Реферат на тему: Нанотехнологии

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

В современном мире нанотехнологии играют важную роль в развитии технических наук, химии, физики, биологии, генетики и др. Нанотехнологии являются инновационными и делают большие шаги в развитии научно-технической революции.

Сегодня развитие нанотехнологий открывает большие перспективы для разработки новых инновационных материалов, развития биотехнологий, совершенствования коммуникаций, энергетики, здравоохранения и вооружений. Квантовая природа нанотехнологических процессов делает их очень наукоемкими и стимулирует развитие таких прикладных областей, как наномашины, нанокосмонавтика, наномеханика, создание и развитие такой отрасли промышленности, как производство наноматериалов.

Нанотехнологии позволяют контролировать размер частиц и, таким образом, улучшать свойства материалов. Миниатюризация структур приводит к созданию новых объектов, таких как нанотрубки, углеродные наноразмеры, тонкие пленки, квантовые проводники и матричные элементы, лазерные генераторы, обладающие уникальными свойствами.

Будущее заключается в развитии нанотехнологий, которые коренным образом изменят способы разработки различных приборов и материалов.

Нанотехнологии открывают новую эру фундаментальных исследований, сочетая науку, технологию и образование. Нанотехнологии — это своего рода «конструктор», который делает эту отрасль науки мощным инструментом для просвещения всех сторон производственной и общественной жизни.

Что такое нанотехнология

Термин «технология» происходит от греческого слова «техно» — искусство, мастерство, умение + «логотипы» — наука; как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойства, формы) исходного сырья, материала в процессе изготовления конечного продукта.

Задача технологии — обеспечить использование законов природы на благо человечества. Существуют различные отрасли техники — инженерные технологии, технологии химической водоподготовки, информационные технологии и другие.

Технологии различаются только по типу сырья, материалам. Именно существенная разница между таким сырьем, как информация и металлоконструкции, определяет значительные различия в методах обработки и трансформации.

У каждой науки своя система терминов и понятий. Давайте сразу перейдем к терминологии. Сам термин «нанотехнология», по сути, является междисциплинарной областью науки и техники, которая связана с исследованием свойств объектов и разработкой устройств с базовыми структурными элементами размером в несколько десятков нанометров. В макроскопическом плане физические и химические свойства вещества инвариантны с точки зрения их количества или размера. Нанотехнологии направлены на манипулирование отдельными атомами и молекулами с высочайшей точностью. Это изменит наше окружение более радикально, чем мы можем себе представить.

В последнее время очень популярным стал термин «нанотехнология» (НТ). Она объединяет различные идеи и подходы, а также различные методы работы с материей. Следует отметить, что термину «нанотехнология» предшествует приставка «нано», что означает изменение масштаба в 10-9 (миллиардных) раз, т.е. 1 нанометр = 1 нм = 10-9 м, что составляет одну миллионную часть обычного миллиметра. Это примерно соответствует размеру молекул (именно поэтому нанотехнологии часто называют молекулярной технологией). Для сравнения, человеческий волос примерно в 60 тысяч раз толще одной молекулы. Конечно, человеческое воображение, используемые термины, образы и слова вряд ли способны в полной мере описать «окружающий мир» такими крошечными объектами. В то же время, наночастицы, входящие в состав системы, отличаются по своим свойствам от объемной фазы материи, а также от атомов или молекул, из которых она состоит. Основой качественно новых достижений научно-технических разработок на наноуровне является использование новых, ранее неизвестных свойств и функций материальных систем при переходе на наномастах. Классические представления о законах природы начинают ломаться даже с десятых долей микрометра. За этим пределом начинается территория, подчиненная квантовым законам, в которой раскрывается волновая природа электрона и системы микрочастиц. Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Природа «программирует» основные свойства веществ, явлений и процессов именно на наноуровне (на молекулярном уровне). Под нанотехнологическим подходом понимается та же, но целенаправленная регуляция свойств объектов на молекулярном уровне, определяющая основные параметры материи. Поэтому такие проекты, как саморазмножающиеся роботы, с одной стороны, и двигатели с сотовым ротором, с другой стороны, не кажутся фантастическими или осуществимыми.

