на тему: «Прикладные нанотехнологии» (стр. 1 из 3)
ГОУ гимназия № 1505
Реферат на тему:
«Прикладные нанотехнологии»
Работа ученицы 9 класса «Б»
Королевой Насти
Руководитель: А.Л.Наумов
Москва 2010
Оглавление
· Введение
· Глава 1. Наночастицы
o Углеродные нанотрубки
o Фуллерены
· Глава 2. Применение нанотехнологий в нашей жизни
o Углеродные нанотрубки
o Фуллерены
· Заключение
· Словарь
· Сноски
· Список литературы.
Введение
“Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами.”[1] Прикладная нанотехнология рассматривает задачи и способы применения нанотехнологий для помощи человечеству. Нанотехнология появилась относительно недавно. Однако она открывает такие перспективы для человечества, что появляется необходимость широкого распространения основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.
Изучение наноструктур знаменует новый этап в развитии физики и биологии, поскольку по своему размеру они занимают промежуточное положение между молекулами и микроскопическими объектами (т. е. объектами размером порядка 1 мкм). Они содержат поддающееся счету число атомов и, следовательно, подходят для решения технологических задач на атомном уровне.
Наноструктуры ведут себя подобно хамелеонам: они достаточно большие для того, чтобы их перемещать, но при этом они обладают квантовыми свойствами, которые характерны для более мелких объектов. В целом нанообъекты характеризуются малыми размерами и сложной внутренней организаций.
Разработки в области нанотехнологии ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если примерно 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами.
С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.
Моя работа состоит из двух глав. В первой главе я рассмотрю два вида наночастиц: нанотрубки и фуллерены. Во второй главе я рассмотрю способы применения наночастиц в нашей жизни. В моей работе я акцентировала внимание на свойствах наночастиц и их применение в нашей жизни.
Глава 1. Наночастицы.
Для начала хотелось бы рассказать о способе изучения нанообъектов – сканирующей зондовой микроскопии.
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).
Исследований свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) проводят на воздухе при атмосферном давлении, вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ методики позволяют изучать как проводящие, так и не проводящие объекты. Кроме того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопией и спектральными методами.
С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Это происходит с помощью приложенного к зонду электрического напряжения, за счет которого отдельные атомы можно «выдергивать» из поверхностного слоя, переносить в другое место и, меняя полярность, снова возвращать в поверхностный слой в нужную точку. Так, учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона.
Рис.1 Название фирмы IBM, написанное 35-ю атомами ксенона.
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур, поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.
Теперь же поподробнее опишем наночастицы. Наночастицы - частицы, размерами от 1 до 100 нанометров (10-9 м). Наночастицы любого вещества могут иметь свойства, полностью отличающиеся от свойств самого вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Существует 3 вида наночастиц: трёхмерные частицы, двумерные объекты – пленки и одномерные объекты. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание монослоёв.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков).
Также возникает проблема образования агломератов, то есть проблема слипания наночастиц. Эту проблему надо решать, так как наночастицы могут помогать в производстве керамики и металлургии. Одно из возможных решений — использование веществ, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.
Вообще известно много видов наночастиц, однако более подробно я расскажу только о некоторых, таких как нанотрубки и фуллерены.
Углеродные нанотрубки.
“Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных гафитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. “[2]
Рис.2 Углеродные нанотрубки.
Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже вблизи абсолютного нуля температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок проявляется только при повышении температуры.
Рис.3 Рост углеродных нанотрубок.
Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки»).
Фуллерены.
Теперь поподробнее расскажем о фуллеренах. “Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа атомов углерода.”[3]
Рис.4 Фуллерен С60
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.