Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Конспекты / Нанотехнологии вокруг нас
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 24 мая.

Подать заявку на курс
  • Физика

Нанотехнологии вокруг нас

библиотека
материалов

Введение в нанотехнологии

Развитие человеческой цивилизации связанно с освоением новых материалов. Первые материалы, которые освоил человек – дерево и камень. Орудия труда и охоты, изготовленные из этих материалов, позволили человеку успешно выживать в диком первобытном мире. Затем человек научился выплавлять медь и бронзу. Орудия труда и охоты стали более совершенными, человек стал «хозяином» окружающего мира. Освоение железа позволило человечеству создать и развить промышленность и совершить огромный скачок в своем развитии.

Достижения электроники перевернули образ жизни современного человека. Мы уже не мыслим свое существование без компьютера, сотового телефона, телевизора и т.д. Развитие электроники произошло благодаря успешному освоению человеком нового материала – кремния.

Придумывая и развивая новые способы получения и обработки материалов, человек создавал новые технологии. Слово «технология» произошло от греческих слов «techne» – искусство, мастерство, умение и «logos» – наука.

Можно дать следующее определение: технология – это совокупность средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала в процессе производства продукции.

Для того чтобы изготовит каменный топор или компьютер, нужно владеть технологией – набором методов и средств обработки исходных материалов и получения из них конечного продукта.

Технология изменяет качество или первоначальное состояние материи в целях получения материального продукта. Задача технологии – превратить знания человека о мире и природе в продукт, необходимый и полезный для человека.

В процессе обработки материалов и производства продукции человек осваивает материалы различного геометрического размера.

Макроскопическими («macro» – большой) называют объекты, которые человек видет невооруженным глазом. В течение тысячелетий человек использовал в быту и технике макроскопические тела, состоящие из большого числа атомов, будь это каменный топор или авиалайнер. Дерево, кошка, стул и т.д. – это объекты макроскопического мира. Технологии изготовления чашки, топора, автомобиля и т.д. – это технологии макроскопического мира.

С изобретением оптического микроскопа человек открыл для себя объекты микромира.

Микроскопическими («micro» – маленький) называют объекты, размер которых лежит в диапазоне 1-100 мкм. Напомним, что приставка микро- означает одну миллионную часть чего-либо. Единица длины в 1 мкм равна 10-6 м или 0,0001 см. Биологическая клетка, эритроцит крови и т.д. – это объекты микромира. Получение электронных микросхем, генная модификация – это примеры технологий микромира.

Нанометровыми называют объекты размером от 1 до 100 нм. Приставка нано (от греч. nannos – карлик) означает одну миллиардную (10-9) долю какой-либо единицы. Например, нанометр – одна миллиардная доля метра (1 нм = 10-9 м). В качестве пояснений на приведенном ниже рисунке показаны размеры объектов природного и искусственного мира на логарифмической шкале.

Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка от 0,1 до 1 нанометра (для сравнения: человеческий волос приблизительно в 60 000 раз толще одной молекулы). На этом уровне стираются границы между такими науками, как физика, химия, биология.

Под термином «нанотехнологии» понимают создание и использование материалов, устройств и систем с характерными нанометровыми размерами. Нанотехнологии позволяют работать с объектами атомного и молекулярного масштаба.

hello_html_m6131e50e.jpg

hello_html_713c63ec.png

Иллюстрация к понятию нанометра: соотношение объектов и их размеров на логарифмической шкале

Человек всегда стремится создавать удобные для себя технические устройства. Очень часто удобство связано с уменьшением размеров того или иного устройства. Согласитесь, что плоский телевизор удобнее телевизора кубической формы. Если первые компьютеры занимали несколько комнат, то современный компьютер легко помещается в сумке или кармане одежды. Развитие современных технологий часто сопровождается процессом миниатюризации – уменьшением размеров продукта технологии.

Ученым и специалистам, работающим в области электроники, известна закономерность, обнаруженная Г.Э. Муром. Данная закономерность говорит об удвоении вычислительных возможностей микропроцессоров за счет повышения плотности чипов и уменьшения их размеров каждые два года. Этот закон оказался универсальным и уже 40 лет выполняется также в других областях «критических» технологий, таких как молекулярная биология, микромеханика, микросистемная техника. Продолжение этого закона на ближайшее будущее неизбежно приводит электронику от микроструктур к наноструктурам: транзисторы и другие элементы вскоре должны будут состоять из считанного числа атомов.

