In den letzten Jahren hören wir zunehmend die Worte: „Nanowissenschaften“, „Nanotechnologien“, „nanostrukturierte Materialien“: Wir hören sie im Radio und im Fernsehen, wir bemerken in den Reden nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Politiker. Nanotechnologien wird bei der Finanzierung wissenschaftlicher und innovativer Programme in allen entwickelten Ländern der Welt eine hohe Priorität eingeräumt. Beispielsweise ist Japan weltweit führend in der Herstellung von Nanomaterialien, in den Vereinigten Staaten erhält die Forschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie großzügige Mittel sowohl vom Staat als auch von der Wirtschaft und sogar von Privatpersonen, für die die Europäische Union ihr Rahmenprogramm verabschiedet hat Entwicklung der Wissenschaft, in der Nanotechnologien eine beherrschende Stellung einnehmen. Kürzlich hat unser Präsident eine hohe Priorität für die Entwicklung der Nanotechnologien angekündigt und auf die besondere Rolle der Nanotechnologien für die Verteidigungsfähigkeit unseres Landes aufmerksam gemacht. Dafür werden beträchtliche Mittel aus dem Reservefonds des Landes bereitgestellt. Auch das Ministerium für Industrie und Wissenschaft der Russischen Föderation und die Russische Akademie der Wissenschaften haben ihre eigenen Listen vorrangiger, bahnbrechender Technologien mit dem Präfix „nano-“.

Was bedeutet also das Wort „Nano“? Was ist Nanotechnologie und warum wird ihr weltweit so viel Aufmerksamkeit geschenkt? Warum wird es als "revolutionärer Durchbruch in der Technologie" bezeichnet, was verspricht es uns, den einfachen Menschen, und was bedroht dies möglicherweise die Welt? Lassen Sie uns versuchen, mit diesen Fragen umzugehen.

Kudukhova Larisa Ilyinichna, 13.03.2017

1593 183

Entwicklungsinhalte

Ziel Die wissenschaftliche Arbeit besteht in einer umfassenden Charakterisierung der Nanotechnologien unter Berücksichtigung der Besonderheiten und aller Besonderheiten dieses Bereichs der angewandten Wissenschaft.

Objekt die vorliegende Studie ist Nanotechnologie als ein Gebiet von Wissenschaft und Technologie, und Thema– Merkmale der Anwendung der Nanotechnologie.

Zur Hauptsache Aufgaben Werke umfassen:

1. Definition des Begriffs "Nanotechnologie".

2. Betrachtung der Entwicklungsgeschichte der Nanotechnologie in der Welt im Allgemeinen und in Russland im Besonderen.

3. Ermittlung des angewandten Aspekts der Nanotechnologien, dh der Anwendungsmerkmale in verschiedenen Branchen.

4. Analyse von Möglichkeiten, Wegen und Methoden der Anwendung von Nanotechnologien.

5. Identifizierung technologischer Merkmale der Anwendung von Nanotechnologien.

6. Angabe und Prognose der Aussichten für die Entwicklung von Nanotechnologien in Russland.

Nanotechnologie- eine Reihe von Methoden und Techniken, die es ermöglichen, Objekte auf kontrollierte Weise zu erstellen und zu modifizieren, einschließlich Komponenten mit Größen von weniger als 100 nm, die grundlegend neue Qualitäten aufweisen und ihre Integration in voll funktionsfähige Großsysteme ermöglichen

Ein Beispiel für den ersten Einsatz der Nanotechnologie kann die Erfindung des fotografischen Films im Jahr 1883 durch George Eastman genannt werden, der später die berühmte Firma Kodak gründete.

Anwendung von Nanotechnologien.

Nanoelektronik und Nanophotonik

Eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete der Nanotechnologie ist die Computertechnologie.

Nanophotonik-Unternehmen entwickeln hochintegrierte optische Kommunikationskomponenten unter Verwendung von Nanooptik- und Nanofertigungstechnologien. Dieser Ansatz zur Herstellung optischer Komponenten ermöglicht es Ihnen, die Produktion ihrer Prototypen zu beschleunigen, die technischen Eigenschaften zu verbessern, die Größe zu reduzieren und die Kosten zu senken.

Nanoenergie

Sonnenkollektoren.

• Toshiba hat einen Lithium-Ionen-Akku auf Basis von Nanomaterialien entwickelt, der sich etwa 60-mal schneller auflädt als ein herkömmlicher Akku. In einer Minute kann er zu 80 % betankt werden.

• Nanostrukturierte Materialien. Derzeit wurden Fortschritte bei der Herstellung eines Nanomaterials erzielt, das natürliches Knochengewebe nachahmt.
• 2. Nanopartikel. Das Spektrum möglicher Anwendungen ist sehr breit. Es umfasst den Kampf gegen Viruserkrankungen wie Influenza und HIV, onkologische und vaskuläre Erkrankungen.

• 3. Mikro- und Nanokapseln. Miniaturkapseln (~1 Mikron) mit Nanoporen können verwendet werden, um Medikamente an die richtige Stelle im Körper zu bringen.
• 4. Nanotechnologische Sensoren und Analysatoren. Eine solche Vorrichtung, die in der Lage ist, buchstäblich einzelne Moleküle nachzuweisen, kann zur Bestimmung der Sequenz von DNA oder Aminosäurebasen, zum Nachweis von Pathogenen von Infektionskrankheiten und toxischen Substanzen verwendet werden.

5. Scanmikroskope sind eine Gruppe von Instrumenten, die in ihren Fähigkeiten einzigartig sind. Sie ermöglichen eine Vergrößerung, die ausreicht, um einzelne Moleküle und Atome zu betrachten.

6. Nanotools. Ein Beispiel sind Rastersondenmikroskope, mit denen Sie jedes Objekt bis hinunter zu Atomen verschieben können.

Nanokosmetik

Vor einigen Jahren hat L'Oreal die berühmte Revitalift-Creme mit Pro-Retinol-A-Nanosomen auf den Markt gebracht, und nach Angaben des Unternehmens zieht diese Creme aufgrund spezieller Mikropartikel viel besser in die Haut ein als andere Crememarken

• Nanomaterialien in Textilien. Textilien auf Basis von Nanomaterialien erhalten eine einzigartige Wasserbeständigkeit, Schmutzabweisung, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften.

Nanotechnologien für Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie

Nanotechnologien werden bereits zur Desinfektion von Luft und verschiedenen Materialien, einschließlich Futtermitteln und tierischen Endprodukten, eingesetzt; Verarbeitung von Saatgut und Feldfrüchten, um sie zu konservieren. Sie werden verwendet, um das Pflanzenwachstum zu stimulieren; Behandlung von Tieren; Verbesserung der Futterqualität

Y. SWIDINENKO, Ingenieur-Physiker

Nanostrukturen werden herkömmliche Transistoren ersetzen.

Der kompakte nanotechnologische Ausbildungsaufbau „UMKA“ ermöglicht Manipulationen mit einzelnen Atomgruppen.

Mit Hilfe der Installation "UMKA" ist es möglich, die Oberfläche der DVD zu untersuchen.

Für angehende Nanotechnologen ist bereits ein Lehrbuch erschienen.

Nanotechnologien, die im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts auftauchten, entwickeln sich rasant. Fast jeden Monat gibt es Berichte über neue Projekte, die vor ein oder zwei Jahren noch wie eine absolute Fantasie erschienen. Laut Definition des Pioniers dieser Richtung, Eric Drexler, ist Nanotechnologie „eine erwartete Produktionstechnologie, die sich auf die billige Produktion von Geräten und Substanzen mit einer vorbestimmten atomaren Struktur konzentriert“. Das heißt, es bearbeitet einzelne Atome, um Strukturen mit atomarer Präzision zu erhalten. Dies ist der grundlegende Unterschied zwischen Nanotechnologien und modernen „Bulk“-Technologien, die Makroobjekte manipulieren.

Wir erinnern den Leser daran, dass Nano ein Präfix ist, das 10 -9 bezeichnet. Auf einem ein Nanometer langen Segment lassen sich acht Sauerstoffatome anordnen.

Nanoobjekte (z. B. Metallnanopartikel) haben typischerweise physikalische und chemische Eigenschaften, die sich von denen größerer Objekte aus demselben Material und von den Eigenschaften einzelner Atome unterscheiden. Nehmen wir an, der Schmelzpunkt von Goldpartikeln mit einer Größe von 5-10 nm liegt Hunderte von Grad niedriger als der Schmelzpunkt eines Goldstücks mit einem Volumen von 1 cm 3 .

Die Forschung im Nanobereich liegt an der Schnittstelle der Wissenschaften, häufig berührt die materialwissenschaftliche Forschung die Bereiche Biotechnologie, Festkörperphysik und Elektronik.

Der weltweit führende Spezialist auf dem Gebiet der Nanomedizin, Robert Freitas, sagte: „Zukünftige Nanomaschinen sollten aus Milliarden von Atomen bestehen, daher wird ihr Design und Bau die Bemühungen eines Teams von Spezialisten erfordern. Jedes Design eines Nanoroboters erfordert die gemeinsamen Anstrengungen mehrerer Forschungsteams. An Design und Bau des Flugzeugs Boeing 777 waren viele Teams auf der ganzen Welt beteiligt. Der nanomedizinische Roboter der Zukunft, der aus einer Million (oder sogar mehr) Arbeitsteilen besteht, wird in Bezug auf die Komplexität des Designs so komplex sein wie ein Flugzeug ."

