5 мин
14 декабря 2020 г.

Лабораторная о нанотехнологиях

Нанороботы, новые материалы и нанотехнологии - подробный разбор заданий
Автор: Laba.Media

Партнер Лабораторной - Фонд инфраструктурных и образовательных программ

 

Фонд инфраструктурных и образовательных программ – один из основных инструментов реализации государственной инновационной политики, занимающий важное место в системе инструментов государственной поддержки инноваций.

Цель деятельности Фонда — финансовая и нефинансовая поддержка нанотехнологического и связанных с ним высокотехнологичных секторов экономики. Он создает нанотехнологические стартапы, ведет работу по подготовке уникальных кадров для экономики, готовит законодательные инициативы инормативные документы, оказывает содействие продвижению инновационной продукции на рынок, развивает научно-популярную деятельность.

Фонд занимает уникальное место в системе институтов развития, являясь единственным инструментом поддержки инновационной инфраструктуры наноиндустрии.

Председателем Правления Фонда, как коллегиального органа управления, является Председатель Правления ООО «УК «РОСНАНО» Сергей Куликов.

22 октября 2020 года Фонду исполнилось 10 лет. Подробнее о сделанном за 10 лет в проекте:

«Победа будет за нано!»

Здесь представлен подробный разбор викторины

Лабораторная о нанотехнологиях

1. Эйфелева башня весит 10 000 тонн. Углеродные нанотрубки обладают исключительной прочностью. На тросе какого диаметра можно подвесить Эйфелеву башню?

Хлопчатобумажная нитка (около 2 мм)
Гимнастический канат (3-4 см)
Якорная цепь океанского судна (60-70 см)
Трос подвесного моста Акаси-Кайкё (112 см)

Для этого можно использовать трос из углеродных нанотрубок диаметром, как у гимнастического каната.

Вес Эйфелевой башни около 10000 тонн https://ru.wikipedia.org/wiki//Эйфелева_башня. Углеродные нанотрубки могут держать вес до тонны на квадратный миллиметр. https://ru.wikipedia.org/wiki//Углеродные_нанотрубки Чтобы держать 10 000 тонн - нужно 10 000 кв. мм или 10 кв. см Или 3,14*r*r = 10, r = sqrt (10 / 3.14) = 1.78, d = 3.6 см

А вот Hammer X2, который весит более 3-х тонн, можно подвесить на тросе из углеродных трубок такого же диаметра, как хлопчатобумажная нить.

Проблема в том, что получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом крайне непросто, из-за чего приходится использовать нити, сплетенные из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает прочность.

Максимальная длина углеродных нанотрубок составляет на сегодня примерно полметра.

https://figshare.com/articles/Growth_of_Half_Meter_Long_Carbon_Nanotubes_Based_on_Schulz_Flory_Distribution/2393992

Звено якорной цепи 6 калибра имеет размер 72 см

https://ru.wikipedia.org/wiki/Якорная_цепь

Каждый трос подвесного моста имеет диаметр 112 сантиметров (44 дюйма) и содержит 36 830 жил.

https://en.wikipedia.org/wiki/Akashi_Kaiky%C5%8D_Bridge

Гимнастический канат

https://www.akusherstvo.ru/catalog/56289-kms-sport-kanat-s-krepezhom-2-5-m/

 

 

2. История Трои. Стены легендарной Трои построили бог и герой - Посейдон и Геракл. Но ахейцы эти стены разрушили. На этом же месте был заново построен город, который называют Вторая Троя. Его стены построили люди. И построили из композитного материала. Какой композит использовали для строительства стен 2500 лет назад троянцы?

Армированный мрамор
Железобетонные блоки
Саманный кирпич
Многослойная фанера

Из перечисленных композитных материалов в древнем мире был неизвестен только железобетон. Он начал использоваться в XIX веке и был запатентован в 1867 году. https://ru.wikipedia.org/wiki/Железобетон

Все остальные композитные материалы были известны и активно использовались.

Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он использовал армированный мрамор - замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/4ee22d2b-8dcc-9308-877a-53118dc6979e/1012459A.htm

И египтяне, и греки, и римляне умели делать многослойную фанеру. Тонкие деревянные пластины (шпон) склеивали, причем направление волокон у лежащих друг на друге пластин меняли на перпендикулярное. Клей готовили из сложного растительного состава, в который обязательно входили смолы. Делали клей и на основе желатина, который получали из костей животных. В основном фанера использовалась при изготовлении мебели. https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=4985

Но стены Второй Трои были построены из саманного кирпича - глины, смешанной с соломой и высушенной в прямоугольных формах. https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0227288

Это древний и до сих пор используемый композитный материал, активно применяемый в тех местах, где нет доступной древесины.