Сегодня нанотехнологии являются продолжением современных микроэлектронных, оптических, биологических и других технологий.

Применение фотонных кристаллов

По-видимому, раньше всего фотонные кристаллы получат широкое применение в качестве световодов.

Еще 30 лет назад не было сотовых телефонов, Internet и спутниковой связи. В наше время все точки Земли (и надземное пространство) связаны многочисленными каналами связи. Предсказывают, что в ближайшее время люди будут использовать небольшой по мощности и размеру карманный компьютер с гибким складным дисплеем на полимерной основе. Он будет дистанционно соединен с мощным компьютером, находящимся в другом месте и позволяющим, в свою очередь, подключаться к другим устройствам, например, телескопам коллективного пользования.

Для связи используются радиоволны различных частот, а в последние десятилетия стала быстро развиваться волоконная оптика, которая позволяет пропускать по одному волокну десятки тысяч различных потоков данных. Свет, по сравнению с электрическим током, имеет колоссальное преимущество. При передаче информации с помощью света не возбуждаются дополнительные электрические и магнитные поля (помехи), всегда сопутствующие электрическому току. В свою очередь, окружающие электромагнитные помехи (шум) не искажают оптический сигнал. Без ретрансляторов и усилителей сигнал проходит тысячи километров. Высокая частота колебаний позволяет передавать большой объем независимой информации.

Пропускная способность волокон фактически сдерживается только пропускной способностью электронных приборов на входе и выходе.

Принцип действия традиционных световодов – многократное полное внутреннее отражение света: внутренняя «жила» световода имеет больший показатель преломления, чем поверхностные слои.

В случае фотонных кристаллов передача энергии по световоду происходит по принципиально иному механизму. Световые волны не могут распространяться в поверхностных слоях световода (фотонного кристалла) за счет наличия в них запрещенной зоны. Вместе с тем, как упоминалось выше, полости или нерегулярности структуры фотонного кристалла делают его аналогом примесного полупроводника. Именно так формируются световедущие каналы внутри такого световода. Ситуация аналогична распространению электрического тока по полупроводнику с изолирующей обмоткой.

Важно, что такой механизм передачи энергии позволяет сгибать световод под любым углом, в то время как для обычного световода даже изгиб под прямым углом приводит к существенной потере энергии из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Чтобы согнуть классический световод под прямым углом, необходим радиус кривизны порядка 10 длин волн, световод на основе фотонного кристалла может быть согнут с радиусом закругления в полволны.

Для микроэлектроники этот геометрический фактор очень существенен, так как световоды в микросхемах надо многократно сгибать, укладывая их в небольшом объеме.

Применяемые волоконные световоды прозрачны только в узком диапазоне длин волн, в фотонном кристалле более широкий диапазон частот позволит увеличить поток независимой информации.

Обычно по оптическому волокну идет несколько световых сигналов (например, в телефонном кабеле), применение фотонных кристаллов позволит четко отделять нужную частоту от других, направляя каждый сигнал по разному пути.

Интерес к фотонным проводникам связан в частности с тем, что в них не выделяется тепло. Между тем тепловыделение – одно из главных препятствий на пути увеличения плотности интегральных схем и тактовой частоты.

Второй проблемой является взаимная самоиндукция, характерная для высокочастотных электронных устройств. Для потоков света эта проблема не возникает.

Эффективность передачи в уже созданных фотонных кристаллах типа «поленница» со световедущими каналами в виде нерегулярностей структуры составляет 95%; для стандартных светопередающих сред этот показатель порядка 30%.

Другой принцип создания новых световодов использует уже отработанную волоконно-оптическую технологию, в которой кварцевая легированная заготовка в виде стержня вытягивается при температуре 2000оС. В частности, в кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковывают капилляры диаметром около 1 мм, причем упаковка капилляров в поперечном сечении имеет гексагональную структуру, выгодную для фотонного кристалла. Вытяжка уменьшает все размеры в тысячи раз.

