View
66
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Jelena Tamulienė Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institutas. Nanotechnologijų raidos istorija. Kodėl atsirado nanotechnologijos. Apie ką. Kas tai yra nanotechnologija ; Truputis istorijos ( Kokia nauda ); Nanotechnologijų kryptis ; Ką turime ;. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Nanotechnologijų raidos istorija
Jelena Tamulienė
Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institutas
Kodėl atsirado nanotechnologijos
Apie ką
Kas tai yra nanotechnologija; Truputis istorijos (Kokia nauda); Nanotechnologijų kryptis; Ką turime;
Nanotechnologija yra mokslinių išradimų
ir atomų ir molekulių išteklių
praktinis pritaikymas
sukuriant kokį nors daiktą, kurio
didumas būtų
nanometro dydžio
Technologija?
Nanotechnologijų kitos “žaidimo taisyklės”
Metrinė skalė Nanoskalė
Antikinė Nanotechnologijų istorija (?)
~400 pr.m.e, Atomai [Democritas] ~ prieš 2000 – nanokristalus naudojo graikai ir romėnai
plaukų dažymui.
prieš 1000 m. aukso nanodalelės naudojamos stiklo mozaikai.
1661 m. - elementai [Boyle] 1803 m. - atominė teorija [Daltonas] 1869m. - periodinė lentelė [Mendelejevas] 1915 m. - Borno atomo modelis [Bohr]
Šiuolaikinė nanotechnologijų istorija
1959 m. - Feynmano kalba “There is plenty of room at
the bottom” 1965 m. - Mooro straipsnis 1974 m. – pavartotas terminas “Nanotechnology”
[Taniguchi]
1981 m. – IBM pagamino “Skanavimo-tuneliavimo mikroskopą”
1985 m. - atrasti fulerenai Smalley 1990 m. - IBM atomais užrašė “IBM”• 1999 – “Nanomedicine” – 1-moji nanomedicinos knyga [R.
Freitas]
• 2000 –Nacionalinė nanotechnologijų iniciatyva
Nanotechnologijų “Tėvas”
Nanotechnologijų koncepciją iškėlė Richard P. Feynman (1918-1988)
Paskaičiavo, kad enciklopedijos tomas, galėtų tilpti į segtuko galvutę.
Numatė keletą nanotechnologijos krypčių:
Ateities mikroskopai Naujų metodų sukūrimasGalimas atomo-atomo savaiminis susijungimas – naujų struktūrų sudarymas
Nanodydžio efektas
Prietaisų ir sistemų minimizacija ir jų galimybių išplėtimas;
Paviršiaus ploto, palyginus su tūriu išplėtimas;
Nauji reiškiniai ir naujos savybės tokios kaip:
Fizikinės ( pvz. lydymosi T), Cheminės (pvz. reaktyvumas), Elektrinės (pcz. laidumas), Mechaninės (pvz.stipris)
Nanotechnologijų poveikis ekonomikai
Numatoma rinkos dalis (dekadomis)*
$340B/metams Medžiagos$300B/metams Elektronika$180B/metams Farmacija$100B/metams Chemijos pramonė$ 70B/metams Kosmoso pramonė$ 20B/metams Įrankiai$ 30B/metams Sveikatos apsauga$ 45B/metams Apsauga
$1 Trillijonas per metus 2015
*2007 m duomenimis, šaltinis: NSF
Remiantis “The Nanotechnology Opportunity Report (NOR),” 3rd Edition Cientifica Ltd., atspausdinta 2008Liepą
“Produktų, kuriems sukurti naudojamasi nano-technologijų rinka pasieks JAV $ 263.000.000.000 iki 2012 m.”
“"Didžiausi augimo tempai bus biologijos ir nanotechnologijų sveikatos priežiūros bei farmacijos sektoriuose.”
Nanotechnologijų poveikis ekonomikai
Elektronika
•Mažesnis, greitesnis, ekonomiškas energijos naudojimas, didelies apimties skaičiavimai, ir kiti IT pranašumai.
