Застосування нанотехнологій у різних галузях народного господарства

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ

ГОУВПО «Удмуртська ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

ІНСТИТУТ ЕКОНОМІКИ І УПРАВЛІННЯ

КАФЕДРА РЕГІОНАЛЬНОЇ І МУНІЦИПАЛЬНОЇ ЕКОНОМІКИ

Контрольна робота

з дисципліни

«Техніка і технології»

на тему:

«Застосування нанотехнологій у різних галузях народного господарства»

Виконав: Килина А.В.

Перевірила: доцент кафедри Ріме

Костіцина А.А.

Іжевськ, 2009

План

Введення

  1. Нанохімія та наноматеріали

  2. Наноелектроніка

  3. Інструменти нанотехнології

  4. Наномедицина

Висновок

Введення

Нанотехнології - це "найвищі" технології, на розвиток яких провідні економічні держави витрачають сьогодні мільярди доларів. За прогнозами вчених нанотехнології в XXI столітті зроблять таку ж революцію в маніпулюванні матерією, яку в ХХ виробили комп'ютери в маніпулюванні інформацією ", а їх розвиток змінить життя людства більше, ніж освоєння писемності, парової машини або електрики.

Словники дохідливо пояснюють: «Нанотехнологія - область прикладної науки і техніки, що займається вивченням властивостей об'єктів і розробкою пристроїв розмірів порядку нанометра». А нанометр - це всього лише міліметр, поділений на мільйон.

Письменник-фантаст і вчений Ерік Дрекслер, перу якого належить фундаментальна праця «Машини творення», вважається піонером нанотехнологій. У цій своїй роботі він згадує проблему так званих "мімів" - відтворюються уявних структур, чи ідей, схильних, подібно до живих істот, законам еволюції, а саме: боротьбі за існування і прагненню до розмноження.

Дрекслер належить наступне твердження: «приклади мімів - це ідеї, загальновживані вирази, мода в одязі, мелодії, способи виробництва горщиків і будівлі арок. Точно так само, як гени розмножуються в середовищі генів, перескакуючи від тіла до тіла (від покоління до покоління) через сперматозоїди і яйцеклітини, міми розмножуються в середовищі мімів, перескакуючи з мозку в мозок за допомогою процесу, який у широкому сенсі може називатися імітацією.

Міми копіюються, тому що люди вчаться і вчать інших. Вони змінюються, тому що люди створюють нові ідеї і неправильно витлумачують старі. Вони піддаються відбору (частково), тому що люди не вірять або повторюють все, що чують. Так само як особини одного виду конкурують за обмежені простір і ресурси, так і міми повинні конкурувати за обмежений ресурс - людську увагу і зусилля ». Оскільки міми формують поведінку, їх успіх або невдача - це життєво важливе питання. Нанотехнологія покликана сверхточно маніпулювати індивідуальними атомами й молекулами. Вона змінить наш світ більше, ніж ми можемо собі уявити. Наномашини повинні вміти захоплювати атоми або молекули і з'єднувати їх між собою, причому не хаотично, а відповідно до заданого алгоритму. Важливо відзначити, що такі машини вже тисячі років чудово функціонують в природі, і прикладом їхньої роботи може слугувати механізм синтезу білка рибосомами.

Генні інженери, сьогодні, намагаються побудувати перші експериментальні штучні наномашини, використовуючи біологічний природний матеріал: амінокислоти, білки, молекули ДНК і ін Однак, біоподобні наномашини (і все, що вони можуть створити) - це органіка, а значить, їх можливості обмежені. Вони втрачають стабільність або руйнуються при підвищених температурах і тиску (відбувається згортання білка), схильні до радіації, не можуть обробляти твердий матеріал, діяти в хімічно агресивних середовищах і т.п.

У той же час без біоподобні структур дуже важко маніпулювати окремими атомами й молекулами. Тому наномашини-асемблери повинні представляти собою синтез живих і технічних систем. Дрекслер дає асемблеру наступне визначення: «Асемблер - це молекулярна машина, здатна до самореплікаціі (розмноження), яка може бути запрограмована будувати практично будь-яку молекулярну структуру або пристрій з більш простих хімічних будівельних блоків». Головне завдання асемблера - з'єднання атомів і молекул у заданому порядку. Він повинен вміти будувати наносистеми будь-якого призначення - двигуни, верстати, обчислювальні пристрої, засоби зв'язку і т.д. Реплікатор - це об'єкт, який здатний сам себе скопіювати, включаючи будь-які зміни, яким він міг зазнати (подібно гену, МІМу або комп'ютерному вірусу). Реплікується (розмножується шляхом створення своєї копії) асемблер по команді макрокомпьютера або залежно від оточення.

Таким чином, створивши один єдиний універсальний асемблер, здатний створювати копію себе, ми через кілька годин отримаємо цілу армію цих крихт, які в буквальному сенсі слова змінять наше життя. Найбільшою проблемою асемблерів є складність їх первісного конструювання. Тим не менш, лабораторії всіх світових держав борються за право бути першими у цьому революційному прорив.

