քրոմի հետ միասին հանվում են ֆոտոռեզիստենտի լուսավորված մասերը։ Կաղապարը տեղադրված է ուլտրամանուշակագույն լույսի զուգահեռ ճառագայթի մեջ, որը կենտրոնացած է ոսպնյակի միջոցով և հարվածում է սիլիցիումի վաֆլի մակերեսին, որը պատված է սիլիցիումի օքսիդի և ֆոտոռեսիստի բարակ շերտով: Հետագա ջերմային և քիմիական մշակումները ստեղծում են բարդ 2D ակոսային նախշ, որն անհրաժեշտ է էլեկտրոնային միացումների հավաքման համար:

Դրանից հետո ֆոտոռեզիստի բոլոր այն հատվածները, որոնք չեն մշակվել լույսով, հեռացվում են, իսկ լուսավորվածները ջերմային մշակվում են և քիմիապես փորագրվում։ Այսպիսով, սիլիցիումի օքսիդի մակերեսի վրա ձևավորվում է նախշ, և սիլիցիումային վաֆլի պատրաստ է դառնալ էլեկտրոնային միացման հիմնական մասը: Տրանզիստորը հայտնագործվել է 1947 թվականին, այնուհետև դրա չափերը կազմել են մոտ 1 սմ։Ֆոտոլիտոգրաֆիկ մեթոդների կատարելագործումը հնարավորություն է տվել տրանզիստորի չափը հասցնել 100 նմ։ Այնուամենայնիվ, ֆոտոլիտոգրաֆիան հիմնված է երկրաչափական օպտիկայի վրա, ինչը նշանակում է, որ այս մեթոդի կիրառմամբ անհնար է երկու զուգահեռ ուղիղ գծեր գծել ալիքի երկարությունից փոքր հեռավորության վրա։ Հետևաբար, այժմ միկրոսխեմաների ֆոտոլիտոգրաֆիկ արտադրության մեջ օգտագործվում է կարճ ալիքի երկարությամբ ուլտրամանուշակագույն լույս, բայց ալիքի երկարությունը հետագայում կրճատելը դառնում է թանկ և դժվար, թեև ժամանակակից տեխնոլոգիաներն արդեն օգտագործում են էլեկտրոնային ճառագայթներ միկրոսխեմաներ ստեղծելու համար:

Նանոմաշտաբների աշխարհ ներմուծումը, որին մինչ այժմ հետևել են միկրոսխեմաների արտադրողները, կարելի է անվանել «վերևից վար» ճանապարհ։ Նրանք օգտագործում են տեխնոլոգիաներ, որոնք իրենց լավ են ապացուցել մակրոտիեզերքում, և միայն փորձում են փոխել մասշտաբները: Բայց կա ևս մեկ ճանապարհ՝ «ներքևից վեր»։ Ի՞նչ կլինի, եթե մենք ստիպենք ատոմներին և մոլեկուլներին ինքնակազմակերպվել մի քանի նանոմետրի չափի պատվիրված խմբերի և կառուցվածքների: Նանոկառուցվածքներ ձևավորող մոլեկուլների ինքնակազմակերպման օրինակներ են ածխածնային նանոխողովակները, քվանտային կետերը, նանոլարերը և դենդրիմերները, որոնք կքննարկվեն ավելի մանրամասն մանրամասն՝ ստորև։

ՆԱՆՈՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱՅԻ ԳՈՐԾԻՔՆԵՐ

Սկանավորող զոնդ մանրադիտակ

Առաջին սարքերը, որոնք հնարավորություն են տվել դիտարկել և տեղափոխել նանոօբյեկտները, սկանավոր զոնդային մանրադիտակներն են՝ ատոմային ուժի մանրադիտակ և սկանավորող թունելային մանրադիտակ, որը գործում է նմանատիպ սկզբունքով: Ատոմային ուժի մանրադիտակը (AFM) մշակվել է Գ. Բինինգի և Գ. Ռոհերի կողմից, ովքեր այս հետազոտության համար Նոբելյան մրցանակ են ստացել 1986 թվականին։ Ատոմային ուժային մանրադիտակի ստեղծումը, որը կարող է զգալ առանձին ատոմների միջև առաջացող ձգողականության և վանման ուժերը, վերջապես հնարավոր եղավ «դիպչել և տեսնել» նանոօբյեկտներին:

Նկար 9. Սկանավորող զոնդ մանրադիտակի աշխատանքի սկզբունքը: Կետավոր գիծը ցույց է տալիս լազերային ճառագայթի ուղին: Մնացած բացատրությունը տեքստում է։

AFM հիմքը (տե՛ս նկ. 9) զոնդ է, որը սովորաբար պատրաստված է սիլիցիումից և ունի բարակ հենարանային թիթեղի ձև (կոչվում է հենարան, անգլերեն «cantilever» բառից՝ կոնսեր, ճառագայթ): Կանտի վերջում (երկարությունը 500 մկմ, լայնությունը  50 մկմ, հաստությունը  1 մկմ) կա մի շատ սուր հասկ (երկարությունը  10 մկմ, կորության շառավիղը 1-ից 10 նմ) ​​ավարտվում է մեկ կամ մի քանի խմբով։ ատոմները (տես նկ. տասներորդ):

Նկար 10. Նույն զոնդի էլեկտրոնային ֆոտոմանրագրություններ՝ արված ցածր (վերևում) և մեծ խոշորացմամբ:

Երբ միկրոզոնդը շարժվում է նմուշի մակերևույթի երկայնքով, հասկի ծայրը բարձրանում և իջնում ​​է՝ ուրվագծելով մակերեսի միկրոռելիեֆը, ճիշտ այնպես, ինչպես գրամոֆոնի ասեղը սահում է գրամոֆոնի ձայնագրության վրայով: Կանտի ցցված ծայրին (հասկի վերևում, տե՛ս նկ. 9) կա հայելային հատված, որի վրա ընկնում և անդրադարձվում է լազերային ճառագայթը։ Երբ հասկը իջնում ​​է և բարձրանում մակերեսի անկանոնությունների վրա, արտացոլված ճառագայթը շեղվում է, և այս շեղումը գրանցվում է ֆոտոդետեկտորի միջոցով, իսկ այն ուժը, որով հասկը ձգվում է մոտակա ատոմներին՝ պիեզոէլեկտրական սենսորով:

Ֆոտոդետեկտորի և պիեզոէլեկտրական սենսորի տվյալները օգտագործվում են հետադարձ կապի համակարգում, որը կարող է ապահովել, օրինակ, միկրոզոնդի և նմուշի մակերեսի միջև մշտական ​​ուժ: Արդյունքում հնարավոր է իրական ժամանակում կառուցել նմուշի մակերեսի ծավալային ռելիեֆը: AFM մեթոդի լուծումը մոտավորապես 0,1-1 նմ է հորիզոնական և 0,01 նմ ուղղահայաց: Էշերիխիա կոլի բակտերիաների պատկերը, որը ստացվել է սկանավոր զոնդի մանրադիտակով, ներկայացված է Նկ. տասնմեկ.

Նկար 11. Escherichia coli բակտերիաներ ( Էշերիխիա կոլի): Պատկերը ստացվել է սկանավոր զոնդ մանրադիտակի միջոցով: Բակտերիան ունի 1,9 մկմ երկարություն և 1 մկմ լայնություն։ Դրոշակների և թարթիչների հաստությունը համապատասխանաբար 30 նմ և 20 նմ է։

Սկանավորող զոնդի մանրադիտակների մեկ այլ խումբ օգտագործում է այսպես կոչված քվանտային մեխանիկական «թունելի էֆեկտը»՝ մակերեսային ռելիեֆը կառուցելու համար: Թունելի էֆեկտի էությունն այն է, որ էլեկտրական հոսանքը սուր մետաղական ասեղի և մոտ 1 նմ հեռավորության վրա գտնվող մակերեսի միջև սկսում է կախված լինել այս հեռավորությունից. որքան կարճ է հեռավորությունը, այնքան մեծ է հոսանքը: Եթե ​​ասեղի և մակերեսի միջև կիրառվում է 10 Վ լարում, ապա այս «թունելի» հոսանքը կարող է տատանվել 10 պԱ-ից մինչև 10 նԱ: Այս հոսանքը չափելով և անփոփոխ պահելով՝ ասեղի և մակերեսի միջև հեռավորությունը կարելի է պահել անփոփոխ։ Սա թույլ է տալիս կառուցել մակերեսի ծավալային պրոֆիլ (տես նկ. 12): Ի տարբերություն ատոմային ուժային մանրադիտակի, սկանավորող թունելային մանրադիտակը կարող է ուսումնասիրել միայն մետաղների կամ կիսահաղորդիչների մակերեսները:

Նկար 12. Սկանավորող թունելային մանրադիտակի ասեղը, որը գտնվում է հետազոտվող մակերեսի ատոմների շերտերից վերև գտնվող հաստատուն հեռավորության վրա (տես սլաքները):

Սկանավորող թունելային մանրադիտակը կարող է օգտագործվել նաև ատոմը օպերատորի կողմից ընտրված կետ տեղափոխելու համար: Օրինակ, եթե մանրադիտակի ծայրի և նմուշի մակերևույթի միջև լարումը մի փոքր ավելի մեծ է, քան անհրաժեշտ է այս մակերեսը ուսումնասիրելու համար, ապա նմուշի մոտակա ատոմը վերածվում է իոնի և «ցատկում» դեպի ծայրը։ Դրանից հետո, ասեղը մի փոքր շարժելով և լարումը փոխելով, կարելի է ստիպել փախած ատոմին հետ «ցատկել» նմուշի մակերեսի վրա։ Այսպիսով, հնարավոր է շահարկել ատոմները և ստեղծել նանոկառուցվածքներ, այսինքն. կառուցվածքներ մակերեսի վրա՝ նանոմետրի կարգի չափերով։ Դեռևս 1990 թվականին IBM-ի աշխատակիցները ցույց տվեցին, որ դա հնարավոր է` ավելացնելով իրենց ընկերության անվանումը 35 քսենոնի ատոմներից նիկելի ափսեի վրա (տես Նկար 13):

Նկար 13. IBM ընկերության անվանումը՝ ծալված 35 քսենոնի ատոմներից նիկելի ափսեի վրա, որը պատրաստվել է այս ընկերության աշխատակիցների կողմից 1990 թվականին սկանավոր զոնդային մանրադիտակի միջոցով։

Օգտագործելով զոնդային մանրադիտակ, դուք կարող եք ոչ միայն տեղափոխել ատոմները, այլև ստեղծել նախադրյալներ դրանց ինքնակազմակերպման համար: Օրինակ, եթե թիոլի իոններ պարունակող ջրի մի կաթիլը տեղադրված է մետաղական ափսեի վրա, ապա մանրադիտակային զոնդը կհեշտացնի այս մոլեկուլների կողմնորոշումը, որտեղ նրանց երկու ածխաջրածնային պոչերը կուղղվեն թիթեղից հեռու: Արդյունքում հնարավոր է կառուցել թիոլի մոլեկուլների միաշերտ, որը կպչում է մետաղական թիթեղին (տես նկ. 14): Մետաղական մակերեսի վրա մոլեկուլների միաշերտ ստեղծելու այս մեթոդը կոչվում է «գրիչ նանոլիտոգրաֆիա»։

Նկար 14. Վերևի ձախ - մետաղյա ափսեի վերևում գտնվող սկանավոր զոնդի մանրադիտակի հենարան (պողպատե մոխրագույն): Աջ կողմում պատկերված է մանուշակագույն ածխաջրածնային պոչերով թիոլի մոլեկուլները (ձախ նկարում պատկերված սպիտակ շրջանակով) ընդլայնված պատկերը, որը սխեմատիկորեն ցույց է տալիս թիոլի մոլեկուլները մանուշակագույն ածխաջրածնային պոչերով, որոնք շարված են միաշերտով զոնդի ծայրին:

Օպտիկական պինցետներ

Օպտիկական (կամ լազերային) պինցետները սարքեր են, որոնք օգտագործում են կենտրոնացված լազերային ճառագայթ՝ միկրոսկոպիկ առարկաները տեղափոխելու կամ դրանք տեղում պահելու համար: Լազերային ճառագայթի կիզակետային կետի մոտ լույսը շուրջբոլորը ձգում է դեպի կիզակետը (տես նկ. 15):

Նկար 15. Օպտիկական պինցետների սխեմատիկ ներկայացում: Վերևից ոսպնյակի վրա ընկնող լազերային ճառագայթը կենտրոնացած է կաթիլի ներսում: Այս դեպքում ջրի յուրաքանչյուր մասնիկի վրա գործում են ուժեր (նարնջագույն սլաքներ), արդյունքում առաջացող ուժը (կանաչ սլաք) միշտ ուղղված է դեպի կիզակետը։

Այն ուժը, որով լույսը ազդում է շրջակա օբյեկտների վրա, փոքր է, բայց պարզվում է, որ բավական է լազերային ճառագայթի կիզակետում գտնվող նանոմասնիկներին բռնելու համար։ Երբ մասնիկը գտնվում է ուշադրության կենտրոնում, այն կարող է տեղափոխվել լազերային ճառագայթի հետ միասին: Օպտիկական պինցետների օգնությամբ դուք կարող եք տեղափոխել 10 նմ-ից մինչև 10 մկմ չափերի մասնիկներ և դրանցից հավաքել տարբեր կառուցվածքներ (տես Նկար 16): Բոլոր հիմքերը կան ենթադրելու, որ ապագայում լազերային պինցետները կդառնան նանոտեխնոլոգիայի ամենահզոր գործիքներից մեկը։

Նկար 16. Լազերային պինցետով ծալված գելային նանոմասնիկների տարբեր նախշեր:

Ինչու են որոշ մասնիկներ, երբ լազերային ճառագայթում հայտնվելով, ձգտում են դեպի այն շրջանը, որտեղ լույսի ինտենսիվությունը առավելագույնն է, այսինքն. ուշադրության կենտրոնում (տես նկ. 17): Դրա համար կա առնվազն ԵՐԿՈՒ պատճառ.

Նկար 17. Կարմիր ճառագայթի սխեմատիկ պատկերը, որը զուգակցվում է դեպի կիզակետը և շեղվում դրանից հետո: Փնջի կենտրոնացման կետում տեսանելի է մոխրագույն գնդաձև մասնիկ:

ՊատճառըԻ - բևեռացված մասնիկները քաշվում են էլեկտրական դաշտի մեջ

Նախքան մասնիկների կենտրոնացման միտումը բացատրելը, հիշեք, որ լույսի ճառագայթը էլեկտրամագնիսական ալիք է, և որքան մեծ է լույսի ինտենսիվությունը, այնքան մեծ է էլեկտրական դաշտի ուժը ճառագայթի խաչմերուկում: Հետևաբար, կիզակետում էլեկտրական դաշտի ուժի արմատ-միջին քառակուսի արժեքը կարող է շատ անգամ աճել: Այսպիսով, կենտրոնացված լույսի ճառագայթի էլեկտրական դաշտը դառնում է ոչ միատեսակ՝ մեծանալով իր ինտենսիվությամբ, երբ մոտենում է կիզակետին:

Թող այն մասնիկը, որը մենք ցանկանում ենք պահել օպտիկական պինցետով, պատրաստված է դիէլեկտրիկից։ Հայտնի է, որ արտաքին էլեկտրական դաշտը գործում է դիէլեկտրիկ մոլեկուլի վրա՝ նրա ներսում տարբեր ուղղություններով շարժելով հակադիր լիցքեր, ինչի արդյունքում այս մոլեկուլը դառնում է դիպոլ, որը կողմնորոշվում է ուժի դաշտային գծերով։ Այս երեւույթը կոչվում է բևեռացումդիէլեկտրիկ. Երբ դիէլեկտրիկը բևեռացված է, նրա մակերևույթների վրա առաջանում են հակառակ և հավասար մեծությամբ էլեկտրական լիցքեր՝ արտաքին դաշտին հակառակ, որը կոչվում է. կապված.

Նկար 18. Գնդաձև մասնիկի սխեմատիկ պատկերը ուժի ՀԱՄԱՍԵՆ էլեկտրական դաշտում Ե... «+» և «-» նշանները ցույց են տալիս այն կապված լիցքերը, որոնք առաջացել են մասնիկի մակերեսի վրա դրա բևեռացման ժամանակ։ Դրական (F +) և բացասական (F -) կապված լիցքերի վրա գործող էլեկտրական ուժերը նույնն են:

Թող մեր դիէլեկտրիկ մասնիկը լինի լույսի ճառագայթում, որը հեռու է կիզակետից: Այնուհետև կարելի է ենթադրել, որ այն գտնվում է միատեսակ էլեկտրական դաշտում (տես նկ. 18): Քանի որ մասնիկի ձախ և աջ էլեկտրական դաշտի ուժը նույնն է, ուրեմն դրականի վրա գործող էլեկտրական ուժերը ( Ֆ+) և բացասական ( Ֆ-) հարակից վճարները նույնպես նույնն են: Արդյունքում Համասեռ էլեկտրական դաշտում մի մասնիկը մնում է ԱՆՇԱՐԺ:

Հիմա թող մեր մասնիկը գտնվի կիզակետի տարածքի մոտ, որտեղ էլեկտրական դաշտի ուժգնությունը (դաշտի գծերի խտությունը) աստիճանաբար մեծանում է (ձախ մասնիկը Նկար 19-ում), երբ այն շարժվում է ձախից աջ: Այս պահին մասնիկը նույնպես բևեռացված կլինի, բայց էլեկտրական ուժերը, որոնք գործում են դրական ( Ֆ+) և բացասական ( Ֆ-) հարակից վճարները տարբեր կլինեն, քանի որ Մասնիկի ձախ կողմում դաշտի ուժգնությունը փոքր է, քան աջ կողմում: Հետևաբար, ստացված ուժը կգործի աջ կողմում գտնվող մասնիկի վրա՝ դեպի կենտրոնացման տարածքը:

Նկար 19. ԵՐԵՔ գնդաձև մասնիկների սխեմատիկ պատկերը, որոնք տեղակայված են կենտրոնացված լույսի ճառագայթի ոչ միատեսակ էլեկտրական դաշտում, կիզակետի տարածքի մոտ: «+» և «-» նշանները ցույց են տալիս կապակցված լիցքերը, որոնք առաջացել են մասնիկների մակերեսի վրա դրանց բևեռացման ժամանակ։ Էլեկտրական ուժերը, որոնք գործում են դրական (F +) և բացասական (F -) կապված լիցքերի վրա, պատճառ են դառնում, որ մասնիկները շարժվեն դեպի կիզակետային տարածք:

Հեշտ է կռահել, որ ծայրամասային աջ մասնիկը (տես Նկար 19), որը գտնվում է կիզակետի մյուս կողմում, կազդի արդյունքի վրա, որն ուղղված է դեպի ձախ, դեպի ֆոկուս տարածքը: Այսպիսով, լույսի կենտրոնացված ճառագայթում բռնված բոլոր մասնիկները հակված են դեպի դրա կիզակետը, ինչպես որ ճոճանակը ձգտում է դեպի հավասարակշռության դիրք:

ՊատճառըII - լույսի բեկումը մասնիկը պահում է ճառագայթի կենտրոնում

Եթե ​​մասնիկի տրամագիծը շատ ավելի մեծ է, քան լույսի ալիքի երկարությունը, ապա այդպիսի մասնիկի համար գործում են երկրաչափական օպտիկայի օրենքները, մասնավորապես՝ մասնիկը կարող է բեկել լույսը, այսինքն. փոխել իր ուղղությունը. Միաժամանակ, իմպուլսի պահպանման օրենքի համաձայն, լույսի իմպուլսների (ֆոտոնների) և մասնիկի գումարը պետք է մշտական ​​մնա։ Այլ կերպ ասած, եթե մասնիկը բեկում է լույսը, օրինակ՝ դեպի աջ, ապա այն ինքը պետք է շարժվի դեպի ձախ։

Հարկ է նշել, որ լազերային ճառագայթում լույսի ինտենսիվությունը առավելագույնն է իր առանցքի երկայնքով և աստիճանաբար նվազում է նրանից հեռավորության հետ: Հետևաբար, եթե մասնիկը լույսի ճառագայթի առանցքի վրա է, ապա նրա կողմից ձախ և աջ շեղված ֆոտոնների թիվը նույնն է։ Արդյունքում մասնիկը մնում է առանցքի վրա (տե՛ս նկ. 20 բ).

Նկար 20. Գնդաձև մասնիկի սխեմատիկ պատկերը, որը գտնվում է կենտրոնացված լույսի ճառագայթում իր առանցքի ձախ կողմում (ա) և (բ) առանցքի վրա: Կարմիր ստվերի ինտենսիվությունը համապատասխանում է ճառագայթի տվյալ հատվածում լույսի ինտենսիվությանը: 1 և 2 - ճառագայթներ, որոնց բեկումը ցույց է տրված նկարում, իսկ հաստությունը համապատասխանում է դրանց ինտենսիվությանը: F 1 և F 2 ուժերն են, որոնք ազդում են մասնիկի վրա իմպուլսի պահպանման օրենքի համաձայն, երբ 1-ին և 2-րդ ճառագայթները համապատասխանաբար բեկվում են: F ցանց - ստացված F 1 և F 2:

Այն դեպքերում, երբ մասնիկը լույսի ճառագայթի առանցքի համեմատ դեպի ձախ է տեղաշարժվում (տես նկ.20ա), դեպի ձախ շեղված ֆոտոնների թիվը (տե՛ս նկ.20ա-ի ճառագայթ 2) գերազանցում է դեպի շեղված ֆոտոնների թիվը։ աջ (տես ճառագայթ 1-ը Նկար 20ա-ում) ): Հետևաբար, կա ուժային F ցանցի բաղադրիչ, որն ուղղված է դեպի ճառագայթի առանցքը, դեպի աջ:

Ակնհայտ է, որ ճառագայթի առանցքի աջ կողմում տեղաշարժված մասնիկը կազդի արդյունքի վրա՝ ուղղված դեպի ձախ և կրկին դեպի այս ճառագայթի առանցքը: Այսպիսով, բոլոր մասնիկները, որոնք գտնվում են ճառագայթի առանցքի վրա, կհակվեն դեպի իր առանցքը, ինչպես ճոճանակը դեպի հավասարակշռության դիրքը:

Բացառություններ կանոնից

Որպեսզի օպտիկական պինցետները օգտագործեն վերը նկարագրված ուժերը «պատճառով Ի«Անհրաժեշտ է, որ մասնիկը բևեռացվի արտաքին էլեկտրական դաշտում, և դրա մակերևույթի վրա հայտնվեն կապված լիցքեր: Այս դեպքում կապակցված լիցքերը պետք է ստեղծեն հակառակ ուղղությամբ ուղղված դաշտ: Միայն այս դեպքում մասնիկները կշտապեն դեպի ֆոկուսի տարածքը: Եթե միջավայրի դիէլեկտրական հաստատունը, որտեղ մասնիկը լողում է, ավելի մեծ է, քան մասնիկի նյութի դիէլեկտրական հաստատունը, ապա մասնիկի բևեռացումը կհակադարձվի, և մասնիկը հակված կլինի փախչել կիզակետից: տարածք, ինչպես, օրինակ, վարվում են գլիցերինի մեջ լողացող օդային փուչիկները։

Նույն սահմանափակումները վերաբերում են «պատճառին IIԵթե ​​մասնիկի նյութերի բացարձակ բեկման ինդեքսը փոքր է այն միջավայրից, որտեղ այն գտնվում է, ապա մասնիկը լույսը շեղելու է մյուս ուղղությամբ, ինչը նշանակում է, որ այն հակված կլինի հեռանալ առանցքից: ճառագայթ: Օրինակ կարող են լինել գլիցերինի նույն օդային փուչիկները: Հետևաբար, օպտիկական պինցետները ավելի լավ են աշխատում, երբ մասնիկների նյութի հարաբերական բեկման ինդեքսն ավելի բարձր է:

Գրաֆեն, ածխածնային նանոխողովակներ և ֆուլերեններ

Նանոկառուցվածքները կարող են հավաքվել ոչ միայն առանձին ատոմներից կամ առանձին մոլեկուլներից, այլև մոլեկուլային բլոկներից: Նանոկառուցվածքներ ստեղծելու համար այդպիսի բլոկները կամ տարրերն են գրաֆենը, ածխածնային նանոխողովակները և ֆուլերենները։

Գրաֆեն

Գրաֆենը ածխածնի ատոմների մեկ հարթ թաղանթ է, որը միացված է իրար՝ ձևավորելով վանդակ, որի յուրաքանչյուր բջիջ հիշեցնում է բջիջ (նկ. 21): Գրաֆենի մոտակա ածխածնի ատոմների միջև հեռավորությունը մոտ 0,14 նմ է:

Նկար 21. Գրաֆենի սխեմատիկ պատկերը: Լույսի գնդիկները ածխածնի ատոմներ են, իսկ նրանց միջև եղած ձողերը այն կապերն են, որոնք ատոմները պահում են գրաֆենի թերթիկի մեջ։

Գրաֆիտը, որից պատրաստվում է սովորական մատիտների կապարը, գրաֆենի թիթեղների կույտ է (նկ. 22): Գրաֆիտի գրաֆենները շատ վատ են կապված միմյանց հետ և կարող են սահել միմյանց նկատմամբ: Հետևաբար, եթե գրաֆիտը թղթի վրա եք անցկացնում, ապա դրա հետ շփվող գրաֆենի թերթիկը անջատվում է գրաֆիտից և մնում թղթի վրա։ Սա բացատրում է, թե ինչու կարելի է գրաֆիտ գրել:

Գծապատկեր 22. Գրաֆենի երեք թերթերի սխեմատիկ պատկերը գրաֆիտում մեկը մյուսից վեր:

Ածխածնային նանոխողովակներ

Նանոտեխնոլոգիայի շատ խոստումնալից ոլորտներ կապված են ածխածնային նանոխողովակների հետ: Ածխածնային նանոխողովակները շրջանակային կառուցվածքներ կամ հսկա մոլեկուլներ են, որոնք կազմված են միայն ածխածնի ատոմներից: Հեշտ է պատկերացնել ածխածնային նանոխողովակը, եթե պատկերացնեք, որ գրաֆիտի մոլեկուլային շերտերից մեկը՝ գրաֆենը, գլորում եք խողովակի մեջ (նկ. 23):

Նկար 23. Գրաֆիտի մոլեկուլային շերտից նանոխողովակի (աջից) երևակայական արտադրության մեթոդներից մեկը (ձախից):

Նանոխողովակների պտտման մեթոդը` նանոխողովակների առանցքի ուղղության անկյունը գրաֆենի համաչափության առանցքների նկատմամբ (ոլորման անկյուն) մեծապես որոշում է դրա հատկությունները: Իհարկե, ոչ ոք նանոխողովակներ չի պատրաստում՝ դրանք գրաֆիտի թերթիկից գլորելով: Նանոխողովակներն իրենք են ձևավորվում, օրինակ, ածխածնային էլեկտրոդների մակերեսի վրա՝ նրանց միջև աղեղային արտանետման ժամանակ: Լիցքաթափման ընթացքում ածխածնի ատոմները գոլորշիանում են մակերեսից և, միանալով միմյանց, ձևավորում են տարբեր տեսակի նանոխողովակներ՝ միաշերտ, բազմաշերտ և ոլորման տարբեր անկյուններով (նկ. 24)։

Նկար 24. Ձախ - մեկ պատի ածխածնային նանոխողովակի սխեմատիկ պատկեր; աջ կողմում (վերևից ներքև) - երկշերտ, ուղիղ և պարուրաձև նանոխողովակներ:

Մեկ պատի նանոխողովակների տրամագիծը, որպես կանոն, կազմում է մոտ 1 նմ, իսկ երկարությունը՝ հազարավոր անգամ ավելի մեծ՝ կազմելով մոտ 40 միկրոն։ Նրանք աճում են կաթոդում, որն ուղղահայաց է դրա ծայրի հարթ մակերեսին: Տեղի է ունենում ածխածնի նանոխողովակների այսպես կոչված ինքնահավաքում ածխածնի ատոմներից: Կախված ոլորման անկյունից՝ նանոխողովակները կարող են ունենալ բարձր հաղորդունակություն, ինչպես մետաղները, կամ կարող են ունենալ կիսահաղորդիչների հատկություններ։

Ածխածնի նանոխողովակները ավելի ամուր են, քան գրաֆիտը, թեև դրանք պատրաստված են նույն ածխածնի ատոմներից, քանի որ գրաֆիտում ածխածնի ատոմները թերթերով են (նկ. 22): Եվ բոլորը գիտեն, որ ծալված թղթի թերթիկը շատ ավելի դժվար է թեքվել և պատռվել, քան սովորական թերթիկը: Ահա թե ինչու են ածխածնային նանոխողովակները այդքան ամուր: Նանոխողովակները կարող են օգտագործվել որպես շատ ամուր մանրադիտակային ձողեր և թելեր, քանի որ Յանգի մեկ պատի նանոխողովակի մոդուլը հասնում է 1-5 TPa կարգի արժեքների, ինչը մեծության կարգով ավելի բարձր է, քան պողպատից: Հետևաբար, նանոխողովակներից պատրաստված թելը, որը մարդու մազի հաստությամբ է, ընդունակ է պահել հարյուրավոր կիլոգրամանոց բեռ։

Ճիշտ է, ներկայումս նանոխողովակների առավելագույն երկարությունը սովորաբար կազմում է մոտ հարյուր միկրոն, ինչը, իհարկե, չափազանց փոքր է ամենօրյա օգտագործման համար: Այնուամենայնիվ, լաբորատորիայում արտադրվող նանոխողովակների երկարությունը աստիճանաբար մեծանում է. այժմ գիտնականներն արդեն մոտեցել են միլիմետրային գծին: Հետևաբար, բոլոր հիմքերը կան հուսալու, որ մոտ ապագայում գիտնականները կսովորեն, թե ինչպես աճեցնել նանոտողովակներ սանտիմետրերով և նույնիսկ մետրերով:

Ֆուլերեններ

Ջեռուցվող գրաֆիտի մակերևույթից գոլորշիացած ածխածնի ատոմները, միանալով միմյանց, կարող են ձևավորել ոչ միայն նանոխողովակներ, այլև այլ մոլեկուլներ, որոնք ուռուցիկ փակ բազմաիդրոններ են, օրինակ՝ գնդիկի կամ էլիպսոիդի տեսքով: Այս մոլեկուլներում ածխածնի ատոմները գտնվում են կանոնավոր վեցանկյունների և հնգանկյունների գագաթներում, որոնք կազմում են գնդի կամ էլիպսոիդի մակերեսը։

Ածխածնի ատոմների այս բոլոր մոլեկուլային միացությունները կոչվում են ֆուլերեններԱմերիկացի ինժեներ, դիզայներ և ճարտարապետ Ռ. Բաքմինստեր Ֆուլերի անունով, ով իր շենքերի գմբեթների կառուցման համար օգտագործել է հնգանկյուններ և վեցանկյուններ (նկ. 25), որոնք բոլոր ֆուլերենների մոլեկուլային շրջանակների հիմնական կառուցվածքային տարրերն են։

Նկար 25. Ֆուլերի կենսոլորտը (ԱՄՆ տաղավար, ժամը Էքսպո 67, այժմ «Կենսոլորտ» թանգարանը Մոնրեալ, Կանադա.