NANOPRODUKTE UM UNS

Die Nanowelt ist komplex und noch relativ wenig erforscht und doch nicht so weit von uns entfernt, wie es noch vor einigen Jahren schien. Die meisten von uns verwenden regelmäßig irgendeine Form der Nanotechnologie, ohne es überhaupt zu merken. Moderne Mikroelektronik beispielsweise ist nicht mehr Mikro, sondern Nano: Die heute produzierten Transistoren – die Basis aller Chips – liegen im Bereich bis 90 nm. Und eine weitere Miniaturisierung elektronischer Bauteile auf 60, 45 und 30 nm ist bereits geplant.

Wie Vertreter der Firma Hewlett-Packard kürzlich ankündigten, werden zudem traditionell hergestellte Transistoren durch Nanostrukturen ersetzt. Ein solches Element sind drei wenige Nanometer breite Leiter, von denen zwei parallel und der dritte im rechten Winkel dazu angeordnet sind. Die Leiter berühren sich nicht, sondern gehen wie Brücken übereinander. Gleichzeitig steigen Molekülketten, die sich aus dem Material von Nanodrähten unter dem Einfluss einer an sie angelegten Spannung bilden, von den oberen Leitern zu den unteren ab. Schaltungen, die mit dieser Technologie gebaut wurden, haben bereits die Fähigkeit demonstriert, Daten zu speichern und logische Operationen auszuführen, dh Transistoren zu ersetzen.

Mit der neuen Technologie wird die Größe von Mikroschaltkreisteilen deutlich unter die Messlatte von 10-15 Nanometern fallen, auf eine Größenordnung, in der herkömmliche Halbleitertransistoren physikalisch einfach nicht funktionieren können. Wahrscheinlich werden bereits in der ersten Hälfte des nächsten Jahrzehnts serielle Mikroschaltkreise (immer noch traditionell, Silizium) erscheinen, in denen eine bestimmte Anzahl von Nanoelementen eingebaut wird, die mit der neuen Technologie hergestellt werden.

Kodak hat Ultima Inkjet-Papier im Jahr 2004 auf den Markt gebracht. Es hat neun Schichten. Die oberste Schicht besteht aus keramischen Nanopartikeln, die das Papier dicker und glänzender machen. Die inneren Schichten enthalten Pigment-Nanopartikel mit einer Größe von 10 nm, die die Druckqualität verbessern. Und die in der Zusammensetzung der Beschichtung enthaltenen Polymer-Nanopartikel tragen zur schnellen Fixierung der Farbe bei.

Der Direktor des US-Instituts für Nanotechnologie, Chad Mirkin, glaubt, dass „die Nanotechnologie alle Materialien neu aufbauen wird. Alle Materialien, die durch molekulare Produktion gewonnen werden, werden neu sein, da die Menschheit bisher nicht die Möglichkeit hatte, Nanostrukturen zu entwickeln und herzustellen. Jetzt verwenden wir sie nur noch in der Industrie.“ dass "Was uns die Natur gibt. Aus Bäumen machen wir Bretter, aus leitfähigem Metall - Draht. Der nanotechnologische Ansatz besteht darin, dass wir fast jede natürliche Ressource zu den sogenannten "Bausteinen" verarbeiten, die die Grundlage der zukünftigen Industrie bilden werden."

Jetzt sehen wir bereits den Beginn einer Nanorevolution: Das sind neue Computerchips, neue Stoffe, die keine Flecken hinterlassen, und der Einsatz von Nanopartikeln in der medizinischen Diagnostik (siehe auch „Wissenschaft und Leben“ Nr. ,, 2005). Auch die Kosmetikindustrie interessiert sich für Nanomaterialien. Sie können viele neue, nicht standardmäßige Richtungen in der Kosmetik schaffen, die es vorher nicht gab.

Im Nanobereich weist fast jedes Material einzigartige Eigenschaften auf. Beispielsweise ist von Silberionen bekannt, dass sie eine antiseptische Wirkung haben. Eine Lösung aus Silber-Nanopartikeln hat eine deutlich höhere Aktivität. Behandelt man einen Verband mit dieser Lösung und legt ihn auf eine eitrige Wunde, verschwindet die Entzündung und die Wunde heilt schneller als mit herkömmlichen Antiseptika.

Der heimische Konzern "Nanoindustry" hat eine Technologie zur Herstellung von Silber-Nanopartikeln entwickelt, die in Lösungen und im adsorbierten Zustand stabil sind. Die resultierenden Arzneimittel haben ein breites Spektrum an antimikrobieller Aktivität. So wurde es möglich, mit einer geringfügigen Änderung des technologischen Prozesses von Herstellern bestehender Produkte eine ganze Reihe von Produkten mit antimikrobiellen Eigenschaften zu schaffen.

Silbernanopartikel können verwendet werden, um traditionelle und neue Materialien, Beschichtungen, Desinfektions- und Reinigungsmittel (einschließlich Zahn- und Reinigungspasten, Waschpulver, Seifen) und Kosmetika zu modifizieren. Mit Silber-Nanopartikeln modifizierte Beschichtungen und Materialien (Verbundwerkstoffe, Textilien, Lacke, Kohlenstoff und andere) können als vorbeugende antimikrobielle Schutzausrüstung an Orten eingesetzt werden, an denen das Risiko einer Ausbreitung von Infektionen steigt: im Transportwesen, in Gastronomiebetrieben, in landwirtschaftlichen und tierischen Gebäuden. in Kinder-, Sport- und medizinischen Einrichtungen. Silbernanopartikel können verwendet werden, um Wasser zu reinigen und Krankheitserreger in Klimaanlagenfiltern, Schwimmbädern, Duschen und anderen ähnlichen öffentlichen Orten abzutöten.

Ähnliche Produkte werden auch im Ausland produziert. Ein Unternehmen stellt Beschichtungen mit Silber-Nanopartikeln zur Behandlung chronischer Entzündungen und offener Wunden her.

Eine andere Art von Nanomaterialien sind Kohlenstoffnanoröhren mit kolossaler Festigkeit (siehe "Science and Life" Nr. 5, 2002; Nr. 6, 2003). Das sind eigentümliche zylindrische Polymermoleküle mit einem Durchmesser von etwa einem halben Nanometer und einer Länge von bis zu mehreren Mikrometern. Sie wurden erstmals vor weniger als 10 Jahren als Nebenprodukte der C 60 -Fullerensynthese entdeckt. Dennoch werden bereits nanometergroße elektronische Geräte auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Es wird erwartet, dass sie in absehbarer Zeit viele Elemente in den elektronischen Schaltungen verschiedener Geräte, einschließlich moderner Computer, ersetzen werden.

Doch nicht nur in der Elektronik kommen Nanoröhren zum Einsatz. Es gibt bereits im Handel erhältliche Tennisschläger, die mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkt sind, um das Verdrehen zu begrenzen und mehr Schlagkraft zu bieten. Sie werden auch in einigen Teilen von Sporträdern verwendet.

RUSSLAND AUF DEM MARKT DER NANOTECHNOLOGIEN

Das inländische Unternehmen "Nanotechnology News Network" hat kürzlich eine weitere Neuheit in Russland eingeführt - selbstreinigende Nanobeschichtungen. Es reicht aus, das Autoglas mit einer speziellen Lösung mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln zu besprühen, und Schmutz und Wasser bleiben 50.000 km lang nicht daran haften. Auf dem Glas bleibt eine hauchdünne transparente Schicht zurück, an der sich Wasser einfach nicht festsetzen kann und die mit dem Schmutz abrollt. Zunächst interessierten sich die Eigentümer von Wolkenkratzern für die Neuheit - viel Geld wird für das Waschen der Fassaden dieser Gebäude ausgegeben. Es gibt solche Zusammensetzungen zum Beschichten von Keramik, Stein, Holz und sogar Kleidung.

Es muss gesagt werden, dass einige russische Organisationen bereits erfolgreich auf dem internationalen Nanotechnologiemarkt tätig sind.

Der Konzern „Nanoindustrie“ beispielsweise verfügt über eine Reihe von nanotechnologischen Produkten, die in verschiedenen Branchen anwendbar sind. Dies sind die reduzierende Zusammensetzung „RVS“ und Silber-Nanopartikel für Biotechnologie und Medizin, die industrielle nanotechnologische Anlage „LUCH-1,2“ und die pädagogische nanotechnologische Anlage „UMKA“.

