Молекулярные нано-технологии

Федеральное агентство по образованию

Министерство  образования Российской Федерации 

Бийский технологический институт (филиал)

Государственного  образовательного учреждения

Высшего профессионального образования.

« Алтайский  государственный технический

университет имени И.И.Ползунова»

(БТИ  Алт. ГТУ)

Кафедра БУАА 
 

Реферат

По дисциплине: «Основы технологии призводственных процессов» 

На тему: «Молекулярные нано-технологии» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы: БУАА 64 Комаров Ф.А. 

Проверил: Петров Е.А.:                  . 

Бийск 2011

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3

Суть наномеханического подхода………………………………………...4

Перспективы молекулярного  производства……………………………...7

Политические  аспекты…………………………………………………….8

Оценки ожидаемых  параметров наномеханических устройств (по Э. Дрекслеру)…………………………………………………………………11

"Нанотехнология" в биологических системах…………………………..11

АТФ-Синтаза………………………………………………………………12

Особая роль углерода……………………………………………………..14

Простейшие конструкции  на основе углерода………………………….14

Наномеханические вычисления…………………………………………..16

Возможные применения МНТ…………………………………………….17

Стратегии реализации МНТ……………………………………………….18

Заключение………………………………………………………………….19

Литература…………………………………………………………………..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение: 

     Идею  о том, что возможно создавать  нужные нам устройства и другие объекты, собирая их "молекула за молекулой" и, даже, "атом за атомом" обычно возводят к знаменитой лекции одного из крупнейших физиков ХХ века Ричарда Фейнмана «Там внизу — много места» [1]. Эта лекция была прочитана им в 1959 году; большинство современников  восприняли её как фантастику или шутку.

     Современный вид идеи молекулярной нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате работ К. Э. Дрекслера [2,3], которые также сначала воспринимались как научная фантастика. Развитие молекулярные нанотехнологий в первую очередь направлена на благо людей, чтобы улучшить качество жизни человека и вывести на совершенно новый уровень.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Суть  наномеханического подхода 

     Есть  существенные отличия нанотехнологий от традиционных технологий. Во-первых, наши инструменты для работы на наноуровне ещё несовершенны – производить с атомарной точностью мы пока можем лишь некоторые предметов. Во-вторых, на наноуровне привычные физически законы проявляются иначе: становятся заметными квантовые эффекты и взаимодействие между молекулами, тогда как сила тяжести и трение играют небольшую роль. Этим, в частности, обусловлены сложности проектирования и построения наноразмерных объектов.

     На  сегодняшний день в нанотехнологиях можно выделить три направления :

– создание наноматериалов (материалов с наноразмерными элементами) с помощью традиционных химических методов, (так называемые «наномасштабные технологии»);

– попытки создания активных наноструктур с использованием белков, ДНК и других органических молекул;

– наномеханический подход, также называемый «молекулярное производство», в рамках которого создаются наноразмерные устройства, в т. ч. наномашины.

     Первое  направление наименее амбициозно и является продолжением традиционных химических и микроэлектронных технологий. Первоначально его вообще не относили к нанотехнологиям. Создание наноструктур на основе органики привлекательно кажущейся простотой использования существующих в живой природе образцов, но, в то же время, это направление изначально декларирует собственную ограниченность, связанную с использованием определенного класса «строительного материала». Поэтому эти два направления привлекательны, в основном, в относительно краткосрочной перспективе, а затем вероятно их замещение наномеханическим подходом как потенциально более совершенным.

     Принципиально важно, что развитие нанотехнологий не обязательно должно быть поступательным, поэтапным. Наномеханический подход может использоваться уже сейчас, и работа в этом направлении ведется Э. Дрекслером и рядом других авторов и организаций.

     В основе наномеханического подхода лежит идея создания искусственных конструкций наноразмеров, которые были бы приспособлены для выполнения необходимых действий. Со временем, писал Дрекслер, промышленные средства молекулярной сборки разовьются до уровня, когда станет возможным создавать нанороботов – устройства размеров порядка сотен нанометров, выполняющие любые манипуляции с атомами вещества (в т. ч. сборку и разборку) по заданным программам.

     Нанороботов, способных конструировать предметы из отдельных атомов или простых молекул, Дрекслер назвал ассемблерами. Если подобная сборка осуществляется в рамках единой системы, а не отдельными нанороботами, то речь идёт о нанофабрике. В любом случае, для работы с атомами, а затем с собранными из них блоками все больших размеров, будут использоваться наноманипуляторы. Из-за сверхмалых размеров каждый манипулятор наноробота сможет работать с частотой до миллиона операций в секунду. За счёт этой скорости и параллельной работы миллионов наноманипуляторов (либо в нанофабрике, либо у множества отдельных наноассемблеров) практически любой материальный объект можно будет произвести быстро и недорого в неограниченных количествах. В качестве сырья для работы нанофабрик или наноассемблеров можно будет использовать практически любые вещества: землю, химические и бытовые отходы; главное условие для сырья – наличие в нем в достаточном количестве всех химических элементов, входящих в состав производимого объекта.

     Подобные  нанороботы размером не больше бактерии, снабженные манипуляторами, двигателями и компьютерами, смогут выполнять любые задания по команде человека. Наномедицина будет способна исправить любые проблемы во всех клетках человеческого тела: очистить артерии от склеротических бляшек, уничтожить инфекцию или раковые клетки, даже перепрограммировать на генетическом уровне все клетки организма.

     Первые  шаги на пути к созданию наномашин уже делаются. С помощью компьютерных программ сейчас моделируются наноустройства, содержащие десятки тысяч атомов. В настоящее время одним из ведущих нанотехнологов мира Р. Фрайтасом разработаны базовые проекты нескольких медицинских наноустройств: респироцит (искусственный аналог эритроцита), микробивор (замена лейкоцита) и хромаллоцит (наноробот для замены хромосом в клетках). Крисом Фениксом разработан проект простой нанофабрики.

     В последние несколько лет был  получен ряд отдельных результатов, демонстрирующих перспективность  наномеханического подхода. Так, в 2005 г . был создан прототип «наноавтомобиля – устройство из нескольких молекул-колес на шасси, которое двигается по плоской поверхности, получая энергию в виде отдельных фотонов. Разработаны несколько различных прототипов двигателей для нанороботов, в том числе на основе АТФ-синтазы. В 2007 г . ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли заявили о создании радиоприемника из одной нанотрубки, что демонстрирует принципиальную возможность для нанороботов использовать радиосвязь для обмена сигналами друг с другом и с управляющим компьютером.

     Однако, как отмечает Э. Дрекслер, форсированное развитие молекулярного производства невозможно в рамках отдельных научных проектов, а только в рамках единого скоординированного процесса по разработке подобной производственной системы, интегрирующей в себе отдельные разработки и технологии.

     По  прогнозам NNI (Национальная нанотехнологическая инициатива США), молекулярные наносистемы будут созданы около 2020 г. По оценкам CRN (Центр ответственных нанотехнологий, США), при целенаправленном усилии, молекулярное производство (наноассемблеры или нанофабрики) могут стать реальностью уже к 2015 г.  

Перспективы молекулярного производства 

     Нанофабрикам отводится ведущая роль в грядущей научно-технической революции. Простота проектирования и изготовления сложных конструкций позволит создавать сверхмощные компьютеры, превосходящие современные по быстродействию и объемам обрабатываемой информации в миллионы раз. Суперкомпьютеры в сочетании с нанороботами позволят подробно проанализировать структуру человеческого мозга и понять механизмы его работы. Это, в свою очередь, поможет ученым создать искусственный интеллект, превосходящий человеческий. Любую работу по обслуживанию людей и обеспечению их материальными благами можно будет передать машинам.

     Люди  получат возможность модернизировать  свои тела, заменяя органы и ткани  более совершенными. Будет возможно даже по собственному усмотрению изменить свой внешний облик, преобразившись до неузнаваемости. Виртуальные миры, поддерживаемые сверхмощными компьютерами, откроют для людей колоссальные возможности для творчества и  самореализации. Постройка сверхскоростных  космических кораблей и гигантских жилищ в космическом пространстве приведут к быстрой экспансии  человечества в космосе и непрерывному освоению пространства вокруг звезд  и других источников энергии.

     В то же время, развитие нанотехнологий таит в себе и опасности. Наиболее неблагоприятный сценарий – появление «серой слизи» ( grey goo ): непрерывно размножающихся нанороботов (репликаторов), целенаправленно уничтожающих людей, животных, растения, всю органическую жизнь на планете. Такой сценарий вполне возможен при использовании нанороботов в качестве оружия.

     Чтобы предотвратить развитие подобных сценариев, необходимы эффективные механизмы  общественного контроля над развитием  высоких технологий и, особенно, за прогрессом в области вооружений. Одна из концепций защиты, предложенная Дрекслером, состоит в создании активных щитов, которые будут сами обнаруживать вышедшие из-под контроля эксперименты и используемое оружие и самостоятельно уничтожать возникающие опасности. Однако для своего создания активные щиты сами требуют технологий молекулярного производства. Предложены и иные методы контроля потенциально опасных направлений нанотехнологий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Политические  аспекты 

     Надо  сказать, что судьба наномеханического направления нанотехнологий, несмотря на очевидные преимущества, такие как ясность целей и относительная простота дизайна, а также — потенциальная сверхперспективность, складывалась до последнего времени нелегко.

       Частично причина этого кроется  именно в прогнозируемых радикальных  последствиях молекулярного производства, выходящих за рамки привычного  мировоззрения большинства людей. 

     Описанные Дрекслером идеи первоначально были подвергнуты критике рядом учёных. Итог этого спора оказался неоднозначным. В научном отношении критика дрекслеровских идей оказалась несостоятельной, а его модели выдержали проверку временем. Однако в общественном сознании и в политической среде критика оставила тяжелый след.

     В 2000 г . этих критических публикаций, в т. ч. широко разрекламированных заявлений нобелевского лауреата Ричарда Смолли , оказалось достаточно, чтобы изменить направление государственного финансирования Национальной нанотехнологической инициативы США. В результате бюджетное финансирование в значительной степени было направлено на уже существующие проекты в области химии. Старые проекты получили приставку «нано», а в обществе начал незаметно формироваться миф о уже идущем нанотехнологическом буме.