Здесь можно найти образцы любых учебных материалов, т.е. получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Молекулярные нано-технологии

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 08.09.2012. Сдан: 2011. Страниц: 6. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Федеральное агентство по образованию
Министерство  образования Российской Федерации 

Бийский технологический институт (филиал)
Государственного  образовательного учреждения
Высшего профессионального образования.
« Алтайский  государственный технический
университет имени И.И.Ползунова»
(БТИ  Алт. ГТУ)
Кафедра БУАА 
 

Реферат
По дисциплине: «Основы технологии призводственных процессов» 

На тему: «Молекулярные нано-технологии» 
 
 
 
 
 
 

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

Проверил: Петров Е.А.:                  . 

Бийск 2011
Содержание
Введение…………………………………………………………………….3
Суть наномеханического подхода………………………………………...4
Перспективы молекулярного  производства……………………………...7
Политические  аспекты…………………………………………………….8
Оценки ожидаемых  параметров наномеханических устройств (по Э. Дрекслеру)…………………………………………………………………11
"Нанотехнология" в биологических системах…………………………..11
АТФ-Синтаза………………………………………………………………12
Особая роль углерода……………………………………………………..14
Простейшие конструкции  на основе углерода………………………….14
Наномеханические вычисления…………………………………………..16
Возможные применения МНТ…………………………………………….17
Стратегии реализации МНТ……………………………………………….18
Заключение………………………………………………………………….19
Литература…………………………………………………………………..20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение: 

     Идею  о том, что возможно создавать  нужные нам устройства и другие объекты, собирая их "молекула за молекулой" и, даже, "атом за атомом" обычно возводят к знаменитой лекции одного из крупнейших физиков ХХ века Ричарда Фейнмана «Там внизу — много места» [1]. Эта лекция была прочитана им в 1959 году; большинство современников  восприняли её как фантастику или шутку.
     Современный вид идеи молекулярной нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате работ К. Э. Дрекслера [2,3], которые также сначала воспринимались как научная фантастика. Развитие молекулярные нанотехнологий в первую очередь направлена на благо людей, чтобы улучшить качество жизни человека и вывести на совершенно новый уровень.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Суть  наномеханического подхода 

