История развития нанотехнологий

Санкт-Петербургский  национальный исследовательский университет

Информационных  технологий, механики и оптики

Кафедра нанотехнологий и материаловедения 
 
 
 

Доклад на тему:

«История  развития нанотехнологий» 
 
 

Студент: Корякина Ира

Группа 1675

Принял: Левичев Вадим Вячеславович 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

I.

Человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже не подозревая об этом. Я приведу примеры использования нанотехнологий в разный странах мира в разных целях.

Так, египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысяч лет назад. В исследованиях проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев (Centre de recherche et de restauration des musées de France), установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!

Если же брать  конкретные примеры, то..

*В недавних экспериментах доктор Филипп Вальтер (Philippe Walter) показал, что древний процесс окрашивания волос в чёрный цвет является замечательным примером нанотехнологий, успешно используемых до настоящего времени. Проводя эксперименты по окрашиванию волос, учёные нашли, что частички минерала галенита — сульфида свинца (II), — применявшегося в древности с этой целью, из раствора проникают глубоко в волос, изменяя его цвет. Они так малы, что оказываются сопоставимы по размеру с квантовыми точками, созданием которых занимаются современные нанотехнологии. Естественную чёрную окраску волос имеет благодаря скоплениям белка меланина размером около 300 нанометров, рассеянным в поверхностном слое волоса. А наночастицы галенита, проникающие в волос при окраске, играют роль меланина, из-за чего и получается тёмный цвет. Только их диаметр примерно в 60 раз меньше, что обеспечивает устойчивое окрашивание. К тому же, такие малые частицы не оказывают влияния на механические свойства волоса. Вот так благодаря этим свойствам галенита получилось, что на протяжении двух тысяч лет люди занимались производством наноматериалов, даже не догадываясь об этом

* Чаша Ликурга  (IV век до н.э.) — одно из выдающихся  произведений древнеримских стеклодувов,  хранящихся в Британском музее.  Этот кубок необычен не только  своими оптическими свойствами, но и уникальной для тех  времен методикой изготовления. Матовая зеленая чаша становится  красной, если ее осветить изнутри  (рис. 2). Впервые анализ фрагмента  чаши Ликурга провели в лабораториях  «Дженерал электрик» в 1959 году  — ученые пытались выяснить, что это за уникальное красящее вещество. Химический анализ показал, что хотя чаша состоит из обычного натриево-известково-кварцевого стекла, в нем есть около 1% золота и серебра, а также 0,5% марганца. Тогда же исследователи предположили, что необычный цвет и рассеивающий эффект стекла обеспечивает коллоидное золото (рис. 2). Очевидно, что технология получения подобного материала была очень сложной.

Позже, ученые обнаружили с помощью электронного микроскопа и рентгенограмм частицы золота и серебра размером от 50 до 100 нм. Именно они отвечали за необычную окраску кубка. Профессор Гарри Этуотер в своей обзорной статье по плазмонам, опубликованной в апрельском номере «Scientific American» 2007 года, объяснил это явление так: «Благодаря плазмонному возбуждению электронов металлических частиц, распределенных в стекле, чаша поглощает и рассеивает синее и зеленое излучение видимого спектра (это сравнительно короткие волны). Когда источник света снаружи и мы видим отраженный свет, то плазмонное рассеивание придает чаше зеленоватый цвет, а когда источник света оказывается внутри чаши, то она кажется красной, поскольку стекло поглощает синюю и зеленую составляющие спектра, а более длинная красная — проходит».

*Витражи. Исследования  показали, что стекло делали цветным  добавки наночастиц золота и  других металлов. Ученые из Технологического  университета Квинсленда (Австралия) высказали предположение, что витражи были фотокаталитическими очистителями воздуха, удаляющими органические загрязнения. Катализаторами служили те же самые наночастицы золота. Ученые доказали, что крошечные частицы золота на поверхности стекла под воздействием солнечного света переходили в возбужденное состояние и могли разрушать органические загрязнения (те, которые до них долетали). Более того, они и сегодня сохраняют свою каталитическую активность.

«Когда золото измельчено до размеров наночастиц, оно становится очень активным под действием солнечного света. Электромагнитные колебания солнечного излучения резонируют с колебаниями электронов золотых наночастиц. В результате общее магнитное поле на поверхности наночастиц золота увеличивается в сотни раз и разрушает межмолекулярные связи загрязняющих агентов, содержащихся в воздухе». Профессор Чжу предполагает, что побочным продуктом этих реакций был углекислый газ, который в небольших количествах сравнительно безопасен.

В настоящее время  аналогичная технология лежит в  основе создания эффективных очистителей  воздуха. Для их работы достаточно солнечного света, нагревающего наночастицы золота, тогда как обычные очистители (в них обычно используют оксид титана, серебро) требуют гораздо больше энергии для нагрева всего катализатора.

Также нанотехнологии использовали и в Древней Индии для изготовления мечей из дамасской стали, не подозревая ещё о существовании нанотрубок..

*Образец стали,  взятый от подлинной дамасской  сабли работы известного оружейника  семнадцатого века Ассэда Уллаха, ученые Дрезденского университета (Германия) четыре года назад исследовали с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. В структуре материала они обнаружили углеродные нанотрубки. Ученые и до этого не раз пытались определить микроструктуру дамасской стали, но на этот раз они сначала протравили образцы соляной кислотой, и именно это дало неожиданные результаты. После обработки обнаружились неразрушенные структуры цементита (карбида железа, который упрочняет сталь). Это позволило физикам предположить, что волокна цементита заключены в углеродные нанотрубки

 Откуда в дамасской  стали взялись нанотрубки? Сформировались  из углеводородов внутри микропор, причем катализатором могли служить  ванадий, хром, марганец, кобальт,  никель и некоторые редкоземельные  металлы, содержащиеся в руде. При производстве дамасской стали  температура обработки была ниже  стандартной — 800°C. Во время  циклической тепловой обработки  получались углеродные нанотрубки, которые потом превращались в  нановолокна и крупные частицы цементита (Fe3C). Циклическая механическая обработка (ковка) и соответствующий температурный режим постепенно распределяли углеродные нанотрубки в плоскостях, параллельных плоскости ковки, делая микроструктуру стали мелкозернистой и пластинчатой. И действительно, как показали последние исследования ученых из Дрезденского технического университета, микроструктура цементита представлена нановолокнами.рые и защищают его от растворения в соляной кислоте.

* Серебро используют  в качестве природного антибиотика  уже несколько тысячелетий. Первое  упоминание о том, что серебро  обеззараживает воду, можно найти  у древнегреческого историка  Геродота. Он писал, что персидский  царь Кир пил воду только  из определенной реки. В путешествия  он брал с собой целый караван  серебряных сосудов, наполненных  этой водой, и она всегда  была свежей.

В XIV веке от чумы умерло более четверти населения Европы. И хотя в то время была неизвестна причина заболевания, но было замечено, что богатые люди заражались довольно редко. Есть основания полагать, что  богатые ели с серебра и  это до некоторой степени защищало их от бактерий, вызывающих чуму.

Известно, что американские пионеры клали серебряный доллар в молоко, чтобы сохранить его  свежим. Во второй половине XIX века немецкий акушер-гинеколог Карл Креде открыл мощный антигонорейный эффект 1%-ного раствора азотнокислого серебра. Это открытие позволило ликвидировать в родильных домах Германии гнойные гонорейные воспаления глаз у новорожденных.

Немецкий хирург Бенне Креде, продолживший исследования своего отца, на XII международном съезде врачей доложил о широких возможностях применения препаратов серебра в гнойной хирургии и о хороших результатах лечения септической инфекции их внутривенным введением. Существующие на тот момент препараты на основе солей серебра обладали прижигающим эффектом. Бенне Креде совместно с химиками предложил использовать серебро в неионизированном состоянии — в виде коллоидных частиц металлического серебра. По сути, это были наноразмерные частицы серебра, взвешенные в воде.(рис)

II.

Отцом нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «неделимый», для описания самой частицы вещества.(+слайд)

 В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль\Robert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов – воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойль утверждал, что все состоит из «корпускул» – сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Элементами Бойль считал простые тела, которые не могут быть получены из других тел. Впоследствии идеи Демокрита и Бойля были приняты научным сообществом.

1883 год.  Джордж Истмен (основатель известной компании Kodak) изобрел фотопленку, ставшую примером первого использования нанотехнологий(?). Джордж Истмен научился покрывать сухой коллоидной эмульсией обычную бумагу, затем Истмен заменил бумагу целлулоидной плёнкой — столь же гибкой, но более прочной, чем бумага.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. В этом же году были опубликованы три статьи, положившие начало новой научной революции:

1. «К электродинамике движущихся тел». С этой статьи начинается теория относительности.
2. «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Одна из работ, заложивших фундамент квантовой теории.
3. «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» — работа, посвящённая броуновскому движению и существенно продвинувшая статистическую физику.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп (Электронные приборы применяются для получения изображения объектов с непомерно большим увеличением, в них используется не световой поток, как в обычных микроскопах, а поток, вызываемый пучком электронов с неимоверно большими энергиями ), который впервые позволил исследовать нанообъекты (в том числе и вирусы), способный обеспечить 15-кратное увеличение. Он и стал прообразом нового поколения сходных устройств, при помощи которых можно было заглянуть в наномир. 
 

** Электронный микроскоп

 По своему принципу  он напоминает обычный микроскоп,  но вместо света здесь работают  электроны, фокусируемые магнитными  линзами. Пучок электронов, проходя  через тонкий образец, взаимодействует  с ним, а затем попадает на  люминесцентный экран, делающий  картину видимой для человеческого  глаза. На фотографиях, сделанных  с помощью просвечивающего электронного  микроскопа, который позволяет достигать  увеличения в миллионы раз,  уже видны атомные слои и  ступеньки. Атомы там имеют  вид точек, а чтобы рассмотреть  поверхность детально, нужны более  совершенные инструменты, использующие  другие принципы.

 Как работает электронный микроскоп (ЭМ)

Работа ЭМ основана на том, что электроны, подобно фотонам, проявляют одновременно и корпускулярные (присущие частицам), и волновые свойства. Разогнанные до высоких энергий, они могут иметь дебройлевскую длину волны в сотые доли нанометра (15 кэВ соответствует 0,01 нм). И хотя электронные линзы значительно уступают оптическим по фокусировочным свойствам, увеличение электронного микроскопа может достигать миллионов раз, а разрешение – десятых долей нанометра.

1932 год. Изобретение голландским профессором Фрицем Цернике фазово-контрастного микроскопа. Он являлся вариантом оптического микроскопа и улучшил качество показа мелких деталей изображения. Цернике исследовал при помощи этого микроскопа живые клетки. До изобретения фазово-контрастного микроскопа Цернике, для исследования живых клеток необходимо было применять разные красители, которые убивали живые ткани. Цернике не раз предлагал свой микроскоп фирме «Цейс», но её  менеджеры не смоги осознать его перспективы. На сегодняшний день подобные микроскопы широко используются в медицине.

**фазово-контрастный  микроскоп – микроскоп, обеспечивающий  повышенную контрастность изображения  за счет включения в оптическую  систему устройств, преобразующих  фазовые различия в амплитудные. Mикроскоп, предназначенный для анализа прозрачных (бесцветных) объектов; его действие основано на интерференции света в плоскости изображения, обусловленной сдвигом по фазе.

Фазово-контрастная  микроскопия позволяет изучать  живые и неокрашенные объекты  за счёт повышения их контрастности. При прохождении света через  окрашеные объекты происходит изменение амплитуды световой волны, а при прохождении через неокрашенные — фазы световой волны, что используют для получения высококонтрастного изображения в фазово-контрастной (рис. 11-3) и интерференционной микроскопии. Для повышения контрастности фазовые кольца покрывают металлом, поглощающим прямой свет, не влияя на сдвиг фазы. В оптической системе микроскопа применяют специальный конденсор с револьвером диафрагм и центрирующим устройством; объективы заменяют на иммерсионные объективы-апохроматы.