Растения являются более уязвимыми для токсичных наночастиц, если их "родители" выращивались в загрязненной почве, согласно новому исследованию, опубликованному в NanoImpact. Результаты подчеркивают важность совершенствования и расширения исследований о воздействии наноматериалов на растения.
В другой работе, опубликованной в NanoImpact, ученые предупреждают, что наши знания о рисках для сельского хозяйства, связанные с использованием нанотехнологий и воздействием наноматериалов на растения, в частности, на продовольственные культуры, не являются достаточными и пришло время переосмыслить их.
Индустрия нанотехнологий продолжает расти быстрыми темпами. Она основана на использовании мельчайших частиц, размером в одну миллиардную долю метра, для самых разнообразных технологических применений - от солнцезащитного крема до батарей.
Наночастицы используются в тысячах коммерческих продуктов, и поэтому невозможно остановить их накопление в окружающей среде. Тем не менее, в отличие от многих других материалов, они могут быть очень химически активными и оказывать уникальное воздействие на здоровье и безопасность людей и окружающей среды.
Одним из важных конечных пунктов для наночастиц являются сельскохозяйственные почвы. Наночастицы переносятся в почву через орошение и внесение удобрений из очистных сооружений. Из-за этого зерновые культуры могут быть подвержены повышенному воздействию наночастиц в почве, в которой они растут.
Более того, нанотехнологии потенциально могут революционизировать сельское хозяйство таким же образом как медицину и коммуникации, поэтому исследователям необходимо понять, как они влияют не только на растения, которые выращивают в данный момент, но и на будущие поколения культур.
"Нам необходимо исследовать влияние наночастиц на рост растений в настоящее время", - сказал д-р Джейсон С. Уайт из опытной станции сельского хозяйства в Коннектикуте, США, который является одним из ученых, призывающих к проведению дополнительных исследований. - "Любая технология имеет как риски, так и выгоды, и даже в тех случаях, когда польза может быть огромной, риски должны быть тщательно изучены. Необходимы дополнительные исследования влияния наночастиц на несколько поколений растений."
Д-р Ма из Texas A & M University вместе с другими исследователями изучали влияние наночастиц оксида церия на здоровье растений и их урожайность на трех поколениях растений - впервые было сделано такое всеобъемлющее исследование. Они выращивали три поколения растений Brassica rapa в почве, загрязненной оксидом церия, и исследовали влияние наночастиц на рост и размножение растений. Их результаты показали, что такое воздействие снизило качество семян и пострадали последующие поколения растений, уменьшилась урожайность. Последующие поколения также демонстрировали больше признаков стресса, чем их "родители" в одних и тех же условиях выращивания.
"Наше исследование значительно расширило горизонты изучения взаимодействий растений с наночастицами и воздействия наночастиц на сельскохозяйственные культуры, чем большинство предыдущих исследований," сказал д-р Ма.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение.
Можно предположить, что полное устранение вредного влияния деятельности человек на окружающую среду возможно предотвратить
Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырьё.
Во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.
Проблема экологии занимала человечество с давних времён. А с ростом прогресса, соответственно, загрязнением окружающей среды, проблемы экологии становятся всё более важными. В последнее времяих всё чаще пытаются решить с помощью нанотехнологий.
Нанотехнология - это область науки и техники, которая занимается совокупностью теоретических и практических методов исследования, анализом и синтезом и методами изготовления и применения продукции, которая имеет заданную атомную структуру. Производство таких продуктов осуществляется контролируемым манипулированием отдельнымимолекулами и атомами. Применение нанотехнологий помогает значительно снизить загрязнение окружающей среды. Методы нанотехнологии применяют в самых разных областях во многих странах мира.
Однако нанотехнология - новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения. Впрочем, у любой ме-дальона всегда две стороны.Поэтому, несмотря на множество явного положитель-ного влияния нанотехнологий на жизнь современных людей, наночастицы могут наносить и вред, используясь в некоторых отраслях. Нанотехнологии в наши дни используются почти во всех сферах современной жизни. Наночастицыиспользуются, например, даже в косметике и парфюмерии. Так, наночастицы оксида титана содержатся внекоторых солнцезащитных кремах. Эти наночастицы поглощают излучение ультрафиолета с большой эффективностью, что, несомненно, делают такие кремы куда более эффективными, чем обычные. Однако впоследствии были проведены исследования, которые показали, что, например, углеродные нанотрубки оказывали губительное воздействие на крыс. Углеродные нанотрубки, попадая в лёгкие крыс, вызывали сильные нарушения, а затем разносились кровью по организму.
Главная проблема в том, что наночастицы проникают сквозь абсолютно все очистительные фильтры, которые существуют на наш день. Поэтому, так как использование нанотехнологий становится всё более активным, произойдёт и некоторая революция вэкологии. Будут создаваться специальные фильтры, задерживающие наночастицы.
Так как нанотехнологии видимо облегчают жизнь человека, то можно предположить, что, во-первых, нанотехнологии будут использовать не во всех отраслях, а только в тех, где это необходимо. И, во-вторых, вскоре негативное влияние наночастиц будет изучено и будут придуманы новые методы защиты.
Место нанотехнологий среди отраслей знаний
2.Основная часть
2.1Наноистория
Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства, в котором мы живём.
