Нанотехнологии — это сфера научно-технической деятельности, изучающая и манипулирующая материалами и устройствами, содержащими частицы размерами от 1 до 100 нанометров, что меньше диаметра коронавируса (120 нанометров).
Основное направление использования связано с созданием новых материалов с заранее заданными механическими, физическими, химическими и иными характеристиками.
Существует множество видов нанопродуктов. Наиболее распространенными являются:
- Наночастицы. Изготавливаются из металлов, полимеров, оксидов, прочих базовых источников. Обладают уникальными свойствами, такими как увеличенная поверхность, измененная оптическая и электронная структура. Часто используются для усиления металлов или керамики. Например, добавление наночастиц оксида циркония в алюминий укрепляет его механические свойства, повышает твердость.
Наночастицы применяются в электронике, медицине, катализе и других сферах. - Наноструктуры. К ним относятся проволоки, трубки, пленки и кристаллы наноразмеров. Они наделены исключительной физической, электрической и оптической атрибутикой, что предопределяет перспективы их применения в электронике, солнечных панелях и сенсорных устройствах.
- Нанокомпозиты. Представляют собой комбинации наночастиц с другими материалами. Частицы распределяются либо равномерно в матрице, либо группируются в определенных местах полимерной конструкции. Новые изделия приобретают улучшенные механические, термические, электрические и антикоррозийные свойства по сравнению с исходной продукцией.
- Квантовые точки. Это полупроводники с элементами от нескольких до нескольких десятков нанометров. Имеют специальные оптические качества, включая узкое распределение энергетических уровней и возможность эмиссии света различных цветов.
В настоящее время нанотехнологии и созданные на их основе оригинальные виды продукции наиболее распространены в сельском хозяйстве.
Основное назначение – повышение качества удобрений, придание им способности контролируемо высвобождать питательные вещества. Подобные особенности повышают эффективность применения химических и биорганических добавок, а также улучшают плодородность почв, создают благоприятные условия для рекультивационных работ. Значителен потенциал нанотехнологий для очистки посевных площадей от токсичных веществ путем их поглощения, борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. Интенсивные исследования ведутся учеными в направлении роста урожайности в растениеводстве за счет использования нанотехнологий для улучшения фотосинтеза, удержания влаги, разработки новых форм пестицидов с повышенной адгезией и меньшим потреблением химических веществ.
По масштабам использования наноиндустрии на втором месте прочные позиции принадлежат медицине. В отличие от сельского хозяйства, лидерство которого обеспечивается главным образом благодаря относительной дешевизне молекулярных компонентов, в медицине нанопродукция науко- и капиталоёмкая. Весомы достижения в диагностике, лечении и профилактике заболеваний. Использование препаратов и устройств в атомарных масштабах дает возможность выявлять заболевания, контролировать и управлять их течением внутри организма, в том числе на клеточном уровне. Как результат, открылись возможности для доставки медикаментов в нужную область организма для усиления эффективности действия и сведения к минимуму побочного воздействия. Подобный способ в скором времени, вероятно, станет незаменимым при борьбе с опухолями.
Широко внедряются нанотехнологии для создания искусственных тканей и органов. Они имитируют структуру и функцию естественных биологических аналогов, включая почки, печень, сердце, конечности, и способны заменять их при потере жизнеспособности.
Однако, несмотря на потенциальные преимущества использования нанотехнологий в медицине возникают некоторые вопросы и серьезные проблемы, связанные с безопасностью и этическими аспектами. Поэтому необходимо проводить дальнейшие исследования и разработки, чтобы полностью понять и оценить позитивные стороны, и минимизировать риски для здоровья людей при использовании новейших научных достижений в медицине.
В рейтинге популярности наноиндустрии электронике отводится третье место. Но здесь она имеет самый широкий спектр применения и наивысшую технологичность.
В первую очередь следует отметить нанотранзисторы. На их основе создаются процессоры малых размеров. Чем меньше процессор, тем выше энергетическая эффективность, плотность интеграции и производительность электронного устройства. Поэтому углубленные НИОКР по улучшению качественных показателей электронных изделий, где ключевая роль отводится нанотехнологиям, проводятся во всех индустриально развитых странах.
За последние 10 лет ведущим мировым компаниям удалось сократить параметры процессоров со 180 до 22 нанометров. Имеются пока еще не частые примеры производства товаров в 12,5 нанометров. Samsung (Южная Корея) и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited (TSMC, Тайвань) близки к созданию пяти и менее нанометровой, номенклатурной группы. Изделия используются в бытовых приборах (холодильники, стиральные машины), гаджетах, а также в специальной, военной и космической технике.
Промышленные предприятия микроэлектронного профиля изготавливают чувствительные и высокоточные наносенсоры. Сфера их потребления охватывает практически все области деятельности человека. В медицине с их помощью определяют температуру, давление. Чрезвычайно важно точное выявление биологических маркеров в организме, включая уровень глюкозы, белков, состояние крови и других компонентов. Это позволяет своевременно диагностировать сахарный диабет, заболевания сердечнососудистой системы и желудочно-кишечного тракта.
Одной из распространенных областей для нанотехнологий является строительство. Классическим примером служат разные варианты усиления бетонов. В частности, добавление наночастиц карбоната кальция практически удваивает прочность и другие механические характеристики фундамента. Наночастицы графена усиливают теплоизоляционные качества материалов.
Все большее распространение получают «умные» продукты, которые способны изменять свои параметры в ответ на внешние воздействия. Так, нанотермоэлектрические вещества регулируют теплопроводность в зависимости от температуры воздуха, что приобретает актуальность в вопросах энергосбережения в зданиях.
Наноиндустрия составляют основу солнечных батарей, новых композиционных материалов, специальных влагостойких, антикоррозийных покрытий.
Помимо указанных сфер, нанотехнологии активно внедряются в энергетику, автомобильную, авиационную, космическую, химическую, металлургическую, оборонную, легкую и пищевую промышленность.
Высокий потенциал предопределяет устойчивость развития мирового рынка отрасли. Он считается одним из наиболее перспективных. По разным оценкам, совокупные продажи наноматериалов и устройств составляют от 250 до 260 миллиардов долларов США. Ежегодный прирост в течение ближайших 5-7 лет не опустится ниже отметки 12%.
Целенаправленно и всесторонне в области нанотехнологий работают 12 государств, которые условно поделены на две группы. Первую, считающуюся передовой и прорывной, в порядке занимаемых рейтинговых мест составляют: Япония, США, Южная Корея, Израиль, ФРГ и Россия. Во вторую входят: Финляндия, Великобритания, Канада, Сингапур, Нидерланды и Иран. Страны-лидеры имеют долгосрочные программы научных и прикладных исследований в данной ветви человеческих знаний.
По мнению большинства экспертов, в настоящее время идет накопление информации. В недалеком будущем это выльется в революционный прорыв, который будет сопровождаться открытием новых, уникальных возможностей нано мира.