Die RVS-Zusammensetzung, die vor Verschleiß schützen und fast alle reibenden Metalloberflächen wiederherstellen kann, wird auf der Basis von adaptiven Nanopartikeln hergestellt. Mit diesem Werkzeug können Sie eine modifizierte kohlenstoffreiche Eisensilikat-Schutzschicht mit einer Dicke von 0,1-1,5 mm in Bereichen intensiver Reibung von Metalloberflächen (z. B. in Reibpaaren in Verbrennungsmotoren) erzeugen. Wenn Sie eine solche Zusammensetzung für Öl in das Kurbelgehäuse gießen, können Sie das Problem des Motorverschleißes für lange Zeit vergessen. Während des Betriebs werden mechanische Teile durch Reibung erhitzt, diese Erwärmung führt dazu, dass metallische Nanopartikel an beschädigten Stellen haften bleiben. Übermäßiges Wachstum führt zu einer stärkeren Erwärmung und die Nanopartikel verlieren ihre Haftfähigkeit. Somit wird das Gleichgewicht in der Reibeinheit ständig aufrechterhalten und die Teile verschleißen praktisch nicht.

Von besonderem Interesse ist der UMKA-Komplex nanotechnologischer Geräte, der für Demonstrations-, Forschungs- und Laborarbeiten auf atomar-molekularer Ebene in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Genetik und anderen Grundlagen- und angewandten Wissenschaften bestimmt ist. Beispielsweise wurde kürzlich ein DVD-Oberflächenbild mit einer Auflösung von 0,3 Mikron darauf erhalten, und dies ist nicht die Grenze. Die einzigartige Picoampere-Stromtechnologie ermöglicht das Scannen selbst schwach leitfähiger biologischer Proben ohne vorherige Metallabscheidung (normalerweise ist es erforderlich, dass die oberste Schicht der Probe leitfähig ist). „UMKA“ hat eine hohe Temperaturstabilität, die Langzeitmanipulationen mit einzelnen Atomgruppen ermöglicht, und eine hohe Scangeschwindigkeit, die es ermöglicht, schnelle Prozesse zu beobachten.

Das Hauptanwendungsgebiet des UMKA-Komplexes ist die Schulung moderner praktischer Methoden zur Arbeit mit nanoskaligen Strukturen. Der UMKA-Komplex umfasst: ein Tunnelmikroskop, ein Vibrationsschutzsystem, eine Reihe von Testmustern, Verbrauchsmaterialien und Werkzeuge. Die Geräte passen in ein kleines Gehäuse, funktionieren unter Raumbedingungen und kosten weniger als 8.000 Dollar. Experimente können von einem normalen PC aus gesteuert werden.

Im Januar 2005 wurde der erste russische Online-Shop für Produkte der Nanotechnologie eröffnet. Die permanente Adresse des Geschäfts im Internet lautet www.nanobot.ru

SICHERHEITSPROBLEME

Kürzlich wurde festgestellt, dass kugelförmige C 60 -Moleküle namens Fullerene schwere Krankheiten verursachen und die Umwelt schädigen können. Die Toxizität von wasserlöslichen Fullerenen bei Exposition gegenüber menschlichen Zellen zweier verschiedener Arten wurde von Forschern der Universitäten von Rice und Georgia (USA) festgestellt.

Chemieprofessorin Vicki Colvin von der Rice University und seine Kollegen fanden heraus, dass beim Auflösen von Fullerenen in Wasser C 60 -Kolloide entstehen, die bei Kontakt mit menschlichen Hautzellen und Leberkrebszellen deren Tod verursachen. In diesem Fall war die Konzentration von Fullerenen im Wasser sehr gering: ~20 C 60 Moleküle pro 1 Milliarde Wassermoleküle. Gleichzeitig zeigten die Forscher, dass die Toxizität von Molekülen von der Modifikation ihrer Oberfläche abhängt.

Die Forscher vermuten, dass die Toxizität einfacher C 60 -Fullerene darauf zurückzuführen ist, dass ihre Oberfläche in der Lage ist, Superoxid-Anionen zu produzieren. Diese Radikale schädigen Zellmembranen und führen zum Zelltod.

Colvin und seine Kollegen sagten, dass solch eine negative Eigenschaft von Fullerenen für immer genutzt werden kann – für die Behandlung von Krebstumoren. Es ist nur notwendig, den Mechanismus der Bildung von Sauerstoffradikalen im Detail aufzuklären. Offensichtlich wird es auf der Basis von Fullerenen möglich sein, superwirksame antibakterielle Medikamente herzustellen.

Gleichzeitig erscheint Wissenschaftlern die Gefahr der Verwendung von Fullerenen in Verbraucherprodukten durchaus real.

Anscheinend hat die US-amerikanische Food and Drug Safety Commission (FDA) deshalb kürzlich die Notwendigkeit angekündigt, eine breite Palette von Produkten (Lebensmittel, Kosmetika, Medikamente, Apparate und Veterinärmedizin) zu lizenzieren und zu regulieren, die mit Nanotechnologie und unter Verwendung von Nanomaterialien und Nanostrukturen hergestellt werden.

NANOTECHNOLOGIEN BRAUCHEN STAATLICHE FÖRDERUNG

Leider gibt es in Russland noch kein staatliches Programm zur Entwicklung von Nanotechnologien. (Im Jahr 2005 wurde das US-Nanotechnologieprogramm übrigens fünf Jahre alt.) Ohne Zweifel würde die Existenz eines zentralisierten staatlichen Programms zur Entwicklung der Nanotechnologie bei der praktischen Umsetzung von Forschungsergebnissen sehr helfen. Leider erfahren wir aus ausländischen Quellen, dass es im Land erfolgreiche Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnologien gibt. Beispielsweise kündigte das US Standards Institute im Sommer die Entwicklung der kleinsten Atomuhr der Welt an. Wie sich herausstellte, arbeitete auch das russische Team an ihrer Kreation.

In Russland gibt es kein staatliches Programm, aber Forscher und Enthusiasten: Im vergangenen Jahr brachte die Youth Scientific Society (YNS) mehr als 500 junge Wissenschaftler, Doktoranden und Studenten zusammen, die über die Zukunft ihres Landes nachdenken. Für eine detaillierte Untersuchung der Probleme der Nanotechnologie wurde im Februar 2004 auf der Grundlage des INR ein Analyseunternehmen „Nanotechnology News Network (NNN)“ gegründet, das Hunderte von Open-World-Quellen in diesem Bereich überwacht und über 4.500 verarbeitet hat Informationsmeldungen aus ausländischen und russischen Medien, Artikel, Pressemitteilungen und Expertenkommentare. Es wurden die Websites www.mno.ru und www.nanonewsnet.ru eingerichtet, mit denen mehr als 170.000 Bürger Russlands und der GUS bekannt geworden sind.

WETTBEWERB VON JUGENDPROJEKTEN

Im April 2004 wurde zusammen mit dem Konzern "Nanoindustry" mit Unterstützung der "Uniastrum Bank" erfolgreich der erste gesamtrussische Wettbewerb für Jugendprojekte zur Schaffung einheimischer molekularer Nanotechnologie durchgeführt, der großes Interesse bei russischen Wissenschaftlern weckte.

Die Gewinner des Wettbewerbs präsentierten herausragende Entwicklungen: Der erste Platz ging an ein Team junger Wissenschaftler der gleichnamigen Russian Chemical Technical University. D. I. Mendeleev unter der Leitung von Galina Popova, Kandidatin für chemische Wissenschaften, die biomimetische (biomimetische - Nachahmung von in der Natur vorkommenden Strukturen) Materialien für optische Nanosensoren, molekulare Elektronik und Biomedizin geschaffen hat. Den zweiten Platz belegte ein Postgraduierter der Staatlichen Pädagogischen Universität Taschkent. Nizami Marina Fomina, die ein System zur gezielten Abgabe von Medikamenten an erkranktes Gewebe entwickelt hat, und der dritte - Alexei Khasanov, ein Schuljunge aus Tomsk, der Autor der Technologie zur Herstellung von nanokeramischen Materialien mit einzigartigen Eigenschaften. Die Gewinner erhielten wertvolle Sachpreise.

Mit Unterstützung der Bank wurde ein populärwissenschaftliches Lehrbuch „Nanotechnologien für alle“ entwickelt und zur Veröffentlichung vorbereitet, das von führenden Wissenschaftlern hoch gelobt wird.

Im Dezember 2004 kündigte NNN, das zur führenden Analyseagentur auf dem Gebiet der Nanotechnologie wurde, den Beginn des Zweiten Gesamtrussischen Wettbewerbs für Jugendprojekte im Dezember 2004 an, dessen Hauptsponsor erneut die Uniastrum Bank war, die mit den Ergebnissen zufrieden war der erste Wettkampf. Außerdem ist Powercom, ein internationaler Hersteller von unterbrechungsfreien Stromversorgungen, dieses Mal auch Sponsor geworden. Die Zeitschrift „Science and Life“ beteiligt sich aktiv an der Vorbereitung und Berichterstattung des Wettbewerbs.

Der Zweck des Wettbewerbs besteht darin, talentierte junge Menschen für die Entwicklung von Nanotechnologien in ihrem eigenen Land und nicht im Ausland zu gewinnen.

Der Gewinner des Wettbewerbs erhält das Nanotechnologische Labor UMKA. Die Zweit- und Drittplatzierten erhalten moderne Laptops; Die besten Teilnehmer erhalten ein kostenloses Abonnement des Magazins Science and Life. Als Preise werden Reparatur- und Restaurierungskits für Fahrzeuge auf Basis von Nanopartikeln, ein Abonnement der Zeitschrift „Universum“ und monatliche CDs „The World of Nanotechnologies“ ausgelobt.

