Нанотехнологии в машиностроении России

Дипломная работа: Нанотехнологии в машиностроении России

Дипломная работа: Нанотехнологии в машиностроении России

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Понятие  и развитие нанотехнологий

1.1.     Понятие нанотехнологий

1.2.     Нанотехнология как научно-техническое направление

1.3.     История развития нанотехнологий

1.4.     Современный уровень развития нанотехнологий

1.5.     Применение нанотехнологий в различных отраслях

1.5.1. Наноэлектроника  и нанофотоника

1.5.2. Наноэнергетика

1.5.3. Нанотехнологии  для медицины и биотехнологии

1.5.3.1. Наномедицина

1.5.3.2. Нанобиотехнологии

1.5.3.3. Нанокосметика

1.5.4. Нанотехнологии  для легкой промышленности

1.5.5. Нанотехнологии  для обеспечения безопасности

1.5.6. Нанотехнологии  для сельского хозяйства и  пищевой промышленности..

Глава 2. Использование  нанотехнологий в машиностроении

2.1. Значение применения  нанотехнологий в машиностроении..

2.2. Технологические  особенности применения нанотехнологий  в машиностроении (на примере  автомобильной промышленности)

2.3. Проблемы и  перспективы развития нанотехнологий  в машиностроении

2.3.1. Перспективы  развития нанотехнологий в машиностроении.

2.3.2. Ключевые проблемы  развития нанотехнологий в России

Заключение

Cписок использованных  источников

 

Введение  

 

В своей дипломной  работе мы решили рассмотреть такую  тему, как  применение нанотехнологий в машиностроении. Выбранная тема не случайна: мы считаем, что проблема развития и внедрения нанотехнологий в производственный процесс различных отраслей хозяйства России является сейчас очень важной и актуальной.

За последние  несколько лет короткое слово  с большим потенциалом - «нано» быстро вошло в мировое сознание. Существует множество слухов и ошибочных  мнений относительно нанотехнологии. «Нано»- это не только крошечные  роботы, которые могут (или не могут) завоевать мир. По сути, это огромный шаг в  науке.

Нанотехнология — область прикладной науки и техники, имеющая дело с объектами размером менее 100 нанометров (1 нанометр равен 10−9 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

Нанотехнология  сейчас находится в начальной  стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов  позволяет относить её к высоким  технологиям.

Нанотехнология  и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники  идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному  экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается  не намного, зато экономические затраты  возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Цель  дипломной работы заключается в  комплексной характеристике нанотехнологий, с учетом специфики и всех особенностей данной области прикладной науки.

Объектом  настоящего исследования является нанотехнология как область науки и техники, а предметом – особенности  применения нанотехнологии в машиностроении.

К основным задачам работы относятся:

1.   Определение понятия «нанотехнология».

2.   Рассмотрение истории развития нанотехнологии в мире вообще и в России в частности.

3.   Выяснение прикладного аспекта нанотехнологий, то есть особенностей применения в различных отраслях.

4.   Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий в машиностроении (в мире и в России).

5.   Выделение технологических особенностей применения нанотехнологий в машиностроении.

6.   Указание и прогнозирование перспектив развития нанотехнологий в машиностроении в России.

В соответствии с поставленными задачами находится  и структура дипломной работы. Материал изложен в двух основных главах:

Первая  глава носит теоретический характер – то есть в целом знакомит с  нанотехнологией: понятие, история  развития, возможности применения.

Вторая  глава посвящена вопросу применения нанотехнологий в машиностроении: значение, технологические особенности, приводится прогноз развития и выяснение  перспектив нанотехнологий в России.

При подготовке работы для сбора необходимого материала (данных) были использованы различные  информационные источники, но в основном это - экономические и научно-технические  журналы, газеты, а также ресурсы  сети Интернет.

В силу того, что  нанотехнологии – сравнительная  молодая область прикладной науки, учебной литературы по теме очень  мало. Поэтому основной источник –  материалы периодической печати и ресурсы глобальной информационной сети Интернет.

 

Глава 1. Понятие  и развитие нанотехнологий

1.1.     Понятие нанотехнологий

Любой материальный предмет - это всего лишь скопление  атомов в пространстве. То, как эти  атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет.

С. Лем

Английский термин «Nanotechnology» был предложен японским профессором Норио Танигучи в  средине 70-х гг. прошлого века и использован  в докладе «Об основных принципах  нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области[4, С. 10-17]. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Как следует из названия, номинально наномир представлен  объектами и структурами, характерные  размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10–9м = 106 мм = 10–3 мкм). Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова νανοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных  
(~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта. Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. Наноструктуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженериии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) (см. рис. 1).

Рисунок 1. Научные  основы и объекты нанонауки и  нанотехнологии [2, С.33]

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Наносистемная техника  - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

1.2.     Нанотехнология как научно-техническое направление

Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая, очевидно, в обозримом будущем  внесет революционные изменения  в технологии XXI  века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т.п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации [5, С.7-20].

Отличие свойств  малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно  и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных  структур могут служить широко применяемые  аэрозоли, красящие пигменты, цветные  стекла, окрашенные коллоидными частицами  металлов. Впечатляющие примеры связаны  с биологией, где живая природа  демонстрирует нам наноструктуры  на уровне клеточного ядра. В этом смысле собственно нанотехнология, как научное  направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается  в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи. В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах.

Важной отличительной  особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул  самоорганизовываться в структуры  различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза  реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены  эксперименты, в которых тысячи и  десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.

Использование перечисленных  выше свойств в практических приложениях  и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно- и износостойких материалов и покрытий, катализаторов с высокоразвитой поверхностью, нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, сверхскоростных приборов наноэлектроники.

Вывод: нанотехнологии - это принципиально новый, надотраслевой  приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности. Фактически переход к нанотехнологиям знаменует  переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к принципиально новому экономическому укладу.

Когда речь идет о  развитии нанотехнологий, имеются в  виду три направления:

·           изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

·           разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

·           непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Сегодня львиная  доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение  окружающей среды. Если же мы будем  целенаправленно создавать необходимые  нам материальные объекты, конструируя  их из атомов и молекул, с помощью  нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.

Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации  научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.

1.3.     История развития нанотехнологии

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые  использовал слово «атом», что  в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой  малой частицы вещества.

Примером первого  использования нанотехнологий можно  назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который  впоследствии основал известную  компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого «нано» - карлик) равен одной  миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить  примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который  в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру[17].

Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный  микроскоп, обеспечивающий 15-кратное  увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и  стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть  в наномир.