Что такое нанотехнологии?
Что подразумевается под термином «нанотехнологии»?
Вопрос определения стандарта, характеризующего нанотехнологии, и по сей день остаётся открытым. На сегодняшний день разработано только несколько подходов к определению понятия нанотехнологии. К примеру, в Федеральном Агентстве занимающегося наукой и инновациями, в 2010 году даёт своё определение нанотехнологии, а Статс-секретарь Минобрнауки РФ Дмитрий Ливанов дает своё определение нанотехнологии, используя другие термины.
Термин «нанотехнология» появился в 1974 году. Его употребил в своем выступлении профессор Норио Танигучи.
Первые разработки в этой области начались еще в начале 60-х годов. В настоящее время в данной сфере задействовано более 2,5 тыс. компаний из 50 стран.
В Википедии определение нанотехнологии претерпело изменения за последние два года. Для простого обывателя в средствах печати часто используют более доходчивый и понятный термин, имеющий формулировку, что «Нанотехнологии — это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне».
Нанотехнологии можно отнести к междисциплинарным наукам. Поскольку для исследования и создания микроскопических устройств с заданной атомарной и молекулярной структурой нанообъектов, используются различные методы такие как электроннолучевые, электрохимические, электрические, химические, биохимические, лазерные и механические.
В наше время нанотехнологии очень широко распространены, и этот процесс не стоит на месте. Нанотехнологии коснулись многих объектов на микроуровне, таких как наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, наноплёнки и прочие, каждое из которых имеет своё определение и предназначение.
Нанотехнологии — очень востребованный продукт на мировом рынке и имеет огромные инвестиции. К области применения нанотехнологии можно отнести множество направлений, поскольку нанотехнологии представляют основу всего живого и неживого мира.
Применение нанотехнологии пересекается с перспективными и стратегически важными направлениями такими, как медицина, здоровье, спорт, красота, производство, дом и быт, военно-промышленный комплекс и компьютерная техника.
Многие люди проявили своё негативное отношение к нанотехнологии, поскольку они не являются специалистами в данной области, то такое решение может быть вызвано опасением токсичности материалов или религиозными соображениями.
Для России в настоящее время можно отметить возрастание интереса к нанотехнологии.
Ещё в древности человечество пользовалось приемами, которые помогали управлять свойствами веществ. К примеру, древние римляне использовали микро добавки частиц золота и серебра, чтобы придать цветовой оттенок стеклянным изделиям. Хотя полученный эффект нельзя отнести к осознанному пониманию процессов по управлению наночастицами — это скорее опыт и вековая практика.
Объективные научные сведения о свойствах мелких частиц вещества появились только в середине ХХ века, благодаря созданию идеи о нанотехнологии известным физиком Ричардом Фейнман. Также появлению понятия нанотехнология способствовало описание разных сценариев в литературе и мире фантастики. Со временем многие гипотезы из мира фантастики переходят в реальность.
Нанотехнологии в энергетике
Стремительное развитие нанотехнологий позволяет их применять во многих сферах нашей жизни, и энергетическая отрасль не стала исключением. Статистические исследования показали, что в ближайшие годы около пятнадцати процентов общемирового использования продуктов нанотехнологии будет приходиться на энергетику.
Наиболее приоритетное направление на данный момент – это создание совершенно нового типа батарей. Предполагается, что новое поколение источников автономного питания должно иметь следующие характеристики:
- Компактные габариты;
- Небольшой вес;
- Стабильная работа;
- Высокая безопасность использования;
- Повышенная емкость;
- Непродолжительный цикл зарядки.
Активно ведется разработка батарей, предназначенных для передвижения электромобилей. Источники питания, применяемые в автомобильной отрасли, должны гарантировать длительный пробег машины, сочетающийся с экономичным режимом работы.
Применение самых последних разработок в сфере нанотехнологий позволит в будущем использовать энергию приливов и отливов. Океанические приливы и отливы являются стабильным источником энергии, т.к. на них не могут повлиять погодные и климатические условия.Электростанция, которая позволит пользоваться данными возобновляемыми источниками энергии, нуждается в составных компонентах и связующих элементов, выполненных с применением нанотехнологии. В данном случае речь идет о легких и прочных нанотрубках, которые планируется применять в процессе аккумулирования энергии волн на глубине от 30 до 70 метров при скорости подводного течения до 3м/с.
Новый принцип добычи электроэнергии, основанный на использовании наночастиц
Не так давно в Пенсильвании ученые открыли совершенно новый принцип добычи электроэнергии, основанный на использовании наночастиц. Суть метода состоит в следующем: на стеклянную поверхность помещают золотые наночастицы, которые обладают повышенной чувствительностью к световым волнам. Расстояние между частицами должно быть минимальным. Солнечные свет, попав на стеклянную поверхность, возбуждает свободные электроны, находящиеся в наночастицах. В результате этого на золотой поверхности образуются так называемые плазмоны, которые имеют повышенную способность поглощать солнечную энергию. Они образуют между собой сплошную поверхность, которая способствует увеличению площади поглощения энергии до двадцати раз. На эффективность метода влияет количество наночастиц, их размеры и величина расстояния между ними.
Нанотехнологии будущего
Технический прогресс не стоит на месте. Сначала человеку потребовались миллионы лет, чтобы слезть с дерева и взять в руки палку. Затем еще тысячи – для изобретения колеса, сотни – заставить его катиться без помощи животных. Уже сегодня то, что когда-то казалось фантастикой, присутствует в нашем обиходе.
Развитие компьютеров, интернета и атомной энергетики предопределило прогресс XX века. По прогнозам ученых, XXI столетие станет веком нано- и информационных технологий. Суммарный объем инвестиций составляет более 10 млрд. долларов, причем каждый год эта цифра растет. Не стоит думать, будто это пустая трата средств, т.к. ученые считают, что уже находятся на пороге великих открытий, способных изменить жизнь человечества.
Улучшение световых технологий
Данный метод способствует усовершенствованию современных световых технологий. В ближайшем будущем его планируется применять в изготовлении нового поколения батарей солнечного типа. Кроме того, ведутся разработки, направленные на создание усовершенствованных микросхем, которые будут обладать способностью к самостоятельному снабжению себя электроэнергией. В случае успешной реализации этого проекта появится возможность выпустить в массовое пользование революционное устройство для хранения информации, которое вместо электрического тока будет использовать светочувствительный кругооборот.
Наночастицы в медицине
В первую очередь под этим понимаются исследования в области медицины. Уже сегодня при лечении многих заболеваний используется адресная доставка лекарств в организме. С ее помощью медикаменты на нанотачках транспортируются к определенному органу человека. В перспективе это поможет при лечении большого количества заболеваний, в том числе рака и СПИДа.
Так при раке ученые предполагают использовать магнитную релаксометрию: наночастицы, доставленные к месту образования злокачественной опухоли, под воздействием внешнего магнитного поля начнут менять свои свойства. Температура опухоли повысится до 55-60 градусов по Цельсию, после чего начинается процесс разрушения наночастицами раковых клеток.
Большие надежды возлагаются и на лекарства для борьбы со СПИДом. Группа ученых Йельского университета тестирует препарат, в состав которого входят микроскопические шарики с молекулами, способными заблокировать работу генов ВИЧ и гепатита. Это не поможет уже заразившимся людям, но предотвратит распространение болезни.
А вот в Лондонском центре по изучению нанотехнологий в разработке находятся наноконсоли, способные информировать ВИЧ-инфицированного человека о состоянии его здоровья путем изучения маркеров белков ВИЧ. Информация от наноконсолей будет передаваться на дисплей пациента либо доктора, который и определит последующее лечение.