Die Schwerpunkte der Projekte sind äußerst vielfältig: von vielversprechenden Nanomaterialien für die Automobilindustrie und die Luftfahrt bis hin zu Implantaten und neurotechnologischen Schnittstellen. Detaillierte Materialien des Wettbewerbs sind auf der Website www.nanonewsnet.ru verfügbar.

Im Dezember 2004 veranstaltete die Stadt Fryazino (Region Moskau) die erste Konferenz, die sich der industriellen Nutzung von Nanotechnologien widmete, wo Wissenschaftler Dutzende von Entwicklungen vorstellten, die zur Umsetzung in die Produktion bereit waren. Darunter sind neue Materialien auf Basis von Nanoröhren, ultrastarke Beschichtungen, Gleitmittel, leitfähige Polymere für flexible Elektronik, superkapazitive Kondensatoren usw.

Die Nanotechnologie in Russland gewinnt an Dynamik. Wenn die Forschung jedoch nicht vom Land oder einem umfassenden Bundesprogramm koordiniert wird, wird sich höchstwahrscheinlich nichts zum Besseren ändern. Für angehende Nanotechnologen ist bereits ein Lehrbuch erschienen.

Thema: Nanotechnologie in der modernen Welt 31.10

Unterrichtsziele

Lehrreich:

Einführung eines neuen Konzepts der Nanotechnologie.

die Bildung von Fähigkeiten fortsetzen, um zu beobachten, Schlussfolgerungen zu ziehen, die Hauptsache hervorzuheben.

Lehrreich:

entwickeln Beobachtung, Aufmerksamkeit, Sprache, Gedächtnis.

Interesse und logisches Denken durch Problemlösung entwickeln.

Interesse entwickeln, zusätzliche Informationen über das Internet zu finden.

Lehrreich:

den Horizont der Studierenden weiter zu entwickeln.

Entwicklung der Fähigkeit zur Teamarbeit, zur Durchführung selbstständiger Tätigkeiten.

Unterrichtstyp: neues Material lernen

Art des Unterrichts: Unterrichtskonferenz

Während des Unterrichts

Zeit organisieren

Schaffung einer kollaborativen Umgebung mit der Strategie "Atom, Molecule".

2. Motivationsphase

Bekanntschaft mit dem Konferenzplan.

Die Geschichte der Nanotechnologie

Was ist Nanotechnologie?

Nanotechnologie im Weltraum

Nanotechnologie in der Medizin

Nanotechnologie in Landwirtschaft und Industrie

3. Neues Material lernen

1 Paar

1. Die Entstehungsgeschichte der Nanotechnologie

Als Großvater der Nanotechnologie kann der griechische Philosoph Demokrit angesehen werden. Er benutzte zuerst das Wort "Atom", um das kleinste Teilchen der Materie zu beschreiben. Seit mehr als zwanzig Jahrhunderten versuchen Menschen, in das Geheimnis der Struktur dieses Teilchens einzudringen. Die Lösung dieser für viele Generationen von Physikern unerträglichen Aufgabe wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts möglich, nachdem die deutschen Physiker Max Knoll und Ernst Ruska ein Elektronenmikroskop geschaffen hatten, das erstmals die Untersuchung von Nanoobjekten ermöglichte.

Viele Quellen, vor allem in englischer Sprache, verbinden die erste Erwähnung von Methoden, die später als Nanotechnologie bezeichnet werden sollten, mit Richard Feynmans berühmter Rede "There's Plenty of Roo at the Bottom", die er 1959 im California Institute of Technology auf der Jahrestagung der Amerikanische Physikalische Gesellschaft. Richard Feynman schlug vor, dass es möglich wäre, einzelne Atome mit einem Manipulator entsprechender Größe mechanisch zu bewegen, zumindest würde ein solcher Vorgang den heute bekannten physikalischen Gesetzen nicht widersprechen.

Er schlug vor, diesen Manipulator auf folgende Weise auszuführen. Es ist notwendig, einen Mechanismus zu bauen, der seine eigene Kopie erstellt, nur um eine Größenordnung kleiner. Der erstellte kleinere Mechanismus muss erneut seine Kopie erstellen, wiederum um eine Größenordnung kleiner, und so weiter, bis die Abmessungen des Mechanismus den Abmessungen in der Größenordnung eines Atoms entsprechen. Gleichzeitig müssen Änderungen in der Struktur dieses Mechanismus vorgenommen werden, da die im Makrokosmos wirkenden Schwerkraftkräfte immer weniger Einfluss haben und die Kräfte intermolekularer Wechselwirkungen die Funktionsweise des Mechanismus zunehmend beeinflussen werden. Die letzte Stufe - der resultierende Mechanismus wird seine Kopie aus einzelnen Atomen zusammensetzen. Die Anzahl solcher Kopien ist im Prinzip unbegrenzt, es wird möglich sein, in kurzer Zeit eine beliebige Anzahl solcher Maschinen zu erstellen. Diese Maschinen werden in der Lage sein, Makrodinge auf die gleiche Weise durch Atom-für-Atom-Montage zusammenzusetzen. Dies wird die Dinge um eine Größenordnung billiger machen - solche Roboter (Nanoroboter) müssen nur die erforderliche Anzahl von Molekülen und Energie erhalten und ein Programm schreiben, um die erforderlichen Elemente zusammenzubauen. Bisher konnte niemand diese Möglichkeit widerlegen, aber es ist noch niemandem gelungen, solche Mechanismen zu schaffen. Der grundlegende Nachteil eines solchen Roboters ist die Unmöglichkeit, einen Mechanismus aus einem einzigen Atom zu erstellen.

2 Paar

2. Was ist Nanotechnologie?

Die erst vor kurzem aufgekommenen Nanotechnologien dringen zunehmend in den Bereich der wissenschaftlichen Forschung und von dort in unser tägliches Leben ein. Die Entwicklungen der Wissenschaftler beschäftigen sich zunehmend mit Objekten des Mikrokosmos, Atomen, Molekülen, Molekülketten. Künstlich geschaffene Nanoobjekte überraschen Forscher immer wieder mit ihren Eigenschaften und versprechen die ungeahntesten Perspektiven für ihre Anwendung.

Die grundlegende Maßeinheit in der nanotechnologischen Forschung ist das Nanometer – ein Milliardstel Meter. Moleküle und Viren werden in solchen Einheiten gemessen und sind jetzt Elemente von Computerchips der neuen Generation. Auf der Nanoskala finden alle grundlegenden physikalischen Prozesse statt, die Makrointeraktionen bestimmen.

Die Schaffung eines Rastertunnelmikroskops im Jahr 1980 ermöglichte es Wissenschaftlern, nicht nur einzelne Atome zu unterscheiden, sondern sie auch zu bewegen und aus ihnen Strukturen zusammenzusetzen, insbesondere Komponenten zukünftiger Nanomaschinen - Motoren, Manipulatoren, Stromversorgungen, Steuerungen. Nanokapseln werden für die direkte Abgabe von Medikamenten im Körper hergestellt, Nanoröhren sind 60-mal stärker als Stahl, flexible Solarzellen und viele andere erstaunliche Geräte.

Ein weiteres bekanntes Nanoelement ist die Kohlenstoffnanoröhre. Dabei handelt es sich um eine einatomige Kohlenstoffschicht, die zu einem Zylinder mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern gerollt wird. Diese Objekte wurden erstmals 1952 erhalten, aber erst 1991 erregten sie die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Die Festigkeit dieser Rohre übertrifft die Festigkeit von Stahl dutzende Male, sie können einer Erwärmung auf bis zu 2500 Grad und einem Druck von Tausenden von Atmosphären standhalten. Ein weiteres Nanomaterial ist Graphen – eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht, eine Ebene, die aus Kohlenstoffatomen besteht. Dieses Material wurde zuerst von russischen Physikern erhalten, die in England arbeiteten. Viele Wissenschaftler glauben, dass dieses Material mit einzigartigen Eigenschaften in Zukunft die Basis von Mikroprozessoren sein und moderne Halbleiter verdrängen wird. Darüber hinaus ist dieses Material auch unglaublich langlebig.

All diese Nanoelemente werden zunehmend in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt – von der Medizin bis zur Weltraumforschung.

. 3 Paar

3. Nanotechnologie im Weltraum

Es wurde ein System von Mikrosatelliten geschaffen, das weniger anfällig für Zerstörungsversuche ist. Es ist eine Sache, einen Koloss im Orbit abzuschießen, der mehrere hundert Kilogramm oder sogar Tonnen wiegt und sofort die gesamte Weltraumkommunikation oder -intelligenz außer Betrieb setzt, und eine andere, wenn sich ein ganzer Schwarm von Mikrosatelliten im Orbit befindet. Der Ausfall eines von ihnen wird in diesem Fall den Betrieb des Systems als Ganzes nicht stören. Dementsprechend können die Anforderungen an die Betriebszuverlässigkeit jedes Satelliten reduziert werden.