Можливості використання нанотехнологій невичерпні: від «проживають» в організмі нанокомп'ютер, що вбивають ракові клітини і ремонтують пошкоджені тканини і органи, до автомобільних двигунів, не забруднюють навколишнє середовище.

  1. Нанохімія та наноматеріали

Сьогодні вчені вміють отримувати наноструктури практично всіх хімічних елементів, що дає величезну свободу для досліджень. Останнім часом стало відомо, що наночастинки срібла набагато краще вбивають бактерії, ніж срібло в компактному стані, що робить їх корисними для очищення води та боротьби з інфекціями. На сьогоднішній день наночастинки є найбільш вивченою областю нанохімії.

Властивості наносистем настільки відрізняються від властивостей макроскопічних кількостей тих же речовин, що їх вивчає особливу науковий напрям під назвою фізикохімія наносистем або нанохімія.

Активно розвиваючись в останні десятиліття, нанохімія займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх одержання, вивчення та модифікації.

Одна з пріоритетних завдань нанохімії - встановлення зв'язку між розміром наночастинки та її властивостями. Для промислового отримання наночастинок існує багато способів: біохімічний, радіаційно-хімічний, фотохімічний, електропідривної, мікроемульсійний, детонаційної, лазерна абляція в рідині, конденсація, вакуумне випаровування, іонна імплантація та ін

Оскільки нанохімія - наука порівняно молода, поки немає ні єдиної термінології, ні класифікації того, що вона вивчає. Більше того: можна сказати, що класифікацій стільки ж, скільки вчених. Щодо загальновизнаним вважається, що нанохімія досліджує отримання і властивості різних наносистем. Під наносистеми тут розуміється завись наночастинок розміром не більше 100 нм в деякому середовищі. При цьому самі наночастинки слід розуміти як системи, що складаються з ще дрібніших одиниць - кластерів - мінімальних будівельних «цеглинок» речовини. Розмір кластера не перевищує 10 нм. Саме на рівні кластерів активно проявляються всілякі квантові ефекти.

Нанотрубка - це порожня усередині молекула, що складається з порядку 1.000.000 атомів вуглецю і представляє собою одношарову трубку діаметром близько нанометра і довжиною в кілька десятків мікрон. На її поверхні атоми вуглецю розташовані в вершинах правильних шестикутників.

Дивовижні властивості нанотрубок допомагають їм накопичувати і зберігати водень - екологічне паливо автомобілів майбутнього. Для вироблення електроенергії в двигунах на паливних осередках використовується реакція водню (H2) і кисню (O2). При цьому вихлоп автомобіля складається з водяної пари (H2O). Раніше виробники не могли й подумати про таких автомобілях, тому що водень - найлегший у світі газ, і кілька кілограм водню - це вже величезний балон. Автолюбителі не стали б тягати з собою гігантський міхур і надувати його на бензоколонках. Але нанотрубки з наночастинками паладію можуть компактно зберігати водень в тисячі разів більше свого об'єму, а значить, зроблять автомобілі більш потужними, дешевими та екологічними.

Компанія Toyota ще в 2001 приступила до випробувань такого автомобіля. Очікується, що до 2010 року японські компанії випустять 50.000 машин на паливних осередках, а до 2020 року - вже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells і ChevronTexaco відкрили в Каліфорнії експериментальну водневу станцію, яка буде заправляти 5 машин Hyundai і Kia на водневих паливних елементах. Подальший розвиток технології паливних осередків дозволить зберігати в них у сотні і тисячі разів більше енергії, ніж у сучасних батарейках. Є всі підстави вважати, що нанотехнологія зробить термоядерні прилади компактними і дешевими. Автомобілі зможуть роками їздити без дозаправки воднем, а стільниковому телефону і ноутбука зарядний пристрій взагалі не знадобиться.

Більшість наносистем, одержуваних промисловими методами, нестабільні, і якщо не створити необхідних умов для їх консервації, вони будуть прагнути повернутися в своє компактне стан. Але як же тоді пояснити стабільність деяких наночастинок, наприклад, фулеренів і нанотрубок? Адже незважаючи на свої нанометрові розміри, вони чудово існують і «поодинці», аж ніяк не прагнучи об'єднуватися із собі подібними. Зважаючи на цій унікальній особливості, фулерени, нанотрубки і деякі інші наночастки були названі «магічними», а числа входять в них атомів - «магічними числами». Всі атоми «магічних» наночастинок міцно пов'язані між собою, що надає їм необхідну стабільність.