60 ածխածնի ատոմներից (C 60) կազմված ամենասիմետրիկ և լավագույնս ուսումնասիրված ֆուլերենի մոլեկուլները ձևավորվում են. բազմանիստկազմված 20 վեցանկյուններից և 12 հնգանկյուններից և հիշեցնում է ֆուտբոլի գնդակ (նկ. 26): Ֆուլերենի C 60 տրամագիծը մոտ 1 նմ է:

Նկար 26. C 60 ֆուլերենի սխեմատիկ ներկայացում:

Ամերիկացի ֆիզիկոս Ռ. Սմոլին, ինչպես նաև անգլիացի ֆիզիկոսներ Հ. Կրոտոյին և Ռ. Քուրլին ֆուլերենների հայտնաբերման համար։ 1996 տարին պարգևատրվել է Նոբելյան մրցանակ... Ֆուլերեն C 60-ի պատկերը շատերի կողմից համարվում է նանոտեխնոլոգիայի խորհրդանիշ:

Դենդրիմերներ

Նանոաշխարհի տարրերից են դենդրիմերները (ծառանման պոլիմերներ)՝ 1-ից 10 նմ չափերի նանոկառուցվածքներ, որոնք ձևավորվում են ճյուղավորվող կառուցվածք ունեցող մոլեկուլների միացման ժամանակ: Դենդրիմերների սինթեզը քիմիայի հետ սերտորեն կապված նանոտեխնոլոգիաներից մեկն է՝ պոլիմերների քիմիան։ Ինչպես բոլոր պոլիմերները, դենդրիմերները կազմված են մոնոմերներից, սակայն այդ մոնոմերների մոլեկուլները ճյուղավորված են։ Դենդրիմերը դառնում է գնդաձև պսակ ունեցող ծառի, եթե պոլիմերային մոլեկուլի աճի ժամանակ աճող ճյուղերը չեն միանում իրար (ինչպես մեկ ծառի ճյուղերը, կամ հարակից ծառերի պսակները միասին չեն աճում): Նկար 27-ը ցույց է տալիս, թե ինչպես կարող են ձևավորվել նման գնդիկավոր դենդրիմերներ:

Նկար 27. Դենդրիմերի հավաքում Z-X-Z ճյուղավորված մոլեկուլից (վերևում) և դենդրիմերների տարբեր տեսակներից (ներքևում):

Դենդրիմերի ներսում կարող են առաջանալ մի նյութով լցված խոռոչներ, որոնց առկայության դեպքում ձևավորվել են դենդրիմերները։ Եթե ​​դենդրիմերը սինթեզվում է դեղամիջոց պարունակող լուծույթում, ապա այս դենդրիմերն այս դեղամիջոցի հետ դառնում է նանոկապսուլա։ Բացի այդ, դենդրիմերի ներսում գտնվող խոռոչները կարող են պարունակել ռադիոակտիվ պիտակավորված նյութեր, որոնք օգտագործվում են տարբեր հիվանդությունների ախտորոշման համար:

Գիտնականները կարծում են, որ դենդրիմերների խոռոչները լցնելով անհրաժեշտ նյութերով՝ հնարավոր է, օրինակ, սկանավոր զոնդ մանրադիտակի միջոցով հավաքել նանոէլեկտրոնային սխեմաներ տարբեր դենդրիմերներից։ Այս դեպքում որպես հաղորդիչ կարող էր ծառայել պղնձով լցված դենդրիմերը և այլն։

Իհարկե, դենդրիմերների օգտագործման խոստումնալից ուղղությունը նրանց հնարավոր օգտագործումն է որպես նանոկապսուլներ, որոնք դեղեր են մատակարարում անմիջապես այդ դեղերի կարիք ունեցող բջիջներին: Դեղը պարունակող նման դենդրիմերների կենտրոնական մասը պետք է շրջապատված լինի թաղանթով, որը կանխում է դեղամիջոցի արտահոսքը, որի արտաքին մակերեսին անհրաժեշտ է կցել մոլեկուլներ (հակամարմիններ), որոնք կարող են ճշգրիտ կպչել թիրախային բջիջների մակերեսին: Հենց որ նման նանոկապսուլա-դենդրիմերները հասնում են և կպչում հիվանդ բջիջներին, անհրաժեշտ է ոչնչացնել դենդրիմերի արտաքին թաղանթը, օրինակ՝ օգտագործելով լազեր կամ այս պատյանը դարձնել ինքնաքայքայվող:

Դենդրիմերները նանոաշխարհ տանող ուղիներից մեկն են «ներքևից վեր» ուղղությամբ:

Նանոլարեր

Նանոլարերը նանոմետրի կարգի տրամագծով մետաղալարեր են՝ պատրաստված մետաղից, կիսահաղորդչից կամ դիէլեկտրիկից։ Նանոլարերի երկարությունը հաճախ կարող է գերազանցել դրանց տրամագիծը 1000 կամ ավելի անգամ։ Հետևաբար, նանոլարերը հաճախ կոչվում են միաչափ կառուցվածքներ, և նրանց չափազանց փոքր տրամագիծը (մոտ 100 ատոմային չափսեր) հնարավորություն է տալիս դրսևորել տարբեր քվանտային մեխանիկական ազդեցություններ։ Սա բացատրում է, թե ինչու նանոլարերը երբեմն կոչվում են «քվանտային լարեր»:

Նանոլարերը բնության մեջ գոյություն չունեն: Լաբորատորիաներում մեթոդով առավել հաճախ ստանում են նանոլարեր էպատաքսիա, երբ նյութի բյուրեղացումը տեղի է ունենում միայն մեկ ուղղությամբ։ Օրինակ, սիլիցիումային նանոլարը կարելի է աճեցնել, ինչպես ցույց է տրված նկարում (ձախ):

Նկար 28. Ձախ - սիլիցիումային նանոլարերի (վարդագույն) պատրաստում էպիտաքսիայի միջոցով՝ օգտագործելով ոսկու նանոմասնիկը SiH 4-ի մթնոլորտում: Աջ կողմում պատկերված է էպիտաքսիայի միջոցով ստացված ZnO նանոլարերի «անտառը»: Հարմարեցված է Yang et al. (Chem. Eur. J., v. 8, p. 6, 2002 թ.)

Ոսկու նանոմասնիկը տեղադրվում է սիլանային գազի մթնոլորտում (SiH 4), և այս նանոմասնիկը դառնում է սիլանի ջրածնի և հեղուկ սիլիցիումի տարրալուծման կատալիզատոր։ Հեղուկ սիլիցիումը գլորվում է նանոմասնիկից և բյուրեղանում տակից: Եթե ​​նանոմասնիկի շուրջ սիլանի կոնցենտրացիան պահպանվում է անփոփոխ, ապա էպիտաքսիայի պրոցեսը շարունակվում է, և հեղուկ սիլիցիումի ավելի ու ավելի շատ շերտեր բյուրեղանում են նրա արդեն ամրացված շերտերի վրա։ Արդյունքում սիլիցիումի նանոհաղորդալարը աճում է՝ բարձրացնելով ոսկու նանոմասնիկը ավելի ու ավելի բարձր: Այս դեպքում, ակնհայտորեն, նանոմասնիկի չափը որոշում է նանոլարի տրամագիծը։ Աջ կողմում Նկ. 28-ը ցույց է տալիս ZnO նանոլարերի անտառը, որը պատրաստված է նման ձևով:

Նանոլարերի եզակի էլեկտրական և մեխանիկական հատկությունները նախադրյալներ են ստեղծում ապագա նանոէլեկտրոնային և նանոէլեկտրամեխանիկական սարքերում դրանց օգտագործման համար, ինչպես նաև նոր կոմպոզիտային նյութերի և կենսասենսորների տարրեր:

ՆԱՆՈՄԻՐԻ ՀԱՆԵԼՈՒԿՆԵՐ

Շփում մանրադիտակի տակ

Մենք ամեն քայլափոխի հանդիպում ենք շփման, բայց առանց շփման մենք քայլ չէինք անի։ Անհնար է պատկերացնել աշխարհն առանց շփման ուժերի։ Շփման բացակայության դեպքում շատ կարճաժամկետ շարժումներ կշարունակվեն անորոշ ժամանակով: Երկիրը ցնցվելու էր շարունակական երկրաշարժերից, քանի որ տեկտոնական թիթեղները անընդհատ բախվում էին միմյանց: Բոլոր սառցադաշտերը անմիջապես կսահեն սարերից ցած, և անցյալ տարվա քամուց փոշին կխուժի երկրի մակերևույթով։ Ի՜նչ լավ է, որ աշխարհում դեռևս շփման ուժ կա։

Մյուս կողմից, մեքենայի մասերի միջև շփումը հանգեցնում է մաշվածության և լրացուցիչ ծախսերի: Կոպիտ գնահատականները ցույց են տալիս, որ տրիբոլոգիայի՝ շփման գիտության հետազոտությունները կարող են խնայել համախառն ազգային արդյունքի մոտ 2-ից 10%-ը:

Մարդկային երկու ամենակարևոր գյուտերը՝ անիվը և կրակ պատրաստելը, կապված են շփման ուժի հետ: Անիվի գյուտը հնարավորություն տվեց զգալիորեն նվազեցնել շարժումը խոչընդոտող ուժը, իսկ կրակի արտադրությունը մարդուն ծառայեցնում էր շփման ուժը։ Այնուամենայնիվ, գիտնականները դեռ հեռու են շփման ուժի ֆիզիկական հիմքերը լիովին հասկանալուց: Եվ ամենևին այն պատճառով, որ մարդիկ որոշ ժամանակով դադարել են հետաքրքրվել այս երևույթով։

Շփման օրենքների առաջին ձևակերպումը պատկանում է մեծ Լեոնարդոյին (1519), ով պնդում էր, որ շփման ուժը, որն առաջանում է, երբ մարմինը շփվում է մեկ այլ մարմնի մակերեսի հետ, համաչափ է սեղմող ուժին, ուղղված է շարժման ուղղությանը և կախված չէ շփման տարածքից: Այս օրենքը կրկին հայտնաբերվեց 180 տարի անց Գ. Ամոնտոնի կողմից, այնուհետև ճշգրտվեց Ք. Քուլոնի աշխատություններում (1781): Ամոնտոնը և Կուլոնը ներկայացրեցին շփման գործակիցի հայեցակարգը որպես շփման ուժի հարաբերակցություն բեռին, դրան տալով ֆիզիկական հաստատունի արժեքը, որն ամբողջությամբ որոշում է շփման ուժը ցանկացած զույգ շփվող նյութերի համար: Մինչ այժմ դա այս բանաձեւն է

Ֆ tr = μ Ն, (1)

որտեղ Ֆ tr - շփման ուժ, Ն- սեղմող ուժի բաղադրիչը, որը նորմալ է շփման մակերեսին, և μ-ը շփման գործակիցն է, միակ բանաձևն է, որը կարելի է գտնել դպրոցական ֆիզիկայի դասագրքերում (տե՛ս նկ. 29):

Նկար 29. Շփման դասական օրենքի ձևակերպմանը:

Երկու դար շարունակ փորձնականորեն ապացուցված օրենքը (1) ոչ ոք չի հերքվել, և այն դեռ հնչում է այնպես, ինչպես 200 տարի առաջ.

• շփման ուժն ուղիղ համեմատական ​​է սահող մարմինների մակերեսները սեղմող ուժի նորմալ բաղադրիչին և միշտ գործում է շարժման ուղղությանը հակառակ ուղղությամբ։

• շփման ուժը կախված չէ շփման մակերեսի չափից:

• շփման ուժը կախված չէ սահելու արագությունից:

• ստատիկ շփման ուժը միշտ ավելի մեծ է, քան սահող շփման ուժը:

• Շփման ուժերը կախված են միայն երկու նյութերից, որոնք սահում են միմյանց վրայով:

Շփման դասական օրենքը միշտ վավեր է:

Արդեն 19-րդ դարում պարզ դարձավ, որ Ամոնտոն-Կուլոնի օրենքը (1) միշտ չէ, որ ճիշտ է նկարագրում շփման ուժը, և շփման գործակիցները ոչ մի դեպքում համընդհանուր բնութագրիչներ չեն։ Նախ նշվեց, որ շփման գործակիցները կախված են ոչ միայն այն բանից, թե ինչ նյութեր են շփվում, այլև նրանից, թե որքան հարթ են մշակվում շփվող մակերեսները։ Պարզվեց, օրինակ, որ վակուումում շփման գործակիցները միշտ ավելի բարձր են, քան նորմալ պայմաններում (տե՛ս ստորև բերված աղյուսակը):

Մեկնաբանելով այս անհամապատասխանությունները՝ ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր Ռ. Ֆեյնմանը իր դասախոսություններում գրել է. ... Աղյուսակներ, որտեղ թվարկված են շփման գործակիցները «պողպատ պողպատի վրա», «պղինձ պղնձի վրա» և այլն, այս ամենը խաբեություն է, քանի որ նրանք անտեսում են այդ մանրուքները, և հենց նրանք են որոշում μ-ի արժեքը։ Շփում «պղինձ պղնձի վրա» և այլն: - սա իրականում շփում է «պղնձին կպչող կեղտի մասին".

Դուք, իհարկե, կարող եք գնալ այլ ճանապարհով և ուսումնասիրելով «պղնձի պղնձի վրա» շփումը, չափել ուժերը վակուումում կատարյալ հղկված և գազազերծված մակերեսների շարժման ժամանակ։ Բայց հետո պղնձի երկու այդպիսի կտոր պարզապես կկպչեն իրար, և ստատիկ շփման գործակիցը կսկսի աճել մակերևույթների միջև շփման սկզբից անցած ժամանակի հետ: Նույն պատճառներով սահող շփման գործակիցը կախված կլինի արագությունից (ավելանում է դրա նվազմամբ)։ Սա նշանակում է, որ անհնար է նաև ճշգրիտ որոշել մաքուր մետաղների շփման ուժը:

Այնուամենայնիվ, չոր ստանդարտ մակերևույթների համար շփման դասական օրենքը գրեթե ճշգրիտ է, թեև այս տիպի օրենքի պատճառն անհայտ մնաց մինչև վերջերս: Ի վերջո, ոչ ոք տեսականորեն չէր կարող գնահատել երկու մակերեսների շփման գործակիցը։

Ինչպե՞ս են ատոմները «քսում» միմյանց դեմ:

Շփումը ուսումնասիրելու դժվարությունը կայանում է նրանում, որ այն վայրը, որտեղ տեղի է ունենում այս գործընթացը, բոլոր կողմերից թաքնված է հետազոտողից: Չնայած դրան, գիտնականները վաղուց եկել են այն եզրակացության, որ շփման ուժը պայմանավորված է նրանով, որ միկրոսկոպիկ մակարդակում (այսինքն՝ մանրադիտակով նայելիս) շփվող մակերեսները շատ կոպիտ են, նույնիսկ եթե դրանք փայլեցված են: Հետևաբար, երկու մակերևույթների միմյանց դեմ սահելը կարող է ֆանտաստիկ դեպք հիշեցնել, երբ շրջված Կովկասյան լեռները քսվում են, օրինակ, Հիմալայներին (նկ. 30):

Նկար 30. Ցածր (վերևում) և մեծ (ներքևի) սեղմման ուժի դեպքում սահող մակերեսների շփման կետի սխեմատիկ պատկերը:

Նախկինում ենթադրվում էր, որ շփման մեխանիզմը պարզ է. մակերեսը ծածկված է անկանոնություններով, իսկ շփումը սահող մասերի հաջորդական բարձրացման և իջեցման ցիկլերի արդյունք է։ Բայց դա սխալ է, քանի որ այդ դեպքում էներգիայի կորուստ չի լինի, և շփումը էներգիա է սպառում:

Հետևյալ շփման մոդելը կարելի է իրականությանը ավելի մոտ համարել. Երբ քսվող մակերեսները սահում են, դրանց միկրոկոշտությունները շփվում են, իսկ շփման կետերում հակադիր ատոմները ձգվում են միմյանց, ասես, «կպչում» են։ Մարմինների հետագա հարաբերական շարժման դեպքում այս միացումները կոտրվում են, և առաջանում են ատոմների թրթռումներ, որոնք տեղի են ունենում ձգված զսպանակի արձակման ժամանակ: Ժամանակի ընթացքում այդ թրթռումները քայքայվում են, և դրանց էներգիան վերածվում է ջերմության՝ տարածվելով երկու մարմինների վրա։ Փափուկ մարմինների սահելու դեպքում հնարավոր է նաև միկրոկոշտությունների քայքայումը, այսպես կոչված, «հերկելը», այս դեպքում մեխանիկական էներգիան ծախսվում է միջմոլեկուլային կամ միջատոմային կապերի քայքայման վրա։

Այսպիսով, եթե մենք ուզում ենք ուսումնասիրել շփումը, մեզ պետք է հաջողվի տեղափոխել ավազահատիկ, որը բաղկացած է մի քանի ատոմներից մակերեսի երկայնքով, դրանից շատ փոքր հեռավորության վրա, մինչդեռ ավազահատիկի վրա ազդող ուժերը չափում ենք ավազի կողմից: մակերեւույթ. Դա հնարավոր դարձավ միայն ատոմային ուժային մանրադիտակի գյուտից հետո։ Ատոմային ուժի մանրադիտակի (AFM) ստեղծումը, որն ի վիճակի է զգալ առանձին ատոմների միջև առաջացող ձգողականության և վանման ուժերը, հնարավորություն տվեց վերջապես «զգալ», թե ինչ են շփման ուժերը՝ բացելով գիտության նոր ոլորտ։ շփում - նանոտրիբոլոգիա.

1990-ականների սկզբից AFM-ն օգտագործվում էր համակարգված ուսումնասիրելու միկրոզոնդների շփման ուժը, որոնք սահում են տարբեր մակերեսների երկայնքով և այդ ուժերի կախվածությունը սեղմող ուժից: Պարզվեց, որ սիլիցիումից պատրաստված սովորաբար օգտագործվող զոնդերի համար միկրոսկոպիկ սահող շփման ուժը սեղմման ուժի մոտ 60-80%-ն է, որը 10 նՆ-ից ոչ ավելի է (տես նկ. 31, վերև): Ինչպես և սպասվում էր, սահող շփման ուժը մեծանում է միկրոզոնդի չափի հետ, քանի որ այն միաժամանակ ձգող ատոմների թիվը մեծանում է (տես նկ. 31, ներքև):

Նկար 31. Միկրոզոնդի սահող շփման ուժի կախվածությունը արտաքին ուժից, Նսեղմելով այն գրաֆիտի մակերեսին: Վերև - զոնդի կորության շառավիղ, 17 նմ; ներքև - զոնդի կորության շառավիղ, 58 նմ: Երևում է, որ փոքրի համար Նկախվածությունը կորագիծ է, և ընդհանուր առմամբ այն մոտենում է կետավոր գծով նշված ուղիղ գծին: Տվյալները վերցված են Holscher and Schwartz-ից (2002 թ.):

Այսպիսով, միկրոզոնդի լոգարիթմական շփման ուժը կախված է մակերեսի հետ նրա շփման տարածքից, ինչը հակասում է շփման դասական օրենքին: Պարզվեց նաև, որ սահող շփման ուժը չի զրոյանում միկրոզոնդը մակերեսին սեղմող ուժի բացակայության դեպքում։ Այո, դա հասկանալի է, քանի որ միկրոզոնդը շրջապատող մակերեսային ատոմներն այնքան մոտ են դրան, որ գրավում են այն նույնիսկ արտաքին սեղմման ուժի բացակայության դեպքում։ Հետևաբար, դասական օրենքի հիմնական ենթադրությունը՝ սեղմման ուժից շփման ուժի ուղիղ համեմատական ​​կախվածության մասին, նույնպես չի նկատվում նանոտրիբոլոգիայում։

Այնուամենայնիվ, դասական օրենքի (1) և AFM-ի միջոցով ստացված նանոտրիբոլոգիայի տվյալների միջև բոլոր այս անհամապատասխանությունները կարող են հեշտությամբ վերացվել: Լոգարիթմական մարմինը սեղմող ուժի ավելացմամբ ավելանում է միկրոկոնտակտների թիվը, ինչը նշանակում է, որ մեծանում է նաև սահող շփման ընդհանուր ուժը։ Հետևաբար, գիտնականների նոր ձեռք բերված տվյալների և հին օրենքի միջև հակասություններ չկան։

Երկար ժամանակ ենթադրվում էր, որ ստիպելով մի մարմին սահել մյուսի վրայով, մենք կոտրում ենք մի մարմնի փոքր անհամասեռությունները, որոնք կպչում են մյուսի մակերևույթի անհամասեռություններին, և այդ անհամասեռությունները կոտրելու համար անհրաժեշտ է շփման ուժ։ Հետևաբար, հին հասկացությունները հաճախ կապում են շփման ուժի առաջացումը քսվող մակերեսների միկրո ելուստների վնասման հետ, դրանց այսպես կոչված մաշվածությունը: AFM-ի և այլ ժամանակակից տեխնիկայի օգտագործմամբ նանոտրիբոլոգիական հետազոտությունները ցույց են տվել, որ մակերեսների միջև շփման ուժը կարող է լինել նույնիսկ այն դեպքերում, երբ դրանք վնասված չեն: Շփման այս ուժի պատճառը քսվող ատոմների միջև անընդհատ առաջացող և խզվող կապերն են:

Ինչու են նանոմասնիկները հալվում ցածր ջերմաստիճանում:

Մասնիկի չափի նվազմամբ փոխվում են ոչ միայն նրա մեխանիկական հատկությունները, այլև թերմոդինամիկական բնութագրերը։ Օրինակ, դրա հալման կետը դառնում է շատ ավելի ցածր, քան սովորական չափի նմուշները: Նկար 35-ը ցույց է տալիս, թե ինչպես է փոխվում ալյումինի նանոմասնիկների հալման կետը չափի նվազման հետ: Կարելի է տեսնել, որ 4 նմ մասնիկի հալման կետը 140 ° C-ով ցածր է սովորական չափսի ալյումինի նմուշից:

Նկար 35. T m ալյումինի նանոմասնիկների հալման կետի կախվածությունը R շառավղից անգստրոմներով (Å) 1 Å = 0,1 նմ:

Կախվածությունը նման է Նկ. Շատ մետաղների համար ձեռք է բերվել 35: Այսպիսով, երբ անագի նանոմասնիկների տրամագիծը նվազում է մինչև 8 նմ, դրանց հալման կետը նվազում է 100 ° C-ով (230 ° C-ից մինչև 130 ° C): Այս դեպքում հալման ջերմաստիճանի ամենամեծ անկումը (ավելի քան 500 ° C) հայտնաբերվել է ոսկու նանոմասնիկների համար:

Նանոմասնիկներն ունեն գրեթե բոլոր ատոմները մակերեսի վրա:

Նանոմասնիկների հալման ջերմաստիճանի նվազման պատճառն այն է, որ բոլոր բյուրեղների մակերեսի ատոմները գտնվում են հատուկ պայմաններում, և նման «մակերեսային» ատոմների մասնաբաժինը նանոմասնիկների մեջ դառնում է շատ մեծ։ Եկեք գնահատենք այս «մակերևույթի» մասնաբաժինը ալյումինի համար:

Հեշտ է հաշվարկել, որ 1 սմ 3 ալյումինում կա մոտ 6: 10 22 ատոմ: Պարզության համար մենք կենթադրենք, որ ատոմները գտնվում են խորանարդ բյուրեղային ցանցի տեղերում, ապա այս վանդակում հարևան ատոմների միջև հեռավորությունը կլինի մոտ 4: 10 -8 սմ Սա նշանակում է, որ մակերեսի վրա ատոմների խտությունը կլինի 6։ 10 14 սմ -2.

Այժմ վերցնում ենք ալյումինի խորանարդը՝ 1 սմ եզրով, որի մակերեսի ատոմների թիվը հավասար կլինի 36-ի։ 10 14, իսկ ներսում ատոմների թիվը 6 է։ 10 22. Այսպիսով, մակերեսային ատոմների մասնաբաժինը «նորմալ» չափերի նման ալյումինե խորանարդում կազմում է ընդամենը 6: 10 -8.