Примерная структура оптоволокон нового типа показана на рис. 6.4. Часть их имеет полую световедущую жилу в центре, в них используется тот же принцип, что для световодов на основе «поленницы». В других, со сплошной центральной световедущей жилой, механизм проводимости смешаный (частично – полное внутреннее отражение, частично – использование запрещенной фотонной зоны).

hello_html_m28c7c1c7.png

hello_html_m6f595b77.png

Рис. 6.4. Виды световодов, основанных на фотонных кристаллах [4]

Фотонно-кристаллические световоды (ФК-световоды) – перспективный элемент различных сенсоров. Оптические характеристики ФК световодов изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной.

Благодаря фотонным кристаллам открылась совершенно необычная возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для фотонов. Это область в кристалле, из которой выход фотонам запрещен из-за отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком.

Явление захвата, или пленения (confinment), излучения в фотонных кристаллах – принципиально новый эффект, который не основан на многократном поглощении и испускании фотонов. Его предполагается использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.

Вторая, уже реальная в ближайшее время область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В настоящее время только 5% энергии, выделяемой лампой накаливания, попадают в диапазон видимой части света, остальная энергия выделяется в виде ненужного и даже вредного тепла (в качестве примера взята вольфрамовую нить, позволяющая обеспечить нагрев до 2000оС). Идеальным материалом был бы фотонный кристалл, для которого инфракрасный диапазон попадает в запрещенную зону, а основная часть энергии излучается в видимой области спектра. Недавно на этом пути был предложен перспективный материал, представляющий «губку» из тугоплавкого металла (того же вольфрама), погруженного в воздух или другую диэлектрическую среду. Период этого 3D-фотонного кристалла равен 4,2 мкм при толщине элементов структуры в 1,2 мкм. Очень широкая запрещенная зона в диапазоне от 8 до 20 мкм позволила повысить эффективность лампы накаливания до 60%.

Вероятно, в ближайшее время будут использоваться сочетания традиционных полупроводниковых устройств и устройств на базе фотонных кристаллов. В будущем планируется переход на компьютеры, основанные исключительно на фотонике, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с компьютерами, основанными на электронике. Однако для построения полностью оптической системы необходимо иметь чисто оптические устройства, обеспечивающие преобразование и обработку информации. Одна из проблем – создание так называемых нелинейных оптических материалов (НОМ), позволяющих управлять светом также с помощью света (оптическая коммутация). Работы в этой области ведутся, но пока оптические коммутаторы имеют слишком большие размеры.

Фотонные полупроводники предполагается использовать для управления световыми потоками, что можно делать, изменяя положение и ширину запрещенной фотонной зоны. Например, в фотонных кристаллах-репликах с искусственных опалов полости покрыты веществом, меняющим коэффициент преломления под действием электрического или магнитного поля, что позволяет управлять положением запрещенной зоны.

Как известно, испускание света возбужденными атомами является случайным процессом, время эмиссии контролировать не удавалось, можно было говорить только о его среднем значении. В фотонном кристалле эмиссию света можно ускорять или замедлять.

В 2004 году появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 нм, вводили коллоидные частицы полупроводника селенида кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией – для минилазеров и светодиодов.

Была решена еще одна важная проблема для полупроводниковых лазеров. Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой 1D-структуру из нанометровых слоев полупроводника и излучает во все стороны параллельно плоскостям слоев. Ученым с помощью уникальной электронно-лучевой литографической установки удалось нанести на слои полупроводника гексагональную структуру фотонного кристалла. В итоге лазер излучает перпендикулярно к слоям полупроводника и ему не нужны дополнительные устройства фокусировки. Это расширяет область его применения. Заметим, что размеры нового лазера на фотонных кристаллах – порядка 50 мкм, что вдвое тоньше диаметра человеческого волоса.

Фотонные кристаллы в природе

Неоднократно случалось, что, открыв новый эффект, исследователи обнаруживают его в живой природе. Как упоминалось выше, природа сферических кластеров, формирующих опал, возможно, связана с минерализацией таких микроорганизмов, как диатомеи или радиолярии.

Австралийские ученые обнаружили причину эффекта яркого, радужно переливающегося «меха» у глубоководного морского червя «морская мышь» (genus Aphrodita) (рис. 6.5). Мех способен отражать почти со 100%-й эффективностью во всей видимой области спектра – от красного и зеленого цвета до голубого. Сканирующий электронный микроскоп показал, что ворсинки этого меха обладают 2D-периодической структурой, вероятно, с неполной запрещенной зоной. Оказалось, что радужные переливы на чешуйках и перьях ряда животных объясняются не столько цветом их пигментов, сколько их периодичной структурой фотонного кристалла. Видимо, в животном мире такие эффекты связаны с привлечением полового партнера или устрашением врага.

hello_html_m2a9df48b.jpg

hello_html_713c63ec.png

Рис. 6.5. Морской червь Genus Aphrodita (а), его радужныеиголки (б, в) и изображение поперечного сечения иголки в сканирующем электронном микроскопе (г) [3, 5].

Бельгийско-венгерская группа ученых с помощью электронной микроскопии продемонстрировала упорядоченную структуру в виде решета с отверстиями субмикронных размеров на крыльях самцов тропических бабочек (рис. 6.6).

hello_html_36d703e5.png

hello_html_713c63ec.png

Рис. 6.6. Бабочка Morpho rhetenor и детали выделенного участка ее крыла. Ниже слева – фотографии в сканирующем электронном микроскопе крыльев тропических бабочек (a, b) и бабочек из северных районов (c) [3, 5]


hello_html_caa67f7.jpg

hello_html_713c63ec.png

Рис. 6.6. Бабочка Morpho rhetenor

Оказалось, что эта структура снижает поглощение света и вредный разогрев крылышек. Эволюция тех же бабочек, живущих в более холодных климатических поясах, привела к потере красивого сине-фиолетового перелива крылышек – структура фотонного кристалла на них исчезла, и крылышки приобрели коричневый цвет. Одновременно появился дополнительный источник тепла за счет поглощения крылышками энергии солнечного света. Ученые считают, что такое влияние фотонно-кристаллической структуры на тепловой баланс поверхности можно использовать в защитных скафандрах для космоса и для работы в пустынях.

Предполагают, что удивительные переливы некоторых драгоценных восточных ковров, которые юные мастерицы ткут годами, также определяются не только цветом нитей, но и поверхностной структурой. Делаются попытки получить по этому принципу новый тип тканей.

Опал замыкает ряд драгоценных камней, нашедших применение в квантовых оптических технологиях. Первый лазер (в оптическом диапазоне длин волн) был создан в 1960 году на кристалле рубина. На основе кристаллического александрита появились перестраиваемые твердотельные лазеры. Мощные лазеры были созданы на кристаллах иттрий-алюминиевого граната. Красота драгоценных камней сочетается с их перспективностью для современной технике.


Глава 9. Нанотехнологии вокруг нас: реальность и перспективы

Предисловие

Предполагается, что в будущем нанотехнологии войдут во все сферы нашей повседневной жизни (рис. 9.1). На сегодняшний день нанотехнологии достигли наибольшего развития в электронике. Быстрое уменьшение размеров и увеличение числа функций сотовых телефонов, персональных компьютеров, плееров, переход на новые компактные носители информации – все это произошло за последние годы. Существуют, однако, и другие области применения нанотехнологий в окружающем нас мире. Ниже мы рассмотрим некоторые из них.

hello_html_1b3dea65.jpg Нанопокрытия

Запотевание автомобильных стекол, защитных очков спортсменов является проблемой и даже может привести к серьезным авариям. Обычно для ее решения применяются специальные спреи, но срок их действия ограничен. В настоящее время разработано покрытие, состоящее из полимерных слоев и наночастиц кварца. В ближайшие годы оно будет использоваться для автомобильных стекол, зеркал для ванных комнат, линз цифровых фотоаппаратов, спортивных очков и пр.

