Nanotecnologia domestica. "nanotecnologia nel mondo moderno". Come gli atomi si sfregano l'uno contro l'altro

La nanotecnologia è un campo della scienza e della tecnologia fondamentale e applicata che si occupa di un insieme di fondamenti teorici, metodi pratici di ricerca, analisi e sintesi, nonché metodi di produzione e uso di prodotti con una data struttura atomica mediante manipolazione controllata di singoli atomi e molecole.

Storia

Molte fonti, principalmente in inglese, la prima menzione dei metodi, che in seguito saranno chiamati nanotecnologie, sono associate al famoso discorso di Richard Feynman "There's Plenty of Room at the Bottom", da lui tenuto nel 1959 al California Institute of Tecnologia al meeting annuale dell'American Physical Society. Richard Feynman ha suggerito che è possibile spostare meccanicamente singoli atomi usando un manipolatore della dimensione appropriata, almeno un tale processo non sarebbe in contraddizione con le leggi fisiche conosciute fino ad oggi.

Ha suggerito di fare questo manipolatore nel modo seguente. È necessario costruire un meccanismo che crei una propria copia, solo un ordine di grandezza più piccola. Il meccanismo più piccolo creato deve creare nuovamente la propria copia, ancora un ordine di grandezza più piccolo, e così via finché le dimensioni del meccanismo non sono commisurate alla dimensione dell'ordine di un atomo. In questo caso, sarà necessario apportare modifiche alla struttura di questo meccanismo, poiché le forze di gravità che agiscono nel macromondo eserciteranno sempre meno influenza e le forze delle interazioni intermolecolari e le forze di van der Waals influenzeranno sempre di più il funzionamento del meccanismo.

L'ultimo stadio: il meccanismo risultante assemblerà la sua copia da singoli atomi. In linea di principio, il numero di tali copie è illimitato; sarà possibile creare un numero arbitrario di tali macchine in breve tempo. Queste macchine saranno in grado di assemblare macro cose allo stesso modo, mediante assemblaggio atomico. Ciò renderà le cose un ordine di grandezza più economiche: a tali robot (nanorobot) sarà necessario fornire solo il numero richiesto di molecole ed energia e scrivere un programma per assemblare gli elementi necessari. Finora nessuno è stato in grado di confutare questa possibilità, ma nessuno è ancora riuscito a creare tali meccanismi. Nel corso di uno studio teorico di questa possibilità, sono comparsi ipotetici scenari apocalittici, che suggeriscono che i nanorobot assorbiranno tutta la biomassa della Terra, portando avanti il ​​loro programma di autoriproduzione (la cosiddetta "melma grigia" o "melma grigia" ).

Le prime ipotesi sulla possibilità di studiare gli oggetti a livello atomico si trovano nel libro "Opticks" di Isaac Newton, pubblicato nel 1704. Nel libro, Newton esprime la speranza che i microscopi del futuro possano un giorno esplorare i "misteri dei corpuscoli".

Per la prima volta il termine "nanotecnologia" è stato utilizzato da Norio Taniguchi nel 1974. Chiamò questo termine la produzione di prodotti di dimensioni di diversi nanometri. Negli anni '80, il termine è stato utilizzato da Eric K. Drexler nei suoi libri Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology and Nanosistemi: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation.

Di cosa è capace la nanotecnologia?

Ecco solo alcune delle aree in cui la nanotecnologia sta promettendo scoperte:

La medicina

I nanosensori forniranno progressi nella diagnosi precoce della malattia. Ciò aumenterà le tue possibilità di recupero. Possiamo sconfiggere il cancro e altre malattie. I vecchi farmaci antitumorali uccidevano non solo le cellule malate, ma anche quelle sane. Con l'aiuto della nanotecnologia, il farmaco verrà somministrato direttamente alla cellula malata.

DNA-nanotecnologia- utilizzare le basi specifiche delle molecole di DNA e acido nucleico per creare strutture chiaramente definite sulla loro base. Sintesi industriale di molecole di farmaci e preparati farmacologici di forma ben definita (bis-peptidi).

All'inizio del 2000, grazie ai rapidi progressi nella tecnologia di produzione di particelle nanometriche, è stato dato impulso allo sviluppo di un nuovo campo della nanotecnologia - nanoplasmonica... È risultato possibile trasmettere radiazioni elettromagnetiche lungo una catena di nanoparticelle metalliche utilizzando l'eccitazione delle oscillazioni plasmoniche.

Edificio

I nanosensori delle strutture edilizie ne monitoreranno la forza e rileveranno eventuali minacce alla loro integrità. Gli oggetti costruiti utilizzando la nanotecnologia potranno durare cinque volte più a lungo delle strutture moderne. Le case si adatteranno alle esigenze dei residenti, mantenendole fresche d'estate e calde d'inverno.

Energia

Saremo meno dipendenti da petrolio e gas. I moderni pannelli solari hanno un'efficienza di circa il 20%. Con l'uso della nanotecnologia, può crescere 2-3 volte. Nanofilm sottili sul tetto e sulle pareti possono fornire energia a tutta la casa (se, ovviamente, c'è abbastanza sole).

Industria meccanica

Tutte le apparecchiature ingombranti saranno sostituite da robot, dispositivi facilmente controllabili. Saranno in grado di creare qualsiasi meccanismo a livello di atomi e molecole. Per la produzione di macchine verranno utilizzati nuovi nanomateriali in grado di ridurre l'attrito, proteggere le parti dai danni e risparmiare energia. Queste non sono tutte aree in cui la nanotecnologia può (e sarà!) essere applicata. Gli scienziati ritengono che l'emergere della nanotecnologia sia l'inizio di una nuova rivoluzione scientifica e tecnologica, che cambierà notevolmente il mondo già nel 21° secolo. Vale la pena notare, tuttavia, che la nanotecnologia non entra nella pratica reale molto rapidamente. Non molti dispositivi (principalmente elettronici) funzionano con nano. Ciò è in parte dovuto all'alto costo delle nanotecnologie e al basso rendimento dei prodotti nanotecnologici.

Probabilmente, già nel prossimo futuro, con l'aiuto della nanotecnologia, verranno creati dispositivi ad alta tecnologia, mobili e facilmente controllabili, che sostituiranno con successo la tecnologia automatizzata di oggi, ma complessa nel controllo e ingombrante. Quindi, ad esempio, nel tempo, i biorobot controllati da un computer saranno in grado di svolgere le funzioni delle odierne stazioni di pompaggio ingombranti.

• computer del DNA- un sistema informatico che utilizza le capacità computazionali delle molecole di DNA. Biomolecular Computing è un nome collettivo per varie tecniche che sono in qualche modo legate al DNA o all'RNA. Nel calcolo del DNA, i dati non vengono presentati sotto forma di zero e uno, ma sotto forma di una struttura molecolare costruita sulla base di un'elica del DNA. Ruolo Software speciali enzimi vengono utilizzati per leggere, copiare e manipolare i dati.
• Microscopio a forza atomica- un microscopio a scansione di sonda ad alta risoluzione basato sull'interazione della punta del cantilever (sonda) con la superficie del campione in esame. A differenza di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), può esaminare superfici sia conduttive che non conduttive anche attraverso uno strato di liquido, il che rende possibile lavorare con molecole organiche (DNA). La risoluzione spaziale di un microscopio a forza atomica dipende dalle dimensioni del cantilever e dalla curvatura della sua punta. La risoluzione raggiunge l'atomo in orizzontale e lo supera notevolmente in verticale.
• Antenna-oscillatore- Il 9 febbraio 2005 è stato ottenuto presso il laboratorio della Boston University un oscillatore-antenna con dimensioni dell'ordine di 1 micron. Questo dispositivo ha 5.000 milioni di atomi ed è in grado di oscillare a 1,49 gigahertz, il che gli consente di trasmettere enormi quantità di informazioni.

10 nanotecnologie con un potenziale incredibile

Cerca di ricordare qualche invenzione canonica. Probabilmente, qualcuno ora ha immaginato una ruota, qualcuno un aereo e qualcuno e un iPod. Quanti di voi hanno pensato a un'invenzione di nuova generazione: la nanotecnologia? Questo mondo è poco conosciuto, ma ha un potenziale incredibile per darci cose davvero fantastiche. Cosa sorprendente: la direzione della nanotecnologia non è esistita fino al 1975, anche se gli scienziati hanno iniziato a lavorare in questo settore molto prima.

L'occhio umano umano è in grado di riconoscere oggetti di dimensioni fino a 0,1 millimetri. Oggi parleremo di dieci invenzioni, che sono 100.000 volte meno.

Metallo liquido elettricamente conduttivo

Usando l'elettricità, puoi creare una semplice lega di metallo liquido, composta da gallio, iridio e stagno, formare forme complesse o cerchi di vento all'interno di una capsula di Petri. Possiamo dire con una certa probabilità che questo sia il materiale da cui è stato creato il famoso cyborg della serie T-1000, che abbiamo potuto vedere in Terminator 2.

“La lega morbida si comporta come una forma intelligente, capace di deformarsi se necessario, tenendo conto dell'ambiente mutevole in cui si muove. Proprio come potrei creare un cyborg da un popolare film di fantascienza ", afferma Jin Li della Tsinghua University, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto.

Questo metallo è biomimetico, cioè imita le reazioni biochimiche, sebbene non sia di per sé una sostanza biologica.

Questo metallo può essere controllato da scariche elettriche. Tuttavia, lui stesso è in grado di muoversi in modo indipendente, a causa dello squilibrio di carico emergente, creato dalla differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore di ogni goccia di questa lega metallica. E sebbene gli scienziati credano che questo processo possa essere la chiave per convertire l'energia chimica in energia meccanica, il materiale molecolare non verrà utilizzato per costruire cyborg malvagi nel prossimo futuro. L'intero processo "magico" può avvenire solo in soluzione di idrossido di sodio o soluzione salina.

nanoplastiche

I ricercatori dell'Università di York stanno lavorando per creare cerotti speciali che saranno progettati per fornire tutti i farmaci necessari all'interno del corpo senza la necessità di aghi e siringhe. Cerotti di dimensioni abbastanza normali sono incollati alla tua mano, rilasciando una certa dose di nanoparticelle del farmaco (abbastanza piccole da penetrare nei follicoli piliferi) nel tuo corpo. Le nanoparticelle (ciascuna di dimensioni inferiori a 20 nanometri) trovano esse stesse cellule dannose, le uccidono e saranno espulse dal corpo insieme ad altre cellule come risultato di processi naturali.

Gli scienziati osservano che in futuro tali nanoplastiche potranno essere utilizzate nella lotta contro una delle malattie più terribili sulla Terra: il cancro. A differenza della chemioterapia, che in questi casi è molto spesso parte integrante del trattamento, le nanoplastiche saranno in grado di individualmente trovare e distruggere le cellule cancerose lasciando intatte le cellule sane. Il progetto nanoplaster è stato chiamato "NanJect". È sviluppato da Atif Sayed e Zakaria Hussein, che nel 2013, ancora studenti, hanno ricevuto la necessaria sponsorizzazione attraverso una campagna di raccolta fondi di crowdsourcing.

Nanofiltro per acqua

Quando questo film viene utilizzato in combinazione con una sottile rete di acciaio inossidabile, l'olio viene respinto e l'acqua in questo luogo diventa incontaminata.

È interessante notare che la natura stessa ha ispirato gli scienziati a creare nanofilm. Conosciute anche come ninfee, le foglie di loto hanno le proprietà opposte del nanofilm: invece dell'olio, respingono l'acqua. Non è la prima volta che gli scienziati osservano queste incredibili piante per le loro proprietà non meno sorprendenti. Ciò ha portato, ad esempio, alla creazione di materiali superidrofobici nel 2003. Per quanto riguarda il nanofilm, i ricercatori stanno cercando di creare un materiale che imiti la superficie delle ninfee e lo arricchisca con molecole di uno speciale agente pulente. Il rivestimento stesso è invisibile all'occhio umano. La produzione sarà poco costosa a circa $ 1 per piede quadrato.

Purificatore d'aria sottomarino

Quasi nessuno ha pensato a che tipo di equipaggio di sottomarini aerei devono respirare, tranne i membri dell'equipaggio stessi. Nel frattempo, la purificazione dell'aria dall'anidride carbonica deve essere eseguita immediatamente, poiché in un viaggio attraverso l'equipaggio leggero del sottomarino, la stessa aria deve passare centinaia di volte. Per pulire l'aria da diossido di carbonio utilizzare ammine, che hanno un odore molto sgradevole. Per affrontare questo problema, è stata creata una tecnologia di purificazione chiamata SAMMS (abbreviazione di Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Propone l'uso di speciali nanoparticelle incorporate all'interno di granuli ceramici. La sostanza ha una struttura porosa grazie alla quale assorbe l'anidride carbonica in eccesso. Diversi tipi di pulizia SAMMS funzionano con diverse molecole in aria, acqua e terra, tuttavia, tutte queste opzioni di pulizia sono incredibilmente efficaci. Basta un cucchiaio di questi granuli ceramici porosi per pulire un'area delle dimensioni di un campo da calcio.

Nanoconduttori

I ricercatori della Northwestern University (USA) hanno scoperto come creare un conduttore elettrico su scala nanometrica. Questo conduttore è una nanoparticella solida e resistente che può essere sintonizzata per trasmettere corrente elettrica in varie direzioni opposte. La ricerca mostra che ciascuna di queste nanoparticelle è in grado di emulare il funzionamento di un "raddrizzatore, interruttori e diodi". Ogni particella di 5 nanometri è rivestita con una sostanza chimica carica positiva e circondata da atomi caricati negativamente. L'applicazione di una scarica elettrica riconfigura gli atomi carichi negativamente attorno alle nanoparticelle.

Il potenziale della tecnologia, affermano gli scienziati, non ha precedenti. Sulla sua base, è possibile creare materiali "capaci di cambiare in modo indipendente per determinate attività computazionali del computer". L'uso di questo nanomateriale consentirà di "riprogrammare" l'elettronica del futuro. Gli aggiornamenti hardware saranno facili come gli aggiornamenti software.

Caricabatterie per nanotecnologie

Una volta creata questa cosa, non è più necessario utilizzare caricabatterie cablati. La nuova nanotecnologia funziona come una spugna, solo che non assorbe liquidi. Succhia energia cinetica dall'ambiente e la dirige direttamente nel tuo smartphone. La tecnologia si basa sull'uso di un materiale piezoelettrico che genera elettricità sotto stress meccanico. Il materiale è dotato di pori nanoscopici che lo trasformano in una spugna flessibile.

Il nome ufficiale di questo dispositivo è "nanogeneratore". Tali nanogeneratori potrebbero un giorno diventare parte di ogni smartphone del pianeta, o parte del cruscotto di ogni auto, e forse parte di ogni tasca di abbigliamento: i gadget verranno caricati proprio lì. Inoltre, la tecnologia ha il potenziale per essere utilizzata su scala più ampia, ad esempio nelle apparecchiature industriali. Almeno questo è ciò che pensano i ricercatori dell'Università del Wisconsin a Madison, che hanno creato questa straordinaria nano-spugna.

Retina artificiale

L'azienda israeliana Nano Retina sta sviluppando un'interfaccia che si collegherà direttamente ai neuroni dell'occhio e trasmetterà il risultato della modellazione neurale al cervello, sostituendo la retina e restituendo la vista alle persone.

Un esperimento su un pollo cieco ha mostrato speranza per il successo del progetto. Il nanofilm ha permesso al pollo di vedere la luce. È vero, la fase finale dello sviluppo di una retina artificiale per restituire la vista alle persone è ancora lontana, ma i progressi in questa direzione sono buone notizie. Nano Retina non è l'unica azienda impegnata in tali sviluppi, ma è la loro tecnologia che è attualmente considerata la più promettente, efficiente e adattabile. L'ultimo punto è il più importante, poiché stiamo parlando di un prodotto che si integrerà negli occhi di qualcuno. Sviluppi simili hanno dimostrato che i materiali solidi non sono adatti a queste applicazioni.

Poiché la tecnologia viene sviluppata a livello nanotecnologico, elimina l'uso di metallo e fili, oltre a evitare una bassa risoluzione dell'immagine simulata.

Vestiti luminosi

Scienziati a Shanghai hanno sviluppato fili riflettenti che possono essere usati per fare vestiti. La base di ogni filamento è un sottilissimo filo di acciaio inossidabile, rivestito con speciali nanoparticelle, uno strato di polimero elettroluminescente e una guaina protettiva costituita da nanotubi trasparenti. Il risultato sono fili molto leggeri e flessibili che possono brillare sotto l'influenza della propria energia elettrochimica. Allo stesso tempo, funzionano a una potenza molto inferiore rispetto ai LED convenzionali.

Lo svantaggio di questa tecnologia è che i fili hanno abbastanza "fornitura di luce" solo per poche ore. Tuttavia, gli sviluppatori del materiale sono ottimisti sul fatto che saranno in grado di aumentare la "risorsa" del loro prodotto almeno mille volte. Anche se ci riuscissero, la soluzione a un altro inconveniente è ancora in discussione. Molto probabilmente, non sarà possibile lavare i vestiti basati su tali nanofili.

Nano-aghi per il ripristino degli organi interni

Le nanoplastiche di cui abbiamo parlato sopra sono progettate appositamente per sostituire gli aghi. E se gli aghi stessi fossero grandi solo pochi nanometri? Se è così, potrebbero cambiare il modo in cui pensiamo alla chirurgia, o almeno migliorarlo significativamente.

Più di recente, gli scienziati hanno condotto con successo test di laboratorio sui topi. Con l'aiuto di minuscoli aghi, i ricercatori sono stati in grado di iniettare acidi nucleici negli organismi dei roditori che promuovono la rigenerazione di organi e cellule nervose e quindi ripristinano l'efficienza perduta. Quando gli aghi svolgono la loro funzione, rimangono nel corpo e si decompongono completamente in pochi giorni. Allo stesso tempo, gli scienziati non hanno riscontrato alcun effetto collaterale durante le operazioni per ripristinare i vasi sanguigni dei muscoli della schiena dei roditori utilizzando questi speciali nano-aghi.

Se prendiamo in considerazione i casi umani, tali nano-aghi possono essere utilizzati per fornire i fondi necessari al corpo umano, ad esempio durante il trapianto di organi. Sostanze speciali prepareranno i tessuti circostanti intorno all'organo trapiantato per un rapido recupero ed escluderanno la possibilità di rigetto.

Stampa chimica 3D

Il chimico dell'Università dell'Illinois Martin Burke è il vero Willie Wonka del mondo della chimica. Utilizzando una raccolta di molecole di "materiale da costruzione" per vari scopi, può creare un numero enorme di diversi sostanze chimiche dotato di tutti i tipi di "proprietà sorprendenti e naturali". Ad esempio, una di queste sostanze è la ratanina, che si trova solo nel rarissimo fiore peruviano.

Il potenziale per la sintesi di sostanze è così enorme che consentirà di produrre molecole che vengono utilizzate in medicina per creare diodi LED, celle solari e quegli elementi chimici che anche i migliori chimici del pianeta hanno impiegato anni per sintetizzare.

Le capacità dell'attuale prototipo di stampante chimica tridimensionale sono ancora limitate. È solo in grado di creare nuovi farmaci. Tuttavia, Burke spera che un giorno sarà in grado di creare una versione consumer del suo fantastico dispositivo che sarà molto più potente. È possibile che in futuro tali stampanti agiranno come una sorta di farmacisti domestici.

La nanotecnologia è una minaccia per la salute umana o per l'ambiente?

Non ci sono molte informazioni sugli effetti negativi delle nanoparticelle. Nel 2003, uno studio ha dimostrato che i nanotubi di carbonio possono danneggiare i polmoni nei topi e nei ratti. Uno studio del 2004 ha mostrato che i fullereni possono accumularsi e causare danni cerebrali nei pesci. Ma entrambi gli studi hanno utilizzato grandi dosi della sostanza in condizioni insolite. Secondo uno degli esperti, la chimica Kristen Kulinovski (Usa), “sarebbe opportuno limitare l'esposizione di queste nanoparticelle, nonostante al momento non ci siano informazioni sulla loro minaccia per la salute umana”.

Alcuni commentatori hanno anche sostenuto che l'uso diffuso della nanotecnologia può portare a rischi sociali ed etici. Quindi, per esempio, se l'uso delle nanotecnologie avvia una nuova rivoluzione industriale, porterà alla perdita di posti di lavoro. Inoltre, le nanotecnologie possono cambiare la percezione di una persona, poiché il loro uso aiuterà a prolungare la vita e ad aumentare significativamente la stabilità del corpo. "Nessuno può negare che l'adozione diffusa dei telefoni cellulari e di Internet ha portato enormi cambiamenti nella società", afferma Kristen Kulinovski. "Chi oserebbe dire che la nanotecnologia non avrà un impatto maggiore sulla società nei prossimi anni?"

Il posto della Russia tra i paesi che sviluppano e producono nanotecnologie

I leader mondiali in termini di investimenti complessivi nelle nanotecnologie sono i paesi dell'UE, il Giappone e gli Stati Uniti. Recentemente, Russia, Cina, Brasile e India hanno aumentato significativamente gli investimenti in questo settore. In Russia, il volume dei finanziamenti nell'ambito del programma "Sviluppo dell'infrastruttura della nanoindustria nella Federazione Russa per il 2008-2010" ammonterà a 27,7 miliardi di rubli.

L'ultimo rapporto (2008) della società di ricerca londinese Cientifica, chiamato Nanotechnology Outlook Report, legge letteralmente quanto segue sugli investimenti russi: "Sebbene l'UE sia ancora al primo posto in termini di investimenti, Cina e Russia hanno già superato gli Stati Uniti ."

Ci sono aree della nanotecnologia in cui gli scienziati russi sono diventati i primi al mondo, avendo ottenuto risultati che hanno posto le basi per lo sviluppo di nuove tendenze scientifiche.

Tra questi, si possono individuare la produzione di nanomateriali ultrafini, la progettazione di dispositivi a un elettrone, nonché il lavoro nel campo della forza atomica e della microscopia a scansione di sonda. Solo in una mostra speciale tenuta nell'ambito del XII Forum economico di San Pietroburgo (2008), sono stati presentati 80 sviluppi specifici contemporaneamente. La Russia produce già una serie di nanoprodotti richiesti dal mercato: nanomembrane, nanopolveri, nanotubi. Tuttavia, secondo gli esperti, nella commercializzazione degli sviluppi nanotecnologici, la Russia è in ritardo di dieci anni rispetto agli Stati Uniti e ad altri paesi sviluppati.

La nanotecnologia nell'arte

Numerose opere dell'artista americana Natasha Vita-Mor riguardano la nanotecnologia.

Nell'arte contemporanea è emersa una nuova tendenza "nanoart" (nano art) - una forma d'arte associata alla creazione di sculture (composizioni) di micro e nano dimensioni (10-6 e 10-9 m, rispettivamente) da parte di un artista sotto l'influenza di processi chimici o fisici di elaborazione dei materiali, fotografando le nano-immagini ottenute utilizzando un microscopio elettronico ed elaborando fotografie in bianco e nero in un editor grafico.

Nella famosa opera dello scrittore russo N. Leskov "Levsha" (1881) c'è un frammento interessante: su ogni ferro di cavallo viene visualizzato il nome di un maestro: quale maestro russo ha fatto quel ferro di cavallo. " L'ingrandimento di 5.000.000 di volte è fornito dai moderni microscopi elettronici e a forza atomica, che sono considerati i principali strumenti della nanotecnologia. Pertanto, l'eroe letterario Lefty può essere considerato il primo "nanotecnologo" della storia.

Le idee di Feynman su come creare e utilizzare i nanomanipolatori delineate da Feynman nella sua conferenza del 1959 "C'è un sacco di spazio laggiù" coincidono praticamente testualmente con la fantastica storia "Mikroruki" del famoso scrittore sovietico Boris Zhitkov, pubblicata nel 1931. Alcune delle conseguenze negative dello sviluppo incontrollato della nanotecnologia sono descritte nelle opere di M. Crichton ("The Roy"), S. Lem ("Ispezione sul posto" e "Pace sulla Terra"), S. Lukyanenko ("Niente dividere").

Il protagonista del romanzo "Transman" di Yuri Nikitin è il capo di una società di nanotecnologie e la prima persona a sperimentare gli effetti dei nanorobot medici.

Nella serie di fantascienza Stargate SG-1 e Stargate Atlantis, una delle razze tecnologicamente più avanzate sono le due razze "replicatrici" emerse da esperimenti falliti utilizzando e descrivendo varie applicazioni della nanotecnologia. In The Day the Earth Stood Still, con Keanu Reeves, una civiltà aliena pronuncia l'umanità una condanna a morte e quasi distrugge tutto sul pianeta con l'aiuto di coleotteri nanoreplicanti che divorano tutto sul suo cammino.