Особенность свойств вещества нанометрического масштаба и связанные с ними новые физические явления обусловлены тем, что характерные размеры элементов структуры нанообъектов находятся в диапазоне, соответствующем средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. С этой точки зрения наноструктуры следует рассматривать как особую фазу и устойчивое состояние вещества. Свойства веществ и материалов, образованных структурными элементами с размерами в нанометровом диапазоне, в объемной фазе четко не определены. Это связано с тем, что изменение свойств обусловлено не только уменьшением размеров структурных элементов, но и проявлением квантово-механических эффектов, волновой природы передаточных процессов и доминирующей роли интерфейсов. Контролируя размер и форму наноструктур, можно придать совершенно новые функциональные свойства таким материалам, которые существенно отличаются от обычных материалов. К уже известным наноструктурам относятся углеродные нанотрубки, белки, ДНК и «одноэлектронные» транзисторы, которые работают при комнатной температуре. Рациональный подход к производству таких материалов и устройств означал бы революцию в науке и технике, если бы можно было определить и в полной мере использовать законы и принципы, определяющие структуру и свойства таких нанообъектов.

Главная проблема нанотехнологий и по сей день заключается в том, что исследователи до сих пор почти ничего не знают об основных поведенческих закономерностях отдельных частиц, структур и целых систем в этом нанометровом пространстве. Наночастицы одновременно слишком малы и слишком велики (для квантово-механических расчетов, которые очень близки друг к другу в наноразмерном пространстве).

Исследователи пока не могут достаточно точно смоделировать поведение наночастиц, поскольку их свойства постоянно меняются во времени и пространстве, а количество частиц, объединенных в наносистемы, пока еще недостаточно велико, чтобы рассматривать эти системы как статистические ансамбли.

Поэтому для реального прогресса в производстве наноструктурных материалов и нано-компонентов необходимо будет значительно углубить фундаментальные представления о поведении наночастиц и разработать надежные методы расчета их свойств.

История зарождения и развития нанотехнологий

Нанонаука основывается на исследовании, создании и модификации объектов, содержащих компоненты размером менее 100 нм хотя бы в одном измерении, что приводит к принципиально новым качествам. Эта отрасль знаний относительно молода и ей не более ста лет. Первым ученым, использующим измерения в нанометрах, считается швейцарский физик Альберт Эйнштейн, который в 1905 году опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет около 1 нанометра (10-9 м). Идею создания специальных приборов, способных проникать в глубины материи до пределов наномира, выдвинул выдающийся американский электротехник и изобретатель, физик и философ сербского происхождения Никола Тесла. Это он предсказал создание электронного микроскопа.

Впервые теоретическими исследованиями, положившими начало разработке средств для будущих нанотехнологий, стал труд физика-теоретика Георгия Антоновича Гамова российского происхождения. В 1920-х годах он впервые представил решения уравнений Эрвина Шредингера. Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе электронов, является их способность проникать через препятствие, даже если их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего этому препятствию. Электрон, который на своем пути сталкивается с барьером, требующим больше энергии, чем у него есть, на него это не влияет, и он преодолевает барьер с потерей энергии (как волна). Открытое явление, известное как «туннельный эффект», позволило объяснить многие экспериментально наблюдаемые процессы. Найдено решение для описания процессов при вылетах частиц из ядер, компонентиях в воздухе Основанная наука и техника. Уже в 1956 году Г.А. Гамов получил премию Калинги за популяризацию науки.

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В том же году компания Siemens, где работала Е.А. Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешением 10 нм.

Следующий шаг был сделан лишь в 1956 году, когда Джон Алоизиус О’Киф (John Aloysius O’Keefe) из Военной картографической службы США предложил конструкцию микроскопа, в котором свет появляется из крошечного отверстия в непрозрачном экране и освещает объект, находящийся в непосредственной близости от экрана. Свет, который проходил через образец или отражался обратно в отверстие от образца, регистрировался при перемещении образца назад и вперед (сканирование). Американец описал свой метод как ближнепольную сканирующую микроскопию и отметил, что разрешение такого микроскопа не ограничивается длиной волны света, а только размером отверстия. Теоретически такое устройство может создавать изображение деталей, длина волны которых меньше половины длины волны.