Եթե ​​նույն հաշվարկներն անենք 5 նմ ալյումինե խորանարդի համար, ապա կստացվի, որ նման «նանոկուբի» մակերեսին արդեն կա նրա բոլոր ատոմների 12%-ը։ Դե, 1 նմ խորանարդի մակերեսին, ընդհանուր առմամբ, կան բոլոր ատոմների կեսից ավելին: «Մակերեւութային» կոտորակի կախվածությունը ատոմների թվից ներկայացված է Նկար 36-ում:

Նկար 36. Ատոմների «մակերևութային» կոտորակի (օրդինատների առանցքի) կախվածությունը բյուրեղային նյութի խորանարդի N թվի խորանարդ արմատից:

Բյուրեղյա մակերեսի վրա կարգ ու կանոն չկա

Անցյալ դարի 60-ականների սկզբից գիտնականները կարծում էին, որ բյուրեղների մակերեսին տեղակայված ատոմները գտնվում են հատուկ պայմաններում։ Այն ուժերը, որոնք ստիպում են նրանց լինել բյուրեղային ցանցի հանգույցներում, նրանց վրա գործում են միայն ներքևից։ Հետևաբար, մակերևութային ատոմները (կամ մոլեկուլները) կարիք չունեն «խուսափելու խորհուրդներից և գրկախառնվելով» ցանցի մոլեկուլների վրա, և եթե դա տեղի ունենա, ապա ատոմների մի քանի մակերևութային շերտեր միանգամից հանգում են նույն որոշմանը: Արդյունքում, բոլոր բյուրեղների մակերեսի վրա ձևավորվում է հեղուկ թաղանթ: Ի դեպ, սառցե բյուրեղները բացառություն չեն: Հետեւաբար, սառույցը սայթաքուն է (տես նկ. 37):

Նկար 37. Սառույցի խաչմերուկի սխեմատիկ պատկերը: Մակերեւույթի վրա ջրի մոլեկուլների պատահական դասավորությունը համապատասխանում է հեղուկ թաղանթին, իսկ մեծ մասում վեցանկյուն կառուցվածքը համապատասխանում է սառույցին: Կարմիր շրջանակներ - թթվածնի ատոմներ; սպիտակ - ջրածնի ատոմներ (Կ. Յու. Բոգդանովի «Ձվերի ֆիզիկայի մասին ... և ոչ միայն» գրքից, Մոսկվա, 2008 թ.):

Բյուրեղային մակերևույթի վրա հեղուկ թաղանթի հաստությունը մեծանում է ջերմաստիճանի հետ, քանի որ մոլեկուլների ավելի բարձր ջերմային էներգիան ավելի շատ մակերեսային շերտեր է դուրս բերում բյուրեղային ցանցից: Տեսական գնահատականները և փորձերը ցույց են տալիս, որ հենց բյուրեղի մակերեսի վրա հեղուկ թաղանթի հաստությունը սկսում է գերազանցել բյուրեղի չափի 1/10-ը, բյուրեղյա ամբողջ ցանցը փլուզվում է, և մասնիկը դառնում է հեղուկ: Հետևաբար, մասնիկների հալման կետը աստիճանաբար նվազում է դրանց չափերի նվազմամբ (տե՛ս նկ. 35):

Ակնհայտ է, որ նանոմասնիկների «ցածր հալման կետը» պետք է հաշվի առնել ցանկացած նանոարտադրության մեջ: Հայտնի է, օրինակ, որ էլեկտրոնային միկրոսխեմաների ժամանակակից տարրերի չափերը նանոմաշտաբում են։ Հետևաբար, բյուրեղային նանոօբյեկտների հալման ջերմաստիճանի իջեցումը որոշակի սահմանափակումներ է դնում ժամանակակից և ապագա միկրոսխեմաների շահագործման ջերմաստիճանային ռեժիմների վրա:

Ինչու կարող է նանոմասնիկների գույնը կախված լինել դրանց չափից:

Նանաշխարհում փոխվում են նյութի բազմաթիվ մեխանիկական, ջերմադինամիկ և էլեկտրական բնութագրեր: Նրանց օպտիկական հատկությունները բացառություն չեն: Նրանք նույնպես փոխվում են նանոաշխարհում:

Մեզ շրջապատում են սովորական չափերի առարկաներ, և մենք սովոր ենք, որ առարկայի գույնը կախված է միայն այն նյութի հատկություններից, որոնցից այն պատրաստված է կամ ներկանյութից, որով այն ներկված է։ Նանոաշխարհում այս գաղափարը պարզվում է, որ անարդար է, և դա տարբերում է նանոօպտիկան սովորականից:

Մոտ 20-30 տարի առաջ «նանոօպտիկա» ընդհանրապես գոյություն չուներ։ Իսկ ինչպե՞ս կարող է լինել նանոօպտիկա, եթե սովորական օպտիկայի ընթացքից հետևում է, որ լույսը չի կարող «զգալ» նանոօբյեկտները, քանի որ. դրանց չափերը զգալիորեն պակաս են լույսի ալիքի երկարությունից λ = 400 - 800 նմ: Լույսի ալիքային տեսության համաձայն՝ նանոօբյեկտները չպետք է ստվերներ ունենան, և դրանցից լույսը չի կարող արտացոլվել։ Անհնար է նաև տեսանելի լույսը կենտրոնացնել նանո-օբյեկտին համապատասխան տարածքի վրա: Սա նշանակում է, որ անհնար է տեսնել նանոմասնիկներ։

Այնուամենայնիվ, մյուս կողմից, լույսի ալիքը դեռ պետք է գործի նանոօբյեկտների վրա, ինչպես ցանկացած էլեկտրամագնիսական դաշտ: Օրինակ, կիսահաղորդչային նանոմասնիկի վրա ընկնող լույսը կարող է էլեկտրական դաշտով պոկել նրա ատոմից վալենտային էլեկտրոններից մեկը: Այս էլեկտրոնը որոշ ժամանակով կդառնա հաղորդիչ էլեկտրոն, այնուհետև նորից կվերադառնա «տուն»՝ արձակելով լույսի քվանտ, որը համապատասխանում է «արգելված գոտու» լայնությանը. նվազագույն էներգիան, որն անհրաժեշտ է վալենտային էլեկտրոնի ազատ դառնալու համար (տես Նկ. 40):

Այսպիսով, նույնիսկ նանոմաշտաբի կիսահաղորդիչները պետք է զգան լույսի անկումը իրենց վրա՝ միաժամանակ ավելի ցածր հաճախականության լույս արձակելով: Այլ կերպ ասած, կիսահաղորդչային նանոմասնիկները լույսի ներքո կարող են դառնալ լյումինեսցենտ՝ արձակելով «զանգվածի բացվածքի» լայնությանը համապատասխանող խիստ սահմանված հաճախականության լույս։

Նկար 40. Կիսահաղորդիչում էլեկտրոնի էներգիայի մակարդակների և էներգիայի շերտերի սխեմատիկ պատկերը: Կապույտ լույսի ազդեցությամբ ատոմից անջատվում է էլեկտրոն (սպիտակ շրջան)՝ անցնելով հաղորդման գոտի։ Որոշ ժամանակ անց այն իջնում ​​է այս գոտու էներգիայի ամենացածր մակարդակը և, արձակելով կարմիր լույսի քվանտ, վերադառնում է դեպի վալենտական ​​գոտի։

Լուսավորեք ըստ չափսի:

Թեև կիսահաղորդչային նանոմասնիկների լյումինեսցենտային ունակությունը հայտնի էր 19-րդ դարի վերջին, այս երևույթը մանրամասն նկարագրվեց միայն անցյալ դարի վերջում։ Եվ ամենահետաքրքիրն այն է, որ պարզվել է, որ այդ մասնիկների արձակած լույսի հաճախականությունը նվազում է այս մասնիկների չափերի մեծացման հետ (նկ. 41):

Գծապատկեր 41. Կոլոիդային մասնիկների կախույթների ֆլյուորեսցենցիան CdTeտարբեր չափսեր (2-ից 5 նմ, ձախից աջ): Բոլոր լամպերը վերևից լուսավորված են նույն ալիքի երկարության կապույտ լույսով: Հարմարեցված է Հ.Վելլերից (Համբուրգի համալսարանի Ֆիզիկական քիմիայի ինստիտուտ):

Ինչպես ցույց է տրված նկ. 41, նանոմասնիկների կախոցի (կասեցիայի) գույնը կախված է դրանց տրամագծից։ Լյումինեսցենտային գույնի կախվածությունը, այսինքն. դրա հաճախականությունը, ν նանոմասնիկի չափի վրա նշանակում է, որ «արգելված գոտու» Δ լայնությունը նույնպես կախված է մասնիկի չափից։ Ե... Նայելով 40-րդ և 41-րդ նկարներին՝ կարելի է պնդել, որ նանոմասնիկների չափի մեծացման դեպքում «զանգվածային բացը», Δ. Եպետք է նվազի, քանի որ ԴԵ = հՆ. Այս կախվածությունը կարելի է բացատրել հետևյալ կերպ.

Ավելի հեշտ է «պոկվել», եթե շրջապատում շատ հարեւաններ կան

Վալենտային էլեկտրոնը անջատելու և հաղորդման գոտի փոխանցելու համար պահանջվող նվազագույն էներգիան կախված է ոչ միայն ատոմային միջուկի լիցքից և ատոմում էլեկտրոնի դիրքից։ Որքան շատ ատոմներ են շրջապատում, այնքան ավելի հեշտ է պոկել էլեկտրոնը, քանի որ հարևան ատոմների միջուկները նույնպես ձգում են այն դեպի իրենց: Նույն եզրակացությունը գործում է ատոմների իոնացման դեպքում (տե՛ս նկ. 42):

Նկար 42. Բյուրեղյա վանդակում (օրդինատում) մոտակա հարևանների միջին թվի կախվածությունը անգստրոմներում պլատինե մասնիկի տրամագծից (աբսցիսա): 1 Å = 0,1 նմ: Հարմարեցված է Frenkel et al. (J. Phys. Chem., B, v. 105: 12689, 2001):

Նկ. 42. ցույց է տալիս, թե ինչպես է փոխվում պլատինի ատոմի մոտակա հարևանների միջին թիվը մասնիկների տրամագծի աճով։ Երբ մասնիկի ատոմների թիվը փոքր է, դրանց զգալի մասը գտնվում է մակերեսի վրա, ինչը նշանակում է, որ մոտակա հարևանների միջին թիվը շատ ավելի քիչ է, քան պլատինի բյուրեղային ցանցին (11): Երբ մասնիկների չափը մեծանում է, մոտակա հարևանների միջին թիվը մոտենում է տվյալ բյուրեղային ցանցին համապատասխանող սահմանին: Սկսած թզ. 42 հետևում է, որ ավելի դժվար է իոնացնել (էլեկտրոն հեռացնել) ատոմը, եթե այն գտնվում է փոքր մասնիկի մեջ, քանի որ միջինում նման ատոմը քիչ մոտակա հարևաններ ունի:

Նկար 43. Իոնացման ներուժի (աշխատանքային ֆունկցիան, eV-ով) կախվածությունը երկաթի նանոմասնիկի N ատոմների քանակից: Հարմարեցված է E. Roduner-ի դասախոսությունից (Շտուտգարտ, 2004):

Նկ. 43 ցույց է տալիս, թե ինչպես է փոխվում իոնացման պոտենցիալը (աշխատանքային ֆունկցիան, eV-ով) տարբեր քանակությամբ երկաթի ատոմներ պարունակող նանոմասնիկների համար: Ն... Դա երևում է աճի հետ Նաշխատանքային ֆունկցիան նվազում է՝ ձգտելով սովորական չափսերի նմուշների աշխատանքային ֆունկցիային համապատասխանող սահմանափակող արժեքին: Պարզվեց, որ փոփոխությունը Ադուրս մասնիկների տրամագծով Դկարելի է բավականին լավ նկարագրել բանաձևով.

Ադուրս = Ադուրս 0 + 2 Զ e 2 / Դ , (6)

որտեղ Ա out0 - աշխատանքային ֆունկցիա սովորական չափսերի նմուշների համար, ԶԱրդյո՞ք ատոմային միջուկի լիցքը, և եԷլեկտրոնի լիցքն է։

Ակնհայտ է, որ «արգելված գոտու» լայնությունը Δ Եկախված է կիսահաղորդչային մասնիկի չափից այնպես, ինչպես մետաղական մասնիկների աշխատանքային ֆունկցիան (տես բանաձև 6) - նվազում է մասնիկների տրամագծի աճով: Հետևաբար, կիսահաղորդչային նանոմասնիկների ֆլյուորեսցենտային ալիքի երկարությունը մեծանում է մասնիկների տրամագծի աճով, ինչը պատկերված է Նկար 41-ում:

Քվանտային կետեր՝ տեխնածին ատոմներ

Կիսահաղորդչային նանոմասնիկները հաճախ կոչվում են «քվանտային կետեր»: Իրենց հատկություններով դրանք հիշեցնում են ատոմներ՝ նանոմաշտաբով «արհեստական ​​ատոմներ»։ Ի վերջո, ատոմների էլեկտրոնները, անցնելով մի ուղեծրից մյուսը, նույնպես արձակում են խիստ սահմանված հաճախականության լույսի քվանտ։ Բայց ի տարբերություն իրական ատոմների, որոնց ներքին կառուցվածքը և ճառագայթման սպեկտրը մենք չենք կարող փոխել, քվանտային կետերի պարամետրերը կախված են դրանց ստեղծողներից՝ նանոտեխնոլոգիաներից։

Քվանտային կետերն արդեն հարմար գործիք են կենսաբանների համար, ովքեր փորձում են տարբեր կառուցվածքներ տարբերել կենդանի բջիջների ներսում: Փաստն այն է, որ տարբեր բջջային կառույցներ հավասարապես թափանցիկ են և գունավոր չեն: Հետևաբար, եթե բջջին նայեք մանրադիտակով, բացի նրա եզրերից, ոչինչ չեք տեսնի: Բջջի որոշակի կառուցվածքը տեսանելի դարձնելու համար ստեղծվել են քվանտային կետեր, որոնք կարող են կպչել որոշակի ներբջջային կառուցվածքներին (նկ. 44):

Հ
Վանդակը ներկելու համար թզ. 44 տարբեր գույներով, պատրաստվել են երեք չափի քվանտային կետեր։ Ամենափոքր, շողացող կանաչ լույսը սոսնձված էր մոլեկուլների վրա, որոնք ընդունակ էին կպչել միկրոխողովակներին, որոնք կազմում են բջջի ներքին կմախքը: Միջին չափի քվանտային կետերը կարող էին կպչել Գոլջիի ապարատի թաղանթներին, իսկ ամենամեծերը՝ բջջի միջուկին։ Երբ բջիջը թաթախեցին այս բոլոր քվանտային կետերը պարունակող լուծույթի մեջ և որոշ ժամանակ պահեցին դրա մեջ, նրանք ներթափանցեցին ներս և կպցրին այնտեղ, որտեղ կարող էին: Այնուհետև բջիջը ողողել են քվանտային կետեր չպարունակող լուծույթով և տեղադրել մանրադիտակի տակ: Ինչպես և սպասվում էր, վերոհիշյալ բջջային կառուցվածքները դարձան բազմագույն և հստակ տեսանելի (նկ. 44):

Նկար 44. Տարբեր ներբջջային կառույցների ներկում տարբեր գույներով՝ օգտագործելով քվանտային կետեր: Կարմիր - միջուկ; կանաչ - միկրոխողովակներ; դեղին - Golgi ապարատ.

Նանոտեխնոլոգիան քաղցկեղի դեմ պայքարում

13% դեպքերում մարդիկ մահանում են քաղցկեղից։ Այս հիվանդությունից ամեն տարի աշխարհում մահանում է մոտ 8 միլիոն մարդ։ Քաղցկեղի շատ տեսակներ դեռ համարվում են անբուժելի: Գիտական ​​հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ նանոտեխնոլոգիայի կիրառումը կարող է հզոր գործիք լինել այս հիվանդության դեմ պայքարում։

Նանոտեխնոլոգիա և բժշկություն

Ոսկու նանոմասնիկներ - ջերմային ռումբեր քաղցկեղի բջիջների համար

Մոտ 100 նմ տրամագծով սիլիցիումի գնդաձեւ նանոմասնիկը պատված է 10 նմ հաստությամբ ոսկու շերտով։ Ոսկու նման նանոմասնիկը 820 նմ ալիքի երկարությամբ ինֆրակարմիր ճառագայթներ կլանելու հատկություն ունի, մինչդեռ իր շուրջը մի քանի տասնյակ աստիճանով տաքացնում է հեղուկի բարակ շերտը։

820 նմ ալիքի երկարությամբ ճառագայթումը գործնականում չի ներծծվում մեր մարմնի հյուսվածքների կողմից։ Հետևաբար, եթե դուք պատրաստում եք ոսկու նանոմասնիկներ, որոնք կպչում են միայն քաղցկեղի բջիջներին, ապա այս ալիքի երկարության ճառագայթումը մարդու մարմնի միջոցով փոխանցելով՝ կարող եք տաքացնել և ոչնչացնել այդ բջիջները՝ չվնասելով մարմնի առողջ բջիջները:

Գիտնականները պարզել են, որ նորմալ բջիջների թաղանթը տարբերվում է քաղցկեղի բջիջներից, և նրանք առաջարկել են ոսկու նանոմասնիկների մակերեսը պատել մոլեկուլներով, որոնք հեշտացնում են դրանց կպչունությունը քաղցկեղի բջիջներին: Քաղցկեղի բջիջներին կպչելու ունակությամբ նման նանոմասնիկներ ստեղծվել են քաղցկեղի մի քանի տեսակների համար։

Մկների վրա կատարված փորձերի ժամանակ ապացուցվել է ոսկու նանոմասնիկների արդյունավետությունը քաղցկեղի բջիջները ոչնչացնելու գործում: Սկզբում մկների մոտ քաղցկեղ առաջացավ, հետո նրանց ներարկեցին համապատասխան նանոմասնիկներ, իսկ հետո ենթարկվեցին որոշակի ալիքի երկարության ճառագայթման։ Պարզվել է, որ մի քանի րոպե նման ճառագայթումից հետո քաղցկեղի բջիջների մեծ մասը մահացել է գերտաքացումից, մինչդեռ նորմալ բջիջները մնացել են անձեռնմխելի։ Գիտնականները մեծ հույսեր են կապում քաղցկեղի դեմ պայքարի այս մեթոդի հետ։

Դենդրիմերներ - պարկուճներ թույնով քաղցկեղի բջիջների համար

Քաղցկեղի բջիջներին անհրաժեշտ է շատ ֆոլաթթու՝ բաժանվելու և աճելու համար: Հետևաբար, ֆոլաթթվի մոլեկուլները շատ լավ կպչում են քաղցկեղի բջիջների մակերեսին, և եթե դենդրիմերների արտաքին թաղանթը պարունակում է ֆոլաթթվի մոլեկուլներ, ապա այդպիսի դենդրիմերները ընտրողաբար կպչեն միայն քաղցկեղի բջիջներին: Նման դենդրիմերների օգնությամբ քաղցկեղի բջիջները կարելի է տեսանելի դարձնել՝ մի քանի այլ մոլեկուլներ միացնելով դենդրիմերային թաղանթին, օրինակ՝ ուլտրամանուշակագույն լույսի ներքո։ Դենդրիմերի արտաքին թաղանթին կցելով քաղցկեղի բջիջները սպանող դեղամիջոց, դուք կարող եք ոչ միայն հայտնաբերել դրանք, այլև սպանել (նկ. 45):

Նկար 45. Դենդրիմեր, որի արտաքին թաղանթին կցված են ֆոլաթթվի մոլեկուլները (մանուշակագույն), կպչում է միայն քաղցկեղի բջիջներին: Փայլուն ֆլուորեսցեինի մոլեկուլները (կանաչ) հայտնաբերում են այդ բջիջները, մետոտրեքսատի մոլեկուլները (կարմիր) սպանում են քաղցկեղի բջիջները: Սա հնարավորություն է տալիս ընտրողաբար սպանել միայն քաղցկեղային բջիջները:

Արծաթի նանոմասնիկները թույն են բակտերիաների համար

Շատ նյութերի ֆիզիկական հատկությունները կախված են նմուշի չափից: Նյութի նանոմասնիկները հաճախ ունենում են այնպիսի հատկություններ, որոնք սովորաբար չեն հայտնաբերվել այդ նյութերի նմուշներում, որոնք ունեն սովորական չափսեր:

Հայտնի է, որ ոսկին և արծաթը չեն մասնակցում քիմիական ռեակցիաների մեծամասնությանը։ Այնուամենայնիվ, արծաթի կամ ոսկու նանոմասնիկները ոչ միայն դառնում են քիմիական ռեակցիաների շատ լավ կատալիզատորներ (արագացնում են դրանց ընթացքը), այլև անմիջականորեն մասնակցում են քիմիական ռեակցիաներին։ Օրինակ՝ արծաթի սովորական նմուշները չեն փոխազդում աղաթթվի հետ, սակայն արծաթի նանոմասնիկները փոխազդում են աղաթթվի հետ, և այս ռեակցիան ընթանում է հետևյալ սխեմայով. 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H 2։

Վ
Արծաթի նանոմասնիկների բարձր ռեակտիվությունը բացատրվում է նրանով, որ նրանք ունեն ուժեղ մանրէասպան ազդեցություն՝ սպանում են պաթոգեն բակտերիաների որոշ տեսակներ։ Արծաթի իոնները անհնարին են դարձնում բազմաթիվ քիմիական ռեակցիաների առաջացումը բակտերիաների ներսում, և, հետևաբար, շատ բակտերիաներ չեն բազմանում արծաթի նանոմասնիկների առկայության դեպքում: Արծաթի նանոմասնիկների ազդեցության նկատմամբ առավել զգայուն են այսպես կոչված գրամ-բացասական բակտերիաները, որոնք հնարավոր չէ ներկել Gram մեթոդով (E. coli, Salmonella և այլն):

Նկար 47. 10-15 նմ չափի արծաթի նանոմասնիկների տարբեր կոնցենտրացիաների ազդեցությունը E. coli բակտերիաների բազմապատկման վրա ( Էշերիխիա կոլի) – (ա) և սալմոնելա ( Սալմոնելլա տիֆ) – (բ): Ձախից աջ երկու վահանակները ցույց են տալիս Պետրիի ճաշատեսակների լուսանկարները՝ 0, 5, 10, 25 և 35 մկգ/մլ արծաթի նանոմասնիկների կոնցենտրացիաներով: Բակտերիաները սննդարար լուծույթի բաժակները ներկում են դեղնավուն (տես երեք բաժակ ձախ կողմում): Բակտերիաների բացակայության դեպքում Պետրիի ամանները մուգ շագանակագույն են՝ արծաթի նանոմասնիկների առկայության պատճառով։ Հարմարեցված է Shrivastava et al. (Նանոտեխնոլոգիա, 18: 225103, 2007):

Արծաթի նանոմասնիկների մանրէասպան հատկությունն օգտագործելու համար դրանք սկսեցին ներառվել ավանդական նյութերի մեջ, ինչպիսիք են անկողնային գործվածքները: Պարզվել է, որ արծաթի նանոմասնիկներ պարունակող գործվածքներից պատրաստված գուլպաները կանխում են ոտքերի սնկային վարակները:

Պատառաքանդակները, դռան բռնակները և նույնիսկ համակարգիչների համար նախատեսված ստեղնաշարերն ու մկները, որոնք հայտնաբերվել են որպես պաթոգեն բակտերիաների բազմացման հիմք, սկսեցին պատվել արծաթի նանոմասնիկների շերտով: Արծաթի նանոմասնիկները սկսեցին օգտագործվել նոր ծածկույթների, ախտահանիչների և լվացող միջոցների (ներառյալ ատամների և մաքրող մածուկների, լվացքի փոշիների) ստեղծման համար:

Բակտերիաներ և էրիթրոցիտներ նանոկապսուլների կրիչներ դեղերով

Մարդու հիվանդությունը, որպես կանոն, կապված է ոչ բոլորի, այլ հաճախ նրա բջիջների մի փոքր մասի հիվանդության հետ։ Բայց երբ մենք դեղահաբեր ենք ընդունում, դեղամիջոցը լուծվում է արյան մեջ, իսկ հետո արյան հոսքի հետ գործում է բոլոր բջիջների վրա՝ հիվանդ և առողջ։ Միևնույն ժամանակ, անհարկի դեղամիջոցները առողջ բջիջներում կարող են այսպես կոչված կողմնակի բարդություններ առաջացնել, օրինակ՝ ալերգիկ ռեակցիաներ։ Հետևաբար, բժիշկների վաղեմի երազանքը միայն հիվանդ բջիջների ընտրովի բուժումն էր, որում դեղը առաքվում է նպատակային և շատ փոքր չափաբաժիններով: Դեղերի նանոկապսուլները, որոնք կարող են կպչել միայն որոշակի բջիջներին, կարող են լինել այս բժշկական խնդրի լուծումը:

Հիվանդ բջիջներին նպատակային առաքման համար նանոկապսուլաների օգտագործումը կանխող հիմնական խոչընդոտը մեր իմունային համակարգն է: Հենց իմունային համակարգի բջիջները բախվում են օտար մարմինների, այդ թվում՝ դեղամիջոցներով նանոկապսուլների, նրանք փորձում են ոչնչացնել և հեռացնել դրանց մնացորդները արյան հոսքից։ Եվ որքան հաջողությամբ նրանք դա անեն, այնքան մեր իմունիտետն ավելի լավ կլինի։ Հետևաբար, եթե մենք արյան մեջ ներարկենք որևէ նանոպատիճ, մեր իմունային համակարգը կկործանի նանոկապսուլները նախքան դրանք հասնել թիրախային բջիջներին:

Մեր իմունային համակարգը խաբելու համար առաջարկվում է օգտագործել արյան կարմիր բջիջներ (էրիթրոցիտներ)՝ նանոկապսուլներ մատակարարելու համար: Մեր իմունային համակարգը հեշտությամբ ճանաչում է «ընկերներին» և երբեք չի հարձակվում արյան կարմիր բջիջների վրա: Հետևաբար, եթե նանոկապսուլները կցված են էրիթրոցիտներին, ապա իմունային համակարգի բջիջները, «տեսնելով» իրենց «սեփական» էրիթրոցիտը, որը լողում է արյունատար անոթով, չեն «զննելու» դրա մակերեսը, և սոսնձված նանոկապսուլներով էրիթրոցիտները կլողան ավելի դեպի անոթ: բջիջներ, որոնց հասցեագրված են այս նանոկապսուլները: Արյան կարմիր բջիջները միջինում ապրում են մոտ 120 օր։ Փորձերը ցույց են տվել, որ էրիթրոցիտներին կցված նանոկապսուլների կյանքի տեւողությունը 100 անգամ ավելի է, քան երբ դրանք ուղղակի ներարկվում են արյան մեջ:

Սովորական բակտերիան կարող է նաև դեղորայքով բեռնվել նանոմասնիկներով, այնուհետև այն կարող է աշխատել որպես տրանսպորտային միջոց՝ այդ դեղերը հիվանդ բջիջներին հասցնելու համար: Նանոմասնիկների չափերը՝ 40-ից 200 նանոմետր, գիտնականները սովորել են դրանք կցել բակտերիաների մակերեսին՝ օգտագործելով հատուկ մոլեկուլներ։ Մեկ բակտերիան կարող է տեղավորել տարբեր տեսակի մինչև մի քանի հարյուր նանոմասնիկներ (նկ. 59):

Նկար 59. Բջիջների բուժման համար դեղերով կամ ԴՆԹ-ի բեկորներով (գեներով) նանոմասնիկների առաքման մեթոդ:

Բակտերիաները կենդանի բջիջներ ներխուժելու բնական կարողություն ունեն, ինչը նրանց դարձնում է դեղերի առաքման իդեալական թեկնածուներ: Սա հատկապես արժեքավոր է գենային թերապիայի մեջ, որտեղ անհրաժեշտ է ԴՆԹ-ի բեկորները հասցնել իրենց նպատակային նպատակին՝ առանց առողջ բջիջը սպանելու: Այն բանից հետո, երբ գեները մտնում են բջջի միջուկ, այն սկսում է արտադրել հատուկ սպիտակուցներ՝ այդպիսով շտկելով գենետիկ հիվանդությունը։ Սա նոր հնարավորություններ է բացում գենային թերապիայի ոլորտում։ Բացի այդ, բակտերիաները կարող են ստեղծվել թունավոր նանոմասնիկներ տեղափոխելու համար, օրինակ, քաղցկեղի բջիջները սպանելու համար:

Նանոմանրաթելեր - ողնուղեղի վերականգնման փայտամած

Հայտնի է, որ ներկայումս ողնուղեղի վնասվածքը հաճախ չի արձագանքում բուժմանը։ Այս դեպքերում ողնուղեղի վնասվածքը մարդուն ցմահ շփոթեցնում է սայլակի հետ: Ողնուղեղի այս անբուժելի վնասվածքի պատճառը մեր մարմնի պաշտպանիչ գործառույթն է՝ կոշտ կապի հյուսվածքից սպիի արագ ձևավորումը, որը ծառայում է որպես ողնուղեղի երկայնքով անցնող վնասված և անձեռնմխելի նյարդերի միջև:

Սպիը միշտ պաշտպանում է կենդանի բջիջները մոտակա մահացածներից և ձևավորվում է, երբ մարմնի բոլոր հյուսվածքները վնասվում են: Այնուամենայնիվ, եթե ողնուղեղը վնասված է, առաջացած սպին խանգարում է նյարդերի աճին և ողնուղեղի հիմնական ֆունկցիայի վերականգնումին՝ ուղեղից նյարդային ազդակներ հասցնել մարմնի տարբեր մասեր և հակառակը։

Նյարդերը չեն կարող աճել սպիի և դատարկ խոռոչի միջով: Տան պես աճելու համար նրանց անհրաժեշտ է շրջանակ կամ ուղեցույցներ (անտառներ), ինչպես նաև խոչընդոտների բացակայություն։ Այսպիսով, ողնուղեղի վնասվածքի արագ վերականգնման համար անհրաժեշտ է (1) կանխել սպիի առաջացումը և (2) վնասված և չվնասված նյարդաթելերի միջև տարածությունը լրացնել կմախքով։ Նանոտեխնոլոգիան լուծում է վերը նշված երկու խնդիրները:

Հայտնի է, որ ամֆիֆիլային մոլեկուլները, այսինքն. մոլեկուլները, որոնցում հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ շրջանները տարածականորեն առանձնացված են, ունեն ինքնուրույն հավաքվելու հատկություն։ Այս մոլեկուլները ի վերջո հավաքվում են գլանաձեւ նանոմանրաթելերի մեջ: Միևնույն ժամանակ, այս նանոմանրաթելերի մակերեսին կարող են տեղակայվել տարբեր մոլեկուլներ, օրինակ՝ ճնշելով սպիների առաջացումը և խթանելով նյարդային հյուսվածքի աճը։ Այս նանո մանրաթելերը ձևավորում են վանդակավոր կառուցվածքներ՝ ստեղծելով լաստակ նյարդերի աճի համար (նկ. 61): Եթե ​​ողնուղեղի վնասվածքի տեղը լրացնեք նման ինքնահավաքվող մանրաթելերով, ապա վնասված նյարդերը կսկսեն աճել վնասվածքի տեղում՝ վերացնելով վնասվածքի հետևանքները։

Նկար 61. Աջ կողմում պատկերված է ամֆիֆիլային մոլեկուլներից ձևավորված նանոմանրաթելերի սխեմատիկ պատկերը, որոնք կրում են քիմիական կառուցվածքներ, որոնք արգելափակում են սպիների աճը և ակտիվացնում նյարդերի աճը (նշվում են տարբեր գույներով): Ձախ - ողնուղեղի վնասվածքի տեղում նանոմանրաթելերից ձևավորված շրջանակի ֆոտոմիկրոգրաֆիա; calibration, 200 nm. Հարմարեցված է Hartgerink et al., Science, 294, 1684 (2001):

Եթե ​​ներարկիչի օգնությամբ (նկ. 62) նման ամֆիֆիլային մոլեկուլների լուծույթը վնասվածքի վայր մտցվի վնասվածքից հետո 24 ժամվա ընթացքում, ապա նրանք, հավաքվելով նանոմանրաթելերի եռաչափ ցանցում, կկանխեն սպի առաջացումը։ , և նյարդային մանրաթելերը կկարողանան աճել՝ վերականգնելով իմպուլսի անցումը ողնուղեղով և վերացնելով վնասվածքների հետևանքները։ Նման փորձեր արվել են առնետների վրա և հաջող են անցել։

Ռ Նկար 62. Ողնուղեղի վնասված հատվածի (սլաք) սխեմատիկ պատկերը և ներարկիչը, որով այս հատվածում ներարկվում է ամֆիֆիլային մոլեկուլներով հեղուկ: Հարմարեցված է Silva et al-ից, Science, 303, 1352 (2004):