Як вже зазначалося, властивості у наночастинки срібла насправді унікальні. По-перше, це феноменальна бактерицидна і антивірусна активність. Про антимікробних властивості, властивих іонів срібла, людству відомо вже дуже давно. На відміну від антибіотиків, які вбивають не тільки шкідливі віруси, але і уражені ними клітини, дію наночастинок дуже вибірково: вони діють тільки на віруси, клітка при цьому не пошкоджується! Справа в тому, що оболонка мікроорганізмів складається з особливих білків, які при ураженні наночастинками перестають постачати бактерію киснем. Нещасний мікроорганізм більше не може окислювати своє «паливо» - глюкозу, і гине, залишившись без джерела енергії. Віруси, які взагалі не мають ніякої оболонки, теж отримують своє при зустрічі з наночасткою. А от клітини людини і тварин мають більш «високотехнологічні» стінки, і наночастки їм не страшні.

На даний момент проводяться дослідження можливостей використання наночастинок срібла у фармацевтичних препаратах. Але вже зараз вони знаходять величезну кількість застосувань.

Наприклад, фірма «Геліос» випускає зубну пасту «Знахар» з наночастинками срібла, ефективно захищає від різних інфекцій. Також невеликі концентрації наночастинок додають у деякі креми із серії "елітної" косметики для запобігання їх псування під час використання. Добавки на основі срібних наночастинок застосовуються як антиалергенного консерванту в кремах, шампунях, косметичних засобах для макіяжу і т.д. При використанні спостерігається також протизапальний і загоює ефект.

Тканини, модифіковані срібними наночастинками, є, по суті, самодезінфіцірующіміся. На них не може «ужитися» жодна хвороботворна бактерія або вірус. Наночастки не вимиваються з тканини при пранні, а ефективний термін їхньої дії становить більше шести місяців, що говорить про практично необмежені можливості застосування такої тканини в медицині та побуті. Матеріал, що містить наночастки срібла, незамінний для медичних халатів, постільної білизни, дитячого одягу, антигрибковой взуття та т.д., і т.п.

Наночастки здатні довго зберігати бактерицидні властивості після нанесення на багато тверді поверхні (скло, дерево, папір, кераміка, оксиди металів та ін.) Це дозволяє створити високоефективні дезинфікуючі аерозолі тривалого терміну дії для побутового застосування. На відміну від хлорки та інших хімічних засобів знезаражування, аерозолі на основі наночасток не токсичні і не шкодять здоров'ю людей і тварин.

Люди завжди шукали способи боротьби з інфекціями, що передаються повітряно-крапельним шляхом - на грип, туберкульоз, менінгітами, вірусним гепатитом і т. п. Але, на жаль, повітря в наших квартирах, офісах і особливо в місцях масового скупчення людей (лікарні, громадські установи, школи, дитячі сади, казарми, в'язниці і т. п.) перенасичений патогенними мікроорганізмами, що видихається зараженими людьми.

Традиційні способи профілактики не завжди справляються з цією проблемою, тому нанохімікі запропонували для його вирішення дуже елегантний спосіб: додати в лакофарбові матеріали, що покривають стіни закладів, наночастинки срібла. Як виявилося, на пофарбованих такими фарбами стінах і стелях не може «жити» більшість патогенних мікроорганізмів.

Наночастки, додані у вугільні фільтри для води, практично не вимиваються з нею, як це відбувається у випадку звичайних срібних іонів. Це говорить про те, що термін дії таких фільтрів буде незрівнянно більше, а якість очищення води зросте на порядок.

Крихітні, непомітні, екологічно чисті срібні наночастинки можуть застосовуватися скрізь, де необхідно забезпечити чистоту та гігієну: від косметичних засобів до знезараження хірургічних інструментів або приміщень. При цьому, як запевняють провідні російські вчені в даній області, вартість засобів і матеріалів, створених на їх основі, буде не набагато дорожче за традиційні аналоги, і з розвитком нанотехнологій вони стануть доступні кожному. Фірма Samsung вже додає наночастинки срібла в стільникові телефони, пральні машини, кондиціонери та іншу побутову техніку.

  1. Наноелектроніка

Як відомо, всі речовини складаються з атомів, з'єднаних хімічними зв'язками, багато в чому визначають їх фізико-хімічні властивості, зокрема, електропровідність. Так, наприклад, сіль або дерево не проводять струм, будучи ідеальними діелектриками, в той час як металевий дріт служить чудовим провідником струму.

Довгий час основними матеріалами мікроелектроніки вважалися кремній - основа чіпів, і мідь, використовувана в струмопровідних доріжках і контактах. Пластмасовим в комп'ютері був хіба що корпус монітора. Однак прогрес не стоїть на місці, і останнім часом все більшу популярність завойовують провідні полімери, яким, за прогнозами матеріалознавців, в найближчі роки має відбутися стати чи не основною сировиною для виробництва напівпровідникової техніки. Але перш ніж говорити про електропровідності таких речовин, давайте згадаємо, що ж таке полімери взагалі.

