Как Работи Нанотехнологиите

{h1}

Нанотехнологията е науката за изграждането на машини на субатомно ниво. Научете повече за нанотехнологиите и разберете как се развива нанотехнологията.

Има безпрецедентно мултидисциплинарно сближаване на учени, посветени на изучаването на толкова малък свят, че не можем да го видим - дори със светлинен микроскоп. Този свят е полето на нанотехнологиите, царството на атомите и наноструктурите. Нанотехнологиите i-s са толкова нови, че никой не е наистина сигурен какво ще се получи от него. Въпреки това, прогнозите варират от способността за възпроизвеждане на неща като диаманти и храна до поглъщането на света чрез самовъзпроизвеждащи се нанороботи.

За да разберем необичайния свят на нанотехнологиите, трябва да добием представа за мерните единици. Сантиметър е една стотна от метър, милиметър е една хилядна част от метър, а микрометърът е една милионна част от метър, но всичко това все още е огромно в сравнение с наноразмера. А нанометър (Нм) е една милиардна част от метър, по-малка от дължината на вълната на видимата светлина и сто хилядна от ширината на човешката коса [източник: Berkeley Lab].

Колкото и малък да е нанометърът, той все още е голям в сравнение с атомната скала. Атом има диаметър около 0,1 nm. Ядрото на атома е много по-малко - около 0,00001 nm. Атомите са градивните елементи за цялата материя в нашата Вселена. Вие и всичко около вас сте изградени от атоми. Природата усъвършенства науката за производството на материя молекулярно. Например телата ни са сглобени по специфичен начин от милиони живи клетки. Клетките са наномашините на природата. В атомната скала елементите са на най-основното си ниво. В наноразмер, ние потенциално можем да поставим тези атоми, за да направим почти всичко.

В лекция, наречена „Малките чудеса: Светът на нанонауката“, носителят на Нобеловата награда д-р Хорст Щьормер каза, че наноразмерът е по-интересен от атомната скала, тъй като наноразмерът е първата точка, в която можем да съберем нещо - не е, докато не започнете да сглобявате атоми, че можем да направим всичко полезно.

В тази статия ще научим какво означава нанотехнологиите днес и какво може да има бъдещето на нанотехнологиите. Ще разгледаме и потенциалните рискове, които идват при работа на наноразмер.

В следващия раздел ще научим повече за нашия свят на наноразмер.

Светът на нанотехнологиите

Инженер подготвя силициева вафла в ранен етап на производство на микрочип.

Инженер подготвя силициева вафла в ранен етап на производство на микрочип.

-Експертите понякога не са съгласни какво представлява наноразмерът, но като цяло можете да мислите за нанотехнологии, занимаващи се с всичко с размери между 1 и 100 nm. По-голям от това е микромащабът и по-малък от него е атомната скала.

Нанотехнологиите бързо се превръща в интердисциплинарно поле. Биолозите, химиците, физиците и инженерите участват в изследването на веществата на наноразмер. Д-р Щермер се надява различните дисциплини да развият общ език и да общуват помежду си [източник: Störmer]. Само тогава, казва той, можем ефективно да преподаваме нанонауки, тъй като не можете да разберете света на нанотехнологиите без солиден опит в множество науки.

Един от вълнуващите и предизвикателни аспекти на наноразмер е ролята, която квантовата механика играе в него. Правилата на квантовата механика са много различни от класическата физика, което означава, че поведението на веществата на наноразмер понякога може да противоречи на здравия разум, като се държи нередно. Не можете да стигнете до стена и веднага да се телепортирате от другата страна на нея, но при наноразмер, електронът може - нарича се електронно тунелиране, Вещества, които са изолатори, което означава, че те не могат да носят електрически заряд, в насипна форма могат да станат полупроводници, когато се сведат до наноразмер. Точките на топене могат да се променят поради увеличаване на повърхността. Голяма част от нанонауката изисква да забравите това, което знаете и да започнете да научавате всичко отначало.

И така, какво означава всичко това? В момента това означава, че учените експериментират с вещества на наноразмер, за да научат за техните свойства и как може да можем да се възползваме от тях в различни приложения. Инженерите се опитват да използват проводници с наноразмери, за да създадат по-малки, по-мощни микропроцесори. Лекарите търсят начини за използване на наночастици в медицински приложения. Все пак ни предстои дълъг път, преди нанотехнологиите да доминират на технологичните и медицинските пазари.