Покрытия, произведенные с помощью золь/гель-технологий и содержащие твердые наночастицы, могут сделать лобовые стекла машин устойчивыми к появлению царапин, при этом стекла останутся прозрачными, так как наночастицы настолько малы, что не рассеивают свет (рис. 9.2). Этот принцип уже используется в очках, хотя и не доведен до совершенства. Лобовые стекла с покрытием из наночастиц могут также поддерживать и контролировать микроклимат, в большей или меньшей степени отражая световые и тепловые излучения. Применение этой технологии поможет сэкономить огромное количество энергии.

hello_html_44f26262.png

hello_html_713c63ec.png

hello_html_65da69dd.png

hello_html_713c63ec.png

Рис. 9.1. Нанопокрытие для автомобильного стекла (на левом рисунке обработана левая половина лобового стекла, на правом – правая)

Немецкие специалисты разработали краску для внешней окраски домов, которая «отталкивает» грязь и влагу и надолго сохраняет свои качества. Самоочищающиеся покрытия для тканей создают фантастический эффект защиты одежды от грязи, жира, кофе и пр. Создана водонепроницаемая бумага с защитным слоем из наночастиц. На новой бумаге можно писать ручкой, карандашом или краской, в том числе под водой.

Фирма Kodak представила многослойную (9 слоев) бумагу для струйных принтеров; в каждом слое присутствует свой сорт наночастиц, обеспечивающий определенную функцию. Так, в верхнем слое керамические наночастицы обеспечивают бумаге блеск и плотность. Пигментные наночастицы улучшают качество печати, а полимерные обеспечивают быструю фиксацию краски.

Катализаторы и фильтры

Нанотехнологии позволят применять золото в новых нетрадиционных для него областях. Так, наночастицы золота на пористом материале-носителе являются хорошим катализатором в автомобилях: даже при запуске холодного двигателя они разлагают оксиды азота и моноксид углерода до безвредных веществ. Наночастицы золота могут стать катализаторами для топливных батарей.

В настоящее время испытываются свойства наночастиц золота предотвращать появление запахов. В небольших системах кондиционирования, например, в автомобилях, они могут предотвращать запахи, появляющиеся из-за присутствия в системе бактерий. В Японии наночастицы золота уже используются в туалетах.

Исключительно важными при обработке жидкостей, а также снабжении чистой питьевой водой становятся керамические мембраны с нанопорами. Такие мембраны позволят легко отфильтровывать бактерии и вирусы.

Нанотехнологии в медицине

Рассмотрим применение нанотехнологий в повседневной медицинской практике. Например, выпущены повязки для обеззараживания ран, содержащие наночастицы серебра (10-30 нм). Наночастицы убивают даже те микроорганизмы, которые малочувствительны к стандартным антисептикам. Наночастицами серебра компания Samsung покрывает некоторые модели сотовых телефонов. Покрытие этими наночастицами барабана стиральной машины обеззараживает белье при стирке.

Немецкие ученые ввели ионы серебра в одежду и постельное белье, которые рекомендуют использовать при экземе и других нарушениях кожного покрова.

Нанотехнологические методы могут применяться для создания надмолекулярных лекарственных капсул (в стадии разработки). Вводимые лекарства могут быть чрезвычайно сложными по структуре. Они будут находиться в надмолекулярных полых молекулах – транспортировочных нано-контейнерах с антенной, к которой прикреплены антитела сенсорных белков. При вступлении в контакт со структурами, принадлежащими агенту, вызвавшему заболевание – например, с внешней частью раковых клеток или бактериями, – антитела пристыковываются к ним и посылают сигнал в полую молекулу, которая открывается и выпускает содержимое. При помощи таких нанотехнологий большие дозы лекарств могут доставляться прямо в источник заболевания, не подвергая воздействию весь организм и сводя к минимуму побочные эффекты.

Подобные приемы можно использовать для доставки магнитных наночастиц к источникам раковых опухолей. Нагретые с помощью переменного электромагнитного поля, эти частицы могут уничтожить опухоль. Наночастицы способны проникнуть и через «пропускной пункт», стоящий на пути крови в мозг, поэтому могут использоваться и для борьбы с опухолью мозга. Данный метод гипотермии магнитной жидкостью был разработан рабочей группой под руководством биолога Андреаса Джордана. В настоящее время начались его клинические испытания.

