Презентация "Нанотехнологии" (11 класс) по химии – проект, доклад

Нанотехнологии

Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты сильно возрастают. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Объекты нанотехнологий

Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона: наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм). С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанообъекты

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д. двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, методом ионного наслаивания и т.д. одномерные объекты — получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты.

Самоорганизация наночастиц

Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией, — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества.

Схематическое представление молекулы графена

Графен

Графен – двумерный кристаллический углеродный материал, который удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита. Впервые экспериментально получен и описан этот материал был в 2004 году группой российских ученых, часть которых трудится в настоящее время в Манчестерском университете под руководством Константина Новоселова, а часть – в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке.

Графен очень прочен и гибок, так как его структура в пересчете на всю площадь образца, имеет очень мало дефектов. Графен уникален тем, что благодаря своей двумерной структуре может проявлять как свойства проводника, причем очень хорошего, так и полупроводниковые свойства. В настоящее время большинство ученых сходятся во мнении, что углеродные материалы в недалеком будущем придут на смену кремнию в микроэлектронной промышленности. Разработка методики его промышленного получения практически сразу приведет к созданию первых интегральных микросхем.

По сравнению с кремнием графен имеет лучшую электропроводность и является идеальным материалом для производства чипов. В графене скорость передвижения электронов по сравнению с другими материалами можно увеличить в 10 раз. Транзисторы, могут работать при комнатной температуре.

Компании-производители подходят к так называемому квантовому порогу в изготовлении микрочипов из кремния. Использование графена позволяет обратить мешающие в других случаях наноразмерные квантовые эффекты во благо. Константин Новосёлов и Андрей Гейм из британского Манчестерского университета, сумели сделать на основе графена одноэлектронный транзистор – потенциальный единичный элемент графеновых микросхем будущего.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Фуллерены

Фуллерены - группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р.Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 при исследовании масс-спектров паров графита, полученных при лазерном облучении твёрдого образца. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Фуллерен-60

Фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали. Сейчас фулерены интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать вещества с заданными формами и свойствами.

Синтез фуллеренов

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени, химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час). Впоследствии фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки - протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, открытые в 1991 году японским исследователем Иджимой.

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Трубка оказывается металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число.

В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки»). Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные.

Одно из поразительных связанных с нанотрубками явлений состоит в том, что их свойства целиком зависят от геометрии. Они могут быть как с открытыми концами (это позволяет заполнять их атомами других веществ), так и с одним закрытым концом. В первом случае нанотрубки, проявляя капиллярный эффект, оказываются способными втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества, что превращает их в тончайший изолированный провод в оболочке.

Получение углеродных нанотрубок

В настоящее время наиболее распространённым является метод термического испарения графитовых электродов в плазме дугового разряда. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 10-20 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру.

Углерод-углеродные композиционные материалы

Фуллерены-области применения

Новые фуллереновые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %. Новые классы полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими, магнитными свойствами для записи и хранения информации. Новые классы антифрикционных покрытий и смазок, в том числе, на основе фторсодержащих соединений фуллеренов. Новые виды топлив и добавок к топливам. Капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов. Новые классы соединений для фармакологии и медицины, в том числе, противовирусные и нейротропные препараты.

Фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полупроводящими полимерами для изготовления элементов солнечных электрических батарей и аккумуляторов.

Самолет на солнечных батареях, созданный британскими конструкторами, получивший название "Зефир-6", продержался в воздухе 82 часа и 37 минут. Размах крыльев нового самолета - 18 метров, он сделан из сверхлегких материалов и весит всего 30 кг. В планах разработчиков и военных довести длительность полета подобных аппаратов до нескольких месяцев.

Косметическая серия NANOMIC – это революция в области косметики anti-age, содержит фулерены и коэнзим Q1 в нанокапсулах притягивает и нейтрализует свободные радикалы действует как эффективный солнцезащитный фильтр борется со старением кожи разглаживает морщины выравнивает цвет кожи препятствует процессу окисления кожного сала сужает поры оказывает противовоспалительное действие благотворно воздействует на кожу в течение 40 часов (!) восстанавливает клетки кожи

Поскольку основной объект воздействия современной медицины – это клетка, а зачастую – макромолекулы, то и инструменты для их починки должны быть того же порядка, что и объект, то есть нанометрового диапазона. Для медицины наноразмеры – это все, что меньше 1 мкм, получается, что это понятие в медицине несколько менее строгое, чем в физике или химии. Важно, чтобы нанообъект проходил через поры капилляров размеров 100-200 нм.

Зачем медицине нанотехнологии?

Сферы применения нанотехнологий в медицине

Диагностика раковых заболеваний Доставка лекарств в клетки Лечение опухолей, ВИЧ, нейрохирургия Перевязочный наноматериал - своеобразного заменителя антибиотика на поверхности раны. Нановещество, способное останавливать кровотечение

Диагностика заболеваний

Профессор Гарвардского университета Ч. Либер заявляет, что будущее в медицинской диагностике за наносенсорами, обеспечивающими высокочувствительное и специфичное выявление белков, вирусов или ДНК в биологическом материале за считанные минуты.

В 2004 г. в лаборатории Либера был создан сенсор на основе нанопроводов, позволяющий выявить даже единичную вирусную частицу. На поверхность нанопроводов наносятся различные белки-рецепторы, способные специфически связываться с биологическими макромолекулами. В результате этого взаимодействия изменяется электрическая проводимость нанопровода, что сигнализирует о выявлении определённой субстанции.

Доставка лекарств в клетки

Выборочное лечение только больных клеток, при котором лекарство доставляется адресно и очень маленькими порциями. Нанокапсулы с лекарством, способные прилипать только к определённым клеткам. Основное препятствие, мешающее использовать нанокапсулы с лекарствами для адресной доставки больным клеткам – наша иммунная система. Применение наноконтейнеров в медицине открывает перед ней новые возможности. Лекарства, упакованные в липосомы, эритроциты, становятся более эффективными и безопасными, точно попадают к органам-мишеням и позволяют снизить дозу и не распознаются организмом как чужеродные тела.

Обычную бактерию тоже можно нагрузить наночастицами с лекарствами, и тогда она сможет работать в качестве транспорта по доставке этих лекарств клеткам.

Нанороботы

Нанороботы – это машины, размером с молекулу, которые могут передвигаться, обрабатывать и передавать информацию, исполнять различные программы. Медицинские нанороботы должны уметь распознавать болезнь, доставлять лекарства и даже делать хирургические операции. При этом лекарство должно доставляться непосредственно к больным органам, избегая здоровых, которым они могут нанести вред.

Регенерация клеток

Группа исследователей обнаружила, что применение современных нанотехнологий может помогать организму мобилизовать свои собственные функции, такие как восстановление тканей или регенерация тканей и органов. После инъекции определённой дозы таких нановолокон посредством простого укола в повреждённую область, они могут быть локализованы на поверхности тканей, где необходимо запустить определённый биологический процесс, как, например, регенерация или восстановление повреждённых клеток.

Военные нанотехнологии

Применение нанотехнологий в военной радиоэлектронике обеспечит глубокий прорыв в развитии техники связи за счет освоения более высоких частотных диапазонов, реализации новых принципов обработки сигналов, снижения энергозатрат, повышения надежности, уменьшения массо-габаритных показателей. и пр. В результате передача цифровых данных будет происходить на сверхвысоких скоростях. Применение нанотехнологий позволит создать электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках. Они будут характеризоваться высокой электрической проводимостью и при этом весить на порядок меньше медных.

Военная экипировка будущего поколения: Для повышения жесткости костюма солдат будущего к нановолокнам добавляются наночастицы, которые соединяются между собой и упрочняют общую структуру. Добавление различных наночастиц к нановолокнам позволит изменить электропроводность. Таким образом, существует возможность создания отдельных проводящих участков костюма, что позволит детектировать удар пули о бронежилет настолько быстро, чтобы успел включиться внешний экзоскелет костюма.

Все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер, который будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата. Если, например, солдат поломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма. Каждый солдат будет иметь многоуровневые комплексы, позволяющие использовать весь арсенал современных телекоммуникаций и навигации. Информация будет отражаться на экране, встроенном в защитные очки.

Ведутся научно-исследовательские и опытно-констукторские работы в области создания нанокерамических материалов. В частности, при использовании наноструктур из карбида кремния удалось в три раза повысить жесткость материалов по сравнению с обычными изделиями из этого материала. На их основе выпускаются различные покрытия, в частности NanoTuf, которое состоит из наночастиц в растворе и в несколько раз увеличивает прочность пластика. Пентагон ежегодно выделяет компании Inframat Corp. около двух миллиардов долларов в год на исследования «нанокраски», которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины.