1920-1930 m. detektoriniai arba vieno diodo, kuris vadinamas detektoriumi, radijo imtuvai.
Markoni firmos 1920-1930 m radijo imtuvas
1930-1940 m radijo imtuvas 1950-1960 m radijo imtuvas
Pirmųjų kompiuterių trigeris, galintis įrašyti 0 arba 1 ir įrenginys formuojantis reikiamą impulsą, kuris sklinda trigeriu. Šie įrenginiai buvo 1961 metų laidos kompiuteriuose.
Spinta, kurioje sudėta 1000 tokių trigerių. Tokių spintų kompiuteriuose buvo ne viena. Trigeriai buvo nuolat tikrinami, ar jie gerai įrašo nulį ir vienetą . Ši darbą atlikdavo inžinierius.
Įvedimo įrenginį. Įvedama informacija būdavo surašoma kortose.
Čia kompiuterio išvedimo įrenginys. Tokiu būdu buvo pamatomas sprendžiamo uždavinio atsakymas.
Pirmasis nešiojamas kompiuteris „Obsorne 1 Portable“. Jis buvo sukonstruotas 1981 m. Šis kompiuteris turėjo normalią klaviatūrą ir ekraną. Naudotis juo galėjo tik profesionalai.
Luste gali “tilpti” 25 enciklopedijos tomai. Kuo mažesnis lustas, tuo daugiau informacijos jame telpa. “Laimima” dar ir tuo, kad ši informacija greičiau sklinda prietaisu.
• Didesnio efektyvumo ir pigesnės elektros energijos gamybos technologijos:− Saulės elementai;− Vandenilio kuro celės;
− Baterijos;− Bio kuras
Energija
Konarka, įmonė Dresdene Fulerenų pagrindu gaminami
POLIMERINIAI saulės elementai.www.konarka.com Skaidrūs; Lankstūs; Lengvi; Veikia ir nuo atspindėtos saulės
šviesos; Gali būti tvirtinami vertikaliai
Buitis•Maistas ir gėrimai; Pakavimo medžiagos, sensoriai maisto kokybės tikrinimui;
• Įrankiai ir tekstilė: drėgmės nepraleidžianti,apsauganti nuo vėjo, garinanti prakaitą.
• Namų apyvakos įrankiai ir kosmetika.
•Savi-išsivalantys ir nesibraižantys paviršiai.
Medicina
•Vėžio gydymas •Vaistų gabenimas•Apetito kontrolė•Vaistų kūrimas•Medicinos įrankiai•Diagnostikos testai •Vaizduokliai
Nanomedicina:
Greitas širdies ir kraujagyslių gydymas;Gydymos patogeniškos ligos ir vėžys;Nauji metodai suteikiant pirmąją pagalbą fizinių traumų metu; Chirurgija ir skubi pagalba ar intensyvi slauga;Stuburo atstatymas ir smegenų gydymas (nanostruktūros);Mityba ir virškinimas;Lyties pakeitimai;Kosmetika;Sportinės ir rekreacinės – įrangos gerinimas;Veterinarija ir kosmoso medicina;Senėjimo procesų kontrolė;Žmogaus svorio kontrolė.
Gydymas
Diagnostika
Nano įrenginys padedantis nustatyti, kur yra išdėstytos vėžio ląstelės.
Kanalas su nanostruktūra padedančia nustatyti ar ar yra rizika susirgti vėžiu.
anglies vamzdeliai yra naudojami pernešti vaistams žmogaus organizme, mikroschemose ir pluoštuose, kuriuos galima suvyti į lengvas, itin stiprias virves. Jau dabar anglies vamzdeliai gali transportuoti peptidus, ar taip vadinamą genetinę medžiagą. Iš grafeno lakštų pagamintos plonos plėvelės leidžia manyti, kad jas galima būtų naudoti permatomų ir laidžių skystųjų kristalų ekranų ir Saulės energijos elementų gamybai
Iš cinko oksido nanovamzdelių yra sukurta nauja medžiaga, galinti automobilių variklių skleidžiamą šilumą paversti elektros energija
Nanoplėvele padengti langai neapšąla.
Rūbai ir mašinos neišsipurvina.
Į rūbus įmontuoti lengvi ir nepastebimi davikliai praneša, kad ligoniui reikia pagalbos, Gasrininkas turi pasitraukti iš gaisro vietos, nes jis gali nudegti.
Mašinų paviršiai, padengti nanodalelėmis yra tvirtesni ir lengvesni
Šveicarijos ir JAV mokslininkai sukūrė pirmąjį mikroskopą ant lusto.
Šis mikroskopas ypatingas tuo, kad jame esančiame skystyje gali judėti ląstelės, ir tą vieną ląstelę galima “pamatyti".
Naujasis mikroskopas tekainuoja 10 $USD dolerių.Nereikia elektros energijos. Tyrimo rezultatai gaunami akimirksniu gauni atsakymą,
Šiuo metu panašūs tyrimai atliekami laboratorijose, kuriose stovi mikroskopai, kurių kaina 250000 $USD ir daugiau.
Kas dar? Sensoriai teršalams aptikti. Geresni vaizduoklai –
magnetinių nanodalelių, kurios nebūtų toksiškos, panaudojimas
Sveika ląstelė
Ląstelė su geležies oksido nanodalele
Ląstelė su geliežies oksido dalele padengta specifine medžiaga
Nanoporų sensoriai
NASA Ames nanotechnology
DNR gijos tarp metalo gali veikti kaip molekulinės elektronikos prietaisas. Tokios molekulės ir nanodarinių naudojimas - perversmas elektronikoje.
DNA struktūros sudarymas
NASA Ames nanotechnology
Anglies nanovamzdeliai
• Neuronų medis su 14 simetriškai Y jungtimis, kuris veikia panašiai kaip biologinių neuronų tinklas;• “Nervų medis” gali būti mokomas atlikti sudėtingas perjungimo ir skaičiavimo funkcijas;• Ne tik tik elektroninių signalų, galimas naudoti garso, cheminius ar terminius signalus.
Sporto inventorius
Kosmetika, drabužiai ir maistas
Nauja duomenų saugojimo sistema, galinti sutalpinti 1015 baitų/cm2 Šioje sistemoje H atomai būtų paskirta 0 ir F atomai kaip 1.“Adatėlė” gali atskirti 0 ir 1 sparčiai ir vienareikšmiškai.
NASA Ames nanotechnology
- Galingas, kompaktiškas, mažas energijos suvartojimas, apsauga nuo radiacijos. • Didelio našumo skaičiavimo (Tera ir Peta apimties)- Palydovinių duomenų apdorojimas; - Erdvėlaivių inžinierija; - Klimato modeliavimas.
• Itin pažangios skaičiavimo technologijos;• Modernūs, kompaktiški jutikliai, itin maži zondai;• Visų sistemų mažinamas;• Mikro erdvėlaiviai;• ”Mąstantys" erdvėlaiviai;• Mikro, nano žygiai planetų tyrinėjimams;• Naujos medžiagos naujos kartos erdvėlaivių gamybai.