     Есть  существенные отличия нанотехнологий от традиционных технологий. Во-первых, наши инструменты для работы на наноуровне ещё несовершенны – производить с атомарной точностью мы пока можем лишь некоторые предметов. Во-вторых, на наноуровне привычные физически законы проявляются иначе: становятся заметными квантовые эффекты и взаимодействие между молекулами, тогда как сила тяжести и трение играют небольшую роль. Этим, в частности, обусловлены сложности проектирования и построения наноразмерных объектов.
     На  сегодняшний день в нанотехнологиях можно выделить три направления :
– создание наноматериалов (материалов с наноразмерными элементами) с помощью традиционных химических методов, (так называемые «наномасштабные технологии»);
– попытки создания активных наноструктур с использованием белков, ДНК и других органических молекул;
– наномеханический подход, также называемый «молекулярное производство», в рамках которого создаются наноразмерные устройства, в т. ч. наномашины.
     Первое  направление наименее амбициозно и является продолжением традиционных химических и микроэлектронных технологий. Первоначально его вообще не относили к нанотехнологиям. Создание наноструктур на основе органики привлекательно кажущейся простотой использования существующих в живой природе образцов, но, в то же время, это направление изначально декларирует собственную ограниченность, связанную с использованием определенного класса «строительного материала». Поэтому эти два направления привлекательны, в основном, в относительно краткосрочной перспективе, а затем вероятно их замещение наномеханическим подходом как потенциально более совершенным.
     Принципиально важно, что развитие нанотехнологий не обязательно должно быть поступательным, поэтапным. Наномеханический подход может использоваться уже сейчас, и работа в этом направлении ведется Э. Дрекслером и рядом других авторов и организаций.
     В основе наномеханического подхода лежит идея создания искусственных конструкций наноразмеров, которые были бы приспособлены для выполнения необходимых действий. Со временем, писал Дрекслер, промышленные средства молекулярной сборки разовьются до уровня, когда станет возможным создавать нанороботов – устройства размеров порядка сотен нанометров, выполняющие любые манипуляции с атомами вещества (в т. ч. сборку и разборку) по заданным программам.
     Нанороботов, способных конструировать предметы из отдельных атомов или простых молекул, Дрекслер назвал ассемблерами. Если подобная сборка осуществляется в рамках единой системы, а не отдельными нанороботами, то речь идёт о нанофабрике. В любом случае, для работы с атомами, а затем с собранными из них блоками все больших размеров, будут использоваться наноманипуляторы. Из-за сверхмалых размеров каждый манипулятор наноробота сможет работать с частотой до миллиона операций в секунду. За счёт этой скорости и параллельной работы миллионов наноманипуляторов (либо в нанофабрике, либо у множества отдельных наноассемблеров) практически любой материальный объект можно будет произвести быстро и недорого в неограниченных количествах. В качестве сырья для работы нанофабрик или наноассемблеров можно будет использовать практически любые вещества: землю, химические и бытовые отходы; главное условие для сырья – наличие в нем в достаточном количестве всех химических элементов, входящих в состав производимого объекта.
     Подобные  нанороботы размером не больше бактерии, снабженные манипуляторами, двигателями и компьютерами, смогут выполнять любые задания по команде человека. Наномедицина будет способна исправить любые проблемы во всех клетках человеческого тела: очистить артерии от склеротических бляшек, уничтожить инфекцию или раковые клетки, даже перепрограммировать на генетическом уровне все клетки организма.
     Первые  шаги на пути к созданию наномашин уже делаются. С помощью компьютерных программ сейчас моделируются наноустройства, содержащие десятки тысяч атомов. В настоящее время одним из ведущих нанотехнологов мира Р. Фрайтасом разработаны базовые проекты нескольких медицинских наноустройств: респироцит (искусственный аналог эритроцита), микробивор (замена лейкоцита) и хромаллоцит (наноробот для замены хромосом в клетках). Крисом Фениксом разработан проект простой нанофабрики.
     В последние несколько лет был  получен ряд отдельных результатов, демонстрирующих перспективность  наномеханического подхода. Так, в 2005 г . был создан прототип «наноавтомобиля – устройство из нескольких молекул-колес на шасси, которое двигается по плоской поверхности, получая энергию в виде отдельных фотонов. Разработаны несколько различных прототипов двигателей для нанороботов, в том числе на основе АТФ-синтазы. В 2007 г . ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли заявили о создании радиоприемника из одной нанотрубки, что демонстрирует принципиальную возможность для нанороботов использовать радиосвязь для обмена сигналами друг с другом и с управляющим компьютером.
     Однако, как отмечает Э. Дрекслер, форсированное развитие молекулярного производства невозможно в рамках отдельных научных проектов, а только в рамках единого скоординированного процесса по разработке подобной производственной системы, интегрирующей в себе отдельные разработки и технологии.
     По  прогнозам NNI (Национальная нанотехнологическая инициатива США), молекулярные наносистемы будут созданы около 2020 г. По оценкам CRN (Центр ответственных нанотехнологий, США), при целенаправленном усилии, молекулярное производство (наноассемблеры или нанофабрики) могут стать реальностью уже к 2015 г.  

Перспективы молекулярного производства 

     Нанофабрикам отводится ведущая роль в грядущей научно-технической революции. Простота проектирования и изготовления сложных конструкций позволит создавать сверхмощные компьютеры, превосходящие современные по быстродействию и объемам обрабатываемой информации в миллионы раз. Суперкомпьютеры в сочетании с нанороботами позволят подробно проанализировать структуру человеческого мозга и понять механизмы его работы. Это, в свою очередь, поможет ученым создать искусственный интеллект, превосходящий человеческий. Любую работу по обслуживанию людей и обеспечению их материальными благами можно будет передать машинам.
     Люди  получат возможность модернизировать  свои тела, заменяя органы и ткани  более совершенными. Будет возможно даже по собственному усмотрению изменить свой внешний облик, преобразившись до неузнаваемости. Виртуальные миры, поддерживаемые сверхмощными компьютерами, откроют для людей колоссальные возможности для творчества и  самореализации. Постройка сверхскоростных  космических кораблей и гигантских жилищ в космическом пространстве приведут к быстрой экспансии  человечества в космосе и непрерывному освоению пространства вокруг звезд  и других источников энергии.
     В то же время, развитие нанотехнологий таит в себе и опасности. Наиболее неблагоприятный сценарий – появление «серой слизи» ( grey goo ): непрерывно размножающихся нанороботов (репликаторов), целенаправленно уничтожающих людей, животных, растения, всю органическую жизнь на планете. Такой сценарий вполне возможен при использовании нанороботов в качестве оружия.
     Чтобы предотвратить развитие подобных сценариев, необходимы эффективные механизмы  общественного контроля над развитием  высоких технологий и, особенно, за прогрессом в области вооружений. Одна из концепций защиты, предложенная Дрекслером, состоит в создании активных щитов, которые будут сами обнаруживать вышедшие из-под контроля эксперименты и используемое оружие и самостоятельно уничтожать возникающие опасности. Однако для своего создания активные щиты сами требуют технологий молекулярного производства. Предложены и иные методы контроля потенциально опасных направлений нанотехнологий.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Политические  аспекты 

