Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
12
Министерство образования и науки Российской Федерации
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра квантовой физики и нанотехнологий
наименование кафедры
Руководитель работы
Л.О. Ниндакова
подпись И.О.Фамилия
« » 2012 г.
наименование темы
к курсовой работе по дисциплине
Физикохимия наноструктурированных материалов
1.013.00.00 ПЗ
обозначение документа
Выполнил студент группы НТ-09-1 __ И. В. Труфанов
подпись И.О. Фамилия
Нормоконтролёр Л. О. Ниндакова
подпись И.О. Фамилия
Курсовая работа защищена
с оценкой
Иркутск, 2012 г.
Министерство образования и науки Российской Федерации
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЗАДАНИЕ
НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
По курсу – Физикохимия наноструктурированных материалов
Студенту Труфанову И. В.
Тема работы: Био и нанотехнологии вокруг нас
Исходные данные: Изучить основные направления развития био и нанотехнологий, способы их применения и использования в повседневной жизни человека.
Рекомендуемая литература:
1) И. П. Суздалев «Физико - химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов», КомКнига, 2005г;
2)Г. Б. Сергеев «Нанохимия», Издательство Московского университета, 2007г;
Графическая часть на 7,8 листах.
Дата выдачи задания “______” __________________________2012 г.
Дата представления работы руководителю “______” ___________2012 г.
Руководитель курсовой работы ____________ Ниндакова Л. О.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………… 4
Основные понятия и история применения технологий…………….... . 5
Примеры использования нанотехнологий…………………………….. 7
Примеры использования биотехнологий……………………………… 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………11
Список использованной литературы…………………………………… 12
ВВЕДЕНИЕ
В процессе жизни человек сталкивается с различными проблемами; он чувствовал холод, и это заставляло его строить жилище, он хотел есть и это заставляло его возделывать поля и т.п. Все такие акты обладают общей структурой. В них входит некое изобретение, устройство с помощью которого, человек по своей воле и с пользой для себя получает то, чего нет в природе, и в чем он нуждается. Подобное устройство зачастую подразумевает создание какого-нибудь предмета, приспособления, орудия, чье простое действие с неизменностью дает нам то, в чем мы нуждаемся.
Действия такого рода изменяют или преобразуют обстоятельства, природу и в результате возникает то, чего до сих пор не было. Это и есть технические действия, свойственные исключительно человеку. А совокупность таких актов не что иное, как техника, которую можно определить, как преобразование человеком природы с целью удовлетворения потребностей. Последние – это категорические требования, предъявляемые человеку природой. Итак, техника – реакция человека на природу или обстоятельства, в результате которой между природой и человеком возникает некий посредник – сверхприрода, или новая природа, надстроенная над первичной. Техника – это преобразование природы, той природы, которая делает нас нуждающимися.
Технические действия вовсе не предполагают целью непосредственное удовлетворение потребностей, которые природа или обстоятельства заставляют испытывать человека. Наоборот, цель технических действий – преобразование обстоятельств, ведущих к значительному сокращению роли случая, уничтожению потребностей и усилий, с которыми связано их удовлетворение. Если животное, как существо нетехническое, всегда должно мириться во всем, что ему предзадано, то человек, благодаря техническому дару, всегда находит в своем окружение все необходимое. Человек творит новые, благоприятные обстоятельства и выделяет из себя сверхприроду, приспосабливая природу как таковую к собственным нуждам. Техника противоположна приспособлению субъекта к среде, представляя собой приспособление среды к субъекту.
Основные понятия и история применения технологий
Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Человек с древнейших времен использовал биотехнологии в виноделии, пивоварении или хлебопечении. Но процессы, лежащие в основе этих производств, долго оставались загадочными. Их природа прояснилась лишь в конце XIX — начале ХХ века, когда были разработаны методы культивирования микроорганизмов, пастеризации, выделены чистые линии бактерий и ферменты. Это привело к возникновению новой отрасли — биотехнологической.
Французский химик Луи Пастер в 1867 году доказал, что брожение — это результат жизнедеятельности микроорганизмов. Использование чистых ферментов для переработки сырья послужило толчком к развитию зимологии.
В это же время сделаны важные открытия в области нарождавшейся генетики, без которой была бы немыслима биотехнология современного уровня. Уже тогда было известно, что живой организм состоит из клеток. А опыты ботаника Готлиба Хаберландта продемонстрировали, что клетка может существовать в искусственной среде и отдельно от организма. Эксперименты последнего привели к открытию роли витаминов, минеральных добавок и гормонов.
В 1978 году фирма Genentech сконструировала в лаборатории бактерию Е.coli, синтезирующую человеческий инсулин. С этого момента генетическая рекомбинация окончательно входит в арсенал биотехнологии и считается едва ли не ее синонимом. Одновременно был осуществлен первый перенос новых генов в геномы животной и растительной клетки. Нобелевский лауреат 1980 года Уолтер Гилберт заявил: «Мы можем получить для медицинских целей или для коммерческого применения фактически любой человеческий белок, способный влиять на важные функции человеческого тела».
В 1985 году проходят первые полевые испытания трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам и бактериям. Появляются патенты на растения. Начинается расцвет молекулярной генетики, бурно развиваются аналитические методы, такие как секвенирование, то есть определение первичной последовательности белков и нуклеиновых кислот.
В 1995 году на рынок было выпущено первое трансгенное растение (томат Flavr Savr), а уже к 2010 году трансгенные сельскохозяйственные культуры выращивали в 29 странах на 148 миллионах гектаров (10% от общей площади возделываемых земель). В 1996 году на свет появляется первое клонированное животное — овца Долли. К 2010 году было клонировано больше 20 видов животных: коты, собаки, волки, лошади, свиньи, муфлоны.
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 атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Активное развитие нанотехнологий началось в 90 – х годах прошлого века.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм — это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.
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 (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.
Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.
Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
Примеры использования нанотехнологий
Наноэлектроника
Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро, а давно нано, т.к. производимые сегодня транзисторы – основа всех электронных схем имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн. транзисторов. Однако сейчас уже ведутся работы, чтобы размеры транзисторов сделать ещё на порядок меньше, заменяя их наноструктурами
Рисунок 1 – Внутреннее устройство современной электронной схемы. Увеличено в 50 000 раз. Размер по горизонтали равен 4 мкм. Транзисторы образованы кристаллами кремния (голубыми столбиками). Зелёный слой – окись кремния.
Наночастицы серебра убивают бактерии
Высокой реактивной способностью наночастиц серебра (см. рис. 20) объясняют тот факт, что они обладают сильным бактерицидным действием – убивают болезнетворных бактерий. Ионы серебра блокируют работу одного из ферментов бактерий, отвечающих за их «дыхание». Чтобы использовать бактерицидное свойство наночастиц серебра, их стали включать в традиционные материалы, например, ткани для постельного белья. Слоем наночастиц серебра стали покрывать столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и мышки для компьютеров, которые, как было установлено, служат рассадниками болезнетворных бактерий. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других местах общего пользования.
Рисунок 2 – Микрофото поверхности серебра обычных размеров и наночастиц серебра.
Нанофазные материалы – более прочные
При достаточно большой нагрузке все материалы ломаются и в месте излома соседние слои атомов навсегда отходят друг от друга. Однако прочность многих материалов зависит не от того, какую силу надо приложить, чтобы отделить два соседних слоя атомов. На самом деле, разорвать любой материал гораздо легче, если в нём есть трещины. Поэтому прочность твёрдых материалов зависит от того, сколько в нём микротрещин и каких, и как трещины распространяются по этому материалу. В тех местах, где есть трещина, сила, испытывающая на прочность материал, приложена не ко всему слою, а к цепочке атомов, находящейся в вершине трещины, и поэтому раздвинуть слои очень.
Материалы, составленные из наночастиц, называют нанофазными. Примером нанофазного материала может быть нанофазная медь. Материалы, «слепленные» из наночастиц, оказываются гораздо более прочными, чем обычные. Например, прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной меди, состоящей, как правило, из кристаллов размером около 50 мкм.
Рисунок 3 – Схематическое изображение трещины между двумя слоями атомов, расширяющейся при действии сил (красные стрелки).
Наночастицы увеличивают мощность батареек
Чем больше площадь электродов батареек и аккумуляторов, тем больший ток они могут давать. Чтобы увеличить площадь электродов их поверхность можно покрыть проводящими нанокристаллами. В результате, активная площадь обмена ионами одного грамма пористого углерода, из которого сделан анод, после покрытия нанокристаллами площадь увеличивается с трёх до ста квадратных метров. Аккумуляторы, пластины которых покрыты наночастицами, способны набирать 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки.
Магнитные наностержни в жёстких дисках компьютеров
Поверхность типичного магнитного диска состоит из микроскопических секторов с ориентированными в магнитном поле микрочастицами. Когда головка накопителя проходит над поверхностью сектора, она может менять ориентацию частиц в секторе на противоположную; в процессе чтения происходит анализ суммарного магнитного поля всех частиц сектора. Для увеличения емкости накопителя приходится уменьшать размер самих частиц, однако, следствием такого уменьшения является то, что индукция магнитного поля становится не достаточна для получения точной информации о секторе данных. Поэтому увеличивать плотность записи информации на магнитном диске, используя старые технологии, становится всё сложнее.
Чтобы решить эту проблему, разработан способ синтеза магнитных наностержней длиной от 20 до 200 нм из сплава железа и платины. Полученные наностержни имеют однотипную форму и однородную магнитную ориентацию атомов, создавая вокруг сильное магнитное поле, что очень важно для считывающих головок жёсткого диска. Наностержни можно «упаковывать» на поверхности диска в длинные и тонкие "пучки", ориентируя их по своему желанию, что, по мнению ученых, может стать основой для разработки следующего поколения носителей информации высокой плотности.
Нанотрубки делают полимерные материалы более прочными
Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки (см. рис. 28). Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!
Примеры использования биотехнологий
Клонирование
Одно из перспективных применений клонирования тканей — клеточная терапия в медицине. Такие ткани, полученные из стволовых клеток пациента, могли бы компенсировать недостаток и дефекты собственных тканей организма и не отторгаться при трансплантации. Это так называемое терапевтическое клонирование.
Репродуктивное клонирование предполагает, что в результате получается целый организм. Кроме научных целей оно может применяться для восстановления исчезнувших видов или сохранения редких видов.
Гибридизация
Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов. Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из генома почвенной бациллы вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен.
В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами — их вывели в качестве доноров человеческих органов.
Зелёные светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На наших глазах фантастика становится реальностью – люди научились перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Появилась целая отрасль знаний – нанотехнологии, впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии.
Ученые – нанотехнологии работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Нанотехнология не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.
Изучение и развитие таких дисциплин как био и нанотехнологии приведет к изобретению всё более функциональных и удивительных материалов и организмов, которые человек сможет использовать для своего блага.
Список использованной литературы