MOU "Liceo Umanitario e Pedagogico"

Nanotecnologie per gli scolari

Completato da: Sagaidachnaya Anastasia, 10 classe "B"

Introduzione __________________________________________________________________ 3

Storia delle nanotecnologie ______________________________________________________ 4

Strumenti di nanotecnologia ________________________________________________ 10

Indovinelli del nanomondo _____________________________________________________________ 25

Nanotecnologie e Medicina __________________________________________________ 36

Le nanotecnologie nella vita quotidiana e nell'industria ___________________________________ 42

Per chi vuole connettere il futuro con le nanotecnologie ___________________________ 52

Referenze _________________________________________________________ 56

introduzione

Aerei, razzi, televisori e computer sono cambiati il mondo nel XX secolo. Gli scienziati sostengono che nel prossimo 21° secolo, materiali, farmaci, dispositivi, comunicazioni e sistemi di consegna realizzati utilizzando la nanotecnologia diventeranno il fulcro di una nuova rivoluzione tecnica.

Tradotto dal greco, la parola "nano" significa un nano. Un nanometro (nm) è un miliardesimo di metro (10 -9 m). Il nanometro è molto, molto piccolo. Un nanometro è tante volte meno di un metro quanto lo spessore di un dito è inferiore al diametro della Terra. La maggior parte degli atomi ha un diametro da 0,1 a 0,2 nm e i filamenti di DNA hanno uno spessore di circa 2 nm. Il diametro dei globuli rossi è di 7000 nm e lo spessore di un capello umano è di 80.000 nm.

Davanti ai nostri occhi, la fantasia diventa realtà: diventa possibile spostare singoli atomi e aggiungere da essi, come da cubi, dispositivi e meccanismi di dimensioni insolitamente piccole e quindi invisibili all'occhio comune. La nanotecnologia, che utilizza gli ultimi progressi della fisica, della chimica e della biologia, non è solo un salto quantitativo, ma qualitativo, dal lavoro con la materia alla manipolazione dei singoli atomi.

La storia della nascita e dello sviluppo delle nanotecnologie

Richard Feynman è il profeta della rivoluzione delle nanotecnologie

L'idea che sia del tutto possibile assemblare dispositivi e lavorare con oggetti di dimensioni nanometriche è stata espressa per la prima volta nel discorso del vincitore premio Nobel Richard Feynman nel 1959 al California Institute of Technology ("C'è un sacco di spazio laggiù!"). La parola "sotto" nel titolo della conferenza significava nel "mondo di piccolissime dimensioni". Poi Feynman ha detto che un giorno, per esempio, nel 2000, la gente si chiederà perché gli scienziati della prima metà del 19° secolo hanno spostato questa dimensione su scala nanometrica, concentrando tutti i loro sforzi sullo studio dell'atomo e del nucleo atomico. Secondo Feynman, le persone vivevano per molto tempo, senza notare che un intero mondo di oggetti viveva accanto a loro, il che era impossibile da discernere. Ebbene, se non vedessimo questi oggetti, non potremmo lavorarci.

Tuttavia, noi stessi siamo fatti di dispositivi che hanno imparato molto bene a lavorare con i nano-oggetti. Queste sono le nostre cellule, i mattoni che compongono il nostro corpo. Una cellula lavora con nano-oggetti per tutta la sua vita, raccogliendo molecole di sostanze complesse da vari atomi. Dopo aver raccolto queste molecole, la cellula le colloca in parti diverse: alcune finiscono nel nucleo, altre nel citoplasma e altre ancora nella membrana. Immagina le possibilità che si aprono per l'umanità se padroneggia le stesse nanotecnologie che ogni cellula umana già possiede.

Feynman descrive le conseguenze della rivoluzione delle nanotecnologie per i computer. “Se, ad esempio, il diametro dei fili di collegamento va da 10 a 100 atomi, la dimensione di qualsiasi circuito non supererà diverse migliaia di angstrom. Tutti coloro che sono collegati alla tecnologia informatica conoscono le possibilità che il suo sviluppo e la sua complicazione promettono. Se il numero di elementi utilizzati aumenta milioni di volte, le capacità dei computer si espanderanno in modo significativo. Impareranno a ragionare, analizzare l'esperienza e calcolare le proprie azioni, trovare nuovi metodi di calcolo, ecc. Un aumento del numero di elementi porterà a importanti cambiamenti qualitativi nelle caratteristiche dei computer. "

Chiamando gli scienziati nel nanomondo, Feynman avverte immediatamente degli ostacoli che li attendono lì, usando l'esempio di realizzare una microcar con una lunghezza di solo 1 mm. Poiché le parti di un'auto normale sono realizzate con una precisione di 10 -5 m, le parti di una micro-auto dovrebbero essere realizzate con una precisione di 4000 volte superiore, ad es. 2.5. 10 -9 M. Pertanto, le dimensioni delle parti di micro-auto devono corrispondere a quelle calcolate con una precisione di ± 10 strati di atomi.

Nanomir non è solo pieno di ostacoli e problemi. Buone notizie ci aspettano nel nanomondo: tutti i dettagli del nanomondo si rivelano molto solidi. Ciò è dovuto al fatto che la massa dei nanooggetti diminuisce in proporzione alla terza potenza della loro dimensione e la loro area della sezione trasversale è proporzionale alla seconda potenza. Ciò significa che il carico meccanico su ciascun elemento dell'oggetto - il rapporto tra il peso dell'elemento e la sua area della sezione trasversale - diminuisce in proporzione alle dimensioni dell'oggetto. Pertanto, una nanotavola proporzionalmente più piccola ha nanopodi che sono un miliardo di volte più spessi del necessario.

F Einman credeva che una persona potesse facilmente dominare il nanomondo se avesse creato una macchina robotica in grado di creare una copia più piccola ma funzionante di se stessa. Supponiamo, ad esempio, di aver imparato a creare un robot in grado di creare la propria copia 4 volte più piccola senza la nostra partecipazione. Quindi questo piccolo robot sarà in grado di fare una copia dell'originale, già ridotto di 16 volte, ecc. Ovviamente, la decima generazione di tali robot creerà robot le cui dimensioni saranno milioni di volte inferiori a quelle originali (vedi Fig. 3).

Figura 3. Illustrazione del concetto di R. Feynman, che ha proposto uno degli algoritmi per entrare nel nanomondo: i robot fanno autonomamente le loro copie ridotte. Adattato da Scientific American, 2001, settembre, p. 84.

Naturalmente, man mano che diminuiamo di dimensioni, incontreremo costantemente fenomeni fisici molto insoliti. Il peso trascurabile delle parti del nanorobot porterà al fatto che si attaccheranno l'una all'altra sotto l'azione delle forze dell'interazione intermolecolare e, ad esempio, il dado non si separerà dal bullone dopo essere stato svitato. Tuttavia, le leggi della fisica a noi note non vietano la creazione di oggetti "atomo per atomo". La manipolazione degli atomi, in linea di principio, è abbastanza reale e non viola alcuna legge della natura. Le difficoltà pratiche della sua implementazione sono dovute solo al fatto che noi stessi siamo oggetti troppo grandi e ingombranti, per cui è difficile per noi eseguire tali manipolazioni.

Per stimolare in qualche modo la creazione di micro-oggetti, Feynman ha promesso di pagare 1.000 dollari a chi costruisce un motore elettrico da 1/64 di pollice (1 "" 2,5 cm). E molto presto è stato creato un tale micromotore (vedi Fig. 4). Dal 1993, il Premio Feynman viene assegnato ogni anno per l'eccellenza nella nanotecnologia.

Figura 4. Nella foto (a) R. Feynman (a destra) esamina con l'ausilio di un microscopio un micromotore, delle dimensioni di 380 µm, mostrato nella figura a destra. La foto sopra (b) mostra la testa di uno spillo.

Nella sua conferenza, Feynman ha parlato delle prospettive della nanochimica. Ora i chimici usano metodi complessi e vari per sintetizzare nuove sostanze. Una volta che i fisici hanno creato dispositivi in ​​grado di operare su singoli atomi, molti dei metodi di sintesi chimica tradizionali possono essere sostituiti da tecniche di "assemblaggio atomico". Allo stesso tempo, come credeva Feynman, i fisici, in linea di principio, possono davvero imparare a sintetizzare qualsiasi sostanza, in base alla formula chimica scritta. I chimici ordineranno la sintesi e i fisici semplicemente "impileranno" gli atomi nell'ordine proposto. Lo sviluppo di tecniche di manipolazione a livello atomico consentirà di risolvere molti problemi di chimica e biologia.

Le macchine per la creazione di E. Drexler

La nanotecnologia è diventata un campo scientifico indipendente e si è sviluppata in un progetto tecnico a lungo termine dopo un'analisi dettagliata dello scienziato americano Eric Drexler nei primi anni '80 e la pubblicazione del suo libro "Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology".

Così inizia il suo libro. “CARBONE E DIAMANTI, sabbia e chip per computer, cancro e tessuti sani: nel corso della storia, a seconda dell'ordine degli atomi, ce ne sono stati economici o preziosi, malati o sani. Ordinati in un modo, gli atomi costituiscono il suolo, l'aria e l'acqua; ordinate da altri, compongono fragole mature. Ordinati in un modo, formano case e aria fresca; ordinati da altri, formano cenere e fumo.

La nostra capacità di disporre gli atomi è al centro della tecnologia. Abbiamo fatto molta strada nella nostra capacità di disporre gli atomi, dall'affilatura della selce per le punte delle frecce alla lavorazione dell'alluminio per le astronavi. Siamo orgogliosi della nostra tecnologia, dei nostri farmaci salvavita e dei nostri computer desktop. Tuttavia, le nostre astronavi sono ancora grezze, i nostri computer sono ancora stupidi e le molecole nei nostri tessuti stanno ancora gradualmente diventando un disastro, distruggendo prima la salute e poi la vita stessa. Nonostante tutti i nostri successi nell'ordinare gli atomi, usiamo ancora metodi di ordinamento primitivi. Con la nostra tecnologia disponibile, dobbiamo ancora manipolare grandi gruppi di atomi mal controllati.

Ma le leggi della natura offrono molte opportunità di progresso e la pressione della competizione globale ci spinge sempre avanti. Nel bene e nel male, ci aspetta il più grande progresso tecnologico della storia".

Secondo la definizione di Drexler, la nanotecnologia è "una tecnologia di produzione prevista focalizzata sulla produzione a basso costo di dispositivi e sostanze con una struttura atomica predeterminata". Molti esperti ritengono che nei prossimi 50 anni molti dispositivi diventeranno così piccoli che un migliaio di queste nanomacchine potrebbero stare nell'area occupata dal punto alla fine di questa proposta. Per assemblare nanomacchine, devi:

(1) impara a lavorare con singoli atomi - prendili e mettili nel posto giusto.

(2) sviluppare assemblatori - nanodispositivi che potrebbero funzionare con singoli atomi come spiegato in (1), secondo programmi scritti da una persona, ma senza la sua partecipazione. Poiché ogni manipolazione con un atomo richiede una certa quantità di tempo e ci sono molti atomi, gli scienziati stimano che sia necessario creare miliardi o addirittura trilioni di tali nanocampionatori in modo che il processo di assemblaggio non richieda molto tempo.

(3) per sviluppare replicatori - dispositivi che renderebbero nanoscaper, dal momento che ne dovrai fare tanti.

Ci vorranno anni prima che compaiano nano-collezionisti e replicatori, ma la loro comparsa sembra quasi inevitabile. Inoltre, ogni passo lungo questo percorso renderà il successivo più reale. I primi passi verso la creazione di nanomacchine sono già stati compiuti. Si tratta di "ingegneria genetica" e "biotecnologia".

Macchine curative

E. Drexler ha proposto l'uso di nanomacchine per il trattamento umano. Il corpo umano è fatto di molecole e le persone si ammalano e invecchiano a causa del fatto che compaiono molecole "non necessarie" e la concentrazione di quelle "necessarie" diminuisce o la loro struttura cambia. Di conseguenza, le persone soffrono. Nulla impedisce a una persona di inventare nanomacchine in grado di riordinare gli atomi in molecole "danneggiate" o di riassemblarle. Ovviamente, tali nanomacchine potrebbero rivoluzionare la medicina.

In futuro verranno create nanomacchine (nanorobot) atte a penetrare in una cellula vivente, analizzarne lo stato e, se necessario, "trattarla" modificando la struttura delle molecole di cui è composta. Queste nanomacchine, progettate per riparare le cellule, saranno di dimensioni paragonabili ai batteri e si muoveranno attraverso i tessuti del corpo umano allo stesso modo dei leucociti (globuli bianchi) ed entreranno nelle cellule come fanno i virus (vedi Figura 6).

Con la realizzazione di nanomacchine per la riparazione cellulare, il trattamento di un paziente si trasformerà in una sequenza delle seguenti operazioni. Innanzitutto, elaborando molecola per molecola e struttura per struttura, le nanomacchine ripristineranno (guariranno) cellula per cellula di qualsiasi tessuto o organo. Quindi, lavorando organo per organo in tutto il corpo, ripristineranno la salute umana.

Figura 6. Rappresentazione schematica di un nanorobot su una superficie cellulare. Si può vedere come i tentacoli del nanobot siano penetrati nella cellula.

Fotolitografia: la strada per il nanomondo: dall'alto verso il basso

Scienziati e tecnologi si battono da tempo per il mondo delle piccole dimensioni, in particolare per coloro che sviluppano nuovi dispositivi e dispositivi elettronici. Affinché un dispositivo elettronico sia intelligente e affidabile, deve essere costituito da un numero enorme di blocchi, il che significa che deve contenere migliaia e talvolta milioni di transistor.

La fotolitografia ottica viene utilizzata nella produzione di transistor e circuiti integrati. La sua essenza è la seguente. Uno strato di fotoresist (materiale fotosensibile polimerico) viene applicato alla superficie di silicio ossidato, quindi viene applicata una fotomaschera: una lastra di vetro con uno schema di elementi del circuito integrato (vedi Fig. 7).

Figura 7. Fotomaschera per un circuito integrato di un orologio elettronico.

Un raggio di luce passa attraverso la fotomaschera e, dove non è presente il colore nero, la luce colpisce il resist e lo illumina (vedi Fig. 8).

Figura 8. Schema di produzione di microcircuiti mediante fotolitografia (da sinistra a destra). Innanzitutto, viene realizzata una fotomaschera, per la quale una lastra di vetro ricoperta da uno strato di cromo e fotoresist viene illuminata con un raggio laser, quindi le parti illuminate del fotoresist vengono rimosse insieme al cromo. Il modello è posto in un raggio parallelo di luce ultravioletta, che viene focalizzato da una lente e colpisce la superficie di un wafer di silicio rivestito con un sottile strato di ossido di silicio e fotoresist. I successivi trattamenti termici e chimici creano il complesso modello di scanalatura 2D necessario per l'assemblaggio del circuito elettronico.

Successivamente, tutte quelle aree del fotoresist che non sono state trattate con la luce vengono rimosse e quelle che erano illuminate vengono trattate termicamente e attaccate chimicamente. Pertanto, si forma un motivo sulla superficie dell'ossido di silicio e il wafer di silicio è pronto per diventare la parte principale del circuito elettronico. Il transistor è stato inventato nel 1947, quindi le sue dimensioni erano di circa 1 cm Il miglioramento dei metodi fotolitografici ha permesso di portare le dimensioni del transistor a 100 nm. Tuttavia, la fotolitografia si basa sull'ottica geometrica, il che significa che utilizzando questo metodo è impossibile tracciare due rette parallele a una distanza inferiore alla lunghezza d'onda. Pertanto, ora nella produzione fotolitografica di microcircuiti, viene utilizzata la luce ultravioletta con una lunghezza d'onda corta, ma diventa costoso e difficile ridurre ulteriormente la lunghezza d'onda, sebbene le moderne tecnologie stiano già utilizzando fasci di elettroni per creare microcircuiti.

L'introduzione nel mondo della nanoscala, che è stata finora seguita dai produttori di microcircuiti, può essere definita una strada "top-down". Usano tecnologie che si sono dimostrate efficaci nel macrocosmo e stanno solo cercando di cambiare la scala. Ma c'è un altro modo: "dal basso verso l'alto". E se forzassimo gli atomi e le molecole stesse ad auto-organizzarsi in gruppi ordinati e strutture di dimensioni di diversi nanometri?Esempi di auto-organizzazione di molecole che formano nanostrutture sono i nanotubi di carbonio, i punti quantici, i nanofili e i dendrimeri, che saranno discussi in più dettaglio sotto.

STRUMENTI DI NANOTECNOLOGIA

Microscopio a scansione di sonda

I primi dispositivi che hanno permesso di osservare e spostare nanooggetti sono stati i microscopi a scansione di sonda: un microscopio a forza atomica e un microscopio a scansione a effetto tunnel che funzionano secondo un principio simile. La microscopia a forza atomica (AFM) è stata sviluppata da G. Binnig e G. Rohrer, che hanno ricevuto il Premio Nobel per questa ricerca nel 1986. La creazione di un microscopio a forza atomica in grado di sentire le forze di attrazione e repulsione che si manifestano tra i singoli atomi ha permesso, infine, di "toccare e vedere" i nanooggetti.

Figura 9. Il principio di funzionamento di un microscopio a scansione di sonda. La linea tratteggiata mostra il percorso del raggio laser. Il resto della spiegazione è nel testo.

La base AFM (vedi Fig. 9) è una sonda, solitamente in silicio e sotto forma di una sottile lastra a sbalzo (è chiamata cantilever, dalla parola inglese "cantilever" - cantilever, trave). All'estremità del cantilever (lunghezza 500 µm, larghezza  50 µm, spessore  1 µm) è presente una punta molto appuntita (lunghezza  10 µm, raggio di curvatura da 1 a 10 nm) terminante in un gruppo di uno o più atomi (vedi Fig. 10).

Figura 10. Microfotografie elettroniche della stessa sonda, scattate con ingrandimento basso (in alto) e alto.

Quando la microsonda si muove lungo la superficie del campione, la punta della punta si alza e si abbassa, delineando il microrilievo della superficie, proprio come l'ago di un grammofono scivola su un disco. All'estremità sporgente del cantilever (sopra la punta, vedi Fig. 9) c'è un'area a specchio, sulla quale il raggio laser cade e viene riflesso. Quando il picco scende e si alza su irregolarità nella superficie, il raggio riflesso viene deviato e questa deflessione viene registrata da un fotorilevatore e la forza con cui il picco viene attratto dagli atomi vicini - da un sensore piezoelettrico.

I dati del fotorilevatore e del sensore piezoelettrico vengono utilizzati in un sistema di retroazione che può fornire, ad esempio, una quantità costante di forza tra la microsonda e la superficie del campione. Di conseguenza, è possibile costruire in tempo reale un rilievo volumetrico della superficie del campione. La risoluzione del metodo AFM è di circa 0,1-1 nm in orizzontale e 0,01 nm in verticale. Un'immagine di batteri Escherichia coli ottenuta con un microscopio a scansione di sonda è mostrata in Fig. undici.

Figura 11. Batteri Escherichia coli ( Escherichia coli). L'immagine è stata ottenuta utilizzando un microscopio a scansione di sonda. Il batterio è lungo 1,9 µm e largo 1 µm. Lo spessore dei flagelli e delle ciglia è rispettivamente di 30 nm e 20 nm.

Un altro gruppo di microscopi a scansione di sonda utilizza il cosiddetto "effetto tunnel" della meccanica quantistica per costruire il rilievo superficiale. L'essenza dell'effetto tunnel è che la corrente elettrica tra un ago metallico appuntito e una superficie situata a una distanza di circa 1 nm inizia a dipendere da questa distanza: minore è la distanza, maggiore è la corrente. Se viene applicata una tensione di 10 V tra l'ago e la superficie, questa corrente di "tunneling" può variare da 10 pA a 10 nA. Misurando questa corrente e mantenendola costante, è possibile mantenere costante la distanza tra l'ago e la superficie. Ciò consente di costruire un profilo volumetrico della superficie (vedi Fig. 12). A differenza di un microscopio a forza atomica, un microscopio a effetto tunnel può studiare solo le superfici di metalli o semiconduttori.

Figura 12. L'ago di un microscopio a scansione a effetto tunnel situato a distanza costante (vedi frecce) sopra gli strati di atomi della superficie in esame.

Un microscopio a scansione a effetto tunnel può essere utilizzato anche per spostare un atomo in un punto selezionato dall'operatore. Ad esempio, se la tensione tra la punta del microscopio e la superficie del campione è leggermente maggiore di quella necessaria per studiare questa superficie, l'atomo più vicino del campione si trasforma in uno ione e "salta" sulla punta. Dopodiché, spostando leggermente l'ago e cambiando il voltaggio, si può far "saltare" l'atomo fuoriuscito sulla superficie del campione. Pertanto, è possibile manipolare gli atomi e creare nanostrutture, ad es. strutture sulla superficie con dimensioni dell'ordine del nanometro. Già nel 1990, i dipendenti IBM hanno dimostrato che ciò era possibile aggiungendo il nome della loro azienda da 35 atomi di xeno su una piastra di nichel (vedi Fig. 13).

Figura 13. Il nome dell'azienda IBM, piegato da 35 atomi di xeno su una lastra di nichel, realizzato dai dipendenti di questa azienda utilizzando un microscopio a scansione di sonda nel 1990.

Utilizzando un microscopio a sonda, non solo puoi spostare gli atomi, ma anche creare i prerequisiti per la loro auto-organizzazione. Ad esempio, se una goccia d'acqua contenente ioni tiolo si trova su una piastra metallica, la sonda del microscopio faciliterà l'orientamento di queste molecole in cui le loro due code idrocarburiche saranno dirette lontano dalla piastra. Di conseguenza, è possibile costruire un monostrato di molecole di tiolo aderito alla piastra metallica (vedi Fig. 14). Questo metodo per creare un monostrato di molecole su una superficie metallica è chiamato "nanolitografia a penna".

Figura 14. In alto a sinistra - cantilever (grigio acciaio) di un microscopio a scansione di sonda sopra una piastra metallica. Sulla destra c'è un'immagine ingrandita dell'area (cerchiata in bianco nella figura a sinistra) sotto la sonda a sbalzo, che mostra schematicamente molecole di tiolo con code di idrocarburi viola, allineate in un monostrato sulla punta della sonda.

Pinzette ottiche

Le pinzette ottiche (o laser) sono dispositivi che utilizzano un raggio laser focalizzato per spostare oggetti microscopici o tenerli in posizione. Vicino al punto focale del raggio laser, la luce attira tutto intorno al punto focale (vedi Fig. 15).

Figura 15. Rappresentazione schematica di pinzette ottiche. Un raggio laser che cade dall'alto sulla lente viene focalizzato all'interno della goccia. In questo caso, le forze (frecce arancioni) agiscono su ogni particella nell'acqua, la forza risultante (freccia verde) è sempre diretta al fuoco.

La forza con cui la luce agisce sugli oggetti circostanti è piccola, ma risulta essere sufficiente per catturare le nanoparticelle nel fuoco del raggio laser. Una volta che la particella è a fuoco, può essere spostata insieme al raggio laser. Usando pinzette ottiche, puoi spostare particelle di dimensioni comprese tra 10 nm e 10 µm e raccogliere varie strutture da esse (vedi Fig. 16). Ci sono tutte le ragioni per credere che in futuro le pinzette laser diventeranno uno degli strumenti più potenti della nanotecnologia.

Figura 16. Vari modelli di nanoparticelle di gel piegate con pinzette laser.

Perché alcune particelle, una volta nel raggio laser, tendono alla regione in cui l'intensità della luce è massima, ad es. a fuoco (vedi fig. 17)? Ci sono almeno DUE ragioni per questo.

Figura 17. Rappresentazione schematica di un raggio rosso convergente al fuoco e divergente dopo di esso. Una particella sferica grigia è visibile nel punto di messa a fuoco del raggio.

Causaio - le particelle polarizzate vengono trascinate in un campo elettrico

Prima di spiegare la tendenza delle particelle a concentrarsi, ricorda che un raggio di luce è un'onda elettromagnetica e maggiore è l'intensità della luce, maggiore è l'intensità del campo elettrico nella sezione trasversale del raggio. Pertanto, al fuoco, il valore quadratico medio dell'intensità del campo elettrico può aumentare molte volte. Pertanto, il campo elettrico del raggio di luce focalizzato diventa non uniforme, aumentando di intensità man mano che si avvicina al fuoco.