Նանոտեխնոլոգիան առօրյա կյանքում և արդյունաբերության մեջ

Nanotubes - ջրածնի պահեստավորման տանկեր, ամենամաքուր վառելիքը

Երկրի վրա ածուխի, նավթի և գազի պաշարները սահմանափակ են։ Բացի այդ, սովորական վառելիքի այրումը հանգեցնում է ածխաթթու գազի և այլ վնասակար կեղտերի կուտակմանը մթնոլորտում, իսկ դա, իր հերթին, գլոբալ տաքացման, որի նշանները մարդկությունն արդեն ապրում է։ Հետևաբար, այսօր մարդկության առաջ կանգնած է մի շատ կարևոր խնդիր՝ ինչպե՞ս փոխարինել ավանդական վառելանյութերը ապագայում։

Առավել շահավետ է որպես վառելիք օգտագործել ջրածինը` Տիեզերքում ամենատարածված քիմիական տարրը: Ջրածնի օքսիդացման (այրման) ժամանակ առաջանում է ջուր, և այս ռեակցիան ընթանում է շատ մեծ քանակությամբ ջերմության (120 կՋ/կգ) արտազատմամբ։ Համեմատության համար նշենք, որ բենզինի և բնական գազի այրման տեսակարար ջերմությունը երեք անգամ ավելի քիչ է, քան ջրածինը։ Պետք է նաև հաշվի առնել, որ ջրածնի այրումից շրջակա միջավայրի համար վնասակար ազոտի, ածխածնի և ծծմբի օքսիդներ չեն առաջանում։

Առաջարկվել են ջրածնի արտադրության բավականին էժան և էկոլոգիապես մաքուր մեթոդներ, սակայն ջրածնի պահպանումն ու փոխադրումը մինչ այժմ եղել է ջրածնի էներգիայի չլուծված խնդիրներից մեկը: Դրա պատճառը ջրածնի մոլեկուլի շատ փոքր չափերն է։ Դրա պատճառով ջրածինը կարող է ներթափանցել սովորական նյութերում հայտնաբերված մանրադիտակային բացերի և ծակոտիների միջով, և դրա արտանետումը մթնոլորտ կարող է հանգեցնել պայթյունների: Հետեւաբար, թթվածնի պահեստավորման բալոնների պատերը պետք է ավելի հաստ լինեն, ինչը նրանց ավելի ծանր է դարձնում: Անվտանգության նկատառումներից ելնելով, ավելի լավ է ջրածնի բալոնները սառեցնել մինչև մի քանի տասնյակ K, ինչը հետագայում մեծացնում է այս վառելիքի պահպանման և տեղափոխման արժեքը:

Ջրածնի պահեստավորման և տեղափոխման խնդրի լուծումը կարող է լինել «սպունգի» դեր կատարող սարքը, որը կունենար ջրածինը կլանելու և անորոշ ժամանակով պահելու հատկություն։ Ակնհայտ է, որ նման ջրածնային «սպունգը» պետք է ունենա մեծ մակերես և քիմիական հարաբերակցություն ջրածնի նկատմամբ։ Այս բոլոր հատկությունները առկա են ածխածնային նանոխողովակներում:

Ինչպես գիտեք, ածխածնային նանոխողովակներն ունեն մակերեսի բոլոր ատոմները: Նանոխողովակների կողմից ջրածնի կլանման մեխանիզմներից մեկը քիմիզորբցիան ​​է, այսինքն՝ H 2 ջրածնի կլանումը խողովակի մակերեսին, որին հաջորդում է դիսոցումը և քիմիական C – H կապերի ձևավորումը: Այս կերպ կապված ջրածինը կարող է արդյունահանվել նանոխողովակից, օրինակ, տաքացնելով մինչև 600 ° C: Բացի այդ, ջրածնի մոլեկուլները կապվում են նանոխողովակի մակերեսին ֆիզիկական կլանման միջոցով՝ վան դեր Վալսի փոխազդեցության միջոցով:

Ենթադրվում է, որ ջրածնի որպես վառելիքի ամենաարդյունավետ օգտագործումը դրա օքսիդացումն է վառելիքի բջիջում (նկ. 46), որն ուղղակիորեն քիմիական էներգիան վերածում է էլեկտրական էներգիայի։ Այսպիսով, վառելիքի բջիջը նման է գալվանական բջիջին, բայց տարբերվում է նրանով, որ ռեակցիային մասնակցող նյութերը անընդհատ մատակարարվում են նրան դրսից։

Նկար 46. Վառելիքի բջիջի սխեմատիկ պատկերը, որը բաղկացած է երկու էլեկտրոդներից, որոնք բաժանված են էլեկտրոլիտով: Ջրածինը մատակարարվում է անոդին, որը, էլեկտրոլիտի մեջ ներթափանցելով էլեկտրոդի նյութի շատ փոքր ծակոտիներով և մասնակցելով քիմիզորբցիոն ռեակցիային, վերածվում է դրական լիցքավորված իոնների։ Թթվածինը մատակարարվում է կաթոդին և ջուրը՝ ռեակցիայի արտադրանքը, հեռացվում է։ Ռեակցիան արագացնելու համար օգտագործվում են կատալիզատորներ։ Վառելիքի բջիջների էլեկտրոդները միացված են բեռի (լամպի):

Հետազոտողների կարծիքով՝ արդյունավետ վառելիքային բջիջ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է ստեղծել ջրածնային «սպունգ», որի յուրաքանչյուր խորանարդ մետրը պարունակում էր առնվազն 63 կգ ջրածին։ Այսինքն՝ «սպունգի» մեջ պահվող ջրածնի զանգվածը պետք է կազմի «սպունգի» զանգվածի առնվազն 6,5%-ը։ Ներկայումս փորձարարական պայմաններում նանոտեխնոլոգիայի օգնությամբ հնարավոր է դարձել ստեղծել ջրածնային «սպունգներ», որոնցում ջրածնի զանգվածը գերազանցում է 18%-ը, ինչը լայն հեռանկարներ է բացում ջրածնի էներգիայի զարգացման համար։

Նանոֆազային նյութերն ավելի դիմացկուն են

Բավական մեծ ծանրաբեռնվածությամբ բոլոր նյութերը կոտրվում են, և ընդմիջման վայրում ատոմների հարակից շերտերը ընդմիշտ հեռանում են միմյանցից: Այնուամենայնիվ, շատ նյութերի ուժը կախված չէ նրանից, թե որքան ուժ պետք է կիրառվի ատոմների երկու հարակից շերտերը բաժանելու համար։ Իրականում շատ ավելի հեշտ է պատռել ցանկացած նյութ, եթե դրա մեջ ճաքեր կան։ Հետևաբար, պինդ նյութերի ուժը կախված է նրանից, թե քանի միկրոճաք կա և որոնք, և ինչպես են ճաքերը տարածվում այս նյութի միջով: Այն վայրերում, որտեղ կա ճեղք, ուժը, որը ստուգում է նյութի ամրությունը, կիրառվում է ոչ թե ամբողջ շերտի վրա, այլ ճաքի ծայրում գտնվող ատոմների շղթայի վրա, և, հետևաբար, շատ հեշտ է շերտերը միմյանցից հեռացնել (տես. Նկար 48):

Նկար 48. Ճեղքի սխեմատիկ պատկերը ատոմների երկու շերտերի միջև, որը ընդլայնվում է ուժերի ազդեցության տակ (կարմիր սլաքներ):

Ճաքերի տարածմանը հաճախ խոչընդոտում է պինդ նյութի միկրոկառուցվածքը: Եթե ​​մարմինը բաղկացած է միկրոբյուրեղներից, ինչպիսիք են մետաղները, ապա ճեղքը, որը երկու մասի է բաժանում դրանցից մեկը, կարող է բախվել հարևան միկրոբյուրեղի արտաքին մակերեսին և կանգ առնել: Այսպիսով, որքան փոքր են մասնիկների չափերը, որոնցից նյութը կաղապարվում է, այնքան ավելի դժվար է ճաքերի տարածումը դրա միջով:

Նանոմասնիկներից կազմված նյութերը կոչվում են նանոֆազ։ Նանոֆազային նյութի օրինակ է նանոֆազային պղինձը, որի արտադրության մեթոդներից մեկը ներկայացված է Նկար 49-ում:

Նկար 49. Նանոֆազային պղնձի արտադրություն:

Նանոֆազային պղնձի պատրաստման համար տաքացնում են սովորական պղնձի թերթիկը բարձր ջերմաստիճանի, որի ժամանակ պղնձի ատոմները սկսում են գոլորշիանալ նրա մակերեսից։ Կոնվեկտիվ հոսքով այս ատոմները շարժվում են դեպի սառը խողովակի մակերես, որի վրա նստում են՝ ձևավորելով նանոմասնիկների կոնգլոմերատներ։ Սառը խողովակի մակերեսի վրա պղնձի նանոմասնիկների խիտ շերտն է նանոֆազպղինձ.

Նանոֆազային նյութեր, որոնք հաճախ կոչվում են նանոկառուցվածքային, կարող է պատրաստվել տարբեր եղանակներով, օրինակ՝ նանոմասնիկների փոշին սեղմելով բարձր ջերմաստիճանում (տաք սեղմում):

Նյութերի նմուշները, որոնք «միասին միացված» են նանոմասնիկներից, շատ ավելի ամուր են, քան սովորականները: Նանոֆազային նյութի մեխանիկական ծանրաբեռնվածությունը, ինչպես սովորական նյութինը, առաջացնում է միկրոճաքերի առաջացում նրա մեջ։ Այնուամենայնիվ, այս միկրոճեղքի ուղղագիծ տարածումը և դրա վերածումը մակրոճաքի խոչընդոտվում է այս նյութը կազմող նանոմասնիկների բազմաթիվ սահմաններով: Հետևաբար, միկրոճեղքը հարվածում է նանոմասնիկներից մեկի սահմանին և կանգ է առնում, մինչդեռ նմուշը մնում է անձեռնմխելի:

Նկար 50-ը ցույց է տալիս, թե ինչպես է պղնձի ուժը կախված միկրոբյուրեղների կամ նանոմասնիկների չափերից, որոնցից այն կազմված է: Կարելի է տեսնել, որ նանոֆազային պղնձի նմուշի ուժը կարող է 10 անգամ գերազանցել սովորական պղնձի ուժը, որը, որպես կանոն, բաղկացած է մոտ 50 մկմ չափի բյուրեղներից։

Նկար 50. Պղնձի ամրության կախվածությունը հատիկների (մասնիկների) չափից։ Adapted from Scientific American, 1996, Dec, p. 74.

Ցածր կտրվածքային դեֆորմացիաների դեպքում նանոֆազային նյութերի մասնիկները կարող են մի փոքր տեղաշարժվել միմյանց նկատմամբ: Հետևաբար, նանոֆազային նյութերի նուրբ ցանցային կառուցվածքն ավելի ամուր է ոչ միայն առաձգական դեֆորմացիաների, այլև ճկման դեպքում, երբ նմուշի հարակից շերտերը տարբեր ձևերով փոխում են իրենց երկարությունը։

TiO2 նանոմասնիկներ՝ նանոսապ և ուլտրամանուշակագույն թակարդ

Տիտանի երկօքսիդը, TiO 2-ը Երկրի վրա ամենաառատ տիտանի միացությունն է: Տիտանի երկօքսիդի փոշին ունի շլացուցիչ սպիտակ գույն և, հետևաբար, օգտագործվում է որպես ներկանյութ ներկերի, թղթի, ատամի մածուկների և պլաստմասսաների մեջ: Տիտանի երկօքսիդի փոշու այս սպիտակության պատճառը նրա բեկման շատ բարձր ինդեքսն է (n = 2,7):

Տիտանի օքսիդ TiO 2-ն ունի շատ ուժեղ կատալիտիկ ակտիվություն՝ այն արագացնում է քիմիական ռեակցիաների ընթացքը։ Ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման առկայության դեպքում տիտանի երկօքսիդը բաժանում է ջրի մոլեկուլները ազատ ռադիկալների՝ OH հիդրօքսիլ խմբերի և սուպերօքսիդի անիոնների О 2 - (նկ. 51):

Նկար 51. ОН - և О 2 - ազատ ռադիկալների առաջացման սխեմատիկ պատկերը տիտանի երկօքսիդի մակերեսին ջրի կատալիզացման ժամանակ արևի լույսի առկայության դեպքում:

Ստացված ազատ ռադիկալների ակտիվությունն այնքան բարձր է, որ տիտանի երկօքսիդի մակերեսի ցանկացած օրգանական միացություն քայքայվում է ածխաթթու գազի և ջրի: Պետք է նշել, որ դա տեղի է ունենում միայն արևի լույսի ներքո, որը, ինչպես հայտնի է, պարունակում է ուլտրամանուշակագույն բաղադրիչ:

Տիտանի երկօքսիդի կատալիտիկ ակտիվությունը մեծանում է նրա մասնիկների չափի նվազմամբ, քանի որ այս դեպքում մեծանում է մասնիկների մակերեսի և դրանց ծավալի հարաբերակցությունը։ Հետևաբար, տիտանի նանոմասնիկները դառնում են շատ արդյունավետ, և դրանք օգտագործվում են ջրի, օդի և տարբեր մակերեսների մաքրման համար օրգանական միացություններից, որոնք սովորաբար վնասակար են մարդկանց համար:

Տիտանի երկօքսիդի նանոմասնիկների վրա հիմնված ֆոտոկատալիզատորները կարող են ներառվել մայրուղիների բետոնի մեջ: Փորձերը ցույց են տալիս, որ նման ճանապարհների շահագործման ժամանակ ազոտի մոնօքսիդի կոնցենտրացիան շատ ավելի ցածր է, քան սովորական ճանապարհները: Այսպիսով, բետոնի մեջ տիտանի երկօքսիդի նանոմասնիկների ընդգրկումը կարող է բարելավել մայրուղիների շրջակա միջավայրը: Բացի այդ, առաջարկվում է այս նանոմասնիկներից փոշի ավելացնել ավտոմոբիլային վառելիքին, որը նույնպես պետք է նվազեցնի արտանետվող գազերում վնասակար կեղտերի պարունակությունը։

Ապակու վրա կիրառվող տիտանի երկօքսիդի նանոմասնիկների թաղանթը թափանցիկ է և անտեսանելի է աչքի համար: Այնուամենայնիվ, նման ապակին, արևի լույսի ազդեցության տակ, ունակ է ինքնամաքրվելու օրգանական աղտոտիչներից՝ ցանկացած օրգանական կեղտը վերածելով ածխաթթու գազի և ջրի։ Տիտանի օքսիդի նանոմասնիկներով մշակված ապակին զերծ է յուղոտ բծերից և, հետևաբար, լավ թրջվում է ջրով: Արդյունքում, նման ապակիները ավելի քիչ են մառախուղ, քանի որ ջրի կաթիլները անմիջապես տարածվում են ապակու մակերեսի երկայնքով՝ ձևավորելով բարակ թափանցիկ թաղանթ։

Ցավոք սրտի, տիտանի երկօքսիդը դադարում է աշխատել փակ տարածքներում: արհեստական ​​լույսի ներքո գործնականում չկա ուլտրամանուշակագույն ճառագայթում: Սակայն գիտնականները կարծում են, որ փոքր-ինչ փոխելով տիտանի երկօքսիդի կառուցվածքը՝ հնարավոր կլինի այն զգայուն դարձնել արեգակնային սպեկտրի տեսանելի մասի նկատմամբ։ Տիտանի երկօքսիդի նման նանոմասնիկների հիման վրա հնարավոր կլինի ծածկույթ պատրաստել, օրինակ, զուգարանի սենյակների համար, ինչի արդյունքում զուգարանների մակերեսների վրա բակտերիաների և այլ օրգանական նյութերի պարունակությունը կարող է մի քանի անգամ կրճատվել։

Ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումը կլանելու ունակության շնորհիվ տիտանի երկօքսիդն արդեն օգտագործվում է արևապաշտպան քսուքների արտադրության մեջ, ինչպիսիք են քսուքները: Կրեմ արտադրողները սկսել են օգտագործել նանոմասնիկների տիտանի երկօքսիդը, որն այնքան փոքր է, որ արևապաշտպան քսուքը դարձնում է գրեթե ամբողջությամբ թափանցիկ։

Ինքնամաքրվող նանոխոտ և «լոտոսի էֆեկտ»

Նանոտեխնոլոգիան հնարավորություն է տալիս մերսման միկրովրձինին նման մակերես ստեղծել։ Նման մակերեսը կոչվում է նանոխոտ, և այն իրենից ներկայացնում է նույն երկարության զուգահեռ նանոլարերի (նանոգլուխների) մի շարք, որոնք գտնվում են միմյանցից հավասար հեռավորության վրա (նկ. 52):

Նկար 52. Նանոխոտի էլեկտրոնային միկրոգրաֆիա, որը բաղկացած է 350 նմ տրամագծով և 7 մկմ բարձրությամբ սիլիցիումի ձողերից՝ միմյանցից 1 մկմ հեռավորության վրա:

Ջրի մի կաթիլը, որը հարվածում է նանոգրամներին, չի կարող թափանցել նանոգրամների միջև, քանի որ դրան խանգարում է հեղուկի բարձր մակերեսային լարվածությունը: Իրոք, նանոգրամների միջև ներթափանցելու համար կաթիլը պետք է մեծացնի իր մակերեսը, և դա պահանջում է լրացուցիչ էներգիայի ծախսեր: Հետևաբար, կաթիլը «սավառնում է pointe-ի վրա», որի միջև կան օդային փուչիկներ։ Արդյունքում կպչման (կպչման) ուժերը կաթիլի և նանոխոտի միջև դառնում են շատ փոքր։ Սա նշանակում է, որ կաթիլը դառնում է ոչ շահավետ, որպեսզի տարածվի և թրջվի «փշոտ» նանոխոտը, և այն գլորվում է գնդակի մեջ՝ ցույց տալով շատ բարձր շփման անկյուն q, որը թրջվելու քանակական չափանիշ է (Նկար 53):

Նկար 53. Ջրի կաթիլը նանոխոտի վրա:

Որպեսզի նանոխոտի թրջելիությունը էլ ավելի քիչ լինի, դրա մակերեսը ծածկված է ինչ-որ հիդրոֆոբ պոլիմերի բարակ շերտով: Եվ հետո ոչ միայն ջուրը, այլև ցանկացած մասնիկ երբեք չի կպչի նանոխոտին, քանի որ դիպչել դրան միայն մի քանի կետով: Հետևաբար, կեղտի մասնիկները, որոնք հայտնվում են նանովիլիով պատված մակերեսի վրա, կա՛մ իրենք են թափվում դրանից, կա՛մ տարվում են ջրի գլորվող կաթիլներով:

Մաքուր մակերեսի ինքնամաքրումը կեղտի մասնիկներից կոչվում է «լոտոսի էֆեկտ», քանի որ լոտոսի ծաղիկներն ու տերևները մաքուր են նույնիսկ այն ժամանակ, երբ շրջակայքի ջուրը պղտոր է և ցեխոտ: Դա տեղի է ունենում այն ​​պատճառով, որ տերևներն ու ծաղիկները ջրով չեն թրջվում, հետևաբար ջրի կաթիլները սնդիկի գնդիկների պես գլորվում են դրանց վրայից՝ հետք չթողնելով և լվանում ամբողջ կեղտը։ Նույնիսկ սոսինձի և մեղրի կաթիլները չեն կարող կպչել լոտոսի տերևների մակերեսին։

Պարզվեց, որ լոտոսի տերևների ամբողջ մակերեսը խիտ ծածկված է մոտ 10 մկմ բարձրությամբ միկրոբշտիկներով, իսկ բշտիկները, իրենց հերթին, ծածկված են նույնիսկ ավելի փոքր միկրովիլիներով (նկ. 54): Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ այս բոլոր միկրոբամպերը և վիլլիները պատրաստված են մոմից, որը, ինչպես հայտնի է, հիդրոֆոբ է, ինչը լոտոսի տերևների մակերեսին դարձնում է նանոխոտի տեսք: Հենց լոտոսի տերևների մակերեսի կծու կառուցվածքն էապես նվազեցնում է դրանց թրջելիությունը: Համեմատության համար նկար 54-ում ներկայացված է մագնոլիայի տերևի համեմատաբար հարթ մակերեսը, որն ինքնամաքրվելու հատկություն չունի։

Նկար 54. Լոտոսի և մագնոլիայի տերևների մակերեսի միկրոգրաֆիա: Ներքևի ձախ մասում սխեմատիկորեն ցուցադրված է մեկ միկրոբամպ: Վերցված ինչ - որ տեղից Պլանտա (1997), 202: 1-8.

Այսպիսով, նանոտեխնոլոգիան հնարավորություն է տալիս ստեղծել ինքնամաքրվող ծածկույթներ և նյութեր, որոնք ունեն նաև ջրազերծող հատկություն։ Նման գործվածքներից պատրաստված նյութերը միշտ մաքուր են մնում։ Արդեն արտադրվում է ինքնամաքրվող դիմապակու, որի արտաքին մակերեսը պատված է նանո մանրաթելերով։ Նման ապակու վրա «մաքրիչներն» անելիք չունեն։ Վաճառվում են մեքենայի անիվների համար մշտապես մաքուր անիվներ, որոնք ինքնամաքրվում են «լոտոսի էֆեկտի» միջոցով, իսկ այժմ կարող եք ներկել տան արտաքին մասը ներկով, որը չի կպչի կեղտին։

Նանո մարտկոցներ՝ հզոր և դիմացկուն

Ի տարբերություն տրանզիստորների, մարտկոցների մանրացումը շատ դանդաղ է ընթանում: Գալվանական էներգիայի բջիջների չափը, որը կրճատվել է մինչև հզորության միավոր, վերջին 50 տարիների ընթացքում նվազել է ընդամենը 15 անգամ, իսկ տրանզիստորի չափը նույն ժամանակահատվածում նվազել է ավելի քան 1000 անգամ և այժմ կազմում է մոտ 100 նմ: Հայտնի է, որ ինքնավար էլեկտրոնային շղթայի չափը հաճախ որոշվում է ոչ թե դրա էլեկտրոնային լցոնմամբ, այլ ընթացիկ աղբյուրի չափով։ Ավելին, որքան խելացի է սարքի էլեկտրոնիկան, այնքան ավելի շատ մարտկոց է պահանջում այն։ Ուստի էլեկտրոնային սարքերի հետագա մանրացման համար անհրաժեշտ է մշակել նոր տեսակի մարտկոցներ։ Եվ այստեղ կրկին օգնում է նանոտեխնոլոգիան

Նանոմասնիկները մեծացնում են էլեկտրոդների մակերեսը

Որքան մեծ է մարտկոցների և կուտակիչների էլեկտրոդների տարածքը, այնքան ավելի շատ հոսանք կարող են տալ դրանք: Էլեկտրոդների մակերեսը մեծացնելու համար դրանց մակերեսը պատված է հաղորդիչ նանոմասնիկներով, նանոխողովակներով և այլն։

2005 թվականին Toshiba-ն ստեղծեց լիթիում-իոնային վերալիցքավորվող մարտկոցի նախատիպը, որի բացասական էլեկտրոդը պատված էր լիթիումի տիտանատի նանոբյուրեղներով, ինչի արդյունքում էլեկտրոդի մակերեսը մի քանի տասնյակ անգամ ավելացավ։ Նոր մարտկոցը լիցքավորման մեկ րոպեում կարող է հասնել իր հզորության 80%-ին, մինչդեռ սովորական լիթիում-իոնային մարտկոցները լիցքավորվում են րոպեում 2-3%-ով, իսկ լրիվ լիցքավորման համար պահանջվում է մեկ ժամ։

Բացի վերալիցքավորման բարձր արագությունից, նանոմասնիկների էլեկտրոդներ պարունակող մարտկոցներն ունեն ծառայության ժամկետի ավելացում. 1000 լիցքավորման/լիցքաթափման ցիկլից հետո կորչում է դրա հզորության միայն 1%-ը, իսկ նոր մարտկոցների ընդհանուր ռեսուրսը կազմում է ավելի քան 5000 ցիկլ: Եվ այնուամենայնիվ, այս մարտկոցները կարող են աշխատել մինչև -40 ° C ջերմաստիճանի դեպքում, մինչդեռ կորցնելով լիցքավորման միայն 20% -ը 100% -ի դիմաց, սովորական ժամանակակից վերալիցքավորվող մարտկոցներում արդեն -25 ° C ջերմաստիճանում:

2007 թվականից շուկայում հայտնվել են հաղորդիչ նանոմասնիկներից պատրաստված էլեկտրոդներով մարտկոցներ, որոնք կարող են տեղադրվել էլեկտրական մեքենաների վրա։ Այս լիթիում-իոնային մարտկոցները կարող են էներգիա պահել մինչև 35 կՎտ: ժամ՝ առավելագույն հզորությամբ լիցքավորելով ընդամենը 10 րոպեում: Այժմ նման մարտկոցներով էլեկտրական մեքենայի հեռահարությունը 200 կմ է, սակայն այս մարտկոցների հաջորդ մոդելն արդեն մշակվել է, ինչը հնարավորություն է տալիս էլեկտրամեքենայի վազքը հասցնել 400 կմ-ի, ինչը գրեթե համեմատելի է առավելագույն վազքի հետ։ բենզինային մեքենաների (վառելիքի լիցքավորումից մինչև լիցքավորում).

Նանո անջատիչ մարտկոցի համար

Ժամանակակից մարտկոցների հիմնական թերություններից մեկն այն է, որ դրանք մի քանի տարում ամբողջությամբ կորցնում են իրենց հզորությունը, նույնիսկ եթե չեն աշխատում, բայց պառկում են պահեստում (տարեկան կորչում է էներգիայի 15%-ը): Մարտկոցներում ժամանակի ընթացքում էներգիայի նվազման պատճառն այն է, որ նույնիսկ չաշխատող մարտկոցներում էլեկտրոդները և էլեկտրոլիտը միշտ շփվում են միմյանց հետ, և հետևաբար էլեկտրոլիտի իոնային բաղադրությունը և էլեկտրոդների մակերեսը աստիճանաբար փոխվում է, ինչը: առաջացնում է մարտկոցների հզորության անկում:

Հ Մարտկոցի պահեստավորման ժամանակ էլեկտրոլիտի շփումից էլեկտրոդների հետ խուսափելու համար դրանց մակերեսը կարելի է պաշտպանել ջրով չթրջված նանոմանրաթելերով (տես Նկար 55)՝ ընդօրինակելով վերը նկարագրված «լոտոսի էֆեկտը»:

Գծապատկեր 55. Մարտկոցի էլեկտրոդներից մեկի վրա աճող 300 նմ տրամագծով նանոգրառման սխեմատիկ պատկերը: Նանոմանրաթելային նյութի հիդրոֆոբ հատկությունների պատճառով կապտավուն էլեկտրոլիտային լուծույթը չի կարող մոտենալ «կարմիր» էլեկտրոդի մակերեսին, և մարտկոցը երկար տարիներ չի կորցնում իր հզորությունը։ Adapted from Scientific American, 2006, Feb, p. 73.

Հայտնի է, որ կպչունությունը (կպչումը) կարելի է կառավարել արտաքին էլեկտրական դաշտի միջոցով։ Բոլորը տեսել են թղթի փոքր կտորներ, փշրանքներ, փոշի և այլն, որոնք կպչում են էլեկտրականացված պլաստիկ սանրին: Թրջվելը որոշվում է կպչունությամբ, և, հետևաբար, հեղուկի և պինդ մարմնի մակերեսի միջև կիրառվող էլեկտրական դաշտը միշտ մեծացնում է վերջինիս թրջելիությունը:

Նանոմանրաթելերի հիդրոֆոբ ծածկույթը պաշտպանում է մարտկոցի էլեկտրոդներից մեկի մակերեսը էլեկտրոլիտի հետ շփումից (նկ. 55): Սակայն եթե ուզում ենք մարտկոց օգտագործել, ապա բավական է մի փոքր լարում կիրառենք նանոլարերին, և դրանք դառնում են հիդրոֆիլ, ինչի արդյունքում էլեկտրոլիտը լցնում է էլեկտրոդների միջև եղած ողջ տարածությունը՝ մարտկոցը գործունակ դարձնելով։

Ենթադրվում է, որ վերը նկարագրված միացման և անջատման նանոտեխնոլոգիաները պահանջարկ կունենան տարբեր սենսորների մարտկոցների համար, օրինակ՝ ինքնաթիռից նետված դժվար հասանելի վայրերում, որոնք նախատեսվում է օգտագործել միայն մի քանի տարի հետո կամ ցանկացած հատուկ դեպքում ազդանշանի վրա:

Նանոխողովակների կոնդենսատորներ

Հետազոտողները կարծում են, որ մոտ 300 տարի առաջ հայտնագործված էլեկտրական կոնդենսատորը կարող է հիանալի մարտկոց լինել, եթե բարելավվի նանոտեխնոլոգիայով: Ի տարբերություն գալվանական հոսանքի աղբյուրների, կոնդենսատորը կարող է անորոշ ժամանակով ծառայել որպես էլեկտրական էներգիայի կուտակիչ: Միեւնույն ժամանակ, կոնդենսատորը կարող է լիցքավորվել շատ ավելի արագ, քան ցանկացած մարտկոց:

Էլեկտրական կոնդենսատորի միակ թերությունը, համեմատած գալվանական հոսանքի աղբյուրի հետ, նրա ցածր հատուկ էներգիայի սպառումն է (պահեստավորված էներգիայի և ծավալի հարաբերակցությունը): Ներկայումս կոնդենսատորների հատուկ էներգիայի հզորությունը մոտավորապես 25 անգամ պակաս է, քան մարտկոցների և կուտակիչների:

Հայտնի է, որ կոնդենսատորի հզորությունը և էներգիայի հզորությունը ուղիղ համեմատական ​​են նրա թիթեղների մակերեսին: Օգտագործելով նանոտեխնոլոգիա՝ կոնդենսատորային թիթեղների մակերեսը մեծացնելու համար, հնարավոր է դրանց մակերեսի վրա հաղորդող նանոխողովակների անտառ աճեցնել (Նկար 56): Արդյունքում, նման կոնդենսատորի էներգիայի հզորությունը կարող է հազարավոր անգամ աճել: Ենթադրվում է, որ նման կոնդենսատորները շատ մոտ ապագայում կդառնան ընդհանուր ընթացիկ աղբյուրներ:

Նկար 56. Կոնդենսատորի թիթեղներից մեկի մակերեսը, որն իրենից ներկայացնում է անտառ և ուղղահայաց կողմնորոշված ​​ածխածնային նանոխողովակներ:

Նրանց համար, ովքեր ցանկանում են ապագան կապել նանոտեխնոլոգիայի հետ

Մեր օրերում ռուսական բազմաթիվ բուհերում մասնագետներ են պատրաստում «նանոտեխնոլոգիայի» ոլորտում։ Շատ հեղինակավոր համալսարաններում հայտնվում են նանոտեխնոլոգիայի ֆակուլտետներ և բաժիններ։ Բոլորը հասկանում են այս ուղղության հեռանկարները, հասկանում են դրա առաջադեմությունը... և նույնիսկ, գուցե, օգուտները։ Վերջին տարիները նշանավորվել են նանոտեխնոլոգիաների նկատմամբ հետաքրքրության արագ աճով և դրանցում ներդրումների աճով ամբողջ աշխարհում։ Եվ դա միանգամայն հասկանալի է, եթե հաշվի առնենք, որ նանոտեխնոլոգիան ապահովում է տնտեսական աճի բարձր ներուժ, որից կախված է բնակչության կյանքի որակը, տեխնոլոգիական և պաշտպանական անվտանգությունը, ռեսուրսների և էներգիայի պահպանումը։ Այժմ գործնականում բոլոր զարգացած երկրներում կան ազգային ծրագրեր նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում։ Դրանք կրում են երկարաժամկետ բնույթ, և դրանց ֆինանսավորումն իրականացվում է ինչպես պետական ​​աղբյուրներից, այնպես էլ այլ միջոցներից հատկացված միջոցների հաշվին։

Համալսարանների ցանկ, որտեղ կարող եք սովորել «նանոտեխնոլոգիա» մասնագիտությամբ.