Полімери - це величезні молекули-ланцюжка (макромолекули), що складаються з великого числа багаторазово повторюваних однотипних молекул-ланок (мономерів). Грецька приставка «полі», означає «багато». Типовим полімером є вже знайома нам молекула білка, що складається із сотень молекул амінокислот. У природі полімери зустрічаються на кожному кроці. Вони - важлива частина будь-якого мікроорганізму, рослини, тварини. Наприклад, целюлоза, крохмаль, каучук, природні смоли - приклади полімерів рослинного світу. У людському організмі також чимало полімерів: м'язи, шкіра, волосся та ін

До недавнього часу полімери створювала тільки природа. Але в 20-х роках минулого століття людина дізналася її секрет і навчився синтезувати їх самостійно. Штучні полімери міцно увійшли в наш побут під виглядом таких звичних речовин, як поліетилен, капрон, нейлон та інші види пластмас. Сьогодні завдяки своїм цінним властивостям пластмаси всюди замінюють деревину, метал, скло. Пластмаси не бояться вологи і їдких кислот, не схильні до іржі та гнилі і до того ж виготовляються з дешевого вуглеводневої сировини.

Змінюючи довжину і способи переплетення ланцюжків-полімерів, можна управляти міцністю і еластичністю пластмас. Варто до ланцюжка додати ще хоча б одна ланка або ввести невелику кількість домішок - і у полімеру з'являються нові властивості. Одні пластмаси за міцністю порівнянні з найкращої сталлю, інші еластичніший гуми, треті прозорі, як кришталь, але не розбиваються. Одні пластмаси миттєво руйнуються під дією тепла, інші здатні витримувати дуже високу температуру. Знаючи все це, вчені на сьогоднішній день створили сотні тисяч різних синтетичних полімерів. Відмітною властивістю синтетичних полімерів до недавнього часу вважалося їх нульова електропровідність. Всі звичні типи пластмас є хорошими діелектриками завдяки міцним ковалентним зв'язкам, що створює макромолекулярні з'єднання.

Однак епохальне досягнення трьох нобелівських лауреатів 2000 року - Алана МакДайарміда (США), Алана Хігер (США) і Хідекі Ширакава (Японії) - круто змінило загальноприйняту точку зору. Цим ученим вперше вдалося перетворити пластмасу в електричний провідник. Студент Ширакава якось помилково додав занадто багато каталізатора, в результаті чого безбарвний пластик раптом став відбивати світло подібно сріблу, і це навело на думку про те, що він перестав бути ізолятором. Подальші дослідження привели до відкриття полімеру з провідністю, в десятки мільйонів разів перевершує звичайний пластик. Це відкриває шлях до нової електроніці ХХI століття, заснованої на органічних матеріалах. Адже органічні матеріали легше і гнучкіша традиційного кремнію, їм простіше надати потрібну форму, в тому числі і тривимірну.

На провідних полімерах заснована молекулярна електроніка. Наприклад, вчені з університету Арізони створили обмежувач напруги з семи анілінових фрагментів. Розробляються молекулярні транзистори, конденсатори, діоди. Американська компанія Superconnect розробила матеріал, який в майбутньому допоможе прискорити передачу даних в Інтернеті в сто разів! Це особливий полімер, що дозволяє управляти потоками світла за допомогою інших потоків (тобто чисто фотонний транзистор).

Вже на початку нашого століття з'явилися серйозні перешкоди на шляху розвитку електроніки. Один з можливих шляхів подальшого прогресу - розробка мініатюрних інтегральних пристроїв, в яких роль електронів частково або повністю передана фотонам. Це повинно привести до створення обчислювальної техніки, що перевершує за швидкодією та інформаційної ємності сучасні електронні пристрої. Для реалізації приладів з квантової зв'язком або пристроїв оптичної обробки інформації можуть бути використані квантові площині на основі безлічі чергуються надтонких (товщиною в один атом) напівпровідникових плівок. Заміна електронів на фотони породило новий напрям в електроніці - нанофотоніки.

Перспективний напрямок розвитку нанотехніки, відзначене ще Еріком Дрекслером, - перехід, як це не здається парадоксальним, від електронних пристроїв до механічних комп'ютерів. Звичайний механічний комп'ютер з елементами макроскопічного масштабу, зрозуміло, дуже громіздкий і працює надзвичайно повільно. Однак з компонентами розміром в кілька атомів такий механічний комп'ютер виявився б у мільярди разів компактней сучасної мікроелектроніки. І хоча механічні сигнали передаються в 100 тис. разів повільніше, їм потрібно було б «долати» шлях в 1 млн. разів менший, ніж електронам в сучасних мікросхемах. Тому простий механічний нанокомп'ютер був би більш швидкодіючим.

Прототип такого пристрою вже існує. Компанією IBM створена дивовижна «багатоніжка», яка стала першим квантовим комерційним пристроєм зберігання даних.

