Нанотехнологии и их роль в области сельского хозяйства

М и н о б р  н а у к и    Р о  с с и и

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

« НИ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. Н. П. ОГАРЁВА»

(ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П.Огарёва»)

 

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

«Нанотехнологии и их роль в области сельского хозяйства»

 

 

 

 

 

 

 Выполнил студент  401 гр. физики А.П. Мальков

                                             Проверил  канд. Физ. - мат. наук, доц. Н.А. Смоланов

                                             

 

                                                                   

 

 

 

 

Саранск

2013

Оглавление

 

1. Введение

В современном мире всё более очевидным становится то, что превосходство будет у тех стран, которые развивают электронику, нанотехнологии и биотехнологии. Развитие этих технологий и в России не стоит на месте. В последнее время всё больше из них относится к области нанотехнологий. Эта новая наука стремительно входит в человеческую жизнь. У России есть значительные возможности, так как имеется существенный научный задел с советских времен по нанонауке. В нашу эпоху нанотехнологии великолепно управляют нанометровыми объектами и позволяют изготовать так называемые супермолекулы из крупных селективно связанных молекул. Что же представляет собой наука нанотехнология?

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Большие надежды в  применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышения сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов – все эти задачи агробизнеса могут решить нанотехнологии.

 

2. Основные понятия сферы нанотехнологий

2.1. Понятия и терминология в сфере нанотехнологий

Обычно употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нм недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологий от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

1. наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
2. нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
3. наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектами  нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно  отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах  привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте  это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные.

Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Многие источники, в  первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота — принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Изложенные Фейнманом  в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов  совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931. Но не только. В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент:

Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.

Увеличение в 5 000 000 раз  обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий, таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.

2.2. Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

1) трёхмерные частицы получаемые  взрывом проводников, плазменным  синтезом, восстановлением тонких  плёнок и т.д.,

2) двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного  наслаивания, CVD, ALD, методом ионного  наслаивания и т.д,

одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом  молекулярного наслаивания, введением  веществ в цилиндрические микропоры и т. д.

На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности  матриц плоские островковые объекты  размером от 50 нм, применяется он в  электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок.

1.3. Наноматериалы

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

1. Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

                                              Рис. 1 – Нанотрубки под электронным микроскопом

2. Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

 

                                                                                               Рис. 2 – Фуллерен С-60

3. Графен – монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре. Обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.                                                               Рис. 3 - Графен

4) Наноаккумуляторы – в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов, плотность энергии в которых будет в несколько раз больше, чем в традиционных батареях этого типа. На практике это означает возможность создания аккумуляторов меньшего размера при сохранении их первоначальной      ёмкости.

                                                                                                      Рис. 4 - наноаккумуляторы

 

3. Перспективы использования нанотехнологий в сельском хозяйстве

 

 Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании в АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учёными.

Таблица 1 – Токсичность  наночастиц металлов

Дозы мг/кг	Fe°	FeSO4 · 7H2O	Zn°	ZnSO4 · 7H2О	Cu°	CuSO4 · 7 H2O
МДП	1100	20	450	10	25	3
ЛД50	2200	60	700	25	45	6
ЛД100	3200	90	1200	45	60	10

Оказалось, что токсичность  наночастиц металлов во много раз  меньше, чем токсичность ионов  металлов: медь - в 7 раз, цинк – в 30 раз, а железо – в 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдением всех норм.

 Металлические наноматериалы,  полученные  с помощью химических  способов, практически всегда несут  в себе не лучшую «наследственность»  исходных химических соединений, что делает проблем их использование в отраслях с жёсткими требованиями к чистоте применяемых материалов, в том числе и в АПК.

 Наиболее приемлемыми для  таких отраслей является применение  металлических наночастиц, полученных  с помощью технологий, основанных  на использовании физических явлений. Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, расположенных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. В частности, с помощью эрозионно-взрывных технологий получены такие новые наноматериалы:

1) неионные коллоидные растворы  наночастиц металлов;

2) анионоподобные высококоординационные  аквахелаты нанометаллов;

3) гадратированные наночастицы  биогенных металлов;

4) электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов;

5) элекрически нейтральные и  электрически заряженные металлические  наночастицы в аморфном состоянии  и др. 

К настоящему времени  применительно к большей группе наноматериалов на основе металлов Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отнчественным производителем – компанией «Наноматериалы и нанотехнологии».