В следващия раздел ще разгледаме две важни нанотехнологични структури: нанопроводници и въглеродни нанотръби.

В крайна сметка това е малък свят

В наноразмерите обектите са толкова малки, че не можем да ги видим - дори със светлинен микроскоп. Нанонауците трябва да използват инструменти като сканиращи тунелни микроскопи или микроскопи с атомна сила да наблюдавате каквото и да било на наноразмерите. Сканиращите тунелни микроскопи използват слаб електрически ток за сондиране на сканирания материал. Микроскопите с атомна сила сканират повърхности с невероятно фин връх. И двата микроскопа изпращат данни до компютър, който може да събере информацията и да я проектира графично върху монитор [източник: Encyclopædia Britannica].

Нанопроводни и въглеродни нанотръби

Как работи нанотехнологиите: могат

Понастоящем учените откриват две наноразмерни структури от особен интерес: наножици и въглеродни нанотръби, Нанопроводите са проводници с много малък диаметър, понякога малък като 1 нанометър. Учените се надяват да ги използват за изграждане на малки транзистори за компютърни чипове и други електронни устройства. През последните няколко години въглеродните нанотръби засенчиха нанопроводниците. Все още научаваме за тези структури, но това, което научихме досега, е много вълнуващо.

Въглеродна нанотръба е цилиндър с нано размер с въглеродни атоми. Представете си лист въглеродни атоми, който би приличал на лист шестоъгълници. Ако навиете този лист в епруветка, ще имате въглеродна нанотръба. Свойствата на въглеродните нанотрубки зависят от начина на навиване на листа. С други думи, въпреки че всички въглеродни нанотръби са направени от въглерод, те могат да бъдат много различни една от друга въз основа на това как подравнявате отделните атоми.

С правилното разположение на атомите можете да създадете въглеродна нанотръба, която е стотици пъти по-здрава от стоманата, но шест пъти по-лека [източник: Екологът]. Инженерите планират да направят строителни материали от въглеродни нанотръби, особено за неща като автомобили и самолети. По-леките превозни средства биха означавали по-добра горивна ефективност, а добавената сила означава повишена безопасност на пътниците.

Въглеродните нанотръби могат също да бъдат ефективни полупроводници с правилното разположение на атомите. Учените все още работят по намирането на начини да превърнат въглеродните нанотръби в реалистичен вариант за транзисторите в микропроцесорите и друга електроника.

В следващия раздел ще разгледаме продуктите, които се възползват от нанотехнологиите.

Графит срещу диаманти

Каква е разликата между графит и диаманти? И двата материала са изработени от въглерод, но и двата имат значително различни свойства. Графитът е мек; диамантите са твърди. Графитът провежда електричество, но диамантите са изолатори и не могат да провеждат електричество. Графитът е непрозрачен; диамантите обикновено са прозрачни. Графитът и диамантите имат тези свойства поради начина, по който въглеродните атоми се свързват заедно на наноразмера.

Продукти с нанотехнологии

Съставки като цинков оксид могат да оставят бял блясък след себе си. Но слънцезащитните кремове с наночастици от цинков оксид се търкат върху прозрачни.

Съставки като цинков оксид могат да оставят бял блясък след себе си. Но слънцезащитните кремове с наночастици от цинков оксид се търкат върху прозрачни.

Може да се изненадате да разберете колко продукти на пазара вече се възползват от нанотехнологиите.