Одно из самых первых описаний изготовления композиционного материала - и это именно саманный кирпич - приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5): «И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте». Это прямое нарушение техпроцесса. Евреи обиделись и ушли из Египта.

 

 

3. Плащ Гарри Поттера. Плащ невидимости, подаренный Гарри Поттеру, с точки зрения нанотехнологий - возможен. Его просто нужно покрыть слоем метаматериалов. Многие свойства метаматериалов определяются особой периодической структурой с шагом 10-100 нанометров. Уже есть метаматериалы, которые делают объект невидимым в различных диапазонах электромагнитного излучения: оно особым образом преломляется на границе воздуха и метаматериала и огибает объект, как речная вода камень. Чем меньше длина волны излучения, тем труднее добиться эффекта невидимости. В каких минимальных длинах волн удалось добиться практически полной невидимости?

Радиоволны
Инфракрасное излучение
Видимый свет
Ультрафиолет

Сегодня удается практически полностью скрывать объект в диапазоне видимого света. (Патент компании Hyperstealth Biotechnology - Ноябрь 2019).

 

На дисплее тепловизора показано, что в инфракрасном диапазоне человек, закрытый листом с нанесенным на него тонким слоем нового материала исчезает полностью. В видимом свете человек, закрытый листом с поверхостью покрытой метаматериалом с отрицательным преломлением, становится практически полностью "прозрачным" (за человеком хорошо виден стул). Падающий на лист свет, огибает и сам лист и человека стоящего за ним, как вода обтекает камень. И человек - не виден в оптическом диапазоне.

В ультрафиолете и в более коротком излучении объект будет виден отчетливо. https://www.dezeen.com/2019/11/07/hyperstealth-biotechnology-quantum-stealth-invisibility-cloak/

Главное применение - военные технологии.

 

 

 

 

4. Метаматериалы встречаются и в живой природе, и это не такая большая редкость. Среди перечисленных только в одном случае природа "не воспользовалась" метаматериалами. В каком?

Крылья бабочки Morpho
Крылья моли
Кожа хамелеона
Лапки геккона

Интерференция, дифракция и рассеяние света на элементах структур с разными показателями преломления приводят к появлению так называемой “структурной” окраски. Классический пример 3D-фотонного кристалла (метаматериала) – природный опал. Его структура представляет собой ГЦК решетку из SiO2 сфер размерами от 200 до 1000 нм. Поры между сферами заполнены аморфным кремнеземом с примесями или водой, солями, оксидами и т.д.

Наноструктура крыльев бабочек рода Morpho обеспечивает не только блестящую голубую или переливчатую окраску, Исследователи выяснили, что чешуйки крыльев имеют структуру инвертированного опала, то есть место сфер занимают ячейки с воздухом, между которыми находятся хитиновые перегородки.

http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2012/12_24/n.php?file=perst.htm&label=H_24_8

Крылья моли тоже покрыты метаматериалом, но он преломляет не свет, а ультразвук, что делает моль невидимой для летучих мышей, которые традиционно охотятся на этих ночных насекомых. Этот метаматериал является идеальным звукопоглотителем.

https://www.popmech.ru/science/news-647993-na-krylyah-motylkov-obnaruzhen-osobyy-akusticheskiy-kamuflyazh-pozvolyayushchiy-pryatatsya-ot-letuchih-myshey/ https://www.pnas.org/content/early/2020/11/17/2014531117.short?rss=1&from=article_link

Кожа хамелеона тоже может менять цвета. Изменение окраски хамелеона связано с особенностями строения кожного покрова. В наружном волокнистом и более глубоком слое кожи находятся особые клетки — хроматофоры. Они содержат зерна различных пигментов: черного, темно-коричневого, красноватого и желтого цветов. При сокращении отростков хроматофоров зерна пигментов перераспределяются, и их наибольшая концентрация приходится на центр клеток, при этом кожа самой ящерицы приобретает беловатый или жёлтый окрас. При сосредоточении тёмного пигмента в волокнистом слое кожи она, соответственно, приобретает темную окраску. Сочетание пигментов обоих слоев приводит к появлению различных цветовых оттенков. Зеленые цвета окраски появляются дополнительно в результате преломления лучей света в поверхностном слое кожи, содержащем кристаллы гуанина. Именно структура кристаллов гуанина и представляет собой метаматериал.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Хамелеоны

Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature

https://www.nature.com/articles/ncomms7368

И только лапки геккона - это не метаматериал. Они покрыты тонкими волосками и могут ходить по вертикальным поверхностям, держась на стене за счет сил Ван-дер-Ваальса. Но эти волоски имеют достаточно большой размер и не создают слоя метаматериала.

 

 

 

5. Кремлевские звезды, расположенные на башнях Московского кремля - это технологически сложные устройства. В центре каждой звезды находится мощный источник света. Он закрыт молочным стеклом, которое обеспечивает равномерное излучение вовне. А сама звезда состоит из специального стекла. Что придает кремлевским звездам рубиновый цвет?

Напыление из драгоценного рубина
Добавки меди
Добавки золота
Силикатная краска с добавлением серебра

Добавки наночастиц золота, которые обеспечивают явление плазмонного резонанса.

Результатом этого резонанса и является рубиновый цвет Кремлевских звезд. В принципе все остальные методы тоже можно использовать для создания цвета нужного оттенка. Добавки меди и золота в стекло используются со средних веков при изготовлении прозрачных витражей - обе дают немного отличающиеся оттенки красного. Силикатные краски использовались для росписи по стеклу - добавление серебра дает желто-красный оттенок. Но краска даже самая стойкая постепенно стирается со стекол, и поэтому нанесение ее на внешнюю поверхность звезд было признано неэффективным. Рубиновое напыление - слишком дорогая технология. Добавки меди тоже дают плазмонный резонанс, создающий красный оттенок, но не такого яркого цвета, как добавление наночастиц золота. И было решено сделать именно так.

Нанотехнологии. Азбука для всех. Плазмонный резонанс. стр 254.

https://alexandria-studio.ru/articles/vitrage/vitrazhnye-krask

 

 

 

6. В 2005 году в университете Райса был создан наноавтомобиль, размер которого составлял 370 атомов углерода. У него было четыре колеса на осях, и он мог ехать по идеально гладкой поверхности золотой пластины. Какой источник энергии использовался для наноавтомобиля?

Миниатюрный электродвигатель
Внешний источник ультразвука
Лазерный луч
Молекула АТФ

Наноавтомобиль ехал, используя лазерный ветер: давление света вращало лопаость, которая поворачивалась, отталкивалась от золотой поверхности и приводила наномашину в движение.

Правда, машина могла ехать только вперед - в обратную сторону лопасть не вращалась.

На сегодня все остальные источники энергии для нанороботов также используются. (АТФ - для бионанороботов) Но мы должны отдать должное конструктукторам этого наноавтомобиля - они были первыми, кто создал столь миниатюрное устройство и научился им управлять.

 

 

7. Исследователи из Университета Пердью создали микророботов, способных передвигаться по толстому кишечнику и доставлять в труднодоступные места лекарство. Какой принцип движения использует этот наноробот?

Переворачивается "через голову"
Идет на четырех ножках
Ползет, как дождевой червяк
Использует реактивное движение

Наноробот двигается по толстому кишечнику "переворачиваясь через голову". Им управляет вращающееся магнитное поле: оно переворачивает прямоугольное тело робота, покрытого лекарством.

Движение наноробота, который идет "кувырком", фактически было скопировано с движения белка миозина. Этот белок состоит из димерного жгутика, на концах которого расположены круглые головки. Миозин прилепляется к каналу (например, клеткам мышц) одной головкой, а другую перекидывает "через голову". И она прикрепляется к поверхности. Но сделанный по аналогии наноробот, путешествующий по толстому кишечнику, пока гораздо больше по размеру и ему требуется внешнее магнитное поле, как источник энергии (миозин используется для каждого переворота одну молекулу АТФ).

https://www.mdpi.com/2072-666X/11/9/861?from=article_link

Нанотехнологии. Биомиметика. стр. 33

Но и все остальные перечисленные принципы (и многие другие) используются сегодня для управления и перемещения нанороботов.

Робот-паук на четырех ногах https://kriorus.ru/news/molekulyarnye-roboty-nanorazmernye-pauki-idut-k-celi https://nplus1.ru/news/2018/02/16/nanorobots-against-cancer

Реактивное движение https://nplus1.ru/news/2017/02/17/bubblefreepropulsionofultrasmalltubularnanojets

Принцип движения дождевого червя https://nplus1.ru/news/2016/02/26/swimmingmicrorobot

 

 

8. Нобелевская премия 2020 года по химии вручена двум выдающимся ученым - Дженнифер Дудне и Эмманюэль Шарпентье за разработку технологии редактирования генома - CRISPR/Cas. Фактически в этой технологии используется молекулярный биоробот. Он действует полностью самостоятельно: проникает в ядро клетки, находит нужное место в хромосоме, вырезает "плохой" фрагмент ДНК и вставляет "хороший". Но эта революционная технология крайне ограниченно используется сегодня для редактирования генома человека. Где самая высокая вероятность ошибки бионаноробота?