Lascia che la particella che vogliamo trattenere con le pinzette ottiche sia costituita da un dielettrico. È noto che un campo elettrico esterno agisce su una molecola dielettrica, spostando cariche opposte al suo interno in direzioni diverse, per cui questa molecola diventa un dipolo, che è orientato lungo le linee di forza del campo. Questo fenomeno si chiama polarizzazione dielettrico. Quando un dielettrico è polarizzato, sulle sue superfici opposte al campo esterno compaiono cariche elettriche opposte e di uguale grandezza, chiamate limite.

Figura 18. Rappresentazione schematica di una particella sferica in un campo elettrico di forza OMOGENEO E... I segni "+" e "-" mostrano le cariche legate che si sono formate sulla superficie della particella durante la sua polarizzazione. Le forze elettriche che agiscono sulle cariche legate positiva (F +) e negativa (F -) sono le stesse.

Lascia che la nostra particella dielettrica si trovi in ​​un raggio di luce lontano dal fuoco. Allora possiamo supporre che sia in un campo elettrico uniforme (vedi Fig. 18). Poiché l'intensità del campo elettrico a sinistra e a destra della particella è la stessa, allora le forze elettriche che agiscono su positivo ( F+) e negativo ( F-) anche gli oneri associati sono gli stessi. Di conseguenza, una particella in un campo elettrico OMOGENEO rimane IMMOBILE.

Ora lascia che la nostra particella si trovi vicino all'area di messa a fuoco, dove l'intensità del campo elettrico (densità delle linee di campo) aumenta gradualmente (la particella più a sinistra in Fig. 19) mentre si sposta da sinistra a destra. A questo punto, anche la particella sarà polarizzata, ma le forze elettriche che agiscono sul positivo ( F+) e negativo ( F-) le spese associate saranno diverse, perché l'intensità del campo a sinistra della particella è inferiore a quella a destra. Pertanto, la forza risultante agirà sulla particella, diretta a destra, verso l'area di messa a fuoco.

Figura 19. Rappresentazione schematica di TRE particelle sferiche situate in un campo elettrico non uniforme di un raggio di luce focalizzato vicino all'area di messa a fuoco. I segni "+" e "-" mostrano le cariche legate che si sono formate sulla superficie delle particelle durante la loro polarizzazione. Le forze elettriche che agiscono su cariche legate positive (F +) e negative (F -) fanno muovere le particelle verso l'area focale.

È facile intuire che la particella all'estrema destra (vedi Fig. 19), situata dall'altra parte del fuoco, sarà influenzata dalla risultante, diretta a sinistra, verso l'area del fuoco. Quindi, tutte le particelle catturate in un raggio di luce focalizzato tenderanno al suo fuoco, come un pendolo tende ad una posizione di equilibrio.

CausaII - la rifrazione della luce mantiene la particella al centro del raggio

Se il diametro della particella è molto più grande della lunghezza d'onda della luce, allora le leggi dell'ottica geometrica diventano valide per tale particella, vale a dire, la particella può rifrangere la luce, ad es. cambia la sua direzione. Allo stesso tempo, secondo la legge di conservazione della quantità di moto, la somma degli impulsi di luce (fotoni) e della particella deve rimanere costante. In altre parole, se una particella rifrange la luce, ad esempio, a destra, allora essa stessa deve spostarsi a sinistra.

Va notato che l'intensità della luce nel raggio laser è massima lungo il suo asse e diminuisce gradualmente con la distanza da esso. Pertanto, se la particella si trova sull'asse del raggio di luce, il numero di fotoni da essa deviati a sinistra ea destra è lo stesso. Di conseguenza, la particella rimane sull'asse (vedi Fig. 20 B).

Figura 20. Rappresentazione schematica di una particella sferica situata in un raggio di luce focalizzato a sinistra del suo asse (a) e sul suo asse (b). L'intensità dell'ombreggiatura rossa corrisponde all'intensità della luce nell'area data del raggio. 1 e 2 - raggi, la cui rifrazione è mostrata nella figura e lo spessore corrisponde alla loro intensità. F 1 e F 2 sono le forze che agiscono sulla particella secondo la legge di conservazione della quantità di moto quando i raggi 1 e 2 vengono rispettivamente rifratti. F net - F 1 e F 2 risultanti.

Nei casi in cui la particella è spostata a sinistra rispetto all'asse del raggio di luce (vedi Fig.20a), il numero di fotoni deviati a sinistra (vedi raggio 2 in Fig.20a) supera il numero di fotoni deviati al destra (vedi raggio 1 in Fig.20a) ). Esiste quindi una componente della forza F netta diretta all'asse della trave, a destra.

Ovviamente, una particella spostata a destra dell'asse del raggio sarà interessata dalla risultante, diretta a sinistra, e di nuovo verso l'asse di questo raggio. Quindi, tutte le particelle che non sono sull'asse del raggio tenderanno al suo asse, come un pendolo nella posizione di equilibrio.

Eccezioni alla regola

Affinché le pinzette ottiche utilizzino le forze sopra descritte in "ragione io", è necessario che la particella sia polarizzata in un campo elettrico esterno e sulla sua superficie appaiano cariche legate. In questo caso, le cariche legate devono creare un campo diretto nella direzione opposta. Solo in questo caso le particelle si precipiteranno a l'area di messa a fuoco Se la costante dielettrica del mezzo, in cui la particella galleggia, è maggiore della costante dielettrica della sostanza della particella, allora la polarizzazione della particella sarà invertita e la particella tenderà a fuggire dal fuoco zona, come si comportano, ad esempio, le bolle d'aria che galleggiano nella glicerina.

Le stesse restrizioni si applicano alla "ragione II". Se l'indice di rifrazione assoluto dei materiali della particella è inferiore a quello del mezzo in cui si trova, allora la particella devierà la luce nell'altra direzione, il che significa che tenderà ad allontanarsi dall'asse del raggio.Un esempio possono essere le stesse bolle d'aria nella glicerina.Pertanto, le pinzette ottiche funzionano meglio quando l'indice di rifrazione relativo del materiale particellare è più alto.

Grafene, nanotubi di carbonio e fullereni

Le nanostrutture possono essere assemblate non solo da singoli atomi o singole molecole, ma anche da blocchi molecolari. Tali blocchi o elementi per la creazione di nanostrutture sono grafene, nanotubi di carbonio e fullereni.

Grafene

Il grafene è un singolo foglio piatto di atomi di carbonio legati insieme per formare un reticolo, ogni cellula del quale assomiglia a un nido d'ape (Fig. 21). La distanza tra gli atomi di carbonio più vicini nel grafene è di circa 0,14 nm.

Figura 21. Rappresentazione schematica del grafene. Le sfere luminose sono atomi di carbonio e le aste tra loro sono i legami che tengono gli atomi nel foglio di grafene.

La grafite, da cui viene ricavata la mina delle normali matite, è una pila di fogli di grafene (Fig. 22). I grafeni nella grafite sono molto poco legati tra loro e possono scivolare l'uno rispetto all'altro. Pertanto, se si esegue la grafite sulla carta, il foglio di grafene a contatto con esso si separa dalla grafite e rimane sulla carta. Questo spiega perché la grafite può essere scritta.

Figura 22. Rappresentazione schematica di tre fogli di grafene, uno sopra l'altro in grafite.

Nanotubi di carbonio

Molte aree promettenti della nanotecnologia sono associate ai nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio sono strutture a telaio o molecole giganti fatte di soli atomi di carbonio. È facile immaginare un nanotubo di carbonio se immagini di far rotolare uno degli strati molecolari di grafite, il grafene, in un tubo (Fig. 23).

Figura 23. Uno dei metodi di fabbricazione immaginaria di un nanotubo (a destra) da uno strato molecolare di grafite (a sinistra).

Il metodo di rotolamento dei nanotubi - l'angolo tra la direzione dell'asse del nanotubo rispetto agli assi di simmetria del grafene (angolo di torsione) - determina in gran parte le sue proprietà. Naturalmente, nessuno produce nanotubi arrotolandoli da un foglio di grafite. I nanotubi si formano, ad esempio, sulla superficie degli elettrodi di carbonio durante una scarica ad arco tra di loro. Durante lo scarico, gli atomi di carbonio evaporano dalla superficie e, collegandosi tra loro, formano nanotubi di vario tipo: monostrato, multistrato e con diversi angoli di torsione (Fig. 24).

Figura 24. Sinistra - rappresentazione schematica di un nanotubo di carbonio a parete singola; a destra (dall'alto verso il basso) - nanotubi a due strati, diritti e a spirale.

Il diametro dei nanotubi a parete singola, di regola, è di circa 1 nm e la loro lunghezza è migliaia di volte maggiore, pari a circa 40 micron. Crescono al catodo perpendicolarmente alla superficie piana della sua estremità. Si verifica il cosiddetto autoassemblaggio di nanotubi di carbonio da atomi di carbonio. A seconda dell'angolo di torsione, i nanotubi possono avere un'elevata conduttività, come quelli dei metalli, oppure possono avere le proprietà dei semiconduttori.

I nanotubi di carbonio sono più resistenti della grafite, sebbene siano fatti degli stessi atomi di carbonio, perché nella grafite gli atomi di carbonio sono in fogli (Fig. 22). E tutti sanno che un foglio di carta piegato è molto più difficile da piegare e strappare di un normale foglio. Questo è il motivo per cui i nanotubi di carbonio sono così resistenti. I nanotubi possono essere usati come bacchette e filamenti microscopici molto resistenti, perché il modulo di Young di un nanotubo a parete singola raggiunge valori dell'ordine di 1-5 TPa, che è un ordine di grandezza superiore a quello dell'acciaio! Pertanto, un filo di nanotubi, dello spessore di un capello umano, è in grado di sostenere un carico di centinaia di chilogrammi.

È vero, al momento, la lunghezza massima dei nanotubi è di solito di circa cento micron, che, ovviamente, è troppo piccola per l'uso quotidiano. Tuttavia, la lunghezza dei nanotubi prodotti in laboratorio sta gradualmente aumentando: ora gli scienziati si sono già avvicinati alla linea millimetrica. Pertanto, ci sono tutte le ragioni per sperare che nel prossimo futuro gli scienziati impareranno a far crescere nanotubi lunghi centimetri e persino metri!

fullereni

Gli atomi di carbonio evaporati da una superficie di grafite riscaldata, collegandosi tra loro, possono formare non solo nanotubi, ma anche altre molecole che sono poliedri chiusi convessi, ad esempio sotto forma di una sfera o di un ellissoide. In queste molecole, gli atomi di carbonio si trovano ai vertici di esagoni e pentagoni regolari che costituiscono la superficie di una sfera o di un ellissoide.

Tutti questi composti molecolari di atomi di carbonio sono denominati fullereni dal nome dell'ingegnere, designer e architetto americano R. Buckminster Fuller, che utilizzò pentagoni ed esagoni per la costruzione delle cupole dei suoi edifici (Fig. 25), che sono i principali elementi strutturali delle strutture molecolari di tutti i fullereni.

Figura 25. La biosfera di Fuller (Padiglione USA at Expo 67, ora Museo "Biosfera" in Montreal, Canada.

Le molecole del fullerene più simmetrico e meglio studiato, costituito da 60 atomi di carbonio (C 60), formano poliedro composto da 20 esagoni e 12 pentagoni e simile a un pallone da calcio (Fig. 26). Il diametro del fullerene C 60 è di circa 1 nm.

Figura 26. Rappresentazione schematica del fullerene C 60.

Per la scoperta dei fullereni al fisico americano R. Small, nonché ai fisici inglesi H. Kroto e R. Curl in 1996 anno è stato premiato premio Nobel... L'immagine del fullerene C 60 è considerata da molti un simbolo della nanotecnologia.

Dendrimeri

Uno degli elementi del nanomondo sono i dendrimeri (polimeri ad albero) - nanostrutture di dimensioni comprese tra 1 e 10 nm, formate quando molecole con una struttura ramificata si uniscono. La sintesi dei dendrimeri è una delle nanotecnologie strettamente legate alla chimica - la chimica dei polimeri. Come tutti i polimeri, i dendrimeri sono composti da monomeri, ma le molecole di questi monomeri sono ramificate. Un dendrimero diventa come un albero con una chioma sferica se durante la crescita della molecola polimerica i rami in crescita non si uniscono (proprio come i rami di un albero, o le chiome di alberi adiacenti non crescono insieme). La Figura 27 mostra come possono formarsi tali dendrimeri a forma di palla.

Figura 27. Assemblaggio del dendrimero dalla molecola ramificata Z-X-Z (in alto) e vari tipi di dendrimeri (in basso).

All'interno del dendrimero possono formarsi cavità riempite con una sostanza in presenza della quale si sono formati i dendrimeri. Se un dendrimero viene sintetizzato in una soluzione contenente un farmaco, questo dendrimero diventa una nanocapsula con questo farmaco. Inoltre, le cavità all'interno del dendrimero possono contenere sostanze marcate radioattivamente utilizzate per la diagnosi di varie malattie.

Gli scienziati ritengono che riempiendo le cavità dei dendrimeri con le sostanze necessarie, sia possibile, ad esempio, raccogliere circuiti nanoelettronici da vari dendrimeri utilizzando un microscopio a scansione di sonda. In questo caso, un dendrimero riempito di rame potrebbe fungere da conduttore, ecc.

Naturalmente, una direzione promettente nell'uso dei dendrimeri è il loro possibile utilizzo come nanocapsule che forniscono farmaci direttamente alle cellule che necessitano di questi farmaci. La parte centrale di tali dendrimeri, contenente il farmaco, deve essere circondata da una membrana che impedisca la fuoriuscita del farmaco, alla cui superficie esterna è necessario attaccare molecole (anticorpi) capaci di aderire proprio alla superficie delle cellule bersaglio. Non appena tali nanocapsule-dendrimeri raggiungono e aderiscono alle cellule malate, è necessario distruggere il guscio esterno del dendrimero, ad esempio, usando un laser o rendere questo guscio auto-decomponendosi.

I dendrimeri sono uno dei percorsi verso il nanomondo nella direzione "dal basso verso l'alto".

Nanofili

I nanofili sono fili con un diametro dell'ordine di un nanometro, fatti di un metallo, semiconduttore o dielettrico. La lunghezza dei nanofili può spesso superare il loro diametro di 1000 o più volte. Pertanto, i nanofili sono spesso chiamati strutture unidimensionali e il loro diametro estremamente piccolo (circa 100 dimensioni atomiche) consente di manifestare vari effetti della meccanica quantistica. Questo spiega perché i nanofili sono talvolta chiamati "fili quantici".

I nanofili non esistono in natura. Nei laboratori, i nanofili sono più spesso ottenuti con il metodo epitassia, quando la cristallizzazione di una sostanza avviene in una sola direzione. Ad esempio, un nanofilo di silicio può essere coltivato come mostrato nella figura (a sinistra).

Figura 28. A sinistra - preparazione di nanofili di silicio (rosa) per epitassia utilizzando una nanoparticella d'oro in un'atmosfera di SiH 4. Sulla destra c'è una "foresta" di nanofili di ZnO ottenuti per epitassia. Adattato da Yang et al. (Chem. Eur. J., v. 8, p. 6, 2002)

Una nanoparticella d'oro viene posta in un'atmosfera di gas silano (SiH 4) e questa nanoparticella diventa un catalizzatore per la decomposizione del silano in idrogeno e silicio liquido. Il silicio liquido rotola via dalla nanoparticella e cristallizza al di sotto. Se la concentrazione di silano attorno alla nanoparticella viene mantenuta invariata, il processo di epitassia continua e sempre più strati di silicio liquido si cristallizzano sui suoi strati già solidificati. Di conseguenza, il nanofilo di silicio cresce, sollevando la nanoparticella d'oro sempre più in alto. In questo caso, ovviamente, la dimensione della nanoparticella determina il diametro del nanofilo. A destra nella Fig. 28 mostra una foresta di nanofili di ZnO preparati in modo simile.

Le proprietà elettriche e meccaniche uniche dei nanofili creano i prerequisiti per il loro utilizzo in futuri dispositivi nanoelettronici e nanoelettromeccanici, nonché elementi di nuovi materiali compositi e biosensori.

INDOVINI DI NANOMIR

Attrito al microscopio

Incontriamo attrito ad ogni passo, ma senza attrito non avremmo fatto un passo. È impossibile immaginare un mondo senza forze di attrito. In assenza di attrito, molti movimenti a breve termine continuerebbero indefinitamente. La terra tremerebbe da continui terremoti mentre le placche tettoniche si scontravano costantemente l'una con l'altra. Tutti i ghiacciai scivolerebbero immediatamente giù per le montagne e la polvere del vento dell'anno scorso si riverserebbe sulla superficie della terra. Com'è bello che ci sia ancora una forza di attrito nel mondo!

D'altro canto, l'attrito tra le parti della macchina porta a usura e rotture e costi aggiuntivi. Stime approssimative mostrano che Ricerca scientifica in tribologia - la scienza dell'attrito - potrebbe risparmiare dal 2 al 10% circa del prodotto nazionale lordo.

Le due più importanti invenzioni umane - la ruota e la fabbricazione del fuoco - sono legate alla forza di attrito. L'invenzione della ruota ha permesso di ridurre significativamente la forza che impedisce il movimento e la produzione del fuoco ha messo la forza di attrito al servizio dell'uomo. Tuttavia, gli scienziati sono ancora lontani dal comprendere appieno le basi fisiche della forza di attrito. E niente affatto perché le persone da qualche tempo hanno smesso di interessarsi a questo fenomeno.

La prima formulazione delle leggi dell'attrito appartiene al grande Leonardo (1519), il quale sosteneva che la forza di attrito che si genera quando un corpo entra in contatto con la superficie di un altro corpo è proporzionale alla forza premente, è diretta contro la direzione del moto e non non dipendono dall'area di contatto. Questa legge fu riscoperta 180 anni dopo da G. Amonton, e poi affinata nelle opere di C. Coulomb (1781). Amonton e Coulomb introdussero il concetto di coefficiente di attrito come rapporto tra la forza di attrito e il carico, attribuendogli il valore di una costante fisica che determina completamente la forza di attrito per qualsiasi coppia di materiali a contatto. Fino ad ora, è questa formula

F tr = μ n, (1)

dove F tr - forza di attrito, n- la componente della forza di pressione, normale alla superficie di contatto, e μ è il coefficiente di attrito, è l'unica formula che si trova nei testi scolastici di fisica (vedi Fig. 29).

Figura 29. Alla formulazione della legge classica dell'attrito.

Per due secoli, la legge (1) provata sperimentalmente non è stata confutata da nessuno, e suona ancora come 200 anni fa:

• la forza di attrito è direttamente proporzionale alla componente normale della forza che comprime le superfici dei corpi di scorrimento, ed agisce sempre in direzione opposta a quella del moto.

• la forza di attrito non dipende dalle dimensioni della superficie di contatto.

• la forza di attrito non dipende dalla velocità di scorrimento.

• la forza di attrito statico è sempre maggiore della forza di attrito radente.

• le forze di attrito dipendono solo da due materiali che scorrono l'uno sull'altro.

La legge classica dell'attrito è sempre valida?

Già nel XIX secolo divenne chiaro che la legge di Amonton-Coulomb (1) non descrive sempre correttamente la forza di attrito e che i coefficienti di attrito non sono affatto caratteristiche universali. Innanzitutto, è stato notato che i coefficienti di attrito dipendono non solo da quali materiali sono a contatto, ma anche da quanto uniformemente vengono lavorate le superfici di contatto. Si è scoperto, ad esempio, che i coefficienti di attrito nel vuoto sono sempre superiori a quelli in condizioni normali (vedi tabella sotto).

Commentando queste discrepanze, il premio Nobel per la fisica R. Feynman ha scritto nelle sue lezioni: ... Tabelle che elencano i coefficienti di attrito "acciaio su acciaio", "rame su rame" e così via, tutto questo è puro imbroglio, perché trascurano queste sciocchezze, e sono loro che determinano il valore di μ. Attrito "rame su rame", ecc. - questo è in realtà attrito "circa lo sporco che aderisce al rame".

Si può, ovviamente, andare nella direzione opposta e, studiando l'attrito del "rame su rame", misurare le forze durante il movimento di superfici perfettamente levigate e degasate nel vuoto. Ma poi due di questi pezzi di rame si attaccheranno semplicemente insieme e il coefficiente di attrito statico inizierà ad aumentare con il tempo trascorso dall'inizio del contatto tra le superfici. Per gli stessi motivi, il coefficiente di attrito radente dipenderà dalla velocità (aumenta con la sua diminuzione). Ciò significa che è anche impossibile determinare con precisione la forza di attrito per i metalli puri.

Tuttavia, per le superfici standard asciutte, la legge classica dell'attrito è quasi esatta, sebbene la ragione di questo tipo di legge sia rimasta poco chiara fino a tempi molto recenti. Dopotutto, nessuno potrebbe teoricamente stimare il coefficiente di attrito tra due superfici.

In che modo gli atomi si "strofinano" l'uno contro l'altro?

La difficoltà nello studiare l'attrito sta nel fatto che il luogo in cui avviene questo processo è nascosto al ricercatore da tutti i lati. Nonostante ciò, gli scienziati sono giunti da tempo alla conclusione che la forza di attrito è dovuta al fatto che a livello microscopico (cioè guardando al microscopio) le superfici di contatto sono molto ruvide, anche se sono state lucidate. Pertanto, lo scorrimento di due superfici l'una contro l'altra può assomigliare a un caso fantastico quando le montagne del Caucaso invertito si sfregano, ad esempio, sull'Himalaya (Fig. 30).

Figura 30. Rappresentazione schematica del punto di contatto delle superfici di scorrimento a forza di compressione bassa (in alto) e grande (in basso).

In precedenza, si pensava che il meccanismo di attrito fosse semplice: la superficie è ricoperta di irregolarità e l'attrito è il risultato di successivi cicli di sollevamento e abbassamento delle parti scorrevoli. Ma questo è sbagliato, perché in tal caso non ci sarebbe perdita di energia e l'attrito consuma energia.

Il seguente modello di attrito può essere considerato più vicino alla realtà. Quando le superfici di sfregamento scivolano, le loro microrugosità entrano in contatto e, nei punti di contatto, gli atomi opposti vengono attratti l'uno dall'altro, per così dire, "aderenti". Con un ulteriore movimento relativo dei corpi, questi accoppiamenti si rompono e sorgono vibrazioni degli atomi, simili a quelle che si verificano quando viene rilasciata una molla tesa. Nel tempo, queste vibrazioni decadono e la loro energia si trasforma in calore, diffondendosi su entrambi i corpi. Nel caso di scorrimento di corpi molli è possibile anche la distruzione delle microrugosità, la cosiddetta "aratura", in questo caso l'energia meccanica viene spesa per la distruzione dei legami intermolecolari o interatomici.

Quindi, se vogliamo studiare l'attrito, dobbiamo riuscire a spostare un granello di sabbia, costituito da più atomi lungo la superficie a una distanza molto piccola da essa, misurando le forze che agiscono su questo granello di sabbia dal lato del superficie. Ciò è diventato possibile solo dopo l'invenzione della microscopia a forza atomica. La realizzazione di un microscopio a forza atomica (AFM), in grado di sentire le forze di attrazione e repulsione nascenti tra i singoli atomi, ha permesso, infine, di "sentire" cosa sono le forze di attrito, aprendo un nuovo ambito della scienza della attrito - nanotribologia.

Dall'inizio degli anni '90, l'AFM è stato utilizzato per studiare sistematicamente la forza di attrito delle microsonde che scorrono lungo varie superfici e la dipendenza di queste forze dalla forza di pressione. Si è scoperto che per le sonde comunemente usate in silicio, la microscopica forza di attrito radente è circa il 60-80% della forza di pressione, che non è superiore a 10 nN (vedi Fig. 31, in alto). Come previsto, la forza di attrito radente aumenta con le dimensioni della microsonda, poiché aumenta il numero di atomi che la attirano simultaneamente (vedi Fig. 31, in basso).

Figura 31. Dipendenza della forza di attrito radente della microsonda dalla forza esterna, n premendolo contro la superficie di grafite. Top - raggio di curvatura della sonda, 17 nm; fondo - raggio di curvatura della sonda, 58 nm. Si vede che per i piccoli n la dipendenza è curvilinea, e in generale si avvicina alla retta indicata dalla linea tratteggiata. Dati tratti da Holscher e Schwartz (2002).

Pertanto, la forza di attrito radente della microsonda dipende dall'area del suo contatto con la superficie, che contraddice la classica legge di attrito. Si è anche scoperto che la forza di attrito radente non diventa zero in assenza di una forza che preme la microsonda sulla superficie. Sì, questo è comprensibile, poiché gli atomi di superficie che circondano la microsonda sono così vicini ad essa da attirarla anche in assenza di una forza di compressione esterna. Pertanto, l'assunzione principale della legge classica - circa la dipendenza proporzionale diretta della forza di attrito dalla forza di compressione - non è osservata anche in nanotribologia.