Как работи нанотехнологиите: като

Инженерите на Bridgestone разработиха този течен прахообразен дисплей с бърз отговор, гъвкав цифров екран, използвайки нанотехнологии.
  • Слънцезащитните - Много слънцезащитни кремове съдържат наночастици цинков оксид или титанов оксид. По-старите слънцезащитни формули използват по-големи частици, което е, което дава на повечето слънцезащитни техния белезникав цвят. По-малките частици са по-малко видими, което означава, че когато втривате слънцезащитния крем в кожата си, това не ви придава белезникав оттенък.
  • Самопочистващо се стъкло - Компания, наречена Pilkington, предлага продукт, който наричат ​​Activ Glass, който използва наночастици за направата на стъклото Фотокаталитичен и хидрофилен, Фотокаталитичният ефект означава, че когато UV лъчението от светлина удари стъклото, наночастиците се захранват и започват да се разграждат и разхлабват органични молекули върху стъклото (с други думи мръсотия). Хидрофилно означава, че когато водата осъществява контакт със стъклото, тя се разпределя равномерно по чашата, което помага да се измие стъклото чисто.
  • облекло - Учените използват наночастици, за да подобрят облеклото ви. Покривайки тъкани с тънък слой наночастици от цинков оксид, производителите могат да създават дрехи, които дават по-добра защита от UV лъчение. Някои дрехи имат наночастици под формата на малки косми или мустаци, които помагат за отблъскване на вода и други материали, което прави дрехите устойчиви на петна.
  • Устойчив на надраскване покрития - Инженерите откриха, че добавянето на наночастици от алуминиев силикат към устойчиви на надраскване полимерни покрития направи покритията по-ефективни, увеличавайки устойчивостта на струпване и надраскване. Устойчивите на драскотини покрития са често срещани за всичко - от автомобили до лещи за очила.
  • Антимикробни превръзки - Ученият Робърт Бъръл създаде процес за производство на антибактериални превръзки, използвайки наночастици сребро. Сребърните йони блокират клетъчното дишане на микробите [източник: Burnsurgery.org]. С други думи среброто задушава вредните клетки, убивайки ги.

[източник: Екологът]

Нови продукти, включващи нанотехнологии, излизат всеки ден. На пазара се предлагат устойчиви на бръчки тъкани, козметика с дълбоко проникване, дисплеи с течни кристали (LCD) и други удобства, използващи нанотехнологиите. Преди дълго ще видим десетки други продукти, които се възползват от нанотехнологиите, вариращи от микропроцесори на Intel до био-nanobatteries, кондензатори с дебелина само няколко нанометра. Въпреки че това е вълнуващо, това е само върхът на айсберга, доколкото нанотехнологиите могат да ни повлияят в бъдеще.

В следващия раздел ще разгледаме някои от невероятните неща, които нанотехнологиите могат да имат за нас.-

Тенис, някой?

Нанотехнологиите оказват голямо влияние върху света на тениса. През 2002 г. компанията за тенис ракети Babolat представи ракета VS Nanotube Power. Те направиха ракетата от графит, напоен с въглеродни нанотръби, което означава, че ракетката е много лека, но многократно по-силна от стомана. Междувременно производителят на тенис топка Уилсън представи тенис топката Double Core. Тези топчета имат покритие от глинени наночастици върху вътрешната сърцевина. Глината действа като уплътнител, което прави много трудно въздухът да избяга от топката.

Бъдещето на нанотехнологиите

Как работи нанотехнологиите: нанотехнологиите

В света на "Стар Трек", наречени машини репликатори може да произведе практически всеки физически обект - от оръжия до чаша с чай на Ърл Грей. Дълго считан за продукт на научната фантастика, днес някои хора смятат, че репликаторите са много реална възможност. Наричат ​​го молекулярно производствои ако някога това стане реалност, това може драстично да промени света.

Атомите и молекулите се слепват, защото имат допълващи се форми, които се заключват, или заряди, които привличат. Подобно на магнитите, положително заредният атом ще се придържа към отрицателно зареден атом. Тъй като милиони от тези атоми се смесват от наномашини, конкретен продукт ще започне да се оформя. Целта на молекулярното производство е да се манипулират атомите поотделно и да се поставят по образец, за да се получи желана структура.

Първата стъпка ще бъде разработването на наноскопични машини, наречени монтажници, че учените могат да програмират да манипулират атоми и молекули по желание. Професорът от университета Райс Ричард Смали посочва, че ще са необходими една наноскопична машина милиони години, за да се събере значимо количество материал. За да бъде молекулярното производство практично, ще ви трябват трилиони асемблери, които работят заедно. Ерик Дрекслер вярва, че асемблерите първо могат да се повторят, изграждайки други асемблери. Всяко поколение би изградило друго, което води до експоненциален растеж, докато няма достатъчно асемблери, които да произвеждат обекти [източник: Ray Kurzweil].

Това съдържание не е съвместимо на това устройство.

Асемблерите може да имат движещи се части като наногероите в тази концепция.