1. Մոսկվայի պետական ​​համալսարան Մ.Վ. Լոմոնոսով,

2. GOU VPO «Մոսկվայի ֆիզիկատեխնիկական ինստիտուտ (Պետական ​​համալսարան)»,

3. GOU VPO «Բաումանի անվան Մոսկվայի պետական ​​տեխնիկական համալսարան,

4. GOU VPO «Մոսկվայի պողպատի և համաձուլվածքների պետական ​​ինստիտուտ (Տեխնոլոգիական համալսարան)»,

5. GOU VPO «Մոսկվայի Էլեկտրոնային տեխնոլոգիաների պետական ​​ինստիտուտ (Տեխնիկական համալսարան)»,

6. FGU VPO «Սանկտ Պետերբուրգի պետական ​​համալսարան»,

7. GOU VPO «Տագանրոգի պետական ​​ռադիոտեխնիկական համալսարան» (որպես Հարավային դաշնային համալսարանի մաս),

8. GOU VPO «Նիժնի Նովգորոդի պետական ​​համալսարան Ն.Ի.Լոբաչևսկու անվ.

9. FGU VPO «Տոմսկի պետական ​​համալսարան»:

10. GOU VPO «Հեռավոր Արևելքի պետական ​​համալսարան»,

11. GOU VPO «Ակադեմիկոս Ս. Պ. Կորոլևի անվան Սամարայի պետական ​​օդատիեզերական համալսարան»,

12. GOU VPO «Սանկտ Պետերբուրգի Գ.Վ.Պլեխանովի անվան պետական ​​լեռնահանքային ինստիտուտ (Տեխնիկական համալսարան)»,

13. GOU VPO «Տոմսկի պետական ​​կառավարման համակարգերի և ռադիոէլեկտրոնիկայի համալսարան»,

14. GOU VPO «Տոմսկի պոլիտեխնիկական համալսարան»,

15. GOU VPO «Նովոսիբիրսկի պետական ​​համալսարան»,

16. Ազգային հետազոտական ​​միջուկային համալսարան «MEPhI»,

17. GOU VPO «Սանկտ Պետերբուրգի պետական ​​պոլիտեխնիկական համալսարան»,

18. GOU VPO «Մոսկվայի էներգետիկայի ինստիտուտ (Տեխնիկական համալսարան)»,

19. GOU VPO «Սանկտ Պետերբուրգի պետական ​​էլեկտրատեխնիկական համալսարան» ԼԵՏԻ «Վ.Ի.Ուլյանովի (Լենինի) անվ.

20. GOU VPO «Սանկտ Պետերբուրգի տեղեկատվական տեխնոլոգիաների, մեխանիկայի և օպտիկայի պետական ​​համալսարան»,

21. GOU VPO «Բելգորոդի պետական ​​համալսարան»,

22. GOU VPO «Ռուսաստանի ժողովուրդների բարեկամության համալսարան»,

23. GOU VPO «Ուրալի պետական ​​համալսարան Ա.Մ.Գորկու անվան»,

24. GOU VPO «Սարատովի պետական ​​համալսարան Ն.Գ. Չերնիշևսկու անվ.

25. GOU VPO «Վլադիմիրի պետական ​​համալսարան»,

26. GOU VPO «Մոսկվայի պետական ​​շինարարական համալսարան»,

27. GOU VPO «Հեռավոր Արևելքի պետական ​​տեխնիկական համալսարան (FEPI Վ.Վ. Կույբիշևի անվ.)»,

28. GOU VPO «Նովոսիբիրսկի պետական ​​տեխնիկական համալսարան»,

29. GOU VPO «Հարավային Ուրալի պետական ​​համալսարան»,

30. GOU VPO «Պերմի պետական ​​տեխնիկական համալսարան»,

31. GOU VPO «Կազանի պետական ​​տեխնիկական համալսարան Ա.Ն. Տուպոլևի անվ.

32. GOU VPO «Ուֆայի պետական ​​ավիացիոն տեխնիկական համալսարան»,

33. GOU VPO «Տյումենի պետական ​​համալսարան»,

34. GOU VPO «Ուրալի պետական ​​տեխնիկական համալսարան - UPI Ռուսաստանի առաջին նախագահ Բորիս Ն. Ելցինի անունով»,

35. GOU VPO «Յակուտսկի պետական ​​համալսարան Մ.Կ. Ամոսովի անվան»,

36. GOU VPO «Վյատկայի պետական ​​համալսարան»,

37. FGOU HPE «Իմանուել Կանտի անվան ռուսական պետական ​​համալսարան»,

38. GOU VPO «Մոսկվայի պետական ​​մանկավարժական համալսարան»,

39. GOU VPO «Ի.Մ.Գուբկինի անվան նավթի և գազի ռուսական պետական ​​համալսարան»,

40. GOU VPO «Գ.Ռ. Դերժավինի անվան Տամբովի պետական ​​համալսարան».

Մատենագիտություն

http://abitur.nica.ru/

http://www.med.umich.edu/opm/newspage/2005/nanoparticles.htm.

http://probes.invitrogen.com/servlets/photo?fileid=g002765&company=probes

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers.

http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#

Ուղարկել ձեր լավ աշխատանքը գիտելիքների բազայում պարզ է: Օգտագործեք ստորև ներկայացված ձևը

Ուսանողները, ասպիրանտները, երիտասարդ գիտնականները, ովքեր օգտագործում են գիտելիքների բազան իրենց ուսումնառության և աշխատանքի մեջ, շատ շնորհակալ կլինեն ձեզ:

Տեղադրված է http://www.allbest.ru

ՇԱՐԱԴՐՈՒԹՅՈՒՆ

այս թեմայով. ՆանՕտեխնոլոգիաները ժամանակակից աշխարհում

Կատարվել է՝ 7-րդ Բ դասարանի աշակերտ

Կարիմովա Սաբինա

Վերահսկիչ:Շամշուրա Գ.Ա.

Ֆիզիկայի ուսուցիչ

Կարագանդա 2014 թ

Ներածություն

1 ... Նանոտեխնոլոգիան ժամանակակից աշխարհում

1.1 Նանոտեխնոլոգիայի առաջացման պատմություն

1.2 Ինչ է նանոտեխնոլոգիան

2. Նանոտեխնոլոգիայի կիրառում

2.1 Նանոտեխնոլոգիա տիեզերքում

2.2 Նանոտեխնոլոգիան բժշկության մեջ

2.3 Նանոտեխնոլոգիաները գյուղատնտեսության և արդյունաբերության մեջ

2.4 Նանոտեխնոլոգիա էլեկտրոնիկայի մեջ, արվեստ

3. Նանոտեխնոլոգիայի վտանգները

3.1 Կենսաբանական սպառնալիք

Եզրակացություն

ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ

Ներկայումս քչերը գիտեն, թե ինչ է նանոտեխնոլոգիան, թեև այս գիտության հետևում ապագան է: Իմ աշխատանքի հիմնական նպատակը նանոտեխնոլոգիային ծանոթանալն է։ Ես նաև ցանկանում եմ պարզել այս գիտության կիրառումը տարբեր ոլորտներում և պարզել, թե արդյոք նանոտեխնոլոգիան կարող է վտանգավոր լինել մարդկանց համար: նանոտեխնոլոգիա nanobot կենսաբանական տիեզերական էլեկտրոնիկա

Նանոտեխնոլոգիա կոչվող գիտության և տեխնիկայի ոլորտը համեմատաբար վերջերս է հայտնվել։ Այս գիտության հեռանկարները հսկայական են: Ինքնին մասնիկը «նանո» նշանակում է ցանկացած արժեքի միլիարդերորդ մասը: Օրինակ, նանոմետրը մետրի մեկ միլիարդերորդականն է: Այս չափերը նման են մոլեկուլների և ատոմների չափերին։ Նանոտեխնոլոգիայի ճշգրիտ սահմանումը հետևյալն է. Նանոտեխնոլոգիայի զարգացման խթան հանդիսացավ Ռիչարդ Ֆեյնմանի դասախոսությունը, որտեղ նա գիտականորեն ապացուցում է, որ ֆիզիկայի տեսանկյունից որևէ խոչընդոտ չկա ուղղակի ատոմներից իրեր ստեղծելու համար: Ատոմների արդյունավետ մանիպուլյացիայի միջոց նշանակելու համար ներկայացվեց հավաքող հասկացությունը՝ մոլեկուլային նանոմեքենա, որը կարող է կառուցել ցանկացած մոլեկուլային կառուցվածք: Բնական հավաքողի օրինակ է ռիբոսոմը, որը սինթեզում է սպիտակուցը կենդանի օրգանիզմներում։ Ակնհայտ է, որ նանոտեխնոլոգիան սոսկ առանձին գիտելիք չէ, դա հիմնարար գիտություններին առնչվող լայնածավալ, համապարփակ հետազոտությունների ոլորտ է: Կարելի է ասել, որ գրեթե ցանկացած առարկա, դպրոցում սովորած առարկաներից, այսպես թե այնպես, կապվելու է ապագայի տեխնոլոգիաների հետ։ Առավել ակնհայտը «նանո»-ի կապն է ֆիզիկայի, քիմիայի և կենսաբանության հետ։ Ըստ ամենայնի, հենց այս գիտություններն են ստանալու զարգացման ամենամեծ խթանը՝ կապված մոտալուտ նանոտեխնիկական հեղափոխության հետ։

1. ՆԱՆՈՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱՆ Ժամանակակից ԱՇԽԱՐՀՈՒՄ

1.1 Պատմություննանոտեխնոլոգիայի առաջացումը

Նանոտեխնոլոգիայի պապը կարելի է համարել հույն փիլիսոփա Դեմոկրիտոսին։ Նա առաջինն էր, ով օգտագործեց «ատոմ» բառը՝ նյութի ամենափոքր մասնիկը նկարագրելու համար։ Ավելի քան քսան դար մարդիկ փորձել են թափանցել այս մասնիկի կառուցվածքի գաղտնիքը։ Ֆիզիկոսների շատ սերունդների համար անտանելի այս խնդրի լուծումը հնարավոր դարձավ 20-րդ դարի առաջին կեսին գերմանացի ֆիզիկոսներ Մաքս Նոլի և Էռնստ Ռուսկայի կողմից էլեկտրոնային մանրադիտակի ստեղծումից հետո, որն առաջին անգամ հնարավորություն տվեց ուսումնասիրել նանոօբյեկտները։ .

Շատ աղբյուրներ, հիմնականում՝ անգլիախոս, մեթոդների առաջին հիշատակումը, որոնք հետագայում կկոչվեն նանոտեխնոլոգիա, կապում են Ռիչարդ Ֆեյնմանի «Ներքևում շատ բան կա» հայտնի ելույթի հետ, որն արվել է նրա կողմից 1959 թվականին Կալիֆորնիայում։ Տեխնոլոգիաների ինստիտուտը Ամերիկյան ֆիզիկական հասարակության տարեկան հանդիպման ժամանակ: Ռիչարդ Ֆեյնմանը առաջարկեց, որ հնարավոր է մեխանիկորեն տեղափոխել առանձին ատոմներ՝ օգտագործելով համապատասխան չափի մանիպուլյատոր, համենայն դեպս, նման գործընթացը չի հակասի ներկայումս հայտնի ֆիզիկական օրենքներին:

Նա առաջարկեց այս մանիպուլյատորն անել հետեւյալ կերպ. Պետք է կառուցել մի մեխանիզմ, որը կստեղծի իր սեփական օրինակը, միայն մի կարգով փոքր: Ստեղծված փոքր մեխանիզմը կրկին պետք է ստեղծի իր սեփական պատճենը, կրկին փոքրի մեծության կարգը, և այդպես շարունակ, մինչև մեխանիզմի չափերը համարժեք լինեն մեկ ատոմի կարգի չափին։ Այս դեպքում անհրաժեշտ կլինի փոփոխություններ կատարել այս մեխանիզմի կառուցվածքում, քանի որ մակրոաշխարհում գործող ծանրության ուժերը կգործեն ավելի ու ավելի քիչ ազդեցություն, իսկ միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերը ավելի ու ավելի կազդեն մեխանիզմի աշխատանքի վրա: . Վերջին փուլը. արդյունքում մեխանիզմը կհավաքի իր պատճենը առանձին ատոմներից: Սկզբունքորեն, նման օրինակների թիվն անսահմանափակ է, կարճ ժամանակում հնարավոր կլինի ստեղծել նման մեքենաների կամայական քանակ։ Այս մեքենաները կկարողանան մակրո իրեր հավաքել նույն կերպ՝ ատոմային հավաքման միջոցով։ Սա կդարձնի իրերը մի կարգով ավելի էժան. նման ռոբոտներին (նանոռոբոտներին) պետք է տրվի միայն անհրաժեշտ քանակությամբ մոլեկուլներ և էներգիա, և գրի ծրագիր անհրաժեշտ իրերը հավաքելու համար: Մինչ այժմ ոչ ոք չի կարողացել հերքել այդ հնարավորությունը, բայց դեռ ոչ մեկին չի հաջողվել նման մեխանիզմներ ստեղծել։ Նման ռոբոտի հիմնարար թերությունը մեկ ատոմից մեխանիզմ ստեղծելու անհնարինությունն է։

Ահա թե ինչպես է Ռ. Ֆեյնմանը նկարագրել իր ենթադրյալ մանիպուլյատորին.

ես մտածում եմ ... մասին ստեղծելով էլեկտրական կառավարվող համակարգ , որն օգտագործում է պայմանականորեն պատրաստված «ծառայողական ռոբոտներ» օպերատորի «ձեռքերի» չորս անգամ կրճատված կրկնօրինակների տեսքով։ Նման միկրոմեխանիզմները կկարողանան հեշտությամբ կատարել գործողություններ կրճատված մասշտաբով: Ես խոսում եմ փոքրիկ ռոբոտների մասին, որոնք հագեցած են սերվո շարժիչներով և փոքր «ձեռքերով», որոնք կարող են սեղմել նույնքան փոքր պտուտակներ և ընկույզներ, շատ փոքր անցքեր փորել և այլն: Մի խոսքով, նրանք կարող են ամբողջ աշխատանքը կատարել 1:4 մասշտաբով: Դա անելու համար, իհարկե, նախ պետք է պատրաստել անհրաժեշտ մեխանիզմները, գործիքները և մանիպուլյատորների ձեռքերը սովորական չափի մեկ չորրորդում (իրականում պարզ է, որ դա նշանակում է բոլոր կոնտակտային մակերեսների կրճատում 16-ով): Վերջին փուլում այս սարքերը կհամալրվեն սերվո շարժիչներով (16 անգամ կրճատված հզորությամբ) և կմիացվեն սովորական էլեկտրական կառավարման համակարգին։ Դրանից հետո հնարավոր կլինի օգտագործել մանիպուլյատորի թեւերը՝ կրճատվելով 16 անգամ։ Նման միկրոռոբոտների, ինչպես նաև միկրոմեքենաների կիրառման շրջանակը կարող է բավականին լայն լինել՝ վիրաբուժական գործողություններից մինչև ռադիոակտիվ նյութերի տեղափոխում և մշակում: Հուսով եմ, որ առաջարկվող ծրագրի սկզբունքը, ինչպես նաև դրա հետ կապված անսպասելի խնդիրներն ու փայլուն հնարավորությունները ըմբռնված են։ Ավելին, կարելի է մտածել մասշտաբների հետագա զգալի կրճատման հնարավորության մասին, ինչը, իհարկե, կպահանջի հետագա կառուցվածքային փոփոխություններ և փոփոխություններ (ի դեպ, որոշակի փուլում կարող է անհրաժեշտ լինել հրաժարվել «ձեռքերից». սովորական ձևով), բայց հնարավորություն կտա արտադրել նկարագրված տեսակի նոր, շատ ավելի առաջադեմ սարքեր: Ոչինչ չի խանգարում ձեզ շարունակել այս գործընթացը և ստեղծել այնքան փոքր մեքենաներ, որքան ցանկանում եք, քանի որ մեքենաների տեղադրման կամ դրանց նյութական սպառման հետ կապված սահմանափակումներ չկան: Դրանց ծավալը միշտ շատ ավելի քիչ կլինի, քան նախատիպի ծավալը։ Հեշտ է հաշվարկել, որ 4000 գործակցով կրճատված 1 միլիոն հաստոցների ընդհանուր ծավալը (հետևաբար՝ արտադրության համար օգտագործվող նյութերի զանգվածը) կլինի սովորական չափսերի սովորական մեքենայի ծավալի և զանգվածի 2%-ից պակաս: Հասկանալի է, որ դա անմիջապես վերացնում է նյութերի արժեքի խնդիրը։ Սկզբունքորեն հնարավոր կլիներ կազմակերպել միլիոնավոր միանման մանրանկարչության գործարաններ, որոնց վրա փոքրիկ մեքենաները շարունակաբար անցքեր կփակեին, դրոշմակնիքներ կփակեին և այլն։ Քանի որ չափերը փոքրանում ենք, մենք անընդհատ կհանդիպենք շատ անսովոր ֆիզիկական երևույթների։ Այն ամենը, ինչ պետք է հանդիպես կյանքում, կախված է լայնածավալ գործոններից։ Բացի այդ, կա նաև միջմոլեկուլային ուժերի (այսպես կոչված՝ վան դեր Վալսի ուժեր) ազդեցության տակ նյութերի «միասին կպչելու» խնդիր, ինչը կարող է հանգեցնել մակրոսկոպիկ մասշտաբների համար անսովոր էֆեկտների։ Օրինակ, ընկույզը թուլանալուց հետո չի բաժանվի պտուտակից և որոշ դեպքերում ամուր կպչում է մակերեսին և այլն: Այս տեսակի ֆիզիկական խնդիրներ կան, որոնք պետք է հիշել մանրադիտակային մեխանիզմներ նախագծելիս և կառուցելիս:

1.2 Ինչ է նանոտեխնոլոգիան

Վերջերս ի հայտ գալով՝ նանոտեխնոլոգիան ավելի ու ավելի է մտնում գիտական ​​հետազոտությունների ոլորտ, իսկ դրանից՝ մեր առօրյա կյանք: Գիտնականների զարգացումները գնալով ավելի շատ են առնչվում միկրոաշխարհի առարկաների, ատոմների, մոլեկուլների, մոլեկուլային շղթաների հետ: Արհեստականորեն ստեղծված նանոօբյեկտները մշտապես զարմացնում են հետազոտողներին իրենց հատկություններով և խոստանում դրանց կիրառման ամենաանսպասելի հեռանկարները:

Նանոտեխնոլոգիական հետազոտություններում չափման հիմնական միավորը նանոմետրն է՝ մետրի միլիարդերորդական մասը: Այս միավորներն օգտագործվում են մոլեկուլների և վիրուսների, իսկ այժմ համակարգչային չիպերի նոր սերնդի տարրերը չափելու համար: Հենց նանոմաշտաբում են տեղի ունենում բոլոր հիմնական ֆիզիկական գործընթացները, որոնք որոշում են մակրոփոխազդեցությունները:

Բնությունն ինքն է մարդուն մղում նանոօբյեկտներ ստեղծելու գաղափարին։ Ցանկացած բակտերիա, ըստ էության, նանոմեքենաներից կազմված օրգանիզմ է՝ ԴՆԹ-ն և ՌՆԹ-ն պատճենում և փոխանցում են տեղեկատվությունը, ռիբոսոմները ամինաթթուներից ձևավորում են սպիտակուցներ, միտոքոնդրիումներն էներգիա են արտադրում։ Ակնհայտ է, որ գիտության զարգացման այս փուլում գիտնականների մտքով է անցնում կրկնօրինակել և բարելավել այդ երևույթները:

1980 թվականին սկանավորող թունելային մանրադիտակի ստեղծումը գիտնականներին թույլ տվեց ոչ միայն տարբերակել առանձին ատոմները, այլև տեղափոխել դրանք և դրանցից հավաքել կառուցվածքներ, մասնավորապես ապագա նանոմեքենաների բաղադրիչները՝ շարժիչներ, մանիպուլյատորներ, սնուցման աղբյուրներ և հսկիչ տարրեր: Ստեղծվում են նանոկապսուլներ՝ օրգանիզմում դեղերի անմիջական առաքման համար, պողպատից 60 անգամ ավելի ամուր նանոխողովակներ, ճկուն արևային մարտկոցներ և շատ այլ զարմանալի սարքեր։

Նանոմասնիկները նանոօբյեկտների հիմնական տեսակներից են։ Երբ նյութը բաժանվում է տասնյակ նանոմետր չափի մասնիկների, նյութի մասնիկների ընդհանուր մակերեսը հարյուրավոր անգամներ է ավելանում, և արդյունքում նյութի ատոմների փոխազդեցությունը արտաքին միջավայրի հետ մեծանում է, քանի որ այժմ դրանք գրեթե բոլորը մակերեսի վրա են: Այս երեւույթը կիրառվում է ժամանակակից տեխնոլոգիաներում։ Օրինակ, բժշկության մեջ օգտագործվում է արծաթի նանոփոշի, որն ունի հակասեպտիկ հատկություն։ Տիտանի երկօքսիդի նանոմասնիկները վանում են կեղտը և ստեղծում ինքնամաքրվող մակերեսներ։ Ալյումինի նանոփոշին արագացնում է պինդ շարժիչների այրումը: Նանոմասնիկներ պարունակող նոր լիթիում-իոնային մարտկոցները լիցքավորվում են ընդամենը մի քանի րոպեում։ Հիմա շատ նման օրինակներ կան։ Ֆուլերենները 1980-ականներին հայտնաբերված ևս մեկ տարր էին: Այս նմուշները հիշեցնում են ածխածնի ատոմներից պատրաստված գնդակներ:

Մեկ այլ հայտնի նանոտարր է ածխածնային նանոխողովակը: Այն ածխածնի միատոմային շերտ է, որը փաթաթված է մի քանի նանոմետր տրամագծով գլան: Առաջին անգամ այդ առարկաները ձեռք են բերվել 1952 թվականին, սակայն միայն 1991 թվականին դրանք գրավեցին գիտնականների ուշադրությունը։ Այս խողովակների ամրությունը տասնյակ անգամ գերազանցում է պողպատի ուժին, դրանք կարող են դիմակայել մինչև 2500 աստիճան տաքացմանը և հազարավոր մթնոլորտների ճնշմանը։ Այս ուժը բնորոշ է դրանց հիման վրա պատրաստված նյութերին: Էլեկտրոնիկայի մեջ նանոխողովակները կարող են օգտագործվել որպես լավ հաղորդիչներ, ինչպես նաև կիսահաղորդիչներ։

Մեկ այլ նանոնյութ է գրաֆենը՝ երկչափ ածխածնի շերտ, ածխածնի ատոմներից պատրաստված հարթություն։ Այս նյութն առաջին անգամ ձեռք են բերել Անգլիայում աշխատող ռուս ֆիզիկոսները։ Շատ գիտնականներ կարծում են, որ յուրահատուկ հատկություններով այս նյութը ապագայում կդառնա միկրոպրոցեսորների հիմքը՝ տեղահանելով ժամանակակից կիսահաղորդիչները։ Բացի այդ, այս նյութը նույնպես աներևակայելի դիմացկուն է:

Այս բոլոր նանոտարրերն ավելի ու ավելի են օգտագործվում տեխնոլոգիայի տարբեր ոլորտներում՝ բժշկությունից մինչև տիեզերական հետազոտություններ:

Նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ամենահեռանկարային ոլորտներից մեկը, իհարկե, բժշկությունն է։ Գիտնականները մի քանի տարի է, ինչ աշխատում են դեղամիջոցներ ուղղակիորեն վարակի կամ հիվանդությունից տուժած բջիջներին հասցնելու խնդրի վրա: Տրանսպորտի հիմնական կառուցվածքը հետևյալն է՝ 50-200 նանոմետր չափերով կենսանյութից պատրաստված պարկուճ, որը պարունակում է դեղամիջոցի մոլեկուլներ։ Պարկուճի արտաքին կողմը ծածկված է պոլիմերային շղթաներով, որոնց օգնությամբ որոշվում է, թե երբ է պարկուճը հասնում թիրախային հյուսվածքներին, որից հետո կներարկվի դեղը, և պատյանը կքայքայվի։ Վերջին փուլերը կարելի է հետաձգել և դրանց առաջացումը վերահսկել հեռակա կարգով, օրինակ՝ տաքացնելով կամ ուլտրաձայնային եղանակով։

Այս բոլոր և շատ այլ գաղափարներ այժմ գտնվում են ոչ միայն մշակման, այլ նաև գործնական կիրառման փուլում։ Որոշ թեստերի արդյունքներ շունչ կտրող են, ոմանք՝ անհաջող: Միևնույն ժամանակ, գիտնականների ոգևորությունն աճում է ամենաֆանտաստիկ գաղափարների մարմնավորման մոտալուտ դարաշրջանի վերաբերյալ, օրինակ՝ ամբողջական վերահսկողություն բոլոր բնական գործընթացների կամ նանոգործարանների նկատմամբ, որոնք հավաքում են ցանկացած առարկա անմիջապես ատոմներից: Նանոտեխնոլոգիայի ապագայի զարգացման բազմաթիվ սցենարներ են ստեղծվել, այդ թվում՝ մարդկության համար ոչ մի լավ սցենար: Այնուամենայնիվ, կարելի է ասել, որ նանոտեխնոլոգիաների նկատմամբ հետաքրքրությունն այժմ այնքան մեծ է, որ հենց նա է երբեմն որոշում դրանց ուղղությունը։

2. ՆԱՆՈՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱՆԵՐԻ ԿԻՐԱՌՈՒՄ

Նանոտեխնոլոգիայի ներթափանցումը մարդկային գործունեության ոլորտ կարելի է ներկայացնել որպես նանոտեխնոլոգիայի ծառ։ Հավելվածը ծառի տեսքով է, որի ճյուղերը ներկայացնում են կիրառման հիմնական ոլորտները, իսկ մեծ ճյուղերի ճյուղերը ներկայացնում են տարբերակում կիրառման հիմնական ոլորտներում ժամանակի տվյալ պահին:

Այսօր (2000 - 2010 թթ.) կա հետևյալ պատկերը.

Կենսաբանական գիտությունները ներառում են գեների պիտակավորման տեխնոլոգիայի զարգացում, իմպլանտների մակերեսներ, հակամանրէային մակերեսներ, թիրախային դեղամիջոցներ, հյուսվածքների ճարտարագիտություն, ուռուցքաբանական թերապիա;

Պարզ մանրաթելերը ենթադրում են թղթի տեխնոլոգիայի զարգացում, էժան շինանյութեր, թեթև տախտակներ, ավտոպահեստամասեր, ծանրաբեռնված նյութեր;

Nanoclips-ը ներառում է նոր գործվածքների, ապակե ծածկույթների, խելացի ավազների, թղթի, ածխածնային մանրաթելերի արտադրություն;

Պղնձի, ալյումինի, մագնեզիումի, պողպատի նանո հավելումների միջոցով պաշտպանություն կոռոզիայից;

Կատալիզատորները նախատեսված են գյուղատնտեսության, հոտազերծման և սննդի արտադրության մեջ օգտագործելու համար:

Հեշտ մաքրվող նյութերն օգտագործվում են առօրյա կյանքում, ճարտարապետության, կաթնամթերքի և սննդի արդյունաբերության, տրանսպորտի և սանիտարական մաքրման ոլորտներում: Սա ինքնամաքրվող ակնոցների, հիվանդանոցային սարքավորումների և գործիքների, հակաբորբոսային ծածկույթի, հեշտ մաքրվող կերամիկայի արտադրությունն է։

Կենսածածկույթները օգտագործվում են սպորտային սարքավորումների և առանցքակալների մեջ:

Օպտիկան որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ ներառում է այնպիսի ոլորտներ, ինչպիսիք են էլեկտրաքրոմիկան, օպտիկական ոսպնյակների արտադրությունը։ Սրանք նոր ֆոտոքրոմային օպտիկա են, հեշտ մաքրվող օպտիկա և ծածկված օպտիկա:

Կերամիկան նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտում հնարավորություն է տալիս ստանալ էլեկտրալյումինեսցենտություն և ֆոտոլյումինեսցենտություն, տպագրական մածուկներ, գունանյութեր, նանոփոշիներ, միկրոմասնիկներ, թաղանթներ:

Համակարգչային տեխնոլոգիան և էլեկտրոնիկան՝ որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ, հնարավորություն կտա զարգացնել էլեկտրոնիկայի, նանոսենսորների, կենցաղային (ներկառուցված) միկրոհամակարգիչների, վիզուալիզացիայի և էներգիայի փոխարկիչների զարգացումը: Ավելին, սա գլոբալ ցանցերի, անլար կապի, քվանտային և ԴՆԹ համակարգիչների զարգացումն է:

Նանոբժշկությունը, որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ, պրոթեզավորման, «խելացի» պրոթեզների, նանոպատիճների, ախտորոշիչ նանոզոնդների, իմպլանտների, ԴՆԹ-ի վերականգնողներ և անալիզատորներ, «խելացի» և ճշգրիտ գործիքների, ուղղորդված գործողության դեղագործական արտադրանք է:

Տիեզերքը՝ որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ, հեռանկարներ կբացի մեխանոէլեկտրական փոխարկիչների համար. արեւային էներգիա, նանոնյութեր տիեզերական կիրառությունների համար։

Էկոլոգիան որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ է օզոնային շերտի վերականգնումը, եղանակի վերահսկումը։

2.1 Նանոտեխնոլոգիա տիեզերքում

Տիեզերքում հեղափոխություն է մոլեգնում. Նրանք սկսեցին ստեղծել արբանյակներ և նանոպրև մինչև 20 կիլոգրամ վճարներ:

Ստեղծվել է միկրոարբանյակների համակարգ, որն ավելի քիչ խոցելի է այն ոչնչացնելու փորձերից։ Մի բան է ուղեծրում մի քանի հարյուր կիլոգրամ կամ նույնիսկ տոննա կշռող վիթխարի կործանումը, որն անմիջապես տապալում է տիեզերական բոլոր հաղորդակցությունները կամ հետախուզությունը, և մեկ այլ բան, երբ ուղեծրում է միկրոարբանյակների պարս: Դրանցից մեկի անջատումն այս դեպքում չի խաթարի համակարգի աշխատանքը որպես ամբողջություն: Համապատասխանաբար, յուրաքանչյուր արբանյակի գործառնական հուսալիության պահանջները կարող են կրճատվել:

Երիտասարդ գիտնականները կարծում են, որ ի թիվս այլ բաների, նոր տեխնոլոգիաների ստեղծումը օպտիկայի, կապի համակարգերի, մեծ քանակությամբ տեղեկատվության հաղորդման, ընդունման և մշակման մեթոդների վրա պետք է վերագրել արբանյակների միկրոմինիստրացման հիմնական խնդիրներին: Խոսքը նանոտեխնոլոգիայի և նանոնյութերի մասին է, որոնք կարող են երկու կարգով նվազեցնել տիեզերք արձակված սարքերի քաշն ու չափերը։ Օրինակ, նանոնիկելի հզորությունը 6 անգամ ավելի բարձր է, քան սովորական նիկելը, ինչը հնարավորություն է տալիս հրթիռային շարժիչներում օգտագործելիս վարդակի զանգվածը նվազեցնել 20-30%-ով: Տիեզերական տեխնոլոգիայի զանգվածի կրճատումը շատ խնդիրներ է լուծում. այն երկարացնում է տիեզերանավի ներկայության ժամկետը, թույլ է տալիս նրան ավելի հեռու թռչել և հետ տանել հետազոտություններ կատարելու համար ավելի օգտակար սարքավորումներ: Միաժամանակ լուծվում է էներգամատակարարման խնդիրը։ Մանրանկարչական սարքերը շուտով կօգտագործվեն բազմաթիվ երևույթների ուսումնասիրության համար, օրինակ՝ արևի լույսի ազդեցությունը Երկրի և մերձերկրային տարածության գործընթացների վրա։

Այսօր տիեզերքը էկզոտիկ չէ, և դրա հետախուզումը միայն հեղինակության խնդիր չէ։ Սա առաջին հերթին ազգային անվտանգության և մեր պետության ազգային մրցունակության խնդիր է։ Հենց գերբարդ նանոհամակարգերի մշակումն է, որ կարող է դառնալ երկրի ազգային առավելությունը։ Ինչպես նանոտեխնոլոգիան, այնպես էլ նանոնյութերը մեզ հնարավորություն կտան լրջորեն խոսել դեպի տարբեր մոլորակներ կառավարվող թռիչքների մասին։ Արեգակնային համակարգ... Հենց նանոնյութերի և նանոմեխանիզմների օգտագործումն է, որ կարող է իրականություն դարձնել օդաչուների թռիչքները դեպի Մարս և լուսնի մակերեսի ուսումնասիրությունը: Միկրոարբանյակների զարգացման մեկ այլ խիստ պահանջված ուղղություն Երկրի հեռահար զոնդավորման ստեղծումն է (ERS): Տեղեկատվական սպառողների շուկան սկսեց ձևավորվել տիեզերական պատկերների 1 մ լուծաչափով ռադարային տիրույթում և 1 մ-ից պակաս օպտիկական տիրույթում (նման տվյալները հիմնականում օգտագործվում են քարտեզագրության մեջ):

Սպասվում է, որ նանոտեխնոլոգիայի վրա հիմնված առաջին մոնտաժողները կհայտնվեն արդեն 2025 թվականին։ Տեսականորեն հնարավոր է, որ նրանք կարողանան ցանկացած օբյեկտ կառուցել պատրաստի ատոմներից։ Բավական կլինի համակարգչի վրա նախագծել ցանկացած ապրանք, և այն կհավաքվի և կբազմապատկվի նանոռոբոտների հավաքման համալիրով։ Բայց սրանք դեռևս նանոտեխնոլոգիայի ամենապարզ հնարավորություններն են։ Տեսությունից հայտնի է, որ հրթիռային շարժիչները կաշխատեն օպտիմալ կերպով, եթե կարողանան փոխել իրենց ձևը՝ կախված ռեժիմից։ Միայն նանոտեխնոլոգիայի կիրառմամբ դա իրականություն կդառնա։ Կառուցվածքն ավելի ամուր է, քան պողպատը, ավելի թեթև, քան փայտը, կարող է ընդարձակվել, կծկվել և թեքվել՝ փոխելով ձգման ուժն ու ուղղությունը: Տիեզերանավկարող է փոխակերպվել մոտ մեկ ժամում: Նանոտեխնոլոգիան, որը ներկառուցված է տիեզերական հագուստի մեջ և ապահովում է նյութերի շրջանառությունը, թույլ կտա մարդուն անսահմանափակ ժամանակով լինել դրա մեջ։ Նանորոբոտները կարող են իրականացնել նաև գիտաֆանտաստիկ գրողների երազանքը այլ մոլորակների գաղութացման մասին, այդ սարքերը կկարողանան դրանց վրա ստեղծել մարդու կյանքի համար անհրաժեշտ բնակավայր: Հնարավոր կդառնա ավտոմատ կերպով կառուցել ուղեծրային համակարգեր, ցանկացած կառուցվածք համաշխարհային օվկիանոսներում, երկրի մակերեսին և օդում (մասնագետները դա կանխատեսում են մինչև 2025 թվականը)։

2.2 Նանոտեխնոլոգիան բժշկության մեջ

Նանոտեխնոլոգիայի վերջին զարգացումները, ըստ գիտնականների, կարող են շատ օգտակար լինել քաղցկեղի դեմ պայքարում: Հակաքաղցկեղային դեղամիջոց է մշակվել անմիջապես դեպի թիրախ՝ չարորակ ուռուցքով տուժած բջիջներին: Նոր համակարգ, որը հիմնված է բիոսիլիկոն անունով հայտնի նյութի վրա: Նանոսիլիկոնն ունի ծակոտկեն կառուցվածք (տասը ատոմ տրամագծով), որի մեջ հարմար է ներառել դեղամիջոցներ, սպիտակուցներ և ռադիոնուկլիդներ։ Նպատակին հասնելով՝ բիոսիլիկոնը սկսում է քայքայվել, և դրան հասցվող դեղամիջոցները գործի են ընդունվում։ Ավելին, ըստ մշակողների, նոր համակարգթույլ է տալիս կարգավորել դեղամիջոցի դեղաչափը:

Կենսաբանական նանոտեխնոլոգիայի կենտրոնի աշխատակիցները վերջին տարիներին աշխատել են միկրոսենսորների ստեղծման վրա, որոնք կօգտագործվեն օրգանիզմում քաղցկեղային բջիջները հայտնաբերելու և այս սարսափելի հիվանդության դեմ պայքարելու համար։

Քաղցկեղի բջիջների ճանաչման նոր տեխնիկան հիմնված է մարդու օրգանիզմում սինթետիկ պոլիմերներից պատրաստված փոքրիկ գնդաձև ջրամբարների տեղադրման վրա, որոնք կոչվում են դենդրիմերներ (հունարեն dendron - ծառ): Այս պոլիմերները սինթեզվել են վերջին տասնամյակում և ունեն հիմնովին նոր, ոչ ամբողջական կառուցվածք, որը նման է կորալի կամ փայտի կառուցվածքին: Նման պոլիմերները կոչվում են հիպերճյուղավորված կամ կասկադային: Նրանցից նրանք, որոնց ճյուղավորումը կանոնավոր է, կոչվում են դենդրիմերներ։ Յուրաքանչյուր նման գունդ կամ նանոսենսոր տրամագծով հասնում է ընդամենը 5 նանոմետրի՝ մետրի 5 միլիարդերորդականի, ինչը հնարավորություն է տալիս միլիարդավոր նման նանոսենսորներ տեղադրել տարածության փոքր տարածքում։

Մարմնի մեջ մտնելով՝ այս փոքրիկ սենսորները ներթափանցում են լիմֆոցիտներ՝ արյան սպիտակ բջիջներ, որոնք ապահովում են մարմնի պաշտպանությունը վարակների և հիվանդություն առաջացնող այլ գործոնների դեմ: Լիմֆոիդ բջիջների իմունային արձագանքով որոշակի հիվանդության կամ շրջակա միջավայրի պայմանների` մրսածության կամ ճառագայթման ազդեցության, օրինակ` փոխվում է բջջի սպիտակուցային կառուցվածքը: Յուրաքանչյուր նանոսենսոր՝ պատված հատուկ քիմիական ռեագենտներով, կսկսի փայլել նման փոփոխություններից։

Այս փայլը տեսնելու համար գիտնականները պատրաստվում են հատուկ սարք ստեղծել, որը սկանավորում է աչքի ցանցաթաղանթը։ Նման սարքի լազերը պետք է հայտնաբերի լիմֆոցիտների փայլը, երբ դրանք մեկ առ մեկ անցնում են ֆոնդուսի նեղ մազանոթներով։ Եթե ​​լիմֆոցիտներում բավականաչափ պիտակավորված սենսորներ կան, ապա 15 վայրկյան սկանավորում կպահանջվի բջիջների վնասը հայտնաբերելու համար, ասում են գիտնականները:

Այստեղ նանոտեխնոլոգիայի ամենամեծ ազդեցությունն է ակնկալվում, քանի որ այն ազդում է հասարակության գոյության հիմքի վրա՝ մարդու։ Նանոտեխնոլոգիան հասնում է ֆիզիկական աշխարհի այնպիսի ծավալային մակարդակի, որում կենդանի և ոչ կենդանի տարբերությունը դառնում է անկայուն. դրանք մոլեկուլային մեքենաներ են: Նույնիսկ վիրուսը մասամբ կարելի է համարել կենդանի համակարգ, քանի որ այն պարունակում է տեղեկատվություն դրա կառուցման մասին: Բայց ռիբոսոմը, թեև այն բաղկացած է նույն ատոմներից, ինչ բոլոր օրգանական նյութերը, չի պարունակում նման տեղեկատվություն և հետևաբար միայն օրգանական մոլեկուլային մեքենա է: Նանոտեխնոլոգիան իր առաջադեմ ձևով ենթադրում է նանոռոբոտների, անօրգանական ատոմային բաղադրությամբ մոլեկուլային մեքենաների կառուցում, այդ մեքենաները կկարողանան ստեղծել իրենց կրկնօրինակները՝ տեղեկություններ ունենալով նման կառուցվածքի մասին: Ուստի կենդանի և ոչ ապրող սահմանը սկսում է լղոզվել։ Մինչ օրս ստեղծվել է միայն մեկ պարզունակ քայլող ԴՆԹ ռոբոտ:

Նանոբժշկությունը ներկայացված է հետևյալ հնարավորություններով.

1. Լաբորատորիաներ չիպի վրա, դեղերի նպատակային առաքում մարմնում:

2. ԴՆԹ - չիպսեր (անհատական ​​դեղերի ստեղծում):

3. Արհեստական ​​ֆերմենտներ և հակամարմիններ.

4. Արհեստական ​​օրգաններ, արհեստական ​​ֆունկցիոնալ պոլիմերներ (օրգանական հյուսվածքների փոխարինիչներ): Այս ուղղությունը սերտորեն կապված է արհեստական ​​կյանքի գաղափարի հետ և ապագայում կհանգեցնի արհեստական ​​գիտակցությամբ և մոլեկուլային մակարդակում ինքնաբուժման ընդունակ ռոբոտների ստեղծմանը։ Դա պայմանավորված է օրգանականից դուրս կյանքի հայեցակարգի ընդլայնմամբ

5. Նանորոբոտներ-վիրաբույժներ (փոփոխություններ կատարող և պահանջվող բժշկական գործողություններ կատարող կենսամեխանիզմներ, քաղցկեղի բջիջների ճանաչում և ոչնչացում): Սա նանոտեխնոլոգիայի ամենաարմատական ​​կիրառումն է բժշկության մեջ՝ մոլեկուլային նանոբոտների ստեղծումը, որոնք կարող են ոչնչացնել վարակներն ու քաղցկեղային ուռուցքները, վերականգնել վնասված ԴՆԹ-ն, հյուսվածքները և օրգանները, կրկնօրինակել մարմնի ողջ կենսաապահովման համակարգերը և փոխել մարմնի հատկությունները:

Առանձին ատոմը որպես աղյուս կամ «դետալ» համարելով՝ նանոտեխնոլոգիան գործնական ուղիներ է փնտրում այս մասերից որոշակի բնութագրերով նյութեր նախագծելու համար: Շատ ընկերություններ արդեն գիտեն, թե ինչպես հավաքել ատոմներն ու մոլեկուլները ինչ-որ կառուցվածքի մեջ:

Ապագայում ցանկացած մոլեկուլ կհավաքվի մանկական շինարարական հավաքածուի նման։ Դրա համար նախատեսվում է օգտագործել նանոռոբոտներ (nanobots): Ցանկացած քիմիապես կայուն կառուցվածք, որը կարելի է նկարագրել, իրականում կարելի է կառուցել: Քանի որ նանոբոտը կարող է ծրագրավորվել ցանկացած կառույց կառուցելու համար, մասնավորապես՝ մեկ այլ նանոբոտ կառուցելու համար, դրանք շատ էժան կլինեն։ Աշխատելով հսկայական թիմերում՝ նանոբոտները կկարողանան ցանկացած օբյեկտ ստեղծել ցածր գնով և բարձր ճշգրտությամբ։ Բժշկության մեջ նանոտեխնոլոգիայի օգտագործման խնդիրը մոլեկուլային մակարդակում բջջի կառուցվածքը փոխելու անհրաժեշտությունն է, այսինքն. իրականացնել «մոլեկուլային վիրահատություն»՝ օգտագործելով նանոբոտներ։ Ակնկալվում է, որ կստեղծվեն մոլեկուլային ռոբոտ բժիշկներ, որոնք կարող են «ապրել» մարդու մարմնի ներսում՝ վերացնելով առաջացող բոլոր վնասները կամ կանխելով դրանց առաջացումը: Առանձին ատոմների և մոլեկուլների մանիպուլյացիայի միջոցով նանոբոտները կարող են վերականգնել բջիջները: Ռոբոտ բժիշկների ստեղծման կանխատեսվող ամսաթիվը, XXI դարի առաջին կեսը.

Չնայած ներկայիս իրավիճակին, նանոտեխնոլոգիան՝ որպես ծերացման խնդրի հիմնական լուծում, ավելի քան խոստումնալից է:

Դա պայմանավորված է նրանով, որ նանոտեխնոլոգիան շատ ոլորտներում կոմերցիոն կիրառման մեծ ներուժ ունի, և, համապատասխանաբար, պետական ​​լուրջ ֆինանսավորումից բացի, այս ուղղությամբ հետազոտություններ են իրականացնում բազմաթիվ խոշոր կորպորացիաներ։

Միանգամայն հնարավոր է, որ «հավերժական երիտասարդություն» ապահովելու համար կատարելագործումից հետո նանոբոտներն այլևս կարիք չունենան, կամ դրանք արտադրվեն հենց բջջի կողմից։

Այս նպատակներին հասնելու համար մարդկությունը պետք է լուծի երեք հիմնական հարց.

1. Նախագծեք և ստեղծեք մոլեկուլային ռոբոտներ, որոնք կարող են վերանորոգել մոլեկուլները:

2. Նախագծել և ստեղծել նանոհամակարգիչներ, որոնք կկառավարեն նանոմեքենաները:

3. Ստեղծել մարդու մարմնի բոլոր մոլեկուլների ամբողջական նկարագրությունը, այլ կերպ ասած՝ ստեղծել մարդու մարմնի քարտեզը ատոմային մակարդակում։

Նանոտեխնոլոգիայի հիմնական դժվարությունը առաջին նանոբոտի ստեղծման խնդիրն է։ Կան մի քանի խոստումնալից ուղիներ.

Դրանցից մեկը սկանավորող թունելային մանրադիտակի կամ ատոմային ուժի մանրադիտակի կատարելագործումն է և դիրքային ճշգրտության և բռնելու ուժի հասնելը:

Առաջին նանոբոտի ստեղծման մեկ այլ միջոց է քիմիական սինթեզը: Հնարավոր է նախագծել և սինթեզել հնարամիտ քիմիական բաղադրիչներ, որոնք ունակ են ինքնուրույն հավաքվել լուծույթում:

Եվ մեկ այլ ճանապարհ տանում է կենսաքիմիայի միջով: Ռիբոսոմները (բջջի ներսում) մասնագիտացված նանոբոտներ են, և մենք կարող ենք դրանք օգտագործել ավելի բազմակողմանի ռոբոտներ ստեղծելու համար:

Այս նանոբոտները կկարողանան դանդաղեցնել ծերացման գործընթացը, բուժել առանձին բջիջները և փոխազդել առանձին նեյրոնների հետ։

Հետազոտության վրա աշխատանքները սկսվել են համեմատաբար վերջերս, սակայն այս ոլորտում բացահայտումների տեմպերը չափազանց բարձր են, շատերը կարծում են, որ սա բժշկության ապագան է:

2.3 Նանոտեխնոլոգիաները գյուղատնտեսության և արդյունաբերության մեջ

Նանոտեխնոլոգիան ունի գյուղատնտեսությունը հեղափոխելու ներուժ: Մոլեկուլային ռոբոտները կկարողանան սնունդ արտադրել՝ այս սննդից «ազատելով» բույսերն ու կենդանիները։ Այդ նպատակով նրանք կօգտագործեն ցանկացած «խիստ արմատներ»՝ ջուր և օդ, որտեղ կան հիմնական անհրաժեշտ տարրերը՝ ածխածին, թթվածին, ազոտ, ջրածին, ալյումին և սիլիցիում, իսկ մնացածը՝ «սովորական» կենդանի օրգանիզմների համար, կպահանջվի հետքի չափերով: Օրինակ, տեսականորեն հնարավոր է կաթ արտադրել անմիջապես խոտից՝ շրջանցելով միջանկյալ օղակը՝ կովը։ Տապակած հավով կամ մի կտոր ապխտած բեկոնով հյուրասիրելու համար պարտադիր չէ, որ մարդ սպանի կենդանիներին: Սպառողական ապրանքները կարտադրվեն «հենց տանը».

Nanoed (nanofood) - տերմինը նոր է, անհասկանալի և անճաշակ: Սնունդ նանմարդկանց համար. Շատ փոքր չափաբաժիններ? Նանոֆաբրիկաներում պատրաստված մթերք. Իհարկե ոչ. Այնուամենայնիվ, սա հետաքրքիր ուղղություն է սննդի արդյունաբերության մեջ։ Պարզվում է, որ նանոեդան գիտական ​​գաղափարների մի ամբողջություն է, որոնք արդեն իսկ արդյունաբերության մեջ իրագործման և կիրառման ճանապարհին են։ Նախ, նանոտեխնոլոգիան կարող է սննդամթերքի աշխատողներին տրամադրել եզակի հնարավորություններ՝ իրական ժամանակում սննդամթերքի որակի և անվտանգության ամբողջական մոնիտորինգի համար անմիջապես արտադրական գործընթացի ընթացքում: Խոսքը տարբեր նանոսենսորների կամ այսպես կոչված քվանտային կետերի օգտագործմամբ ախտորոշիչ մեքենաների մասին է, որոնք ունակ են արագ և հուսալիորեն հայտնաբերել ամենափոքր քիմիական աղտոտվածությունը կամ վտանգավոր կենսաբանական նյութերը արտադրանքներում: Սննդի արտադրության, փոխադրման և պահպանման մեթոդները կարող են ստանալ օգտակար նորարարությունների իրենց բաժինը նանոտեխնոլոգիական արդյունաբերությունից: Գիտնականների կարծիքով՝ այս տեսակի առաջին սերիական մեքենաները կհայտնվեն սննդի զանգվածային արտադրության մեջ առաջիկա չորս տարում։ Բայց օրակարգում են նաև ավելի արմատական ​​գաղափարներ։ Պատրա՞ստ եք կուլ տալ նանոմասնիկներ, որոնք չեն երևում: Բայց ի՞նչ, եթե նանոմասնիկները նպատակաուղղված օգտագործվեն՝ սննդանյութերն ու դեղերը մարմնի ճշգրիտ ընտրված մասերին հասցնելու համար: Ի՞նչ կլիներ, եթե այս նանոկապսուլները կարողանան ներառվել սննդի մեջ: Առայժմ ոչ ոք չի օգտագործել nanoedu-ն, սակայն նախնական մշակումներն արդեն ընթանում են։ Փորձագետներն ասում են, որ ուտելի նանոմասնիկները կարող են պատրաստվել սիլիցիումից, կերամիկայից կամ պոլիմերներից: Եվ իհարկե՝ օրգանական նյութեր։ Եվ եթե ամեն ինչ պարզ է, այսպես կոչված, «փափուկ» մասնիկների անվտանգության հետ կապված, որոնք կառուցվածքով և բաղադրությամբ նման են կենսաբանական նյութերին, ապա անօրգանական նյութերից կազմված «կոշտ» մասնիկները մեծ սպիտակ կետ են երկու տարածքների խաչմերուկում՝ նանոտեխնոլոգիա: և կենսաբանություն։ Գիտնականները դեռևս չեն կարող ասել, թե որ երթուղիներով են անցնելու այդպիսի մասնիկները մարմնում, և որտեղ դրանք կկանգնեն արդյունքում։ Սա դեռ պարզ է: Սակայն որոշ փորձագետներ արդեն նկարում են նանոեդայի օգուտների ֆուտուրիստական ​​պատկերները: Ի հավելումն արժեքավոր սնուցիչների ճիշտ բջիջներին մատակարարելուն: Գաղափարը հետևյալն է՝ բոլորը գնում են նույն ըմպելիքը, բայց հետո սպառողն ինքը կկարողանա մանիպուլյացիայի ենթարկել նանոմասնիկները, որպեսզի նրա աչքի առաջ փոխվեն խմիչքի համը, գույնը, բույրը և կոնցենտրացիան։

2.4 Նանոտեխնոլոգիա էլեկտրոնիկայի մեջ, արվեստ

Նանոմանիպուլյացիայի նոր միջոցների գալուստով հնարավոր է ստեղծել մեխանիկական համակարգիչներ, որոնք կարող են ֆունկցիոնալ կերպով կրկնօրինակել ժամանակակից միկրոպրոցեսորը 100 նմ եզրով խորանարդի մեջ: Նախատեսվում է ստեղծել ընդամենը 1-2 միկրոն չափսերով նանորոբոտներ՝ հագեցած բորտային մեխանիկական համակարգիչներով և էներգիայի աղբյուրներով, որոնք լիովին ինքնավար կլինեն և կկարողանան կատարել տարբեր գործառույթներ՝ ընդհուպ ինքնապատճենման։

Երաժշտությունը, գրականությունը, բալետը, թատրոնը և այն ամենը, ինչ կապված է մարդու ստեղծագործական ներուժի դրսևորման հետ, միշտ որոշ չափով հեռու են կանգնած եղել գիտատեխնիկական առաջընթացից։ Այսպիսով, գիտության և տեխնիկայի զարգացման հեռանկարները որոշում են նաև արվեստի ուղիները։ 2001 թվականին ճապոնացի գիտնականներն օգտագործել են առաջադեմ լազերային տեխնոլոգիա՝ ստեղծելու աշխարհի ամենափոքր քանդակը: Այն պատկերում է զայրացած ցուլին, որը դառնում է հարձակման: «Մանրէի» չափերը տպավորիչ են՝ 10 մկմ երկարություն և 7 միկրոն բարձրություն՝ ոչ ավելի, քան մարդու արյան կարմիր բջիջները։ Դուք կարող եք դա տեսնել միայն գերհզոր մանրադիտակի միջոցով: .

3. ՆԱՆՈՏԵԽՆՈԼՈԳԻԱՅԻ ՎՏԱՆԳՆԵՐ

Նանոտեխնոլոգիայի բոլոր առավելություններով հանդերձ՝ այն կարող է վտանգ ներկայացնել մարդու առողջությանը։ Խանդավառությամբ ակնկալելով այն դրական փոփոխությունները, որոնք կբերի իր հետ արդյունաբերական հեղափոխությունը, պետք չէ այնքան միամիտ լինել, որ չմտածեք հնարավոր վտանգների ու խնդիրների մասին։ Մեր ժամանակի շատ խոշոր գիտնականներ իզուր չեն փորձում ուշադրություն հրավիրել ոչ միայն ապագայի դրական հեռանկարների, այլև հնարավոր բացասական հետևանքների վրա: Որոշ գիտնականներ, օրինակ՝ Բիլ Ջոյը, կոչ են անում դադարեցնել նանոտեխնոլոգիաների և այլ ոլորտների հետազոտությունները, նախքան այն կարող է վնասել մարդկությանը: Նանոտեխնոլոգիայի հանդեպ վախերը սկսեցին ի հայտ գալ 1986 թվականին՝ Դրեքսլերի «Ստեղծագործման մեքենաներ» աշխատության հրապարակումից հետո, որտեղ նա ոչ միայն նկարեց նանոտեխնոլոգիական ապագայի ուտոպիստական ​​պատկերը, այլև շոշափեց այս մեդալի «հակառակ», դժվարին կողմը։

3.1. Կենսաբանական սպառնալիք

Օրինակ, հայտնի է, որ ածխածնի մանր մասնիկները կարող են շնչառական ուղիներով ներթափանցել մարդու ուղեղ և կործանարար ազդեցություն ունենալ օրգանիզմի վրա։ Խոսքը C 60-ի մասին է՝ մաքուր ածխածնի երեք հիմնական ձևերից մեկը։ Մոլեկուլների թունավորությունը որոշելու համար ամերիկացի կենսաբան Եվա Օբերդորսթերը նախ փորձարկեց C 60-ը ջրային բլոկների վրա՝ ավելացնելով այդ մոլեկուլները այս փոքր խեցգետնակերպերի 10 լիտրանոց ջրամբարներում: 48 ժամ անց կենսաբանը նայեց դաֆնիային և տեսավ ակվարիումում մահացության աճ: Բացահայտված էֆեկտը նանոնյութը դարձնում է «չափավոր թույն». այն մի փոքր ավելի թունավոր է, քան նիկելը, բայց դեռևս այնքան վտանգավոր չէ, որքան ծխախոտի ծխի և մեքենայի արտանետման մեջ հայտնաբերված քիմիական նյութերը: Հաջորդ փորձը կատարել է Օբերդորսթերը՝ պերչերի մասնակցությամբ։ C 60-ը բեռնված էր ձկներով ակվարիում: Նույն երկու օր անց ձկներից ոչ մեկը չսատկեց կամ վարքագծի փոփոխություն չցուցաբերեց, բայց թառերը լուրջ վնաս էին հասցնում ուղեղի բջիջների թաղանթներին։ Վնասը 17 անգամ ավելի է եղել, քան սովորական ջրում լողացող ձկներինը։ Իհարկե, ոչ բոլոր նանոնյութերն ունեն նույն հատկությունները, որոնք վնասակար են կենդանի էակների համար:

ԵԶՐԱԿԱՑՈՒԹՅՈՒՆ

Պատմականորեն ձևավորված մինչև մեր օրերը, նանոտՆ.ՍնոլոգիաՆվաճելով սոցիալական գիտակցության տեսական տարածքը, շարունակում է ներթափանցել նրա սովորական շերտը։ Նանոտեխնոլոգիայում արդեն իսկ ձեռք են բերվել մի շարք չափազանց կարևոր արդյունքներ, որոնք հնարավորություն են տալիս զգալի առաջընթացի հույս ունենալ գիտության և տեխնիկայի շատ այլ ոլորտների զարգացման մեջ (բժշկություն և կենսաբանություն, քիմիա, էկոլոգիա, էներգետիկա, մեխանիկա և այլն):

Տիեզերքը՝ որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ, հեռանկարներ կբացի արևային էներգիայի մեխանոէլեկտրական փոխարկիչների, նանոնյութերի համար՝ տիեզերական կիրառությունների համար։ Հենց գերբարդ նանոհամակարգերի մշակումն է, որ կարող է դառնալ երկրի ազգային առավելությունը։ Ինչպես նանոտեխնոլոգիան, նանոնյութերը մեզ հնարավորություն կտան լրջորեն խոսել դեպի Արեգակնային համակարգի տարբեր մոլորակներ օդաչուների թռիչքների մասին։ Հենց նանոնյութերի և նանոմեխանիզմների օգտագործումն է, որ կարող է իրականություն դարձնել օդաչուների թռիչքները դեպի Մարս և լուսնի մակերեսի ուսումնասիրությունը:

Նանոբժշկությունը, որպես նանոտեխնոլոգիայի կիրառման ոլորտ, պրոթեզավորման, «խելացի» պրոթեզների, նանոպատիճների, ախտորոշիչ նանոզոնդների, իմպլանտների, ԴՆԹ-ի վերականգնիչներ և անալիզատորներ, «խելացի» և ճշգրիտ գործիքների, նպատակային դեղագործության համար նախատեսված նանոնյութեր են: Բժշկության մեջ նանոտեխնոլոգիայի օգտագործման խնդիրը մոլեկուլային մակարդակում բջջի կառուցվածքը փոխելու անհրաժեշտությունն է, այսինքն. իրականացնել «մոլեկուլային վիրահատություն»՝ օգտագործելով նանոբոտներ։ Ակնկալվում է, որ կստեղծվեն մոլեկուլային ռոբոտ բժիշկներ, որոնք կարող են «ապրել» մարդու մարմնի ներսում՝ վերացնելով առաջացող բոլոր վնասները կամ կանխելով դրանց առաջացումը: Առանձին ատոմների և մոլեկուլների մանիպուլյացիայի միջոցով նանոբոտները կարող են վերականգնել բջիջները: Ռոբոտ բժիշկների ստեղծման կանխատեսվող ամսաթիվը, XXI դարի առաջին կեսը.

Նանոտեխնոլոգիան օգտագործվում է նաև սննդի արդյունաբերության մեջ։ Սննդի արտադրության, փոխադրման և պահպանման մեթոդները կարող են ստանալ օգտակար նորարարությունների իրենց բաժինը նանոտեխնոլոգիական արդյունաբերությունից: Ցանկալի բջիջներին արժեքավոր սննդանյութեր հասցնելուց բացի, ենթադրվում է հետևյալը. բոլորը գնում են նույն ըմպելիքը, բայց հետո սպառողն ինքը կկարողանա կառավարել նանոմասնիկները, որպեսզի ըմպելիքի համը, գույնը, բույրը և կոնցենտրացիան փոխվեն մինչ այդ։ նրա աչքերը.

Հստակեցնելով նանոտեխնոլոգիա հասկացությունը, ուրվագծելով դրա հեռանկարները և կանգ առնելով հնարավոր վտանգների ու սպառնալիքների վրա՝ ուզում եմ եզրակացություն անել. Ես կարծում եմ, որ նանոտեխնոլոգիան երիտասարդ գիտություն է, որի զարգացման արդյունքները կարող են անճանաչելիորեն փոխել մեզ շրջապատող աշխարհը։ Իսկ թե ինչպիսին կլինեն այդ փոփոխությունները՝ օգտակար, անհամեմատ հեշտացնելով կյանքը, թե՞ վնասակար, սպառնացող մարդկությանը, կախված է մարդկանց փոխըմբռնումից ու ռացիոնալությունից։ Իսկ փոխըմբռնումն ու ռացիոնալությունն ուղղակիորեն կախված են մարդկայնության մակարդակից, ինչը ենթադրում է մարդու պատասխանատվություն իր արարքների համար։ Ուստի նանոտեխնոլոգիական անխուսափելի «բումին» նախորդող վերջին տարիներին ամենակարեւոր անհրաժեշտությունը բարեգործության կրթությունն է։ Միայն խելացի և մարդասեր մարդիկ կարող են նանոտեխնոլոգիան վերածել Տիեզերքի իմացության և այս Տիեզերքում իրենց տեղը:

Տեղադրված է Allbest.ru-ում

...

Նմանատիպ փաստաթղթեր

Նանոտեխնոլոգիայի հայեցակարգ. Նանոտեխնոլոգիան որպես գիտատեխնիկական ուղղություն. Նանոտեխնոլոգիայի զարգացման պատմությունը. Նանոտեխնոլոգիայի զարգացման ներկա մակարդակը. Նանոտեխնոլոգիայի կիրառումը տարբեր ոլորտներում. Նանոէլեկտրոնիկա և նանոֆոտոնիկա. Նանոէներգիա.

թեզ, ավելացվել է 30.06.2008թ


Նանոտեխնոլոգիան բարձր տեխնոլոգիական արդյունաբերություն է, որը կենտրոնացած է ատոմների և մոլեկուլների հետ ուսումնասիրելու և աշխատելու վրա: Նանոտեխնոլոգիայի զարգացման պատմությունը, նանոկառուցվածքների առանձնահատկությունները և հատկությունները. Նանոտեխնոլոգիայի կիրառումը ավտոմոբիլային արդյունաբերության մեջ. խնդիրներ և հեռանկարներ.

թեստ, ավելացվել է 03/03/2011


Նանոտեխնոլոգիայի զարգացումը XXI դարում. Նանոտեխնոլոգիան ժամանակակից բժշկության մեջ. Լոտոսի էֆեկտ, նրա յուրահատուկ հատկության օգտագործման օրինակներ. Հետաքրքիր է նանոտեխնոլոգիայով, նանոարտադրանքի տեսակներով: Նանոտեխնոլոգիայի էությունը, ձեռքբերումները գիտության այս ճյուղում.

վերացական, ավելացվել է 11/09/2010 թ


Նանոտեխնոլոգիայի հայեցակարգը և դրանց կիրառման ոլորտները՝ միկրոէլեկտրոնիկա, էներգետիկա, շինարարություն, քիմիական արդյունաբերություն, գիտական ​​հետազոտություններ։ Նանոտեխնոլոգիայի կիրառման առանձնահատկությունները բժշկության, օծանելիքի և կոսմետիկ և սննդի արդյունաբերության մեջ:

ներկայացումը ավելացվել է 02/27/2012


Նանոտեխնոլոգիաների օգտագործումը սննդի արդյունաբերության մեջ. Նոր պարենային ապրանքների ստեղծում և դրանց անվտանգության վերահսկում: Սննդային հումքի լայնածավալ ֆրակցիոնացման մեթոդ. Նանոտեխնոլոգիա օգտագործող ապրանքներ և նանոնյութերի դասակարգում:

ներկայացումը ավելացվել է 12/12/2013


Երկրների առաջատարությունը նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում. Նոր տեխնոլոգիաների կիրառման հեռանկարները էներգետիկայի, հաշվարկների, քիմիական և կենսամոլեկուլային տեխնոլոգիաների, օպտիկայի և էլեկտրոնիկայի, բժշկության ոլորտներում: Գիտական ​​նվաճումների և զարգացումների օրինակներ.

ներկայացումը ավելացվել է 04/14/2011


Տեխնիկական ծառայության նյութական հիմքը և գործառույթները, դրա զարգացման ուղին. ՄՄ ձեռնարկությունների ներկա վիճակը, բարեփոխման ուղղությունները. Նանոնյութերի և նանոտեխնոլոգիաների տեսակներն ու կիրառությունները մեքենաների մասերի արտադրության, վերականգնման և կարծրացման մեջ:

վերացական, ավելացվել է 23.10.2011թ


Նանոտեխնոլոգիայի զարգացման պատմություն; դրանց նշանակությունը բժշկության, գիտության, տնտեսագիտության, տեղեկատվական միջավայրում։ Մեկ պատի ածխածնային նանոխողովակի սխեմատիկ ներկայացում և կիրառման ուղղություններ: Նանոտեխնոլոգիական կենտրոնների ստեղծում Ռուսաստանի Դաշնությունում.

ներկայացումը ավելացվել է 09/23/2013


Սկանավորող թունելային մանրադիտակի շահագործման ռեժիմները: Ածխածնային նանոխողովակներ, վերմոլեկուլային քիմ. Ուրալի քիմիկոսների զարգացումները պետական ​​համալսարաննանոտեխնոլոգիայի բնագավառում։ Լաբորատոր միջին ջերմաստիճանի վառելիքի բջիջի փորձարկում:

ներկայացումը ավելացվել է 10/24/2013


Նանոտեխնոլոգիա և անցում դեպի ջրածնի էներգիա, նանոմեքենաների մշակում և արտադրություն։ Նանոտեխնոլոգիայի հիմնական ներդրումը «մաքուր» ջրածնի արտադրության մեջ. Իոնային և խառը հաղորդունակությամբ նանոմաշտաբային համակարգերի վարքագծի վերաբերյալ գիտելիքների նոր տարածքի մշակում:

Ռուսաստանի նախագահ Դմիտրի Մեդվեդևը վստահ է, որ երկրում կան բոլոր պայմանները նանոտեխնոլոգիայի հաջող զարգացման համար։

Նանոտեխնոլոգիան գիտության և տեխնոլոգիայի նոր ոլորտ է, որն ակտիվորեն զարգանում է վերջին տասնամյակների ընթացքում: Նանոտեխնոլոգիան ներառում է նյութերի, սարքերի և տեխնիկական համակարգերի ստեղծումն ու օգտագործումը, որոնց գործունեությունը որոշվում է նանոկառուցվածքով, այսինքն՝ նրա պատվիրված բեկորներով, որոնց չափերը տատանվում են 1-ից մինչև 100 նանոմետր:

«Նանո» նախածանցը, որը ծագում է հունարենից (հունարենից «նանոս»՝ թզուկ), նշանակում է միլիարդերորդական։ Մեկ նանոմետրը (նմ) մետրի միլիարդերորդականն է:

«Նանոտեխնոլոգիա» տերմինը ստեղծվել է 1974 թվականին Տոկիոյի համալսարանի նյութերի գիտության պրոֆեսոր Նորիո Տանիգուչիի կողմից, ով այն սահմանել է որպես «արտադրական տեխնոլոգիա, որը հասնում է չափազանց բարձր ճշգրտության և չափազանց փոքր չափերի… 1 նմ ... »…

Համաշխարհային գրականության մեջ նանոգիտությունը հստակորեն տարբերվում է նանոտեխնոլոգիայից։ Նանոմաշտաբի գիտություն տերմինը օգտագործվում է նաև նանոգիտության համար:

Ռուսերենում և Ռուսաստանի օրենսդրության և կանոնակարգերի պրակտիկայում «նանոտեխնոլոգիա» տերմինը միավորում է «նանոգիտությունը», «նանոտեխնոլոգիան» և երբեմն նույնիսկ «նանոարդյունաբերությունը» (բիզնեսի և արտադրության ոլորտները, որտեղ օգտագործվում է նանոտեխնոլոգիա):

Նանոտեխնոլոգիայի ամենակարեւոր բաղադրիչն է նանոնյութեր, այսինքն՝ նյութեր, որոնց անսովոր ֆունկցիոնալ հատկությունները որոշվում են նրանց նանոբեկորների պատվիրված կառուցվածքով, որոնց չափերը տատանվում են 1-ից մինչև 100 նմ:

- նանոծակոտկեն կառուցվածքներ;
- նանոմասնիկներ;
- նանոխողովակներ և նանոմանրաթելեր
- նանոդիսպերսիաներ (կոլոիդներ);
- նանոկառուցվածքային մակերեսներ և թաղանթներ;
- նանոբյուրեղներ և նանոկլաստերներ.

Նանոհամակարգային տեխնոլոգիա- լիովին կամ մասնակիորեն ֆունկցիոնալ ամբողջական համակարգեր և սարքեր, որոնք հիմնված են նանոնյութերի և նանոտեխնոլոգիաների վրա, որոնց բնութագրերը սկզբունքորեն տարբերվում են ավանդական տեխնոլոգիաների կիրառմամբ ստեղծված նմանատիպ նպատակի համակարգերի և սարքերի բնութագրերից:

Նանոտեխնոլոգիայի կիրառություններ

Գրեթե անհնար է թվարկել այն բոլոր ոլորտները, որոնցում այս գլոբալ տեխնոլոգիան կարող է զգալիորեն ազդել տեխնոլոգիական առաջընթացի վրա: Դրանցից կարող ենք նշել միայն մի քանիսը.

- նանոէլեկտրոնիկայի և նանոֆոտոնիկայի տարրեր (կիսահաղորդչային տրանզիստորներ և լազերներ.
- ֆոտոդետեկտորներ; Արևային բջիջներ; տարբեր սենսորներ);
- գերխիտ տեղեկատվության ձայնագրման սարքեր;
- հեռահաղորդակցության, տեղեկատվական և հաշվողական տեխնոլոգիաներ. սուպերհամակարգիչներ;
- վիդեո սարքավորումներ - հարթ էկրաններ, մոնիտորներ, վիդեո պրոյեկտորներ;
- մոլեկուլային էլեկտրոնային սարքեր, ներառյալ անջատիչներ և էլեկտրոնային սխեմաներ մոլեկուլային մակարդակում.
- նանոլիտոգրաֆիա և նանոիմպրինտինգ;
- վառելիքի բջիջներ և էներգիայի պահպանման սարքեր;
- միկրո և նանոմեխանիկական սարքեր, ներառյալ մոլեկուլային շարժիչներ և նանոմարժիչներ, նանոռոբոտներ.
- նանոքիմիա և կատալիզ, ներառյալ այրման հսկողությունը, ծածկույթը, էլեկտրաքիմիան և դեղագործությունը.
- ավիացիոն, տիեզերական և պաշտպանական ծրագրեր;
- շրջակա միջավայրի վիճակի մոնիտորինգի սարքեր.
- դեղերի և սպիտակուցների նպատակային առաքում, բիոպոլիմերներ և կենսաբանական հյուսվածքների բուժում, կլինիկական և բժշկական ախտորոշում, արհեստական ​​մկանների, ոսկորների ստեղծում, կենդանի օրգանների իմպլանտացիա.
- բիոմեխանիկա; գենոմիկա; կենսաինֆորմատիկա; բիոգործիքավորում;
- քաղցկեղածին հյուսվածքների, պաթոգենների և կենսաբանական վնասակար նյութերի գրանցում և նույնականացում.
- անվտանգություն գյուղատնտեսության և սննդի արտադրության մեջ.

Համակարգիչներ և միկրոէլեկտրոնիկա

Նանոհամակարգիչ- էլեկտրոնային (մեխանիկական, կենսաքիմիական, քվանտային) տեխնոլոգիաների վրա հիմնված հաշվողական սարք՝ մի քանի նանոմետրի կարգի տրամաբանական տարրերով։ Ինքը՝ համակարգիչը, որը մշակվել է նանոտեխնոլոգիայի հիման վրա, նույնպես մանրադիտակային է չափերով։

ԴՆԹ համակարգիչ- ԴՆԹ-ի մոլեկուլների հաշվողական հնարավորությունները օգտագործող հաշվողական համակարգ: Biomolecular Computing-ը տարբեր տեխնիկայի հավաքական անվանում է, որոնք ինչ-որ կերպ կապված են ԴՆԹ-ի կամ ՌՆԹ-ի հետ: ԴՆԹ-ի հաշվարկում տվյալները ներկայացված են ոչ թե զրոների և միավորների տեսքով, այլ ԴՆԹ-ի պարույրի հիման վրա կառուցված մոլեկուլային կառուցվածքի տեսքով։ Հատուկ ֆերմենտները ծրագրային ապահովման դեր են խաղում տվյալների ընթերցման, պատճենման և մանիպուլյացիայի համար:

Ատոմային ուժի մանրադիտակ- բարձր լուծաչափով սկանավորող զոնդի մանրադիտակ, որը հիմնված է հետազոտվող նմուշի մակերեսի հետ կոնսերտի ծայրի (զոնդի) փոխազդեցության վրա: Ի տարբերություն սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM), այն կարող է ուսումնասիրել ինչպես հաղորդիչ, այնպես էլ ոչ հաղորդիչ մակերեսները նույնիսկ հեղուկի շերտի միջոցով, ինչը հնարավորություն է տալիս աշխատել օրգանական մոլեկուլների (ԴՆԹ) հետ: Ատոմային ուժային մանրադիտակի տարածական լուծաչափը կախված է շղթայի չափից և ծայրի կորությունից։ Բանաձևը հասնում է ատոմային հորիզոնական և զգալիորեն գերազանցում է այն ուղղահայաց:

Անտենա-օսցիլյատոր- 2005 թվականի փետրվարի 9-ին Բոստոնի համալսարանի լաբորատորիայում ձեռք է բերվել 1 միկրոն կարգի չափսերով ալեհավաք-օսցիլյատոր։ Այս սարքն ունի 5000 միլիոն ատոմ և ունակ է տատանվել 1,49 գիգահերց արագությամբ, ինչը թույլ է տալիս հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն փոխանցել։

Նանոբժշկություն և դեղագործական արդյունաբերություն

Ժամանակակից բժշկության միտում, որը հիմնված է նանոմոլեկուլային մակարդակում մարդու կենսաբանական համակարգերը հետևելու, նախագծելու և փոխելու համար նանոմոլեկուլյար մակարդակում նանոնյութերի և նանոօբյեկտների յուրահատուկ հատկությունների օգտագործման վրա:

ԴՆԹ-նանոտեխնոլոգիա- օգտագործել ԴՆԹ-ի և նուկլեինաթթվի մոլեկուլների հատուկ հիմքերը՝ դրանց հիման վրա հստակ սահմանված կառուցվածքներ ստեղծելու համար:

Դեղորայքի մոլեկուլների և հստակ սահմանված ձևի դեղաբանական պատրաստուկների արդյունաբերական սինթեզ (բիս-պեպտիդներ):

2000 թվականի սկզբին նանո չափերի մասնիկների արտադրության տեխնոլոգիայի արագ առաջընթացի շնորհիվ խթան տրվեց նանոտեխնոլոգիայի նոր բնագավառի զարգացմանը՝ նանոպլազմոնիկա... Պարզվեց, որ հնարավոր է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը փոխանցել մետաղական նանոմասնիկների շղթայի երկայնքով՝ օգտագործելով պլազմոնի տատանումների գրգռումը։

Ռոբոտաշինություն

Նանոռոբոտներ- ռոբոտներ, որոնք ստեղծվել են նանոնյութերից և չափերով համեմատելի են մոլեկուլի հետ, որոնք ունեն շարժման, տեղեկատվության մշակման և փոխանցման և ծրագրերի իրականացման գործառույթներ: Նանորոբոտներ, որոնք ունակ են ստեղծել իրենց կրկնօրինակները, այսինքն. ինքնավերարտադրվողները կոչվում են վերարտադրողներ:

Ներկայում արդեն ստեղծվել են սահմանափակ շարժունակությամբ էլեկտրամեխանիկական նանո սարքեր, որոնք կարելի է համարել նանոռոբոտների նախատիպեր։

Մոլեկուլային ռոտորներ- սինթետիկ նանոմաշտաբով շարժիչներ, որոնք ունակ են ոլորող մոմենտ առաջացնել, երբ դրանց վրա կիրառվում է բավարար քանակությամբ էներգիա:

Ռուսաստանի տեղը նանոտեխնոլոգիա զարգացող և արտադրող երկրների շարքում

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում ներդրումների ընդհանուր ծավալով համաշխարհային առաջատարներն են ԵՄ երկրները, Ճապոնիան և ԱՄՆ-ը։ Վերջին շրջանում այս ոլորտում ներդրումները զգալիորեն ավելացրել են Ռուսաստանը, Չինաստանը, Բրազիլիան և Հնդկաստանը։ Ռուսաստանում «2008 - 2010 թվականներին Ռուսաստանի Դաշնությունում նանոարդյունաբերության ենթակառուցվածքների զարգացում» ծրագրով ֆինանսավորման ծավալը կկազմի 27,7 մլրդ ռուբլի։

Լոնդոնում գործող Cientifica հետազոտական ​​ընկերության վերջին (2008) զեկույցում, որը կոչվում է Nanotechnology Outlook Report, ռուսական ներդրումների մասին բառացիորեն ասվում է հետևյալը. «

Նանոտեխնոլոգիայի բնագավառներում կան ոլորտներ, որտեղ ռուս գիտնականները դարձել են առաջինն աշխարհում՝ ստանալով արդյունքներ, որոնք հիմք դրեցին գիտական ​​նոր ուղղությունների զարգացմանը:

Դրանցից կարելի է առանձնացնել գերմանր նանոնյութերի արտադրությունը, մեկէլեկտրոնային սարքերի նախագծումը, ինչպես նաև ատոմային ուժի և սկանավոր զոնդի մանրադիտակի ոլորտում աշխատանքը։ Միայն Սանկտ Պետերբուրգի XII տնտեսական ֆորումի շրջանակներում անցկացված հատուկ ցուցահանդեսում (2008 թ.) ներկայացվել է միանգամից 80 կոնկրետ զարգացում։

Ռուսաստանն արդեն արտադրում է մի շարք նանոարտադրանքներ, որոնք շուկայում պահանջարկ ունեն՝ նանոմեմբրաններ, նանոփոշիներ, նանոխողովակներ։ Սակայն, ըստ փորձագետների, նանոտեխնոլոգիական զարգացումների առևտրայնացման հարցում Ռուսաստանը տասը տարով հետ է մնում ԱՄՆ-ից և մյուս զարգացած երկրներից։

Նյութը պատրաստվել է բաց աղբյուրներից ստացված տեղեկատվության հիման վրա

Նանոտեխնոլոգիան հիմնարար և կիրառական գիտության և տեխնոլոգիայի ոլորտ է, որը վերաբերում է տեսական հիմնավորման, հետազոտության, վերլուծության և սինթեզի գործնական մեթոդների, ինչպես նաև տվյալ ատոմային կառուցվածքով արտադրանքի արտադրության և օգտագործման մեթոդների վերահսկվող մանիպուլյացիայի միջոցով: առանձին ատոմներ և մոլեկուլներ.

Պատմություն

Շատ աղբյուրներ, հիմնականում՝ անգլիախոս, մեթոդների առաջին հիշատակումը, որոնք հետագայում կկոչվեն նանոտեխնոլոգիա, կապում են Ռիչարդ Ֆեյնմանի «Ներքևում շատ սենյակ կա» հայտնի ելույթի հետ, որն արվել է նրա կողմից 1959 թվականին Կալիֆորնիայի ինստիտուտում։ Տեխնոլոգիաները Ամերիկյան Ֆիզիկական Միության տարեկան ժողովում. Ռիչարդ Ֆեյնմանը առաջարկեց, որ հնարավոր է մեխանիկորեն տեղափոխել առանձին ատոմներ՝ օգտագործելով համապատասխան չափի մանիպուլյատոր, համենայն դեպս, նման գործընթացը չի հակասի մինչ օրս հայտնի ֆիզիկական օրենքներին:

Նա առաջարկեց այս մանիպուլյատորն անել հետեւյալ կերպ. Պետք է կառուցել մի մեխանիզմ, որը կստեղծի իր սեփական օրինակը, միայն մի կարգով փոքր: Ստեղծված փոքր մեխանիզմը կրկին պետք է ստեղծի իր սեփական պատճենը, կրկին փոքրի մեծության կարգը, և այդպես շարունակ, մինչև մեխանիզմի չափերը համարժեք լինեն մեկ ատոմի կարգի չափին։ Այս դեպքում անհրաժեշտ կլինի փոփոխություններ կատարել այս մեխանիզմի կառուցվածքում, քանի որ մակրոաշխարհում գործող ծանրության ուժերը ավելի ու ավելի քիչ ազդեցություն կունենան, իսկ միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների ուժերը և վան դեր Վալսի ուժերը ավելի ու ավելի կազդեն։ մեխանիզմի աշխատանքը.

Վերջին փուլը. արդյունքում մեխանիզմը կհավաքի իր պատճենը առանձին ատոմներից: Սկզբունքորեն, նման օրինակների թիվն անսահմանափակ է, կարճ ժամանակում հնարավոր կլինի ստեղծել նման մեքենաների կամայական քանակ։ Այս մեքենաները կկարողանան մակրո իրեր հավաքել նույն կերպ՝ ատոմային հավաքման միջոցով։ Սա կդարձնի իրերը մի կարգով ավելի էժան. նման ռոբոտներին (նանոռոբոտներին) պետք է տրվի միայն անհրաժեշտ քանակությամբ մոլեկուլներ և էներգիա, և գրի ծրագիր անհրաժեշտ իրերը հավաքելու համար: Մինչ այժմ ոչ ոք չի կարողացել հերքել այդ հնարավորությունը, բայց դեռ ոչ մեկին չի հաջողվել նման մեխանիզմներ ստեղծել։ Այս հնարավորության տեսական ուսումնասիրության ընթացքում ի հայտ եկան դատաստանի օրվա հիպոթետիկ սցենարներ, որոնք ենթադրում են, որ նանոռոբոտները կլանեն Երկրի ողջ կենսազանգվածը՝ իրականացնելով իրենց ինքնավերարտադրման ծրագիրը (այսպես կոչված՝ «գորշ լորձ» կամ «գորշ լորձ» ):

Ատոմային մակարդակում օբյեկտների ուսումնասիրության հնարավորության մասին առաջին ենթադրությունները կարելի է գտնել Իսահակ Նյուտոնի «Opticks» գրքում, որը հրատարակվել է 1704 թվականին։ Գրքում Նյուտոնը հույս է հայտնում, որ ապագայի մանրադիտակները մի օր կկարողանան բացահայտել «մարմինների առեղծվածները»:

Առաջին անգամ «նանոտեխնոլոգիա» տերմինն օգտագործել է Նորիո Տանիգուչին 1974 թվականին։ Նա այս տերմինն անվանել է մի քանի նանոմետրի արտադրանքի արտադրություն։ 1980-ականներին տերմինն օգտագործել է Էրիկ Կ. Դրեքսլերը իր «Արարման շարժիչներ. Նանոտեխնոլոգիայի գալիք դարաշրջանը և նանոհամակարգեր. մոլեկուլային մեքենաներ, արտադրություն և հաշվարկ» գրքերում:

Ինչի՞ է ընդունակ նանոտեխնոլոգիան:

Ահա միայն մի քանի ոլորտներ, որտեղ նանոտեխնոլոգիան խոստումնալից առաջընթաց է ապահովում.

Դեղ

Նանոսենսորները առաջընթաց կապահովեն հիվանդության վաղ ախտորոշման գործում: Սա կբարձրացնի ձեր վերականգնման հնարավորությունները: Մենք կարող ենք հաղթել քաղցկեղին և այլ հիվանդություններին։ Հին քաղցկեղի դեղամիջոցները սպանում էին ոչ միայն հիվանդ բջիջները, այլև առողջ բջիջները։ Նանոտեխնոլոգիայի օգնությամբ դեղը կհասցվի անմիջապես հիվանդ բջիջ։

ԴՆԹ-նանոտեխնոլոգիա- օգտագործել ԴՆԹ-ի և նուկլեինաթթվի մոլեկուլների հատուկ հիմքերը՝ դրանց հիման վրա հստակ սահմանված կառուցվածքներ ստեղծելու համար: Դեղորայքի մոլեկուլների և հստակ սահմանված ձևի դեղաբանական պատրաստուկների արդյունաբերական սինթեզ (բիս-պեպտիդներ):

2000 թվականի սկզբին նանո չափերի մասնիկների արտադրության տեխնոլոգիայի արագ առաջընթացի շնորհիվ խթան տրվեց նանոտեխնոլոգիայի նոր բնագավառի զարգացմանը՝ նանոպլազմոնիկա... Պարզվեց, որ հնարավոր է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը փոխանցել մետաղական նանոմասնիկների շղթայի երկայնքով՝ օգտագործելով պլազմոնի տատանումների գրգռումը։

Շինարարություն

Շինարարական կառույցների նանոսենսորները կհետևեն դրանց ամրությանը և կհայտնաբերեն դրանց ամբողջականությանը սպառնացող ցանկացած վտանգ: Նանոտեխնոլոգիայով կառուցված օբյեկտները կկարողանան հինգ անգամ ավելի երկար ծառայել, քան ժամանակակից կառույցները։ Տները կհարմարվեն բնակիչների կարիքներին՝ ամռանը զովացնելով, ձմռանը տաքացնելով։

Էներգիա

Մենք ավելի քիչ կախված կլինենք նավթից ու գազից. Ժամանակակից արևային մարտկոցներն ունեն մոտ 20% արդյունավետություն: Նանոտեխնոլոգիայի կիրառմամբ այն կարող է աճել 2-3 անգամ։ Տանիքի և պատերի բարակ նանոֆիլմերը կարող են էներգիա ապահովել ամբողջ տան համար (եթե, իհարկե, բավականաչափ արև կա):

Մեքենաշինություն

Բոլոր մեծածավալ սարքավորումները կփոխարինվեն ռոբոտներով՝ հեշտությամբ կառավարվող սարքերով: Նրանք կկարողանան ստեղծել ցանկացած մեխանիզմ ատոմների ու մոլեկուլների մակարդակով։ Մեքենաների արտադրության համար կօգտագործվեն նոր նանոնյութեր, որոնք կարող են նվազեցնել շփումը, պաշտպանել մասերը վնասներից և խնայել էներգիան։ Սրանք բոլոր ոլորտները չեն, որտեղ նանոտեխնոլոգիան կարող է (և կկիրառվի): Գիտնականները կարծում են, որ նանոտեխնոլոգիայի առաջացումը նոր գիտական ​​և տեխնոլոգիական հեղափոխության սկիզբ է, որը մեծապես կփոխի աշխարհը արդեն 21-րդ դարում։ Հարկ է նշել, սակայն, որ նանոտեխնոլոգիան այնքան էլ արագ չի մտնում իրական պրակտիկա։ Նանոյով շատ սարքեր (հիմնականում էլեկտրոնիկա) չեն աշխատում։ Սա մասամբ պայմանավորված է նանոտեխնոլոգիայի բարձր արժեքով և նանոտեխնոլոգիական արտադրանքի ցածր եկամտաբերությամբ:

Հավանաբար, արդեն մոտ ապագայում նանոտեխնոլոգիայի օգնությամբ կստեղծվեն բարձր տեխնոլոգիական, շարժական, հեշտությամբ կառավարվող սարքեր, որոնք հաջողությամբ կփոխարինեն այսօրվա ավտոմատացված, բայց դժվար կառավարվող ու ծանր տեխնոլոգիան։ Այսպիսով, օրինակ, ժամանակի ընթացքում համակարգչով կառավարվող բիոռոբոտները կկարողանան կատարել այսօրվա մեծածավալ պոմպակայանների գործառույթները:

• ԴՆԹ համակարգիչ- ԴՆԹ-ի մոլեկուլների հաշվողական հնարավորությունները օգտագործող հաշվողական համակարգ: Biomolecular Computing-ը տարբեր տեխնիկայի հավաքական անվանում է, որոնք ինչ-որ կերպ կապված են ԴՆԹ-ի կամ ՌՆԹ-ի հետ: ԴՆԹ-ի հաշվարկում տվյալները ներկայացված են ոչ թե զրոների և միավորների տեսքով, այլ ԴՆԹ-ի պարույրի հիման վրա կառուցված մոլեկուլային կառուցվածքի տեսքով։ Հատուկ ֆերմենտները ծրագրային ապահովման դեր են խաղում տվյալների ընթերցման, պատճենման և մանիպուլյացիայի համար:
• Ատոմային ուժի մանրադիտակ- բարձր լուծաչափով սկանավորող զոնդի մանրադիտակ, որը հիմնված է հետազոտվող նմուշի մակերեսի հետ կոնսերտի ծայրի (զոնդի) փոխազդեցության վրա: Ի տարբերություն սկանավորող թունելային մանրադիտակի (STM), այն կարող է ուսումնասիրել ինչպես հաղորդիչ, այնպես էլ ոչ հաղորդիչ մակերեսները նույնիսկ հեղուկի շերտի միջոցով, ինչը հնարավորություն է տալիս աշխատել օրգանական մոլեկուլների (ԴՆԹ) հետ: Ատոմային ուժային մանրադիտակի տարածական լուծաչափը կախված է շղթայի չափից և ծայրի կորությունից։ Բանաձևը հասնում է ատոմային հորիզոնական և զգալիորեն գերազանցում է այն ուղղահայաց:
• Անտենա-օսցիլյատոր- 2005 թվականի փետրվարի 9-ին Բոստոնի համալսարանի լաբորատորիայում ձեռք է բերվել 1 միկրոն կարգի չափսերով ալեհավաք-օսցիլյատոր։ Այս սարքն ունի 5000 միլիոն ատոմ և ունակ է տատանվել 1,49 գիգահերց արագությամբ, ինչը թույլ է տալիս հսկայական քանակությամբ տեղեկատվություն փոխանցել։

Զարմանալի ներուժով 10 նանոտեխնոլոգիաներ

Փորձեք հիշել կանոնական գյուտեր: Հավանաբար, ինչ-որ մեկը հիմա պատկերացրել է անիվ, ինչ-որ մեկը ինքնաթիռ, և ինչ-որ մեկին և iPod: Ձեզանից քանի՞սն է մտածել բոլորովին նոր սերնդի գյուտի՝ նանոտեխնոլոգիայի մասին: Այս աշխարհը վատ է հասկացվում, բայց այն մեզ իսկապես ֆանտաստիկ բաներ տալու անհավատալի ներուժ ունի: Զարմանալի բան. նանոտեխնոլոգիայի ուղղությունը գոյություն չուներ մինչև 1975 թվականը, չնայած գիտնականները սկսեցին աշխատել այս ոլորտում շատ ավելի վաղ:

Մարդու անզեն աչքը կարողանում է ճանաչել մինչև 0,1 միլիմետր չափի առարկաներ։ Այսօր կխոսենք տասը գյուտերի մասին, որոնք 100000 անգամ քիչ են։

Էլեկտրահաղորդիչ հեղուկ մետաղ

Էլեկտրաէներգիայի միջոցով դուք կարող եք պատրաստել հեղուկ մետաղից պարզ համաձուլվածք, որը բաղկացած է գալիումից, իրիդիումից և անագից, բարդ ձևեր կամ քամու շրջանակներ ձևավորել Պետրիի ափսեի ներսում: Որոշակի հավանականությամբ կարելի է ասել, որ դա այն նյութն է, որից ստեղծվել է T-1000 շարքի հայտնի կիբորգը, որը մենք կարող էինք տեսնել Տերմինատոր 2-ում։

«Փափուկ համաձուլվածքն իրեն պահում է խելացի ձևի պես, որը կարող է անհրաժեշտության դեպքում ինքն իրեն դեֆորմացնել՝ հաշվի առնելով փոփոխվող միջավայրը, որտեղ այն շարժվում է: Ճիշտ այնպես, ինչպես ես կարող էի կիբորգ ստեղծել հանրաճանաչ գիտաֆանտաստիկ ֆիլմից»,- ասում է Ցին Լին Ցինհուա համալսարանից՝ նախագծում ներգրավված հետազոտողներից մեկը:

Այս մետաղը բիոմիմետիկ է, այսինքն՝ ընդօրինակում է կենսաքիմիական ռեակցիաները, թեև ինքնին կենսաբանական նյութ չէ։

Այս մետաղը կարելի է կառավարել էլեկտրական լիցքաթափումներով: Այնուամենայնիվ, նա ինքն է կարողանում ինքնուրույն շարժվել՝ առաջացող բեռի անհավասարակշռության պատճառով, որն առաջանում է այս մետաղական խառնուրդի յուրաքանչյուր կաթիլի առջևի և հետևի ճնշման տարբերությամբ: Եվ չնայած գիտնականները կարծում են, որ այս գործընթացը կարող է լինել քիմիական էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածելու բանալին, մոլեկուլային նյութը մոտ ապագայում չի օգտագործվի չար կիբորգների կառուցման համար: Ամբողջ «կախարդական» գործընթացը կարող է տեղի ունենալ միայն նատրիումի հիդրօքսիդի լուծույթում կամ աղի լուծույթում։

Նանոպլաստիկ

Յորքի համալսարանի գիտնականներն աշխատում են ստեղծելու հատուկ կպչուն պիտակներ, որոնք նախատեսված կլինեն մարմնի ներսում բոլոր անհրաժեշտ դեղամիջոցներն առանց ասեղների և ներարկիչների անհրաժեշտության հասցնելու համար: Բավականին նորմալ չափի կտորները կպչում են ձեր ձեռքին՝ ձեր մարմնին հասցնելով դեղամիջոցի նանոմասնիկների որոշակի չափաբաժին (բավականաչափ փոքր՝ մազերի ֆոլիկուլները ներթափանցելու համար): Նանոմասնիկները (յուրաքանչյուրը 20 նանոմետրից պակաս չափերով) իրենք են գտնում վնասակար բջիջներ, սպանում դրանք և բնական գործընթացների արդյունքում դուրս կթողնեն մարմնից այլ բջիջների հետ միասին:

Գիտնականները նշում են, որ ապագայում նման նանոպլաստիկները կարող են օգտագործվել Երկրի ամենասարսափելի հիվանդություններից մեկի՝ քաղցկեղի դեմ պայքարում։ Ի տարբերություն քիմիաթերապիայի, որը նման դեպքերում ամենից հաճախ բուժման անբաժանելի մասն է, նանոպլաստիկները կարող են անհատապես հայտնաբերել և ոչնչացնել քաղցկեղային բջիջները՝ առողջ բջիջները թողնելով անձեռնմխելի: Նանոպլաստե նախագիծը ստացել է «NanJect» անվանումը։ Այն մշակվում է Աթիֆ Սայեդի և Զաքարիա Հուսեյնի կողմից, ովքեր 2013 թվականին, դեռ ուսանող լինելով, ստացան անհրաժեշտ հովանավորությունը ամբոխավարության դրամահավաքի միջոցով:

Նանոֆիլտր ջրի համար

Երբ այս թաղանթը օգտագործվում է չժանգոտվող պողպատից նուրբ ցանցի հետ միասին, յուղը վանվում է, և այս վայրում ջուրը դառնում է անարատ:

Հետաքրքիր է, որ բնությունն ինքն է ոգեշնչել գիտնականներին՝ ստեղծելու նանոֆիլմեր: Հայտնի է նաև որպես ջրաշուշան, լոտոսի տերևներն ունեն նանոֆիլմի հակառակ հատկությունները. յուղի փոխարեն նրանք վանում են ջուրը: Առաջին անգամը չէ, որ գիտնականները ուսումնասիրում են այս զարմանահրաշ բույսերը՝ դրանց ոչ պակաս զարմանալի հատկություններով։ Սա հանգեցրեց, օրինակ, 2003 թվականին գերհիդրոֆոբ նյութերի ստեղծմանը: Ինչ վերաբերում է նանոֆիլմին, ապա հետազոտողները փորձում են ստեղծել այնպիսի նյութ, որը նմանակում է ջրաշուշանների մակերեսին և հարստացնում այն ​​հատուկ մաքրող նյութի մոլեկուլներով։ Ծածկույթն ինքնին անտեսանելի է մարդու աչքի համար: Արտադրությունը կլինի էժան՝ մոտ 1 դոլար մեկ քառակուսի ֆուտի համար:

Սուզանավային օդը մաքրող սարք

Դժվար թե որևէ մեկը մտածեր, թե ինչպիսի օդային սուզանավերի անձնակազմերը պետք է շնչեն, բացի անձնակազմի անդամներից։ Մինչդեռ օդի մաքրումը ածխաթթու գազից պետք է անհապաղ իրականացվի, քանի որ մեկ նավարկության ընթացքում սուզանավի թեթև անձնակազմի միջով նույն օդը պետք է հարյուրավոր անգամ անցնի։ Օդը ածխաթթու գազից մաքրելու համար օգտագործվում են ամիններ, որոնք շատ տհաճ հոտ ունեն։ Այս խնդիրը լուծելու համար ստեղծվել է մաքրման տեխնոլոգիա, որը կոչվում է SAMMS (Մեզոփորային հենարանների վրա Self-Assembled Monolayers-ի հապավումը): Այն առաջարկում է կերամիկական հատիկների մեջ ներկառուցված հատուկ նանոմասնիկների օգտագործումը: Նյութն ունի ծակոտկեն կառուցվածք, որի շնորհիվ կլանում է ավելորդ ածխաթթու գազը։ SAMMS մաքրման տարբեր տեսակներ աշխատում են օդի, ջրի և երկրի տարբեր մոլեկուլների հետ, սակայն մաքրման այս բոլոր տարբերակները աներևակայելի արդյունավետ են: Այս ծակոտկեն կերամիկական հատիկներից ընդամենը մեկ ճաշի գդալ բավական է ֆուտբոլի դաշտի չափ տարածքը մաքրելու համար:

Նանոհաղորդիչներ

Հյուսիսարևմտյան համալսարանի (ԱՄՆ) գիտնականները պարզել են, թե ինչպես կարելի է նանոմաշտաբով էլեկտրական հաղորդիչ ստեղծել: Այս հաղորդիչը պինդ և ամուր նանոմասնիկ է, որը կարող է կարգավորվել էլեկտրական հոսանքը տարբեր հակառակ ուղղություններով փոխանցելու համար: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ յուրաքանչյուր նման նանոմասնիկ կարող է ընդօրինակել «ուղղիչի, անջատիչների և դիոդների» աշխատանքը: Յուրաքանչյուր 5 նանոմետրանոց մասնիկ պատված է դրական լիցքավորված քիմիական նյութով և շրջապատված է բացասական լիցքավորված ատոմներով։ Էլեկտրական լիցքաթափման կիրառումը վերակազմավորում է բացասական լիցքավորված ատոմները նանոմասնիկների շուրջ:

Տեխնոլոգիայի ներուժը, ըստ գիտնականների, աննախադեպ է: Դրա հիման վրա հնարավոր է ստեղծել նյութեր, որոնք «կարող են ինքնուրույն փոփոխվել որոշակի համակարգչային հաշվողական առաջադրանքների համար»: Այս նանոնյութի օգտագործումը իրականում «վերծրագրավորելու» է ապագայի էլեկտրոնիկան։ Սարքավորումների արդիականացումը նույնքան հեշտ կլինի, որքան ծրագրային ապահովման թարմացումը:

Նանոտեխնոլոգիա լիցքավորիչ

Այս բանը ստեղծելուց հետո այլևս կարիք չկա օգտագործել լարային լիցքավորիչներ: Նոր նանոտեխնոլոգիան աշխատում է սպունգի նման, միայն թե հեղուկը չի կլանում։ Այն ներծծում է կինետիկ էներգիան շրջակա միջավայրից և այն ուղղում անմիջապես ձեր սմարթֆոնի մեջ: Տեխնոլոգիան հիմնված է պիեզոէլեկտրական նյութի օգտագործման վրա, որը մեխանիկական սթրեսի պայմաններում արտադրում է էլեկտրաէներգիա: Նյութը օժտված է նանոսկոպիկ ծակոտիներով, որոնք այն վերածում են ճկուն սպունգի:

Այս սարքի պաշտոնական անվանումն է «նանոգեներատոր»։ Նման նանոգեներատորները կարող են մի օր դառնալ մոլորակի յուրաքանչյուր սմարթֆոնի կամ յուրաքանչյուր մեքենայի վահանակի մի մասը, և, հնարավոր է, հագուստի յուրաքանչյուր գրպանի մի մասը. գաջեթները կլիցքավորվեն հենց այնտեղ: Բացի այդ, տեխնոլոգիան ավելի մեծ մասշտաբով օգտագործելու ներուժ ունի, օրինակ՝ արդյունաբերական սարքավորումներում: Համենայն դեպս այդպես են կարծում Մեդիսոնի Վիսկոնսինի համալսարանի գիտնականները, ովքեր ստեղծել են այս զարմանահրաշ նանոսպունգը:

Արհեստական ​​ցանցաթաղանթ

Իսրայելական Nano Retina ընկերությունը մշակում է ինտերֆեյս, որն ուղղակիորեն կմիանա աչքի նեյրոններին և նյարդային մոդելավորման արդյունքը կփոխանցի ուղեղ՝ փոխարինելով ցանցաթաղանթը և վերադարձնելով տեսողությունը մարդկանց։

Կույր հավի վրա կատարված փորձը ցույց տվեց ծրագրի հաջողության հույսը: Նանոֆիլմը հավին թույլ է տվել տեսնել լույսը: Ճիշտ է, մարդկանց տեսողությունը վերադարձնելու համար արհեստական ​​ցանցաթաղանթի ստեղծման վերջին փուլը դեռ հեռու է, բայց այս ուղղությամբ առաջընթացը լավ նորություն է։ Nano Retina-ն միակ ընկերությունը չէ, որը զբաղվում է նման զարգացումներով, սակայն հենց նրանց տեխնոլոգիան է ներկայումս համարվում ամենահեռանկարային, արդյունավետ և հարմարվողը: Վերջին կետն ամենակարևորն է, քանի որ խոսքը գնում է ապրանքի մասին, որը կինտեգրվի ինչ-որ մեկի աչքերին։ Նմանատիպ զարգացումները ցույց են տվել, որ պինդ նյութերը պիտանի չեն այդ կիրառությունների համար:

Քանի որ տեխնոլոգիան մշակվում է նանոտեխնոլոգիական մակարդակում, այն վերացնում է մետաղի և լարերի օգտագործումը, ինչպես նաև խուսափում է նմանակված պատկերի ցածր լուծաչափից:

Փայլուն հագուստ

Շանհայի գիտնականները մշակել են ռեֆլեկտիվ թելեր, որոնք կարող են օգտագործվել հագուստ պատրաստելու համար։ Յուրաքանչյուր թելի հիմքը շատ բարակ չժանգոտվող պողպատից մետաղալար է, որը պատված է հատուկ նանոմասնիկներով, էլեկտրալյումինեսցենտ պոլիմերային շերտով և թափանցիկ նանոխողովակներից պատրաստված պաշտպանիչ պատյանով։ Ստացվում են շատ թեթև և ճկուն թելեր, որոնք կարող են փայլել սեփական էլեկտրաքիմիական էներգիայի ազդեցության տակ։ Միեւնույն ժամանակ, նրանք աշխատում են շատ ավելի ցածր հզորությամբ, քան սովորական LED-ները:

Այս տեխնոլոգիայի թերությունն այն է, որ թելերը բավականաչափ «լույսի մատակարարում» ունեն ընդամենը մի քանի ժամվա համար։ Այնուամենայնիվ, նյութը մշակողները լավատես են, որ կկարողանան իրենց արտադրանքի «ռեսուրսը» ավելացնել առնվազն հազար անգամ։ Եթե ​​նույնիսկ հաջողվի, մեկ այլ թերության լուծումը դեռ հարցականի տակ է։ Ամենայն հավանականությամբ, նման նանաթելերի հիման վրա հագուստը հնարավոր չի լինի լվանալ։

Նանոասեղներ ներքին օրգանների վերականգնման համար

Նանոպլաստիկները, որոնց մասին մենք խոսեցինք վերևում, հատուկ նախագծված են ասեղները փոխարինելու համար: Իսկ եթե ասեղներն իրենք լինեին ընդամենը մի քանի նանոմետր չափի: Եթե ​​այո, նրանք կարող են փոխել մեր պատկերացումները վիրահատության մասին, կամ գոնե զգալիորեն բարելավել այն:

Վերջերս գիտնականները հաջող լաբորատոր թեստեր են անցկացրել մկների վրա։ Փոքրիկ ասեղների օգնությամբ հետազոտողները կարողացել են կրծողների օրգանիզմներ ներարկել նուկլեինաթթուներ, որոնք նպաստում են օրգանների և նյարդային բջիջների վերականգնմանը և դրանով իսկ վերականգնել կորցրած արդյունավետությունը: Երբ ասեղները կատարում են իրենց գործառույթը, դրանք մնում են մարմնում և մի քանի օրվա ընթացքում ամբողջությամբ քայքայվում են։ Միևնույն ժամանակ, գիտնականները այս հատուկ նանոասեղների միջոցով կրծողների մեջքի մկանների արյունատար անոթները վերականգնելու վիրահատությունների ընթացքում ոչ մի կողմնակի ազդեցություն չեն հայտնաբերել:

Եթե ​​հաշվի առնենք մարդկային դեպքերը, ապա նման նանոասեղներով կարելի է անհրաժեշտ միջոցները հասցնել մարդու օրգանիզմ, օրինակ՝ օրգանների փոխպատվաստման ժամանակ։ Հատուկ նյութերը կպատրաստեն փոխպատվաստված օրգանի շուրջ շրջապատող հյուսվածքները արագ վերականգնման և կբացառեն մերժման հնարավորությունը։

3D քիմիական տպագրություն

Իլինոյսի համալսարանի քիմիկոս Մարտին Բերկը քիմիայի աշխարհի իրական Վիլի Վոնկան է: Օգտագործելով «շինանյութի» մոլեկուլների հավաքածուն տարբեր նպատակների համար՝ նա կարող է ստեղծել հսկայական քանակությամբ տարբեր քիմիական նյութեր՝ օժտված բոլոր տեսակի «զարմանալի և, սակայն, բնական հատկություններով»: Օրինակ, այդպիսի նյութերից մեկը ռատանինն է, որը կարելի է գտնել միայն շատ հազվագյուտ պերուական ծաղկի մեջ:

Նյութերի սինթեզման ներուժն այնքան հսկայական է, որ հնարավոր կլինի արտադրել մոլեկուլներ, որոնք օգտագործվում են բժշկության մեջ՝ ստեղծելու LED դիոդներ, արևային բջիջներ և այն քիմիական տարրերը, որոնք նույնիսկ մոլորակի լավագույն քիմիկոսներին տարիներ են պահանջվել սինթեզելու համար:

Եռաչափ քիմիական տպիչի ներկայիս նախատիպի հնարավորությունները դեռևս սահմանափակ են։ Նա կարողանում է միայն նոր դեղամիջոցներ ստեղծել։ Այնուամենայնիվ, Բերկը հույս ունի, որ մի օր նա կկարողանա ստեղծել իր զարմանալի սարքի սպառողական տարբերակը, որը շատ ավելի հզոր կլինի։ Հնարավոր է, որ ապագայում նման տպիչները հանդես գան որպես տնային դեղագործների մի տեսակ։

Արդյո՞ք նանոտեխնոլոգիան վտանգ է սպառնում մարդու առողջությանը, թե շրջակա միջավայրին:

Նանոմասնիկների բացասական ազդեցության մասին այնքան էլ շատ տեղեկություն չկա։ 2003 թվականին հետազոտությունը ցույց տվեց, որ ածխածնային նանոխողովակները կարող են վնասել մկների և առնետների թոքերը: 2004 թվականի ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ ձկների մոտ ֆուլերենները կարող են կուտակվել և ուղեղի վնաս պատճառել: Բայց երկու ուսումնասիրություններն էլ անսովոր պայմաններում օգտագործել են նյութի մեծ չափաբաժիններ: Փորձագետներից մեկի՝ քիմիկոս Քրիստեն Կուլինովսկու (ԱՄՆ) խոսքերով, «նպատակահարմար կլիներ սահմանափակել այդ նանոմասնիկների ազդեցությունը, չնայած այն հանգամանքին, որ ներկայումս չկա որևէ տեղեկություն մարդկանց առողջությանը սպառնացող վտանգի մասին»։

Որոշ մեկնաբաններ նաև պնդում են, որ նանոտեխնոլոգիայի լայն կիրառումը կարող է հանգեցնել սոցիալական և էթիկական ռիսկերի: Այսպիսով, օրինակ, եթե նանոտեխնոլոգիայի կիրառումը նոր արդյունաբերական հեղափոխություն սկսի, դա կբերի աշխատատեղերի կորստի։ Ավելին, նանոտեխնոլոգիան կարող է փոխել մարդու ընկալումը, քանի որ դրանց օգտագործումը կօգնի երկարացնել կյանքը և զգալիորեն բարձրացնել մարմնի կայունությունը։ «Ոչ ոք չի կարող ժխտել, որ բջջային հեռախոսների և ինտերնետի համատարած ընդունումը հսկայական փոփոխություններ է առաջացրել հասարակության մեջ», - ասում է Քրիստեն Կուլինովսկին: «Ո՞վ կհամարձակվի ասել, որ նանոտեխնոլոգիան առաջիկա տարիներին ավելի մեծ ազդեցություն չի ունենա հասարակության վրա։

Ռուսաստանի տեղը նանոտեխնոլոգիա զարգացող և արտադրող երկրների շարքում

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում ներդրումների ընդհանուր ծավալով համաշխարհային առաջատարներն են ԵՄ երկրները, Ճապոնիան և ԱՄՆ-ը։ Վերջին շրջանում այս ոլորտում ներդրումները զգալիորեն ավելացրել են Ռուսաստանը, Չինաստանը, Բրազիլիան և Հնդկաստանը։ Ռուսաստանում «2008 - 2010 թվականներին Ռուսաստանի Դաշնությունում նանոարդյունաբերության ենթակառուցվածքների զարգացում» ծրագրով ֆինանսավորման ծավալը կկազմի 27,7 մլրդ ռուբլի։

Լոնդոնում գործող Cientifica հետազոտական ​​ընկերության վերջին (2008) զեկույցում, որը կոչվում է Nanotechnology Outlook Report, ռուսական ներդրումների մասին բառացիորեն ասվում է հետևյալը. »:

Նանոտեխնոլոգիայի բնագավառներում կան ոլորտներ, որտեղ ռուս գիտնականները դարձել են առաջինն աշխարհում՝ ստանալով արդյունքներ, որոնք հիմք դրեցին գիտական ​​նոր ուղղությունների զարգացմանը:

Դրանցից կարելի է առանձնացնել գերմանր նանոնյութերի արտադրությունը, մեկէլեկտրոնային սարքերի նախագծումը, ինչպես նաև ատոմային ուժի և սկանավոր զոնդի մանրադիտակի ոլորտում աշխատանքը։ Միայն Սանկտ Պետերբուրգի XII տնտեսական ֆորումի շրջանակներում անցկացված հատուկ ցուցահանդեսում (2008 թ.) ներկայացվել է միանգամից 80 կոնկրետ զարգացում։ Ռուսաստանն արդեն արտադրում է մի շարք նանոարտադրանքներ, որոնք շուկայում պահանջարկ ունեն՝ նանոմեմբրաններ, նանոփոշիներ, նանոխողովակներ։ Սակայն, ըստ փորձագետների, նանոտեխնոլոգիական զարգացումների առևտրայնացման հարցում Ռուսաստանը տասը տարով հետ է մնում ԱՄՆ-ից և մյուս զարգացած երկրներից։

Նանոտեխնոլոգիան արվեստում

Ամերիկացի նկարչուհի Նատաշա Վիտա-Մորի մի շարք աշխատանքներ վերաբերում են նանոտեխնոլոգիային։

Ժամանակակից արվեստում ի հայտ է եկել նոր ուղղություն «նանոարտ» (նանոարվեստ)՝ արվեստի ձև, որը կապված է միկրո և նանո չափերի (համապատասխանաբար 10–6 և 10–9 մ) քանդակների (կոմպոզիցիաների) ստեղծման հետ։ նկարիչ նյութի մշակման քիմիական կամ ֆիզիկական պրոցեսների ազդեցության տակ՝ լուսանկարելով ստացված նանո պատկերները էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով և մշակելով սև ու սպիտակ լուսանկարները գրաֆիկական խմբագրիչում։

Ռուս գրող Ն․ - ասում է նա, - տեսնելու, որ յուրաքանչյուր պայտի վրա մի վարպետի անուն է դրված՝ ռուս վարպետն ինչ է արել այդ պայտը։ 5,000,000 անգամ մեծացում ապահովում են ժամանակակից էլեկտրոնային և ատոմային ուժային մանրադիտակները, որոնք համարվում են նանոտեխնոլոգիայի հիմնական գործիքները։ Այսպիսով, գրական հերոս Լեֆտին կարելի է համարել պատմության առաջին «նանոտեխնոլոգիան»։

Ֆեյնմանի գաղափարները այն մասին, թե ինչպես ստեղծել և օգտագործել նանոմանիպուլյատորներ, որոնք ուրվագծել է Ֆեյնմանը 1959-ին իր «There's a lot of space down there» դասախոսության մեջ գրեթե տեքստային առումով համընկնում են հայտնի խորհրդային գրող Բորիս Ժիտկովի «Միկրոուկի» ֆանտաստիկ պատմվածքի հետ, որը հրատարակվել է 1931 թվականին: Նանոտեխնոլոգիայի անվերահսկելի զարգացման որոշ բացասական հետևանքներ նկարագրված են Մ. Քրայթոնի («Ռոյը»), Ս. Լեմի («Տեղում ստուգում» և «Խաղաղություն երկրի վրա»), Ս. Լուկյանենկոյի («Ոչինչ» աշխատություններում. բաժանել»):

Յուրի Նիկիտինի «Տրանսմեն» վեպի գլխավոր հերոսը նանոտեխնոլոգիական կորպորացիայի ղեկավարն է և առաջին մարդն է, ով զգացել է բժշկական նանոռոբոտների ազդեցությունը։

«Stargate SG-1» և «Stargate Atlantis» գիտաֆանտաստիկ սերիալներում տեխնոլոգիապես ամենաառաջադեմ մրցավազքներից մեկը երկու «կրկնօրինակող» ռասաներն են, որոնք առաջացել են նանոտեխնոլոգիայի տարբեր կիրառություններ օգտագործող և նկարագրող անհաջող փորձերից: The Day the Earth Stood Still-ում, որտեղ գլխավոր դերակատարը Կիանու Ռիվսն է, այլմոլորակային քաղաքակրթությունը մարդկությանը մահապատժի է դատապարտում և գրեթե ոչնչացնում է ամեն ինչ մոլորակի վրա՝ ինքնարտադրվող նանոպլիկանտ-բզեզների օգնությամբ, որոնք խժռում են ամեն ինչ իր ճանապարհին: