Нанотехнологии своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Нанотехнологии - это современные разработки на микроуровне. В мире появилось много самых удивительных изобретений в этой сфере. Мы расскажем о самых примечательных.
Плащ-невидимка из графена . Ученые из Университета Далласа в Техасе изобрели плащ-невидимку, использовав известное природное явление – мираж. Новый материал, созданный на базе графена, обладает свойствами, сходными с раскаленным песком в пустыне, что позволяет "отводить глаз" от предмета, делая его невидимым. При этом невидимость можно включать и выключать, пуская по наноматериалу электрический ток.
Мираж в природе появляется при резких скачках температуры на поверхности небольшой площади. Лучи света преломляются и попадают на сетчатку глаза, не отражаясь при этом от поверхности. Поэтому если в пустыне у человека перед глазами возникает образ озера, то это часто оказывается лишь отражением голубого неба, которое отразилось от горячей прослойки воздуха у раскаленного песка.
Наноэлектроника . Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронным устройств. Ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Наноэлектроника получит новый импульс после этой разработки. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью.
В качестве исходного субстрата японцы взяли мономолекулярную пленку из диацетилена, нанесенного на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина. По мнению создателей, данная схема будет функционировать как диод.
Наномозг . Мозг человека по многим параметрам превосходит современные вычислительные системы.
Его структурными элементами, как известно, служат нейроны, количество которых у человека приближается к ста миллиардам. Уникальной характеристикой соединяющих нейроны синапсов является их способность изменять эффективность связи. В это связи ученые уже много лет ведут поиск способа искусственно смоделировать нейронную сеть мозга. Недавно сотрудники Стэнфордского университета (США) заявили о создании функциональной модели синапса на основе материала с лёгким изменением фазового состояния.
В одном прототипе пространство между нанопроводами заполнено пластиком, а вся конструкция находится между двумя пластинами электропроводного материала. При небольшом сжатии он вырабатывает напряжение около 0,24 В. Другой генератор содержит больше нанопроводов и вырабатывает 1,26 В, то есть приближается к напряжению стандартной батарейки или аккумулятора.
Наномедицина и профилактика. Ученым из Университета Айовы удалось с помощью наночастиц пролить свет на сложные процессы, происходящие внутри элементов живой клетки. Все элементы клетки, по сути, можно назвать природными наномеханизмами, однако в настоящее время ученые имеют весьма смутное представление о том, как именно они их выполняют. Американцы выделили и исследовали несколько типов базовых перемещений, происходящих во внутриклеточных наномашинах.
Наномедицина позволяет разработать новые методы диагностики. Поступательное перемещение несложно отследить с помощью современных микроскопов. Однако вращательное движение наблюдать намного сложнее вследствие ограничений наблюдательной техники, вследствие чего многие процессы, в основе которых лежат вращательные молекулярные перемещения, до сих пор слабо изучены.
Затем ученые ввели в клетку наностержни из золота, размеры которых составляют 25 нм в диаметре и 75 нм в длину, которые рассредоточились по клетке. Затем с помощью микроскопии по методу интерференционного контраста они смогли замерить и их положение и перемещение и смоделировать на компьютере полную трехмерную картину происходящих в клетке перемещений. Результаты их исследований могут помочь в лечении различных тяжелых заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера, а также продвинуть исследования в области искусственного моделирования внутриклеточных процессов.
Наносенсор . Ученые из Стенфордского университета разработали инновационный чип-биосенсор, позволяющий диагностировать рак на ранних стадиях. Сенсор, сконструированный профессором Шаном Вонгом и его коллегами основан на технологии магнитного детектирования и способен обнаруживать заданный протеин-биомаркер рака при концентрации один к ста миллиардам (то есть 30 молекул на один кубический миллиметр крови). Такой сенсор почти в тысячу раз чувствительнее, чем применяющиеся в настоящее время технологии диагностики начальных стадий развития опухолей.
Кроме того, его работа одинаково эффективна в любой биологической жидкости, в которой врачам нужно определить нахождение ракового биомаркера – в слюне, плазме и сыворотке крови, моче или лимфе. Эффективность наносенсорного чипа была подтверждена опытами на мышах. При этом, как сообщают ученые, сенсор можно настроить на поиск самых различных протеинов-биомаркеров и, соответственно, обнаруживать не только рак, но и многие другие заболевания.
Нанобот . Корейские ученые заявили о разработке новой технологии управления медицинскими микророботами в теле человека.
О перспективах микроботов писали многие, как ученые, так и фантасты. Перемещаясь с током крови, микромашины могли бы выполнять сложнейшую работу, доставлять лекарственные препараты, убивать раковые клетки и бактерии, разрушать тромбы и другие образования, до которых невозможно добраться никаким другим способом. Однако на настоящее время проблемой остается не только конструирование некоторых узлов микроботов, но и управление ими.
Выращивание органов . Мысль о том, что органы для трансплантации можно выращивать, не нова, однако к ее осуществлению есть ряд препятствий. Органы нельзя вырастить, как кусочек кожи в чашке Петри, им нужна объемная матрица, своего рода каркас для роста. Однако ученые из университета Райса предложили совершенно иной способ – выращивать органы в подвешенном положении с помощью магнитного поля. Осуществлением этого метода занимается лаборатория n3D Biosciences. С помощью вирусов бактериофагов в клетку доставляется запатентованная смесь наночастиц под названием Nanoshuttle. Эти частицы внутри клеток реагируют на воздействие магнитного поля, что позволяет контролировать рост ткани в трех измерениях. В таком подвешенном положении клетки могут жить и размножаться, образуя объёмные структуры, согласно заложенной в ДНК программе. Культура клеток будет развиваться естественно, гораздо лучше, чем на дне плоской чашки Петри. А значит, и функционировать в лабораторных условиях клетки будут как в живой природе. В ходе экспериментов специалистам n3D Biosciences уже удалось вырастить эмбриональные клетки почки (HEK293), которые можно использовать для скорейшего заживления ран и тестирования определенных лекарств.
Восстановление ткани позвоночника . Совместной группе ученых из Италии и США удалось добиться значительных успехов в области восстановления ткани позвоночника после травм. Обычно после переломов в месте повреждения образуется рубец, не передающий биотоки, вследствие чего человек оказывается частично или полностью парализован. Ученые выдвинули идею выращивания с помощью опорных наноструктур множества крошечных параллельных трубочек, в которых нарастала бы новая нервная ткань. Такие конструкции из трубочек 2-3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре удалось сформировать из биоразложимых полимеров, при этом внутренняя поверхность канальцев покрыта молекулами, играющими роль химических зацепов для самосборки пептидов. Действенность терапии уже доказана экспериментами на крысах, которые восстановили подвижность задних лапок после травмы в течение шести месяцев, что возвращает надежду людям с параплегией.
Восстановление сетчатки глаза . Другое достижение из области наномедицины снова из Италии, из института технологий в Милане. Ученые нашли способ восстановления повреждённой сетчатки глаза восстановить с помощью светочувствительного пластика.
Создание нейропротезов является непростой задачей, поскольку биологические ткани обычно плохо совмещаются с электроникой и могут оказывать негативное влияние на работу нервных клеток. Решением проблемы искусственной сетчатки стали гибкие полупроводники: ученые засеяли поверхность светочувствительного полупроводникового полимера нервными клетками, которые выросли и сформировали сложные разветвленные нейронные сети. В ходе экспериментов выяснилось, что покрытый нейронами полимер можно использовать в качестве электрода в светоуправляемой электролитической ячейке, при этом он обладает пространственной избирательностью. Кроме того, по словам исследователей, его можно настроить так, чтобы он реагировал только на световые волны определённой длины, благодаря чему становятся возможными разработки систем лечения поврежденной сетчатки так, что восстановится цветное зрение.
Нетрудно заметить, что большая часть наиболее интересных инноваций связана с наномедициной. Быть может, в этом есть некий символизм, поскольку сложнейшие элементы человеческих клеток, по сути, и есть природные наномашины, и ученые чаще всего не придумывают новое, а копируют подсмотренное у природы. Возможно же, что такое внимание к медицинским разработкам дает надежду на то, что будущее нанотехнологий это все же не военные наноботы, а медицинские роботы, и что новые технологии сделают человека более сильным, ловким и здоровым, а не превратят его в рабочий механизм.
1. Самоподпитываемый жидкий металл
Роботы из жидкого металла из фильма "Терминатор", похоже, не такая уж фантастика. Ученые из китайского университета Цинхуа создали жидкий металлический сплав из галлия, иридия и олова, который может двигаться. Для управления им используется электричество, а вот энергия для движения сплаву не нужна — он умеет вырабатывать ее сам. Как заявили ученые, металл способен сам трансформироваться в различные формы и является биомиметическим. Это означает, что металл имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим.
2. Пластырь Nanopatch
Ученые из Университета Йорка работают над пластырем, который сможет обеспечить человека всеми необходимыми препаратами без необходимости инъекций. Обычный пластырь, прикрепленный на руку, оснащен наночастицами, которые достаточно малы, чтобы проникнуть в организм через обычные поры кожи. Наночастицы размером в 20 нанометров проникают в организм, прикрепляются к клеткам-возбудителям болезни или пораженным клеткам, убивают их, а затем выводятся вместе с мертвыми клетками в результате естественных процессов организма.
3. Фильтр-пленка для воды
Разливы нефти в океане случаются достаточно часто. Чтобы избежать подобных экологических катастроф, ученые из штата Огайо изобрели специальное нанопокрытие. При нанесении его на мелкоячеистую сетку из нержавеющей стали, оно не пропускает нефть, позволяя воде свободно проходить через сеть. На создание такого нанопокрытия ученых вдохновила природа. Листья лотоса имеют свойства, которые противоположны нанопокрытию — они отталкивают воду, а не нефть. При создании нанопокрытия ученые имитировали поверхность листа лотоса, "оснастив" его молекулами моющего средства. В результате покрытие начало отталкивать нефть, как лист лотоса отталкивает воду.
4. Освежитель воздуха для подводных лодок
Экипажи подводных лодок во время длительных погружений чем-то должны дышать. Из воздуха постоянно удаляется двуокись углерода с помощью химического вещества под названием амин. Но это вещество добавляет неприятный запах в воздух. Ученые разработали "самоорганизующийся мезопористый монослой" или SAMMS, который может выполнять работу по очистке воздуха ничуть не хуже амина, при этом не обладая отвратительным запахом. Новый материал настолько пористый, что одна чайная ложка вещества по своей площади примерно равна футбольному полю.
5. Нанопроводник электричества
Исследователи Северо-Западного университета выяснили, как создать проводник электричества на основе нанотехнологий. Эти наночастицы могут быть настроены так, чтобы пропускать ток одновременно в различных, противоположных направлениях. Стоит ли говорить об огромном потенциале этого изобретения и о том, что можно создать идеальные электропроводники.
6. Нано-губка — зарядное устройство для телефона
Если это изобретение запустят в массовое производство, то надобность в классических зарядках для телефонов отпадет навсегда. Это нанотехнология работает как губка — она впитывает излишки кинетической энергии из окружающей среды и направляет их в аккумулятор телефона. Материал губки вырабатывает электроэнергию при его механической деформации.
7. Искусственная сетчатка
В будущем, наверняка многие незрячие люди смогут снова видеть. В Израиле была разработана нанопленка, которая предназначена для имитации сетчатки глаза. Она непосредственно подключается к нейронам глаз, чтобы передать нейронной моделирование изображения в мозг. Это поможет незрячим людям вновь обрести зрение.
8. Светящаяся одежда
В Шанхае разрабатывают светоизлучающие волокна, которые могут быть вплетены в предметы одежды. Наконец, появится возможность носить соответствующую одежду в ночные клубы с неоновым освещением. Каждое волокно состоит из нержавеющей стальной проволоки в своей основе, которая затем покрывается определенными наночастицами, слоем полимера, электролюминесцентного материала и прозрачными нанотрубками. Полученные волокна легкие и гибкие, а также могут светиться при помощи электрохимических реакций. Работают эти волокна на меньшей мощности, чем обычные светодиодные фонари. Недостатком является то, что свечение длится всего в течение нескольких часов.
9. Наноиголки для операций
Исследователи из Лондона и Хьюстона разработали кремниевые наноиглы, которые могут доставлять нуклеиновые кислоты прямо в клетки сквозь их стенки, не повреждая при этом клетки. После того, как иглы выполняют свою миссию, они остаются внутри тела и биоразлагаются в течение нескольких дней. Уже были проведены эксперименты по созданию новых кровеносных сосудов при помощи этих игл. Также ученые полагают, что этот метод пригодится во время трансплантации органов.
10. 3-D принтер химических соединений
Как известно, 3-D принтеры уже способны отштамповать тысячи разных вещей. Химик Мартин Берк из Университета Иллинойса создал 3-D принтер, который при помощи набора "строительных блоков" молекул может создать большое количество различных химических веществ. Он умеет создавать молекулы, необходимые для лекарств, светодиодов и солнечных батарей, а также некоторые химические вещества, на синтез которых у химиков ранее уходили годы.
По и на этом наука не останавливается. 10 самых ожидаемых научных достижений, которые изменят историю человечества могут войти в жизнь человека уже совсем скоро.
Не только в процессорах используются нанотехнологии
Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.
Электропроводимый жидкий металл
Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.
Как работают нанопластыри
Таким можно не только царапину заклеить
Трипанофобы, возрадуйтесь! В самом ближайшем будущем вам, возможно, больше не придется бояться иголок. Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.
Остается лишь понадеяться, что нанопластыри доведут до ума, выпустят в продажу и не в коем случае не совместят эту разработку с технологией жидкого металла, о которой мы писали выше.
Нанофильтр для воды
В современных реалиях очень актуально
Помните катастрофу, связанную со взрывом нефтяной платформы BP и разливом нефти в Мексиканском заливе, которая произошла в 2010 году? В будущем подобные аварии помнить не будут, если у исследователей из штата Огайо все получится. И все благодаря специальной разрабатываемой пленке толщиной несколько нанометров. При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.
Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.
Очиститель воздуха для подводных лодок
Под водой особенно важно иметь чистый воздух
Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом.
Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.
Что такое нанопроводники
Никола Тесла заценил бы такие открытия
Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные. Помимо этого, нанопроводник имеет и другой потенциал использования и может стать своеобразным трехмерным мостом между различными технологиями. Благодаря тому, что его совместимость может быть запрограммирована, он обладает удивительной адаптивностью.
Нанотехнологическое зарядное устройство
Айфон, который держит зарядку год? Почему бы нет
Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.
Искусственная сетчатка
Так слепых людей вообще не останется
Будущее искусственного зрения видится настолько ярким, что здесь не обойтись без солнцезащитных очков… или специальной нанопленки, предназначающейся для имитации сетчатки ваших глаз. Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.
Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать.
Nano Retina — не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.
И последнее. Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.
Светящаяся одежда
Нет, это не концерт из 80-х
Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.
Как бы там ни было, ученые считают, что можно рассмотреть варианты использования таких ниток в биомедицине. А что касается мытья, то из нанониток вполне можно будет создавать вещи, которые обычно не так часто подвергаются стирке, вроде сигнальных жилетов и бейсболок.
Наноиглы для восстановления внутренних органов
Такие иглы позволят проводить самые сложные операции
Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.
Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.
Трехмерная химическая печать
Молекулы позволят вывести 3D-печать на новый уровень
Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.
Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.
Теперь современные изобретения нанотехнологии в быту у всех на устах. О них говорят по телевизору, рассказывают в газетах. Но обычному человеку не совсем понятно, что значит нанотехнологии в быту, где же их применяют. Оказывается, во многих повседневных делах люди сталкиваются с наночастицами.
Быт и нано – все под рукой!
Нанотехнологии в быту используются очень широко. Даже в лейкопластыре, который наклеивают на мозоль или на самый мелкий порез, есть нанослой серебра. Он увеличивает скорость заживления. Ведь у серебра есть свойство антибактериальности. И чем больше площадь поверхности, с которой частицы соприкоснутся, тем быстрее пойдёт заживление, с чем помогают мельчайшие наночастицы.
Чтобы зубы были белоснежными, их нужно почистить той пастой, в составе которой есть наночастицы минералов. Они наполнят эмаль и её микротрещинки, защищая зубы от кариеса.
В современных телефонах, в том числе в смартфонах, самые разные нанотехнологии используются. Это покажется удивительным, но есть даже такая гениальная разработка, как нанодатчик вибраций. Когда смартфон падает, наночастицы закрывают наиболее важные части системы, защищая их. А если разобьется стекло, у которого повышена устойчивость к ударам, то все равно наночипы не ломаются, продолжая работать. Несколько лет назад, в 2011 году, один смартфон продолжил работать после падения парашютиста, который положил его в свой карман.
Сейчас даже есть такие шоколадные коктейли, которые не нуждаются в сахаре и других подсластителях. Ведь в этих коктейлях содержатся наноразмерные кластеры какао. У них большая площадь соприкосновения с вкусовыми рецепторами языка человека, поэтому у коктейля, содержащего такие частицы, будет более выраженный шоколадный вкус.
Для того, чтобы теннисные мячики были упругими долгое время, не выпускали воздух, ученые придумали их резиновую часть, которая пористая и может пропускать газ, покрывать нанослоем глиняного композита. Это придаст мячикам герметичность, они не будут сдуваться.
Наночастицы автомобильной краски могут заполнить любые царапины на кузовах автомобилей, действуя как слой очень маленьких шариков.
В кремах, лосьонах от солнечного воздействия активным ингредиентом является оксид алюминия. Он поглощает вредную часть солнечных лучей – ультрафиолет, но когда оксид алюминия смешивается с другими частицами, к примеру, с потом на коже, происходит распад. Если же активные элементы солнцезащитного крема поместить в наноэмульсию, то это даст им возможность не смешиваться с окружающей средой, и тогда солнцезащитное средство останется эффективным.
И даже в спальне!
Нанотехнологии в доме, они, оказывается, проникли и в спальню! Наночастички содержатся в нанопене презервативов. Те же наночастицы серебра, что и в лейкопластырях, предотвращают распространение инфекций, что передаются через половые связи. Наночастицы серебра могут разрушать разные бактерии.
Нанотехнологии в пищевой промышленности
Нанотехнологии не обошли и пищевую промышленность. Необычные продукты питания изготавливают, используя наночастицы. К примеру, наночастицы селена добавляют в китайский чай, а наночастицы жира тунца – в австралийский хлеб.
Некоторые витамины и различные белки не могут соединятся с водой, растворяясь в ней. Их почти невозможно добавить в еду. Однако, стоит разделить их на нанокапли, и решение найдено! Так, в каноловом масле есть нанокапли фитостеролов, благодаря которым можно контролировать высокий уровень холестерина, снижая его.
И конечно же, нанотехнологии используют в технике. С их помощью увеличивают параметры памяти. Нанотехнологии позволили создать ноутбуки и смартфоны, и многое другое. Детали, покрытые наночастицами служат намного дольше. Это используют и в автомобилестроении. Ещё в автомобилях можно установить зеркала или специальные стёкла, что не будут промерзать или запотевать. Это может сделать жизнь автомобилистов намного комфортнее.
Нанотехнологии в одежде
Нанотехнологии позволили создать грязезащитную одежду. Все люди, которые не могут аккуратно носить одежду, постоянно сажают пятна и кляксы, могут расслабиться. Специальное невидимое отталкивающее грязь и воду средство наносят на многие виды тканей. Это никак не влияет на проникание воздуха, внешне и тактильно одежда кажется такой же, какой она была.
Итак, нанотехнологии для дома, для техники, для питания, для одежды помогают решить многие проблемы, что казались раньше неразрешимыми. Чем больше открытий совершают ученые о наночастицах, тем больше у людей становится возможностей для комфортной жизни.
Наногенератор — это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.
Пьезоэлектрический наногенератор
Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект — это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки - проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой - положительный.
Схема работы пьезоэлектрического наногенератора на примере одной нанопроволоки
ZnO (оксид цинка)
D: ~100 нм, L: 200~500 нм
D: 25~70 нм, L: 10~20 мкм
D: 0.5~6.5 мкм, L: 0.1~0.6 мм
CVD или химическое охлаждение из газовой фазы — это процесс получения высокочистых материалов. Зачастую данный метод используется для создания полупроводников малых размеров(от нанометров до микрон).
Электроспиннинг — способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава. Метод электроформования позволяет получать полимерные волокна диаметром порядка нескольких сотен нанометров.
Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.
Пироэлектрический наногенератор
В таких наногенераторах используется два физических явления — это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека - это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье
Про пьезоэлектрический эффект при нагреве
Как мы знаем, при изменении температуры тела деформируются. В том числе и рабочее тело пироэлектрического наногенератора. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот.
Янтарь — классический пример пироэлектрика
Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов — узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.
Схема работы пироэлектрика: Ag — серебро, ITO - Оксид индия-олова. Углы на схеме обозначают градусы, в рамках которых будет колебаться диполь под действием температуры.
В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.
Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG
Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов - это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трении твердой поверхности и воды — WT-TENG.
пример работы 150 светодиодов от WT-TENG
Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.
Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:
Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:
Эпилог
Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.
Дата-центр ITSOFT — услуги размещения и аренды серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Читайте также: