23. Нано технологии, содержание, истоки, этапы развития и перспективы в жизни общества (на примере отрасли)

В целом, нанотехнологию можно понимать как технологию, которая позволяет контролируемым образом не только создавать наноматериалы, но и управлять ими, т.е. влиять на них или использовать их по назначению.

Первое упоминание о специально созданных и применяемых технологических процессах и средствах, которые впоследствии были названы нанотехнологиями, обычно связывают с известной лекцией г-на Р. Фейнмана, профессора Калифорнийского технологического института, прочитанной в 1959 году на сессии Американского физического общества. В этой лекции под названием “Там, внизу, много места” впервые была рассмотрена возможность создания наноразмерных изделий с использованием атомов в качестве строительных частиц. В настоящее время эту лекцию называют зарождением нанотехнологической парадигмы.

Слово “нанотехнология” было впервые введено в научный оборот Н. Танигути на международной конференции по промышленному производству в Токио в 1974 году для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью и создания наноразмерных механизмов.

Идеи нанотехнологической стратегии, которые были выдвинуты Фейнманом, были развиты Э. Дрекслером в его книге “Средства созидания: наступление эры нанотехнологий”, опубликованной в 1986 году.

Под нанонаукой в нашем исследовании следует понимать изучение, создание и модифицирование объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний (как следует из рис.) насчитывает чуть более столетия. Изучение технических предпосылок, способствующих развитию нанонауки, позволило показать становление и развитие разработки наноприборов и нанооборудования. Вместе данные предпосылки позволяют проследить процесс возникновения и развития нанотехнологий (по Н. Танигучи) - процесс разделения, сборки и изменения свойств материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой вещества. Нанотехнологии (по Э. Дрекслеру) - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размером менее 100 нм хотя бы в одном измерении

Этапы

Отсутствие общепринятого, строго установленного временного интервала для начала развития нанотехнологий объясняется тем фактом, что нанотехнологии уходят своими корнями в далекое прошлое, когда люди использовали их, не подозревая об этом.

Интуитивная нанотехнология

Еще до наступления “наноэры” люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Например, на наноуровне происходят биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, катализ в химическом производстве, брожение, идущее при изготовлении вина, сыра, хлеба. Однако так называемая “интуитивная нанотехнология”, которая первоначально развивалась стихийно, без надлежащего понимания природы происходящего, не могла быть надежным фундаментом в будущем. Поэтому все большую актуальность приобретают научные изыскания, расширяющие горизонты наномира и направленные на создание принципиально новых продуктов и ноу-хау.

Тысячи лет до нашей эры люди знали и использовали натуральные ткани: лен, хлопок, шерсть, шелк. Они умели выращивать их и перерабатывать в изделия. Что делает эти ткани особенными, так это тот факт, что они имеют развитую сеть пор размером 1-20 нанометров, то есть являются типичными нанопористыми материалами. Благодаря своей нанопористой структуре натуральные ткани обладают высокими утилитарными свойствами: они хорошо впитывают пот, быстро набухают и высыхают.

В Древнем Египте было довольно распространено окрашивание волос в черный цвет. Долгое время считалось, что египтяне использовали в основном натуральные растительные красители - хну и черную краску для волос. Однако недавнее исследование образцов волос из древнеегипетских захоронений, проведенное доктором философии Дж. Уолтер показал, что волосы были окрашены в черный цвет пастой из извести, оксида свинца и небольшого количества воды. В процессе окрашивания образовались наночастицы галенита (сульфида свинца). Натуральный черный цвет волос обеспечивается пигментом называется меланином, который в виде включений распределен в кератине волос.

Системные исследования

Системные исследования наноразмерных объектов берут свое начало в XIX в., когда в 1856-1857 гг. английский физик Майкл Фарадей впервые изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе.

В 1907 г. Эрнест Резерфорд, развил современную концепцию строения атома, углубило тем самым знания о построении материи и структуре наномира, за что и получил Нобелевскую премию по химии в 1908 г.

