Нанотехнологии

1. Нанотехнологии Лицей «Дубна» 2009

2. План: • История нанотехнологий и их место среди других наук • Некоторые необычные физические явления, проявляющиеся в наномире • Возможные применения нанотехнологий • Государственные проекты по нанотехнологиям • Опасности нанотехнологий

3. Нанотехнологии: место среди других наук

4. С чего все начиналось There’s plenty of room at the bottom «1000$ тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (дюйм ~ 2,5 см)» а) Фейнман рассматривает моторчик под микроскопом b) Сам моторчик по сравнению с булавочной головкой Ричард Фейнманн (1959)

5. специалисты по информатике и компьютерам инженеры-электроники инженеры-механики нанообъекты биологи физики химики «материалисты» Кто такие «нанотехнологи»? «Нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества к прогрессу».

6. Почему нанотехнологии – это интересно? • Цвет зависит от размеров • Прочность увеличивается в десятки раз, а пластичность исчезает • Температура плавления падает на сотни градусов • Реакционная способность веществ растет • Появляется способность к самосборке, самоорганизации • ... При уменьшении объектов до наноразмеров их свойства изменяются:

7. Наночастицы меняют свой цвет Рассмотрим полупроводниковые кристаллы размером в несколько нанометров («квантовые точки»): - размер наночастиц - длины волн видимого света Полупроводники должны чувствовать падающий на них свет, испуская при этом свет меньшей частоты. Частота определяется шириной запрещенной зоны. Схематическое изображение уровней энергии и энергетических зон электрона в полупроводнике

8. Светиться в соответствии с размером! Энергия, необходимая для отрыва валентного электрона и перевода его в зону проводимости, зависит также от того, находится атом на поверхности или внутри вещества. Частота испускаемого света уменьшается с увеличением размеров частиц

9. Применение «квантовых точек»: • Флуоресцирующие маркеры • Квантовые приборы (транзисторы, лазеры) • Эксперименты по квантовой механике • Египтяне окрашивали волосы с помощью квантовых точек www.nkj.ru/news/7015/

10. Что такое нанопроволоки и почему они такие прочные? Нанопроволоки – проволоки с диаметром порядка нанометра (100 размеров атома), изготовленные из металла, проводника или диэлектрика. Один из методов изготовления нанопроволок – эпитаксия, ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого. Деформация: Упругая деформация, обратимая Пластическая деформация, необратимая тип Дефекты кристаллической решетки -> микротрещины, которые при увеличении нагрузки приводят к разрушению Механическая нагрузка За счет межмолекулярных связей механизм В монокристаллах почти нет дефектов кр.решетки => увеличение прочности в десятки раз!

11. Почему наночастицы плавятся при низкой температуре? Температура плавления образца макроразмеров: Никель – 1450 С Медь – 1350 С Зависимость температур плавления и кристаллизации от радиуса кластеров никеля и меди.

12. Почему наночастицы плавятся при низкой температуре? Поверхностные атомы в веществе находятся в особых условиях. Зависимость поверхностной доли атомов от их числа в кубике кристаллического вещества Структурные изменения кластера никеля при нагревании до различных температур

13. Наночастицы золота в борьбе с раком: • Пациенту вводят препарат, содержащий триллионы наночастиц. • Благодаря биополимерной оболочке имунная система их не «видит», поэтому они с кровотоком путешествуют по организму • Антитела распознают клетки опухоли и прикрепляют к ним наночастицу • Пациента помещают в высокочастотное магнитне поле => намагниченные ядра наночастиц разогреваются • Температура убивает раковые клетки + Достаточно одной процедуры Нет вредного воздействия на окружающие ткани

14. Наночастицы серебра – яд для бактерий • Известно, что серебро не участвует в большинстве химических реакций • Серебро реагирует с клеточной мембраной бактерии или вируса, блокируя ее способность передавать О2 внутрь • Бактерии гибнут от «удушья» • Клетки млекопитающих имеют мембрану другого типа, поэтому для них серебро безвредно Изображения, полученные с электронного микроскопа: а) волокна ткани b) ткань после нанесения частиц серебра с) частицы серебра на поверхности волокна

15. Самоочищающаяся нанотрава и «эффект лотоса» • Множество одинаковых наностержней на подложке – «нанотрава» • Из-за большого поверхностного натяжения, капля воды, попав на «нанотраву», сворачивается в шарик • Частички грязи, оказавшись на такой поверхности, сваливаются сами или увлекаются каплями воды Вода и частички грязи не прилипают к «нанотраве», т.к. касаются ее только в нескольких точках

16. «Нанотрава» в батарейках • Большая площадь электродов батарейки => больший ток даёт => быстрее заряжается • - «нанотрава» сильно увеличивает площадь поверхности, на которой находится • 2. Основной недостаток современных батареек – после долгого хранения полностью теряют работоспособность. Причина – электролит и электроды находятся в постоянном контакте Схематическое изображение «нанотравы» из наностержней 300 нм диаметра, растущей на одном из электродов батарейки. Из-за гидрофобных свойств материала нановолосков раствор голубоватого электролита не может приблизиться к поверхности «красного» электрода, и батарейка не теряет своей мощности в течение многих лет. Взято из Scientific American

17. Торжество нанотехнологий • Концепт-телефон от Nokia • Гибкие материалы, прозрачная электроника • Самоочищающиеся поверхности • Солнечные батареи на основе «нанотравы» • Сенсоры позволяют определить чистоту воздуха и количество хим. добавок в продукте

18. Сколько стоят нанотехнологии? • 1999г. Япония, «Национальная программа работ по нанотехнологиям». Лидер по объему инвестиций в нанотехнологии – 6 млрд.$ до 2010 года. • 2000г. США, «National Nanotechnology Initiative» - гос. программа. 5.6 млрд.$ до 2010 года. • 2007г. ЕС, «Nanosciences, nanomaterials and new technologies». 4.6 млрд.$ до 2010 года. • Россия планирует инвестировать в нанотехнологии 8 млрд.$ до 2011 года. «Российская корпорация нанотехнологий» (РосНаноТех) • Эксперты полагают, что уже в самые ближайшие годы специалист по нанотехнологиям станет одной из 10 самых востребованных профессий в России!

19. Опасности нанотехнологий • Маленькие размеры: • 70нм – могут прониакть в легкие • 50нм – в клекти • 30 нм – в кровь и клетки мозга • Хорошие адсорбенты -> могут быть носителями токсинов (TiO вызывает патологию внутренних органов, exp. на рыбах) • Защитные силы организма не распознают их из-за маленького размера • Долговременное действие на организм еще не исследовано

20. Нанотехнологии в интернете: • http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях #1 в России • http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр» • http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках • http://www.nanorf.ru/ - журнал «Российские нанотехнологии» • http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал • http://www.nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров • http://kbogdanov5.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях (!!!) • http://www.nanonewsnet.ru/