Tuttavia, tutte queste discrepanze tra la legge classica (1) ei dati di nanotribologia ottenuti utilizzando l'AFM possono essere facilmente eliminate. All'aumentare della forza che preme sul corpo scorrevole, aumenta il numero di microcontatti, il che significa che aumenta anche la forza totale di attrito radente. Pertanto, non ci sono contraddizioni tra i dati appena ottenuti dagli scienziati e la vecchia legge.

Per molto tempo si è creduto che costringendo un corpo a scivolare su un altro, si rompono piccole disomogeneità di un corpo, che si aggrappano alle disomogeneità della superficie di un altro, e per rompere queste disomogeneità è necessaria la forza di attrito. Pertanto, i vecchi concetti spesso associano il verificarsi della forza di attrito con il danneggiamento delle micro sporgenze delle superfici di sfregamento, la loro cosiddetta usura. Studi nanotribologici che utilizzano l'AFM e altre tecniche moderne hanno dimostrato che la forza di attrito tra le superfici può essere uniforme nei casi in cui non sono danneggiate. La ragione di questa forza di attrito è il costante sorgere e rompere i legami tra gli atomi di sfregamento.

Perché le nanoparticelle si sciolgono a basse temperature?

Con una diminuzione delle dimensioni di una particella, non cambiano solo le sue proprietà meccaniche, ma anche le sue caratteristiche termodinamiche. Ad esempio, il suo punto di fusione diventa molto più basso di quello di campioni di dimensioni normali. La Figura 35 mostra come il punto di fusione delle nanoparticelle di alluminio cambia al diminuire delle dimensioni. Si può notare che il punto di fusione di una particella di 4 nm è di 140 °C inferiore a quello di un campione di alluminio di dimensioni ordinarie.

Figura 35. Dipendenza del punto di fusione delle nanoparticelle di alluminio T m dal loro raggio R in angstrom (Å) 1 Å = 0,1 nm.

Dipendenze simili a quella mostrata in Fig. 35 sono stati ottenuti per molti metalli. Pertanto, quando il diametro delle nanoparticelle di stagno diminuisce a 8 nm, il loro punto di fusione scende di 100 ° C (da 230 ° C a 130 ° C). In questo caso, il calo maggiore della temperatura di fusione (più di 500 ° C) è stato riscontrato per le nanoparticelle d'oro.

Le nanoparticelle hanno quasi tutti gli atomi sulla superficie!

La ragione della diminuzione della temperatura di fusione delle nanoparticelle è che gli atomi sulla superficie di tutti i cristalli sono in condizioni speciali e la frazione di tali atomi "di superficie" nelle nanoparticelle diventa molto grande. Stimiamo questa frazione "superficiale" per l'alluminio.

È facile calcolare che 1 cm 3 di alluminio contiene circa 6. 10 22 atomi. Per semplicità, assumeremo che gli atomi si trovino nei siti di un reticolo cristallino cubico, quindi la distanza tra gli atomi vicini in questo reticolo sarà di circa 4. 10 -8 cm Ciò significa che la densità degli atomi sulla superficie sarà 6. 10 14 cm -2.

Ora prendiamo un cubo di alluminio con un bordo di 1 cm, il numero di atomi di superficie al suo interno sarà pari a 36. 10 14 e il numero di atomi all'interno è 6. 10 22. Pertanto, la frazione di atomi di superficie in un tale cubo di alluminio di dimensioni "normali" è solo 6. 10 -8.

Se facciamo gli stessi calcoli per un cubo di alluminio da 5 nm, si scopre che sulla superficie di un tale "nanocubo" ci sono già il 12% di tutti i suoi atomi. Ebbene, sulla superficie di un cubo da 1 nm, in generale, ci sono più della metà di tutti gli atomi! La dipendenza della frazione "superficie" dal numero di atomi è mostrata nella Figura 36.

Figura 36. Dipendenza della frazione "superficiale" di atomi (asse delle ordinate) dalla radice cubica del loro numero N in un cubo di una sostanza cristallina.

Non c'è ordine sulla superficie del cristallo

Dall'inizio degli anni '60 del secolo scorso, gli scienziati hanno creduto che gli atomi situati sulla superficie dei cristalli si trovassero in condizioni speciali. Le forze che li costringono a trovarsi nei nodi del reticolo cristallino agiscono su di essi solo dal basso. Pertanto, gli atomi di superficie (o molecole) non hanno bisogno di "eludere il consiglio e l'abbraccio" delle molecole nel reticolo e, se ciò accade, diversi strati superficiali di atomi prendono la stessa decisione contemporaneamente. Di conseguenza, sulla superficie di tutti i cristalli si forma una pellicola liquida. A proposito, i cristalli di ghiaccio non fanno eccezione. Pertanto, il ghiaccio è scivoloso (vedi Fig. 37).

Figura 37. Rappresentazione schematica di una sezione trasversale di ghiaccio. La disposizione casuale delle molecole d'acqua sulla superficie corrisponde a un film liquido e la struttura esagonale nella massa corrisponde al ghiaccio. Cerchi rossi - atomi di ossigeno; bianco - atomi di idrogeno (dal libro di K. Yu. Bogdanov "Sulla fisica delle uova ... e non solo", Mosca, 2008).

Lo spessore del film liquido sulla superficie del cristallo aumenta con la temperatura, poiché la maggiore energia termica delle molecole estrae più strati superficiali dal reticolo cristallino. Stime teoriche ed esperimenti mostrano che non appena lo spessore del film liquido sulla superficie del cristallo inizia a superare 1/10 della dimensione del cristallo, l'intero reticolo cristallino collassa e la particella diventa liquida. Pertanto, il punto di fusione delle particelle diminuisce gradualmente al diminuire della loro dimensione (vedi Fig. 35).

Ovviamente, il "basso punto di fusione" delle nanoparticelle dovrebbe essere preso in considerazione in qualsiasi nanoproduzione. È noto, ad esempio, che le dimensioni degli elementi moderni dei microcircuiti elettronici sono su scala nanometrica. Pertanto, l'abbassamento della temperatura di fusione dei nanooggetti cristallini impone alcune restrizioni ai regimi di temperatura di funzionamento dei microcircuiti moderni e futuri.

Perché il colore delle nanoparticelle può dipendere dalle loro dimensioni?

Molte caratteristiche meccaniche, termodinamiche ed elettriche della materia cambiano nel nanomondo. Le loro proprietà ottiche non fanno eccezione. Cambiano anche nel nanomondo.

Siamo circondati da oggetti di dimensioni ordinarie e siamo abituati al fatto che il colore di un oggetto dipende solo dalle proprietà della sostanza di cui è fatto o dal colorante con cui è dipinto. Nel nanomondo, questa idea si rivela ingiusta e questo distingue le nano-ottiche da quelle ordinarie.

Circa 20-30 anni fa, la "nano-ottica" non esisteva affatto. E come potrebbe esserci nano-ottica se dal corso dell'ottica convenzionale deriva che la luce non può "sentire" i nano-oggetti, perché la loro dimensione è significativamente inferiore alla lunghezza d'onda della luce λ = 400 - 800 nm. Secondo la teoria ondulatoria della luce, i nanooggetti non dovrebbero avere ombre e la luce da essi non può essere riflessa. È anche impossibile focalizzare la luce visibile su un'area corrispondente a un nano-oggetto. Ciò significa che è impossibile vedere le nanoparticelle.

Tuttavia, d'altra parte, un'onda luminosa dovrebbe comunque agire sui nanooggetti, come qualsiasi campo elettromagnetico. Ad esempio, la luce che cade su una nanoparticella semiconduttrice può strappare uno degli elettroni di valenza dal suo atomo con il suo campo elettrico. Questo elettrone diventerà un elettrone di conduzione per un po', e poi tornerà di nuovo "a casa", emettendo un quanto di luce corrispondente all'ampiezza della "banda proibita" - l'energia minima richiesta affinché un elettrone di valenza si liberi (vedi Fig. 40).

Pertanto, anche i semiconduttori su scala nanometrica devono rilevare la luce incidente su di essi, mentre emettono luce di frequenza inferiore. In altre parole, le nanoparticelle di semiconduttori nella luce possono diventare fluorescenti, emettendo luce di una frequenza strettamente definita corrispondente all'ampiezza del "band gap".

Figura 40. Rappresentazione schematica dei livelli energetici e delle bande di energia di un elettrone in un semiconduttore. Sotto l'influenza della luce blu, un elettrone (cerchio bianco) si stacca dall'atomo, passando nella banda di conduzione. Dopo un po' scende al livello energetico più basso di questa zona e, emettendo un quanto di luce rossa, torna nella banda di valenza.

Illumina in base alla taglia!

Sebbene la capacità di fluorescenza delle nanoparticelle di semiconduttori fosse nota alla fine del XIX secolo, questo fenomeno è stato descritto in dettaglio solo alla fine del secolo scorso. E, cosa più interessante, si è scoperto che la frequenza della luce emessa da queste particelle è diminuita con l'aumento delle dimensioni di queste particelle (Fig. 41).

Figura 41. Fluorescenza di sospensioni di particelle colloidali CdTe varie dimensioni (da 2 a 5 nm, da sinistra a destra). Tutte le lampadine sono illuminate dall'alto con luce blu della stessa lunghezza d'onda. Adattato da H. Weller (Istituto di chimica fisica, Università di Amburgo).

Come mostrato in fig. 41, il colore della sospensione (sospensione) delle nanoparticelle dipende dal loro diametro. Dipendenza dal colore della fluorescenza, ad es. la sua frequenza, sulla dimensione della nanoparticella significa che l'ampiezza della "zona proibita" dipende anche dalla dimensione della particella. E... Guardando le Figure 40 e 41, si può affermare che con un aumento delle dimensioni delle nanoparticelle, il "band gap", Δ E dovrebbe diminuire, perché = h. Questa dipendenza può essere spiegata come segue.

È più facile "staccare" se ci sono molti vicini in giro

L'energia minima richiesta per staccare un elettrone di valenza e trasferirlo alla banda di conduzione dipende non solo dalla carica del nucleo atomico e dalla posizione dell'elettrone nell'atomo. Più atomi ci sono, più è facile strappare un elettrone, perché anche i nuclei degli atomi vicini lo attraggono a se stessi. La stessa conclusione è valida per la ionizzazione degli atomi (vedi Fig. 42).

Figura 42. Dipendenza del numero medio di vicini più prossimi nel reticolo cristallino (ordinata) dal diametro di una particella di platino in angstrom (ascisse). 1 = 0,1 nm. Adattato da Frenkel et al. (J. Phys. Chem., B, v. 105: 12689, 2001).

Nella fig. 42. mostra come il numero medio di vicini più prossimi di un atomo di platino cambia con l'aumentare del diametro delle particelle. Quando il numero di atomi in una particella è piccolo, una parte significativa di essi si trova sulla superficie, il che significa che il numero medio dei vicini più prossimi è molto inferiore a quello corrispondente al reticolo cristallino del platino (11). All'aumentare della dimensione delle particelle, il numero medio di vicini più prossimi si avvicina al limite corrispondente a un dato reticolo cristallino. Dalla fig. 42 ne consegue che è più difficile ionizzare (rimuovere un elettrone) un atomo se si trova in una particella piccola, poiché in media, un tale atomo ha pochi vicini più prossimi.

Figura 43. Dipendenza del potenziale di ionizzazione (funzione lavoro, in eV) dal numero di atomi di N in una nanoparticella di ferro. Adattato da una conferenza di E. Roduner (Stoccarda, 2004).

Nella fig. 43 mostra come cambia il potenziale di ionizzazione (funzione di lavoro, in eV) per nanoparticelle contenenti un numero diverso di atomi di ferro. n... Si vede che con la crescita n la funzione lavoro decresce, tendendo al valore limite corrispondente alla funzione lavoro per campioni di dimensioni ordinarie. Si è scoperto che il cambiamento UN fuori con il diametro delle particelle D può essere descritto abbastanza bene dalla formula:

UN fuori = UN out0 + 2 Z e 2 / D , (6)

dove UN out0 - funzione di lavoro per campioni di dimensioni convenzionali, ZÈ la carica del nucleo atomico, e eÈ la carica dell'elettrone.

È ovvio che la larghezza della "zona proibita" Δ E dipende dalla dimensione della particella semiconduttrice allo stesso modo della funzione lavoro delle particelle metalliche (vedi formula 6) - diminuisce con l'aumentare del diametro delle particelle. Pertanto, la lunghezza d'onda della fluorescenza delle nanoparticelle di semiconduttori aumenta con l'aumentare del diametro delle particelle, come illustrato nella Figura 41.

Punti quantici: atomi artificiali

Le nanoparticelle di semiconduttori sono spesso chiamate "punti quantici". Con le loro proprietà, assomigliano agli atomi - "atomi artificiali" con nanoscala. Dopotutto, gli elettroni negli atomi, passando da un'orbita all'altra, emettono anche un quanto di luce di una frequenza strettamente definita. Ma a differenza degli atomi reali, la cui struttura interna e lo spettro di radiazione non possiamo cambiare, i parametri dei punti quantici dipendono dai loro creatori, i nanotecnologi.

I punti quantici sono già uno strumento conveniente per i biologi che cercano di discernere varie strutture all'interno delle cellule viventi. Il fatto è che varie strutture cellulari sono ugualmente trasparenti e non colorate. Pertanto, se guardi una cellula attraverso un microscopio, non vedrai nulla tranne i suoi bordi. Per rendere visibile una certa struttura della cellula, sono stati creati punti quantici che possono aderire a determinate strutture intracellulari (Fig. 44).

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Per colorare la gabbia di fig. 44 in diversi colori, sono state realizzate tre dimensioni di punti quantici. La più piccola luce verde brillante, è stata incollata a molecole in grado di aderire ai microtubuli che compongono lo scheletro interno della cellula. I punti quantici di medie dimensioni potrebbero aderire alle membrane dell'apparato di Golgi e quelli più grandi al nucleo cellulare. Quando la cellula è stata immersa in una soluzione contenente tutti questi punti quantici e trattenuta in essa per un po', sono penetrati all'interno e si sono bloccati dove potevano. La cellula è stata quindi sciacquata in una soluzione che non contiene punti quantici e posta al microscopio. Come previsto, le suddette strutture cellulari sono diventate multicolori e chiaramente visibili (Fig. 44).

Figura 44. Dipingere diverse strutture intracellulari in diversi colori usando punti quantici. Rosso - nucleo; verde - microtubuli; giallo - apparato del Golgi.

Nanotecnologie nella lotta al cancro

Nel 13% dei casi le persone muoiono di cancro. Questa malattia uccide ogni anno circa 8 milioni di persone in tutto il mondo. Molti tipi di cancro sono ancora considerati incurabili. La ricerca scientifica mostra che l'uso delle nanotecnologie può essere un potente strumento nella lotta contro questa malattia.

Nanotecnologie e Medicina

Nanoparticelle d'oro: bombe termiche per le cellule cancerose

Una nanoparticella sferica di silicio con un diametro di circa 100 nm è ricoperta da uno strato d'oro spesso 10 nm. Una tale nanoparticella d'oro ha la capacità di assorbire la radiazione infrarossa con una lunghezza d'onda di 820 nm, riscaldando un sottile strato di liquido attorno ad essa di diverse decine di gradi.

La radiazione con una lunghezza d'onda di 820 nm non viene praticamente assorbita dai tessuti del nostro corpo. Pertanto, se produci nanoparticelle d'oro che aderiscono solo alle cellule cancerose, quindi facendo passare radiazioni di questa lunghezza d'onda attraverso il corpo umano, puoi riscaldare e distruggere queste cellule senza danneggiare le cellule sane del corpo.

Gli scienziati hanno scoperto che la membrana delle cellule normali è diversa da quella delle cellule cancerose e hanno proposto di applicare molecole sulla superficie delle nanoparticelle d'oro per facilitare la loro adesione alle cellule cancerose. Tali nanoparticelle con la capacità di aderire alle cellule cancerose sono state realizzate per diversi tipi di cancro.

In esperimenti sui topi, è stata dimostrata l'efficacia delle nanoparticelle d'oro nel distruggere le cellule cancerose. In primo luogo, il cancro è stato causato nei topi, quindi sono stati iniettati con le nanoparticelle appropriate e quindi esposti a radiazioni di una certa lunghezza d'onda. Si è scoperto che dopo diversi minuti di tale irradiazione, la maggior parte delle cellule cancerose è morta per il surriscaldamento, mentre le cellule normali sono rimaste intatte. Gli scienziati nutrono grandi speranze per questo metodo di lotta contro il cancro.

Dendrimeri - capsule con veleno per le cellule tumorali

Le cellule cancerose hanno bisogno di molti folati per dividersi e crescere. Pertanto, le molecole di acido folico aderiscono molto bene alla superficie delle cellule tumorali e se il guscio esterno dei dendrimeri contiene molecole di acido folico, tali dendrimeri aderiranno selettivamente solo alle cellule tumorali. Con l'aiuto di tali dendrimeri, le cellule cancerose possono essere rese visibili attaccando alcune altre molecole al guscio del dendrimero, ad esempio, sotto la luce ultravioletta. Attaccando un farmaco che uccide le cellule cancerose al guscio esterno del dendrimero, è possibile non solo rilevarle, ma anche ucciderle (Fig. 45).

Figura 45. Un dendrimero, al cui guscio esterno sono attaccate molecole di acido folico (viola), aderisce solo alle cellule cancerose. Molecole di fluoresceina incandescente (verde) rilevano queste cellule, le molecole di metotrexato (rosso) uccidono le cellule tumorali. Ciò rende possibile uccidere selettivamente solo le cellule cancerose.

Le nanoparticelle d'argento sono veleno per i batteri

Le proprietà fisiche di molte sostanze dipendono dalle dimensioni del campione. Le nanoparticelle di una sostanza hanno spesso proprietà che generalmente non si trovano nei campioni di queste sostanze, che hanno dimensioni ordinarie.

È noto che l'oro e l'argento non partecipano alla maggior parte delle reazioni chimiche. Tuttavia, le nanoparticelle d'argento o d'oro non solo diventano ottimi catalizzatori per le reazioni chimiche (accelerano il loro corso), ma partecipano anche direttamente alle reazioni chimiche. Ad esempio, i normali campioni di argento non interagiscono con l'acido cloridrico, ma le nanoparticelle d'argento reagiscono con l'acido cloridrico e questa reazione procede secondo il seguente schema: 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H 2.

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L'elevata reattività delle nanoparticelle d'argento è spiegata dal fatto che hanno un forte effetto battericida: uccidono alcuni tipi di batteri patogeni. Gli ioni d'argento rendono impossibile il verificarsi di molte reazioni chimiche all'interno dei batteri, e quindi molti batteri non si moltiplicano in presenza di nanoparticelle d'argento. I cosiddetti batteri Gram-negativi, che non possono essere colorati con il metodo Gram (E. coli, Salmonella, ecc.), sono i più sensibili all'azione delle nanoparticelle d'argento (Fig. 47).

Figura 47. Effetto di diverse concentrazioni di nanoparticelle d'argento di 10-15 nm di dimensione sulla moltiplicazione dei batteri E. coli ( Escherichia coli) – (un) e salmonella ( tifo da salmonella) – (B). Da sinistra a destra, entrambi i pannelli mostrano fotografie di piastre di Petri con concentrazioni di nanoparticelle di argento di 0, 5, 10, 25 e 35 μg/ml. I batteri macchiano di giallo le tazze della soluzione nutritiva (vedi tre tazze all'estrema sinistra). In assenza di batteri, le capsule Petri sono di colore marrone scuro per la presenza di nanoparticelle d'argento. Adattato da Shrivastava et al. (Nanotecnologia, 18: 225103, 2007).

Per sfruttare la proprietà battericida delle nanoparticelle d'argento, hanno iniziato a essere incorporate in materiali tradizionali come i tessuti per biancheria da letto. È stato scoperto che i calzini realizzati con tessuti contenenti nanoparticelle d'argento prevengono le infezioni fungine dei piedi.

Posate, maniglie delle porte e persino tastiere e mouse per computer, che si scoprì essere terreno fertile per batteri patogeni, iniziarono a essere rivestiti con uno strato di nanoparticelle d'argento. Le nanoparticelle d'argento iniziarono ad essere utilizzate nella creazione di nuovi rivestimenti, disinfettanti e detergenti (compresi dentifrici e paste detergenti, detersivi in ​​polvere)

Batteri ed eritrociti portatori di nanocapsule con farmaci

La malattia umana, di regola, è associata alla malattia non di tutte, ma spesso di una piccola parte delle sue cellule. Ma, quando prendiamo le pillole, la medicina si dissolve nel sangue, e poi con il flusso sanguigno agisce su tutte le cellule - malate e sane. Allo stesso tempo, i farmaci non necessari possono causare i cosiddetti effetti collaterali nelle cellule sane, ad esempio reazioni allergiche. Pertanto, il vecchio sogno dei medici era il trattamento selettivo delle sole cellule malate, in cui il farmaco viene somministrato in porzioni mirate e molto piccole. Le nanocapsule di farmaci che possono aderire solo a determinate cellule possono essere la soluzione a questo problema medico.

Il principale ostacolo che impedisce l'uso di nanocapsule con farmaci per la consegna mirata alle cellule malate è il nostro sistema immunitario. Non appena le cellule del sistema immunitario incontrano corpi estranei, comprese le nanocapsule con farmaci, cercano di distruggere e rimuovere i loro resti dal flusso sanguigno. E più lo fanno con successo, migliore è la nostra immunità. Pertanto, se iniettiamo delle nanocapsule nel flusso sanguigno, il nostro sistema immunitario distruggerà le nanocapsule prima che raggiungano le cellule bersaglio.

Per ingannare il nostro sistema immunitario, si suggerisce di utilizzare globuli rossi (eritrociti) per fornire nanocapsule. Il nostro sistema immunitario riconosce facilmente gli "amici" e non attacca mai i globuli rossi. Pertanto, se le nanocapsule sono attaccate agli eritrociti, le cellule del sistema immunitario, "vedendo" il loro "proprio" eritrocita fluttuare attraverso il vaso sanguigno, non "ispezioneranno" la sua superficie e l'eritrocita con le nanocapsule incollate galleggerà ulteriormente verso il cellule a cui queste nanocapsule sono indirizzate. I globuli rossi vivono in media circa 120 giorni. Gli esperimenti hanno dimostrato che la durata della vita delle nanocapsule attaccate agli eritrociti è 100 volte più lunga rispetto a quando vengono semplicemente iniettate nel sangue.

Un normale batterio può anche essere caricato di nanoparticelle con farmaci, e quindi può funzionare come trasporto per la consegna di questi farmaci alle cellule malate. Le dimensioni delle nanoparticelle - da 40 a 200 nanometri, gli scienziati hanno imparato ad attaccarle alla superficie dei batteri usando molecole speciali. Un batterio può ospitare fino a diverse centinaia di nanoparticelle di diverso tipo (Fig. 59).

Figura 59. Metodo di consegna di nanoparticelle con farmaci o frammenti di DNA (geni) per il trattamento delle cellule.

I batteri hanno una capacità naturale di invadere le cellule viventi, il che li rende candidati ideali per la somministrazione di farmaci. Ciò è particolarmente prezioso nella terapia genica, dove è necessario fornire frammenti di DNA allo scopo previsto senza uccidere una cellula sana. Dopo che i geni entrano nel nucleo cellulare, inizia a produrre proteine ​​specifiche, correggendo così la malattia genetica. Questo apre nuove possibilità nel campo della terapia genica. Inoltre, i batteri possono trasportare nanoparticelle velenose per, ad esempio, uccidere le cellule cancerose.

Nanofibre - un'impalcatura per la ricostruzione del midollo spinale

È noto che attualmente la lesione del midollo spinale spesso non risponde al trattamento. In questi casi, una lesione del midollo spinale confonde una persona su una sedia a rotelle per tutta la vita. La ragione di questa incurabile lesione del midollo spinale è la funzione protettiva del nostro corpo: la rapida formazione di una cicatrice dal tessuto connettivo duro, che funge da confine tra i nervi danneggiati e non danneggiati che corrono lungo il midollo spinale.

Una cicatrice protegge sempre le cellule viventi dai morti vicini e si forma quando tutti i tessuti del corpo sono danneggiati. Tuttavia, se il midollo spinale è ferito, la cicatrice risultante impedisce la crescita dei nervi e il ripristino della funzione principale del midollo spinale: condurre impulsi nervosi dal cervello a varie parti del corpo e viceversa.