В первой половине XX в. зародилась и получила развитие техника исследования нанообъектов. В 1928 г. предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1932 г. впервые создан просвечивающий электронный, а в 1938 г. - сканирующий электронный микроскоп.

Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов.

В 1959 г. американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал ставшую впоследствии знаменитой лекцию под названием “Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики”, в которой впервые была рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом - путем поштучной “атомарной” сборки. Ученый заявил: “Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа”. И далее добавил: “Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле”.

В 1972 г. создан оптический микроскоп ближнего поля. В 1981 г. ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же 1986 г. ими был разработан атомно-силовой микроскоп.

В 1974 г. японский ученый Норио Танигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин “нанотехнология”. В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение “нанокристаллический”. Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как “наноструктурированный”, “нанофазный”, “нанокомпозиционный” и т.п.

В 1975 г. были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов - квантовых точек и квантовых проволок.

В 1986 г. американский физик Эрик Дрекслер в своей книге “Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии”, основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии “снизу вверх”.

Планировалась, что нанороботы будут управляться через компьютер и манипулировать атомами для создания любого материального предмета. Чтобы создавать предметы в величинах реального мира, нужно было, чтобы эти роботы могли создавать самих себя. Эта идея привела к появлению концепции “серой слизи” - субстанции, захватывающей все, с чем соприкоснется.

“снизу вверх” (bottom-up approach) состоит из этапа получения нанопорошков с последующим их компактированием в объемный материал.

Второй - “сверху вниз” (top-down approach) основан на получении наноструктур в трехмерных заготовках путем их измельчения методами многократной пластической деформации.

Инвестиционный период

Этот период в развитии нанотехнологий характеризуется активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ведущих индустриальных странах мира. США в данном направлении занимают лидирующие позиции. В 2001 г. была утверждена Национальная нанотехнологическая инициатива (ННИ), основная идея которой была сформулирована следующим образом: “Национальная нанотехнологическая инициатива определяет стратегию взаимодействия различных федеральных ведомств США с целью обеспечения приоритетного развития нанотехнологий, которая должна стать основой экономики и национальной безопасности США в первой половине XXI в.”

Япония, как и США, уделяет нанотехнологиям большое внимание. В 2000 г. японская экономическая ассоциация “Кэйданрэн” организовала специальный отдел по нанотехнологиям при промышленно-техническом комитете, а в 2001 г. был разработан общий план развития нанотехнологических исследований. Его основные положения сводились к следующему: определить в качестве основных направлений “прорыва” в нанонауке информационные технологии, биотехнологии, энергетику, экологию и материаловедение; обеспечить приток крупных капиталовложений в отрасли производства, основанные на нанотехнологиях; энергично развивать исследования в указанных направлениях и внедрять их результаты в производство таким образом, чтобы они стали “флагманами” грядущей нанотехнологической революции; разработать национальную стратегию развития нанотехнологии, организовать эффективное сотрудничество промышленных, государственных и научных ведомств и организаций в данной сфере.

Страны Западной Европы начали проводить работы в области нанотехнологии в рамках соответствующих национальных программ. В ФРГ нанотехнологические изыскания поддерживаются в основном Министерством образования, науки, исследований и технологий. В Англии руководство этим направлением осуществляет Совет по физико-техническим исследованиям, а также Национальная физическая лаборатория. Во Франции стратегию развития нанотехнологии определяет Национальный центр научных исследований.

Все больше внимания нанотехнологиям уделяется в Китае, Южной Корее, ряде других государств. Нанотехнологические изыскания начали осуществляться и в странах СНГ, в частности в России и Украине, как правило, в ходе проведения государственных научных программ. В Беларуси подобные работы идут в рамках ГКПНИ “Наноматериалы и нанотехнологии”, принятой на 2006-2010 гг.