Стремительное развитие электроники в 1950-х годах привело к открытию туннельного диода японским физиком Львом Эсаки. В то же время, заведующий сектором физико-теоретических исследований НИИ «Пульсар» Юрий Сергеевич Тиходиев впервые предложил расчеты параметров и вариантов применения устройств на основе многослойных тоннельных конструкций, позволяющих достичь рекордных результатов за период скорости.

Идея о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их «молекула за молекулой», «атом за атомом», восходит к знаменитой лекции «Там внизу много места» одного из величайших физиков ХХ века, лауреата Нобелевской премии, профессора Калифорнийского технологического института. Ученый прочитал свою первую лекцию на годичной конференции Американского физического общества под названием «Полно игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которые были актуальны в то время в физической электронике, машиностроении и информатике.

Некоторые считают эту работу основополагающей для нанотехнологий. С очень общей точки зрения Фейнман проанализировал возможности изменения масштаба электромеханических устройств, электрических цепей и проблему записи, сжатия и хранения информации. Идеи Ричарда Фейнмана показались зрителям фантастическими, потому что практическая реализация предложенных им устройств и механизмов рассматривалась как проблема далекого будущего или даже невозможная. Сегодня мы еще раз убедились, что идеи великого американского физика были вполне реалистичны, и многие из них уже воплощены в математических расчетах и практическом применении.

Наиболее актуальной задачей остается разработка и создание инструментальных (метрологических) приборов для исследования атомной структуры конструкционных материалов на наноуровне.

В 1964 году Гордон Эрл Мур, почетный президент и соучредитель американской компании, предложил, чтобы количество транзисторов на кристалле удваивалось каждые два года. Это наблюдение называлось первым законом Мура. Он показал зависимость роста мощности чипов памяти от времени их производства и нашел закономерность: каждый раз новые модели чипов появлялись примерно через равные промежутки времени. Каждый раз их вместимость удваивалась. Таким образом, развитие микроэлектроники в кратчайшие сроки подтолкнуло к дальнейшей миниатюризации компонентной базы и, как следствие, к исследованиям в области их приборостроения.

В 1966 году американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, предложил пьезоэлектрический контрольный прибор, который в настоящее время используется в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов.

В то же время Дэвид Джонс теоретически разработал замкнутые сфероидальные клетки из своего рода свернутых нанографитовых слоев. Было показано, что объект, введенный в гексагональную сетку обычного графита, который приводит к сложной изогнутой поверхности, может быть пятиугольником.

В 1971 году Р.Ян предложил идею прибора «Топограф», который послужил прототипом зондового микроскопа. Однако по экономическим причинам работы над устройством вскоре были прекращены. Годом позже, в 1972 году, с помощью пьезоэлектрических устройств движения Юнгу удалось перемещать и позиционировать объекты в трех направлениях с точностью до 0,01 ангстрема. Прошло более пяти лет с момента разработки пьезоэлектрического двигателя. Длительные сроки разработки подобных устройств можно объяснить тем, что наблюдение за атомными структурами приводит к изменению их состояния, поэтому потребовались качественно новые подходы, не разрушающие исследуемое вещество.

Многие ученые во всем мире в той или иной степени работали с объектами нано-уровня, но термин «нанотехнология» впервые был придуман японским физиком Норио Танигути из Университета Токио. По словам Танигути, нанотехнология — это технология создания объектов размером около 109 м (атомов, молекул), включающая в себя процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них атома или молекулы.

Накопление знаний в области нанотехнологий позволило по-новому взглянуть на ряд уникальных природных явлений. Например, в 1975 году немецкий ученый-ботаник В.В. Ломоносов. Бартлотт и К. Найнуйс открыли и запатентовали явление самоочищения поверхностей некоторых растений и тот факт, что это явление происходит на наноструктурных поверхностях.