Courtesy of NASA
Dalelių struktūra
Aukso dalelės Sidabro dalelėsGeležies dalelės ant
vario paviršiausSilicio karbidas ant Ga
dalelės
Anglies nanovamzdeliai
Nanoprietaisų gamyba
Išsklaidyti rentgeno spinduliai
Atomai kristale
Detektorius
NanoprietaisaiKristalas Baltieji kraujo
kūneliai
KristalasRentgeno spinduliai
PERSPEKTYVOS
Medžiagos
Elektronika
Sensoriai komponentai
• Nanovamzdeliai
• Mažos galios elektroniniai komponentai
• Nano-zondai erdvėje
• Nanovamzdelių kompozitai
• Molekuliniai kompiuteriai
• Nano skrydžio sistemų komponentai
• Paviršiaus struktūros kontrolė
• Gedimams spinduliavimui atspari elektronika
• Kvantinės navigacijos sistemos
• Protingosios “odos” medžiagos
• Nano elektroninės “smegenys” Kosmose
• Integruota nanosensorių sistema
• Biologinių sistemų naudojimas medžiagų ir mašinų kūrimui
• Biologiniiai kompiuteriai
• NEMS skridimo sistemos @ 1 µW
2002 2004 2006 2011 2016
NASA Nanotechnologijų planai
>
Sistemos projektavimas ir integracija
Galimybės
Didelio atsparumo medžiagos (>10 GPa)
Kaosminių laivų varikliai (20% lmažesnės masės, 20% mažiau trukšmo)
Daugkartinio naudojimo erdvėlaiviai (20% mažiau masės, 20% mažiau triukšmo)
Autonominiai erdvėlaiviai(40% mažesnės masės
Prisitaikančios savi-taisančios kosminė įranga.
Daugiafunkcinėsi-Funkcinės medžiagos
Naujos dirbtinės biologinės medžiagos
2002 2005 2010 2015
Biomimetic,Radiacijai atsparūs
elektronikos komponentai
Nanoelektronika ir kompiuterija Poveikis kosminio transporto, kosmoso mokslui
CNT PrietaisaiAnglies nanovamzdelių prietaisai
Biologinės molekulės
Ultra aukšo tankio
informacijos saugojimo
komponentai
Kompiuterių našumas
RLV
hne-
Nano elektronikos komponentai
Europa Sub
Robotų kolonija
Web Sensoriai
Nanosensoriai
2002 2005 2015
Jutiklių galimybės1999
DSI RAX
2003ISPP
Ankstyvas nanotechnologijų poveikis
Biosensoriai
Kosminės stotys
Europa Sub
Mars Robotų kolonija
Sensoriai Web2020
Nanovamzdelių jutikliai diagnostikai
Optiniai jutikliai
Nanoporos kaip biologiniai jutikliai
Daugiafunkciniai Sensoriai
(Cheminiai,Optinia ir biologiniai)
2010
Sharp CJV
2002 2005 2010 2015
Nanovamzdelių kompozitai
Daugiafunkcinės medžiagos
Tacky
Non-tacky
temperature
Savi-diagnstinės medžiagos
NANO Medžiagos
Savi-susdarančios medžiagos
Nanotekstilė
“protingosios” struktūros
RLV Cryo Tankas
Gamyba vienetiniųCNT
CNT ryšiai
CNT =anglies nanovamzdeliai
2002 2010 2020 2030
Gyvosios gamtos pavyzdžiu sukurtos sistemos
Biologijos megdžiojimas
embrionais
Organizmai-ekstremalai
DNA Kompiuterija
Smegenų tipokompiuterija
Savi-besiorganizuojanči
o sistemos
Dirbtinės nanoporosAukšta skiriamoji geba
Gyvybės paieška Marse
Sensoriai
Biologinės nanoporosMaža skiriamoji geba
Oda ir kaulai
Savi –taisančiosIr termiškai apsisaugojančios
sistemos
Biologinės kosminės sistemos
Kosminis transportavimas
Ir dar daugiau
Klausimai ?
Rizika
Nano toksiškumasKeli pavyzdžiai
• Nanodalelės gali prasiskverbti į ląsteles ir audinius;
• Nanodalelės gali įlįsti į kapiliarų kraujagyslesplaučiuose;
• Nanodalelės gali būti transportuojamos į kraują ir į kitus organus;
• Nanodalelės gali sukelti ląstelių oksidacinį stresą (sukelti toksinius procesus ląstelėse);
• Nanodalelės gali sukelti uždegiminius procesus ląstelėse.
