Нанотехнологии
-
Определение и масштабы нанотехнологий
- Нанотехнологии манипулируют материей в диапазоне от 1 до 100 нанометров.
- Включают исследования и технологии, связанные с особыми свойствами на наноуровне.
- Нанотехнологии включают изучение поверхности, органическую химию, молекулярную биологию и другие области.
-
История и развитие
- Концепции нанотехнологий впервые обсуждены Ричардом Фейнманом в 1959 году.
- Термин «нанотехнология» введен Норио Танигути в 1974 году.
- Эрик Дрекслер популяризировал термин в 1986 году.
- В 1980-х годах изобретения сканирующего туннельного микроскопа и фуллеренов способствовали росту нанотехнологий.
-
Основные концепции и подходы
- Нанотехнологии создают функциональные системы на молекулярном уровне.
- Используются подходы «снизу вверх» и «сверху вниз».
- Нанотехнологии включают наноэлектронику, наномеханику, нанофотонику и наноионику.
-
Материалы и свойства
- С уменьшением размера системы проявляются квантово-механические эффекты.
- Физические свойства материалов изменяются в зависимости от размера.
- Наноионические системы характеризуются быстрым переносом ионов.
-
Молекулярная перспектива
- Современная синтетическая химия позволяет создавать молекулы любой структуры.
- Молекулярная само сборка и супрамолекулярная химия используются для создания сложных структур.
- Концепция молекулярного распознавания важна для сборки молекул в полезные комплексы.
-
Восходящие и нисходящие подходы
- Восходящие подходы позволяют производить устройства параллельно и дешевле, но могут быть неэффективны при увеличении размера и сложности сборки.
- Нисходящие методы используют более крупные устройства для управления сборкой.
-
Молекулярная нанотехнология
- Молекулярная нанотехнология касается инженерных наносистем, работающих на молекулярном уровне.
- Включает молекулярные ассемблеры, создающие структуры атом за атомом.
- Производство не связано с традиционными технологиями наноматериалов.
-
История и перспективы
- Дрекслер ввел термин «нанотехнология» и предположил, что передовые нанотехнологии будут основаны на принципах машиностроения.
- Монтеманьо считает, что наносистемы будущего будут гибридами кремниевой технологии и биологических молекулярных машин.
- Смолли утверждает, что механосинтез невозможен из-за трудностей в манипулировании молекулами.
-
Текущие исследования
- Зеттл и коллеги сконструировали молекулярные устройства, контролируемые напряжением.
- Хо и Ли использовали сканирующий туннельный микроскоп для перемещения молекулы CO к атому железа.
-
Наноматериалы и их применение
- Наноматериалы обладают уникальными свойствами благодаря наноразмерным размерам.
- Используются в медицине, солнечных элементах, полупроводниковых наночастицах и других областях.
-
Подходы «снизу вверх»
- ДНК-нанотехнологии используют комбинацию оснований Уотсона-Крика для создания структур.
- Молекулярная самосборка использует концепции супрамолекулярной химии.
- Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет создавать полупроводниковые материалы.
-
Подходы «сверху вниз»
- Используют более крупные устройства для управления сборкой.
- Включают гигантские жесткие диски и методы осаждения атомного слоя.
- Сфокусированные ионные пучки удаляют или осаждают материал.
-
Функциональные и биомиметические подходы
- Функциональные подходы разрабатывают полезные компоненты без учета сборки.
- Бионика применяет биологические методы для инженерных систем.
- Бионанотехнология использует биомолекулы в нанотехнологиях.
-
Спекулятивные и производительные подходы
- Спекулятивные подходы предсказывают будущие изобретения.
- Производительные наносистемы могут стать основой новой промышленной революции.
- Programmable matter стремится создавать материалы с управляемыми свойствами.
-
Размерность наноматериалов
- Наноматериалы делятся на 0D, 1D, 2D и 3D.
- Размерность влияет на физические, химические и биологические характеристики.
- Двумерные наноматериалы широко исследуются для электроники, биомедицины и биосенсоров.
-
Атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп
- Используются для наблюдения в наноразмерных масштабах
- Обладают высоким разрешением, не ограничены длинами волн звука или света
- Наконечник зонда можно использовать для манипулирования наноструктурами
-
Функциональное сканирование
- Многообещающий способ реализации наноразмерных манипуляций
- Медленный процесс из-за низкой скорости работы микроскопа
-
Нисходящий подход
- Создание наноустройств поэтапно, подобно промышленным изделиям
- Важен для определения характеристик и синтеза
-
Литография
- Методы «сверху вниз» измельчают объемный материал до наноразмерного рисунка
- Методы «снизу вверх» строят структуры атом за атомом
-
Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)
- Создает атомарно точные слои атомов
- Важна для исследований в полупроводниках и спинтронике
-
Терапевтические препараты
- Одобрены для использования человеком в некоторых странах
-
Приложения
- Более 800 нанотехнологических продуктов на рынке
- Пассивные наноматериалы в косметике, продуктах питания, упаковке
- Одностенные углеродные нанотрубки в электромобилях
- Нанотехнологии в медицине, тканевой инженерии, наноинкапсулировании
-
Последствия
- Влияние на здоровье человека и окружающую среду
- Регулирование может затормозить научные исследования
- Бактериостатические наночастицы серебра могут уничтожать бактерии в экосистемах
-
Проблемы охраны здоровья и окружающей среды
- Вдыхание наночастиц может вызывать легочные заболевания
- Наночастицы вызывают старение кожи и повреждения ДНК
- Некоторые формы углеродных нанотрубок могут быть вредны, как асбест
-
Регулирование
- Призывы к ужесточению регулирования
- Некоторые регулирующие органы регулируют нанотехнологии, оставляя пробелы
-
Недостаточное финансирование исследований
- Эндрю Мейнард отметил недостаточное финансирование исследований в области охраны здоровья и безопасности человека.
- Это приводит к недостаточному пониманию рисков для здоровья и безопасности.
-
Призыв к более строгому применению принципа предосторожности
- Ученые призвали к более строгому применению принципа предосторожности.
- Это включает замедление процесса утверждения на рынке и улучшение маркировки.
- Необходимо предоставлять дополнительные данные о безопасности.
-
Риск высвобождения наночастиц
- Королевское общество выявило риск высвобождения наночастиц при утилизации, уничтожении и вторичной переработке.
- Рекомендовано, чтобы производители продуктов публиковали процедуры обращения с этими материалами.
-
Рекомендации по минимизации воздействия
- Производители должны минимизировать возможное воздействие на человека и окружающую среду.
- Это включает публикацию процедур обращения с материалами.