Термин «нанотехнология» стал популярным в 1986 году после выхода в свет знаменитой книги К.Э. Дрекслера «Машины творения: грядущая эпоха нанотехнологий». В настоящее время термин «нанотехнология» охватывает не только совокупность методов и приемов синтеза, сборки, структурообразования и модификации материалов с целью создания систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением явлений и факторов на наноуровне (на уровне молекул и атомов), но и систему знаний, навыков, материаловедения, аппаратных средств, процедур информационного обеспечения и технологических операций.

В России в 1987 — 1988 гг. в НИИ «Дельта» было введено в эксплуатацию первое отечественное нанотехнологическое оборудование, которое осуществляло направленное удаление частиц с края зонда микроскопа под действием нагревания. Основан под руководством П.Н. Лускиновича. Почти одновременно, в 1990 году, в Институте ядерной физики Германии был выделен первый метод искусственного получения и извлечения твердокристаллического фуллерита.

В области прикладных нанотехнологических исследований можно также отметить работу Корпорации НТ-МДТ, основанной в 1991 году в Зеленограде выпускниками Московского физико-технического института. Постановлением Правительства Российской Федерации от 2 августа 2007 г. № 498 утверждена Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы». Целью данной программы было создание в России современной инфраструктуры национальной нанотехнологической сети для развития и реализации потенциала российской наноиндустрии.

Таким образом, история нанотехнологий показывает нам, что не все грани нашего человечества открыты и доказаны. Нанотехнологии продолжают развиваться и играют незаменимую роль в нашей повседневной жизни.

Нанотехнологии в строительстве

Одной из отраслей, в которой нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, является строительная промышленность. Основные разработки в этом секторе должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов и улучшение существующих материалов: металлоконструкций и бетона путем легирования их нанопорошками.

В этой области уже достигнут определенный прогресс. Российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска производят нанобетон. Специальные добавки — так называемые нано-инициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше, чем у обычного бетона, морозостойкость на 50% выше и вероятность растрескивания в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с использованием наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что использование такого бетона снижает конечную стоимость конструкций в 2-3 раза.

Он также указывает на ряд реставрационных свойств бетона. При нанесении нанобетона на структуру железобетона он заполняет все микропоры и микротрещины и полимеризуется, восстанавливая свою прочность. При коррозии арматуры новое вещество реагирует с коррозионным слоем, заменяя его и восстанавливая адгезию бетона с арматурой.

В настоящее время технология, основанная на практическом применении «Лотос-эффекта», широко используется, особенно в строительной отрасли.

Другим направлением практического применения нанотехнологий в строительстве являются различные виды отделочных и защитных покрытий на основе реализации лотосного эффекта и биоцидных материалов. На выставке в Испании был представлен еще один продукт — покрытие для плитки, разработанное в результате стратегического партнерства с испанской группой — одним из ведущих мировых производителей фритт (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время разрабатывается продукт для душевых кабин.

В области красок появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологий — фасадная силикатная краска с уникальными свойствами. Впервые она была представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным подложкам, но и к органическим основаниям. Благодаря чрезвычайно маленькому размеру частиц покрытие также достигает высокой прочности и устойчивости к внешним воздействиям, в том числе к влажному истиранию.

Комбинация пигментных наполнителей в сочетании с наноструктурной поверхностью имеет решающее значение для фотокаталитического эффекта покрытия — грязь на поверхности покрытия разлагается при воздействии света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и общую стойкость краски к ультрафиолетовому излучению, благодаря чему фасады зданий и сооружений сохраняют свой первоначальный вид в течение длительного времени. Коэффициент влагопоглощения 0,09 кг/м2 ч гарантирует защиту от дождя. Это свойство очень популярно в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемости краски, составляющий 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стены при полном сохранении естественного режима влажности.

Благодаря высокой проницаемости для углекислого газа, который необходим для процессов тления извести, известковые штукатурки и старые каменные растворы закаляются и сохраняются.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробной (биоцидной) активности, что позволяет производить широкий спектр продуктов с высокой бактерицидной и вирусной активностью. Они могут использоваться для модификации традиционных материалов и производства новых материалов, дезинфицирующих средств, моющих средств и косметической продукции с незначительными изменениями в процессе производства.