Перспективы

За сравнительно короткий период нанотехнологии получили широкое распространение в самых различных областях человеческой деятельности. Примером тому является история развития биотехнологии. Этот термин был предложен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки для описания процесса выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. Под биотехнологией он понимал “все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты”. Хронология дальнейшего развития биотехнологии выглядит следующим образом: в 1943 г. освоен промышленный выпуск пенициллина; в 1944 г. обнаружен генетический материал - дезоксирибо-нуклеиновая кислота - ДНК, а в 1953-м - двойная спираль ДНК; 1966 г. - расшифрован генетический код; 1970 г. - выделена первая рестриктаза - фермент, способный расщеплять ДНК; в 1973 г. синтезирован полноразмерный ген т-РНК - транспортной рибонуклеиновой кислоты; в 1975 г. разработана технология рекомбинантных ДНК, а в 1976 г. - методы определения нуклеотидной последовательности ДНК. Последующие годы ознаменовались развертыванием широкого фронта исследований в области генной инженерии, которые привели в 1990 г. к началу работ над проектом “Геном человека”. В1997 г. из дифференцированной соматической клетки было впервые клонировано млекопитающее. Все это - яркий пример возможностей нанотехнологий применительно к биологическим объектам.

В медицине твердые липидные наночастицы стали самой успешной системой доставки лекарств для мРНК акцин во время эпидемии 2020 года. Нанотехнологии в целом позволяют доставлять лекарство к нужному месту в организме более эффективно. Например, покрытие лекарства оболочкой из наночастиц, связывающихся только с раковыми клетками, позволяет воздействовать только на опухоль непосредственно.

Состояние и перспективы развития нанотехнологий 2008 год

 

Область применения	Результаты
	сейчас		в будущем
Материалы	Порошки, суспензии	Улучшают работу двигателей, механизмов	Конструирование любых молекул. Создание абсолютно прочных мате- риалов. Создание наноеды — несуществующей в природе пищи для людей и животных
	Покрытия	Повышают износостойкость деталей, предотвращают ржавчину, помогают материалу самоочищаться или не смачиваться водой
	Упаковки	Увеличивают срок годности продукции
	Сверхпрочные материалы	Изготавливаются с использованием углеродных нанотрубок
Медицина	Лекарства	Разработка новых веществ, способных лечить тяжелые болезни, в том числе и рак	Лекарства направленного действия, доставляемые на пораженный участок тела. Индивидуальные препараты
Энергетика и электроника	Оборудование	Разработка диагностических комплексов	Микрохирургия нового уровня, использование нанороботов для диагностики и лечения болезней
	Нанороботы	Создание устройств, способных адресно доставлять лекарства и производить диагностирование	Выращивание тканей и органов. Оживление замороженных ранее людей с целью их лечения, продления жизни. Достижение бессмертия
	Защитные пленки и покрытия	Создание покрытий для солнечных батарей, увеличивающее их КПД и эффективность работы	Принципиально новые типы двигателей и топливных элементов
	Емкости для хранения	Обеспечение безопасного хранения водорода и других газов и веществ с помощью нанотрубок	Сверхминиатюрные электронные устройства
	Создание новых компьютеров	Резкое увеличение памяти компьютеров, быстродействия и скорости передачи информации	Новые способы записи и хранения информации. Гибкие дисплеи, появление электронной бумаги
	Создание элементной базы нового уровня	Новые полупроводниковые приборы и микросхемы

Источники

• https://cyberleninka.ru/article/n/etapy-razvitiya-nanonauki/viewer
• https://cyberleninka.ru/article/n/nanotehnologiya-i-meditsina/viewer
• https://cyberleninka.ru/article/n/tendentsii-razvitiya-nanotehnologiy/viewer
• http://www.eolss.net/sample-chapters/c05/E6-152-01.pdf
• https://habr.com/ru/companies/onlinepatent/articles/772896/
• https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/122457/2-5.pdf?sequence=1&isAllowed=y
• https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ra/d3ra02969g