Нанотехнологии

Нанотехнологии
Цели:
• рассмотреть понятие термина
нанотехнология;
• изучить применение нанотехнологий в химии;
• остановиться на рассмотрении устройства
нанотрубки, ее применении в медицине,
эпигенетике для нового подхода к
отслеживанию изменений в ДНК; использовании
новой наноструктуры для фиксации диоксида
углерода;
• изучить применение нанотехнологий в
текстильной промышленности.
Задачи:
• изучить понятие «нанотехнология»;
• рассмотреть применение нанотехнологий в
химии;
• разобрать устройство нанотрубки,
остановиться на ее применении в медицине;
• ознакомиться с последними новинками в
отслеживании изменений в ДНК;
• рассмотреть роль наноструктур в вопросах
экологии;
• углубиться в значение нанотехнологий в
текстильной промышленности.
Понятие нанотехнологий
•
•
•
•
Нанотехнология — область науки и техники, имеющая дело с методами
исследования, анализа и синтеза, а также методами производства и
применения продуктов с заданной атомной структурой путём
контролируемого манипулирования отдельными атомами и
молекулами.
Первое появление нанотехнологий связано с выступлением Ричарда
Фейнмана «В том мире полно места», сделанным им в 1959 году в
Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече
Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил,
что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи
манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой
процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день
физическим законам. Этот манипулятор он предложил делать
следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший
бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший
механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок
меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут
соизмеримы с размерами порядка одного атома.
Термин "нанотехнология" или "нанотехнологии" был введен
профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 г. в
контексте обработки материалов путем добавления или удаления
атома или молекулы.
Основной единицей измерения является нанометр (нм); 1 нм =
0,000000001 м.
Нанотехнологии в химии
•
•
Основные применения нанотехнологии в химии связаны с разработкой
катализаторов нового поколения. Ключевой проблемой при попытках
использования наноструктурных материалов является сложность
стабилизации формы и размеров нанокристаллических частиц. Причем
в области химических технологий необходимо учитывать постоянное
изменение состава самой наночастицы, её геометрических размеров,
строения, образование продуктов взаимодействия поверхности с
окружающей средой, которая в свою очередь также не остается
постоянной в ходе технологического процесса.
Было обнаружено, что очень перспективным катализатором может
оказаться золото. Если делить кусок золота на мелкие фрагменты до
того, чтобы получить наночастицы размером всего в несколько
атомов, то золото становится химически чрезвычайно активным. И
перед нами открывается совершенно новый, неведомый мир реакций,
которые оно способно ускорять. Прежде всего, это реакции окисления,
в которых золото помогает молекуле одного из реагентов
присоединить атом кислорода. До сих пор химикам-технологам
приходилось использовать для этих целей очень агрессивные, а
нередко ещё и ядовитые субстанции – например, соединения хрома.
Золото же в качестве «зелёного» катализатора позволяет
осуществлять безвредные реакции окисления с использованием
атмосферного кислорода.
Основные наноматериалы:
Углеродные нанотрубки
Графен
Фуллерены
Нанокристаллы
Самоочищающиеся поверхности
Аэрогель
на основе эффекта лотоса
Нанотрубка
•
Нанотрубки — протяжённые
цилиндрические структуры
диаметром от одного до
нескольких десятков
нанометров и длиной до
нескольких сантиметров,
состоящие из одной или
нескольких свёрнутых в
трубку гексагональных
графитовых плоскостей
(графенов) и обычно
заканчивающиеся
полусферической головкой.
Применение нанотрубок:
• Механические применения: сверхпрочные нити,
композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике: транзисторы,
нанопровода, прозрачные проводящие поверхности,
топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими
нейронами и электронными устройствами в новейших
нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных
молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
• Миниатюрные датчики для обнаружения молекул в
газовой среде или в растворах с ультравысокой
чувствительностью. Такие нанодатчики могут
использоваться для мониторинга окружающей среды, в
военных, медицинских и биотехнологических
применениях.