  1. Інструменти нанотехнології

Головний інструмент нанотехнологій - його мозок. Отримуючи нову інформацію, ми аналізуємо, систематизуємо і осмислюємо її, і лише потім ставимо питання, шукаємо докази, формулюємо закони, висуваємо гіпотези і теорії. Тому величезну роль у пізнанні природи відіграють інструменти отримання інформації про неї, першими серед яких були наші дивовижні органи чуття: очі, вуха, ніс - самі по собі складні пристрої, гідні захоплення інженера. Адже знання про природу не самоціль, а теж свого роду інструменти, за допомогою яких людина вирішує різні завдання: від побудови будинку до польоту на Місяць. Але наукових знань теж недостатньо. Щоб скористатися ними, треба створити відповідну техніку, для чого знову-таки необхідні інструменти; спочатку ними була просто пара кошлатих рук.

Пізнання природи і розвиток інструментів глибоко взаємопов'язані. Чим досконаліше інструменти, тим більш точну інформацію ми можемо отримувати, тим вірогідніше наші знання про природу. Так, наприклад, до відкриття телескопа людині були недоступні відомості ні про форму, ні про структуру нашої Галактики. А до винаходу скануючих мікроскопів ніхто і не підозрював про існування унікальних вуглецевих сполук - фулеренів і нанотрубок. З іншого боку, більш досконале мислення дозволяє винаходити більш точні інструменти та прилади, деколи на порядки перевершують можливості існуючої технології. Так, багато винаходи видатного генія Леонардо да Вінчі (типу ланцюгового приводу чи шарикопідшипника) були теоретично цілком працездатні, проте ж не використовувалися в XVI столітті. Для їх реалізації була необхідна високоточна обробка деталей, яка хоч і не представляє складності сьогодні, але була абсолютно нереальна для тієї епохи. Проникнувши в невидимий світ атомів і молекул, ми ще гостріше потребуємо розвитку інструментів, здатних не тільки забезпечити отримання нової інформації, але і привести до приголомшливого прогресу в багатьох областях.

Як би людина не пишався своєю винахідливістю, все ж слід визнати, що в основі багатьох його досягнень лежать принципи, так чи інакше «підглянуті» у природи. Зокрема, мова йде про найпопулярніший інструменті вчених - мікроскопі.

Мікроскоп (від грец. "Micros"-малий, і "scopeo"-дивитись) - оптичний прилад для отримання збільшених зображень об'єктів, не видимих ​​неозброєним оком, надав по істині революційну дію на розвиток багатьох наук, і особливо, біології. Збільшення зображення відбувається за рахунок заломлення світла, що проходить крізь скляну лінзу, здатну в залежності від своєї форми фокусувати або розсіювати світловий пучок. Найпростішим приладом, що демонструє це явище, є звичайна лупа - плосковипуклих лінза. Один з перших мікроскопів сконструйований в 1609-1610 рр.. Галілеєм. Він складається з двох систем лінз - окулярa і об'ектівa. Об'єктив, розташований близько до зразка, створює перше збільшене зображення об'єкта, яке ще раз збільшується окуляром, який поміщають ближче до ока спостерігача.

З XVIII століття розвиток мікроскопії йшло головним чином по шляху поліпшення конструкції механічних частин. Удосконалення шліфування і підгонки лінз призвело до того, що мікроскопи початку XIX ст. давали збільшення до 1000 разів. Вивчення досі недоступних деталей будови тварин, рослин і грибів показало, що в основі всього живого лежить універсальне крихітне освіта - клітина.

Для вивчення нанооб'єктів дозволу оптичних мікроскопів (навіть використовують ультрафіолет) явно недостатньо. У зв'язку з цим в 1930-х рр.. виникла ідея використовувати замість світла електрони, довжина хвилі яких, як ми знаємо з квантової фізики, в сотні разів менше, ніж у фотонів.

Терезами, на яких можна зважувати тіла з масою в кілька мілі і мікрограм, давно вже нікого не здивуєш - вони використовуються в будь-якому шкільному кабінеті фізики. Але не можна безпосередньо зважити як дуже великий, так і дуже маленький об'єкти, оскільки для них не існує еталонних мер.В основі роботи нановесов лежить ефект, добре відомий з шкільної фізики: власна частота коливань пружини залежить від маси вантажу та її жорсткості.

Останнім часом бурхливий розвиток електронної, атомно-силової і тунельної мікроскопії, так само як і розвиток інформаційних технологій, призвело до того, що сьогодні спостереження за поведінкою окремих атомів стали доступні широкому колу дослідників.

У наносвіті діють інші величини: мільярдні частки метра і мільярдні частки секунди. Якщо б ми були нанометровими чоловічками, то обертання свердла бормашини в зубному кабінеті здавалося б нам таким же повільним, як звичайній людині - обертання Землі навколо Сонця. А адже Земля обертається не так вже й повільно - 30 км / с! А за той час, поки звичайний чоловік встиг би моргнути своїм «величезним» оком, ми б встигли заснувати і побудувати наноскопіческій Санкт-Петербург, такий же, як той, на спорудження якого у звичайних людей пішло близько 300 років!

Таким чином, нанометрові інструменти і маніпулятори, на відміну від сучасних макроскопічних, могли б бути дуже швидкими. Якщо рух великою і важкою «руки» макроскопічного робота-складальника займає секунди і витрачає кіловати енергії, то наноробот здатний перебирати своїми «рученятами» за мільярдні частки секунди, витрачаючи всього лише мільярдні частки ват. Крім того, промислова установка вагою всього 1 грам, як показують розрахунки, може мати більш 1017 наноманіпулятора. За допомогою такої установки ті ж батареечкі, які при макроскопічному підході нереально зібрати з атомів, можна буде штампувати десятками тисяч штук на секунду!

  1. Наномедицина

З розвитком біотехнології тісно пов'язане якісно новий напрямок медичної науки - молекулярна наномедицина. З нею пов'язують такі унікальні речі, як:

  • Лабораторії на чіпі;

  • Адресна доставка ліків до уражених клітин;

  • Нові бактерицидні та противірусні засоби;

  • Діагностика захворювань за допомогою квантових точок;

  • Нанороботи для ремонту пошкоджених клітин;

  • Нейроелектронние інтерфейси і багато іншого.

В даний час подібні проекти - вже не тільки плід уяви письменників-фантастів, а й реальні засоби сучасної медицини.

Було б здорово, якби лікарі або навіть самі пацієнти могли миттєво проводити найскладніші аналізи і отримувати результати протягом декількох хвилин! Уявіть собі, який приголомшливо компактною і ефективною могла б бути лабораторія, якщо б всі її простір (включаючи інструменти, столи, проходи, клавіатури, монітори, і т. д.) можна було б «стиснути» до розмірів звичайного мікрочіпа, а всі вироблені в ній людські дії з доставки, переміщенню та аналізу зразка повністю автоматизувати!

А тепер уявіть, що такі лабораторії вже існують! Називаються вони лабораторіями на чіпі. Один чіп розміром порядку 4х4 см може замінити цілий комплекс обладнання, необхідного для аналізу ДНК / РНК, встановлення спорідненості, визначення генетично модифікованих організмів, ранньої діагностики онкологічних захворювань, вивчення ефективності трансфекції клітин, кількісного визначення білків, визначення рівня експресії генів і багато чого іншого! При цьому така крихітка-лабораторія вміє аналізувати одночасно до 12 різних зразків, а час аналізу, який обіймав раніше тижня, скорочується до 15-30 хвилин.

Срібні наночастинки - не єдині наноматеріали, придатні для боротьби з бактеріями. Нещодавно вчені з Пітсбурзького університету створили нанокаталізатор, який виробляє вуглецеві нанотрубки однакового розміру і змушує їх збиратися в структуру, що нагадує килим. При додаванні до «килиму» різних біологічних агентів він змінює свій колір - від червоного до жовтого.

Найбільш дивним виявилося те, що цим «наноковром» можна вбивати різні мікроорганізми! У експерименті на бактеріях окремі нанотрубки «килима» проткнули їх клітинні мембрани, чим викликали загибель мікроорганізмів. «Наноковер» може бути використаний як біологічного детектора або бактерицидної поверхні у фільтрах для очищення води, повітря і т. д.

Щоб ліки було ефективним важливо, щоб його молекули потрапили до потрібних кліток: антидепресанти потрапили в мозок, протизапальні засоби - в місця запалень, антиракові препарати - в пухлину і т. д. Здатність молекул речовини потрапляти в тілі пацієнта туди, де вони необхідні, називається біологічної засвоюваністю.

Біологічна засвоюваність - камінь спотикання всієї сучасної фармацевтики. Більше 65% грошей, витрачених на розробку нових ліків, викидається на вітер з-за їх поганої засвоюваності. Один із способів поліпшити її - просто збільшити дозу ліків. Однак багато ліків токсичні, і збільшена доза може викликати у пацієнта важкі наслідки (а часом навіть вбити). Це особливо важливо для протиракових препаратів, які вбивають не тільки хворі, але й здорові клітини.

Тому сьогодні вченими всього світу ведуться активні роботи по адресній доставці ліків, які будуть точно потрапляти в ціль, не ушкоджуючи інших органів. Для цього намагаються створити якусь «транспортний засіб» для точної доставки ліків в клітку, тому що багато хвороб (не тільки рак) залежать від порушення внутрішньоклітинних механізмів, вплинути на які можна тільки доставивши ліки в клітку.

Пошук молекулярного транспорту почався у вісімдесяті роки, коли дослідники почали активно займатися генною інженерією. Зокрема, групі російських учених під керівництвом Олександра Соболєва вдалося розробити спеціальну макромолекулу-транспортер, здатну доставити ліки в дефектну клітку.

Досліди, які ставила група Соболєва на ракових клітинах, показали, що ефективність лікарської речовини, що доставляється макромолекулою-транспортером в ядро, при різних типах раку може зростати в 250-1000 разів, а це значить, що в стільки ж разів можна знизити дозу препарату , щоб викликати потрібний ефект.

Медиків і біологів надзвичайно цікавить, як переміщаються в організмі різні речовини (зокрема, ліки). Відстеження такого переміщення дозволяє їм визначити, як розподіляються і засвоюються в організмі нові препарати, тобто яка їхня біологічна засвоюваність. До недавнього часу для подібних досліджень застосовувалися різні барвники, звані маркерами, підмішуємо до досліджуваного речовини. Підфарбовані клітини були добре видно в оптичний мікроскоп на тлі безбарвних клітин організму, що дозволяло робити досить точні висновки про їх локалізації. Але органічні барвники, по-перше, можуть бути токсичними, а по-друге, для їх виявлення потрібно опромінення світлом лише певної частоти, оскільки різні барвники відображали різні частоти спектра. Отже, для одночасного дослідження декількох препаратів було потрібно стільки ж джерел світла. Дану проблему вдалося вирішити за допомогою нанотехнологій, а точніше - квантових точок.

Квантові точки - це напівпровідникові кристали нанометрового розміру, які мають унікальні хімічні і фізичні властивості, не характерні для тих же речовин в макромасштабі. Вченими були отримані унікальні флуоресцентні квантові точки, причому різного кольору. Ці точки дають набагато більш потужний відблиск світла, ніж традиційні барвники, і володіють особливим біоінертними покриттям, яке, з одного боку, захищає самі квантові точки від «нападу» ферментів та інших біологічних молекул, а з іншого - не дає можливості токсичних речовин потрапити в організм, що дуже важливо для діагностики захворювань. Крім того, різні групи таких нанометок можна висвітлювати одним загальним джерелом. Квантові точки широко застосовуються в діагностичних цілях. Зокрема, їх можна приєднувати до біомолекулами типи антитіл, пептидів, білків або ДНК. А ці комплекси, в ​​свою чергу, можуть бути спроектовані так, щоб виявляти інші молекули (наприклад, типові для поверхні ракових клітин).

Застосування квантових точок може істотно розширити діагностичні можливості медицини. Адже можна сконструювати сотні різновидів квантових точок, що з'єднуються в організмі з різними біомолекулами або антигенами, і таким чином знаходити ділянки зі специфічним поєднанням ознак захворювання.

Подальші плани дослідників ще привабливіше. Нові квантові точки, сполучені з набором біомолекул, будуть не тільки знаходити і показувати пухлини, а й здійснювати точну адресну доставку нових поколінь лекарств.Отискать еліксир безсмертя людство мріяло завжди. У Середні століття цією ідеєю були одержимі алхіміки, а в даний час вона лежить в основі нового філософської течії, що отримав назву Трансгуманізм, або імморталізм.

Все більш популярне сьогодні, трансгуманістіческое світогляд стверджує, що людський вид є не завершальним ланкою еволюції, а скоріше її початком. Трансгуманісти переконані, що недалекий той день, коли з розвитком науки і техніки люди зможуть радикально посилити свої інтелектуальні та фізичні можливості, перестануть вмирати від старості і хвороб і позбавлять весь світ від нещасть і страждань.

14 червня 1996 Кріс Фенікс - автор ідеї конвергентної нанофабриках, залишив на форумі повідомлення: «А що якщо замінити кров людини 500 трильйонами роботів?». Цей «божевільний» на перший погляд питання привів Фенікса до тривалої співпраці з Робертом Фрайтасом, результатом якого став 100-сторінкову працю під назвою "Roboblood" (робототехнічна кров), виданий у 2002 році.

"Roboblood" представляє собою детально розрахований проект комплексу медичних нанороботів, здатних жити і функціонувати в людському тілі, виконуючи найрізноманітніші функції крові, включаючи циркуляцію дихальних газів, глюкози, гормонів, відходів, клітинних компонентів, процес розподілу цитоплазми. Втім, для свого нанороботи учені придумали інший термін - васкулоід (від лат. Vas - судина і грец. Oidos - подібний). "Робокровь", куди входять близько 500 трильйонів мікроскопічних нанороботів загальною вагою приблизно 2 кг, споживає 30-200 Ватів енергії залежно від роду людської діяльності. Система відповідає формі кровоносних судин і може служити повною заміною природного кровоносній системі. Простіше кажучи, нанороботи утворюють кровоносну систему і функціонують в ній. Мається на увазі, що вони будуть зроблені з алмазоіда або іншого біосумісного матеріалу, а біологічне харчування отримуватимуть з глюкози і кисню.

Які ж переваги дає така роботизована кров звичайній людині? Можливостей, виявляється, безліч: це і боротьба з хвороботворними мікробами, і регулярна «чистка» та зміцнення судин, запобігає хвороби типу атеросклерозу, варикозного розширення вен і т. д., і автоматичне лікування пошкоджених клітин, і навіть заміна хворих генів здоровими.

Висновок

Все, що справляє людина, він виготовляє з природи. Можна навіть сказати, що людина лише переробляє те, що дає їй природа. І поки суспільство буде орієнтуватися на виключно споживчі цінності, загальний рівень людського побуту одних людей буде підвищуватися - інші ж (і природа) будуть гинути з прискоренням.

Наукові прориви в нанотехнології та створення нанотехнологічної промисловості майбутнього дасть людству принципово новий спосіб екологічно чистого «вирощування» продуктів з атомів і молекул, що допоможе вирішити проблему екологічного і енергетичної кризи. А розвиток таких технологій, особливо на початковому етапі, не ринково, бо вимагають великих витрат на освіту, наукові дослідження та їх технічну реалізацію.

Сьогодні, перехід до сталого розвитку представляється вкрай малоймовірним - надто низький рівень свідомості та відповідальності за свої вчинки у світової громадськості. Наша планета відчуває гостру необхідність у формуванні нового суспільства, більш розвиненого і інтелектуально, і духовно. Тільки таке суспільство буде здатне прогнозувати наслідки своїх вчинків і утримуватися від їх вчинення, якщо наслідки ці будуть негативними. Принципово нові типи машин і устаткування, новітні технології, системи управління можуть бути створені й конструктивно застосовані тільки людьми нового, нетрадиційного типу мислення.

Знання - це сила в буквальному сенсі слова, це науковий, економічний і військовий потенціал держави, це вміння перемагати в інтелектуальній боротьбі. На Заході великою популярністю користується концепція людського капіталу, а інвестиції в сферу освіти багато дослідників визначають як один з найголовніших чинників сталого економічного зростання. Роль освіти в економічному зростанні може виявлятися у різних формах:

  • підвищується продуктивність праці;

  • поліпшуються підприємницькі здібності людини;

  • прискорюється науковий і технічний пошук і т.д.

Вкладення в людський капітал, за існуючими оцінками, набагато ефективніше, ніж вкладення в інші економічні фонди. Встановлена ​​пряма залежність між економічним зростанням країни і коефіцієнтом освіти населення: чим нижче коефіцієнт освіти населення, тим бідніше країна.

Якщо населення в країні грамотне і освічене, країна - багата. Вважається, що, витрачаючись сьогодні на освіту і професійну підготовку людей, завтра держава отримає від них максимальний внесок у ВВП. Це логічно: за новими знаннями будуть нові технології, а прогресивні технології народжують інноваційні та успішно реалізовані товари. Застарілі ж технологією, як відомо, збиткові.

Вони не приносять доходу, а товари, вироблені в рамках таких технологій, неможливо продати за високою ціною. Коли затихає інтелектуальне оновлення, економіка стає загниваючій, і питання про те, коли її обійдуть більш активні конкуренти - всього лише питання часу. Давайте, звернувшись до статистики, подивимося, чи вірна ця закономірність на прикладі нашої багатостраждальної Росії:

Факт: Загальне число людей, зайнятих в науковій сфері скоротилося за період з 1990 по 2005 рр.. більш ніж у два рази. Різке скорочення фінансування науки призвів до того, що найсильніші і розумні фахівці розбрелися по більш дохідним галузям: торгівля, сфера послуг, розваги і т.п.

Наслідок 1: З цього моменту починається серйозне відставання від інших країн за рівнем використання наукомістких технологій у промисловості.

Наслідок 2: Виробництво ведеться на застарілому обладнанні та за старими технологіями (зразка 70 - 80х років). Для порівняння: у розвинених країнах до 50% всієї промислової продукції виготовляють верстати з електронними системами управління, а до 2015 р. їх буде 100%.

Слідство 3: Продукція, вироблена за застарілими технологіями, сильно поступається в якості західним аналогам і, отже, не може користуватися великою популярністю у споживачів. Все це веде до витіснення вітчизняної продукції з власного ж ринку, не кажучи вже про експорт.

Росія хронічно відстає у виробництві наукомісткої продукції від розвинених країн. Для виходу з ситуації, що склалася їй будуть потрібні нові кадри - не люди з досвідом човників і агентів з продажу і навіть не інженери, які отримали застарілі технологічні знання. Потрібні фахівці нового покоління, здатні ліквідувати відставання і розвинути «проривні» нові технології. Отже, необхідна кардинальна реорганізація всієї сфери освіти, спрямована на підвищення швидкості оновлення їх підносили студентам знань.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Контрольна робота
115.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Використання процесів притаманних об`ємному вибуху в різних галузях народного господарства
Бухгалтерський облік в галузях народного господарства
Основи менеджменту економічної безпеки в галузях народного господарства
Основи менеджменту економічної безпеки в галузях народного господарства
Методи прогнозування у різних галузях
Методика проведення психологічної експертизи в різних галузях психології
Загальна характеристика італійського дизайну в різних галузях про
Відбудова народного господарства
Історія народного господарства
© Усі права захищені
написати до нас