I nervi non possono crescere attraverso la cicatrice e le cavità vuote. Per crescere, come una casa, hanno bisogno di una cornice o di guide (foreste), nonché dell'assenza di ostacoli. Pertanto, per il rapido recupero della lesione del midollo spinale, è necessario (1) prevenire la formazione di una cicatrice e (2) riempire lo spazio tra le fibre nervose danneggiate e non danneggiate con uno scheletro. La nanotecnologia risolve entrambi i problemi di cui sopra.

È noto che le molecole anfifiliche, ad es. le molecole in cui le regioni idrofile e idrofobe sono separate spazialmente hanno la capacità di autoassemblarsi. Queste molecole alla fine si assemblano in nanofibre cilindriche. Allo stesso tempo, sulla superficie di queste nanofibre possono essere localizzate varie molecole, ad esempio sopprimendo la formazione di cicatrici e stimolando la crescita del tessuto nervoso. Queste nanofibre formano strutture reticolari, creando un'impalcatura per la crescita dei nervi (Fig. 61). Se si riempie il sito della lesione del midollo spinale con tali fibre autoassemblanti, i nervi danneggiati inizieranno a crescere attraverso il sito della lesione, eliminando le conseguenze della lesione.

Figura 61. Sulla destra è una rappresentazione schematica di una nanofibra formata da molecole anfifiliche che trasportano strutture chimiche che bloccano la crescita delle cicatrici e attivano la crescita dei nervi (indicata da colori diversi). A sinistra - microfotografia di una struttura formata da nanofibre nel sito della lesione del midollo spinale; calibrazione, 200 nm. Adattato da Hartgerink et al., Science, 294, 1684 (2001).

Se, con l'aiuto di una siringa (Fig. 62), una soluzione di tali molecole anfifiliche viene introdotta nel sito della lesione entro 24 ore dopo la lesione, esse, raccolte in una rete tridimensionale di nanofibre, impediranno la formazione di cicatrici , e le fibre nervose potranno crescere, ripristinando la conduzione di un impulso attraverso il midollo spinale ed eliminando le conseguenze della lesione. Tali esperimenti sono stati condotti sui ratti e hanno avuto successo.

R Figura 62. Rappresentazione schematica dell'area danneggiata del midollo spinale (freccia) e una siringa con la quale viene iniettato un liquido con molecole anfifiliche in quest'area. Adattato da Silva et al, Science, 303, 1352 (2004).

La nanotecnologia nella vita quotidiana e nell'industria

Nanotubi - serbatoi di stoccaggio per l'idrogeno, il carburante più pulito

Le riserve di carbone, petrolio e gas sulla Terra sono limitate. Inoltre, la combustione di combustibili convenzionali porta all'accumulo di anidride carbonica e altre impurità nocive nell'atmosfera e questo, a sua volta, al riscaldamento globale, i cui sintomi stanno già vivendo l'umanità. Pertanto, oggi l'umanità deve affrontare un compito molto importante: come sostituire i combustibili tradizionali in futuro?

È più redditizio utilizzare l'idrogeno, l'elemento chimico più diffuso nell'Universo, come combustibile. Durante l'ossidazione (combustione) dell'idrogeno, si forma acqua e questa reazione procede con il rilascio di una quantità molto grande di calore (120 kJ/kg). Per confronto, il calore specifico di combustione della benzina e del gas naturale è tre volte inferiore a quello dell'idrogeno. Va inoltre tenuto presente che la combustione dell'idrogeno non forma ossidi dannosi per l'ambiente di azoto, carbonio e zolfo.

Sono stati proposti molti metodi abbastanza economici e rispettosi dell'ambiente per produrre idrogeno, tuttavia, lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno è stato finora uno dei problemi irrisolti dell'energia dell'idrogeno. La ragione di ciò è la dimensione molto piccola della molecola di idrogeno. Per questo motivo, l'idrogeno può penetrare attraverso le fessure e i pori microscopici presenti nei materiali comuni e il suo rilascio nell'atmosfera può portare a esplosioni. Pertanto, le pareti delle bombole di ossigeno dovrebbero essere più spesse, il che le rende più pesanti. Per motivi di sicurezza, è meglio raffreddare le bombole di idrogeno a diverse decine di K, il che aumenta ulteriormente il costo di stoccaggio e trasporto di questo carburante.

La soluzione al problema dello stoccaggio e del trasporto dell'idrogeno può essere un dispositivo che svolge il ruolo di una "spugna", che avrebbe la capacità di assorbire l'idrogeno e trattenerlo per un tempo indefinitamente lungo. È ovvio che una tale "spugna" di idrogeno dovrebbe avere un'ampia superficie e un'affinità chimica per l'idrogeno. Tutte queste proprietà sono presenti nei nanotubi di carbonio.

Come sai, i nanotubi di carbonio hanno tutti gli atomi sulla superficie. Uno dei meccanismi per l'assorbimento dell'idrogeno da parte dei nanotubi è il chemisorbimento, cioè l'adsorbimento di idrogeno H 2 sulla superficie del tubo, seguito dalla dissociazione e dalla formazione di legami chimici C – H. L'idrogeno legato in questo modo può essere estratto dal nanotubo, ad esempio riscaldandolo a 600°C. Inoltre, le molecole di idrogeno si legano alla superficie del nanotubo per adsorbimento fisico attraverso l'interazione di van der Waals.

Si ritiene che l'uso più efficiente dell'idrogeno come combustibile sia la sua ossidazione in una cella a combustibile (Fig. 46), che converte direttamente l'energia chimica in energia elettrica. Pertanto, una cella a combustibile è simile a una cella galvanica, ma differisce da essa in quanto le sostanze che partecipano alla reazione le vengono continuamente fornite dall'esterno.

Figura 46. Rappresentazione schematica di una cella a combustibile costituita da due elettrodi separati da un elettrolita. L'idrogeno viene fornito all'anodo che, penetrando nell'elettrolita attraverso pori molto piccoli nel materiale dell'elettrodo e partecipando alla reazione di chemisorbimento, si trasforma in ioni caricati positivamente. L'ossigeno viene fornito al catodo e l'acqua, il prodotto di reazione, viene rimossa. I catalizzatori sono usati per accelerare la reazione. Gli elettrodi della cella a combustibile sono collegati a un carico (lampada).

Secondo i ricercatori, per creare una cella a combustibile efficiente, è necessario creare una "spugna" di idrogeno, ogni metro cubo della quale conteneva almeno 63 kg di idrogeno. In altre parole, la massa di idrogeno immagazzinata nella "spugna" deve essere almeno il 6,5% della massa della "spugna". Attualmente, con l'aiuto della nanotecnologia in condizioni sperimentali, è stato possibile creare "spugne" di idrogeno, la cui massa di idrogeno supera il 18%, il che apre ampie prospettive per lo sviluppo dell'energia dell'idrogeno.

I materiali in nanofase sono più durevoli

Con un carico sufficientemente grande, tutti i materiali si rompono e nel punto della rottura, gli strati adiacenti di atomi si allontanano l'uno dall'altro per sempre. Tuttavia, la forza di molti materiali non dipende da quanta forza deve essere applicata per separare due strati adiacenti di atomi. In effetti, è molto più facile strappare qualsiasi materiale se presenta crepe. Pertanto, la resistenza dei materiali solidi dipende da quante microfessure ci sono e quali, e da come le crepe si propagano attraverso questo materiale. In quei punti dove c'è una crepa, la forza che verifica la resistenza del materiale non viene applicata all'intero strato, ma alla catena di atomi situata all'apice della crepa, e quindi è molto facile allontanare gli strati (vedi fig.48).

Figura 48. Rappresentazione schematica di una fessura tra due strati di atomi, che si espande sotto l'azione di forze (frecce rosse).

La propagazione delle cricche è spesso ostacolata dalla microstruttura del solido. Se il corpo è costituito da microcristalli, come i metalli, una crepa, che divide uno di essi in due, può urtare la superficie esterna di un microcristallo vicino e fermarsi. Pertanto, minore è la dimensione delle particelle da cui è formato il materiale, più difficile è la propagazione delle crepe attraverso di essa.

I materiali composti da nanoparticelle sono chiamati nanofase. Un esempio di materiale in nanofase è il rame in nanofase, uno dei cui metodi di produzione è mostrato nella Figura 49.

Figura 49. Produzione di rame nanofase.

Per produrre rame nanofase, un foglio di rame ordinario viene riscaldato per alta temperatura, in cui gli atomi di rame iniziano ad evaporare dalla sua superficie. Con un flusso convettivo, questi atomi si spostano sulla superficie del tubo freddo, su cui si depositano, formando conglomerati di nanoparticelle. Uno strato denso di nanoparticelle di rame sulla superficie del tubo freddo è nanofase rame.

Materiali nanofasici, che sono spesso chiamati nanostrutturato, può essere realizzato in vari modi, ad esempio comprimendo la polvere di nanoparticelle ad una temperatura elevata (pressatura a caldo).

Campioni di materiali, "messi insieme" da nanoparticelle, sono molto più resistenti di quelli ordinari. Il carico meccanico di un materiale in nanofase, come quello di un materiale convenzionale, provoca la comparsa di microcricche. Tuttavia, la propagazione rettilinea di questa microcrack e la sua trasformazione in una macrocrack è ostacolata dai numerosi confini di nanoparticelle che compongono questo materiale. Pertanto, una microcricca colpisce il confine di una delle nanoparticelle e si ferma, mentre il campione rimane intatto.

La Figura 50 mostra come la forza del rame dipenda dalle dimensioni dei microcristalli o nanoparticelle di cui è composto. Si può vedere che la forza di un campione di rame nanofase può essere 10 volte superiore alla forza del rame ordinario, che, di regola, è costituito da cristalli di circa 50 μm di dimensione.

Figura 50. Dipendenza della forza del rame dalla dimensione dei granuli (particelle). Adattato da Scientific American, 1996, dicembre, p. 74.

A basse deformazioni di taglio, le particelle di materiali in nanofase sono in grado di spostarsi leggermente l'una rispetto all'altra. Pertanto, la struttura a maglie fini dei materiali in nanofase è più forte non solo sotto deformazioni di trazione, ma anche sotto flessione, quando gli strati adiacenti del campione cambiano la loro lunghezza in modi diversi.

Nanoparticelle di TiO2 - nanosap e trappola ultravioletta

Il biossido di titanio, TiO 2 è il composto di titanio più abbondante sulla terra. La polvere di biossido di titanio ha un colore bianco abbagliante ed è quindi utilizzata come colorante in vernici, carta, dentifrici e plastica. La ragione di questo candore della polvere di biossido di titanio è il suo indice di rifrazione molto alto (n = 2,7).

L'ossido di titanio TiO 2 ha un'attività catalitica molto forte: accelera il corso delle reazioni chimiche. In presenza di radiazioni ultraviolette, il biossido di titanio divide le molecole d'acqua in radicali liberi - gruppi ossidrile OH - e anioni superossido О 2 - (Fig. 51).

Figura 51. Rappresentazione schematica della formazione dei radicali liberi ОН - e О 2 - durante la catalisi dell'acqua sulla superficie del biossido di titanio in presenza di luce solare.

L'attività dei radicali liberi risultanti è così elevata che qualsiasi composto organico sulla superficie del biossido di titanio si decompone in anidride carbonica e acqua. Va notato che questo si verifica solo alla luce del sole, che è noto per contenere un componente ultravioletto.

L'attività catalitica del biossido di titanio aumenta con la diminuzione delle dimensioni delle sue particelle, poiché in questo caso aumenta il rapporto tra la superficie delle particelle e il loro volume. Pertanto, le nanoparticelle di titanio diventano molto efficaci e vengono utilizzate per purificare acqua, aria e varie superfici da composti organici solitamente dannosi per l'uomo.

I fotocatalizzatori a base di nanoparticelle di biossido di titanio possono essere incorporati nel calcestruzzo per autostrade. Gli esperimenti mostrano che durante il funzionamento di tali strade, la concentrazione di monossido di azoto è molto inferiore rispetto a quelle convenzionali. Pertanto, l'inclusione di nanoparticelle di biossido di titanio nel calcestruzzo può migliorare l'ambiente intorno alle autostrade. Inoltre, si propone di aggiungere la polvere di queste nanoparticelle al carburante per autoveicoli, che dovrebbe anche ridurre il contenuto di impurità nocive nei gas di scarico.

Il film di nanoparticelle di biossido di titanio applicato al vetro è trasparente e invisibile all'occhio. Tuttavia, tale vetro, sotto l'influenza della luce solare, è in grado di autopulirsi dai contaminanti organici, convertendo lo sporco organico in anidride carbonica e acqua. Il vetro trattato con nanoparticelle di ossido di titanio è esente da macchie di grasso e quindi è ben bagnato con acqua. Di conseguenza, tale vetro si appanna meno, poiché le gocce d'acqua si diffondono immediatamente lungo la superficie del vetro, formando una sottile pellicola trasparente.

Sfortunatamente, il biossido di titanio smette di funzionare negli spazi chiusi. alla luce artificiale, non c'è praticamente nessuna radiazione ultravioletta. Tuttavia, gli scienziati ritengono che modificando leggermente la struttura del biossido di titanio, sarà possibile renderlo sensibile alla parte visibile dello spettro solare. Sulla base di tali nanoparticelle di biossido di titanio, sarà possibile realizzare un rivestimento, ad esempio, per i servizi igienici, a seguito del quale è possibile ridurre più volte il contenuto di batteri e altre sostanze organiche sulle superfici dei servizi igienici.

Grazie alla sua capacità di assorbire le radiazioni ultraviolette, il biossido di titanio è già utilizzato nella produzione di filtri solari come le creme. I produttori di crema hanno iniziato a utilizzare nanoparticelle di biossido di titanio, che è così piccolo da rendere quasi completamente trasparente una crema solare.

Nanograss autopulente e "effetto loto"

La nanotecnologia consente di creare una superficie simile a una microspazzola da massaggio. Tale superficie è chiamata nanograss, ed è un insieme di nanofili paralleli (nanorods) della stessa lunghezza, situati ad uguale distanza l'uno dall'altro (Fig. 52).

Figura 52. Micrografia elettronica di una nanoerba costituita da bacchette di silicio di 350 nm di diametro e 7 µm di altezza, distanziate l'una dall'altra a una distanza di 1 µm.

Una goccia d'acqua, colpendo i nanogrammi, non può penetrare tra i nanogrammi, poiché questo è ostacolato dall'elevata tensione superficiale del liquido. Infatti, per penetrare tra i nanogrammi, la goccia ha bisogno di aumentare la sua superficie, e questo richiede costi energetici aggiuntivi. Pertanto, la goccia "si libra sulle punte", tra le quali ci sono bolle d'aria. Di conseguenza, le forze di adesione (adesione) tra la gocciolina e la nanoerba diventano molto piccole. Ciò significa che diventa non redditizio per la goccia stendere e bagnare la nanoerba "spinosa" e si arrotola in una palla, dimostrando un angolo di contatto q molto elevato, che è una misura quantitativa della bagnabilità (Fig. 53).

Figura 53. Una goccia d'acqua su un nanograss.

Per ridurre ulteriormente la bagnabilità della nanoerba, la sua superficie è ricoperta da un sottile strato di un polimero idrofobo. E poi non solo l'acqua, ma anche le particelle non si attaccheranno mai alla nanoerba, perché toccalo solo in alcuni punti. Pertanto, le particelle di sporco che si trovano sulla superficie ricoperta di nanovilli o cadono da essa o vengono portate via dalle gocce d'acqua rotolanti.

L'autopulizia della superficie soffice dalle particelle di sporco è chiamata "effetto loto", perché i fiori e le foglie di loto sono puliti anche quando l'acqua intorno è fangosa e fangosa. Ciò accade a causa del fatto che le foglie e i fiori non sono bagnati dall'acqua, quindi gocce d'acqua rotolano via da loro, come palline di mercurio, senza lasciare traccia e lavando via tutto lo sporco. Anche le gocce di colla e miele non possono aderire alla superficie delle foglie di loto.

Si è scoperto che l'intera superficie delle foglie di loto è densamente ricoperta di microprotuberanze di circa 10 µm di altezza e che i brufoli stessi, a loro volta, sono ricoperti da microvilli ancora più piccoli (Fig. 54). La ricerca ha dimostrato che tutti questi microprotuberanze e villi sono fatti di cera, che è nota per essere idrofoba, facendo sembrare la superficie delle foglie di loto una nanoerba. È la struttura brufolosa della superficie delle foglie di loto che riduce significativamente la loro bagnabilità. Per confronto, la Fig. 54 mostra la superficie relativamente liscia di una foglia di magnolia, che non ha la capacità di pulirsi da sola.

Figura 54. Micrografia della superficie delle foglie di loto e magnolia. Un microbump è mostrato schematicamente in basso a sinistra. Preso da Plantare (1997), 202: 1-8.

La nanotecnologia consente quindi di creare rivestimenti e materiali autopulenti che hanno anche proprietà idrorepellenti. I materiali realizzati con tali tessuti rimangono sempre puliti. È già in produzione un parabrezza autopulente, la cui superficie esterna è ricoperta di nanofibre. Su tali vetri i "tergicristallo" non hanno nulla a che fare. Ci sono in vendita cerchioni per ruote auto puliti in modo permanente, autopulenti con "effetto loto", e ora puoi dipingere l'esterno della casa con una vernice che non si attacchi allo sporco.

Nano batterie: potenti e durevoli

A differenza dei transistor, la miniaturizzazione delle batterie è molto lenta. La dimensione delle celle di potenza galvanica, ridotta a un'unità di potenza, è diminuita negli ultimi 50 anni solo di 15 volte e la dimensione del transistor nello stesso periodo è diminuita di oltre 1000 volte ed è ora di circa 100 nm. È noto che la dimensione di un circuito elettronico autonomo è spesso determinata non dal suo riempimento elettronico, ma dalla dimensione della sorgente di corrente. Inoltre, più intelligente è l'elettronica del dispositivo, più batteria richiede. Pertanto, per l'ulteriore miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, è necessario sviluppare nuovi tipi di batterie. E anche qui la nanotecnologia aiuta

Le nanoparticelle aumentano la superficie degli elettrodi

Maggiore è l'area degli elettrodi di batterie e accumulatori, più corrente possono fornire. Per aumentare l'area degli elettrodi, la loro superficie è rivestita con nanoparticelle conduttive, nanotubi, ecc.

Nel 2005, Toshiba ha creato un prototipo di batteria ricaricabile agli ioni di litio, il cui elettrodo negativo era rivestito con nanocristalli di titanato di litio, a seguito della quale l'area dell'elettrodo è aumentata di diverse dozzine di volte. La nuova batteria è in grado di raggiungere l'80% della sua capacità in un solo minuto di ricarica, mentre le tradizionali batterie agli ioni di litio si caricano al 2-3% al minuto e impiegano un'ora per caricarsi completamente.

Oltre a un'elevata velocità di ricarica, le batterie contenenti elettrodi a nanoparticelle hanno una maggiore durata: dopo 1000 cicli di carica/scarica, si perde solo l'1% della sua capacità e la risorsa totale delle nuove batterie supera i 5000 cicli. Eppure, queste batterie possono funzionare a temperature fino a -40°C, perdendo solo il 20% della carica contro il 100% delle tipiche batterie ricaricabili moderne già a -25°C.

Dal 2007 sono apparse sul mercato batterie con elettrodi in nanoparticelle conduttive installabili sui veicoli elettrici. Queste batterie agli ioni di litio sono in grado di immagazzinare energia fino a 35 kW. ora, caricando alla massima capacità in soli 10 minuti. Ora l'autonomia di un'auto elettrica con tali batterie è di 200 km, ma è già stato sviluppato il prossimo modello di queste batterie, che consente di aumentare il chilometraggio di un'auto elettrica a 400 km, che è quasi paragonabile al chilometraggio massimo di auto a benzina (dal rifornimento al rifornimento).

Nano interruttore per la batteria

Uno dei principali svantaggi delle batterie moderne è che perdono completamente la loro potenza in pochi anni, anche se non funzionano, ma giacciono in un magazzino (il 15% di energia viene perso ogni anno). Il motivo della diminuzione dell'energia nel tempo nelle batterie è che anche nelle batterie non funzionanti, gli elettrodi e l'elettrolita sono sempre in contatto tra loro, e quindi la composizione ionica dell'elettrolita e la superficie degli elettrodi cambiano gradualmente, il che provoca un calo della potenza delle batterie.

h Per evitare il contatto dell'elettrolita con gli elettrodi durante lo stoccaggio della batteria, la loro superficie può essere protetta con nanofibre non bagnate con acqua (vedi Figura 55), imitando l'"effetto loto" sopra descritto.

Figura 55. Rappresentazione schematica di un "nanograb" di nanobarre di 300 nm di diametro, che crescono su uno degli elettrodi della batteria. A causa delle proprietà idrofobe del materiale delle nanofibre, la soluzione elettrolitica bluastra non può avvicinarsi alla superficie dell'elettrodo "rosso" e la batteria non perde potenza per molti anni. Adattato da Scientific American, 2006, febbraio, p. 73.

È noto che l'adesione (sticking) può essere controllata utilizzando un campo elettrico esterno. Tutti hanno visto piccoli pezzi di carta, briciole, polvere, ecc. aderire a un pettine di plastica elettrificato. La bagnabilità è determinata dall'adesione, e quindi un campo elettrico applicato tra un liquido e la superficie di un solido aumenta sempre la bagnabilità di quest'ultimo.

Il rivestimento idrofobo delle nanofibre protegge la superficie di uno degli elettrodi della batteria dal contatto con l'elettrolita (Fig. 55). Tuttavia, se vogliamo utilizzare una batteria, è sufficiente applicare una piccola tensione ai nanofili e diventano idrofili, per cui l'elettrolita riempie l'intero spazio tra gli elettrodi, rendendo operativa la batteria.

Si ritiene che la nanotecnologia on-and-off sopra descritta sarà richiesta per batterie in vari sensori, ad esempio, lanciate da un aereo in aree difficili da raggiungere, che dovrebbero essere utilizzate solo dopo alcuni anni o in casi particolari su segnale.

Condensatori a nanotubi

I ricercatori ritengono che un condensatore elettrico, inventato circa 300 anni fa, potrebbe essere un'ottima batteria se migliorato con la nanotecnologia. A differenza delle sorgenti di corrente galvanica, un condensatore può fungere da accumulatore di energia elettrica a tempo indeterminato. Allo stesso tempo, il condensatore può essere caricato molto più velocemente di qualsiasi batteria.

L'unico inconveniente di un condensatore elettrico, rispetto a una sorgente di corrente galvanica, è il suo basso consumo di energia specifica (il rapporto tra energia immagazzinata e volume). Attualmente, la capacità energetica specifica dei condensatori è circa 25 volte inferiore a quella delle batterie e degli accumulatori.

È noto che la capacità e la capacità energetica di un condensatore sono direttamente proporzionali alla superficie delle sue armature. Utilizzando la nanotecnologia per aumentare l'area delle piastre del condensatore, è possibile far crescere una foresta di nanotubi conduttori sulla loro superficie (Fig. 56). Di conseguenza, la capacità energetica di un tale condensatore può aumentare migliaia di volte. Si ritiene che tali condensatori diventeranno fonti di corrente comuni nel prossimo futuro.

Figura 56. La superficie di una delle piastre del condensatore, che è una foresta e nanotubi di carbonio orientati verticalmente.

Per chi vuole connettere il futuro con le nanotecnologie

Al giorno d'oggi, molte università russe stanno formando specialisti nel campo della "nanotecnologia". Facoltà e dipartimenti di nanotecnologia compaiono in molte prestigiose università. Tutti comprendono le prospettive di questa direzione, ne comprendono la progressività... e anche, forse, i benefici. Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da una rapida crescita dell'interesse per le nanotecnologie e dalla crescita degli investimenti in esse in tutto il mondo. E questo è abbastanza comprensibile, dato che le nanotecnologie offrono un alto potenziale di crescita economica, da cui dipendono la qualità della vita della popolazione, la sicurezza tecnologica e difensiva, il risparmio delle risorse e dell'energia. Ora praticamente in tutti i paesi sviluppati ci sono programmi nazionali nel campo delle nanotecnologie. Sono di natura a lungo termine e il loro finanziamento viene effettuato a spese di fondi stanziati sia da fonti governative che da altri fondi.