400 г до н.э. греческий философ Демокрит впервые использовал слово «атом»;
1704 год Исаак Ньютон - предположения об исследовании «тайны корпускул»;
1959 год Ричард Фейман-предположение о механическом перемещении одиночных атомов;
1974 год Норио Танигучи впервые употребил термин «нанотехнологии»;
1980 год Эрик Дрекслер использовал этот термин.
2.2Проблемы экологии.
2.2.1Проблема экологии из-за нанотехнологий.
В наше время о перспективах нанотехнологий не говорит разве что ленивый. Всякий, кто заинтересуется данной темой, моментально найдет информацию о фуллеренах и квантовых точках, о нанотрубках, которые в 60 раз прочней стали и выдерживают температуру в 2500 градусов и давление в 6000 атмосфер. О фантастических преимуществах продуктов наноиндустрии написаны десятки аналитических статей. О непредсказуемых опасностях тоже. В силу своих размеров и уникальных свойств наночастицы в выпускаемых продуктах требуют тщательного изучения - могут ли они попадать в тело человека, и если да, то как долго они будут там оставаться. Кроме того, необходимо исследование поведения и перемещений наночастиц в окружающей среде и, самое главное, повлияют ли эти материалы на здоровье человека и состояние природы.
Другой проблемой является исследование поведения наночастиц в воде. На данный момент этот вопрос разработан слабо. Вопрос сложен тем, что необходимы комплексные исследования по поводу способности каждого из видов грунтов или искусственных фильтров задерживать те или иные наночастицы. Данным вопросом занимаются в настоящее время ученые из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Ими проводилась серия опытов, в ходе которых через колбы, заполненные песком, грунтом, микрогранулами стекла и иными материалами пропускалась вода, содержащая фуллерены. Выяснилось, что песок задерживает до 80% наночастиц, однако ученые также пришли к выводу, что на фильтрацию влияет состав воды. Наличие в воде гуминовой кислоты или поверхностно-активных веществ позволит наночастицам свободно проходить через песок.
В целом картина, складывающаяся на основании анализа данных проведенных исследований позволяет придти к выводу, что нанотехнологии не настолько вредны, как можно было бы предположить: наночастицы не отравляют землю и воду, а попадание их в организм не фатально и может быть ограничено системами фильтрации. История экологических и социальных проблем нанотехнологий не нова - подобные идеи возникали ещё и несколько сотен лет назад.
Не стоит, безусловно считать будущее технологии радужным и безобрачным. Правильное понимание нанопроцессов и побочных эффектов, создание систем фильтрации нового поколения, ограничение недобросовестных производителей и террористов - лишь некоторые пункты из списка задач, которые нам предстоит решать. Однако нам следует понимать, что выгоды от применения нанотехнологий будут перевешивать возможные трудности на пути их внедрения.
Ученые из университета Пердью (Purdue University) в США пришли к выводу, что наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виду почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Напомним нашим читателям, что фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показывают, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.
Еще одной глобальной проблемой может стать наличие наночастиц в атмосфере. По мнению американских ученых эти частицы, отражая солнечные лучи, способны изменить климат на планете, спровоцировав очередной ледниковый период. Уже сейчас есть сведения об их значительном влиянии на метеоусловия, причем не всегда положительные.Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств. Картина мира, в котором, чтобы не умереть от рака легких в 30 лет нужно дышать через фильтр, изображенная Стивеном Кингом в «Бегущем человеке» становится не такой уж фантастикой.
2.2.2Проблема экологии из-за человека.
Последствия проблем экологии из-за человека
Глобальное потепление
Одной из важнейших экологических проблем выступает длительный рост средней температуры атмосферы нашей планеты. За период 1960-2000 гг. эта величина возросла примерно на 0,5, причем этот рост приобрел особо устойчивый характер в 80-е годы прошлого столетия. Ученые уверены, что основной причиной такого повышения является все возрастающее количество сжигаемого топлива (каменного угля, нефти и т.п.), промышленными установками, автомобилями и т.д. Именно продукты горения (двуокись углерода, метан и т.п.) и их взаимодействие с солнечным излучением являются основными факторами роста температуры атмосфера (парниковый эффект).
Поэтому уже давно основной проблемой экологии стало снижения уровня потребления, так называемого ископаемого топлива (нефти и угля), что должно уменьшить и объем выбрасываемой в атмосферу окиси углерода и других продуктов горения. Поэтому поиск альтернативных источников энергии и разработка эффективных методов сохранения и передачи энергии (например, создание солнечных батарей и топливных элементов нового типа) стали важной научно - технической задачей. В самое последнее время выяснилось, что применение углеродных нанотрубок может привести к значительному повышению коэффициента полезного действия существующих преобразователей солнечной энергии. Кроме этого, было обнаружено, что углеродные нанотрубки могут весьма эффективно адсорбировать большие количества водорода, что сразу активизировало разнообразные исследования, относящиеся к разработке топливных элементов, батарей и т.п.
Уничтожение озонового слоя.
Другой важной экологической проблемой является сохранение озонового слоя атмосферы, который расположен примерно на высоте 20 километров и играет исключительно важную роль в защите поверхности планеты от ультрафиолетового излучения Солнца. Известно, что в последние годы озоновый слой разрушается под воздействием многих химических реагентов, используемых в быту и промышленности. Основную роль в процессах разрушения озонового слоя играют фреоны, которые являются не «природными», а искусственными продуктами и производятся химической промышленностью для различных целей (аэрозоли, хладагенты, установки кондиционирования воздуха и т.д.).