Не сможет проникнуть в ядро
Не найдет нужный фрагмент ДНК
Сделает лишнюю замену
Не сможет правильно вклеить фрагмент

 

В ДНК много повторяющихся последовательностей нуклеотидов, и поэтому существует достаточно большая вероятность, что вектор-биоробот найдет не только то место, которое необходимо заменить, но много таких мест, и выполнит не одну правильную замену, а несколько. Это обязательно приведет к тому, что сразу много фрагментов генома перестанут работать. Сегодня вероятность ошибки уже сравнительно мала, но, например, для редактирования генома эмбриональных клеток, использовать технологию CRISPR/Cas запрещено во всех странах мира, где идут такие исследования. Библиография есть здесь

https://esquire.ru/articles/105582-dizaynerskie-deti-kak-uchenyy-iz-kitaya-otkryl-yashchik-pandory-otredaktirovav-dnk-dvuh-mladencev-i-propal-bez-vesti/?fbclid=IwAR0Jm0wITooHNkIDzJ_AfUNf3gLzOSfBxeDR9YUczMzdvlA8ETLc8CtvsdE

 

 

9. Оптический пинцет. Для работы с наноразмерными объектами их можно захватывать лазерным излучением. Устройство, реализующее этот метод, называется оптическим пинцетом. (Нобелевская премия изобретателю Артуру Эшкину 2018). Сколько минимум нужно источников лазерного излучения, чтобы захватить одну молекулу?

один
два
три
более трех

Лазерный луч представляет собой хорошо сфокусированное монохромное излучение, В фокусе луча (наиболее узкое место луча на рисунках ниже) возникают градиентные силы, направленные к центру. Оказавшийся в фокусе объект попадает в "потенциальную" яму, из которой не может выскочить без внешней энергии. Таким образом возникает эффект, который позволяет удерживать наноразмерные объекты всего одним лазерным лучом. Оптический пинцет позволяет работать не только с такими объектами как коллоидные частицы, но и с элементами живой клетки, например, РНК, ДНК и белками.

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

 

 

10. Почему материалы с компонентами размером до 100 нанометров выделяют в отдельный класс наноматериалов?

С таким размером их удобно использовать в медицине и приборостроении
На таких масштабах меняется баланс сил, действующих на материал, и он демонстрирует новые свойства
Для работы с такими материалами нужны особо точные инструменты
Их невозможно увидеть в оптический прибор

Граница в 100 нанометров объясняется тем, что на таком масштабе у материалов появляются новые свойства за счет увеличения влияния сил межмолекулярных взаимодействий и вандерваальсовых сил относительно гравитационных сил, оказывающих значительное влияние в макромире.

При уменьшении размера частиц также возрастает отношение поверхности к объему. За счет этого наночастицы легче вступают в химические реакции. Также на уровне менее 100 нм появляются эффекты квантовой физики, изменяющие оптические, электрические или магнитные свойства материалов.

Маленькие кристаллы некоторых веществ становятся прочнее, поскольку они достигают состояния, при котором не могут раскалываться так, как это происходит у больших кристаллов, когда на них воздействуют с усилием. Металлы становятся похожими в некотором отношении на пластмассу.

 

 

11. Графену приписывают много удивительных свойств. Он гибкий, эластичный, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Неудивительно, что его предложили применять во многих сферах. Какую разработку из графена мы выдумали?

Аккумулятор
Экран смартфона
Зубной протез
Кроссовки

Сложно найти область материаловедения, где еще не нашел свое применение графен. Прототип графен-полимерного аккумулятора обладает большой емкостью, а требуемое время его заряда меньше литий-ионного. Соединение серебра и графена позволяет создавать небьющиеся экологически чистые экраны, которые будут стоить в десятки раз дешевле существующих аналогов. Графен используют для повышения прочности и противоскользящих свойств кроссовок. А вот для зубных протезов графен пока не применяют.

Емкость 2,3-вольтового графенового аккумулятора огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг, в то время как у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — 180 Вт⋅ч/кг. Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.

Для создания экрана для смартфона ученые объединили серебряные нанопроволоки с графеном — двумерным углеродным веществом. В итоге получился новый гибридный материал с производительностью, не уступающей существующим технологиям, который стоит в десятки раз дешевле и не сопряжен с загрязнением атмосферы. А главное — не бьется даже при падении на асфальт, бетон или камень.

Графеновые кроссовки в полтора раза прочнее, эластичнее и крепче, чем любая спортивная обувь, подошва которой традиционно делается из резины.

https://techcrunch.com/2017/12/09/graphene-running-shoes-will-hit-the-market-next-year/

 

 

12. Аэрогель — класс материалов, 99 % объема которого занимают пустоты. Внутри таких материалов — кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм. Каким уникальным свойством обладает аэрогель?

Может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса
Он огнеупорен
Может служить как проводником, так и изолятором
Все вышеперечисленное

Это даже не полный список свойств, которыми обладает аэрогель.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%8D%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BB%D1%8C

Являясь твердым материалом, он на 99,8% состоит из воздуха, но благодаря «каркасу» из наночастиц выдерживает огромные нагрузки. Аэрогели огнеупорны, воздухопроницаемы, способны впитывать воду или масло Имея очень большую площадь поверхности и будучи хорошими проводниками, аэрогель может использоваться для изготовления суперконденсаторов или топливных элементов.

Аэрогели применяются в различных отраслях промышленности, например при производстве силикона и строительных материалов. Аэрогель можно встретить в красках, косметике, водонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли.

В 1999 году агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», который с помощью 260 аэрогелевых параллелепипедов уловил значительное количество пыли от кометы 81P/Вильда и доставил их на Землю в полной сохранности.

 

 

13. Солнечная энергетика — самая быстроразвивающаяся отрасль возобновляемой энергетики. Однако, большой проблемой остается низкий КПД солнечных батарей. Используя «слоеный пирог» из шести материалов ученых удалось добиться рекордного КПД. Сколько он составляет?

8% — как паровой машины
30% — как у ветрогенератора
40% — как у дизельного двигателя
50% — как у парогазовой установки

КПД шестислойных фотоэлементов составил 39,2% при естественной освещенности солнцем, и более 47 % при концентрированном солнечном свете. На сегодняшний день это рекорд.

Такого эффекта разработчикам удалось достигнуть за счет инновационной конструкции пластин. Фотоэлемент представляет собой слоеный пирог из шести слоев, каждый их которых изготовлен из отдельного материала. Это фосфид алюминия-галлия-индия, арсенид алюминия-галлия, арсенид галлия и три разновидности арсенидов галлия-индия.

Помимо этого, между слоями размещены прослойки вспомогательных веществ. В итоге всего в "слоеном пироге" 140 уровней. При этом, сама батарея втрое тоньше человеческого волоса.

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0598-5

 

14. Наночип в кровеносных сосудах способен восстанавливать клетки сосудистых тканей и улучшать кровообращение.

Да

Ученые успешно испытали, который может перепрограммировать клетки кожи и превращать их в клетки других тканей. Он накладывается на кожу и посылает электрический импульс, который изменяет структуру клеток, после чего они начинают выполнять функции клеток других тканей, в том числе кровеносных сосудов.

Ученые протестировали наночип на лабораторных мышах, которым перерезали бедренную артерию. Имплантация наночипа остановила дегенерацию тканей из-за нарушения кровотока и восстановила кровеносные сосуды уже через неделю после процедуры, причем результаты показывают успешное восстановление артерии у 98 процентов подопытных особей.

Ученые уверены, что их наночип, благодаря простому алгоритму операции – огромное достижение в области регенерации тканей живых организмов.

 

 

15. Полимеры могут «заживать» сами по себе, без клея и внешнего воздействия

Да

В 2020 году химики получили самозаживляющийся полимер: если разрезать его пополам, а затем положить две части вплотную друг к другу, через 10 минут он будет снова целым. При этом никакая энергия извне — тепло, свет, давление — не требуется.

Ученые уже давно работают над воссозданием восстановления материалом по примеру биологических тканей чаще всего — в полимерах. В первую очередь такие материалы нужны как основа для электронной кожи и искусственных мышц, также они могут найти применение в гибких носимых гаджетах и других устройствах. Проблема в том, что большинству искусственных самозаживляющихся материалов нужна внешняя энергия — световая, тепловая или механическая. Поэтому процесс самозаживления нельзя было считать полностью автономным.

Ученые из Университета Тяньцзинь сумели получить полимерный материал, который может восстанавливаться самостоятельно — без притока энергии извне. Его основу составляют длинные цепи из полидиметилсилоксана , к которому добавляли различные связующие группы (линкеры). Когда полимер взаимодействует с линкерами, они прочно склеивают между собой концы его цепей, в результате получается более длинный полимер. Подобные материалы — отличная основа для самозаживляющейся гибкой электроники.