Наночастицы серебра синтезируются в водных и органических растворах, наносятся на поверхность и входят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробный эффект цветных покрытий с наночастицами серебра был подтвержден в естественных тестах. В лабораторных условиях организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра, налажено производство биоцидных красок (на основе пентафтеновых лаков и водно-дисперсионных красок) и зубной пасты. Противомикробные краски с наночастицами серебра безопаснее и дешевле производить по сравнению с аналогичными продуктами с добавками производных полигексаметилена гуанидина, поэтому в настоящее время для достижения высокого бактерицидного эффекта широко используются краски с наночастицами серебра.

Одним из примеров использования нанотехнологий является разработка новых лакокрасочных материалов для поездов, которые предназначены для защиты поверхности вагонов от краски и надписей и придания ей такой гладкости, что никакая другая краска не сможет прилипнуть к ней.

Нанотехнология и медицина

Самым ярким и простым примером использования нанотехнологий в медицине и косметике является обычный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим эффектом. Он образует наночастицы, мицеллы — частицы дисперсной фазы золы (коллоидный раствор), которые окружены слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло — чудо нанотехнологии, которое уже было таким чудом, когда никто не знал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является необходимым для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Еще одним древним применением нанотехнологий в косметологии стал тот факт, что красители, используемые австралийскими аборигенами для нанесения легких военных красок, а также краски для волос древнегреческих красавиц, также содержали наночастицы, которые давали очень длительный и стойкий цветовой эффект.

В настоящее время на свободном рынке многие наткнулись на так называемую шунгитовую воду, производители которой заявляют о ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных из натуральных фуллеренов. Факт, что на протяжении многих столетий в Карелии у Онежского озера существовал целебный источник, где российский император Петр I приказал построить первый русский курорт «Марциальные воды». С древних времен люди пользовались целебными свойствами этой воды. Ее особенность в том, что эта вода не может храниться долго — через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.

Исследования, проведенные в Украине и Карелии, показали, что военная вода является следствием влияния на воду фуллеренов, содержащихся в природном минерале — шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, было следствием падения крупного углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг водного кластера, размер которого во много раз превышает его диаметр. Это связано с тем, что в нормальной воде (H2O) состояние и количество образовавшихся кластеров нестабильно (мерцает). Кластеры существуют в миллиардные доли секунды (наносекунды) и растворяются, а затем вновь образуются, т.е. мерцают.

Эти кластеры воды способны оказывать антиоксидантное действие, т.е. улавливать свободные радикалы, которые являются «фрагментами различных органических соединений», и уничтожать живой организм.

Человечество сталкивается с глобальными проблемами, которые требуют незамедлительных, а порой и кардинальных действий. Нанотехнологии могут оказать большую помощь в решении многих из этих проблем. Например, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний, при этом уровень смертности в мире составил 30%. Смертность от них во всем мире составляет не менее 500 тысяч человек в год. Прогнозируется, что к 2020 году число онкологических больных в мире может увеличиться на 50% до 15 миллионов в год.

Директор лаборатории нанофотоники, профессор Раисского университета в Хьюстоне, Наоми Халас и Питер Нордлендер создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами — нанопленки. Имея диаметр в 20 раз меньше, чем у эритроцитов (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровотоку. Специальные белки — антитела, атакующие раковые клетки, особым образом прикрепляются к поверхности оболочек. Через несколько часов после их введения, тело облучается инфракрасным светом, который нанооболочки преобразуются в тепловую энергию. Эта энергия разрушает раковые клетки, а соседние здоровые клетки практически не повреждены.

Эта уникальная нанотехнология уже успешно опробована на испытательных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после воздействия все больные животные были полностью избавлены от болезни. И, как уже упоминалось, последующие тесты не выявили ни одного стада новых злокачественных опухолей.