Уменьшение озонового слоя на 1% сразу приводит к повышению частоты заболевания раком кожи на 3-6% и лейкемией - на 1%. Уменьшение озонового слоя на 10% имело бы катастрофические последствия, так как, в соответствии с некоторыми прогнозами, число страдающих раком кожи возросло бы сразу на 20%, а число болеющих лейкемией - на 1,6-1,7 миллиона человек. Вот уже около 10 лет наблюдается заметное разрушение озонового слоя, что ученые связывают с нарастающим выбросом в атмосферу различных фреоновых соединений. Наилучшим решением проблемы стало бы, конечно, полное запрещение использования фреонов, однако это является нереальным, и в наше время интенсивно ведется поиск веществ, которые могли бы заменить фреоны в различных применениях. Нанотехнологии могут дать достаточно эффективные методы решения этой задачи.
Кислотные дожди
Очень серьезной экологической проблемой для многих стран (и особенно, для Японии) являются так называемые кислотные дожди (т. Е. дожди, при которых вместе с водой выпадают серная и соляная кислота). Причиной возникновения таких дождей стало то, что в атмосферу попадает большое количество отходов промышленного производства выхлопных газов автомобилей. Такие отходы могут образовывать в дождевых облаках разнообразные окиси серы и азота (), вступающие в реакцию с водными парами, в результате чего вместо дождя выпадает слабый раствор кислот.
Для Японии такие кислотные дожди стали проблемой, начиная с конца 90-х годов. По статистике, относящейся к центральным областям Японии, в этот период резко возросло число заболеваний органов дыхания, хотя необходимо отметить, что еще в 1974 году в области Тохоку при кислотных дождях было зафиксировано дополнительно около 30 тысяч пациентов, жаловавшихся на расстройства зрения и заболевания кожи.
Наиболее радикальным средством борьбы с кислотными дождями стал бы переход к новым источника энергии, не связанным со сжиганием нефти, угля и т.п. Нанотехнологии открывают широкие перспективы для повышения коэффициента полезного действия.
2.2.3Решение экологических проблем с помощью нанотехнологий.
Зеленые нанотехнологии.
Нанотехнологии способны изменить производственные процессы двумя способами. Во-первых, за счет быстрого сокращения отходов производства и повышения его эффективности. Во-вторых, за счет использования наноматериалов в качестве катализаторов, которые повысят эффективность производственных процессов и позволят избавиться от токсичных и грязных материалов, а также конечных продуктов.
«Зеленые» нанотехнологии - это технологии, в которых используются безопасные для окружающей среды химические и технологические процессы. В идеале «зеленые» нанотехнологии должны улучшить производственные процессы, предъявляемые к материалам требования, химические процедуры, а также заменить текущие небезопасные вещества и процессы. Это позволит сократить расходы энергии и материалов.
Значение «зеленой» химии и «зеленых» технологий было оценено по достоинству в 2005 г., когда Нобелевскую премию по химии «За вклад в развитие метода метатезиса в органическом синтезе» вручили Роберту Граббсу (Robert Grubbs) из Калифорнийского технологического института (США), Ричарду Шроку (Richard Schrock) из Массачусетского технологического института (США) и Иву Шовену (Yves Chauvin) из Института нефти (Франция). Метатезис означает такое «переключение» пары химических связей, при котором возникает перегруппировка атомов, то есть изменяется углеродный скелет одной или двух молекул.
«ЗЕЛЁНЫЕ» РЕШЕНИЯ ДЛЯ ГОРОДОВ БУДУЩЕГО
Не существует никаких международных правил «зелёного» строительства. Каждый решает проблему экономии ресурсов и сокращения выбросов парниковых газов по-своему. Журнал National Geographic подобрал десять ярких тому примеров.(3 примера ниже) :
1)Сингапур.
В Сингапуре существуют уникальные Сады у залива, охватившие 1 млн м². Комплекс создан не только для красоты и отдохновения, но и для обуздания эффекта локального перегрева.
Центральное место отведено стеклянному атриуму, где находится около 220 тыс. видов растительности (80% растительных видов мира, по уверениям Национального паркового совета Сингапура).
За его пределами раскинулась роща из 18 «супердеревьев» — вертикальных садов до 50 м в высоту, которые собирают дождевую воду, фильтруют выхлопные газы и перерабатывают солнечную энергию, освещая себя по ночам.
Эффект локального перегрева возникает в городах из-за того, что тротуар, асфальт и бетон поглощают тепло. По оценке Управления по охране окружающей среды США, среднегодовая температура в миллионнике примерно на 3 ˚С выше, чем в соседних сельских районах. Своего пика эффект достигает в самые жаркие дни лета из-за повального использования кондиционеров.
Значение растительности в зонах урбанизации выходит за рамки охлаждения и тени. Городские насаждения помогают улучшить качество воздуха и воды благодаря природным механизмам фильтрации. Например, недавнее исследование показало, что травы, плющи и другие растения (не только деревья) способны снизить содержание диоксида азота и твёрдых частиц в воздухе на целых 40 и 60% соответственно.
2) Нью-Йорк
«Научная баржа», которую можно встретить на реке Гудзон в Нью-Йорке, представляет собой школьный класс и теплицу. Питаемая солнечной энергией, ветром и биотопливом баржа, построенная в 2007 году, может похвастаться нулевым выбросом парниковых газов.Овощи выращивают методом гидропоники, растения получают все необходимые питательные вещества из воды: хорошую почву (и почву вообще) найти в городских условиях нелегко. Для полива используется дождевая вода и очищенная речная, пестициды запрещены. Компания New York Sun Works придумала баржу как прототип самодостаточного садика, который можно разбить на крыше здания.