Junge Wissenschaftler glauben, dass unter anderem die Schaffung neuer Technologien im Bereich Optik, Kommunikationssysteme, Methoden zum Übertragen, Empfangen und Verarbeiten großer Informationsmengen den Schlüsselproblemen der Mikrominiaturisierung von Satelliten zugeschrieben werden sollte. Wir sprechen von Nanotechnologien und Nanomaterialien, die es ermöglichen, die Masse und die Abmessungen von Geräten, die in den Weltraum gebracht werden, um zwei Größenordnungen zu reduzieren. Beispielsweise ist die Festigkeit von Nanonickel 6-mal höher als die von gewöhnlichem Nickel, was es ermöglicht, beim Einsatz in Raketentriebwerken die Masse der Düse um 20-30% zu reduzieren. Die Reduzierung der Masse der Weltraumtechnologie löst viele Probleme: Sie verlängert den Aufenthalt des Raumfahrzeugs im Weltraum, ermöglicht ihm, weiter zu fliegen und mehr nützliche Ausrüstung für die Forschung zu transportieren. Gleichzeitig wird das Problem der Energieversorgung gelöst. Mit Miniaturgeräten werden bald viele Phänomene untersucht, zum Beispiel der Einfluss von Sonnenstrahlen auf Prozesse auf der Erde und im erdnahen Weltraum.

Der Weltraum ist heute kein Exot, und seine Erforschung ist nicht nur eine Frage des Prestiges. Zunächst einmal geht es um die nationale Sicherheit und die nationale Wettbewerbsfähigkeit unseres Staates. Gerade die Entwicklung superkomplexer Nanosysteme kann zu einem nationalen Vorteil des Landes werden. Wie die Nanotechnologie werden uns auch die Nanomaterialien die Möglichkeit geben, ernsthaft über bemannte Flüge zu verschiedenen Planeten im Sonnensystem zu sprechen. Es ist der Einsatz von Nanomaterialien und Nanomechanismen, die bemannte Flüge zum Mars und die Erforschung der Mondoberfläche Wirklichkeit werden lassen. Eine weitere äußerst beliebte Richtung in der Entwicklung von Mikrosatelliten ist die Schaffung der Fernerkundung der Erde (ERS). Mit einer Auflösung von Satellitenbildern von 1 m im Radarbereich und weniger als 1 m im optischen Bereich (zunächst werden solche Daten in der Kartographie verwendet) begann sich ein Markt für Informationskonsumenten zu bilden.

Es wird erwartet, dass im Jahr 2025 die ersten Assembler auf Basis der Nanotechnologie erscheinen werden. Theoretisch ist es möglich, dass sie aus vorgefertigten Atomen jedes Objekt konstruieren können. Es reicht aus, ein beliebiges Produkt auf einem Computer zu entwerfen, und es wird durch den Montagekomplex von Nanorobotern zusammengesetzt und multipliziert. Aber das sind noch die einfachsten Möglichkeiten der Nanotechnologie. Aus der Theorie ist bekannt, dass Raketentriebwerke optimal funktionieren würden, wenn sie je nach Modus ihre Form verändern könnten. Nur durch den Einsatz der Nanotechnologie wird dies Realität. Eine Struktur, die stärker als Stahl und leichter als Holz ist, kann sich ausdehnen, zusammenziehen und biegen und so die Stärke und Richtung des Schubs ändern. Das Raumschiff wird sich in etwa einer Stunde verwandeln können. Nanotechnologie, die in den Raumanzug eingebaut ist und die Zirkulation von Substanzen gewährleistet, wird es einer Person ermöglichen, sich unbegrenzt darin aufzuhalten. Nanoroboter sind auch in der Lage, den Traum der Science-Fiction von der Besiedlung anderer Planeten zu verwirklichen, diese Geräte werden in der Lage sein, auf ihnen den für das menschliche Leben notwendigen Lebensraum zu schaffen. Es wird möglich sein, orbitale Systeme, beliebige Strukturen in den Ozeanen, auf der Erdoberfläche und in der Luft automatisch zu bauen (Experten prognostizieren dies bis 2025).

4 Paar

4. Nanotechnologien in der Medizin

Jüngste Fortschritte in der Nanotechnologie können Wissenschaftlern zufolge im Kampf gegen Krebs sehr nützlich sein. Ein Anti-Krebs-Medikament wurde direkt zum Ziel entwickelt – in Zellen, die von einem bösartigen Tumor befallen sind. Ein neues System, das auf einem Material basiert, das als Biosilizium bekannt ist. Nanosilikon hat eine poröse Struktur (mit einem Durchmesser von zehn Atomen), die für die Einführung von Arzneimitteln, Proteinen und Radionukliden geeignet ist. Ist das Ziel erreicht, beginnt das Biosilizium zu zerfallen und die von ihm abgegebenen Medikamente werden zur Wirkung gebracht. Darüber hinaus können Sie mit dem neuen System laut den Entwicklern die Dosierung des Medikaments anpassen.

Mitarbeiter des Zentrums für Biologische Nanotechnologie haben in den vergangenen Jahren an der Entwicklung von Mikrosensoren gearbeitet, mit denen Krebszellen im Körper entdeckt und diese schreckliche Krankheit bekämpft werden sollen.

Eine neue Technik zur Erkennung von Krebszellen basiert auf der Implantation von winzigen kugelförmigen Reservoirs aus synthetischen Polymeren, sogenannten Dendrimeren (von griechisch dendron - Baum) in den menschlichen Körper. Diese Polymere wurden im letzten Jahrzehnt synthetisiert und haben eine grundlegend neue, nicht feste Struktur, die der Struktur von Korallen oder Holz ähnelt.

Sobald sie sich im Körper befinden, dringen diese winzigen Sensoren in die Lymphozyten ein, die weißen Blutkörperchen, die die Abwehrreaktion des Körpers gegen Infektionen und andere Krankheitserreger darstellen. Wenn die Immunantwort lymphoider Zellen auf eine bestimmte Krankheit oder Umweltbedingung – beispielsweise eine Erkältung oder Strahlenbelastung – reagiert, verändert sich die Proteinstruktur der Zelle. Jeder Nanosensor, der mit speziellen Chemikalien beschichtet ist, beginnt bei solchen Veränderungen zu leuchten.

Um dieses Leuchten zu sehen, werden Wissenschaftler ein spezielles Gerät entwickeln, das die Netzhaut scannt. Der Laser eines solchen Geräts sollte das Leuchten von Lymphozyten erkennen, wenn sie einzeln durch die engen Kapillaren des Augenhintergrunds strömen. Wenn genügend markierte Sensoren in den Lymphozyten vorhanden sind, wäre ein 15-Sekunden-Scan erforderlich, um Schäden an der Zelle zu erkennen, sagen die Wissenschaftler.

waschen. Bis heute wurde nur ein primitiver gehender DNA-Roboter geschaffen.

Die Nanomedizin wird durch folgende Möglichkeiten repräsentiert:

1. Labs on a Chip, gezielte Wirkstoffabgabe im Körper.

2. DNA-Chips (Erstellung individueller Medikamente).

3. Künstliche Enzyme und Antikörper.

4. Künstliche Organe, künstliche funktionelle Polymere (Ersatz für organisches Gewebe). Diese Richtung ist eng mit der Idee des künstlichen Lebens verbunden und führt in Zukunft zur Schaffung von Robotern mit künstlichem Bewusstsein und der Fähigkeit zur Selbstheilung auf molekularer Ebene. Dies liegt an der Erweiterung des Lebensbegriffs über das Organische hinaus

5. Nanoroboter-Chirurgen (Biomechanismen, die Veränderungen durchführen und medizinische Maßnahmen erfordern, Erkennung und Zerstörung von Krebszellen). Dies ist die radikalste Anwendung der Nanotechnologie in der Medizin, die Schaffung von molekularen Nanorobotern, die Infektionen und Krebstumore zerstören, beschädigte DNA, Gewebe und Organe reparieren, ganze Lebenserhaltungssysteme des Körpers duplizieren und die Eigenschaften des Körpers verändern können.

Betrachtet man ein einzelnes Atom als Baustein oder „Detail“, suchen Nanotechnologien nach praktischen Wegen, um Materialien mit gewünschten Eigenschaften aus diesen Details zu konstruieren. Viele Unternehmen wissen bereits, wie man Atome und Moleküle zu bestimmten Strukturen zusammensetzt.

Beliebige Moleküle werden künftig wie ein Kinderdesigner zusammengesetzt. Dazu ist der Einsatz von Nanorobotern (Nanobots) geplant. Tatsächlich kann jede beschreibbare chemisch stabile Struktur konstruiert werden. Da ein Nanobot programmiert werden kann, um jede Struktur zu bauen, insbesondere um einen anderen Nanobot zu bauen, werden sie sehr billig sein. Nanobots arbeiten in großen Gruppen und können beliebige Objekte mit geringen Kosten und hoher Genauigkeit erstellen. In der Medizin liegt das Problem beim Einsatz von Nanotechnologien in der Notwendigkeit, die Struktur der Zelle auf molekularer Ebene zu verändern, d.h. mit Hilfe von Nanobots "molekulare Chirurgie" durchzuführen. Es wird erwartet, dass molekulare Roboterärzte geschaffen werden, die im menschlichen Körper „leben“ und alle auftretenden Schäden beseitigen oder deren Auftreten verhindern können. Durch die Manipulation einzelner Atome und Moleküle werden Nanobots in der Lage sein, Zellen zu reparieren. Die vorhergesagte Zeit für die Schaffung von Roboterärzten ist die erste Hälfte des 21. Jahrhunderts.