Исследователям удалось создать искусственные
мышечные волокна, которые могут с большой скоростью
скручиваться вдоль своей оси в обоих направлениях, неся
при этом значительную нагрузку.
•
Группа исследователей под руководством Рэя Баугмана из
Университета Техаса сплели нить из тысяч углеродных
нанотрубок, диаметр каждой из которых составлял около
10 нм. Исследователям удалось создать спиралевидные
нити пряжи диаметром 10 мкм и длиной несколько
сантиметров. При использовании такой нити в качестве
электрода и помещении ее в электролит, содержащий
второй электролит и приложении электрического тока к
системе нить начинает вращаться, скручиваясь в одном
направлении с большой скорости до достижения
предельной величины скрутки; при изменении значения
разности потенциалов начинается раскручивание в
противоположном направлении. Исследователи
продемонстрировали, что жгут способен к вращению в
разные стороны, при этом вращении он делает более 40
полных оборотов со средней скоростью вращения около
600 оборотов в минуту. Жгут сохраняет способность
вращаться даже в том случае, если с ним связана полезная
нагрузка, масса которой в 2000 раз превышает массу
самого жгута.
Полагают, что в скором времени эта система сможет
найти применение в микрокапиллярных системах.
Химики из США разработали новый метод обнаружения
химической модификации однонитевой молекулы ДНК,
связав ее с парой углеродных нанотрубок.
•
•
При химическом изменении ДНК меняется
проводимость системы нуклеиновая
кислота/нанотрубки, эти изменения
проводимости отслеживаются с помощью
нового устройства.
•
Разработанная методика
заключается в том, что
первоначально в одностенной
углеродной нанотрубке
протравливается зазор, после чего в
этот зазор помещается однонитевая
ДНК, которая прикрепляется к двум
концам разорванной нанотрубки; на
завершающем этапе полученная
система подключалась к источнику
электрического тока.
Крис Шофилд из Оксфорда, изучающий
химические механизмы эпигенетики,
отмечает, что методика,
разработанная американскими
коллегами, очень удобна, и
представляет собой весьма
многообещающий подход к
отслеживанию изменений в ДНК, что, в
свою важно для проведения
исследований в области эпигенетики.
Наноструктуры в экологии: съедобная
губка для углекислого газа
•
В прошлом году исследователи из лаборатории Фрейзера Стоддарта сообщали о
создании наноструктур нового типа из сахара, соли и спирта. Новая работа этой же
исследовательской группы посвящена тому, что созданная ими наноструктура
может эффективно распознавать, поглощать и хранить диоксид углерода.
•
Один из авторов исследования, Росс Форган, отмечает,
•
что, по его мнению, главное достоинство новой
системы для поглощения CO2 – ее углеродная
нейтральность – «губка», впитывающая диоксид
углерода, создана на основе соединений природного
происхождения – продуктов связывания атмосферного
диоксида углерода, поэтому она не только нетоксична,
но и наиболее эффективно решает задачу понижения
содержания атмосферного углерода.
•
Эта особенность позволила исследователям
разработать простой метод определения факта
предельной адсорбции углекислого газа новым
материалом – исследователи ввели в кристаллы новой
Кислотно-основной индикатор,
металлоорганической каркасной структуры кислотнопереходя из желтой окраски в красную, основной индикатор.
указывает на степень насыщения
•
Простота новой металлоорганической каркасной
каркасной структуры диоксидом
структуры, ее низкая стоимость и экологическая
углерода.
безопасность обуславливают возможность
коммерциализации новой системы. Полученные
результаты являются уникальной демонстрацией
того, что относительно простая химическая система
может успешной применяться для решения таких
важных вопросов, как фиксация диоксида углерода и
сенсорная технология.
Наноматериалы в текстиле
•
•
•
Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям
водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность
проводить электричество и другие свойства.
Наноматериалы могут иметь в своем составе наночастицы, нановолокна и другие
добавки. Например, компания Nano-Tex успешно производит ткани, улучшенные с
помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную
водонепроницаемость: благодаря изменению молекулярной структуры волокон,
капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит».