Первая экологическая деревня Великобритании появилась в Лондоне в 2002 году. Комплекс BedZED состоит из сотен домов и офисных посещений. Сады на крыше, вторичные строительные материалы, эффективная теплоизоляция, ускоренная переработка отходов, очень маленькое расстояние между домом и работой — всё это позволило вдвое снизить углеродный след поселения по сравнению с обычным городом.
Международный совет по нанотехнологиям
В 2004 г. энтузиастами была учреждена международная организация - Международный совет по нанотехнологиям (International Council on Nanotechnology - ICON), - которая собирает и распространяет всю доступную информацию о нанотехнологиях. Члены этой организации пытаются оценивать преимущества и недостатки нанотехнологий (например риски для окружающей среды) и распространяют информацию об этом.
2.2.4 Химическое нанотехноэкологическое решение проблемы.
Самоочищающиеся поверхность
Такую поверхность называют нанотравой, она представляет собой множество параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии друг от друга.
Самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса».
Применение:
Самоочищающиеся поверхности и покрытия
Молекулярные соединения аллотропных форм углерода.
Молекулярные соединения аллотропных форм углерода в виде замкнутых многогранников. Молекула фуллерена состоит из 60 атомов углерода. Диаметр С60 составляет около 1 нм.
Применение:
Огнезащитные краски;
Искусственные алмазы;
Новые лекарства;
Аккумуляторы.
Оксид титана
Оксид титана имеет сильную каталитическую активность. В присутствии ультрафиолетового излучения расщепляет молекулы воды на свободные радикалы.
Применение:
Очистка воды, воздуха, различных поверхностей от органических соединений;
Самоочищающиеся стекла
3.Заключение.
У меня возникла такая идея, как построить очистительные сооружения которые будут очищать воздух во всём мире.
К примеру приведу здания которые будут построены в центре, рядом с загрязнителями и на окраинах городов, в которых будут установлены специальные конденсаторы и будут выращиваться большое количество растений, которые будут очищать воздух.
Очистительное сооружение
Генератор очистительного сооружения
Примитивный пример генератора и процесс:
Описание работы генератора в очистительном сооружении.
При включении постоянного тока в воде происходит реакция:
Распределение сооружений очистки
Вполне возможно, что некоторые новые материалы могут представлять риск для изготовителей и потребителей, а также для общества и окружающей среды. Поэтому ученые стремятся максимально тщательно и всесторонне изучить потенциальный риск, связанный с новыми нанотехнологиями, чтобы гарантировать безопасность их применения.
Развитие нанотехнологий продолжается и вполне возможно, что человечество действительно решит глобальные проблемы с их помощью.
Список использованных источников и литературы.
https://www.nps.gov/index.htm National Park Service
http://korrespondent.ru
http://ria.ru/science/20081203/156376525.html#ixzz2orCoTJVk
НАНО? Это просто!//РУСНАНО [Электронный ресурс]. - Электрон. журн. - 2012. - Режим доступа:http://popular.rusnano.com/
Крутько В. Н. Проблема оценки рисков нанотехнологий: методологические аспекты / В. Н. Крутько, Е. В. Пуцилло, А. Я. Чижов // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экология и безопасность жизне-деятельности. - 2014. - № 4. - С. 55-61. - Библиогр.: 5 назв.
Дугин Г. С. Нанотехнология и ее возможное негативное влияние на окружающую среду / Г.С. Дугин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2009. - № 5. - С. 33-37. - Библиогр.: 7 назв.
Галченко Ю. П. Техногенные наночастицы как непериодический фактор окружающей среды / Ю. П. Галченко //Экол. системы и приборы. - 2014. - № 1. - С. 18-22. - Библиогр.: 5 назв.
Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П.Аливисатоса. М., 2012.
Ибрагимов И. М. Применение нанотехнологии для защиты окружающей среды / И. М. Ибрагимов, Е. А. Перфилова //Изв. Акад. пром. экологии. - 2015. - № 3. - С. 76.
В перспективе нанотехнология может сыграть значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Речь идет, в первую очередь, об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, о создании новых "чистых" технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также о переработке мусора на свалках и очистке загрязненных водоемов. В дальнейшем предполагается осуществление непрерывного контроля и обработки обширных участков окружающей среды с целью их очистки от очень мелких частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воде (размер < 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).
Необходимо также учитывать, что наноструктурные материалы могут сами вызывать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Загрязнение может быть связано как с существующей техникой (например, наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей), так и с новыми веществами или технологическими процессами. Во многих случаях нанотехнологии
представляют собой новые производственные процессы, и их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть тщательно оценена.
Сложные физико-химические процессы с участием наноструктур играют существенную роль во многих явлениях, определяющих изоляцию, высвобождение, подвижность и биологическую доступность различных веществ (полезных и вредных) в окружающей среде. Микропроцессы, происходящие на границах раздела природных физических и биологических систем, определяют разные проблемы медицины и биологии. Изучение динамики процессов, специфичных для наноструктур в природных системах, позволит не только понять механизмы переноса и биологического усвоения веществ, но и использовать для улучшения экологической обстановки.
В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ, однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях (например, при использовании кварцевых и асбестовых волокон) было обнаружено вредное воздействие наночастиц, в других — потенциальные опасности кажутся незначительными. Кроме того, следует учитывать, что аэрозоли из наноразмерных частиц постоянно участвуют в разнообразных атмосферных физико-химических процессах.
Нанотехнологии
уже оказали значительное влияние на многие производства, связанные с окружающей средой и энергетикой. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.
Сокращение отходов производства и повышение энергетического к.п.д.
Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов во многих случаях позволило резко повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля или ксерогеля V205) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость, срок службы и скорость зарядки/разряда.
Экологически безопасные композитные материалы
Совместимость композиционных материалов с наномасштабными инородными включениями открывает возможность производить высококачественные материалы специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, малым воздействием на окружающую среду. На их базе можно производить легкие и небольшие конструкции и устройства, характеризующиеся низким энергопотреблением. Композиционные наноматериалы отличаются большим структурным разнообразием и могут быть как очень простыми (сталь с включениями из оксидов или нитридов), так и очень сложными (гетерогенные композиты, обладающие заранее заданной, высокофункциональной структурой).
Переработка отходов
Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТЮг до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТЮг, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая опасные органические соединения, клетки, вирусы и ядовитые химикаты. Наноразмерные частицы, после соответствующей химической обработки их поверхности (образования производных соединений) лигандами или реагентами, могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов или пассивировать загрязненные поверхности. Кроме того, предполагается, что нанотехнологии
позволят так организовать химические производственные процессы, что в ходе их будет образовываться меньше отходов. В химии поверхностных явлений проводится изучение материалов со специально сконструированными наноструктурными поверхностями, которые обеспечат проведение требуемых реакций с образованием минимального количества отходов.
Преобразование энергии
Процессы, связанные с получением энергии (включая как непосредственное производство электрической энергии, так и добычу топлива, подлежащего транспортировке), наносят непоправимый вред окружающей среде. Наносистемы могут составить основу энергетических производств на возобновляемых источниках энергии, при функционировании которых образуется гораздо меньше вредных отходов. Примером может служить упомянутое выше использование наноразмерных или мезоразмерных материалов в электродах аккумуляторов или топливных элементах для транспортных средств.
Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров.
Альманах "Понимая Нанотехнологию"Understanding Nanotechnology отмечает, что несмотря на то, что термин "нанотехнология" стал весьма популярным в последние годы, даже люди, выступавшие в поддержку развития этой отрасли науки и техники, часто весьма приблизительно представляют о чем идет речь. Показательно, что в академическом словаре американского английского Webster Dictionary выпуска 1966 года слово "нанотехнология" не значится, несмотря на то, что исследования в наносфере к тому времени проводились достаточно давно.
США впервые выделили значительные бюджетные средства на развитие нанотехнологий при президенте Билле КлинтонеBill Clinton. В анонсирующей этот факт речи (была произнесена в 2000 году) Клинтон объяснил, что нанотехнологии позволяют создать из куска вещества, размером с кусочек сахара, материал, который в десять раз крепче стали. Это определение ныне воспринимается, как вульгарное и донельзя примитивное, однако нет гарантии, что и нынешние определения нанотехнологии в обозримом будущем не устареют и не будут выглядеть кошмарным анахронизмом. Вероятно наибольшие шансы на выживание имеет определение, данное Ритой КолвеллRita Colwell, директором Национального Фонда Науки СШАNational Science Foundation: "Нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в иной мир".
Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают $9 млрд. в год. На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.
Нанотехнологии принято делить на три типа. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике - пример "инкрементных" нанотехнологий. "Эволюционные" нанотехнологии представлены наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии. "Радикальные" нанотехнологии пока что не встречаются, их можно увидеть только в фантастических триллерах. Стоит также ожидать сближения этих трех технологий.
Однако переход от производства в лаборатории к массовому производству чреват значительными проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. В настоящее время, наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. В 2002 году на Кубке ДэвисаDavis Cup были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий.
В общей сложности американская промышленность и индустрия других развитых стран сейчас применяют нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $464 млн. в 2001 году до $1 млрд. в 2005-м. По данным Исследовательской Службы Конгресса СШАCongressional Research Service, в 2006 году США планируют выделить на эти цели $1.1 млрд. Еще $2 млрд. в 2005 году потратили на те же цели американские корпорации (нанолаборатории создали такие гиганты бизнеса, как HP, NEC и IBM, университеты и власти отдельных штатов).
Безоблачное нанозавтра
В последние годы опубликовано множество оптимистических прогнозов о способах применения нанотехнологий. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в микроэлектронике, оптоэлектронике и медицине. Поэтому нанотехнологии обладают поистине гигантским потенциалом.
Известный ученый Джей Сторрс ХоллJ. Storrs Hall, автор научно-популярной книги "Нанобудущее"Nanofuture: What"s Next For Nanotechnology, утверждает, что нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего - электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.
Физик Тед СэрджентTed Sargent, автор книги "Танец Молекул"The Dance of Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives, пишет, что существует проект создания наносистемы для введения медикаментов, изменяющих определенные биологические функции внутри живых организмов, к примеру, для развития или укрепления иммунитета против конкретных болезнетворных организмов. Рэй КурцвейлRay Kurzweil, автор книги "Фантастическое Путешествие"Fantatic Voyage: Live Long Enough to Live Ever, прогнозирует, что возможно создание нанороботов-врачей, которые способны "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение.
Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.
Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Джош ВолфеJosh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете."
Краткая наноистория
Историк науки Ричард БукерRichard D. Booker отмечает, что историю нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам - во-первых, "размытости" самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются "технологиями" в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом.
Чарльз ПулCharles P. Poole, автор книги "Введение в Нанотехнологию"Introduction to Nanotechnology, приводит показательный пример: в Британском Музее хранится, так называемый "Кубок Ликурга" (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами - он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет - от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году Ирландский химик Роберт БойлRobert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из "корпускулов" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.
Вероятно впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем ИстмэномGeorge Eastmen (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1968 год. Альфред ЧоAlfred Cho и Джон АртурJohn Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает "гном", им обозначают биллионные части целого.
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
1985 год. Американские физики Роберт КерлRobert Curl, Хэрольд КротоHarold Kroto и Ричард СмэйлиRichard Smalley создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик ДрекслерEric Dreхsler опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 год. Дональд ЭйглерDonald Eigler, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1993 год. В США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда ФейнаманаRichard P. Feynman, который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики - ныне это одна из областей нанонауки.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс ТурJames Tour и Марк РидMark Reed определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области НанотехнологииNational Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 - Марк РатнерMark A. Ratner, автор книги "Нанотехнологии: Введение в Новую Большую Идею"Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".
Призрачная угроза
История неопровержимо свидетельствует о том, что едва ли все полезные изобретения и научно-технические разработки не только способствуют развитию экономики, но также ставят человечество перед новыми и подчас труднопредсказуемыми опасностями.
В 2004 году банк Credit Suisse First Boston опубликовал аналитический доклад о будущем нанотехнологий. В нем утверждается, что нанотехнология является классической "технологией общего назначения". Другие технологии общего назначения - паровые двигатели, электричество и железные дороги - становились основой для промышленных революций. Нововведения такого рода обычно начинают свое развитие, как очень грубые технологии с ограниченными вариантами использования, но затем быстро распространяется на другие сферы жизни. Это приводит к началу "процесса креативной деструкции" (процесс, в котором новая технология или продукт предоставляют новые возможности и лучшие решения, результатом чего является полная замена предшествующей технологии или продукта. Так электричество заменило пар, а электронная почта - телеграф). В ближайшем будущем креативная деструкция не только будет продолжаться, но и ускорится, и нанотехнология будет ее ядром. Вывод: "Большинство компаний, котирующихся в нынешнем индексе промышленных предприятий Dow Jones Industrial скорее всего через двадцать лет не будут там находиться".
Эрик ДрекслерEric Drexler, создатель и глава исследовательсеого Foresight Institute, автор книги "Механизмы Творения"Engines of Creation, подчеркивает, что сегодня покупатель промышленного продукта платит за его проектирование, материалы, труд рабочих, стоимость производства, транспортировку, хранение и организацию продаж. Если нанофабрики смогут производить большой диапазон продукции в любое время и в любом месте, большая часть этих операций сделается ненужными. Поэтому неизвестно, как нанопроизводство повлияет на цены и на уровень безработцы. Гибкость нанотехнологического производства и возможность выпуска радикально лучшей продукции предполагает, что обычные товары не смогут конкурировать с продукцией нанофабрик во многих областях. Если технология нанофабрик будет принадлежать или контролироваться какой-либо одной организацией, это может привести к "новой монополизации".
Исследовательский Центр За Ответственность в Сфере НанотехнологииCenter for Responsible Nanotechnology предсказывает, что по нынешним стандартам, продукты нанотехнологий будут исключительно ценными. Монополия позволит владельцам технологии установить высокие цены на всю продукцию для получения большой прибыли. Однако, это означает, что миллионы нуждающихся людей не получат доступ к жизненно необходимым дешевым технологиям. Со временем конкуренция снизит цены, но на раннем этапе появление монополии весьма вероятно. Тем более, что "бедные" страны мира не обладают возможностями для финансирований наноисследований. Также маловероятно, что нерегулируемому коммерческому рынку нанотехнологий будет позволено существовать.
Есть и иные аспекты проблемы. Террористы и криминалитет, получившие доступ к нанотехнологиям, могут нанести обществу существенный урон. Химическое и биологическое оружие будет более опасным, а скрыть его будет значительно проще. Станет возможным создание новых типов оружия для убийства на расстоянии, которые будет очень тяжело обнаружить или нейтрализовать. Поимка преступника после совершения им подобного преступления также усложнится. С другой стороны, новые возможности приобретет государство. Теоретически возможно создать очень маленькие недорогие суперкомпьютеры, на которых могут быть запущены незаметные программы постоянного наблюдения за населением. Огромное количество устройств наблюдения может быть изготовлено при достаточно скромных затратах. При возможности построить миллиарды сложных устройств по общей цене в несколько долларов, любая автоматизированная технология, которая может быть применена к одному человеку, может быть применена и ко всем. Любой сценарий физического или психологического контроля, использующий предельные возможности нанотехнологии будет выглядеть научно-фантастическим и неправдоподобным.
Новые вещи и изменения в привычном укладе жизни могут привести к расшатыванию основ общества. Например, медицинские устройства, которые позволят относительно легко модифицировать структуру мозга или осуществлять стимуляцию определенных его отделов для получения эффектов, имитирующих любые формы психической активности, могут стать основой "нанотехнологической наркомании".