Trotz des derzeitigen Stands der Dinge sind Nanotechnologien als Kardinallösung für das Problem des Alterns mehr als vielversprechend.

5 Paar

5. Nanotechnologien in Landwirtschaft und Industrie

Die Nanotechnologie hat das Potenzial, die Landwirtschaft zu revolutionieren. Molekulare Roboter werden in der Lage sein, Nahrung zu produzieren, indem sie Pflanzen und Tiere davon „befreien“. Zu diesem Zweck werden sie jedes "Grasmaterial" verwenden: Wasser und Luft, wo die wichtigsten notwendigen Elemente vorhanden sind - Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Aluminium und Silizium und der Rest, wie für "normale" lebende Organismen in Kleinstmengen benötigt werden. Beispielsweise ist es theoretisch möglich, Milch direkt aus Gras zu produzieren, indem man das Zwischenglied – eine Kuh – umgeht. Eine Person muss keine Tiere töten, um ein gebratenes Huhn oder ein Stück geräuchertes Schmalz zu essen. Verbrauchsmaterialien werden „direkt zu Hause“ produziert

Nanofood (Nanofood) ist ein neuer, obskurer und unansehnlicher Begriff. Nahrung für Nanomenschen? Sehr kleine Portionen? Lebensmittel aus Nanofabriken? Nein, natürlich. Aber dennoch ist es ein merkwürdiger Trend in der Lebensmittelindustrie. Es stellt sich heraus, dass Nanoeating eine ganze Reihe wissenschaftlicher Ideen ist, die bereits auf dem Weg zur Umsetzung und Anwendung in der Industrie sind. Erstens kann die Nanotechnologie Lebensmittelherstellern einzigartige Möglichkeiten für die vollständige Echtzeitüberwachung der Qualität und Sicherheit von Produkten direkt im Produktionsprozess bieten. Die Rede ist von Diagnosemaschinen mit verschiedenen Nanosensoren oder sogenannten Quantenpunkten, die kleinste chemische Verunreinigungen oder gefährliche biologische Wirkstoffe in Produkten schnell und zuverlässig erkennen können. Und die Lebensmittelproduktion sowie deren Transport und Lagerungsmethoden können ihren Anteil an nützlichen Innovationen aus der Nanotechnologieindustrie erhalten. Laut Wissenschaftlern werden die ersten massenproduzierten Maschinen dieser Art in den nächsten vier Jahren in der Massenproduktion von Lebensmitteln auftauchen. Aber auch radikalere Ideen stehen auf der Agenda. Sind Sie bereit, Nanopartikel zu schlucken, die Sie nicht sehen können? Was aber, wenn Nanopartikel gezielt eingesetzt werden, um nützliche Substanzen und Medikamente an genau ausgewählte Körperstellen zu bringen? Was wäre, wenn solche Nanokapseln in Lebensmittelprodukte eingeführt werden könnten? Bisher hat noch niemand Nanofood verwendet, aber Vorentwicklungen sind bereits im Gange. Experten sagen, dass essbare Nanopartikel aus Silizium, Keramik oder Polymeren hergestellt werden können. Und natürlich - organische Stoffe. Und wenn hinsichtlich der Sicherheit der sogenannten "weichen" Partikel, die in Struktur und Zusammensetzung biologischen Materialien ähneln, alles klar ist, dann sind "harte" Partikel aus anorganischen Stoffen ein großer weißer Fleck am Schnittpunkt zweier Territorien - Nanotechnologie und Biologie. Wissenschaftler können noch nicht sagen, welche Wege solche Partikel im Körper zurücklegen und wo sie dabei aufhören. Dies bleibt abzuwarten. Einige Experten zeichnen jedoch bereits futuristische Bilder der Vorteile von Nano-Essern. Zusätzlich zur Lieferung wertvoller Nährstoffe an die richtigen Zellen. Die Idee ist folgende: Jeder kauft das gleiche Getränk, aber dann kann der Konsument die Nanopartikel so steuern, dass sich Geschmack, Farbe, Aroma und Konzentration des Getränks vor seinen Augen verändern.

4. Konsolidierung von neuem Material

Entstehung des Projekts „Unsere NANOworld!“

Betrachtung

Mit Hilfe der „Drei-M“-Strategie

Eine Zukunft ohne Nanotechnologie ist schwer vorstellbar. Die Kontrolle der Materie auf der Ebene von Atomen und Molekülen hat den Weg zu den meisten der unglaublichsten Entdeckungen in Chemie, Biologie und Medizin geebnet. Aber die Möglichkeiten der Nanotechnologie sind viel größer und noch nicht vollständig erforscht.

10. Filme machen

Ohne die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM) im Jahr 1980 wäre das Gebiet der Nanotechnologie eine reine Fantasie der Wissenschaftler geblieben. Mit Hilfe eines Mikroskops konnten Wissenschaftler die Strukturen der Materie auf eine Weise untersuchen, die mit herkömmlichen optischen Mikroskopen, die keine atomare Präzision liefern konnten, nicht möglich gewesen wäre.
Die erstaunlichen Fähigkeiten des Rastermikroskops wurden von IBM-Forschern demonstriert, als sie A Boy and His Atom, den kleinsten Animationsfilm der Welt, schufen. Es entstand, indem einzelne Materieatome über eine Kupferoberfläche bewegt wurden. 90 Sekunden lang konnte ein Junge aus Kohlenmonoxidmolekülen mit einem Ball spielen, tanzen und auf einem Trampolin hüpfen. Die gesamte Handlung des Films, bestehend aus 202 Einzelbildern, spielte sich auf einer Fläche von 1/1000 der Dicke eines menschlichen Haares ab. Die Wissenschaftler bewegten die Atome mit Hilfe eines elektrisch geladenen und sehr scharfen Griffels, an dessen Spitze sich ein Atom als Spitze befand. Ein solcher Stift ist nicht nur in der Lage, das Molekül zu trennen, sondern es auch an die richtige Stelle und Position zu bewegen.

In den letzten zehn Jahren sind die Kosten für die Ölförderung weltweit gestiegen, aber die Effizienz hat sich nicht erhöht. Tatsache ist, dass wenn die Ölförderung von einer Ölgesellschaft an einem bestimmten Ort eingemottet wird, etwas weniger als die Hälfte des zuvor geförderten Öls im Erdinneren verbleibt. Der Zugang zu diesen Vorkommen ist jedoch schwierig und teuer. Glücklicherweise haben Wissenschaftler aus China einen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen, indem sie die bestehende Bohrmethode verbessern. Die Originalität der Technik liegt darin, dass Wasser in die Poren des ölhaltigen Gesteins gepumpt wird, das unter Druck das Öl herausdrückt. Diese Technik hat jedoch ihre eigenen Schwierigkeiten, da nach dem Verdrängen des Öls auch das zuvor gepumpte Wasser austritt. Um einen solchen Effekt zu verhindern, schlugen die chinesischen Wissenschaftler Peng und Ming Yuan Li vor, Wasser mit Nanopartikeln zu mischen, die die Poren im Gestein schließen können, sodass das Wasser engere Passagen wählen kann, um Öl herauszudrücken.

Das Bild auf einem Computerbildschirm wird in Pixeln – winzigen Punkten – übertragen. Die Anzahl dieser Punkte, nicht ihre Größe oder Form, bestimmt die Qualität des Bildes. Wenn Sie die Anzahl der Pixel auf herkömmlichen Monitoren erhöhen, müssen Sie automatisch die Größe des Bildschirms selbst erhöhen. Führende Hersteller sind nur damit beschäftigt, große Bildschirme an den Verbraucher zu verkaufen.
Forscher der Universität Oxford erkannten das Versprechen der Verwendung von Nanopixeln und entwickelten einen Weg, um Pixel mit einem Durchmesser von mehreren hundert Nanometern zu erzeugen. Als die Wissenschaftler während des Experiments mehrere Schichten von jeweils 300 mal 300 Nanometern GST-Material als Pixel zwischen transparente Elektroden drückten, erhielten sie ein Bild von hoher Qualität und hohem Kontrast. Nanopixel werden aufgrund ihrer winzigen Größe viel praktischer sein als herkömmliche und können zur Grundlage für die Entwicklung optischer Technologien wie Smart Glasses, künstlicher Netzhaut und Faltbildschirmen werden. Darüber hinaus verbrauchen Nanotechnologien keine Energie, da sie in der Lage sind, nur einen Teil des Bildschirms zu aktualisieren, um ein Bild zu übertragen, was weniger Energie erfordert.