Летающие мини-роботы, так называемые Micro Aerial Vehicles. Дистанционно управляемые экземпляры, величиной с самолет, применяются американской армией в качестве боевых машин в Ираке и в Афганистане. Именно при помощи такой фантастической штуки в Пакистане был убит британский подданный Рашид Рауф, которого подозревают в организации террористических актов. Трутни размером с футбольный мяч постоянно применяются, например, для борьбы с организованной преступностью. Летательные объекты будущего должны стать намного меньше. Рой или эскадрилья летучих разведчиков должна по замыслу изобретателей как можно более незаметно, издалека наблюдать за подозрительными лицами. Целью создателей является создание робота-шпиона и боевого робота, величиной с комнатную муху.

Ученые, которые занимаются созданием нанооружия, утверждают, что благодаря потенциалу наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружения, которое будет в десятки раз мощнее обычного оружия. Оно будет напоминать облако пыли, способное взорвать любой объект, в том числе и подземный.

Нанотехнологии и экология

Нанотехнология имеет дело с частицами размером от одного нанометра. Проблема в том, что эти частицы могут оказаться вредными для человеческого организма, поскольку свободно проникают через клеточные мембраны. До сих пор нет долгосрочных программ по изучению безопасности наночастиц для человеческого организма. По словам ученых, некоторые наноматериалы способны разрушать мозг у рыб и глубоко проникать в легкие, хотя во многих случаях их влияние на здоровье пока остается неизвестным. Наносеребро, к примеру, вполне может вызывать тот же эффект, что и обычное серебро, которое, будучи помещенным в водную среду, приводит к нарушениям репродуктивных функций у некоторых моллюсков.

Токсичность нанотрубок Результаты экспериментов, проведённых в последние годы, показали, что длинные многостенные углеродные нанотрубки (МНТ) могут вызвать отклик, аналогичный асбестовым волокнам. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей и рака лёгких в несколько раз больше, чем у основного населения. Канцерогенность волокон разных видов асбеста весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. Благодаря своему малому весу и размерам, углеродные нанотрубки проникают в дыхательные пути вместе с воздухом. В итоге они концентрируются в плевре. Мелкие частицы и короткие нанотрубки выходят через поры в грудной стенке (диаметр 3-8 мкм), а длинные нанотрубки могут задерживаться и со временем вызвать патологические изменения. Сравнительные эксперименты по добавке одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) в пищу мышей показали отсутствие заметной реакции последних в случае нанотрубок с длиной порядка микрон. Тогда как использование укороченных ОНТ с длиной 200-500 нм приводило к «впиванию» нанотрубок-игл в стенки желудка.

В соответствии с инициативой американского правительства National Nanotechnology Initiative, на поддержку исследований в области нанотехнологий только в 2008 году выделен бюджет в размере 1,44 млрд долл. Но лишь 4% из этого бюджета идет на нужды здравоохранения и защиты окружающей среды. Структура финансовых расходов является наглядным свидетельством недостаточной ответственности федерального правительства. Необходимо также определить требования к маркировке продуктов, в которых используются нанотехнологии.

Ученые из Аризонского университета исследовали использование наноматериалов для производства предметов одежды. Ученые взяли шесть пар носков, содержащих наночастицы серебра, которые препятствуют развитию бактерий и появлению запаха в процессе носки, и поместили их в емкости, заполненные дистиллированной водой комнатной температуры. Встряхивая контейнеры в течение часа, ученые затем провели анализ содержавшейся в них воды. Исследователи установили, что скорость вымывания серебряных наночастиц была различной для разных видов изделий. Ученые опасаются, что наночастицы серебра, попадая при стирке одежды в канализационную систему, а оттуда и в естественные водоемы, могут нанести непоправимый ущерб водной экосистеме.

Результаты исследований действия синтезированных наночастиц на окружающую среду представили учёные на недавно состоявшейся в Швейцарии конференции «nanoECO». Расширение производства и применения материалов, содержащих наночастицы, вызвало к жизни новую отрасль науки – наноэкотоксикологию.

Уже сейчас необходимо разрабатывать эффективные методы обнаружения наночастиц в природных средах (воде, воздухе и почве), разрабатывать методики определения токсичности наноматериалов и нормировать содержание различных наночастиц в окружающей среде, разрабатывать новые методы оценки воздействия на окружающую среду антропогенной деятельности. На сегодняшний день способов борьбы с «традиционным» химическим загрязнением, предостаточно, что нельзя сказать о предотвращении загрязнения окружающей среды «наночастицами». Здесь «традиционные» фильтры и системы очистки абсолютно бесполезны.