Fulerenai pažeidžia ląstelės membranąTeoriniai tyrimai. Fulereno patekimas į ląstelės membraną
Nature nanotechnology (2008) , Vol. 3, pp 363
Vidutinis įsiskverbimo laikas -500 ps
Vidutinis įsiskverbimo laikas 1 µs
Teoriniai tyrimai. Fulerenų grupės patekimas į ląstelės membraną
Fulerenų išsidėstymas membranoje
Pasikeičia membranos savybės
Anglies nanodalelės pažeidžia plaučiusPo kelių dienų poveikio, anglies nanodalelės aptinkamos
tiriamųjų plaučiuose
Nature nanotechnology (2009) , Vol. 4, pp 747
Anglies nanodalelės yra surandamos makrofaguose ir plaučių audiniuose, bet gali būti pernešamos į kitas vietas
Anglies nanovamzdeliai: Mikroorganizmų žudikai
Anglies nanovamzdeliai sumažina E coli bakterijų gyvybingumą
Normali E coli bakterija E coli bakterija su anglies nanovamzdeliu
Langmuir (2007) , Vol. 23, pp 8671
Anglies nanovamzdeliai Žuvusios ląstelėsLiuminiscencinė nuotrauka
Nustatyta nanovamzdelių ir negyvų bakterijų vietų koreliacija. Maždaug 80% bakterijų žūna.
CoCr nanodalelės pažeidžia DNR Vis dažniau naudojant nanodaleles medicinoje susirūpinta dėl jų
gebėjimo prasiskverbti į organizmą. CoCr nanodalelė gali susidaryti dėvėti ortopedinius sąnario endoprotezus
Schematinis sklaidos atvaizdavimas
Nustatytas netiesioginis CoCr nanodalelių poveikis žmogaus ląstelėms. Nustačius rasta apsauga nuo nepageidaujamų efektų – BeWo nanodalelių sluoksnis, kuris veikia kaip placenta.
Nature nanotechnology (2009) 4, 873
CoCr dalelės organizme
Sidabro nanodalelių toksiškumasTirtas poveikis žuvies (zebra fish) embrionams
Nanotechnology (2008) 4, 873
Naudojamos dviejų rūšių dalelės:padengtos krakmolu ir
galvijų serumu (BSA)
Ag Nanodalelės
starch BSA
Iš nanodalelių danga suteikia norimas tirpumo ir stabilumo
savybes vandenyje
Toksiškumo apimtis vertinama kaip mirtingumo skaičius, ikrų skaičius ir
būsena, širdies susitraukimų dažnis ir išsigimimų skaičius
Optical characterization
Sidabro dalelių toksiškumas
Nanotechnology (2008) 4, 873
Normalus embrionas Embryo
Mirę embrionaiPažeisti embrionai
Sidabro nanodalelių toksiškumas Buvo nustatyta, kad sidabro nanodalelės patenka į embrionų ląstelių vidų
Nanotechnology (2008) 4, 873
TEM Mitochondrijos
TEM Branduolių Embriono EDS
Nanodalelės centrinėje nervų sistemoje - širdies ritmo, kvėpavimo ir kūno judesių sutrikimai
Nanodalelės kraujyje - edema ir kurios nors organizmo dalies mirimas
Neigiams Ag poveikis priklauso nuo koncentracijos ir kur nanodalelė patenka
Apibendrinimas
Nanotechnologijos yra “lazda su dviem galais”: dėl naudojamų medžiagų savybių (mažas paviršiaus plotas, aktyvumas ir t.t.) jos yra ir bus plačiai taikomos pramonėje ir buityje, bet dėl tų pačių savybių jos yra potencialiai toksiškos.
Kurdami ir taikydami naujas technologijas, nepamirškime “abiejų
lazdos galų”
DĖKOJU UŽ JŪSŲ DĖMESĮ IR JŪSŲ KLAUSIMUS
Recommended