Трилиони асемблери и репликатори могат да запълнят площ, по-малка от кубически милиметър, и все още могат да бъдат твърде малки, за да можем да ги видим с просто око. Асемблерите и репликаторите могат да работят заедно, за да конструират автоматично продукти и в крайна сметка биха могли да заменят всички традиционни методи на труд. Това може значително да намали производствените разходи, като по този начин ще направи потребителските стоки изобилни, по-евтини и по-силни. В крайна сметка бихме могли да успеем да повторим всичко, включително диаманти, вода и храна. Гладът може да бъде ликвидиран от машини, които измислят храни, за да хранят гладните.

Нанотехнологиите могат да имат най-голямото влияние върху медицинската индустрия. Пациентите ще пият течности, съдържащи нанороботи, програмирани да атакуват и реконструират молекулната структура на раковите клетки и вируси. Има дори спекулации, че нанороботите могат да забавят или обърнат процеса на стареене, а продължителността на живота може да се увеличи значително. Нанороботите също могат да бъдат програмирани да извършват деликатни операции - такива nanosurgeons може да работи на ниво хиляда пъти по-прецизно от най-острия скалпел [източник: International Journal of Surgery]. Работейки в такъв малък мащаб, наноробот може да оперира, без да оставя белезите, които прави конвенционалната хирургия. Освен това, нанороботите могат да променят физическия ви вид. Те могат да бъдат програмирани да извършват козметична хирургия, като пренареждат атомите си, за да променят ушите, носа, цвета на очите или всяка друга физическа функция, която искате да промените.

Нанотехнологиите имат потенциал да окажат положителен ефект върху околната среда. Например, учените могат да програмират нанороботи във въздуха, за да възстановят оредящия озонов слой. Нанороботите могат да отстранят замърсителите от водоизточници и да почистят нефтените разливи. Производство на материали с помощта на отдолу нагоре метод на нанотехнологиите също създава по-малко замърсяване от конвенционалните производствени процеси. Зависимостта ни от невъзобновяемите ресурси би намалила с нанотехнологиите. Изсичането на дървета, добиването на въглища или сондирането на петрол може да не е необходимо вече - наномашините могат да произвеждат тези ресурси.

Много експерти по нанотехнологии смятат, че тези приложения са далеч извън сферата на възможностите, поне в обозримо бъдеще. Те предупреждават, че по-екзотичните приложения са само теоретични. Някои се притесняват, че нанотехнологиите ще завършат като виртуална реалност - с други думи, свръх заобикалящата нанотехнология ще продължи да се развива, докато ограниченията на полето не станат обществени знания и тогава интересът (и финансирането) бързо ще се разсее.

В следващия раздел ще разгледаме някои от предизвикателствата и рисковете от нанотехнологиите.

Колко ново е нанотехнологията?

През 1959 г. физикът и бъдещият носител на Нобелова награда Ричард Фейнман изнася лекция пред Американското физическо общество, наречена „Има много място в дъното“. Фокусът на речта му беше върху областта на миниатюризацията и как той вярва, че човекът ще създава все по-малки, мощни устройства.

През 1986 г. К. Ерик Дрекслер пише „Двигатели на сътворението“ и въвежда термина нанотехнология. Научните изследвания наистина се разшириха през последното десетилетие. Изобретателите и корпорациите не изостават - днес повече от 13 000 патента, регистрирани в Патентното ведомство на САЩ, имат думата „нано“ в тях [източник: Служба за патенти и търговски марки в САЩ].

Нанотехнологични предизвикателства, рискове и етика

Как работи нанотехнологиите: нанотехнологиите

Най-непосредственото предизвикателство в нанотехнологиите е, че трябва да научим повече за материалите и техните свойства на наноразмерите. Университети и корпорации по света стриктно изучават как атомите се вписват заедно, за да образуват по-големи структури. Все още научаваме как квантовата механика въздейства върху веществата на наноразмер.

Тъй като елементите на наноразмерите се държат по-различно, отколкото в насипната си форма, има опасения, че някои наночастици могат да бъдат токсични. Някои лекари се притесняват, че наночастиците са толкова малки, че лесно биха могли да преминат кръвно-мозъчна бариера, мембрана, която предпазва мозъка от вредни химикали в кръвта. Ако планираме да използваме наночастици, за да покрием всичко от облеклото си до нашите магистрали, трябва да сме сигурни, че те няма да ни отровят.