Elenco delle università dove puoi studiare nella specialità "nanotecnologia"

1. Università statale di Mosca M.V. Lomonosov,

2. GOU VPO "Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (Università statale)",

3. GOU VPO "Università tecnica statale Bauman di Mosca,

4. GOU VPO "Istituto statale di acciaio e leghe di Mosca (Università tecnologica)",

5. GOU VPO "Istituto statale di tecnologia elettronica di Mosca (Università tecnica)",

6. FGU VPO "Università statale di San Pietroburgo",

7. GOU VPO "Taganrog State Radio Engineering University" (come parte della Southern Federal University),

8. GOU VPO "Università statale di Nizhny Novgorod intitolata a N.I. Lobachevsky",

9. VPO dell'FGU "Università statale di Tomsk".

10. GOU VPO "Università statale dell'Estremo Oriente",

11. GOU VPO "Università aerospaziale statale di Samara intitolata all'accademico S. P. Korolev",

12. GOU VPO "Istituto minerario statale di San Pietroburgo intitolato a G.V. Plekhanov (Università tecnica)",

13. GOU VPO "Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics",

14. GOU VPO "Università politecnica di Tomsk",

15. GOU VPO "Università statale di Novosibirsk",

16. Università Nazionale di Ricerca Nucleare "MEPhI",

17. GOU VPO "Università Politecnica Statale di San Pietroburgo",

18. GOU VPO "Istituto di ingegneria energetica di Mosca (Università tecnica)",

19. GOU VPO "Università elettrotecnica statale di San Pietroburgo" LETI "intitolata a V.I.Ulyanov (Lenin)",

20. GOU VPO "Università statale di tecnologie dell'informazione, meccanica e ottica di San Pietroburgo",

21. GOU VPO "Università statale di Belgorod",

22. GOU VPO "Università dell'amicizia tra i popoli della Russia",

23. GOU VPO "Ural State University intitolata ad A.M. Gorky",

24. GOU VPO "Università statale di Saratov intitolata a N.G. Chernyshevsky",

25. GOU VPO "Università statale di Vladimir",

26. GOU VPO "Università statale di ingegneria civile di Mosca",

27. GOU VPO "Università tecnica statale dell'Estremo Oriente (FEPI prende il nome da V.V. Kuibyshev)",

28. GOU VPO "Università tecnica statale di Novosibirsk",

29. GOU VPO "Università statale degli Urali del sud",

30. GOU VPO "Università tecnica statale di Perm",

31. GOU VPO "Università tecnica statale di Kazan intitolata a A.N. Tupolev",

32. GOU VPO "Università tecnica dell'aviazione statale di Ufa",

33. GOU VPO "Università statale di Tyumen",

34. GOU VPO "Università tecnica statale degli Urali - UPI intitolata al primo presidente della Russia Boris N. Eltsin",

35. GOU VPO "Università statale di Yakutsk intitolata a M.K. Amosov",

36. GOU VPO "Università statale di Vyatka",

37. FGOU HPE "Università statale russa intitolata a Immanuel Kant",

38. GOU VPO "Università pedagogica statale di Mosca",

39. GOU VPO "Università statale russa del petrolio e del gas intitolata a I.M. Gubkin",

40. GOU VPO "Università statale di Tambov intitolata a GR Derzhavin".

Bibliografia

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#

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TEMA

su questo argomento: nunohtecnologia in mondo moderno

Eseguita: studente di classe 7 B

Karimova Sabina

Supervisore: Shamshura G.A.

Insegnante di fisica

Karaganda 2014

introduzione

1 ... La nanotecnologia nel mondo moderno

1.1 Storia dell'emergere della nanotecnologia

1.2 Cos'è la nanotecnologia

2. Applicazione delle nanotecnologie

2.1 Nanotecnologia nello spazio

2.2 Nanotecnologia in medicina

2.3 Nanotecnologie in agricoltura e industria

2.4 Nanotecnologia in elettronica, arte

3. I pericoli della nanotecnologia

3.1 Minaccia biologica

Conclusione

INTRODUZIONE

Attualmente, poche persone sanno cosa sia la nanotecnologia, anche se il futuro sta dietro a questa scienza. L'obiettivo principale del mio lavoro è quello di familiarizzare con le nanotecnologie. Voglio anche scoprire l'applicazione di questa scienza in vari settori e scoprire se la nanotecnologia può essere pericolosa per l'uomo. nanotecnologia nanobot biologico spazio elettronico

Il campo della scienza e della tecnologia chiamato nanotecnologia è apparso relativamente di recente. Le prospettive per questa scienza sono immense. La particella stessa "nano" significa un miliardesimo di qualsiasi valore. Ad esempio, un nanometro è un miliardesimo di metro. Queste dimensioni sono simili a quelle delle molecole e degli atomi. La definizione precisa di nanotecnologia è la seguente: le nanotecnologie sono tecnologie che manipolano la materia a livello di atomi e molecole (per questo la nanotecnologia è anche chiamata tecnologia molecolare). L'impulso per lo sviluppo della nanotecnologia è stata una conferenza di Richard Feynman, in cui dimostra scientificamente che dal punto di vista della fisica non ci sono ostacoli alla creazione di cose direttamente dagli atomi. Per indicare un mezzo per manipolare in modo efficiente gli atomi, è stato introdotto il concetto di assemblatore, una nanomacchina molecolare in grado di costruire qualsiasi struttura molecolare. Un esempio di assemblatore naturale è il ribosoma, che sintetizza le proteine ​​negli organismi viventi. Ovviamente, la nanotecnologia non è solo un sapere separato; è un'area di ricerca su larga scala e completa relativa alle scienze fondamentali. Possiamo dire che quasi tutte le materie, di quelle che si studiano a scuola, in un modo o nell'altro saranno associate alle tecnologie del futuro. La più ovvia è la connessione del "nano" con la fisica, la chimica e la biologia. Apparentemente, sono queste scienze che riceveranno il maggiore impulso per lo sviluppo in connessione con l'imminente rivoluzione nanotecnica.

1. LE NANOTECNOLOGIE NEL MONDO MODERNO

1.1 Storial'emergere delle nanotecnologie

Il nonno della nanotecnologia può essere considerato il filosofo greco Democrito. Fu il primo a usare la parola "atomo" per descrivere la più piccola particella di materia. Per più di venti secoli, le persone hanno cercato di penetrare il segreto della struttura di questa particella. La soluzione a questo problema, insopportabile per molte generazioni di fisici, è diventata possibile nella prima metà del XX secolo dopo la creazione di un microscopio elettronico da parte dei fisici tedeschi Max Knoll ed Ernst Ruska, che ha permesso per la prima volta di studiare nanooggetti .

Molte fonti, principalmente di lingua inglese, associano la prima menzione dei metodi, che in seguito saranno chiamati nanotecnologia, con il famoso discorso di Richard Feynman "There is Plenty of Roo at the Bottom", da lui fatto nell'anno 1959 al California Institute of Technology alla riunione annuale dell'American Physical Society. Richard Feynman ha suggerito che è possibile spostare meccanicamente singoli atomi usando un manipolatore delle dimensioni appropriate, almeno un tale processo non contraddirebbe le leggi fisiche attualmente conosciute.

Ha suggerito di fare questo manipolatore nel modo seguente. È necessario costruire un meccanismo che crei una propria copia, solo un ordine di grandezza più piccola. Il meccanismo più piccolo creato deve creare nuovamente la propria copia, ancora un ordine di grandezza più piccolo, e così via finché le dimensioni del meccanismo non sono commisurate alla dimensione dell'ordine di un atomo. In questo caso, sarà necessario apportare modifiche alla struttura di questo meccanismo, poiché le forze di gravità che agiscono nel macromondo eserciteranno sempre meno influenza e le forze delle interazioni intermolecolari influenzeranno sempre di più il funzionamento del meccanismo . L'ultimo stadio: il meccanismo risultante assemblerà la sua copia da singoli atomi. In linea di principio, il numero di tali copie è illimitato; sarà possibile creare un numero arbitrario di tali macchine in breve tempo. Queste macchine saranno in grado di assemblare macro cose allo stesso modo, mediante assemblaggio atomico. Ciò renderà le cose un ordine di grandezza più economiche: a tali robot (nanorobot) sarà necessario fornire solo il numero richiesto di molecole ed energia e scrivere un programma per assemblare gli elementi necessari. Finora nessuno è stato in grado di confutare questa possibilità, ma nessuno è ancora riuscito a creare tali meccanismi. Lo svantaggio fondamentale di un tale robot è l'impossibilità di creare un meccanismo da un atomo.

Ecco come R. Feynman ha descritto il suo presunto manipolatore:

penso a creazione di un sistema controllato elettricamente , che utilizza "robot di servizio" realizzati convenzionalmente sotto forma di copie quattro volte ridotte delle "mani" dell'operatore. Tali micromeccanismi saranno in grado di eseguire agevolmente operazioni su scala ridotta. Sto parlando di minuscoli robot dotati di servomotori e piccole “mani” che possono stringere bulloni e dadi altrettanto piccoli, praticare fori molto piccoli, ecc. Insomma, possono fare tutto il lavoro in scala 1: 4. Per fare ciò, ovviamente, è necessario prima realizzare i meccanismi, gli strumenti e i bracci manipolatori necessari in un quarto delle dimensioni normali (infatti, è chiaro che ciò significa una riduzione di tutte le superfici di contatto di un fattore 16). Nell'ultima fase, questi dispositivi saranno dotati di servomotori (16 volte di potenza ridotta) e collegati a un sistema di controllo elettrico convenzionale. Successivamente sarà possibile utilizzare i bracci manipolatori, ridotti di 16 volte! L'ambito di applicazione di tali microrobot, così come delle micromacchine, può essere piuttosto ampio, dalle operazioni chirurgiche al trasporto e alla lavorazione di materiali radioattivi. Spero che il principio del programma proposto, così come i problemi imprevisti e le brillanti opportunità ad esso associati, siano capiti. Inoltre, si può pensare alla possibilità di un'ulteriore significativa riduzione della scala, che, ovviamente, richiederà ulteriori cambiamenti e modifiche strutturali (a proposito, a un certo punto, potrebbe essere necessario abbandonare le "mani" di la forma consueta), ma consentirà di fabbricare nuovi dispositivi molto più avanzati del tipo descritto. Nulla ti impedisce di continuare questo processo e creare tutte le piccole macchine che desideri, poiché non ci sono restrizioni associate al posizionamento delle macchine o al loro consumo di materiale. Il loro volume sarà sempre molto inferiore al volume del prototipo. È facile calcolare che il volume totale di 1 milione di macchine utensili ridotto di un fattore 4000 (e quindi la massa dei materiali utilizzati per la fabbricazione) sarà inferiore al 2% del volume e della massa di una macchina convenzionale di dimensioni normali. È chiaro che questo rimuove immediatamente il problema del costo dei materiali. In linea di principio, sarebbe possibile organizzare milioni di fabbriche in miniatura identiche, sulle quali minuscole macchine eseguirebbero continuamente fori, stampino parti, ecc. Man mano che diminuiamo di dimensioni, incontreremo costantemente fenomeni fisici molto insoliti. Tutto ciò che devi incontrare nella vita dipende da fattori su larga scala. Inoltre, c'è anche il problema dei materiali che "si attaccano insieme" sotto l'azione di forze intermolecolari (le cosiddette forze di van der Waals), che possono portare a effetti insoliti per le scale macroscopiche. Ad esempio, il dado non si separerà dal bullone dopo l'allentamento e in alcuni casi si attaccherà saldamente alla superficie, ecc. Esistono diversi problemi fisici di questo tipo da tenere a mente durante la progettazione e la costruzione di meccanismi microscopici.

1.2 Cos'è la nanotecnologia

Apparsa di recente, la nanotecnologia sta entrando sempre più nel campo della ricerca scientifica e da essa nella nostra vita quotidiana. Gli sviluppi degli scienziati riguardano sempre più oggetti del micromondo, atomi, molecole, catene molecolari. I nanooggetti creati artificialmente sorprendono costantemente i ricercatori con le loro proprietà e promettono le prospettive più inaspettate per la loro applicazione.

L'unità di misura principale nella ricerca sulle nanotecnologie è il nanometro, un miliardesimo di metro. Queste unità vengono utilizzate per misurare molecole e virus, e ora gli elementi di una nuova generazione di chip per computer. È su scala nanometrica che avvengono tutti i processi fisici di base che determinano le macrointerazioni.

La natura stessa spinge una persona all'idea di creare nanooggetti. Qualsiasi batterio, infatti, è un organismo costituito da nanomacchine: DNA e RNA copiano e trasmettono informazioni, i ribosomi formano proteine ​​dagli amminoacidi, i mitocondri producono energia. Ovviamente, in questa fase dello sviluppo della scienza, agli scienziati viene in mente di copiare e migliorare questi fenomeni.

La creazione di un microscopio a scansione a effetto tunnel nel 1980 ha permesso agli scienziati non solo di distinguere i singoli atomi, ma anche di spostarli e assemblare strutture da essi, in particolare componenti di future nanomacchine: motori, manipolatori, alimentatori ed elementi di controllo. Nanocapsule per la somministrazione diretta di farmaci nel corpo, nanotubi 60 volte più resistenti dell'acciaio, celle solari flessibili e molti altri dispositivi straordinari.

Le nanoparticelle sono uno dei principali tipi di nanooggetti. Quando una sostanza viene divisa in particelle di decine di nanometri, la superficie totale delle particelle nella sostanza aumenta di centinaia di volte e, di conseguenza, aumenta l'interazione degli atomi del materiale con l'ambiente esterno, perché ora sono quasi tutto in superficie. Questo fenomeno è utilizzato nella tecnologia moderna. Ad esempio, in medicina viene utilizzata la nanopolvere d'argento, che ha proprietà antisettiche. Le nanoparticelle di biossido di titanio respingono lo sporco e creano superfici autopulenti. La nanopolvere di alluminio accelera la combustione dei propellenti solidi. Le nuove batterie agli ioni di litio contenenti nanoparticelle si ricaricano in appena un paio di minuti. Ci sono molti esempi simili ora. I fullereni erano un altro elemento scoperto negli anni '80. Questi disegni assomigliano a palline fatte di atomi di carbonio.

Un altro noto nanoelemento è il nanotubo di carbonio. È uno strato monoatomico di carbonio arrotolato in un cilindro di diversi nanometri di diametro. Per la prima volta questi oggetti furono ottenuti nel 1952, ma solo nel 1991 attirarono l'attenzione degli scienziati. La resistenza di questi tubi supera dozzine di volte la resistenza dell'acciaio, possono resistere a un riscaldamento fino a 2500 gradi e una pressione di migliaia di atmosfere. Questa forza è inerente ai materiali realizzati sulla loro base. In elettronica, i nanotubi possono essere usati come buoni conduttori, così come i semiconduttori.

Un altro nanomateriale è il grafene, uno strato di carbonio bidimensionale, un piano fatto di atomi di carbonio. Questo materiale è stato ottenuto per la prima volta da fisici russi che lavorano in Inghilterra. Molti scienziati ritengono che questo materiale con proprietà uniche diventerà in futuro la base dei microprocessori, sostituendo i moderni semiconduttori. Inoltre, questo materiale è anche incredibilmente resistente.

Tutti questi nanoelementi sono sempre più utilizzati in vari campi della tecnologia, dalla medicina alla ricerca spaziale.

Uno dei campi di applicazione più promettenti delle nanotecnologie è, ovviamente, la medicina. Gli scienziati hanno lavorato per diversi anni al problema della somministrazione di farmaci direttamente alle cellule colpite da un'infezione o da una malattia. La struttura di base del trasporto è la seguente: una capsula di biomateriale di 50-200 nanometri, che contiene molecole di farmaco. All'esterno, la capsula è ricoperta da catene polimeriche, con l'aiuto delle quali viene determinato quando la capsula raggiunge i tessuti bersaglio, dopodiché il farmaco verrà iniettato e il guscio si disintegra. Le ultime fasi possono essere posticipate e il loro verificarsi può essere controllato a distanza, ad esempio mediante riscaldamento o ultrasuoni.

Tutte queste e molte altre idee sono ora non solo in fase di sviluppo, ma anche in fase di applicazione pratica. Alcuni risultati dei test sono mozzafiato, altri falliscono. Allo stesso tempo, l'entusiasmo degli scienziati sta crescendo per l'imminente era dell'incarnazione delle idee più fantastiche, ad esempio il controllo completo su tutti i processi naturali o le nanofabbriche che raccolgono qualsiasi oggetto direttamente dagli atomi. Sono stati creati molti scenari per lo sviluppo del futuro delle nanotecnologie, compresi quelli che non fanno ben sperare per l'umanità. Tuttavia, possiamo dire che l'interesse per le nanotecnologie è ormai così grande che è lui che a volte determina la direzione che prendono.

2. APPLICAZIONE DELLE NANOTECNOLOGIE

La penetrazione delle nanotecnologie nella sfera dell'attività umana può essere rappresentata come un albero delle nanotecnologie. L'applicazione ha la forma di un albero, i cui rami rappresentano le principali aree di applicazione ei rami dei grandi rami rappresentano la differenziazione all'interno delle principali aree di applicazione in un dato momento.

Oggi (2000 - 2010) c'è la seguente immagine:

Le scienze biologiche riguardano lo sviluppo della tecnologia di etichettatura genetica, superfici per impianti, superfici antimicrobiche, farmaci mirati, ingegneria dei tessuti, terapia oncologica;

Le fibre semplici implicano lo sviluppo della tecnologia della carta, materiali da costruzione economici, pannelli leggeri, ricambi per auto, materiali pesanti;

Le nanoclip comportano la produzione di nuovi tessuti, rivestimenti in vetro, sabbie intelligenti, carta, fibre di carbonio;

Protezione dalla corrosione mediante nanoadditivi su rame, alluminio, magnesio, acciaio;

I catalizzatori sono destinati all'uso in agricoltura, deodorizzazione e produzione alimentare.

I materiali facili da pulire vengono utilizzati nella vita di tutti i giorni, nell'architettura, nell'industria lattiero-casearia e alimentare, nell'industria dei trasporti e nei servizi igienico-sanitari. Questa è la produzione di vetri autopulenti, attrezzature e strumenti ospedalieri, rivestimento antimuffa, ceramiche facili da pulire.

I biorivestimenti sono utilizzati nelle attrezzature sportive e nei cuscinetti.

L'ottica come campo di applicazione della nanotecnologia comprende aree come l'elettrocromica, la produzione di lenti ottiche. Si tratta di nuove ottiche fotocromatiche, ottiche facili da pulire e ottiche rivestite.

La ceramica nel campo dell'applicazione delle nanotecnologie consente di ottenere elettroluminescenza e fotoluminescenza, paste da stampa, pigmenti, nanopolveri, microparticelle, membrane.

La tecnologia informatica e l'elettronica come campo di applicazione della nanotecnologia daranno sviluppo all'elettronica, ai nanosensori, ai microcomputer domestici (incorporati), alla visualizzazione e ai convertitori di energia. Inoltre, questo è lo sviluppo di reti globali, comunicazioni wireless, computer quantistici e DNA.

La nanomedicina, come campo di applicazione delle nanotecnologie, è nanomateriali per protesi, protesi "intelligenti", nanocapsule, nanosonde diagnostiche, impianti, ricostruttori e analizzatori di DNA, strumenti "intelligenti" e di precisione, farmaci ad azione diretta.

Lo spazio come campo di applicazione delle nanotecnologie aprirà prospettive per i convertitori meccanoelettrici energia solare, nanomateriali per applicazioni spaziali.

L'ecologia come campo di applicazione delle nanotecnologie è il ripristino dello strato di ozono, il controllo meteorologico.

2.1 Nanotecnologia nello spazio

Nello spazio infuria una rivoluzione. Hanno iniziato a creare satelliti e nanopr e tasse fino a 20 chilogrammi.

È stato creato un sistema di microsatelliti, meno vulnerabile ai tentativi di distruzione. Una cosa è abbattere un colosso del peso di diverse centinaia di chilogrammi, o addirittura tonnellate, in orbita, mettendo immediatamente fuori gioco tutte le comunicazioni spaziali o le ricognizioni, e un'altra cosa quando un intero sciame di microsatelliti è in orbita. La disabilitazione di uno di essi in questo caso non interromperà il funzionamento del sistema nel suo insieme. Di conseguenza, i requisiti per l'affidabilità operativa di ciascun satellite possono essere ridotti.

I giovani scienziati ritengono che, tra l'altro, la creazione di nuove tecnologie nel campo dell'ottica, dei sistemi di comunicazione, dei metodi di trasmissione, ricezione ed elaborazione di grandi quantità di informazioni debba essere attribuita ai problemi chiave della microminiaturizzazione dei satelliti. Si tratta di nanotecnologie e nanomateriali in grado di ridurre di due ordini di grandezza il peso e le dimensioni dei dispositivi lanciati nello spazio. Ad esempio, la forza del nanonickel è 6 volte superiore a quella del nichel ordinario, il che consente, se utilizzato nei motori a razzo, di ridurre la massa dell'ugello del 20-30%. Ridurre la massa della tecnologia spaziale risolve molti problemi: allunga il periodo di presenza del veicolo spaziale nello spazio, gli consente di volare più lontano e porta via attrezzature più utili per condurre ricerche. Allo stesso tempo, viene risolto il problema dell'approvvigionamento energetico. I dispositivi in ​​miniatura verranno presto utilizzati per studiare molti fenomeni, ad esempio l'effetto della luce solare sui processi sulla Terra e nello spazio vicino alla Terra.

Oggi lo spazio non è esotico, e la sua esplorazione non è solo una questione di prestigio. Prima di tutto, questa è una questione di sicurezza nazionale e competitività nazionale del nostro stato. È lo sviluppo di nanosistemi supercomplessi che può diventare un vantaggio nazionale del Paese. Come la nanotecnologia, i nanomateriali ci daranno l'opportunità di parlare seriamente di voli con equipaggio su vari pianeti. Sistema solare... È l'uso di nanomateriali e nanomeccanismi che possono rendere i voli con equipaggio su Marte e l'esplorazione della superficie lunare una realtà. Un'altra direzione molto richiesta nello sviluppo dei microsatelliti è la creazione del telerilevamento della Terra (ERS). Ha iniziato a formarsi un mercato per i consumatori di informazioni con una risoluzione di immagini spaziali di 1 m nella gamma radar e inferiore a 1 m nella gamma ottica (tali dati sono utilizzati principalmente nella cartografia).

Si prevede che i primi assemblatori basati sulla nanotecnologia appariranno già nel 2025. È teoricamente possibile che saranno in grado di costruire qualsiasi oggetto da atomi già pronti. Sarà sufficiente progettare qualsiasi prodotto su un computer e verrà assemblato e moltiplicato per un complesso di assemblaggio di nanorobot. Ma queste sono ancora le possibilità più semplici della nanotecnologia. È noto dalla teoria che i motori a razzo funzionerebbero in modo ottimale se potessero cambiare forma a seconda del regime. Solo con l'uso delle nanotecnologie tutto questo diventerà realtà. La struttura è più forte dell'acciaio, più leggera del legno, può espandersi, contrarsi e piegarsi, modificando la forza e la direzione di trazione. Navicella spaziale può trasformarsi in circa un'ora. La nanotecnologia, incorporata in una tuta spaziale e garantendo la circolazione di sostanze, consentirà a una persona di rimanere al suo interno per un tempo illimitato. I nanorobot sono anche in grado di realizzare il sogno degli scrittori di fantascienza sulla colonizzazione di altri pianeti; questi dispositivi saranno in grado di creare su di essi l'habitat necessario per la vita umana. Diventerà possibile costruire automaticamente sistemi orbitali, qualsiasi struttura negli oceani del mondo, sulla superficie della terra e nell'aria (gli esperti lo prevedono entro il 2025).

2.2 Nanotecnologia in medicina

I recenti progressi nella nanotecnologia, affermano gli scienziati, potrebbero essere molto utili nella lotta contro il cancro. Un farmaco antitumorale è stato sviluppato direttamente sul bersaglio, cioè sulle cellule colpite da un tumore maligno. Un nuovo sistema basato su un materiale noto come biosilicone. Il nanosilicone ha una struttura porosa (dieci atomi di diametro), nella quale è conveniente incorporare farmaci, proteine ​​e radionuclidi. Raggiunto l'obiettivo, il biosilicone inizia a disintegrarsi e i farmaci consegnati ad esso vengono portati a lavorare. Inoltre, secondo gli sviluppatori, il nuovo sistema consente di regolare il dosaggio del farmaco.

Negli ultimi anni, i dipendenti del Center for Biological Nanotechnology hanno lavorato alla creazione di microsensori che verranno utilizzati per rilevare le cellule tumorali nel corpo e combattere questa terribile malattia.

Una nuova tecnica per riconoscere le cellule cancerose si basa sull'impianto nel corpo umano di minuscoli serbatoi sferici costituiti da polimeri sintetici chiamati dendrimeri (dal greco dendron - albero). Questi polimeri sono stati sintetizzati nell'ultimo decennio e hanno una struttura fondamentalmente nuova, non integrale, che ricorda la struttura del corallo o del legno. Tali polimeri sono chiamati iperramificati oa cascata. Quelli in cui la ramificazione è regolare sono chiamati dendrimeri. Di diametro, ciascuna di queste sfere, o nanosensori, raggiunge solo 5 nanometri - 5 miliardesimi di metro, il che rende possibile posizionare miliardi di tali nanosensori in una piccola area di spazio.