Согласно докладу Института биомедицинской химии РАМН, в 1998-2005 гг. российскими учеными-медиками опубликовано более 200 научных работ, подтверждающих высокую эффективность нанотехнологий в лечении ряда заболеваний, в том числе онкологических, рассеянного склероза, менингита, СПИДа, гриппа и туберкулеза. Отмечается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Например, в Институте молекулярной биологии имени М.В. Ломоносова. Например, в Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН был разработан биочип на основе нанотехнологий, позволяющий диагностировать ряд социально опасных заболеваний, таких как туберкулез, в течение нескольких часов. Раньше на проведение необходимых медицинских осмотров уходило не менее месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, экономический эффект от снижения стоимости диагностики составляет 20 000 рублей за исследование. В то же время в настоящее время в России существует два десятка научных организаций, занимающихся исследованиями в области нанотехнологий в медицине.

Следует отметить, что направление исследований в области медицинских нанотехнологий также быстро развивается. В то же время результаты, полученные на лабораторных животных, уже обещают значительные перспективы для лечения человека. Если нанотехнологии включают в себя работы и достижения в области генной инженерии, то результаты, как правило, будут фантастическими.

Нанотехнология в сельском хозяйстве

Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, особенно в связи с генной инженерией, производством и переработкой сельскохозяйственной продукции, очисткой воды и проблемами качества продукции и охраны окружающей среды.

В отличие от выбросов от промышленных и автотранспортных средств, загрязняющих атмосферу, выбросы от внедорожной подвижной сельскохозяйственной техники охватывают все обрабатываемые земли, хотя и неравномерно. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м над уровнем земли, что увеличивает их экологическую опасность.

Газообразные выбросы от мобильного оборудования являются наиболее значительными с точки зрения количества и степени негативного воздействия на человека, животных и растения. Наиболее опасны сажа, бензапирен, окиси азота, альдегиды, окись углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на организм человека зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человеческого организма и его индивидуальных особенностей.

Сажа занимает одно из первых мест в общем уровне токсичности, так как, во-первых, ее выбросы являются значительными (определяющими увеличение выработки дыма) и достигают 1% от массового потребления топлива, а, во-вторых, она действует как резервуар для полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие сажи в отработанных газах (OG) приводит к неприятным ощущениям, загрязнению воздуха и плохой видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50-180 нм, масса — не более 10~10 мг), поэтому они долгое время находятся в воздухе и проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Расчеты показывают, что частицы сажи с размером до 150 нм могут оставаться во взвешенном состоянии в воздухе около восьми дней. В то время как относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм могут быть легко удалены из организма, мелкие частицы (50-200 нм) попадают в легкие и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20-90%) обычно для твердых частиц в дизельных двигателях OG. Частицы сажи образуются в так называемой газовой фазе и вызываются неполным процессом горения. Частицы ниже 50 нм, содержащиеся в дизельных выбросах, в основном образуются из серы, которая до сих пор входит в состав дизельного топлива.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания приводит к получению топлива с лучшими энергетическими характеристиками. Особое внимание уделяется разработке металлического топлива, которое широко используется в ракетных двигателях.

Ученый СССР С. Лабинов предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система привода сочетается с системой отвода отработанных газов. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполнен топливом на основе нанопорошка железа. Сжигание топлива (окисление) происходит в камерах сгорания с образованием в выхлопных газах почти чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, при этом сгоревшие частицы порошка улавливаются специальными фильтрами или магнитами. Когда порошок используется, перегородка перемещается, и порошок оксида отработанных газов подается в результирующий объем. Когда весь порошок израсходован, топливный бак можно легко извлечь из транспортного средства и отправить на регенерацию, где оксиды разлагаются на металл и кислород при высоких температурах. Оксиды также могут быть восстановлены путем впрыскивания обожженного порошка с чистым водородом.

По словам Дэвида Бука, заведующего отделом химии материалов в Окриджской национальной лаборатории, штат Теннесси, США, металлическое топливо, как и водород, является источником чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлические виды топлива, такие как железо или алюминий, имеют более высокую удельную теплотворную способность. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллектив лаборатории создал топливный порошок с диаметром металлических частиц около 50 нм, который обеспечивает процесс сгорания, аналогичный процессу сгорания бензина, но с выбросом почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе.