     Надо  сказать, что судьба наномеханического направления нанотехнологий, несмотря на очевидные преимущества, такие как ясность целей и относительная простота дизайна, а также — потенциальная сверхперспективность, складывалась до последнего времени нелегко.
       Частично причина этого кроется  именно в прогнозируемых радикальных  последствиях молекулярного производства, выходящих за рамки привычного  мировоззрения большинства людей. 
     Описанные Дрекслером идеи первоначально были подвергнуты критике рядом учёных. Итог этого спора оказался неоднозначным. В научном отношении критика дрекслеровских идей оказалась несостоятельной, а его модели выдержали проверку временем. Однако в общественном сознании и в политической среде критика оставила тяжелый след.
     В 2000 г . этих критических публикаций, в т. ч. широко разрекламированных заявлений нобелевского лауреата Ричарда Смолли , оказалось достаточно, чтобы изменить направление государственного финансирования Национальной нанотехнологической инициативы США. В результате бюджетное финансирование в значительной степени было направлено на уже существующие проекты в области химии. Старые проекты получили приставку «нано», а в обществе начал незаметно формироваться миф о уже идущем нанотехнологическом буме.
       Эмоциональные призывы Смолли, которые учёный и писатель Рей Курцвел охарактеризовал как «избегающие ключевых вопросов, лишённые конкретного научного содержания и полные неточных метафор» временно взяли верх.
     Большая часть стран в мире при создании национальных нанопрограмм брала США в качестве образца. В результате на данный момент почти во всём мире стратегии в области нанотехнологий основаны на предположении, что дрекслеровская концепция ошибочна, при том, что в США она выдержала всю критику, а в других странах этот вопрос даже не обсуждался.
       Риторика нанопроектов использует имя Дрекслера и некоторые его идеи, но финансовые решения неизменно консервативны, и средства идут на традиционные проекты.
     Есть  и исключения. Япония ещё с начала 1990-х годов развивает нанотехнологии самостоятельно, впрочем, и там, судя по прогнозам института научно-технической политики NISTEP, потенциалу молекулярных машин уделяется недостаточное внимание. Активно развивают самые передовые идеи в области нанотехнологий в исследовательских центрах Сингапура, поэтому возможно, что этой стране удастся в ближайшее время вырваться вперёд. Также есть основания полагать, что в Китае к этому направлению относятся весьма серьезно. Кроме того, вполне вероятно, что отдельные частные организации ведут работы по молекулярному производству и наномашинам, но надёжной информации об этом пока нет.
     Лишь  в 2006 г . сторонникам Дрекслера удалось добиться первой лоббистской победы. Отчет Национального исследовательского совета национальных академий США, оценивающий деятельность NNI , рекомендовал финансирование изучения технической возможности методов молекулярного производства. Не исключено, что в ближайшие несколько лет вопрос о финансировании этого направления будет в США решён положительно. Но даже в этом случае из-за инерции вряд ли это найдёт отражение в нанотехнологической стратегии других стран до 2012 – 2015 гг.
     В целом, хотелось бы отметить, что развитие нанопроизводства и создание нанороботов, без сомнения, в ближайшие годы начнет стремительно развиваться. Учитывая нарастающую конвергенцию технологий и ускорение прогресса, можно сказать, что последствия этого для цивилизации окажутся радикальными (Валерия Прайд 2008). В осмыслении этого процесса и его перспектив философия также должна сказать своё слово.
Оценки  ожидаемых параметров наномеханических устройств (по Э. Дрекслеру) 

     В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры в основном механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонент к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что они недооценивают важность электрических, оптических и т. д. эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом разумеется, осознаётся что электрические и прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.
     Произведя соответствующее масштабирование  Дрекслер получил следующие численные оценки:
    Позиционирование реагирующих молекул с точностью ~0.1 нм
    Механосинтез с производительностью ~106 опер/сек на устройство
    Молекулярная сборка объекта массой 1 кг за ~104 сек
    Работа наномеханического устройства с частотой ~109 Гц
    Логический затвор объёмом ~10-26 м3 (~10-8 ј3), с частотой переключения ~0.1 нсек и рассеиваемым теплом ~10-21 Дж
    Компьютеры с производительностью ~1016 опер/сек/Вт; компактные вычислительные системы на1015 MIPS
 
"Нанотехнология" в биологических системах 

     Прежде, чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том варианте, в котором её видят Э. Дрекслер и его последователи будет полезно получить представление о том, как работают "устройства" аналогичного масштаба в живых организмах. В рамках данного обзора приведём лишь один из наиболее ярких примеров. 

АТФ-Синтаза 

     АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ).Последния используется практически всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.
     АТФ-синтаза присутствует в "энергетических станциях" растительных и животных клеток -хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную конструкцию из нескольких типов единиц - белковых молекул (Рис. 1. АТФ-синтаза). Одна из этих единиц - а-единица - прочно закреплена в мембране хлоропласта или митохондрии. Из неё выступает двойной "кронштейн" - пара b-единиц. С помощью ґ-единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±- и І-единиц.
 
Рис. 1. АТФ-синтаза

     Рядом с а-единицей в толще мембраны свободно вращается цилиндрический блок с-единиц.Очередная с-единица может захватывать протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной а-единице. С-блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица не сблизится с а-единицей. При этом протон через имеющийся в а-единице канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка. Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула -і-единица. Она играет роль коленчатого вала. По мере вращения она давит на очередную І-единицу, заставляя её переходить из одной конформации -закрытой - в другую - открытую. В открытой конформации І-единица захватывает пару молекул - аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. При закрытии она с силой прижимает их друг к другу; это приводит к механосинтезу АТФ. При очередном открытии готовая молекула АТФ выходит в окружающую среду и І-единица готова к очередному циклу.
     Таким образом можно сказать, что АТФ-синтаза представляет собой довольно сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор - с-блок; статор - а-единица),коленчатого вала (і-единица) и блока рабочих инструментов (І-единиц),осуществляющих механосинтез молекул АТФ из двух исходных компонент.
     Интересно, что АТФ-синтаза может работать и "в обратную сторону". Если над мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже І-единицы будут вращать с-блок через і-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким образом, "электромотор" может работать и как "электрогенератор".
     Это только один из примеров расшифрованных природных наноустройств. К сожалению здесь невозможно подробно рассмотреть ряд других - таких, как "электромотор",двигающий флагеллы бактерий, "сборочный конвейер" - рибосому,ферменты-"нанороботы", находящие ошибки в информации, записанной на ДНК и исправляющие их. С каждым годом мы обнаруживаем новые молекулярные механизмы, выполняющие самые разнообразные функции. Это позволяет предположить, что устройства, аналогичные по масштабам могут быть изготовлены и искусственно -то, что было сделано, может быть повторено.
Особая  роль углерода 

     Всё живое на Земле состоит из соединений углерода. Значение этого элемента трудно переоценить. Оно определяется огромным разнообразием его форм в соединениях. Углеродные цепочки могут образовывать линейный скелет молекул, циклические и сложные объёмные скелетные структуры; углерод представляет огромный интерес и в чистом виде, принимая различные формы от алмаза до молекулярных волокон и нанотрубок. Ковалентная связь углерод-углерод является наиболее прочной из известных.
     До  сравнительно недавнего времени  известны были только две разновидности  упорядоченного чистого углерода - алмаз и графит. Потом были обнаружены и другие - сначала были синтезированы  молекулярные волокна, затем открыты  полые сферические молекулы -фуллерены; при поиске эффективных методов синтеза последних были обнаружены углеродные нанотрубки.
     Именно  материалы на основе углерода Дрекслер рассматривает в качестве основных кандидатов для изготовления конструкций наномеханизмов (хотя, разумеется, свои места находят и другие элементы - водород, азот, кислород, фосфор, кремний, германий и т. д.) 

Простейшие  конструкции на основе углерода 

     В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления - магнитное и электростатическое взаимодействия, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов), различных квазичастиц. Однако в рамках "дрекслерианского" подхода обсуждаются в основном чисто механические конструкции. Делается это не потому, что остальные явления недооцениваются. Просто, такой подход позволяет наиболее наглядно продемонстрировать возможности молекулярной нанотехнологии, дать им как бы "пессимистическую оценку". Использование же всех остальных явлений а также квантовомеханических свойств нанокомпонент должно позволить значительно эти возможности расширить.
     На  рисунках 2-4приведены некоторые  из множества конструкций нанокомпонентов, рассчитанных методами молекулярной динамики - от простейших до довольно сложных.
 
Рис. 2.Простейшие шестерёнчатые передачи (разработка NASA)

 
Рис. 3. Различные варианты наноподшипников

 
Рис. 4. Вариант конструкции наноманипулятора
 

Наномеханические вычисления 

     Миниатюризация  компонент вычислительной техники, увеличение частоты их функционирования представляют собой магистральное  направление развития нанотехнологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность целого ряда активных компонент - транзисторов, диодов, ячеек памяти - состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже из единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонент в единую систему, соединения их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем -вопрос времени. Оценки показывают, что компьютер, собранный из наноэлектронных компонент и по своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объём в 1 см3 - но будет работать в 107 раз быстрее[2](быстродействие будет ограничено возможностью отвода тепла). Компьютер (точнее, процессор + память), эквивалентный современному "Пентиуму" будет, предположительно, иметь объём в 10-6 см3 - 0.1ґ0.1ґ0.1 мм3.
     Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлектронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут созданы на совершенно другой элементной базе. Дрекслер предполагает, что такой базой может стать наномеханика.
     Дрекслер предложил механические конструкции для основных компонент нанокомпьютера -ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нанотрубок)компьютер эквивалентный современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объём в 0.01 мк3, компьютер с памятью в 1 терабайт - объём в 1 мк3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода тепла. Расчёты Дрекслера ([4]) показывают, что при температуре окружающей среды ~300°К на один ватт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять ~1016 операций в секунду. При мощности 100нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объёмом 0.01 мк3) это даёт производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.
     Если  эти показатели будут достигнуты, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы оснастить бортовым компьютером микронного размера  наноустройство, например, медицинского назначения. 

Возможные применения МНТ 

     Дрекслер (начиная с книги [3]) и сторонники его подхода наметили целый ряд возможных применений МНТ. Среди них:
     Медицинские применения. Устройства микронного размера  смогут перемещаться по организму человека, разрушая атеросклеротические бляшки в сосудах, уничтожая раковые  клетки и возбудителей инфекционных заболеваний ([3, 6]).
     Молекулярное  производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство весом около 60 кг ("настольная нанофабрика") сможет с молекулярной точностью изготовлять объект, объёмом около 1 л и весом около 4 кг примерно за 3 часа. Это позволило бы за 2 дня изготовить вторую такую же нанофабрику; удвоение их количеств каждые 2 дня позволило бы за 2 месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли ([8]).
     И даже такие применения, как терраформирование планет с помощью саморазмножающихся нанороботов. 

Стратегии реализации МНТ 

     Разрабатывается целый ряд подходов, которые могут  позволить приблизится к развитой молекулярной нанотехнологии. Среди них:
     Использование биологических молекул - белков, нуклеиновых  кислот - и других макромолекул. Такие молекулы могут как послужить готовыми деталями для наносистем промежуточного уровня, так и "молекулярными роботами" для сборки нанокомпонент,изготовленных другим способом.
     Механосинтез с использованием зондовой микроскопии. Предложен ряд подходов, которые могут позволить собирать углеродные конструкции буквально атом за атомом.
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.