Нанотехнологиите в съвременния свят
1. Поява и развитие на нанонауката 4
2. Естествени нано-обекти и нано-ефекти 6
3. Основи 9
3.1 Микроскопия със сканираща сонда -
3.2 Сканираща тунелна микроскопия -
4. Наноматериали 11
4.3 Въглеродни нанотръби -
4.4 Тежки материали 12
4.5 Силно проводими материали -
5. Приложни нанотехнологии 14
5.1 Постепенна нанотехнология -
5.2 Еволюционна нанотехнология 17
5.3 Радикална нанотехнология -
6. Перспективи за развитие на нанонауката 18
7. Критика на нанотехнологиите 19
Препратки 21
Според Енциклопедичния речник технологията е набор от методи за обработка, производство, промяна на състоянието, свойствата, формата на суровини, материали или полуфабрикати, извършвани в производствения процес.
Особеността на нанотехнологиите се състои в това, че разглежданите процеси и извършваните действия протичат в нанометровия диапазон на пространствени измерения. „Суровини“ са отделни атоми, молекули, молекулни системи, а не микронни или макроскопични обеми материал, които са обичайни в традиционната технология, съдържащи най-малко милиарди атоми и молекули. За разлика от традиционната технология, нанотехнологиите се характеризират с "индивидуален" подход, при който външният контрол достига до отделни атоми и молекули, което дава възможност от тях да се създават както "бездефектни" материали с принципно нови физикохимични и биологични свойства, така и нови класове устройства с характерни нанометрови размери. Концепцията за "нанотехнология" все още не е утвърдена. Очевидно може да се следва следната работна дефиниция.
Нанотехнологиите са интердисциплинарна научна област, в която се изучават закономерностите на физичните и химичните процеси в пространствени области с нанометрови размери, за да се контролират отделни атоми, молекули, молекулни системи при създаване на нови молекули, наноструктури, наноустройства и материали със специални физични, химични и биологични свойства.
Анализът на текущото състояние на бързо развиващия се регион ни позволява да идентифицираме редица важни области в него.
Молекулярен дизайн. Приготвяне на съществуващи молекули и синтез на нови молекули в силно нехомогенни електромагнитни полета.
Материалознание. Създаване на "бездефектни" високоякостни материали, материали с висока проводимост.
Инструментариум. Създаване на сканиращи тунелни микроскопи, атомни силови микроскопи, магнитни силови микроскопи, многоточкови системи за молекулен дизайн, миниатюрни свръхчувствителни сензори, нанороботи.
електроника. Проектиране на нанометрова елементна база за следващо поколение компютри, нанопроводници, транзистори, токоизправители, дисплеи, акустични системи.
Оптика. Създаване на нанолазери. Синтез на многоточкови системи с нанолазери.
хетерогенна катализа. Разработване на катализатори с наноструктури за класове реакции на селективна катализа.
Лекарство. Проектиране на наноинструменти за унищожаване на вируси, локален "ремонт" на органи, високо прецизно доставяне на лекарствени дози до определени места в живия организъм.
Трибология. Определяне на връзката между наноструктурата на материалите и силите на триене и използването на тези знания за производството на обещаващи фрикционни двойки.
Контролирани ядрени реакции. Наноускорители на частици, нестатистически ядрени реакции.