Una volta all'interno del corpo, questi minuscoli sensori penetrano nei linfociti, i globuli bianchi che forniscono la difesa del corpo contro le infezioni e altri fattori che causano malattie. Con la risposta immunitaria delle cellule linfoidi a una determinata malattia o condizioni ambientali, ad esempio il raffreddore o l'esposizione alle radiazioni, la struttura proteica della cellula cambia. Ogni nanosensore, rivestito con speciali reagenti chimici, inizierà a brillare con tali cambiamenti.

Per vedere questo bagliore, gli scienziati creeranno un dispositivo speciale che scansiona la retina dell'occhio. Il laser di un tale dispositivo dovrebbe rilevare il bagliore dei linfociti quando passano uno per uno attraverso gli stretti capillari del fondo. Se ci sono abbastanza sensori etichettati nei linfociti, ci vorrà una scansione di 15 secondi per rilevare il danno cellulare, dicono gli scienziati.

Qui ci si aspetta il maggiore impatto della nanotecnologia, poiché colpisce la base stessa dell'esistenza della società: l'uomo. La nanotecnologia raggiunge un tale livello dimensionale del mondo fisico, in cui la distinzione tra vivente e non vivente diventa instabile: queste sono macchine molecolari. Anche un virus può essere considerato in parte un sistema vivente, poiché contiene informazioni sulla sua costruzione. Ma il ribosoma, sebbene sia costituito dagli stessi atomi di tutta la materia organica, non contiene tali informazioni e quindi è solo una macchina molecolare organica. La nanotecnologia nella sua forma avanzata prevede la costruzione di nanorobot, macchine molecolari di composizione atomica inorganica, queste macchine saranno in grado di costruire copie di se stesse, avendo informazioni su tale struttura. Pertanto, il confine tra vivente e non vivente inizia a offuscarsi. Ad oggi, è stato creato solo un primitivo robot DNA ambulante.

La nanomedicina è rappresentata dalle seguenti possibilità:

1. Laboratori su un chip, somministrazione mirata di farmaci nel corpo.

2. DNA - chip (creazione di singoli farmaci).

3. Enzimi artificiali e anticorpi.

4. Organi artificiali, polimeri funzionali artificiali (sostituti di tessuti organici). Questa direzione è strettamente correlata all'idea di vita artificiale e, in futuro, porterà alla creazione di robot con coscienza artificiale e capaci di autoguarigione a livello molecolare. Ciò è dovuto all'espansione del concetto di vita oltre l'organico

5. Nanorobot-chirurghi (biomeccanismi che effettuano cambiamenti e azioni mediche richieste, riconoscimento e distruzione delle cellule tumorali). Questa è l'applicazione più radicale della nanotecnologia in medicina sarà la creazione di nanobot molecolari in grado di distruggere infezioni e tumori cancerosi, riparare DNA, tessuti e organi danneggiati, duplicare interi sistemi di supporto vitale del corpo e modificare le proprietà del corpo.

Considerando un singolo atomo come un mattone o un "dettaglio", la nanotecnologia sta cercando modi pratici per progettare materiali con caratteristiche specificate da queste parti. Molte aziende sanno già come assemblare atomi e molecole in un qualche tipo di struttura.

In futuro, qualsiasi molecola verrà assemblata come un set di costruzioni per bambini. Per questo, si prevede di utilizzare nanorobot (nanobot). Qualsiasi struttura chimicamente stabile che può essere descritta può, infatti, essere costruita. Poiché un nanobot può essere programmato per costruire qualsiasi struttura, in particolare per costruire un altro nanobot, sarà molto economico. Lavorando in grandi team, i nanobot saranno in grado di creare qualsiasi oggetto a basso costo e alta precisione. In medicina, il problema dell'utilizzo delle nanotecnologie è la necessità di modificare la struttura della cellula a livello molecolare, ad es. eseguire "chirurgia molecolare" utilizzando nanobot. Si prevede di creare medici robotici molecolari in grado di "vivere" all'interno del corpo umano, eliminando tutti i danni che si verificano o prevenendo il verificarsi di tali. Manipolando singoli atomi e molecole, i nanobot possono riparare le cellule. La data prevista per la creazione dei medici robotici, la prima metà del XXI secolo.

Nonostante l'attuale situazione, la nanotecnologia come soluzione cardinale al problema dell'invecchiamento è più che promettente.

Ciò è dovuto al fatto che la nanotecnologia ha un grande potenziale di applicazione commerciale in molti settori e, di conseguenza, oltre ai seri finanziamenti governativi, la ricerca in questa direzione viene svolta da molte grandi società.

È del tutto possibile che dopo il miglioramento per garantire "l'eterna giovinezza", i nanobot non saranno più necessari o saranno prodotti dalla cellula stessa.

Per raggiungere questi obiettivi, l'umanità deve risolvere tre questioni principali:

1. Progettare e creare robot molecolari in grado di riparare le molecole.

2. Progettare e creare nanocomputer che controlleranno le nanomacchine.

3. Creare una descrizione completa di tutte le molecole del corpo umano, in altre parole, creare una mappa del corpo umano a livello atomico.

La principale difficoltà con la nanotecnologia è il problema di creare il primo nanobot. Ci sono diverse strade promettenti.

Uno di questi è migliorare il microscopio a effetto tunnel o il microscopio a forza atomica e ottenere precisione di posizione e forza di presa.

Un altro modo per creare il primo nanobot è attraverso la sintesi chimica. Forse progettando e sintetizzando componenti chimici ingegnosi in grado di autoassemblarsi in soluzione.

E un altro percorso conduce attraverso la biochimica. I ribosomi (all'interno della cellula) sono nanobot specializzati e possiamo usarli per creare robot più versatili.

Questi nanobot saranno in grado di rallentare il processo di invecchiamento, curare le singole cellule e interagire con i singoli neuroni.

Il lavoro sullo studio è iniziato relativamente di recente, ma il ritmo delle scoperte in questo settore è estremamente elevato, molti credono che questo sia il futuro della medicina.

2.3 Nanotecnologie in agricoltura e industria

La nanotecnologia ha il potenziale per rivoluzionare l'agricoltura. I robot molecolari saranno in grado di produrre cibo “liberando” piante e animali da questo cibo. A tal fine, utilizzeranno qualsiasi "base": acqua e aria, dove ci sono i principali elementi necessari: carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno, alluminio e silicio, e il resto, come per gli organismi viventi "ordinari", sarà richiesto in tracce. Ad esempio, è teoricamente possibile produrre latte direttamente dall'erba, aggirando il collegamento intermedio: la mucca. Una persona non deve uccidere animali per banchettare con pollo fritto o un pezzo di pancetta affumicata. I beni di consumo saranno prodotti "in casa"

Nanoed (nanocibo) - il termine è nuovo, oscuro e antiestetico. Cibo per nanumani? Porzioni molto piccole? Cibo prodotto in nanofabbriche? Ovviamente no. Tuttavia, questa è una direzione interessante nell'industria alimentare. Si scopre che nanoeda è un intero insieme di idee scientifiche che sono già sulla buona strada per l'implementazione e l'applicazione nell'industria. In primo luogo, le nanotecnologie possono fornire ai lavoratori del settore alimentare opportunità uniche di monitoraggio totale in tempo reale della qualità e della sicurezza degli alimenti direttamente durante il processo produttivo. Si tratta di macchine diagnostiche che utilizzano vari nanosensori o cosiddetti punti quantici, in grado di rilevare in modo rapido e affidabile la più piccola contaminazione chimica o agenti biologici pericolosi nei prodotti. I metodi di produzione, trasporto e conservazione degli alimenti possono ottenere la loro parte di utili innovazioni dall'industria delle nanotecnologie. Secondo gli scienziati, le prime macchine seriali di questo tipo appariranno nella produzione alimentare di massa nei prossimi quattro anni. Ma sono all'ordine del giorno anche idee più radicali. Sei pronto a ingoiare nanoparticelle che non possono essere viste? Ma cosa succede se le nanoparticelle vengono utilizzate intenzionalmente per fornire sostanze nutritive e farmaci a parti del corpo accuratamente selezionate? E se queste nanocapsule potessero essere incorporate negli alimenti? Finora nessuno ha utilizzato nanoedu, ma gli sviluppi preliminari sono già in corso. Gli esperti dicono che le nanoparticelle commestibili possono essere fatte di silicio, ceramica o polimeri. E, naturalmente, sostanze organiche. E se tutto è chiaro per quanto riguarda la sicurezza delle particelle cosiddette "morbide", simili per struttura e composizione ai materiali biologici, allora le particelle "dure" composte da sostanze inorganiche sono una grande macchia bianca all'intersezione di due territori: la nanotecnologia e biologia. Gli scienziati non sono ancora in grado di dire quali percorsi viaggeranno tali particelle nel corpo e dove si fermeranno di conseguenza. Questo resta da vedere. Ma alcuni esperti stanno già dipingendo immagini futuristiche dei benefici di nanoeda. Oltre a fornire preziose sostanze nutritive alle cellule giuste. L'idea è la seguente: tutti comprano la stessa bevanda, ma poi il consumatore sarà in grado di manipolare lui stesso le nanoparticelle in modo che il gusto, il colore, l'aroma e la concentrazione della bevanda cambino davanti ai suoi occhi.

2.4 Nanotecnologia in elettronica, arte

Con l'avvento di nuovi mezzi di nanomanipolazione, è possibile creare computer meccanici in grado di replicare funzionalmente un moderno microprocessore in un cubo con un bordo di 100 nm. Si prevede di creare nanorobot con una dimensione di soli 1-2 micron, dotati di computer meccanici di bordo e fonti di energia, che saranno completamente autonomi e saranno in grado di svolgere diverse funzioni, fino all'autocopiatura.

La musica, la letteratura, il balletto, il teatro e tutto ciò che riguarda l'espressione del potenziale creativo di una persona sono sempre stati un po' distanti dal progresso scientifico e tecnologico. Così, le prospettive di sviluppo della scienza e della tecnologia determinano anche i percorsi dell'arte. Nel 2001, gli scienziati giapponesi hanno utilizzato una tecnologia laser avanzata per creare la scultura più piccola del mondo. Raffigura un toro arrabbiato che si gira per attaccare. Le dimensioni del "microbico" sono impressionanti: 10 micron di lunghezza e 7 micron di altezza - non più dei globuli rossi del sangue umano. Puoi vederlo solo attraverso un microscopio super potente. .

3. RISCHI NANOTECNOLOGICI

Con tutti i vantaggi della nanotecnologia, può rappresentare una minaccia per la salute umana. Pur anticipando con entusiasmo i cambiamenti positivi che la rivoluzione industriale porterà con sé, non bisogna essere così ingenui da non pensare ai possibili pericoli e problemi. Molti importanti scienziati del nostro tempo non cercano invano di attirare l'attenzione non solo sulle prospettive positive per il futuro, ma anche sulle possibili conseguenze negative. Alcuni scienziati, come Bill Joy, chiedono di fermare la ricerca nelle nanotecnologie e in altre aree prima che possa danneggiare l'umanità. Le paure della nanotecnologia iniziarono ad apparire nel 1986, dopo la pubblicazione del lavoro di Drexler "Creation Machines", dove non solo dipinse un'immagine utopica del futuro nanotecnologico, ma toccò anche il lato "opposto", che colpisce duramente di questa medaglia.

3.1. minaccia biologica

Ad esempio, è noto che minuscole particelle di carbonio possono entrare nel cervello umano attraverso le vie respiratorie e avere un effetto devastante sul corpo. Stiamo parlando di C 60, una delle tre principali forme di carbonio puro. Per determinare la tossicità delle molecole, la biologa americana Eva Oberdörster ha prima testato C 60 su blocchi d'acqua, aggiungendo queste molecole a serbatoi da 10 litri di questi piccoli crostacei. Dopo 48 ore, il biologo ha esaminato la dafnia e ha visto un aumento del tasso di mortalità nell'acquario. L'effetto rivelato rende il nanomateriale un "veleno moderato": è leggermente più tossico del nichel, ma comunque non così pericoloso come le sostanze chimiche presenti nel fumo di sigaretta e negli scarichi delle auto. L'esperimento successivo è stato condotto da Oberdörster con la partecipazione di trespoli. C 60 è stato caricato in un acquario con pesci. Dopo gli stessi due giorni, nessuno dei pesci è morto o ha mostrato cambiamenti nel comportamento, ma i posatoi hanno mostrato gravi danni alle membrane delle cellule cerebrali. Il danno è stato 17 volte superiore a quello dei pesci che nuotano nell'acqua normale. Naturalmente, non tutti i nanomateriali hanno le stesse proprietà dannose per gli esseri viventi.

CONCLUSIONE

Formatasi storicamente, al momento presente, nanoteXnologia, dopo aver conquistato l'area teorica della coscienza sociale, continua a penetrare nel suo strato ordinario. Nelle nanotecnologie sono già stati ottenuti alcuni risultati estremamente importanti, che lasciano sperare in significativi progressi nello sviluppo di molti altri settori della scienza e della tecnologia (medicina e biologia, chimica, ecologia, energia, meccanica, ecc.).

Lo spazio come campo di applicazione delle nanotecnologie aprirà prospettive per convertitori meccanoelettrici di energia solare, nanomateriali per applicazioni spaziali. È lo sviluppo di nanosistemi supercomplessi che può diventare un vantaggio nazionale del Paese. Come la nanotecnologia, i nanomateriali ci daranno l'opportunità di parlare seriamente di voli con equipaggio verso vari pianeti del sistema solare. È l'uso di nanomateriali e nanomeccanismi che possono rendere i voli con equipaggio su Marte e l'esplorazione della superficie lunare una realtà.

La nanomedicina, come campo di applicazione delle nanotecnologie, è nanomateriali per protesi, protesi "intelligenti", nanocapsule, nanosonde diagnostiche, impianti, ricostruttori e analizzatori di DNA, strumenti "intelligenti" e di precisione, prodotti farmaceutici mirati. In medicina, il problema dell'utilizzo delle nanotecnologie è la necessità di modificare la struttura della cellula a livello molecolare, ad es. eseguire "chirurgia molecolare" utilizzando nanobot. Si prevede di creare medici robotici molecolari in grado di "vivere" all'interno del corpo umano, eliminando tutti i danni che si verificano o prevenendo il verificarsi di tali. Manipolando singoli atomi e molecole, i nanobot possono riparare le cellule. La data prevista per la creazione dei medici robotici, la prima metà del XXI secolo.

La nanotecnologia è utilizzata anche nell'industria alimentare. I metodi di produzione, trasporto e conservazione degli alimenti possono ottenere la loro parte di utili innovazioni dall'industria delle nanotecnologie. Oltre a fornire preziosi nutrienti alle cellule desiderate, si presume quanto segue: tutti acquistano la stessa bevanda, ma poi il consumatore sarà in grado di gestire da solo le nanoparticelle in modo che il gusto, il colore, l'aroma e la concentrazione della bevanda cambino prima i suoi occhi.

Dopo aver chiarito il concetto di nanotecnologia, delineandone le prospettive e soffermandosi sui possibili pericoli e minacce, voglio trarre una conclusione. Credo che la nanotecnologia sia una scienza giovane, i cui risultati possono cambiare il mondo che ci circonda in modo irriconoscibile. E quali saranno questi cambiamenti - utili, che renderanno la vita incomparabilmente più facile, o dannosi, minacciosi per l'umanità - dipende dalla comprensione reciproca e dalla razionalità delle persone. E la comprensione reciproca e la razionalità dipendono direttamente dal livello di umanità, che implica la responsabilità di una persona per le proprie azioni. Pertanto, la necessità più importante negli ultimi anni prima dell'inevitabile "boom" nanotecnologico è l'educazione alla filantropia. Solo le persone intelligenti e umane possono trasformare la nanotecnologia in un trampolino di lancio verso la conoscenza dell'Universo e il loro posto in questo Universo.

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concetto di nanotecnologia. La nanotecnologia come direzione scientifica e tecnica. La storia dello sviluppo delle nanotecnologie. L'attuale livello di sviluppo delle nanotecnologie. Applicazione delle nanotecnologie in vari settori. Nanoelettronica e nanofotonica. Nanoenergia.

tesi, aggiunta il 30/06/2008


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Il presidente russo Dmitry Medvedev è fiducioso che il paese abbia tutte le condizioni per il successo dello sviluppo delle nanotecnologie.

La nanotecnologia è una nuova area della scienza e della tecnologia che si è sviluppata attivamente negli ultimi decenni. La nanotecnologia comprende la creazione e l'uso di materiali, dispositivi e sistemi tecnici, il cui funzionamento è determinato dalla nanostruttura, ovvero dai suoi frammenti ordinati di dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri.

Il prefisso "nano", che deriva dalla lingua greca ("nanos" in greco - gnome), significa un miliardesimo. Un nanometro (nm) è un miliardesimo di metro.

Il termine "nanotecnologia" è stato coniato nel 1974 da Norio Taniguchi, professore di scienza dei materiali all'Università di Tokyo, che lo ha definito come "una tecnologia di produzione che raggiunge un'altissima precisione e dimensioni ultra ridotte... 1nm ..." ...

Nella letteratura mondiale, la nanoscienza è chiaramente distinta dalla nanotecnologia. Il termine scienza su scala nanometrica viene utilizzato anche per la nanoscienza.

In russo e nella pratica della legislazione e dei regolamenti russi, il termine "nanotecnologia" combina "nanoscienza", "nanotecnologia" e talvolta anche "nanoindustria" (aree di attività e produzione in cui viene utilizzata la nanotecnologia).

La componente più importante della nanotecnologia è nanomateriali, cioè materiali le cui proprietà funzionali insolite sono determinate dalla struttura ordinata dei loro nanoframmenti di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.

- strutture nanoporose;
- nanoparticelle;
- nanotubi e nanofibre
- nanodispersioni (colloidi);
- superfici e film nanostrutturati;
- nanocristalli e nanocluster.

Tecnologia dei nanosistemi- sistemi e dispositivi funzionalmente completi o parzialmente completi basati su nanomateriali e nanotecnologie, le cui caratteristiche sono sostanzialmente diverse da quelle di sistemi e dispositivi con finalità analoghe, realizzati con tecnologie tradizionali.

Applicazioni della nanotecnologia

È quasi impossibile elencare tutte le aree in cui questa tecnologia globale può influenzare in modo significativo il progresso tecnologico. Possiamo citarne solo alcuni:

- elementi di nanoelettronica e nanofotonica (transistor a semiconduttore e laser;
- fotorivelatori; Celle solari; vari sensori);
- dispositivi per la registrazione di informazioni ad alta densità;
- tecnologie delle telecomunicazioni, dell'informazione e dell'informatica; supercomputer;
- apparecchiature video - schermi piatti, monitor, videoproiettori;
- dispositivi elettronici molecolari, compresi interruttori e circuiti elettronici a livello molecolare;
- nanolitografia e nanoimprinting;
- celle a combustibile e dispositivi di accumulo di energia;
- dispositivi micro e nanomeccanici, compresi motori molecolari e nanomotori, nanorobot;
- nanochimica e catalisi, compresi controllo della combustione, rivestimento, elettrochimica e prodotti farmaceutici;
- applicazioni aeronautiche, spaziali e di difesa;
- dispositivi per il monitoraggio dello stato dell'ambiente;
- somministrazione mirata di farmaci e proteine, biopolimeri e guarigione di tessuti biologici, diagnostica clinica e medica, creazione di muscoli artificiali, ossa, impianto di organi viventi;
- biomeccanica; genomica; bioinformatica; biostrumentazione;
- registrazione e identificazione di tessuti cancerogeni, patogeni e agenti biologicamente dannosi;
- sicurezza in agricoltura e nella produzione alimentare.

Computer e microelettronica

Nanocomputer- un dispositivo informatico basato su tecnologie elettroniche (meccaniche, biochimiche, quantistiche) con elementi logici dell'ordine di alcuni nanometri. Anche il computer stesso, sviluppato sulla base della nanotecnologia, è di dimensioni microscopiche.

computer del DNA- un sistema informatico che utilizza le capacità computazionali delle molecole di DNA. Biomolecular Computing è un nome collettivo per varie tecniche che sono in qualche modo legate al DNA o all'RNA. Nel calcolo del DNA, i dati non vengono presentati sotto forma di zero e uno, ma sotto forma di una struttura molecolare costruita sulla base di un'elica del DNA. Enzimi speciali svolgono il ruolo di software per la lettura, la copia e la manipolazione dei dati.

Microscopio a forza atomica- un microscopio a scansione di sonda ad alta risoluzione basato sull'interazione della punta del cantilever (sonda) con la superficie del campione in esame. A differenza di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), può esaminare superfici sia conduttive che non conduttive anche attraverso uno strato di liquido, il che rende possibile lavorare con molecole organiche (DNA). La risoluzione spaziale di un microscopio a forza atomica dipende dalle dimensioni del cantilever e dalla curvatura della sua punta. La risoluzione raggiunge l'atomo in orizzontale e lo supera notevolmente in verticale.

Antenna-oscillatore- Il 9 febbraio 2005 è stato ottenuto presso il laboratorio della Boston University un oscillatore-antenna con dimensioni dell'ordine di 1 micron. Questo dispositivo ha 5.000 milioni di atomi ed è in grado di oscillare a 1,49 gigahertz, il che gli consente di trasmettere enormi quantità di informazioni.

Nanomedicina e industria farmaceutica

Una tendenza nella medicina moderna basata sull'uso delle proprietà uniche di nanomateriali e nanooggetti per tracciare, progettare e modificare i sistemi biologici umani a livello nanomolecolare.

DNA-nanotecnologia- utilizzare le basi specifiche delle molecole di DNA e acido nucleico per creare strutture chiaramente definite sulla loro base.

Sintesi industriale di molecole di farmaci e preparati farmacologici di forma ben definita (bis-peptidi).

All'inizio del 2000, grazie ai rapidi progressi nella tecnologia di produzione di particelle nanometriche, è stato dato impulso allo sviluppo di un nuovo campo della nanotecnologia - nanoplasmonica... È risultato possibile trasmettere radiazioni elettromagnetiche lungo una catena di nanoparticelle metalliche utilizzando l'eccitazione delle oscillazioni plasmoniche.

Robotica

nanorobot- robot realizzati con nanomateriali e di dimensioni paragonabili a una molecola, dotati di funzioni di movimento, elaborazione e trasmissione di informazioni, ed esecuzione di programmi. Nanorobot in grado di creare le proprie copie, ad es. che si riproducono sono chiamati replicatori.

Attualmente sono già stati realizzati nanodispositivi elettromeccanici a mobilità ridotta, che possono essere considerati prototipi di nanorobot.

Rotori molecolari- motori sintetici su nanoscala in grado di generare coppia quando viene loro applicata una quantità sufficiente di energia.

Il posto della Russia tra i paesi che sviluppano e producono nanotecnologie

I leader mondiali in termini di investimenti complessivi nelle nanotecnologie sono i paesi dell'UE, il Giappone e gli Stati Uniti. Recentemente, Russia, Cina, Brasile e India hanno aumentato significativamente gli investimenti in questo settore. In Russia, il volume dei finanziamenti nell'ambito del programma "Sviluppo dell'infrastruttura della nanoindustria nella Federazione Russa per il 2008-2010" ammonterà a 27,7 miliardi di rubli.

L'ultimo rapporto (2008) della società di ricerca londinese Cientifica, chiamato Nanotechnology Outlook Report, parla letteralmente degli investimenti russi: "Mentre l'UE è ancora al primo posto in termini di investimenti, Cina e Russia hanno già superato gli Stati Uniti".

Ci sono aree della nanotecnologia in cui gli scienziati russi sono diventati i primi al mondo, avendo ottenuto risultati che hanno posto le basi per lo sviluppo di nuove tendenze scientifiche.

Tra questi, si possono individuare la produzione di nanomateriali ultrafini, la progettazione di dispositivi a un elettrone, nonché il lavoro nel campo della forza atomica e della microscopia a scansione di sonda. Solo in una mostra speciale tenuta nell'ambito del XII Forum economico di San Pietroburgo (2008), sono stati presentati 80 sviluppi specifici contemporaneamente.

La Russia produce già una serie di nanoprodotti richiesti dal mercato: nanomembrane, nanopolveri, nanotubi. Tuttavia, secondo gli esperti, nella commercializzazione degli sviluppi nanotecnologici, la Russia è in ritardo di dieci anni rispetto agli Stati Uniti e ad altri paesi sviluppati.