Газы из металлического топлива, которые выделяются в газовой турбине или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: из воздуха выделяется кислород, в результате чего получается почти чистый азот. Бор мог бы стать еще лучшим источником энергии, если бы его наночастицы могли быть произведены по разумной цене.

Основной проблемой двигателя на металлическом топливе является относительно высокая масса топлива, даже учитывая его более высокую энергетическую мощность. 33-литровый топливный бак, заполненный железным порошком, обеспечивает пробег, эквивалентный 50 литрам солярия или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом общий вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработанное металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Сверло и углерод соседствуют в таблице Менделеева, оба элемента неметаллические, разница в размерах их атомов и ионов невелика. Основным следствием этого сходства является стремительное развитие химии бора, которая, по мнению многих ученых, в конечном итоге может стать «новым организмом». Помните, что только «органическая», органическая химия — это на самом деле химия углеводородов и их производных.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут быть успешно использованы для оптической расшифровки белково-липид-витаминно-хлорофиллового комплекса в растениеводстве и создания биосовместимых материалов; для перестройки, рафинирования и восстановления тканей; для создания искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточной организации), не отвергаемых организмом в животноводстве; а также для снижения вредного воздействия автотранспорта и тракторного парка на природную среду. В животноводстве нанодобавки широко применяются в приготовлении кормов для животных, где они увеличивают продуктивность животных в 1,5-3 раза и повышают их сопротивляемость инфекционным заболеваниям и стрессу. Наноразмерный характер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно сократить их потребление, но и более полно и эффективно усваивать их животными.

Заключение

Большое значение имеет применение нанотехнологий для очистки и обеззараживания воды. Внедрение мембранных систем очистки и специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра позволяет упростить содержание сельскохозяйственных животных и повысить их качество за счет обеспечения их высококачественной питьевой водой.

Не менее актуальной является проблема обеспечения человечества питьевой водой в достаточном количестве. Запасы полезной пресной воды составляют всего 3%, из которых только 1% потребляет население мира. В настоящее время 1,1 миллиарда человек не имеют возможности пользоваться чистой пресной водой. Учитывая текущее потребление воды, рост населения и промышленное развитие, две трети населения мира к 2050 году будут испытывать нехватку пригодной для питья пресной воды.

Ожидается, что нанотехнологии решат эту проблему, в том числе за счет использования экономичной децентрализованной системы водоподготовки и опреснения воды, систем разделения на молекулярном уровне и фильтрующих систем нового поколения.

Список литературы

Первый Балабанов, В.И. Нанотехнология. Наука будущего. — М.: Издательский дом «Эксмо», 2007.
Азаренков Н.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов / Н.А. Азаренков, А.А. Веревкин, Г.П. Ковтун // Учебное пособие. — Харьков // Учебник. 2007.
M. Анишук В. М. Наноматериалы и нанотехнологии / В.М. Анишук, В.З. Борисенко, С.А. Жданюк, Н.К. Толочко // — Минск. БГУ, 2006 г. — 375 с.
Верещагина, И. А. Инновационная техника. Введение в нанотехнологии: Учебное пособие / Я. А. Верещагина. — Казань: Издательский дом Казанского государственного технического университета, 2002 г. — 115 с.
Головин, Юрий Иванович. Введение в нанотехнологии. — М.: Машиностроения, 2004. — — 496 с.
Бородин И.Ф. Нанотехнологии в сельском хозяйстве / И.Ф. Бородин // Механизация и электрификация сельского хозяйства, — 2003. — № 10. — С. 2-5.
Ковшов А.Н. Основы нанотехнологий в машиностроении / А.Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров, И.М. Ибрагимов // Учебник. — М.: Издово-МГУ, 2006.
Пул. C. Нанотехнология / C. Пул Ф. Оуэнс // 2-е — М.: Техносфера, 2005 — 260 с.
Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике / В.К. Неволин // — М.: Техносфера, 2004.