Нанотехнологии имеют и блестящее военное будущее. Ныне военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия "невидимости", энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета или изменять ее цвет), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. Еще в 1995 году Дэвид ДжеримайяDavid E. Jeremiah, бывший член Объединенного Комитета Начальников ШтабовJoint Chiefs if Staff заявил: "Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, в большей степени, чем даже ядерное оружие".
Возможно представить устройство размером с мельчайшее насекомое (около 200 микрон), способное находить незащищенных людей и впрыскивать им яды. Летальная доза токсина ботулизма составляет 100 нанограмм или около 1/100 объема всего устройства. 50 миллиардов единиц подобного оружия - количество, достаточное чтобы убить каждого человека на Земле - может храниться в чемодане. Огнестрельное оружие станет намного более мощным - а пули самонаводящимися. Аэрокосмическая техника может быть намного легче и лучше, изготовляться с минимумом или вообще без металла, из-за чего обнаруживать ее с помощью радаров окажется намного сложнее. Встроенные компьютеры позволят активировать на расстоянии любой вид оружия, а более компактные источники энергии позволят сильно улучшить возможности боевых роботов.
Аналитик Том МаккартиTom McCarthy, автор статьи "Молекулярная Нанотехнология и Мировая Система"Molecular Nanotechnology and the World System, утверждает, что нанотехнологии будут способствовать снижению уровня экономического влияния отдельных государств. В ходе военных действий, армии будут предпочитать уничтожать людей, а не военную технику или промышленные предприятия. Нанотехнологии позволят организовать промышленное производство даже в регионах, где нет минеральных ресурсов. Они сделают небольшие группы вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государств.
Оценка риска
США и другие страны пытаются оценить риск применения и совершенствования нанотехнологий. Однако в США ассигнования на анализ потенциальных угроз применения наноматериалов пока что очень невелики.
Согласно подсчетам экспертов организации Project on Emerging Nanotechnologies, их общий объем составляет всего лишь $39 млн. - то есть, лишь 4% всех ассигнований на нанотехнологии, идущих из федерального казначейства. Количество проектов, на которые отпускаются эти средства, также довольно скромно - примерно 160.
На слушаниях в Комитете по Науке Палаты Представителей Конгресса СШАHouse Science Committee представители экологических движений и промышленных корпораций в один голос заявили, что расходы на выяснение экологических и медицинских аспектов применения наноматериалов должны составлять от 10-ти до 20-ти процентов всех государственных затрат на нанотехнологии.
Подобное положение дел уже стало причиной множества тревожных предупреждений со стороны специалистов. Наночастицы легко проникают в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. Сейчас уже не подлежит сомнению, что некоторые нанообъекты могут оказывать токсичное действие на клетки различных тканей. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считают одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего.
Ситуация осложняется тем, что многие наноструктуры производятся не одним, а несколькими способами. Это обстоятельство увеличивает ассортимент рисков, с которыми могут сталкиваться или уже сталкиваются работники нанотехнологической индустрии. С другой стороны, оно дает основание предположить, что внешне одни и те же нанопродукты, изготовленные на основе различных технологий, будут оказывать неодинаковое воздействие на человека и его среду обитания.
В декабре 2004 года Совет по Научной ПолитикеScience Policy Council Агентства по Охране Окружающей Среды СШАEnvironment Protection Agency создал рабочую группу экспертов, вменив ей в обязанность подготовку Белой Книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ровно через год черновой вариант этого документа был опубликован.
Авторы проекта Белой Книги начинают с дефиниции объекта своего анализа. Они определяют нанотехнологии как "исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале дистанций". Это определение достаточно широко, чтобы включить не только уже существующие материалы и изделия, но и те системы, которые появятся лишь через десять-двадцать лет.
Однако до настоящего времени сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются довольно скудными. Авторы проекта Белой Книги подчеркивают необходимость как можно скорее заполнить эти информационные пробелы. Они подчеркивают, что серьезное изучение поведения наночастиц в окружающей среде началось лишь недавно. Известно, например, что наночастицы способны накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, однако у науки пока что не хватает данных для точного моделирования таких процессов. Наночастицы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы пока что не слишком хорошо изучены. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, нежели более крупные объекты того же состава, и поэтому способны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам.
Еще одна мало исследованная область - последствия контактов наночастиц с живыми клетками и тканями. Не подлежит сомнению, что многие наноматериалы обладают токсичным действием. Например, вдыхание наночастиц полистирола не только вызывает воспаление легочной ткани, но также провоцирует тромбоз кровеносных сосудов. Есть сведения, что углеродные наночастицы могут вызывать расстройства сердечной деятельности и подавлять активность иммунной системы. Опыты на аквариумных рыбах и собаках показали, что фуллерены, многоатомные шаровидные молекулы углерода поперечником в несколько нанометров, могут разрушать ткани мозга. Проникновение наночастиц в биосферу чревато многими последствиями, прогнозировать которые пока не представляется возможным из-за недостатка информации.
Составители Белой Книги настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с наночастичным загрязнением среды обитания. В частности, необходимо выяснить, какими путями осуществляется биодеградация наночастиц и как она влияет на экологические цепи в живой природе.
К схожим выводам пришел и Клэренс ДэвисJ. Clarens Davies, научный сотрудник исследовательского Центра имени Вудро ВильсонаWoodrow Wilson Center, автор доклада "Управляя Эффектом Нанотехнологий"Managing the Effect of Nanotechnology. Он отмечает, что нанотехнологии являются "новой реальностью", которая пока не поддается государственному регулированию. Крайне сложно использовать для этой цели действующие законы. Поэтому необходимо срочно создавать принципиально новое законодательство, новые механизмы и институты регулирования (в том числе и международные) - иначе джинн может вырваться из бутылки и последствия этого могут быть самыми неприятными.
В наше безумное время, когда человека отовсюду окружают современные технологии, когда с каждым днем всё больше совершенствуются технологии, а мы не успеваем следить за их новинками, вообще не представляем жизнь без них, стало появляться новое, часто звучащее на слуху, направление «нанотехнология». Что же такое нанотехнология? Чтобы в этом разобраться я провел небольшой опрос среди знакомых и друзей, что же они знают о нанотехнологиях:
25% ответили, что не знают;
65% ответили, что их применяют в компьютерах;
10% - что в военной промышленности.
Цель моей работы рассказать, что могут дать нанотехнологии людям и конкретно: как они могут быть использованы в моей будущей профессий. Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь на абсолютно новый уровень.
Так что же такое нанотехнологии? Разберем само слово «нано» - это переход от микро к нано, «нано - это наименьшая часть микро», или 1нм = 10-9 м.
В наше время мы уже давно сталкиваемся с нанотехнологиями. Возьмем первый компьютер, который занимал целый спортзал, или современный сотовый телефон и сравним их возможности, так же уже давно знакомые нам CD диски производятся с применением нанотехнологий.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. В настоящее время нанотехнологии развиваются в разных направлениях.
Медицина. Создаются и уже созданы «молекулярные роботы-врачи», которые внедряются вовнутрь человека, устраняют или предотвращают как бы из нутрии, возникающие заболевания. Так же это позволит доносить организму те вещества, которые ему надо, они смогут восстанавливать поврежденные ткани.
Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Сельское хозяйство. Мы сможем заменять природных производителей пищи (растения, животных) аналогичными компонентами из молекул роботов, они будут воспроизводить те же химические процессы, что в нашем организме
Биология. Уже стало возможно внедрять в живые организмы наноэлементы, что позволит восстанавливать вымершие виды животных, даже создавать новые.
Экология. Внедрение нанотехнологий позволит устранить вредное влияние деятельности человека на окружающую среду. Это возможно с помощью роботов санитаров, которые превращают отходы в исходное сырье, что позволит перейти на безотходное производство.
Космос. Нанотехнологии позволят быстрому и лучшему освоению космоса. С помощью нанотехнологий станет возможным создать огромную армию нанороботов, и они смогут подготовить ближайшие планеты к проживанию на них людей.
Кибернетика. Уже происходит переход рабочей системы микросхем к уменьшению в размерах до величины белковой молекулы, что позволит увеличить в себе объем памяти от байта к терабайтам.
Основные этапы в развитии нанотехнологии.
Что такое нанотехногии мы уже разобрались. Давайте же узнаем, как давно они существуют. Рассмотрим основные этапы развития нанотехнологий.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей лекции «Полно игрушек на полу комнаты» высказал мысль, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной
Инициативы в Области нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. СМИ назвали нанотехнологии "прорывом года" (Science) и "новой многообещающей идеей" (Forbes).
Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".
Электронные элементы на основе нанотехнологий
Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли новые типы транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов.
Так же было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность.
Электроника на нанотрубках.
Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.
Квантовая электроника.
Так же удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Создан миниатюрный механический выключатель, подобный тем,
7 которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случае размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.
Солнечные батареи.
Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.
Батарейки и аккумуляторы.
Создана батарея, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора в 600 миллиампер-часов заполняется через несколько минут.
Технологическое машиностроение (на примере автомобильной промышленности).
Нанотехнологии открыли целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован.
Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния
В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.
Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.
В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.
Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем: при попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные ионы. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO ), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.
Кроме покрытий для стёкол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности. Так же созданы самоочищающихся покрытия на основе нанопорошков, прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологий. Новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак
По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.
Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает экологическим требованиям.
В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигатели, трансмиссия.
При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Его использование позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза; на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер; за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой снижаются вибрации и шум.
В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.
Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля: с помощью нанотехнологий позволяют объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.
Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях они находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т. д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также представляют интерес для
10 создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров АВS может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, используется в системах GPS-навигации.
В результате эволюции происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшаются константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.
Также наиболее перспективными являются углеродные нанотрубки. Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для машиностроения.
Углеродные нанотрубки (УНТ) уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, пластиковые бамперы и дверные панели автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.
Практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая пресловутый холодильник с доступом в интернет. Микроробототехникой занимается множество лабораторий по всему миру. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно, эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, как мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Возможности нанотехнологий поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Я думаю, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться от них. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Подводя итог своей работы, я бы хотел заметить, что нанотехнологии незаметно входят в нашу жизнь - хотим мы этого или нет. Я считаю, что нанотехнологии в моей будущей профессии дадут большое развитие, облегчат работу и повысят производительность. Произойдет переход от большого громоздкого оборудования, к его уменьшению, это облегчит его обслуживание и продлит работоспособность. Я считаю, что нанотехнологии, как и все новое в нашей жизни, делается для того, чтобы облегчить и улучшить жизнь человечества.