Тясно свързана с бариерата на знанието е техническата бариера. За да се сбъднат невероятните прогнози относно нанотехнологиите, трябва да намерим начини за масово производство на продукти с наноразмери като транзистори и нанопроводници. Въпреки че можем да използваме наночастици, за да изградим неща като тенис ракети и да правим тъкани без бръчки, все още не можем да направим наистина сложни микропроцесорни чипове с нанопроводници.

Съществуват и сериозни социални опасения относно нанотехнологиите. Нанотехнологиите може също да ни позволят да създадем по-мощни оръжия, както летални, така и не-летални. Някои организации са загрижени, че ще разгледаме само етичните последици от нанотехнологиите в оръжието, след като тези устройства са изградени. Те призовават учените и политиците да проучат внимателно всички възможности на нанотехнологиите, преди да проектират все по-мощни оръжия.

Ако нанотехнологиите в медицината ни позволяват да се усъвършенстваме физически, това етично ли е? На теория медицинската нанотехнология може да ни направи по-умни, по-силни и да ни даде други способности, вариращи от бързо изцеление до нощно виждане. Трябва ли да преследваме такива цели? Можем ли да продължим да се наричаме хора или щяхме да станем трансхуманни - следващата стъпка по еволюционния път на човека? Тъй като почти всяка технология започва като много скъпа, означава ли това, че ще създадем две раси от хора - богата раса от модифицирани хора и по-бедна популация от непроменени хора? Нямаме отговори на тези въпроси, но няколко организации настояват нанологистите да разгледат тези последици, преди да стане твърде късно.

Не всички въпроси включват промяна на човешкото тяло - някои се занимават със света на финансите и икономиката. Ако молекулярното производство стане реалност, как това ще се отрази на световната икономика? Ако приемем, че можем да изградим всичко необходимо с едно натискане на бутон, какво се случва с всички производствени задачи? Ако можете да създадете нещо с помощта на репликатор, какво се случва с валутата? Бихме ли преминали към изцяло електронна икономика? Ще ни трябва ли дори пари?

Дали всъщност ще трябва да отговорим на всички тези въпроси е въпрос на дебат. Много експерти смятат, че притесненията като сив гьо и трансхумани са в най-добрия случай преждевременни и вероятно не са необходими. Въпреки това нанотехнологиите определено ще продължат да ни въздействат, докато научим повече за огромния потенциал на наноразмерите.

За да научите повече за нанотехнологиите и други теми, следвайте връзките на следващата страница.

Апокалиптичен Goo

Ерик Дрекслер, човекът, въвел думата нанотехнологии, представи плашеща апокалиптична визия - самовъзпроизвеждащи се нанороботи неправилно функционират, дублират се трилион пъти повече, бързо консумират целия свят, докато теглят въглерод от околната среда, за да изграждат повече от себе си. Нарича се "сиво гьо"сценарий, при който синтетично устройство с наноразмер замества всички органични материали. Друг сценарий включва наноустройства, изработени от органичен материал, изтриващ Земята - "зелено го" сценарий.


Видео Добавка: Нано-лечение за болните сгради | Божидар Стефанов | TEDxSofia.




Изследване


Ще Се Осъзнае Ли Ai Някога?
Ще Се Осъзнае Ли Ai Някога?

3D-Отпечатани Кръвоносни Съдове Могат Да Се Използват За Трансплантации
3D-Отпечатани Кръвоносни Съдове Могат Да Се Използват За Трансплантации

Наука Новини


Котките Ли Са По-Умни От Кучетата?
Котките Ли Са По-Умни От Кучетата?

Бъдещето На Вкуса: Последователността На Генетичния Код На Ягодите
Бъдещето На Вкуса: Последователността На Генетичния Код На Ягодите

Физиците Изграждат Най-Съвършената Снежинка В Света
Физиците Изграждат Най-Съвършената Снежинка В Света

Открита В Норвегия Шахматна Фигура На 800 Години
Открита В Норвегия Шахматна Фигура На 800 Години

В Снимки: Невероятни Руини На Древния Свят
В Снимки: Невероятни Руини На Древния Свят


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com