Beim Experimentieren mit Gold-Nanopartikeln stellten Wissenschaftler der University of California fest, dass sich die Farbe des Goldfadens beim Strecken oder Zusammendrücken überraschend von hellblau zu violett und rot ändert. Sie kamen auf die Idee, spezielle Sensoren aus Gold-Nanopartikeln herzustellen, um bestimmte Prozesse anzuzeigen, die die Partikel auf die eine oder andere Weise beeinflussen. Wenn Sie beispielsweise einen ähnlichen Sensor an Möbeln anbringen, können Sie feststellen, ob eine Person sitzt oder schläft.
Um solche Sensoren herzustellen, fügten Wissenschaftler Gold-Nanopartikel zu einer Kunststofffolie hinzu. In dem Moment, in dem der Film belichtet wurde, dehnte er sich aus und die Gold-Nanopartikel änderten ihre Farbe. Bei leichtem Druck wurde der Sensor violett und bei starkem Druck rot. Silberpartikel können beispielsweise auch ihre Farbe ändern, jedoch zu Gelb. Solche Sensoren sind trotz der Verwendung von Edelmetallen nicht teuer, da ihre Größe vernachlässigbar ist.

6. Aufladen Ihres Telefons

Unabhängig von Modell oder Marke eines Telefons oder Smartphones, iPhone oder Samsung, jedes von ihnen hat einen erheblichen Nachteil - Akkulaufzeit und Ladezeit. Israelischen Wissenschaftlern ist es dank einer Entdeckung auf dem Gebiet der Medizin gelungen, eine Batterie zu entwickeln, die 30 Sekunden zum Aufladen benötigt. Tatsache ist, dass Wissenschaftler bei der Untersuchung der Alzheimer-Krankheit an der Universität Tel Aviv die Fähigkeit von Peptidmolekülen entdeckten, die die Krankheit verursachen, eine elektrische Ladung anzusammeln. StoreDot, das an dieser Entdeckung interessiert ist, beschäftigt sich seit langem mit praktischen Anwendungen der Nanotechnologie, und seine Forscher haben die NanoDots-Technologie für eine effiziente und längere Batterielebensdauer in Smartphones entwickelt. Während einer Demonstration auf der von Microsoft veranstalteten ThinkNext-Vorführung wurde der Akku des Samsung Galaxy S3-Telefons in weniger als einer Minute von 0 auf 100 % aufgeladen.

5. Intelligente Arzneimittelabgabe

Einige medizinische Unternehmen, die die Bedrohung durch die Ausbreitung von Krankheiten wie Krebs erkannt haben, deren Behandlung oft unwirksam und unpassend ist, haben begonnen, nach billigen und wirksamen Wegen zu suchen, um sie zu bekämpfen. Eines dieser Unternehmen, Immusoft, ist daran interessiert, Wege zu entwickeln, um dem Körper Medikamente zuzuführen. Ihr revolutionärer Ansatz basiert auf dem Prinzip, dass der menschliche Körper mit Hilfe des Immunsystems in der Lage ist, das richtige Medikament selbst herzustellen und dadurch Milliarden von Dollar an Arzneimittelproduktion durch Pharmaunternehmen und Therapie einzusparen. Das menschliche Immunsystem wird auf der Ebene der genetischen Informationen mit einer speziellen Kapsel in Nanogröße „umprogrammiert“, wodurch die Zellen beginnen, ihre eigene Medizin zu produzieren. Die Methode wurde bisher nur in Form von theoretischen Entwicklungen vorgestellt, obwohl Experimente an Mäusen erfolgreich waren. Wenn die Methode wirksam ist, beschleunigt sie die Genesung und senkt die Kosten für die Behandlung schwerer Krankheiten.

Elektromagnetische Wellen, die Grundlage moderner Kommunikationstechnologien, sind kein zuverlässiges Mittel, da jeder elektromagnetische Impuls den Betrieb eines Kommunikationssatelliten nicht nur stören, sondern auch deaktivieren kann. Eine unerwartete Lösung für dieses Problem wurde von Wissenschaftlern der University of Warwick, England, und der University of York, Kanada, vorgeschlagen. Die Lösung wurde den Wissenschaftlern von der Natur selbst vorgeschlagen, nämlich wie Tiere über den Geruch kommunizieren, mit dem sie die Nachricht verschlüsseln. Wissenschaftler versuchten auch, die Moleküle des verdampfenden Alkohols mit revolutionärer Kommunikationstechnologie zu kodieren und schickten eine Nachricht, die Folgendes enthielt: „Oh Kanada“.
Um eine solche Nachricht zu codieren, zu übertragen und zu empfangen, sind ein Sender und ein Empfänger erforderlich. Eine Textnachricht wird mit einem Arduino One (Mikrocontroller zum Codieren) in den Sender eingegeben, der den Text in Binärcode umwandelt. Diese Meldung wird vom elektronischen Alkoholspender erkannt, indem er die „1“ durch einen Schuss und die „0“ durch ein Leerzeichen ersetzt. Der chemische Sensorempfänger nimmt dann den Alkohol in der Luft auf und dekodiert ihn in Text. Die Nachricht legte einen Weg von mehreren Metern im freien Raum zurück. Wenn die Technologie verbessert wird, kann eine Person Nachrichten an schwer zugängliche Orte wie Tunnel oder Pipelines übertragen, an denen elektromagnetische Wellen nutzlos sind.

Die Computertechnologie hat in den letzten zehn Jahren einen enormen Entwicklungssprung hinsichtlich der Leistungs- und Speicherkapazität von Informationen gemacht. Einst, vor 50 Jahren, sagte James Moore einen solchen Sprung voraus. Das entsprechende Gesetz wurde sogar nach ihm benannt. Aber moderne Physiker, nämlich Michio Kaku, erklären, dass das Gesetz nicht mehr funktionieren wird, da die Leistung und Kapazität der Computertechnologie nicht den bestehenden Produktionstechnologien entspricht.
Wissenschaftler sind nun gezwungen, nach alternativen Lösungen für dieses Problem zu suchen. Beispielsweise sind Forscher der RMIT University in Melbourne unter der Leitung von Sharata Srirama bereits auf dem Weg, Geräte zu entwickeln, die die Arbeit des menschlichen Gehirns nachahmen, nämlich die Abteilung für Informationsspeicherung. Die Rolle des „Gehirns“ übernimmt ein Nanofilm, der chemisch programmiert ist, elektrische Ladungen nach dem „An“, „Aus“-Prinzip zu speichern. Film, der 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar ist, wird ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung revolutionärer Speichermedien sein.

2. Nanotechnologie im Dienste der Kunst

Die Perspektiven, die mit der Anwendung der Nanotechnologie in der Wissenschaft verbunden sind, erfreuen die Gesellschaft seit langem, aber die Möglichkeiten sind so groß, dass sie sich nicht auf Bereiche wie Medizin, Biologie und Technik beschränken lassen. Die Anwendung der Nanotechnologie in der Kunst wird zur Entstehung von Nanokunst führen – der Erschaffung einer winzigen Welt unter dem Mikroskop, die Menschen ganz anders wahrnehmen werden. Nanoart schlägt eine Verbindung zwischen Wissenschaft und Kunst vor. Ein Paradebeispiel für diese Verbindung ist das Porträt des Präsidenten der Vereinigten Staaten aus dem Jahr 2008 mit dem Titel „Nanobama“, das von einem Maschinenbauingenieur an der University of Michigan erstellt wurde. Das Porträt besteht aus 150 Nanoröhren, und die Größe seines Gesichts beträgt weniger als 0,5 Millimeter.

1. Neue Rekorde

Der Mensch hat hart daran gearbeitet, etwas Größeres, das Schnellste in der Geschwindigkeit und das Stärkste in Stärke und Kraft zu schaffen. Wenn es darum geht, etwas ganz Kleines zu schaffen, dann ist Nanotechnologie hier unverzichtbar. Dank der Nanotechnologie wurde beispielsweise das kleinste Buch der Welt, Teeny Ted From Turnip, gedruckt. Seine Abmessungen betragen 70x100 Mikrometer. Das Buch selbst besteht aus 30 Seiten, die Buchstaben aus kristallinem Silizium enthalten. Die Kosten für das Buch werden auf 15.000 US-Dollar geschätzt, und um es zu lesen, benötigen Sie ein ebenso teures Mikroskop.

Die Medizin ist das spannendste Gebiet für die Anwendung der Nanotechnologie. Viele der derzeit entwickelten Krebstherapien basieren auf der Bekämpfung des Tumors auf zellulärer Ebene. Forscher zeigen sehr vielversprechende Ergebnisse mit Gold-Nanopartikeln bei der Behandlung verschiedener Krebsarten. Die Partikel werden direkt zu den Krebszellen geschickt und mit einem Infrarotstrahl erhitzt.

Die Abgabe von Nanopartikeln ist das größte Problem bei ihrer Anwendung in der Medizin. Es ist notwendig, Nanopartikel zu den betroffenen Zellen zu bringen, ohne gesunde zu schädigen. Sobald das Abgabesystem vorhanden ist (was allein nicht mehr einfach ist), sollten die Partikel dazu beitragen, eine Reihe neuer nicht-invasiver Therapien zu entwickeln, die Tumore ohne chirurgisches Trauma behandeln.