А американская компания NanoSonic разработала уникальную технологию,
позволяющую создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в
частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как
металл. Новый продукт назвали Metall Rubber- металлизированная резина. Из
«горячих новинок» текстильного нанорынка следует отметить утеплительный
материал Aspen's Pyrogel AR5401, изготовленный на основе полимерного материала
с нанопорами. Благодаря им материал ведет себя как хороший теплоизолятор.
Нанопокрытия
Нанотехнологии также применяются для улучшения свойств традиционного текстиля и
изделий из него. В этом случае на текстиль наносятся покрытия, модифицирующие его
в микронном и субмикронном размерных диапазонах. Энергосберегающая технология
очищает поверхность текстиля без применения химикатов и энергии, исключительно под
воздействием нанокатализаторов, нанесенных с использованием традиционного
текстильного оборудования, солнечного света и воды.
Примерами таких покрытий могут служить обеззараживающие покрытия на основе
наночастиц серебра и оксида цинка а также покрытия, создающие устойчивый слой, который
не пропускает ультрафиолет.
Электроника
•
•
•
Интеграция в текстиль микро- и наноэлектроники существенно расширяет возможности
повседневной одежды, которую можно использовать в качестве средства связи и даже персонального
компьютера. А изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит призводить мониторинг
состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике,
спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях.
Мэгги Орт, исследователь из Массачусетского технологического института, пытается
сделать одежду-дисплей. Ее компания, International Fashion Machines, производит ткань из
запатентованной «электронной пряжи»- набора проводящих и непроводящих нитей, покрытых
чернилами, изменяющими цвет в зависимости от температуры нитей. Нагрев нитей, вызванный
протеканием по ним электрического тока низкого напряжения, заставляет чернила изменять цвет, и
нанесенный ранее «шаблон» (в виде конфигурации нитей) начинает проявляться на ткани. Мэгги
утверждает, что уже в 2006 г. технологии «электронной пряжи» совместно с технологией
«текстильного сенсора» будет использоваться в целом ряде продуктов: от больших экранов,
вмонтированных в ковры, до абажуров ламп, изменяющих цвет от прикосновения. Использование этой
технологии в одежде, по оценке самой Мэгги, преждевременно до разработки нових электрохромных
чернил, которые позволят потреблять меньше энергии. Пока что одежду из такого текстиля можно
носить только дома - всегда можно «подзарядиться». Одна из любимых идей Мэгги - создание одежды,
предсказывающей погоду. Плащ, оснащенный дисплеем, будет изменять цвет в зависимости от того,
какая погода на носу. И если прогноз неблагоприятен, хозяину стоит сходить домой за зонтом.
Узнавать погоду плащ будет по Интернету с помощью беспроводных технологий.
Исследователи из университета штата Аризона под руководством профессора Фредерика
Ценгаусерна пытаются создать биометрическую одежду, интегрировав в обычное трико, которым
часто пользуются спортсмены, гибкий дисплей, набор сенсоров для детекции вредных веществ,
микроскопический топливный элемент, микронасосы и т.д. Не удивительно, что такой «навороченный»
костюм предназначается для военного применения, но может использоваться и в мирних отраслях,
например, в медицине, где он сам проверит состояние больного (например, диабетика) и сам вовремя
сделает необходимые инъекции.
Вывод:
• Нанотехнологии имеют огромное значение в жизни
человека. Они применяются повсюду: в химии, биологии,
физике, медицине. В наше время с их помощью
разрабатываются новые методы изучения молекул ДНК,
создаются новые материалы (нанопокрытия,
утеплительные материалы, металлизированная резина),
повышается уровень экологии в окружающей среде
(губка – фиксатор углекислого газа), достигаются новые
открытия в медицине (искусственные мышцы из
нанотрубок). Этот комплекс областей науки и
технологий стремительно меняется под влиянием
новых открытий, происходящих практически каждый
месяц. Мир не стоит на месте, и в будущем мы увидим
еще достаточно много новых открытий и изобретений
в сфере нанотехнологий.