Дальше всех пошли американские ученые, добившиеся от организации здравоохранения разрешение тестировать на добровольцах специальную вакцину. В ее состав входит антитело, способное стимулировать иммунную систему человека для уничтожения вируса ВИЧ. Разработчики надеются, что смогут помочь людям с этим страшным заболеванием, унесшим жизни более 30 млн. человек. На Земле немало тех, кто не может насладиться красотой этого мира из-за слепоты. Но, по словам ученых из университета «Cornell University» (США), наука в шаге от создания инновационного глазного протеза. Он будет кодировать получаемое с цифровых камер изображение в электрические импульсы, воспринимаемые мозгом слепого человека.
Среди перспективных идей можно выделить «говорящие» таблетки. Находящийся в пилюле наночип, растворившись в желудке пациента, передаст сообщение на мобильный лечащему врачу, что лекарство принято. Либо на телефон больного будет поступать информация, что пора выпить назначенный препарат.
Ну а самым невероятным представляется создание наноботов, которые разместятся в организме человека. При помощи специальной программы они будут следить за здоровьем, при старении регенерировать ткани и органы, тем самым отдаляя смерть на неопределенное время.
Наноманипуляторы
Ежегодно на конгрессе ООН проходит обсуждение глобальных проблем: нехватка продовольствия, перенаселенность и загрязненность нашей планеты. По мнению специалистов, работающих в области нанотехнологий, решить все эти вопросы можно в течение ближайших 20-30 лет. Для этого ученым потребуется создание управляемого механосинтеза (составление молекул из атомов, обладающих прочными химическими связями). Осуществлять этот процесс будут наноманипуляторы, способные захватывать атомы и молекулы, манипулируя ими на расстоянии до 10 нм. Управлять всем будут нанокомпьютеры, встроенные в робота-ассемблера (сборщика), программировать которого будет уже человек. Но технический прогресс пока не позволяет создать ни наноробота, ни нанокомпьютер. Но вы только представьте себе, как подобный комплекс разобьет любой предмет на атомы, ассемблер соберет их в молекулы необходимых вам веществ в определенной форме, будь то жареная курочка или гаечный ключ.
Нанороботы для космоса
И даже в случае перенаселенности планеты ученые-мечтатели продумали все. Нанороботы-амебы отправятся на Марс или Луну для подготовки их поверхностей к созданию колоний, пригодных для жизни. А при совершенствовании механосинтеза даже создадут необходимую атмосферу.
Однако не все ученые видят перспективы в развитии нанотехнологий. И эти рассуждения не лишены здравого смысла. Уже сейчас можно говорить, что нанотехнологии будут использоваться в военных целях. Об этом свидетельствуют разработки компании Nanocomp, создавшей материал из нанотрубок, обладающий прочностью на порядок выше стали при толщине копировальной бумаги. Около 100 таких «листиков» могут защитить от выстрела в упор из пистолета 9-миллиметрового калибра. Сложно представить, какие секретные разработки могут прийти на вооружение армий разных стран, и к чему это приведет в случае конфликта.
Однако опасность может исходить не только от военных: в программе наноробота, используемого в медицине, может произойти сбой и он, вместо того, чтобы помочь человеку, убьет его. А если подобного рода ошибка случится в описанном выше нанокомплексе, кто гарантирует, что «Robo sapiens» не начнет принимать за мусор нас?
Мнение эксперта
Согласно концепции Рея Курцвейла о технологической сингулярности, технический прогресс скоро будет просто не остановить. Изучая периодичность научных изобретений и скорость технического прогресса в общем, он пришёл к выводу, что сингулярность научной мысли – неизбежное явление, и человечество скоро совсем откажется от своих биологических истоков. Что это значит? По словам доктора Курцвейла, уже через несколько десятилетий человек станет существом более технологическим, нежели биологическим, он сможет мысленно, благодаря встроенным чипам, подключаться к Интернету, заморозить процесс своего старения и так далее. Согласитесь, такие вещи более характерны машинам, а не живым существам.
Рей Курцевел – доктор технологических наук, изобретатель с мировым именем. В 80-х годах прошлого века им было предсказано появление мобильного телефона (2000-е), электронной книги (2008), всплеск популярности Интернета (90-е). Основатель теории технологической сингулярности.
Технологическая сингулярность – гипотетический период, когда научные изобретения будут появляться так быстро, что мир просто перестанет за ними успевать следить. Теория основана на уменьшении временного промежутка между значимыми технологическими изобретениями.
Согласно теории Курцвейла, к 2020 году нас ждёт ещё один бум технологической революции – открытия в области нанотехнологий станут по-настоящему невообразимыми. Именно тогда и начнётся глобальное слияние человека и машины, предпосылки к которому прослеживаются уже сейчас. Загляните в новые достижения био- и генной инженерии – учёные всё ближе к возможности программирования клетки.
Готовьтесь: скоро самые смелые идеи фантастических романов войдут в нашу жизнь!
Что станет возможным благодаря нанотехнологиям через 50 лет?
Нанотехнологии развиваются стремительными темпами. Чего стоит ожидать человечеству через 20, 50 лет? Какие произойдут разочарования, чудеса? Сложный вопрос. Ниже дается прогноз того, чего сможет достичь наука, если сохранятся нынешние темпы развития.
Сегодня у наноиндустрии есть одна главная проблема: управляемый механосинтез. Говоря проще: создание молекул из атомов за счет искусственного сближения частиц друг с другом. При достижении определенного расстояния они начинаются вступать в химические связи, и образуется молекула. Для этого требуется наноманипулятор, который как раз и должен управлять атомами. К сожалению, подобное устройство ученым пока не удалось создать. Человек способен лишь вручную сближать атомы. И подобное действие сильно ограничено в диапазоне. Автоматизация так пока и не достигнута. К 2020 году планируется создание наноманипулятора. На данный момент разработан его дизайн.
После создания подобного устройства, планируется тестовое испытание, в ходе которого «детище науки» должно клонировать само себя. Эта сборка называется репликацией. Робот – ассемблером. Технология задействует свойства ДНК, благодаря которым бактерии могут размножаться с огромной скоростью: несколько миллионов особей всего за пару часов. Тем самым, сборка ассемблеров не требует особых затрат. Необходимы лишь сырье и энергия. Благодаря подобным роботам станет возможным постройка автоматизированных комплексов (2030 год), которые будут собирать различные объекты по шаблону: особой трехмерной атомной сетке.
Это значительно упростит жизнь. Многие фабрики станут просто не нужны. Ведь практически любой объект можно будет создать, заранее спроектировав его на компьютере. Человечество сможет запустить автоматическое строительство орбитальных станций, колоний на других планетах, начнется производство сооружений в любой точке Земли, даже на дне Мирового океана (по прогнозам ученых к 2050 году). Самосборка окончательно решит такие глобальные проблемы как: нехватка жилья, пищи, энергии.
Нанотехнологии коренным образом поменяют конструкцию механизмов и машин. Ведь много запчастей станет не нужными, поскольку будут применяться новые технологии. Таким образом, человечество начнет конструировать объекты, которые раньше были не доступны.
Кроме того, механоэлектрические нанопреобразователи позволят получать больший КПД абсолютно от любого вида энергии. Решится проблема с утилизацией мусора, а системы типа «recycling» увеличат запасы сырья. Человечество сможет контролировать погоду и экологию благодаря работающим вместе нанороботам.
Нанотехнологии внесут свои изменения и в медицину, и в компьютерную технику. Специальные роботы позволят отдалить смерть человека, возможно даже, навсегда. Тело также смогут перестраивать, чтобы значительно увеличить природные способности. Кроме того, появится возможность обеспечивать организм человека энергии вне зависимости оттого, ел ли он что-либо.
У разнообразных имплантов и нейроинтерфейсов значительно улучшат их биологическую совместимость с нервными клетками человеческого организма. После этого виртуальная реальность станет «настоящей». Достигнут практически полного взаимодействия с компьютерами. Они станут огромной глобальной информационной сетью.
На данный момент существуют гибкие и прозрачные дисплеи из нанотрубок. К 2015 году планируется создание электронных сворачиваемых газет, которые будут обновляться через WiFi.