1. Поява иразвитие на нанонауката
Той предложи този манипулатор да се направи по следния начин. Необходимо е да се изгради механизъм, който да създаде собствено копие, само с порядък по-малко. Създаденият по-малък механизъм трябва отново да създаде свое копие, отново с порядък по-малък, и така нататък, докато размерите на механизма станат съизмерими с размерите от порядъка на един атом. В същото време ще е необходимо да се направят промени в структурата на този механизъм, тъй като силите на гравитацията, действащи в макрокосмоса, ще имат все по-малко влияние, а силите на междумолекулните взаимодействия и силите на Ван дер Ваалс ще влияят все повече на работата на механизма. Последният етап - полученият механизъм ще сглоби своето копие от отделни атоми. По принцип броят на такива копия е неограничен, ще бъде възможно да се създаде произволен брой такива машини за кратко време. Тези машини ще могат да сглобяват макро неща по същия начин, чрез сглобяване атом по атом. Това ще направи нещата много по-евтини - на такива роботи (нанороботи) ще трябва да се даде само необходимия брой молекули и енергия и да се напише програма за сглобяване на необходимите елементи. Досега никой не е успял да опровергае тази възможност, но и никой не е успял да създаде подобни механизми. Ето как Р. Файнман описва предложения от него манипулатор:
„Мисля да създам система с електрическо управление, която използва направени по поръчка „обслужващи роботи“ под формата на четворни копия на „ръцете“ на оператора. Такива микромеханизми ще могат лесно да извършват операции в намален мащаб. Говоря за миниатюрни роботи, оборудвани със серво мотори и малки "ръце", които могат да въртят еднакво малки болтове и гайки, да пробиват много малки дупки и т.н. Накратко, те ще могат да вършат цялата работа в мащаб 1:4. За това, разбира се, първонеобходимо е да се изработят необходимите механизми, инструменти и манипулаторни рамена в една четвърт от обичайния размер (всъщност е ясно, че това означава намаляване на всички контактни повърхности 16 пъти). На последния етап тези устройства ще бъдат оборудвани със сервомотори (с намаление на мощността 16 пъти) и свързани към конвенционална електрическа система за управление. След това ще бъде възможно да се използват манипулаторни ръце, намалени 16 пъти! Обхватът на такива микророботи, както и микромашините, може да бъде доста широк - от хирургически операции до транспортиране и обработка на радиоактивни материали. Надявам се, че принципът на предложената програма, както и неочакваните проблеми и блестящите възможности, свързани с нея, са ясни. Освен това може да се мисли за възможността за по-нататъшно значително намаляване на мащаба, което, разбира се, ще изисква допълнителни структурни промени и модификации (между другото, на определен етап може да се наложи да се откажат от „ръцете“ на обичайната форма), но ще позволи производството на нови, много по-модерни устройства от описания тип. Нищо не ви пречи да продължите този процес и да създадете колкото искате малки машини, тъй като няма ограничения, свързани с разположението на машините или тяхната консумация на материали. Техният обем винаги ще бъде много по-малък от обема на прототипа. Лесно е да се изчисли, че общият обем от 1 милион машини, намален с коефициент 4000 (и, следователно, масата на материалите, използвани за производството), ще бъде по-малко от 2% от обема и масата на конвенционална машина с нормален размер. Ясно е, че това веднага премахва проблема с цената на материалите. По принцип би било възможно да се организират милиони еднакви миниатюрни фабрики, в които малки машини непрекъснато да пробиват дупки, да щамповат части и т.н. С намаляването на размерапостоянно ще се сблъскваме с много необичайни физически явления. Всичко, което срещате в живота, зависи от мащабни фактори. Освен това съществува и проблемът със "залепването" на материалите под действието на сили на междумолекулно взаимодействие (т.нар. сили на Ван дер Ваалс), което може да доведе до необичайни за макроскопични мащаби ефекти. Например, гайката няма да се отдели от болта, след като бъде развита, а в някои случаи ще „прилепне“ плътно към повърхността и т.н. Има няколко физически проблема от този тип, които трябва да се имат предвид при проектирането и изграждането на микроскопични механизми.“
В хода на теоретично изследване на тази възможност се появиха хипотетични сценарии за края на света, които предполагат, че нанороботите ще погълнат цялата биомаса на Земята, изпълнявайки своята програма за самовъзпроизвеждане (т.нар. „grey goo“ или „gray goo“).
Терминът "нанотехнология" е използван за първи път от Норио Танигучи през 1974 г. Той нарече този термин производството на продукти с размер от няколко нанометра. През 80-те години на миналия век терминът е използван от Ерик К. Дрекслър в неговите книги: Двигатели на сътворението: Ерата на нанотехнологиите идва. Основно в неговите изследвания са математическите изчисления, с които е възможно да се анализира работата на устройство с размери от няколко нанометра.
2. Естествени нано-обекти и нано-ефекти
Като велик художник природата може
и то с малко пари
постига страхотни резултати. (Г. Хайне, немски поет, публицист, критик)