Нанотехнологии в парфюмерии и пищевой промышленности

Косметика, улучшенная с помощью нанотехнологии, стала не только эффективнее, но и вошла в моду (что способствует дальнейшему развитию этой отрасли). Нанокапсулы, в которых содержатся полезные для кожи вещества, имеют размер 50-200 нм и легко проникают внутрь клеток эпидермиса. Аналогично действуют кремы против болей в суставах и мышцах, появляющихся при интенсивных занятиях спортом.

Малые размеры нанокапсул в некоторых дезинфицирующих средствах позволяют им проникать через клеточные мембраны микроорганизмов, обеспечивая высокую эффективность при отсутствии побочных эффектов для человека.

Окисление первичных спиртов до альдегидов – один из фундаментальных процессов в фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в производстве вкусовых добавок. Вкусовые добавки во многом производятся искусственным путем, например, так получают почти 95% ванили. Химики и физики из Великобритании разработали и исследовали новые экологически безопасные катализаторы для этого процесса – наночастицы, состоящие из золотого «ядра» и палладиевой оболочки.

В пищевой промышленности нанотехнология прежде всего поможет с помощью различных сенсоров контролировать качество и безопасность пищи. Наномембраны обеспечивают эффективную фильтрацию воды от примесей и микроорганизмов.

Нанотехнологии, используемые при производстве спортивных товаров

hello_html_5087bcdb.png

hello_html_713c63ec.png

Рис. 9.3. Теплоизолирующий материал Aspens Pyrogel AR5401 (температура факела газовой горелки внизу – 1000оС)

Успехи применения нанотехнологии в этой области связаны в основном с новыми материалами.

Швейцарская компания изготовила для соревнований Tour de France-2005 спортивный велосипед весом всего 1 кг. Его рама была сделана из композиционного материала на основе углеродных нанотрубок.

Одна из японских компаний производит клюшки для гольфа, которые на 12% жестче титановых и увеличивают дальность полета мяча на 13 м. Клюшки пользуются повышенным спросом. Новым утеплительным материалом для обувных стелек пользуется одна из канадских лыжных команд, выигравшая в 2004 году марафон к Северному полюсу. Материал состоит из полимера с нанопорами (на рис. 9.3 хорошо видны его теплоизолирующие свойства).

Мазь для лыж с использованием наночастиц позволяет им лучше скользить по снегу.

Одежда и обувь

С применением нанотехнологий возможно создание «умной одежды» для опасных, экстремальных условий. Особая терморегулирующая одежда охлаждает тело в жару, а при понижении внешней температуры излучает тепло. Самым легким в мире материалом считают материал из аэрогеля («абсолютный холод»), который на 99,8% состоит из воздуха. Одежда из него предназначена для работ при температуре до –80 оС. Такая «умная одежда» входит и в повседневное использование.

Английские специалисты в ближайшее время обещают появление в магазинах костюмов, отгоняющих комаров и москитов, в жаркое время создающих охлаждающий эффект за счет выделения наночастиц ментола, а также носков, содержащих абсорбенты и благоухающих цветочным ароматом. Во всех случаях в ткань внедряются увлажняющие, дезодорирующие частицы, частицы витаминов и абсорбентов, включенные в специальные капсулы. Капсулы разрушаются при движениях человека. Тем не менее, свойства одежды сохраняются после 30 стирок.

В Гонконгском политехническом университете для получения самоочищающихся тканей используют покрытие из наночастиц диоксида титана: на свету это покрытие расщепляет органические загрязнители.

Нанотехнологии в военном деле

Как показывает история, новые технологии в первую очередь привлекают специалистов-оборонщиков, которые стремятся найти им применение в военном деле. Не стали исключением и нанотехнологии. Военные рассчитывают, что созданные на основе нанотехнологий боевая техника и вооружения коренным образом изменят характер ведения боевых действий. В военных кругах прочно укоренилась точка зрения, что широкое внедрение нанотехнологий в строительство и развитие вооруженных сил позволит одержать победу в нечеловечески быстрой и разрушительной войне. Поэтому в мире уже усиленно работают над созданием новых вооружений и защиты от них, используя нанотехнологии. Одним из направлений применения нанотехнологий в военном деле является разработка так называемой «мягкой брони», которая может быть применена для изготовления экипировки солдата будущего (рис. 9.4). Такая броня сможет принять неограниченное количество пуль, в то время как современные бронежилеты после попадания определенного количества пуль приходят в негодность.

hello_html_ma641a29.png

hello_html_713c63ec.png

Рис. 9.4. Костюм солдата будущего

Для того чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным, в нем предполагается использовать решение, подсмотренное в живой природе, а именно структуру паутины. В настоящее время созданы нановолокна из полиуретана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только гибче, легче и жестче настоящей. Жесткость костюму будут обеспечивать наночастицы, присоединяющиеся к определенным участкам волокон, соединяя их между собой.

Костюм солдата будущего будет настоящим произведением технической мысли: все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер. Ряд полимерных линейных приводов (актюаторов), из которых будет состоять костюм, по сигналу от «медицинского» компьютера будет делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат сломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма. По словам конструкторов, специально сконструированные наномашины-усилители, входящие в состав экзоскелета брони, смогут увеличить силу солдата на 300%.

Костюм будет способен распознавать химическую или биологическую атаку. Для этого уже создан чип, на котором содержится около 1,5 миллиона живых клеток человеческой печени, чувствительной, как известно, к различным вирусам и ядам. Чип представляет собой две ультратонкие пластины из кремния, разделенные рядом микроканалов и расположенные специальным образом на костюме. Как только к клеткам поступят вещества, вредные для человека, они выработают определенный химический ответ, который будет интерпретирован «медицинским» компьютером, и солдат получит сообщение об опасности. Это позволит ему защититься от химической или биологической атаки раньше, чем она станет смертоносной.

В 2008 году Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, заявил, что вместе с коллегами ему удалось создать математическую модель собирания кибернетических микроустройств в стаи. Большинство частиц могут «разговаривать» только с ближайшими соседями, но, когда их много, они могут «общаться» на больших расстояниях, Собранные в одном месте тысячи роботов образуют ударную группу, готовую действовать по воле человека. По мнению американских военных, ее можно применять, например, для поражения танков противника: «облако» микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Такое «облако» может использоваться и в интересах разведки. Сценарий здесь может быть таким. Распыленное в окрестностях важного объекта «облако» незаметно перемещается в его сторону. Попутно выбираются оптимальные места для размещения «субоблачков». «Облако» видеонаблюдения, каждая «пылинка» которого представляет собой отдельный пиксель матрицы с интерфейсом связи с соседями, стремится занять лучшую позицию для большего обзора пространства. «Жучки» или, возможно, «мошки» устанавливают контроль за звуками. Самая сложная часть – передача информации в штаб разведки – в ближайшее время вряд ли сможет обойтись без засылки агента с устройством (рис. 9.5).

hello_html_1a6d194.png

hello_html_713c63ec.png

Рис. 9.5. Оружие будущих войн

Перспективным направлением применения нанотехнологии в военном деле считается создание новых материалов для боевой техники и оружия. Например, военные машины предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит менять им цвет, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины. «Краска» будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости машины или самолета.

Таким образом, на сегодняшний день основные усилия военных нанотехнологов направлены на поиск новых материалов, улучшение систем управления боевой техникой, создание самовосстанавливающихся систем, обеспечение связи и разработку защиты от бактериологического и химического оружия.


Краткое описание документа:

В данном материале содержится сведения о развитие нанотехнологии и сфера их  использования.  На сегодняшний день нанотехнологии достигли наибольшего развития в электронике. Быстрое уменьшение размеров и увеличение числа функций сотовых телефонов, персональных компьютеров, плееров, переход на новые компактные носители информации – все это произошло за последние годы. Существуют, однако, и другие области применения нанотехнологий в окружающем нас мире. Ниже мы рассмотрим некоторые из них. Дальнейшее формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности Республики Казахстан.  
Автор
Дата добавления 17.04.2014
Раздел Физика
Подраздел Конспекты
Просмотров855
Номер материала 73410041714
Получить свидетельство о публикации

Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх