авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

«Департамент образования г. Москвы НИЦ «Курчатовский институт» Московский институт открытого образования (МИОО) Национальный центр непрерывного естественнонаучного ...»

-- [ Страница 3 ] --

Нанотехнологии и наноиндустрия являются в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений науки, технологий и промыш ленности. Задача опережающего инновационного развития России, ком мерциализации перспективных разработок, а также проблема рациональ ного использования ресурсов диктуют необходимость освоения и исполь зования новых инструментов государственной политики. Основы госу дарственной политики в сфере наноиндустрии определены в президент ской инициативе «Стратегия развития наноиндустрии» от 24 апреля г.;

Федеральным законом «О российской корпорации нанотехнологий»;

поручением Правительства Российской Федерации от 04.05.2008 г. № ВЗ П7-2702 по обеспечению реализации программы развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года;

проектом концепции формирова ния национальной нанотехнологической сети Российской Федерации. В соответствии с этой стратегией уже в ближайшие годы должны быть кар динально увеличены объемы производства выпускаемой и востребован ной продукции нанотехнологий и достигнуто насыщение соответствую щих рынков.

В атомной отрасли технологии, основанные на качественном измене нии свойств материалов при переходе к нанометровому размеру, стали активно разрабатываться в середине XX века, практически одновременно с первым испытанием советского ядерного оружия. Начало нанотехноло гиям в атомной отрасли положили ультрадисперсные порошки, исполь зуемые в промышленных технологиях разделения изотопов урана. В на стоящее время усилиями сотрудников ФГУП ВНИИ неорганических ма териалов успешно разрабатываются опытно-промышленные технологии получения функциональных веществ и изделий с использованием нано технологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и традиционной энергетики, медицины, а также для других отраслей эконо мики.

. Нанотехнологии способны обеспечить ряд возможностей для исполь зования возобновляемых источников энергии и внести существенный вклад в производство и сбережение энергии. Повышение эффективности использования ресурсов планеты и их сбережение посредством нанотех нологий включают в себя:

- Использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы).

- Хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки).

- Уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности).

- Использование альтернативных (более распространенных) материа лов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктуриро ванные оксиды металлов при катализе.

Согласно базовому сценарию развития, к 2030 году в России будут введены 173 ГВт новых генерирующих мощностей. Устаревшее оборудо вание будет выводиться из эксплуатации, а на смену ему придут совре менные, более энергоэффективные образцы. К рентабельным мерам по сокращению выбросов также относятся внедрение технологий улавлива ния CO2 на этих новых мощностях, снижение потерь в электросетях и улучшение изоляции теплосетей. Важным инструментом повышения энергоэффективности отрасли также называют создаваемый в стране ры нок электроэнергии, хотя с этой темой всё ещё связано множество откры тых вопросов. Изменится в ближайшем будущем и структура топливного баланса страны. Правительство объявило о масштабной программе разви тия мирного атома: к 2030 году мощности АЭС могут возрасти с 24 ГВт до 52–62 ГВт. Другая программа коснётся развития ГЭС, совокупные мощности которых предполагается увеличить на 40 ГВт. Сфера энергети ки обладает огромным потенциалом повышения энергоэффективности и сокращения выбросов CO2. Вот почему в XXI веке инновации в энергети ке превращаются во всеобщий, мировой тренд. Сегодня каждому государ ству приходится искать наиболее рентабельные и эффективные пути раз вития, зачастую — идти на компромисс между энергоэффективностью и экономической целесообразностью. Каждый случай имеет свою специфи ку, зависящую от множества факторов. Несомненно одно: в ближайшие десятилетия энергетика множества стран, в том числе и России, изменится до неузнаваемости. Так, углеродные наноструктуры (фуллерены, нанот рубки) благодаря высокоразвитой поверхности и уникальным теплофизи ческим свойствам могут найти применение в мембранах и катодах для топливных элементов. В ИТ СО РАН предложен ряд плазменных и тер мических методов синтеза углеродных наноструктур, в том числе с вкра плением катализатора – частиц платины и палладия. Данный материал уже эффективно использован для изготовления воздушного катода в упо мянутом выше алюминиевом топливном элементе. Но, пожалуй, самое многообещающее чисто теплофизическое направление связано с приме нением наножидкостей (жидкостей с наночастицами) в качестве теплоно сителя в энергетике. Уникальность наножидкостей состоит в том, что ни чтожно малые добавки наночастиц (доли процента по объему) приводят к огромным изменениям в свойствах: росту теплопроводности до 12 %, те плоотдачи – до 60 %, критического теплового потока (который определяет кризис теплоотдачи) до 200 % и даже до 500 % при наклоне поверхности нагрева. Материал наночастиц – оксиды меди и алюминия и др. Все это означает возможность существенного снижения металлоемкости энерге тического оборудования или увеличения производительности в тепло энергетике, криогенике, атомной энергетике, космической энергетике.

Например, оценки MIT (USA) показывают, что применение наножидкост ного теплоносителя в АЭС может поднять производство электроэнергии на 20 % без каких-либо изменений в технологической схеме! Эффектив ный подъем экономики страны невозможен только за счет роста энерго потребления. Обязательное условие – энергосбережение, потенциал кото рого в России достигает 40 % от энергопотребления. В СО РАН вопросы энергосбережения решаются на уровне Совета по энергосбережению и соответствующей финансируемой программы, которая рассматривает все основные вопросы, актуальные для СО РАН и регионов Сибири: учет и регулирование потребления тепла;

методы стимулирования энергосбере жения;

автономные источники тепла;

системы теплоснабжения;

энерго сберегающие источники света;

энергосбережение в строительстве и др.

Мы не будем в деталях обсуждать вопросы энергосбережения, которые неоднократно рассматривались на заседаниях Президиума СО РАН и на страницах «НВС». Подчеркнем лишь, что программа «Энергосбережение СО РАН» – одна из немногих реально действующих программ в стране.

1. При выполнении НИР и НИОКР в области энергетики следует ори ентироваться на новые приоритеты в развитии Российской энергетики с учетом общемировых тенденций, а именно – опережающее развитие угольных технологий с повышенными экологическими требованиями, в т.ч. с секвестированием СО2 и методами глубокой переработки угля.

2. В теории горения усилия должны быть направлены на низкоэмисси онные методы сжигания, включая Flameless и OxyFuel горение.

3. В области атомной энергетики актуальной задачей является разра ботка расчетных теплогидравлических кодов нового поколения для АЭС, в т.ч. с реакторами на быстрых нейтронах. С целью развертывания этих работ в СО РАН с учетом имеющегося потенциала целесообразно созда ние межотраслевого центра по безопасности АЭС на базе ИТ СО РАН со строительством отдельного корпуса.

4. Несмотря на пренебрежимо малый вклад ВИЭ в энергетику, целесо образно развивать в СО РАН ряд направлений, по которым имеется круп ный задел: утилизация сбросного и геотермального тепла тепловыми на сосами;

переработка муниципальных и промышленных отходов, а также биомассы;

солнечная энергетика.

5. Учитывая будущую актуальность новых направлений энергетики и достижения СО РАН в этой области, необходимо развивать топливные элементы как водородного, так и неводородного (алюминиевые, боргид ридные) типов. Предусмотреть возможность выпуска подобной продук ции в рамках деятельности Технопарка.

6. Нанотехнологии в энергетике имеют явные перспективы уже в бли жайшем будущем. Особо отметим возможность применения наножидко стей как теплоносителя с уникальными свойствами, а также углеродных наноструктур в качестве перспективного материала для мембран и като дов в топливных элементах.

7. Рост экономики не может быть эффективным только за счет роста энергопотребления. Обязательное условие – энергосбережение, потенциал которого в России достигает 40 % от энергопотребления. Следует про должить в СО РАН выполнение работ по энергосбережению с учетом но вых требований и возможностей.

Литература:

1. http://nanoindex.ru/ 2. http://medforce.ru 3. http://www.nanonewsnet.ru/ 4. «Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований» - М. К. Рокко, Р. С. Уильямс, П. Аливисатос. Мир, 5. «Химические и биологические сенсоры» – Эггинс Б.. Техносфера, 2005.

Очищение воды с помощью мембранных технологий (на опыте Сингапура) Кирбетов Эрдэм Кайратович, школа № Научный руководитель Озерова Наталья Викторовна, учитель биологии и химии I. Города потребляют в 10 и более раз больше воды в расчете на челове ка, чем сельские районы. Как правило, водоёмы в городах очень сильно загрязнены. Практически все крупные города испытывают дефицит вод ных ресурсов, и многие из них получают воду из удаленных источников.

Москва не является исключением. В основном, она снабжается водой из источников, расположенных на поверхности земли, таких как ручьи, реки, озера, водохранилища, ручьи.

II. Если городу не хватает воды, то эту проблему можно решить сле дующим образом:

Экономить воду 1.

Очищать сточные воды и использовать их повторно или много 2.

кратно Использовать дождевую воду, а также воду, которая образуется 3.

от таяния снега.

III. Россия богата водными ресурсами. Нам очень трудно представить, что есть целые страны, где людям не хватает воды. И все-таки даже нам необ ходимо задуматься и начать относиться к воде бережно. К москвичам это относится в первую очередь.

IV. Сингапур - это небольшое государство, расположенное на острове в Юго-Восточной Азии. Это одна из самых густо населенных стран мира.

Несмотря на то, что там почти каждый день идут тропические ливни, оно почти полностью лишено собственных водных ресурсов. Сингапур полу чает воду из соседней Малайзии, откуда она поступает по двум водово дам. В такой ситуации проблема обеспечения города собственными вод ными ресурсами может быть решена только на государственном уровне.

У Сингапура было два выхода. Либо сделать ставку на опреснение мор ской воды, либо на очищение и повторное использование сточных вод.

V. Опыт Сингапура показал, что в государственном масштабе очищать сточные воды до питьевого качества дешевле, чем обессоливать морскую воду до пресной. B 1998 году были изготовлены дешёвые и надежные мембраны для фильтрации воды.

VI. Новые мембранные технологии развивались одновременно с совер шенствованием «старой» системы водоочистки биологическим методом.

Существующие заводы, перерабатывающие сточные воды, были модерни зированы, а новые построены по современным проектам. В 2001 году им порт воды из Малайзии был сокращен на 40%. Сейчас в Сингапуре рабо тают пять заводов по очистке сточной воды и возврату ее в сферу исполь зования. Очищают и используют также и дождевую воду. Сейчас она со бирается с половины территории острова, но в ближайшей перспективе планируется охватить остров целиком.

В Сингапуре используется трёхступенчатая система очистки:

1. микрофильтрация;

2. обратный осмос;

3. обработка ультрафиолетом.

При микрофильтрации вода проходит через мембраны с величиной пор в 0,2 микрометра. На этой стадии отделяются взвешенные вещества, коллоидные примеси, некоторые бактерии.

Обратный осмос - это практически то же самое, но размеры пор мем бран гораздо меньше - примерно 1 ангстрем (10-10 метра). Такие поры не пропускают ничего, кроме молекул воды и газов. Обратный осмос очища ет воду и от вирусов и бактерий. Ультрафиолет на последней стадии до очистки обеззараживает воду, убивая те микроорганизмы, которые чудом просочились через мембрану. Кроме того, ультрафиолетовая обработка необходима для окисления некоторых газов, которые проникают через мембрану и могут придавать воде плохой запах и вкус.

На выходе получается практически чистая вода. Получаемая вода по лучила название "New water" - новая вода.

На протяжении десятилетия в "новой воде" контролируют 190 пара метров. Содержание в ней тяжелых металлов, анионов и органических веществ в несколько раз ниже, чем в стандартах Всемирной организации здравоохранения.

Несмотря на хорошие показатели качества, «новая вода» не поступает в водопроводную сеть, в этой очищенной воде нет полезных минералов.

VII. Проблема воды – самая большая проблема всех больших совре менных городов. На примере Сингапура мы видим, что с ней можно ус пешно справляться.

Система обеспечения водой Москвы находится на самом высоком уровне.

Московский водопровод – это старейшее инженерное сооружение сто лицы. Его история начинается с 1779 года.

Сегодня московский водопровод — огромная разветвленная система труб.

По статистике, основным потребителем воды является население го рода - это 81%. В промышленности используется 11% воды. Остальная часть расходуется на коммунально - бытовые нужды.

Качество питьевой воды контролируется по 180 показателям. Основ ные параметры качества воды контролируются в автоматическом режиме каждые 15 минут.

И всё же у Москвы есть значительный простор для развития техноло гий по эффективному использованию водных ресурсов.

Опыт Сингапура предоставляет большие возможности для его исполь зования. С одной стороны, это успешно реализованный комплексный подход, в котором были учтены практически все проблемы потребления водных ресурсов. С другой стороны, с успехом могут быть использованы и его отдельные элементы, например, технологии мембранной очистки воды.

Изменение дисперсности наноматериалов при попадании в окружающую среду Козлова Валентина Германовна, МОУ «Высокоярская СОШ» Бакчарского района Томской области, 11 класс.

Научные руководители: Годымчук Анна Юрьевна, к.т.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологий Томского политехнического универси тета;

Беляева Татьяна Васильевна, учитель физики МОУ «Высокоярская сош» Бакчарского района Томской области Цель: определение изменения дисперсности суспензий, которые обра зуются при попадании наночастиц в биологические среды.

Актуальность: Благодаря бурному развитию нанотехнологий значи тельно расширяется производство различных наноматериалов и товаров, содержащих наноматериалы [2]. Поэтому можно смело утверждать, что значительно расширяется количество источников наноматериалов для окружающей среды – атмосферы, литосферы и гидросферы.

В литературе имеются данные о токсичности наноматериалов при их воздействии на водные организмы – дафнии, рыбы, раки и другие беспо звоночные [3]. При этом показано, что физика-химические свойства нано частиц оказывают очень сильное влияние на их токсические свойства.

Среди таких параметров важное значение имеет дисперсность – параметр, с помощью которого оценивают размер частиц.

Для исследования взяли – нанопорошок оксида алюминия, получен ный плазмохимическим методом. Нанопорошок оксида алюминия (Al2O3) используют в качестве добавки в энергоаккумулирующие, стома тологические и керамические составы, в абразивы, в катализаторы и сор бенты [4].

Состав исследуемого порошка определяли с помощью рентгенофазо вого анализа на дифрактометре XRD-7000 (Shimadzu, Япония) Дисперсионный анализ сухих порошков проводили с помощью скани рующей электронной микроскопии с использованием электронного мик роскопа JSM-7500FA (Jeol, Япония). Дисперсионный анализ суспензий, приготовленных путем смешивания 0,03 г. нанопорошка с 220 мл дистил ° лированной воды, проводили при 20°C. Для определения дисперсности порошков суспензиях использовали анализатор частиц SALD-7101 (Shi madzu, Япония), в основе которого лежит метод лазерной дифракции. Метод лазерной дифракции основан на регистрации рассе янного света от частиц, а угол рассеяния света универсально пропорцио нален размеру частиц. Единый источник света – фиолетовый лазер, объе динённый с единой оптической системой, позволяет проводить методом лазерной дифракции измерения размеров частиц в широком диапазоне от 0,01 до 300 мкм.

Визуально нанопорошок представлял собой пудру белого цвета.

Данные электронной микроскопии свидетельствуют о том, что иссле дуемый порошок состоит из части в виде сплошных и полых сфер диа метром 1-10 мкм, а такжев виде пористых полых структур – сросшихся (спекшихся) ансамблей полых сферс размером стенок 10-80 нм. Средний размер стенок составляет 45 нм, что позволяет согласно современной но менклатуре в области нанотехнологий называть исследуемый образец – наноструктурным порошком, или сокращенно – нанопорошком.

При смешивании нанопорошка с дистилорованной водой невооружен ным глазом было видно, что часть нанопорошка при попадании агломери ровались, что привело к укрупнению частиц.

Вывод:

Таким образом, экспериментальные работы позволяют сделать вывод о том, что нанопорошок оксида алюминия, полученный плазмохимиче ским методом, при попадании в водную среду частично растворяется, при этом его растворение сопровождается агломерацией наночастиц в суспе зии. Такой вывод даёт основание предположить, что наноматериалы бла годаря из высокой реакционной способности будут изменять дисперс ность при попадании в окружающую среду.

Список литературы 1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Индивидуальный наночастицы // Сайт Нанотехноло гического общества России. Электронный ресурс. Режим доступа:

http://www/ntsr.info/nanoworld/simply/index.php?ELEMENT_ID= 2. Богданов А.А., Дайнингер Д., Дюжев Г.А. Перспективы развития про мышленных методов производства фуллеренов // Журнал технической физики. – 2000. – Т. 70. - № 5. – С. 1- 3. Алексеева О. Воздействие наноматериалов на окружающую среду // Перспективные технологии. – 2008. – Т. 15 - № 13/14. – С. 6- 4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Из дательский центр «Академия», 2005. – 192 с Нанотехнологии и автолюбитель Конышева Виктория Юрьевна, школа №969, 10 класс.

Научный руководитель Пунькина Светлана Ивановна, учитель физики.

Еще в конце 50-х годов прошлого столетия учёные предполагали, что существует возможность манипулирования атомами в рамках вещества при наличии соответствующего инструментария. Использование обычных технологий обработки материалов не применимо для нанотехнологий, т.

к. на таком уровне решающее значение играют свойства межатомного и межмолекулярного взаимодействий, а не привычные - макроскопические.

Постепенно нанотехехнологии входят в жизнь автолюбителей. Боль шая их часть служит для защиты материалов. Благодаря использованию нанопокрытий, материалы автомобиля обретут такое свойство, как оттал кивание воды и грязи, что благотворно скажется на состоянии машины.

Покрытие защитит материал от негативных воздействий и коррозии.

В настоящее время многие компании предлагают нанообработку сте кол, кузова и дисков. Использование нанотехнологий при обработке сте кол автомобиля, является замечательным средством обороны от абразив ных воздействий окружающей среды.

Ученые смогли достичь производства новейшего типа стали, который сделает автомобиль легче. новый вид стали изобретен на основе совре менных нанотехнологий. Используя такую сталь в автомобилестроении, можно производить такие автотранспортные средства, которые бы были сопоставимы по весовой категории с алюминиевыми. При этом стоимость таких авто станет намного меньше.

В целом, говоря о представившихся возможностях использования на номатериалов в автомобильной промышленности, надо отметить, что в этой области уже накоплен некоторый, по большей части положитель ный опыт, а перспективы применения нанотехнологий в автомобиле строении пока еще скрыты от наших глаз.

Растущие год от года требования к показателям экономичности двига телей и снижению токсичности выхлопа заставляют автомобильных кон структоров вести активный поиск альтернативных чугуну и стали мате риалов. В качестве одного из наиболее перспективных, способных стать основой для создания новых моделей двигателя материалов рассматрива ется модифицированный нанокомпозитными материалами пластик. Тео ретически использование таких полимеров позволит значительно упро стить сам процесс изготовления различных деталей двигателя, параллель но улучшится и их точность. Показатели жесткости и прочности модифи цированного пластика близки к тем, что демонстрируют металлы, но при этом пластик гораздо легче, а его использование в конструкции автомо бильного двигателя позволит значительно улучшить коррозионную ус тойчивость деталей, снизить уровень шумов двигателя, уменьшить техно логические допуски.

Накопленный опыт в области наноразмерных частиц позволил немец ким ученым из Института новых материалов в Саарбрюккене заявить о возможности создания в скором времени ингибиторов коррозии нового поколения. Руководитель института профессор химии Хельмут Шмидт обрисовал принцип действия новых ингибиторов следующим образом:

«…к стандартному покрытию автомобиля мы подмешиваем наночастицы, выполняющие функцию ингибиторов коррозии, причем придаем им такие свойства, чтобы они в случае необходимости обеспечивали быструю диффузию соответствующих компонентов покрытия в зону повреждения и как бы затягивали рану».

Значительный потенциал несут в себе разработки новых материалов, которые могут быть использованы для конструирования новых автомо бильных двигателей. Растущие год от года требования к показателям эко номичности двигателей и снижению токсичности выхлопа заставляют автомобильных конструкторов вести активный поиск альтернативных чугуну и стали материалов. В качестве одного из наиболее перспектив ных, способных стать основой для создания новых моделей двигателя материалов рассматривается модифицированный нанокомпозитными ма териалами пластик Добавление в специальную жидкость наночастиц магнетита (оксида железа) с особым покрытием превращает ее в феррожидкость, вязкость которой можно изменять с помощью магнита. В современном автомоби лестроении данный материал уже нашел свое практическое применение в качестве регулируемых по высоте амортизаторов.

Одной из наиболее динамично развивающихся областей нанотехноло гий в секторе автомобилестроения является разработка и производство высокоэффективных антифрикционных, противоизносных и охлаждающих составов. Опытным путем было установлено, что приме нение данных составов приводит к сокращению расхода топлива на 2–7%, износу деталей в 1,5–2,5 раза, увеличению мощности двигателя на 2–4%.

Добавление наночастиц в автомобильные шины увеличивает их гиб кость и уменьшает износ.

Отдельного разговора заслуживают перспективы развития и совершенствования электронных компонентов автомобиля с использованием современных возможностей нанотехнологии.

Россия давно нуждается в так называемых платных дорогах. И их про ект станет отличным примером поддержки государственной программы о развитии инновационной деятельности в стране. «Изюминкой» таких «умных» транспортных сообщений станет активное внедрение инноваци онных технологий.

Примерами подобного внедрения обозначены наличие светодиодного освещения на автомагистралях, установка автономных солнечных освети тельных устройств, обеспечение проекта системами контроля над пере движением транспорта на платных дорогах, использование инновацион ных материалов и технологий для строительства объектов как дорожной, так и придорожной инфраструктуры.

В настоящее время проходят испытания дорожные знаки, которые сделаны с использованием нанотехнологий. Особенность этих знаков за ключается в том, что у них будет светодиодный индикационный контур, который работает от солнечных батарей. Особенностью является то, что они будут видны с большого расстояния. Тут не понадобится проводка, которая часто ломается. Такие знаки уже появились на дорогах Москвы.

В скором времени, если тестовые варианты успешно пройдут испыта ния, все старые знаки будут заменены на аналоговые со встроенными солнечными батареями. По мнению разработчиков, это довольно простая и, безусловно, экономичная альтернатива. Все элементы изображения на знаке будут дополнены по контуру специальными лампочками, накапли вающими энергию от дневного света. Цветовая гамма останется прежней, идущий пешеход будет оформлен зеленым светом, а «зебра» – желтыми огнями.

Нанотехнологии в медицине.

Котельников Кирилл Игоревич, Московский казачий кадетский корпус им. М.А.Шолохова №7, 9 ”В” класс.

Научный руководитель Танюшкина Татьяна Николаевна, учитель физики Актуальность.

Вопросы лечения заболеваний, бессмертия, слепоты были актуальны во все времена. Когда появились первые люди, они задумывались, как избавиться от тяжелых болезней. В средние века как восстановить уте рянную руку или ногу в бою. А сейчас вообще о бессмертии. Все это воз можно как нам сейчас прогнозируют все ученые мира, которые изучают нанотехнолигии в физиологии живых существ.

Цель работы.

Исследовать хронологию использования нанотехнологий в медицине, этапы становления и развития этой технологии до настоящего времени и решение вопроса о продлении жизни человека.

Задачи:

1.Изучить историю возникновения нанотехнологий.

2.Составить хронологическую таблицу использования нанотехнологий в медицине.

3.Проанализировать достижения нанотехнологий в медицине по во просам бессмертия человека.

4.Сформулировать вывод.

Исторический ракурс.

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упомина ние методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, свя зывают 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 предпо ложил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при по мощи 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.

Нанороботы.

В период с конца восьмидесятых проводится много опытов по мани пулированию атомной структурой. Первым опытным построением было создание двух вращающихся шестеренок на валах размером в несколько нанометров. Когда после этого стало ясно, что можно собирать наноуст ройства на практике, началось развитие нанотехнологий. Так, в 1987- гг. В НИИ «Дельта» под руководством П. Н. Лускиновича заработала пер вая российская нанотехнологическая установка, осуществлявшая направ ленный уход частиц с острия зонда микроскопа под влиянием нагрева. В 1991 профессор Суимо Лиджима разработал нанотрубки на основе фулле ренов. На их основе создаются материалы в десятки раз прочней стали. В настоящее время сущетсвуют наноэлектромеханические устройства – это прототипы нанороботов, которые несут в себе огромные перспективы. Их использование направлено на лечение различных заболеваний. Они могут передвигаться, обрабатывать, выполнять заданные программы, а также передавать информацию. Главной задачей нанороботов является распо знание болезни, доставка лекарства в необходимый участок человеческого тела, то есть к больным органам, избегая здоровых, чтобы не нанести вре да. Также при необходимости с помощью таких современных медицин ских механизмов выполняется хирургическое вмешательство.

Что есть и что разрабатывается.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих дета лей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие по вреждения, или предотвращая возникновение таковых.

Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток.

В действительности наномедицины пока еще не существует, сущест вуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспек тивными.

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функ ций клетки.

Важным моментом является то, что такие трансформации в перспекти ве, можно производить над клетками живого, уже существующего орга низма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три ос новных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ре монтировать молекулы.

2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.

3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе гово ря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания пер вого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.

- Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

- Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химиче ские компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

- И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Минусы и плюсы.

Ученые утверждают, что мир стоит на пороге невиданных перемен:

новой экономики, чуть ли не бессмертия человека и вообще перехода в новую цивилизацию. Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, опреде лит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

"Сейчас к этой теме интерес сильно возрос, – рассказала замдиректора Санкт-Петербургского института биорегуляции и геронтологии Галина Рыжак. – Под флагом нанотехнологий собираются преобразовать про мышленность, поднять страну. И люди пользуются плодами нанотехноло гий, даже не подозревая об этом. Область "наноприменения" самая широ кая – это может быть напыление микроскопических частиц на корпус космического корабля или работа с клетками человеческого тела. Раньше то, с чем уже давно работают, называлось пептидами – это мельчайшие белки, они осуществляют связь между клетками организма. Когда вдруг выяснилось, что они тоже нанотехнологии, начался ажиотаж". Кстати, помимо плюсов данная отрасль науки имеет и ряд минусов. Террористы и криминалитет, получившие доступ к нанотехнологиям, могут нанести обществу существенный урон. Химическое и биологическое оружие будет более опасным, а скрыть его будет значительно проще.

Выводы.

Да, действительно прогресс не стоит на месте. Медицина всего мира продвинулась далеко вперед с возникновения первого человека. Уже мно гое разрабатывается, а многое и есть. Не исключено что люди больше ни когда не будут стареть и вовсе умирать, а так же заболевать и т.д. Но не забывайте, что у всего хорошо есть и темная сторона. Этим можно вос пользоваться о вред человечеству.

Биологические ритмы Крамынина Анастасия Ивановна, школа №1208.

Научный руководитель Бойцова Наталья Юрьевна, учитель физики Все живые организмы, начиная от простейших одноклеточных и кон чая такими высокоорганизованными, как человек, обладают биологиче скими ритмами, которые проявляются в периодическом изменении жиз недеятельности и, как самые точные часы, отмеряют время. С каждым годом ученые находят новые внутренние ритмы биологических функций.

Биологические ритмы или биоритмы – это более или менее регуляр ные изменения характера и интенсивности биологических процессов.

Способность к таким изменениям жизнедеятельности передается по на следству и обнаружена практически у всех живых организмов. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах и в популяциях.

Теории "трех биоритмов " около ста лет. Интересно, что ее авторами стали три человека: Герман Свобода, Вильгельм Флисс, открывшие эмо циональный и физический биоритмы, а также Фридрих Тельчер - иссле довавший интеллектуальный ритм. Психолога Германа Свободу и отола ринголога Вильгельма Флисса можно считать "дедушками" теории био ритмов. В науке такое случается очень редко, но одинаковые результаты они получили независимо друг от друга. Несмотря на профессорские зва ния и то, что одинаковые открытия были сделаны независимо, основатели теории "трех биоритмов " имели многих противников и опартаментов.

Исследования биоритмов продолжались в Европе, США, Японии.

Особенно интенсивным этот процесс стал с открытием ЭВМ и более со временных компьютеров. В 70 - 80 гг. биоритмы завоевали весь мир.

Интенсивность большинства физиологических процессов на протяже нии суток имеет тенденцию повышаться в утренние часы и падать в ноч ное время. Примерно в эти же часы повышается чувствительность орга нов чувств: человек утром лучше слышит, лучше различает оттенки цве тов.

Изучение биоритмов организма человека позволит научно обосновать применение лекарственных препаратов при лечении больных.

В последнее время в нашей стране и за рубежом проводятся большие работы по исследованию биоритмов человека, их взаимосвязи со сном и бодрствованием. Поиски исследователей направлены в основном на опре деление возможностей управления биоритмами с целью устранения на рушений сна. Задача эта особенно актуальна, на наш взгляд, в настоящее время, когда значительная часть взрослого населения земного шара стра дает от бессонницы. Управление внутренними ритмами человека имеет важное значение, не только для нормализации ночного сна, но и для уст ранения ряда заболеваний нервной системы, имеющих функциональный характер (например, неврозов). Установлено, что суточное изменение внутренних ритмов, свойственных здоровому человеку, при болезненных состояниях искажаются. По характеру искажений врачи могут судить о ряде заболеваний на начальной стадии.

По-видимому, большинство болезней у человека происходит вследст вие нарушения ритма функционирования ряда органов и систем его орга низма.

В ходе исторического развития человек и все другие живые существа, населяющие нашу планету, усвоили определенный ритм жизни, обуслов ленный ритмическими изменениями геофизических параметров среды, динамикой обменных процессов.

Одна из быстроразвивающихся наук XX века — биоритмология, т.е.

наука, изучающая циклические биологические процессы, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы. Дело в том, что живая система постоянно находится в состоянии обмена веществ с окружающей средой и обладает сложной динамикой процессов, является саморегулирующейся и самовоспроизводящей системой. «Биологические часы» в организме — отражение суточных, сезонных, годовых и других ритмов физиологиче ских процессов. А так как, темпы научно-технического прогресса сейчас приобретают стремительный характер и предъявляют серьезные требова ния к человеку, нам кажется, проблема актуальности биоритмов является сегодня самой важнейшей. Бездумное отношение человека к самому себе, как и к окружающей природе, часто является следствием незнания биоло гических законов, эволюционных предпосылок, адаптивных возможно стей человека и т.д., и т.п. Чтобы сохранить здоровье человека и его рабо тоспособность, всесторонне и гармонично развивать его физические и духовные качества, необходима не только настойчивая и плодотворная научно-исследовательская работа, но и большая просветительская работа.

Рассмотрим структурные, функциональные и биологические процессы человека в пространстве и во времени, в тесном взаимодействии с окру жающей средой, выявим влияние биологических ритмов на работоспо собность, проблемы нарушения биологических ритмов.

1.Биологические ритмы и работоспособность.

Все живое на нашей планете несет отпечаток ритмического рисунка событий, характерного для нашей Земли. В сложной системе биоритмов, от коротких – на молекулярном уровне – с периодом в несколько секунд, до глобальных, связанным с годовыми исследованиями солнечной актив ности живет и человек. Биологический ритм представляет собой один из важнейших инструментов исследования фактора времени в деятельности живых систем и их временной организации. Повторяемость процессов — один из признаков жизни. При этом большое значение имеет способность живых организмов чувствовать время. С ее помощью устанавливаются суточные, сезонные, годовые, лунные и приливно-отливные ритмы фи зиологических процессов. Как показали исследования, почти все жизнен ные процессы в живом организме различны.

Ритмы физиологических процессов в организме, как и любые другие повторяющиеся явления, имеют волнообразный характер. Расстояние ме жду одинаковыми положениями двух колебаний называются периодом, иди циклом.

2.Мониторинг биоритмов.

Чтобы определить свои биоритмы, надо наблюдать за своими мысля ми и чувствами в течение 2 недель и записывать регулярно всю информа цию в дневник. В течение этого наблюдательного периода, Вы сможете распознать все три типа биоритмов. В первую очередь, Вы заметите цир кадианные ритмы, так как они дают нам информацию о сне и выделении гормонов (и то и другое оказывают влияние на наше самочувствие).

Женщинам будет полезно проследить за менструальным циклом (часть инфрадианных ритмов).

Например, вы замечаете, что пик активности наблюдается вечером по понедельникам, пятницам и субботам. Именно на это время можно спла нировать физические тренировки. По средам и четвергам вы чувствуете себя немного вялым, поэтому в эти дни можно отдыхать. Также вы долж ны заметить, что ритмы влияют на сон: в зависимости от дня недели из меняются качество и количество сна. Если выдалась неспокойная ночь, следующий день нужно спланировать таким образом, чтобы была воз можность немного вздремнуть. За этими особенностями желательно на блюдать не только в течение двух недель, но и в течение нескольких лет.

И вы убедитесь в том, что ритмы остаются неизменными, несмотря на постоянные изменения образа жизни.

3.Биоритмы человека и его жизнедеятельность.

Известно, что солнечные сутки — чередование темноты и света — равны 24 ч, а лунные сутки — периодичность приливов и отливов — 24, ч. Взаимодействие между солнечными и лунными сутками рождают си нодический месяц, равный 29,5 суток (его максимум приходится на пол нолуние, а минимум — на новолуние).

Такая ритмичность несомненно отражается на жизнедеятельности всех живых организмов и в том числе человека. Так, в период максималь ной активности Солнца резко ухудшается состояние у страдающих гипер тонией, атеросклерозом, инфарктом миокарда;

даже число дорожных происшествий увеличивается. В этот период реакция человека на любой внешний раздражитель значительно замедляется. С увеличением солнеч ной активности меняется магнитное поле Земли, и это сказывается на воз будимости нервной системы человека.

Заключение.

Человеческий организм подчиняется ритмам, заложенным самой при родой, и эти ритмы оказывают влияние на все процессы, происходящие в организме, и учет этих ритмов и уважительное отношение к ним — осно ва человеческого здоровья.

Нанотехнологии в экологии Красильников Святослав Сергеевич, школа 1208.

Научный руководитель Бойцова Наталья Юрьевна, учитель физики Мы живём в период бурного развития нанотехнологий. Развитая нано технологическая наука и промышленность – незаменимый атрибут разви того государства, свидетельствующий о том, что страна уже перешагнула барьер, разделяющий индустриальное и постиндустриальное общество.

Недаром в России уже была создана госкорпорация «Нанотех», которая должна стать основным локомотивом «прорыва» в области высоких тех нологий.

В этой статье мы только вскользь коснёмся «нанодостижений», так как информацию об интересных разработках сейчас без труда можно найти в интернете, а поговорим об опасностях, которые предостерегают человече ство, переходящее на рельсы нанотеха.

Основной «строительной единицей» нанопроизводства является атом.

Из этих элементарных частиц осуществляется «сборка» различных «мик роконструкций»: нанотрубок, «нанолекарств», полупроводников нового поколения и т.д. Полученные нанотехнологичные продукты обладают поистине фантастическими свойствами. Они сверх прочны, сверх активны и сверх малы. Опасность наноматериалов в первую очередь заключается в их микроскопических размерах. Во-первых, благодаря малым размерам, они химически более активны, вследствие большой суммарной площади поверхности «нановещества», в результате чего малотоксичное вещество может стать очень токсичным. Во-вторых, химические свойства «нанове щества» могут в значительной степени меняться из-за проявлений кванто вых эффектов, что в итоге может сделать безопасное вещество очень опасным. В-третьих, в силу своих малых размеров наночастицы свободно проходят сквозь клеточные мембраны, повреждая клеточные органел лы и нарушая работу клеток. Представьте себе попавшие в клетку мно гочисленные «иголки» нанотрубок, которые при движении с клеточным соком ломают и крушат всё на своём пути.

Уже сегодня нанотехнологии шагнули практически во все сферы жиз ни. Можно с уверенностью сказать, что активное развитие нанотехно логии вызовет революцию и в экологии. В ближайшем будущем поя вятся такие новые слова, как «наноэкология», «нанозагрязнение», «нано токсикология»… На смену экологии индустриального общества должна прийти эколо гия постиндустриального общества. Большинство существующих на сего дняшний день методик оценки качества окружающей среды направлено на выявление степени химического/физического загрязнения. Эти мето дики абсолютно не применимы для выявления «нанозагряз ния». Экологический мониторинг в будущем ждут большие перемены.


Уже сейчас необходимо разрабатывать эффективные методы обнаруже ния наночастиц в природных средах (воде, воздухе и почве), разрабаты вать методики определения токсичности наноматериалов и нормировать содержание различных наночастиц в окружающей среде, разрабатывать новые методы оценки воздействия на окружающую среду антропогенной деятельности. На сегодняшний день способов борьбы с «традиционным»

химическим загрязнением, предостаточно, что нельзя сказать о предот вращении загрязнения окружающей среды «наночастицами».

Здесь «традиционные» фильтры и системы очистки абсолютно беспо лезны. Необходимо уже сейчас начинать работу над очистными система ми нового поколения.

Нанотехнологии способны изменить производственные процессы двумя способами. Во-первых, за счет быстрого сокращения отходов про изводства и повышения его эффективности. Во-вторых, за счет использования наноматериалов в качестве катализаторов, которые повысят эффективность производственных процессов и позволят изба виться от токсичных и грязных материалов, а также конечных продуктов.

“Зеленые” нанотехнологии – это технологии, в которых используют ся безопасные для окружающей среды химические и технологические процессы.

В идеале “зеленые” нанотехнологии должны улучшить производст венные процессы, предъявляемые к материалам требования, химические процедуры, а также заменить текущие небезопасные вещества и процес сы. Это позволит сократить расходы энергии и материалов.

Для достижения данных целей ученые ведут исследования в следую щих направлениях:

• синтез на атомном уровне новых улучшенных катализаторов для про изводственных процессов;

• вставка информации в молекулы (такие как ДНК) для создания новых молекул;

• самосборка молекул как основа для новых химикатов и материалов;

• создание молекул в микро- и нанореакторах;

• использование альтернативной энергии на основе солнечных батарей и топливных элементов, а также разработка новых способов передачи энергии;

• усовершенствование производственных процессов с целью более эко номного использования энергии.

Наноматериалы могут обладать совершенно иными физико химическими свойствами и оказывать иное токсическое воздействие, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, что требует обяза тельного изучения их потенциального риска. К числу определяющих фак торов охраны здоровья населения относится снабжение населения добро качественной питьевой водой. Несмотря на то, что Россия является круп нейшей водной державой и располагает 1/5 общемировых ресурсов пить евой воды, положение в этой сфере по прежнему вызывает серьёзную оза боченность. Около 70% населения России обеспечивается питьевой водой из поверхностных источников, при этом 40% из них не соответствуют санитарным нормам. Более 29,3% водопроводов из поверхностных источ ников не имеют необходимого комплекса очистных сооружений, более 16% - обеззараживающих установок. Высокой остаётся также доля водо проводов (свыше 18,5%) из подземных источников, не соответствующих санитарным нормам из-за отсутствия очистных сооружений и обеззара живающих установок.

Что касается загрязненного воздуха, ведущими загрязнителями в РФ являются свинец и его неорганические соединения. В 5 и более раз пре вышают предельно-допустимые концентрации на жилых территориях всех федеральных округов предприятия электроэнергетики и автомобиль ный транспорт. Вклад автотранспорта в загрязнение атмосферного возду ха возрастает из года в год и превышает 40%.

Особые опасения вызывает нанооружие. Как уже известно, из истории развития человечества, все передовые достижение науки первым делом водворяются в военной отрасли. Перефразировав выражение советского классика, можно сказать, что, для человека убийство себе подобных – это задача первостепенной важности. Так в США уже был анонсирован «на нотермит». Это взрывчатое вещество, упорядоченное на атомарном уров не, производит ещё больше энергии в единицу времени. Чудовищной силы взрывчатое вещество может быть начинено нанотрубками, ко торые при взрыве рассеиваются на большой площади, вызывая на рушения работы клеток и органов живой силы противника. Кроме того, как нанооружие, так и токсичные нановещества могут стать опасной «игрушкой» в руках террористов. Вообщем, нас ждёт очень интересное нанобудущее… Нанотехнологии в медицине Кременевская Ангелина, Иванова Анна, гимназия №1562, 9 класс Научный руководитель Усанова В.В., учитель физики Цели проекта: изучить применение нанотехнологий в медицине, по казать на примере внедрение наночастиц в организм человека с целью профилактики или лечения различных заболеваний и сделать на основе исследований выводы.

Задачи проекта: проанализировать и по возможности спрогнозиро вать применение нанотехнологий в образовательных учреждениях и пер спективу создания «наноклассов».

Используемые методы исследования: анализ найденных данных, прогнозирование развития нанотехнологий.

Результаты проекта: по окончании проекта сделать выводы о взаи мосвязи нанотехнологий и медицины, а также о перспективах их разви тия.

Нанотехнологии – это важнейшие технологии 21 века, которые явля ются наиболее перспективными направлениями в физике.

Нанотехнологии активно внедряются в различные сферы жизни: в промышленности, сельском хозяйстве, биологии, экологии, кибернетике и даже в криминалистике. Однако мы решили посвятить наш проект приме нению нанотехнологий в медицине.

В этом году, как никогда, наиболее популярным стало слово «нано технологии».

Например, 8 февраля 2011 года президент Дмитрий Анатольевич Мед ведев наградил молодых ученых за достижения в области нанотехноло гий. Премии получили 7 человек.

Мы поняли, что эта тема действительно актуальна, и решили рассмот реть ее подробнее.

Что такое нанотехнологии?

Нанотехнологии часто называют важнейшими технологиями 21 века.

Уже сейчас мы начинаем использовать те преимущества, которые откры ваются перед нами в загадочном наномире - среди атомов и молекул. Ведь это - мир особых феноменов и эффектов,которые описывают один из раз делов физики – квантовая механика.

Слово “нанотехнология” на устах у всех. И не случайно.

Оно поражает воображение: нано – это миллиардная доля метра, и тем не менее сегодняшняя наука уже в силах заглянуть в эти глубины и даже указать реальные пути к использованию открывающихся там возможно стей. А возможности воистину фантастические – и это вторая причина популярности нанотехнологии. Достаточно сказать, что она в принципе делает возможным, например, создание метаматериалов, обеспечивающих полную невидимость любых предметов, или квантовых компьютеров, способных работать, как полагают специалисты, с неслыханной доселе скоростью.

Что такое наномедицина?

Наномедицина является одним из активно развивающихся научных направлений медицинской науки и подразумевает - слежение, исправле ние, генетическую коррекцию и контроль биологических систем организ ма человека, на молекулярном уровне, используя наноустройства, наност руктуры и информационные технологии.

Наномедицина - новое перспективное научное медицинское направле ние, в основе которого лежит точечное воздействие на организм на атом ном и молекулярном уровнях, а также использование предназначенных для этой цели новых физических принципов, миниатюрных нанороботов, информационных и телекоммуникационных технологий, нанокомпьюте ров с искусственным интеллектом и Разумом.

Применение нанотехнологий в медицине Медицина – очень консервативная область. Ведется огромное количе ство исследований по всему миру в области медицины, но требуется очень много времени, чтобы они были внедрены в жизнь. В среднем, ме жду созданием нового лекарства и началом его применения в практиче ской медицине проходит около 5 - 10 лет. Поэтому лекарства на основе нанотехнологий и существуют пока только в виде экспериментальных образцов или перспективных проектов. Тем не менее, возможности нано теха в медицине колоссальны.


Одним из наиболее привлекательных вариантов применения нано – это создание сенсоров – устройств, способных реагировать на изменения сре ды, появление частиц какого-то определенного вещества, изменение кон центрации веществ. В настоящий момент существует множество проектов по созданию сверхчувствительных сенсоров, работающих за счет наноча стиц.

Наночастицы соотносятся с молекулами примерно как ваша рука с бу синой или с мячиком для пинг-понга, поэтому наночастицы можно ис пользовать, чтобы «ловить» отдельные молекулы. Это обьясняет особую чувствительность нано-сенсоров, способность их обнаруживать вещества даже в малейших концентрациях. Особенно ценно это качество для диаг ностики заболеваний, что уже нашло применение в перспективных разра ботках.

Проведение операций с использованием нанотехнологий Существует мнение, что с помощью нанотехнологий медицина нако нец найдет эффективное решение в борьбе с раком. Как известно, злока чественные опухоли образуются из-за сбоя в механизме клеточного деле ния, происходящего скорее всего происходит на молекулярном уровне.

Тем не менее, нанотехнологии уже нашли применение в борьбе со зло качественными опухолями. Существует нехирургический метод удаления опухолей, основанный на гипертермии. Принцип его состоит в том, что углеродные нанотрубки, вводимые в опухоль, проникают в её клетки и, под воздействием излучения определенной частоты, начинают выделять теплоту, повышать температуру опухоли, вызывая, таким образом, её от мирание. При этом, весьма незначительна вероятность того, что останутся живые злокачественные клетки и что опухоль начнет расти снова.

Геронтология – открытие будущего Геронтология – достижение личного бессмертия людей за счет вне дрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организ ма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые бы ли заморожены в настоящее время методами крионики.

Успехи и перспективы Существуют нанопроекты, воплощение которых в медицину, в ко нечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государствен ного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может по зволить помочь увеличить продолжительность жизни, улучшить ее каче ство и расширить физические возможности человека.

в фармацевтической отрасли около половины всей продукции бу дет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием на нотехнологий составит более $180 млрд. в ближайшие 10-15 лет.

Такие операции как выращивание участков кожных покровов, вос становление утраченных нейронов и нервных окончаний и удаление рако вых клеток могут привести к настоящим прорывам в медицине.

Нанотехнологии в России Кузьмич Николай Андреевич, школа №1208.

Научный руководитель Бойцова Наталья Юрьевна, учитель физики Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в об ласти нанотехнологий» нанотехнология определяется как совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым об разом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего мас штаба.

Основные этапы развития 8 октября 2008 года было создано «Нанотехнологическое общество России», в задачи которого входит «просвещение российского общества в области нанотехнологий и формирование благоприятного общественного мнения в пользу нанотехнологического развития страны» сл 6 октября 2009 года президент России Д. А. Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призы ваю». Д. А. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадрах для нанотехнологий.

26 апреля 2010 года в городе Рыбинске открылся завод по производст ву монолитного твёрдосплавного инструмента с многослойным наност руктурированным покрытием. Это первое нанотехнологическое произ водство в России. РОСНАНО потратила на финансирование этого проекта около 500 млн рублей.

Российская корпорация нанотехнологий.

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехноло гий» учреждена в июле 2007 года специальным Федеральным законом от 19 июля 2007 года. В 2007 году правительство Российской Федерации внесло имущественный взнос в размере 130 млрд рублей для обеспечения деятельности корпорации. Официально зарегистрирована 19 сентября 2007 года.

Органами управления корпорации являются наблюдательный совет, правление и генеральный директор. Органом внутреннего финансового контроля является ревизионная комиссия. В корпорации формируется консультативный орган — научно-технический совет.

Форумы и выставки Rusnanotech Первый в России Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech прошел в 2008 году, впоследствии ставший ежегодным. Ра бота по организации Международного форума по нанотехнологиям про водилась в соответствии с Концепцией, одобренной наблюдательным со ветом ГК «Роснанотех» 31 января 2008 г. и распоряжением Правительства Россиской Федерации. Форум прошел с 3 по 5 декабря 2008 г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Фору ма состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки.

Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и по сетителя из России и 32-х зарубежных стран.

Квантовые компьютеры: миф или реальность?

Кулькин М.К., школа №1741.

Научный руководитель, Пацина М.В., учитель физики Введение Сфера нанотехнологий во всем мире считается ключевой для техноло гий XXI века. Возможности разностороннего применения в таких облас тях, как медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста. Применение продукции нанотехнологий позволит сэко номить на сырье и потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу, и тем самым будет способствовать устойчивому развитию экономики.

Несмотря на то, что нанотехнологии уже нашли сферы применения, для большинства населения они остаются научной фантастикой. В буду щем значение нанотехнологий будет только расти. Очевидным необходи мым условием развития данного процесса является усиленное внедрение основ науки о нанотехнологиях в образовательные программы в школах и вузах. Во-первых, это поможет сократить сохраняющийся дефицит моло дых специалистов в этой области. Во-вторых, введение дополнительных разделов по программам физики, химии и биологии позволит структури ровать крайне противоречивые и несистематические представления пре подавателей средней школы, а также потенциальных абитуриентов, стре мящихся получить высшее образование в области нанотехнологий. [1] I. Нанотехнологии Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретиче ского обоснования, практических методов исследования, анализа, синтеза, производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельны ми атомами и молекулами. Приставка «нано» - дольная приставка, озна чающая множитель 109 (одна миллиардная).[2] Другое определение дал профессор МГУ Г.Г.Еленин: «Нанотехноло гией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных об ластях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физически ми, химическими и биологическими свойствами».

А Федеральное Агентство по науке и инновациям в «Концепции раз вития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», дает такое оп ределение: «Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспе чивающих возможность контролируемым образом создавать и модифици ровать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба». [3] II. Что такое квантовые компьютеры Одним из направлений развития нанотехнологий является разработка и создание мощных вычислительных комплексов, основанных на кванто вомеханических эффектах.

В 1982 году физик-атомщик Ричард Фейнман, известный своими «Фейнмановскими лекциями по физике», предложил создать принципи ально новые вычислительные машины, которые могли бы справиться с огромным объемом вычислений и которые ныне именуются не иначе как квантовые компьютеры. А в 1994 году американский математик Питер Шор совершил настоящий прорыв в науке, написав так называемый алго ритм факторизации, который разлагал на простые множители многораз рядные числа. Количество необходимых математических действий при разложении 1000-значного числа достигает 10300. Самый современный компьютер справится с этой задачей за 10285 секунд, а квантовый мог бы справиться всего за 109 операций!

Что такое квантовый компьютер? Это гипотетическое вычислительное устройство, использующее квантовую логику, квантовые способы вычис ления и квантовомеханические эффекты, такие как квантовый паралле лизм и квантовая запутанность. «Квантовый параллелизм» подразумевает под собой, что данные в процессе вычислений представляют собой кван товую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путём измерения конечного состояния квантового регистра.

Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при при менении одной квантовой операции большое число коэффициентов су перпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содер жат классическую информацию, преобразуется одновременно. Под «кван товой запутанностью» обычно понимается следующее. Представим себе атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду в опреде ленный промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не рас пад», но в квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние — «распада — не распада», то есть ни то, ни другое, а как бы между. Вот это состояние и называется квантовой запутанностью.[4] III. Технические характеристики квантовых компьютеров В квантовом компьютере единицей информации является квантовый бит, или кубит, а поведение системы кубитов – вычислительного регистра – определяется законами квантовой механики. Кубит может принимать «пограничные» логические состояния, обозначаемые как «|0» или «|1».

Но он может находиться еще и в суперпозиции, то есть в каждом из них одновременно. Кубиты обладают очень интересным свойством квантовых объектов: иногда между парой кубитов возникают так называемые сцеп ленные состояния. Тогда, изменяя состояние одного кубита, можно управлять состоянием другого.

Классический регистр, состоящий из трех битов, содержит в определен ный момент времени лишь одно из восьми возможных значений: 000, 001, 010, …, 111. А аналогичный трехкубитный квантовый регистр может ОДНОВРЕМЕННО хранить все эти восемь значений. Если добавлять куби ты в регистр, то его объем будет увеличиваться экспоненциально: 3 кубита могут хранить 8 различных чисел, 4 кубита — 16, N кубитов — 2Nчисел одновременно. Таким образом, квантовый компьютер с 1000 кубитами в своей оперативной памяти может содержать 21000, или примерно 10300 ком бинаций нулей и единиц, что значительно превышает возможности самых современных компьютеров с терабайтами оперативной памяти. [5] Как устроен квантовый компьютер? Чтобы производить квантовые вычисления, должно быть сконструировано устройство, испускающее заданный упорядоченный поток отдельных квантов. Такое устройство уже существует – это лазер. Квантовый компьютер – это гибрид обычного компьютера и лазера. Компьютер с помощью специальной программы задает параметры работы лазера. Излучение попадает в систему зеркал, считывается фотоэлементами, и данные обрабатываются компьютером.

Преимущества, которые имеет квантовый компьютер по сравнению со своими современными собратьями, очевидны. Квантовый компьютер сможет легко и быстро решать задачи принципиально иного уровня слож ности. Например, квантовый компьютер сможет разложить число, со стоящее из 250 знаков не за 800 лет, а всего лишь за 30 минут. [6] IV. Практические предпосылки создания квантовых компьютеров В деле создания квантовых компьютеров уже есть первые успехи. Так совсем недавно был предложен новый способ замедления света. Несмотря на то, что скорость распространения света в вакууме постоянна, свет за медляется в различных средах по-разному в зависимости от их оптиче ской плотности. Это явление, называемое электромагнитно индуцированной прозрачностью, позволяет создать проницаемую для оп тических лучей среду с необычайно большой оптической плотностью. В такой среде свет можно замедлить в миллионы раз, и это можно исполь зовать для передачи информации.

Устройство, созданное группой физиков под руководством ученого Оскара Пэйнтера из Калифорнийского технологического института, пред ставляет собой обыкновенную кремниевую пластину с отверстиями диа метром несколько десятков нанометров. Физики охлаждали пластину до 9 градусов по шкале Кельвина, после чего освещали лазерным лучом. В ходе взаимодействия луча и пластины возникала электромагнитно индуцированная прозрачность. Освещение отверстий вторым, дополни тельным лазерным лучом заставляло их вибрировать, подобно камертону.

Такие вибрации фактически представляют собой энергию второго свето вого луча, распространяющуюся со скоростью примерно 40 метров в се кунду, и поэтому их можно считать движением замедленного света. [7] V. Трудности на пути создания квантового компьютера Но, конечно же, на пути создания квантового компьютера есть и проблемы.

Возможность создания квантового компьютера обсуждалась на конференции в международном инновационном центре Сколково. Итальянский профессор университета Ульма Томассо Кларко, крупный специалист в этой области, от носится к созданию квантовых компьютеров скептически. Во-первых, мы не можем нормально транспортировать атомы. Во-вторых, мы не можем присво ить адрес в массиве конкретному кубиту для управления им. [8] Кроме того, квантовые системы гораздо более чувствительны к воз действию окружающей среды, чем классические. Все прототипы кванто вых компьютеров работают при очень низких температурах и в вакууме.

Квантовые вычисления возможны при температуре кипения жидкого азо та (77 градусов по шкале Кельвина), а при 195 градусах по шкале Кельви на они представляются разумно-возможными. Поэтому для того, чтобы квантовый компьютер работал бесперебойно, нужно поддерживать в нем определенные квантовые состояния и следить за тем, чтобы неконтроли руемые воздействия окружающей среды не нарушали процесс квантовых вычислений. Для предотвращения сбоев в вычислениях необходимо про водить коррекцию ошибок. Это можно сделать, например, дублированием вычислительных процессов. [9] Существует еще одна серьезная проблема - ввод и вывод данных. Эти опе рации предполагают преобразование квантовой информации в классическую, и наоборот. Это может изменить состояние кубитов и разрушить систему.

Появляются сообщения, что создаются реальные квантовые системы с небольшим числом битов, например, с двумя. Так что эксперименты есть, но пока очень далекие от реальности. Два бита - это и для классического, и для квантового компьютера слишком мало! Например, чтобы моделиро вать молекулу белка, нужно порядка ста тысяч кубитов.

Задача эта возникла совсем недавно, и не исключено, что она потребу ет каких-то фундаментальных исследований в самой физике. Поэтому представляется, что в обозримом будущем ожидать появления квантовых компьютеров не следует.

Вывод В то время как никто не отрицает огромный потенциал квантовых вы числений и достигнутый в последнее время прогресс, по-видимому, прой дёт ещё очень много лет, прежде чем появятся коммерческие квантовые компьютеры. По мнению многих ученых, работающих в области кванто вого компьютинга, результаты научных разработок могут приблизиться к стадии практического применения не ранее 2020 года.



Pages:     | 1 | 2 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.