Розділ 8: Нанотехнології та матеріалознавство

вступ:

Нанотехнології - це дослідження маніпулювання матерією на нанорозмірному рівні. Він передбачає розробку та виробництво матеріалів, пристроїв і систем з новими властивостями та функціями на основі їх розміру та структури на нанорозмірі. Галузь нанотехнологій є міждисциплінарною, об’єднуючи концепції фізики, хімії, матеріалознавства та інженерії. Він має численні застосування в медицині, електроніці, енергетиці та екології.

Матеріалознавство — це вивчення структури, властивостей і характеристик матеріалів. Він передбачає проектування та розробку матеріалів із бажаними властивостями та функціями для конкретних застосувань. Галузь матеріалознавства також є міждисциплінарною, що включає поняття з фізики, хімії та техніки.

У цьому розділі ми обговоримо історію, застосування та майбутнє нанотехнологій і матеріалознавства.

Історія нанотехнологій і матеріалознавства:

Концепцію нанотехнології вперше запропонував фізик Річард Фейнман у 1959 році в його знаменитій лекції «На дні є багато місця». У цій лекції Фейнман описав можливість маніпулювання окремими атомами й молекулами та керування ними для створення нових матеріалів і пристроїв.

У 1981 році Герд Бінніг і Генріх Рорер винайшли скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), який дозволив вченим спостерігати та маніпулювати окремими атомами та молекулами. Це був значний прорив у сфері нанотехнологій.

У 1990-х роках з'явився термін «нанотехнології», і дослідження в цій галузі почали набирати обертів. У 2000 році було започатковано Національну нанотехнологічну ініціативу США, що передбачає фінансування досліджень у галузі нанотехнологій та матеріалознавства.

Застосування нанотехнологій і матеріалознавства:

1. Електроніка: нанотехнології зробили революцію в галузі електроніки, дозволивши розробляти менші, швидші та ефективніші пристрої. Нанорозмірні матеріали, такі як графен і вуглецеві нанотрубки, мають унікальні електричні та механічні властивості, які роблять їх ідеальними для використання в електронних пристроях.
2. Медицина. Нанотехнології мають численні застосування в медицині, включаючи доставку ліків, візуалізацію та діагностику. Наночастинки можна використовувати для доставки ліків безпосередньо до ракових клітин, зменшуючи побічні ефекти та підвищуючи ефективність лікування. Наносенсори можуть виявляти захворювання на ранній стадії, дозволяючи ранню діагностику та лікування.
3. Енергетика: Нанотехнології використовуються для розробки більш ефективних сонячних батарей, батарей і паливних елементів. Нанорозмірні матеріали, такі як квантові точки, можна використовувати для підвищення ефективності сонячних елементів. Нанорозмірні каталізатори можна використовувати для підвищення ефективності паливних елементів, зниження їх вартості та збільшення терміну служби.
4. Навколишнє середовище. Нанотехнології використовуються для розробки матеріалів і пристроїв для відновлення навколишнього середовища, наприклад для видалення забруднюючих речовин із води та повітря. Наночастинки можна використовувати для розщеплення забруднюючих речовин, полегшуючи їх видалення з навколишнього середовища.

Майбутнє нанотехнологій і матеріалознавства:

Майбутнє нанотехнологій і матеріалознавства багатообіцяюче, з розробкою багатьох нових застосувань. Деякі з сфер, де очікується, що нанотехнології матимуть значний вплив у майбутньому, включають:

1. Біомедична інженерія: нанотехнології використовуються для розробки нових методів лікування таких захворювань, як рак, і для створення нових медичних пристроїв, таких як імплантовані датчики.
2. Зберігання енергії: нанотехнології використовуються для розробки нових матеріалів для зберігання енергії, таких як батареї великої ємності та суперконденсатори.
3. Квантові обчислення: нанотехнології використовуються для розробки матеріалів і пристроїв для квантових обчислень, які можуть революціонізувати обчислення та криптографію.
4. Розумні матеріали: нанотехнології використовуються для розробки матеріалів, які можуть змінювати свої властивості у відповідь на зовнішні подразники, такі як температура, світло або тиск.

висновок:

Нанотехнології та матеріалознавство є галузями, що швидко розвиваються, і мають численні застосування в різних галузях промисловості.