Eine Lösung für den Transport von Nanopartikeln könnten winzige Goldsterne sein, die an der Northwestern University entwickelt werden. Die sternförmigen Partikel sind mit einem Medikament namens DNA-Aptamer (einem DNA-Molekül, das sich an gewünschte molekulare Ziele anheften kann) beschichtet. Nanostars zielen auf Proteine ​​in Krebszellen ab. Die Proteine ​​bringen die Sterne hilfreich zum Kern, und sobald sie sich an das Ziel angelagert haben, setzt der Laserschuss das Medikament aus dem Nanostern frei und es beginnt mit seiner Kernheilung. Die Zelle hat keine Chance.

Unabhängig vom Verabreichungsmechanismus könnte die Nanotechnologie es Ärzten ermöglichen, Hirntumoren zu stoppen, ohne den Schädel eines Patienten physisch zu manipulieren, oder Lungenkrebs heilen, ohne jemandem die Brust aufschneiden zu müssen.

Vielleicht berührst du sie gerade

Unabhängig davon, welche Art von Computer oder Gerät Sie zum Lesen dieses Artikels verwenden, haben Sie es höchstwahrscheinlich mit Nanotechnologie zu tun. Prozessoren und Speicherkomponenten werden aus Nanomaterialien hergestellt, die auf dem Markt reichlich vorhanden sind, und Sie finden antimikrobielle Beschichtungen auf Tastaturen und Mäusen.

In naher Zukunft werden wir möglicherweise photonische Kristalle sehen, die es uns erleichtern, Tablet-Bildschirme tagsüber zu lesen, indem sie die Farbe des reflektierten Sonnenlichts ändern, anstatt sich auf das vom Gerät emittierte Licht zu verlassen. Organische Leuchtdioden (OLEDs) stehen bereits kurz davor, LCDs als universellen Standard für Smartphone-Bildschirme zu ersetzen. Darüber hinaus soll eine dünne Schicht aus Nanopartikeln eine einfache Lösung sein, um das Smartphone vor dem Tod durch versehentliches Herunterfallen ins Wasser zu schützen.

Schon bald wird die Elektronik mit einer einzigen Ladung dreimal länger halten, nur weil winzige Härchen in Form von Whisker-Nanokristallen in Batterien eingebaut werden. Vor nicht allzu langer Zeit haben wir geschrieben, dass Graphenbatterien das Problem des Aufladens von Smartphones vollständig lösen werden, aber Graphen ist eine direkte Folge der Nanotechnologieforschung.

Möglicherweise tragen Sie sie bereits.

Seit den frühen 2000er Jahren interessiert sich die Modeindustrie für Nanotechnologie. Und obwohl die Öffentlichkeit nicht besonders an der Möglichkeit interessiert war, Smartphones direkt von T-Shirts aufzuladen, entwickelt sich auch diese Richtung. Die Idee von piezoelektrischen Generatoren ist nicht ohne Bedeutung. Stellen Sie sich ein Zelt vor, das aus dem kleinsten Windhauch Strom erzeugen könnte, um Ihre Taschenlampe aufzuladen. Was ist mit einem Boot, das Strom aus jedem Stück seines Segels zieht? In Stoff eingenähte Nanotechnologien machen Sinn.

Doch nicht alle Ideen zum Einsatz der Nanotechnologie kommen gut an. Viele Fragen und Empörung haben zu Vorschlägen geführt, Nanopartikel zu verwenden, um Bakterien zu zerstören, die unangenehme Gerüche in Kleidung verursachen. Sportbekleidungsdesigner beeilten sich, diese Methode umzusetzen, als sie plötzlich entdeckten, dass Nanosilberpartikel nicht nur schädliche, sondern auch nützliche Bakterien abtöten (und daher beispielsweise nicht zur Wasserreinigung verwendet werden können) und auch Geburtsfehler bei Fischen und anderen Organismen verursachen.

Ende 2011 erlaubte die US-Umweltschutzbehörde (EPA) die Verwendung von Nanosilber-Produkten nur, wenn ihre Sicherheit unbestritten ist, eine Entscheidung, die das Ergebnis eines gezielten öffentlichen Aufschreis war. Und wenn Sie die Tatsache, dass Nanosilber als Pestizid verwendet wird, nicht abschreckt, bittet die EPA Sie, zweimal darüber nachzudenken, Kleidung mit diesen Elementen zu tragen. Trotzdem ist es nicht so schwierig, alle paar Tage Kleidung zu waschen.

Vieles davon ist bereits in der Natur vorhanden.

Möchte Hosen, die kein Wasser aufnehmen? Oder wie wäre es mit einem Pflaster, mit dem Sie eine Glaswand erklimmen können? Diese Hose im Laden zu kaufen ist nicht schwierig, aber um den Spider-Man in dir zu öffnen, musst du viel schwitzen. Und diese beiden Beispiele für Nanotechnologien gibt es bereits in der Natur.

Nennen Sie es einen Sicherheitsanzug für den schneidigen Fahrer. Seit vielen Jahren versucht die Textilindustrie, wasserdichte Stoffe zu entwickeln. Dies geschah jedoch erst, als sie anfingen, Schnurrhaare zu verwenden. Wenn Sie schon einmal gesehen haben, wie Regentropfen an einer Lotusblüte herunterlaufen – oder andere Beispiele unter Ihrer Nase –, dann ist dies das Werk natürlicher Schnurrhaare. Das Blatt ist mit Nanohaaren bedeckt, die Wassertropfen unterstützen und verhindern, dass sie absorbiert werden oder die Oberfläche des Blattes benetzen. Durch das Hinzufügen von Nanoröhren zu Kleidungsfasern können Hersteller Baumwolle, Wolle oder synthetische Stoffe herstellen, die kein Wasser absorbieren.

Was das Glasklettern betrifft, so ist dieses Produkt dank der Entwicklung entstanden Roberta Fülla(Robert Full) aus Berkeley. Bei der Untersuchung der Finger von Geckos fanden die Forscher heraus, dass jeder Finger der Kreatur mit Nanohaaren bedeckt ist, die so klein und zahlreich sind, dass sie die Kraft der van der Waals (intermolekulare Kohäsion) nutzen, um sich auf einer glatten Oberfläche zu halten. Der Biologe Full reproduzierte zusammen mit anderen Ingenieuren den Mechanismus der Finger des Geckos in Form von Pfoten, die es dem Kletterer ermöglichten, Gebäude zu erklimmen.

Eine wichtige Lektion hier ist, dass wir gerade erst begonnen haben, Nanotechnologien zu untersuchen, die seit langem in Wildtieren eingesetzt werden. Jetzt müssen wir lernen, wie man Produkte herstellt, die die lebende Welt ergänzen und ihr nicht schaden.

Sie können in Ihren Lebensmitteln und anderen Produkten enthalten sein.

Essen ist ein Bereich, den viele Menschen bewusst für die Nanotechnologie uneinnehmbar lassen. Viele Menschen zahlen extra dafür, dass ihr Fleisch auf Almwiesen weidet und nur saubere Luft atmet. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sie bei dem Gedanken, dass sie Lebensmittel essen werden, die unter Beteiligung einiger künstlicher Mikropartikel hergestellt wurden, wütend werden. Aber bevor Sie in Aufregung geraten, werfen wir einen Blick auf die praktischen Anwendungen der Nanotechnologie in der Lebensmittelindustrie.

Verpackung und Lagerung. Nanotech-Verpackungen ermöglichen es Ihnen, Lebensmittel länger aufzubewahren, indem sie hermetisch abgedichtete Wände schaffen oder sogar schädliche Bakterien abtöten, die in Ihr Abendessen eindringen. Umschauen. Der Markt ist voll von Kühlschränken, die eine Silber-Nanopartikel-Beschichtung verwenden, die Bakterien abtötet, und auch wiederverwendbare Behälter zögern nicht, diese Technik zu verwenden.

Farbe, Geruch und Geschmack. Stellen Sie sich vor, dass Geschmack, Geruch und Farbe von Lebensmitteln auf molekularer Ebene verändert werden könnten. Auf diese Weise können Sie unglaublich gesunde Lebensmittel in einer angenehmen Hülle zubereiten (denken Sie, McDonald's-Essen wäre gesünder als Haferflocken). Skeptiker wollen allerdings gar nicht hören, dass Lebensmittel künstlich verändert werden. Aber vergeblich.

Verbesserung von Medikamenten. Nehmen wir zum Beispiel Diabetiker. Nanoröhrchen können eines Tages nur einmal injiziert werden, und Nanopartikel überwachen den Blutzuckerspiegel selbstständig und geben bei Bedarf eine Portion Insulin ab. Die Medizin hat solche Höhen zwar nicht erreicht, aber eines Tages, stellen Sie sich vor, stabilisiert nur eine Injektion den Zustand chronischer Patienten, von HIV-Infizierten bis zu Menschen mit Migräne.

Erinnern Sie sich am Ende an die wunderbaren Ihres Smartphones. Möchten Sie nicht mit ihnen kuscheln, sondern sie loswerden? Schließlich nehmen Sie mit denselben Fingern Kekse und schicken sie in Ihren Mund. Zusammen mit dem Leben. Brr.