Il materiale è stato preparato sulla base di informazioni provenienti da fonti aperte

La nanotecnologia è un campo della scienza e della tecnologia fondamentale e applicata che si occupa di un insieme di fondamenti teorici, metodi pratici di ricerca, analisi e sintesi, nonché metodi di produzione e uso di prodotti con una data struttura atomica mediante manipolazione controllata di singoli atomi e molecole.

Storia

Molte fonti, principalmente in inglese, la prima menzione dei metodi, che in seguito saranno chiamati nanotecnologie, sono associate al famoso discorso di Richard Feynman "There's Plenty of Room at the Bottom", da lui tenuto nel 1959 al California Institute of Tecnologia al meeting annuale dell'American Physical Society. Richard Feynman ha suggerito che è possibile spostare meccanicamente singoli atomi usando un manipolatore della dimensione appropriata, almeno un tale processo non sarebbe in contraddizione con le leggi fisiche conosciute fino ad oggi.

Ha suggerito di fare questo manipolatore nel modo seguente. È necessario costruire un meccanismo che crei una propria copia, solo un ordine di grandezza più piccola. Il meccanismo più piccolo creato deve creare nuovamente la propria copia, ancora un ordine di grandezza più piccolo, e così via finché le dimensioni del meccanismo non sono commisurate alla dimensione dell'ordine di un atomo. In questo caso, sarà necessario apportare modifiche alla struttura di questo meccanismo, poiché le forze di gravità che agiscono nel macromondo eserciteranno sempre meno influenza e le forze delle interazioni intermolecolari e le forze di van der Waals influenzeranno sempre di più il funzionamento del meccanismo.

L'ultimo stadio: il meccanismo risultante assemblerà la sua copia da singoli atomi. In linea di principio, il numero di tali copie è illimitato; sarà possibile creare un numero arbitrario di tali macchine in breve tempo. Queste macchine saranno in grado di assemblare macro cose allo stesso modo, mediante assemblaggio atomico. Ciò renderà le cose un ordine di grandezza più economiche: a tali robot (nanorobot) sarà necessario fornire solo il numero richiesto di molecole ed energia e scrivere un programma per assemblare gli elementi necessari. Finora nessuno è stato in grado di confutare questa possibilità, ma nessuno è ancora riuscito a creare tali meccanismi. Nel corso di uno studio teorico di questa possibilità, sono comparsi ipotetici scenari apocalittici, che suggeriscono che i nanorobot assorbiranno tutta la biomassa della Terra, portando avanti il ​​loro programma di autoriproduzione (la cosiddetta "melma grigia" o "melma grigia" ).

Le prime ipotesi sulla possibilità di studiare gli oggetti a livello atomico si trovano nel libro "Opticks" di Isaac Newton, pubblicato nel 1704. Nel libro, Newton esprime la speranza che i microscopi del futuro possano un giorno esplorare i "misteri dei corpuscoli".

Per la prima volta il termine "nanotecnologia" è stato utilizzato da Norio Taniguchi nel 1974. Chiamò questo termine la produzione di prodotti di dimensioni di diversi nanometri. Negli anni '80, il termine è stato utilizzato da Eric K. Drexler nei suoi libri Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology and Nanosistemi: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation.

Di cosa è capace la nanotecnologia?

Ecco solo alcune delle aree in cui la nanotecnologia sta promettendo scoperte:

La medicina

I nanosensori forniranno progressi nella diagnosi precoce della malattia. Ciò aumenterà le tue possibilità di recupero. Possiamo sconfiggere il cancro e altre malattie. I vecchi farmaci antitumorali uccidevano non solo le cellule malate, ma anche quelle sane. Con l'aiuto della nanotecnologia, il farmaco verrà somministrato direttamente alla cellula malata.

DNA-nanotecnologia- utilizzare le basi specifiche delle molecole di DNA e acido nucleico per creare strutture chiaramente definite sulla loro base. Sintesi industriale di molecole di farmaci e preparati farmacologici di forma ben definita (bis-peptidi).

All'inizio del 2000, grazie ai rapidi progressi nella tecnologia di produzione di particelle nanometriche, è stato dato impulso allo sviluppo di un nuovo campo della nanotecnologia - nanoplasmonica... È risultato possibile trasmettere radiazioni elettromagnetiche lungo una catena di nanoparticelle metalliche utilizzando l'eccitazione delle oscillazioni plasmoniche.

Edificio

I nanosensori delle strutture edilizie ne monitoreranno la forza e rileveranno eventuali minacce alla loro integrità. Gli oggetti costruiti utilizzando la nanotecnologia potranno durare cinque volte più a lungo delle strutture moderne. Le case si adatteranno alle esigenze dei residenti, mantenendole fresche d'estate e calde d'inverno.

Energia

Saremo meno dipendenti da petrolio e gas. I moderni pannelli solari hanno un'efficienza di circa il 20%. Con l'uso della nanotecnologia, può crescere 2-3 volte. Nanofilm sottili sul tetto e sulle pareti possono fornire energia a tutta la casa (se, ovviamente, c'è abbastanza sole).

Industria meccanica

Tutte le apparecchiature ingombranti saranno sostituite da robot, dispositivi facilmente controllabili. Saranno in grado di creare qualsiasi meccanismo a livello di atomi e molecole. Per la produzione di macchine verranno utilizzati nuovi nanomateriali in grado di ridurre l'attrito, proteggere le parti dai danni e risparmiare energia. Queste non sono tutte aree in cui la nanotecnologia può (e sarà!) essere applicata. Gli scienziati ritengono che l'emergere della nanotecnologia sia l'inizio di una nuova rivoluzione scientifica e tecnologica, che cambierà notevolmente il mondo già nel 21° secolo. Vale la pena notare, tuttavia, che la nanotecnologia non entra nella pratica reale molto rapidamente. Non molti dispositivi (principalmente elettronici) funzionano con nano. Ciò è in parte dovuto all'alto costo delle nanotecnologie e al basso rendimento dei prodotti nanotecnologici.

Probabilmente, già nel prossimo futuro, con l'aiuto della nanotecnologia, verranno creati dispositivi ad alta tecnologia, mobili e facilmente controllabili, che sostituiranno con successo la tecnologia automatizzata di oggi, ma complessa nel controllo e ingombrante. Quindi, ad esempio, nel tempo, i biorobot controllati da un computer saranno in grado di svolgere le funzioni delle odierne stazioni di pompaggio ingombranti.

• computer del DNA- un sistema informatico che utilizza le capacità computazionali delle molecole di DNA. Biomolecular Computing è un nome collettivo per varie tecniche che sono in qualche modo legate al DNA o all'RNA. Nel calcolo del DNA, i dati non vengono presentati sotto forma di zero e uno, ma sotto forma di una struttura molecolare costruita sulla base di un'elica del DNA. Enzimi speciali svolgono il ruolo di software per la lettura, la copia e la manipolazione dei dati.
• Microscopio a forza atomica- un microscopio a scansione di sonda ad alta risoluzione basato sull'interazione della punta del cantilever (sonda) con la superficie del campione in esame. A differenza di un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), può esaminare superfici sia conduttive che non conduttive anche attraverso uno strato di liquido, il che rende possibile lavorare con molecole organiche (DNA). La risoluzione spaziale di un microscopio a forza atomica dipende dalle dimensioni del cantilever e dalla curvatura della sua punta. La risoluzione raggiunge l'atomo in orizzontale e lo supera notevolmente in verticale.
• Antenna-oscillatore- Il 9 febbraio 2005 è stato ottenuto presso il laboratorio della Boston University un oscillatore-antenna con dimensioni dell'ordine di 1 micron. Questo dispositivo ha 5.000 milioni di atomi ed è in grado di oscillare a 1,49 gigahertz, il che gli consente di trasmettere enormi quantità di informazioni.

10 nanotecnologie con un potenziale incredibile

Cerca di ricordare qualche invenzione canonica. Probabilmente, qualcuno ora ha immaginato una ruota, qualcuno un aereo e qualcuno e un iPod. Quanti di voi hanno pensato a un'invenzione di nuova generazione: la nanotecnologia? Questo mondo è poco conosciuto, ma ha un potenziale incredibile per darci cose davvero fantastiche. Cosa sorprendente: la direzione della nanotecnologia non è esistita fino al 1975, anche se gli scienziati hanno iniziato a lavorare in questo settore molto prima.

L'occhio umano umano è in grado di riconoscere oggetti di dimensioni fino a 0,1 millimetri. Oggi parleremo di dieci invenzioni, che sono 100.000 volte meno.

Metallo liquido elettricamente conduttivo

Usando l'elettricità, puoi creare una semplice lega di metallo liquido, composta da gallio, iridio e stagno, formare forme complesse o cerchi di vento all'interno di una capsula di Petri. Possiamo dire con una certa probabilità che questo sia il materiale da cui è stato creato il famoso cyborg della serie T-1000, che abbiamo potuto vedere in Terminator 2.

“La lega morbida si comporta come una forma intelligente, capace di deformarsi se necessario, tenendo conto dell'ambiente mutevole in cui si muove. Proprio come potrei creare un cyborg da un popolare film di fantascienza ", afferma Jin Li della Tsinghua University, uno dei ricercatori coinvolti nel progetto.

Questo metallo è biomimetico, cioè imita le reazioni biochimiche, sebbene non sia di per sé una sostanza biologica.

Questo metallo può essere controllato da scariche elettriche. Tuttavia, lui stesso è in grado di muoversi in modo indipendente, a causa dello squilibrio di carico emergente, creato dalla differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore di ogni goccia di questa lega metallica. E sebbene gli scienziati credano che questo processo possa essere la chiave per convertire l'energia chimica in energia meccanica, il materiale molecolare non verrà utilizzato per costruire cyborg malvagi nel prossimo futuro. L'intero processo "magico" può avvenire solo in soluzione di idrossido di sodio o soluzione salina.

nanoplastiche

I ricercatori dell'Università di York stanno lavorando per creare cerotti speciali che saranno progettati per fornire tutti i farmaci necessari all'interno del corpo senza la necessità di aghi e siringhe. Cerotti di dimensioni abbastanza normali sono incollati alla tua mano, rilasciando una certa dose di nanoparticelle del farmaco (abbastanza piccole da penetrare nei follicoli piliferi) nel tuo corpo. Le nanoparticelle (ciascuna di dimensioni inferiori a 20 nanometri) trovano esse stesse cellule dannose, le uccidono e saranno espulse dal corpo insieme ad altre cellule come risultato di processi naturali.

Gli scienziati osservano che in futuro tali nanoplastiche potranno essere utilizzate nella lotta contro una delle malattie più terribili sulla Terra: il cancro. A differenza della chemioterapia, che in questi casi è spesso parte integrante del trattamento, le nanoplastiche possono individuare e distruggere individualmente le cellule cancerose lasciando intatte le cellule sane. Il progetto nanoplaster è stato chiamato "NanJect". È sviluppato da Atif Sayed e Zakaria Hussein, che nel 2013, ancora studenti, hanno ricevuto la necessaria sponsorizzazione attraverso una campagna di raccolta fondi di crowdsourcing.

Nanofiltro per acqua

Quando questo film viene utilizzato in combinazione con una sottile rete di acciaio inossidabile, l'olio viene respinto e l'acqua in questo luogo diventa incontaminata.

È interessante notare che la natura stessa ha ispirato gli scienziati a creare nanofilm. Conosciute anche come ninfee, le foglie di loto hanno le proprietà opposte del nanofilm: invece dell'olio, respingono l'acqua. Non è la prima volta che gli scienziati osservano queste incredibili piante per le loro proprietà non meno sorprendenti. Ciò ha portato, ad esempio, alla creazione di materiali superidrofobici nel 2003. Per quanto riguarda il nanofilm, i ricercatori stanno cercando di creare un materiale che imiti la superficie delle ninfee e lo arricchisca con molecole di uno speciale agente pulente. Il rivestimento stesso è invisibile all'occhio umano. La produzione sarà poco costosa a circa $ 1 per piede quadrato.

Purificatore d'aria sottomarino

Quasi nessuno ha pensato a che tipo di equipaggio di sottomarini aerei devono respirare, tranne i membri dell'equipaggio stessi. Nel frattempo, la purificazione dell'aria dall'anidride carbonica deve essere eseguita immediatamente, poiché in un viaggio attraverso l'equipaggio leggero del sottomarino, la stessa aria deve passare centinaia di volte. Per pulire l'aria dall'anidride carbonica, vengono utilizzate le ammine, che hanno un odore molto sgradevole. Per affrontare questo problema, è stata creata una tecnologia di purificazione chiamata SAMMS (abbreviazione di Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Propone l'uso di speciali nanoparticelle incorporate all'interno di granuli ceramici. La sostanza ha una struttura porosa grazie alla quale assorbe l'anidride carbonica in eccesso. Diversi tipi di pulizia SAMMS funzionano con diverse molecole in aria, acqua e terra, tuttavia, tutte queste opzioni di pulizia sono incredibilmente efficaci. Basta un cucchiaio di questi granuli ceramici porosi per pulire un'area delle dimensioni di un campo da calcio.

Nanoconduttori

I ricercatori della Northwestern University (USA) hanno scoperto come creare un conduttore elettrico su scala nanometrica. Questo conduttore è una nanoparticella solida e resistente che può essere sintonizzata per trasmettere corrente elettrica in varie direzioni opposte. La ricerca mostra che ciascuna di queste nanoparticelle è in grado di emulare il funzionamento di un "raddrizzatore, interruttori e diodi". Ogni particella di 5 nanometri è rivestita con una sostanza chimica carica positiva e circondata da atomi caricati negativamente. L'applicazione di una scarica elettrica riconfigura gli atomi carichi negativamente attorno alle nanoparticelle.

Il potenziale della tecnologia, affermano gli scienziati, non ha precedenti. Sulla sua base, è possibile creare materiali "capaci di cambiare in modo indipendente per determinate attività computazionali del computer". L'uso di questo nanomateriale consentirà di "riprogrammare" l'elettronica del futuro. Gli aggiornamenti hardware saranno facili come gli aggiornamenti software.

Caricabatterie per nanotecnologie

Una volta creata questa cosa, non è più necessario utilizzare caricabatterie cablati. La nuova nanotecnologia funziona come una spugna, solo che non assorbe liquidi. Succhia energia cinetica dall'ambiente e la dirige direttamente nel tuo smartphone. La tecnologia si basa sull'uso di un materiale piezoelettrico che genera elettricità sotto stress meccanico. Il materiale è dotato di pori nanoscopici che lo trasformano in una spugna flessibile.

Il nome ufficiale di questo dispositivo è "nanogeneratore". Tali nanogeneratori potrebbero un giorno diventare parte di ogni smartphone del pianeta, o parte del cruscotto di ogni auto, e forse parte di ogni tasca di abbigliamento: i gadget verranno caricati proprio lì. Inoltre, la tecnologia ha il potenziale per essere utilizzata su scala più ampia, ad esempio nelle apparecchiature industriali. Almeno questo è ciò che pensano i ricercatori dell'Università del Wisconsin a Madison, che hanno creato questa straordinaria nano-spugna.

Retina artificiale

L'azienda israeliana Nano Retina sta sviluppando un'interfaccia che si collegherà direttamente ai neuroni dell'occhio e trasmetterà il risultato della modellazione neurale al cervello, sostituendo la retina e restituendo la vista alle persone.

Un esperimento su un pollo cieco ha mostrato speranza per il successo del progetto. Il nanofilm ha permesso al pollo di vedere la luce. È vero, la fase finale dello sviluppo di una retina artificiale per restituire la vista alle persone è ancora lontana, ma i progressi in questa direzione sono buone notizie. Nano Retina non è l'unica azienda impegnata in tali sviluppi, ma è la loro tecnologia che è attualmente considerata la più promettente, efficiente e adattabile. L'ultimo punto è il più importante, poiché stiamo parlando di un prodotto che si integrerà negli occhi di qualcuno. Sviluppi simili hanno dimostrato che i materiali solidi non sono adatti a queste applicazioni.

Poiché la tecnologia viene sviluppata a livello nanotecnologico, elimina l'uso di metallo e fili, oltre a evitare una bassa risoluzione dell'immagine simulata.

Vestiti luminosi

Scienziati a Shanghai hanno sviluppato fili riflettenti che possono essere usati per fare vestiti. La base di ogni filamento è un sottilissimo filo di acciaio inossidabile, rivestito con speciali nanoparticelle, uno strato di polimero elettroluminescente e una guaina protettiva costituita da nanotubi trasparenti. Il risultato sono fili molto leggeri e flessibili che possono brillare sotto l'influenza della propria energia elettrochimica. Allo stesso tempo, funzionano a una potenza molto inferiore rispetto ai LED convenzionali.

Lo svantaggio di questa tecnologia è che i fili hanno abbastanza "fornitura di luce" solo per poche ore. Tuttavia, gli sviluppatori del materiale sono ottimisti sul fatto che saranno in grado di aumentare la "risorsa" del loro prodotto almeno mille volte. Anche se ci riuscissero, la soluzione a un altro inconveniente è ancora in discussione. Molto probabilmente, non sarà possibile lavare i vestiti basati su tali nanofili.

Nano-aghi per il ripristino degli organi interni

Le nanoplastiche di cui abbiamo parlato sopra sono progettate appositamente per sostituire gli aghi. E se gli aghi stessi fossero grandi solo pochi nanometri? Se è così, potrebbero cambiare il modo in cui pensiamo alla chirurgia, o almeno migliorarlo significativamente.

Più di recente, gli scienziati hanno condotto con successo test di laboratorio sui topi. Con l'aiuto di minuscoli aghi, i ricercatori sono stati in grado di iniettare acidi nucleici negli organismi dei roditori che promuovono la rigenerazione di organi e cellule nervose e quindi ripristinano l'efficienza perduta. Quando gli aghi svolgono la loro funzione, rimangono nel corpo e si decompongono completamente in pochi giorni. Allo stesso tempo, gli scienziati non hanno riscontrato alcun effetto collaterale durante le operazioni per ripristinare i vasi sanguigni dei muscoli della schiena dei roditori utilizzando questi speciali nano-aghi.

Se prendiamo in considerazione i casi umani, tali nano-aghi possono essere utilizzati per fornire i fondi necessari al corpo umano, ad esempio durante il trapianto di organi. Sostanze speciali prepareranno i tessuti circostanti intorno all'organo trapiantato per un rapido recupero ed escluderanno la possibilità di rigetto.

Stampa chimica 3D

Il chimico dell'Università dell'Illinois Martin Burke è il vero Willie Wonka del mondo della chimica. Usando una raccolta di molecole di "materiale da costruzione" per un'ampia varietà di scopi, può creare un numero enorme di sostanze chimiche diverse, dotate di tutti i tipi di "proprietà sorprendenti e tuttavia naturali". Ad esempio, una di queste sostanze è la ratanina, che si trova solo nel rarissimo fiore peruviano.

Il potenziale per la sintesi di sostanze è così enorme che consentirà di produrre molecole che vengono utilizzate in medicina per creare diodi LED, celle solari e quegli elementi chimici che anche i migliori chimici del pianeta hanno impiegato anni per sintetizzare.

Le capacità dell'attuale prototipo di stampante chimica tridimensionale sono ancora limitate. È solo in grado di creare nuovi farmaci. Tuttavia, Burke spera che un giorno sarà in grado di creare una versione consumer del suo fantastico dispositivo che sarà molto più potente. È possibile che in futuro tali stampanti agiranno come una sorta di farmacisti domestici.

La nanotecnologia è una minaccia per la salute umana o per l'ambiente?

Non ci sono molte informazioni sugli effetti negativi delle nanoparticelle. Nel 2003, uno studio ha dimostrato che i nanotubi di carbonio possono danneggiare i polmoni nei topi e nei ratti. Uno studio del 2004 ha mostrato che i fullereni possono accumularsi e causare danni cerebrali nei pesci. Ma entrambi gli studi hanno utilizzato grandi dosi della sostanza in condizioni insolite. Secondo uno degli esperti, la chimica Kristen Kulinovski (Usa), “sarebbe opportuno limitare l'esposizione di queste nanoparticelle, nonostante al momento non ci siano informazioni sulla loro minaccia per la salute umana”.

Alcuni commentatori hanno anche sostenuto che l'uso diffuso della nanotecnologia può portare a rischi sociali ed etici. Quindi, per esempio, se l'uso delle nanotecnologie avvia una nuova rivoluzione industriale, porterà alla perdita di posti di lavoro. Inoltre, le nanotecnologie possono cambiare la percezione di una persona, poiché il loro uso aiuterà a prolungare la vita e ad aumentare significativamente la stabilità del corpo. "Nessuno può negare che l'adozione diffusa dei telefoni cellulari e di Internet ha portato enormi cambiamenti nella società", afferma Kristen Kulinovski. "Chi oserebbe dire che la nanotecnologia non avrà un impatto maggiore sulla società nei prossimi anni?"

Il posto della Russia tra i paesi che sviluppano e producono nanotecnologie

I leader mondiali in termini di investimenti complessivi nelle nanotecnologie sono i paesi dell'UE, il Giappone e gli Stati Uniti. Recentemente, Russia, Cina, Brasile e India hanno aumentato significativamente gli investimenti in questo settore. In Russia, il volume dei finanziamenti nell'ambito del programma "Sviluppo dell'infrastruttura della nanoindustria nella Federazione Russa per il 2008-2010" ammonterà a 27,7 miliardi di rubli.

L'ultimo rapporto (2008) della società di ricerca londinese Cientifica, chiamato Nanotechnology Outlook Report, legge letteralmente quanto segue sugli investimenti russi: "Sebbene l'UE sia ancora al primo posto in termini di investimenti, Cina e Russia hanno già superato gli Stati Uniti ."

Ci sono aree della nanotecnologia in cui gli scienziati russi sono diventati i primi al mondo, avendo ottenuto risultati che hanno posto le basi per lo sviluppo di nuove tendenze scientifiche.

Tra questi, si possono individuare la produzione di nanomateriali ultrafini, la progettazione di dispositivi a un elettrone, nonché il lavoro nel campo della forza atomica e della microscopia a scansione di sonda. Solo in una mostra speciale tenuta nell'ambito del XII Forum economico di San Pietroburgo (2008), sono stati presentati 80 sviluppi specifici contemporaneamente. La Russia produce già una serie di nanoprodotti richiesti dal mercato: nanomembrane, nanopolveri, nanotubi. Tuttavia, secondo gli esperti, nella commercializzazione degli sviluppi nanotecnologici, la Russia è in ritardo di dieci anni rispetto agli Stati Uniti e ad altri paesi sviluppati.

La nanotecnologia nell'arte

Numerose opere dell'artista americana Natasha Vita-Mor riguardano la nanotecnologia.

Nell'arte contemporanea è emersa una nuova tendenza "nanoart" (nano art) - una forma d'arte associata alla creazione di sculture (composizioni) di micro e nano dimensioni (10-6 e 10-9 m, rispettivamente) da parte di un artista sotto l'influenza di processi chimici o fisici di elaborazione dei materiali, fotografando le nano-immagini ottenute utilizzando un microscopio elettronico ed elaborando fotografie in bianco e nero in un editor grafico.

Nella famosa opera dello scrittore russo N. Leskov "Levsha" (1881) c'è un frammento interessante: su ogni ferro di cavallo viene visualizzato il nome di un maestro: quale maestro russo ha fatto quel ferro di cavallo. " L'ingrandimento di 5.000.000 di volte è fornito dai moderni microscopi elettronici e a forza atomica, che sono considerati i principali strumenti della nanotecnologia. Pertanto, l'eroe letterario Lefty può essere considerato il primo "nanotecnologo" della storia.

Le idee di Feynman su come creare e utilizzare i nanomanipolatori delineate da Feynman nella sua conferenza del 1959 "C'è un sacco di spazio laggiù" coincidono praticamente testualmente con la fantastica storia "Mikroruki" del famoso scrittore sovietico Boris Zhitkov, pubblicata nel 1931. Alcune delle conseguenze negative dello sviluppo incontrollato della nanotecnologia sono descritte nelle opere di M. Crichton ("The Roy"), S. Lem ("Ispezione sul posto" e "Pace sulla Terra"), S. Lukyanenko ("Niente dividere").

Il protagonista del romanzo "Transman" di Yuri Nikitin è il capo di una società di nanotecnologie e la prima persona a sperimentare gli effetti dei nanorobot medici.

Nella serie di fantascienza Stargate SG-1 e Stargate Atlantis, una delle razze tecnologicamente più avanzate sono le due razze "replicatrici" emerse da esperimenti falliti utilizzando e descrivendo varie applicazioni della nanotecnologia. In The Day the Earth Stood Still, con Keanu Reeves, una civiltà aliena pronuncia l'umanità una condanna a morte e quasi distrugge tutto sul pianeta con l'aiuto di coleotteri nanoreplicanti che divorano tutto sul suo cammino.